一种高效率超短光脉冲展宽的方法和装置与流程

本发明涉及激光
技术领域：
，特别涉及一种高效率超短光脉冲展宽的方法和装置。
背景技术：
：如何提高激光的能量以及功率，自激光发明以来就一直受到人们的广泛关注。由于飞秒脉冲激光振荡器输出的平均功率一般为几毫瓦到几百毫瓦，单脉冲能量约为几十皮焦耳到几纳焦耳，因此需要放大飞秒脉冲激光的能量来满足现实的要求。飞秒脉冲激光不同于一般的纳秒甚至皮秒脉冲激光，它的脉冲宽度太短，如果直接放大，峰值功率会很高，达到一定程度就会引发一系列问题：产生各种非线性效应，使激光脉冲的光束质量下降；过高的激光脉冲峰值功率会破坏放大器中的光学元器件、增益介质；产生增益饱和效应，降低激光脉冲从增益介质中获取能量的效率。啁啾脉冲放大技术(简称CPA)的出现改变了这一现状，为飞秒激光功率的放大奠定了基础。在激光啁啾脉冲放大系统中，从振荡器输出的飞秒脉冲首先经过一个能提供较大色散的脉冲展宽器，将飞秒脉冲展宽103-105倍，达到皮秒甚至纳秒量级，形成带有强烈啁啾的长脉冲。这时，激光脉冲的峰值功率已大大降低，然后将其导入激光放大器，从激光放大介质抽取足够的能量后，再经过一个能提供与脉冲展宽器相反色散量的脉冲压缩器，将放大后的展宽脉冲压缩回原来的脉冲宽度量级。因此飞秒激光啁啾脉冲放大系统一般由振荡器，展宽器，放大器，压缩器四部分组成。展宽器是CPA系统中最为关键的器件之一，衍射光栅对、啁啾光纤光栅、体光栅都是常见的展宽器。光栅对是一种可以产生大量色散的元件，它是由两块光栅平行放置组成的。随着展宽量的增加光栅对的尺寸和距离也在增大，而大面积的衍射光栅无论是从制作工艺还是安装工艺都面临巨大的挑战，且损耗大。啁啾光纤光栅的特点是体积小、损耗低、非线性效应小和对偏振不敏感等技术优势，但是啁啾光纤光栅还是一种带通滤波器，很难提供宽带的脉冲展宽；而它所提供的色散量最多将脉冲展宽到1ns。体光栅与啁啾光纤光栅类似，在带宽上有限制，它所提供的色散量最多将脉冲展宽到500ps左右。随着新一代飞秒激光朝超大功率的方向发展，使得传统CPA系统中展宽技术面临严峻的挑战。技术实现要素：(一)要解决的技术问题本发明的目的在于提供一种高效率超短光脉冲展宽的方法和装置，以克服现有技术中对光脉冲的展宽存在一定局限性，无法满足飞秒激光朝超大功率发展的缺陷。(二)技术方案为了解决上述问题，本发明一方面提供一种高效率超短光脉冲展宽的装置，其包括：依次连接的脉冲光源、放大装置、非线性展宽装置；所述脉冲光源，用于提供脉冲光信号的输出；所述放大装置，用于对脉冲光源输出的脉冲光信号进行放大，所述放大倍数可调；所述非线性展宽装置，提供色散和非线性效应，用于对所述放大装置输出的脉冲光信号进行非线性展宽，且对展宽后的光脉冲进行可压缩的纳秒脉冲输出。优选地，所述脉冲光源提供的脉冲光信号的脉宽为飞秒或皮秒量级。优选地，所述非线性展宽装置采用光纤。优选地，所述光纤的群速度色散(GroupVelocityDispersion，GVD)参量β2>0，长度L≥LD，L≥LNL，其中LD为色散长度，LNL为非线性长度。另一方面，本发明提供一种高效率超短光脉冲展宽的方法，包括：步骤1、提供一脉冲光信号；步骤2、对脉冲光信号进行放大处理，所述放大倍数可调；步骤3、通过非线性展宽装置将放大处理后的脉冲光信号进行非线性展宽，输出可压缩的纳秒光脉冲。优选地，所述脉冲光信号的脉宽为飞秒或皮秒量级。优选地，所述非线性展宽装置采用光纤。优选地，所述光纤的GVD参量β2>0，长度L≥LD，L≥LNL，其中LD为色散长度，LNL为非线性长度。(三)有益效果本发明提供一种高效率超短光脉冲展宽的方法和装置，通过提高脉冲光的功率，利用色散和非线性效应，增加了脉冲的展宽速度，能够实现飞秒到几纳秒甚至十几纳秒的脉冲展宽，展宽后的脉冲可被压缩到最大程度地接近时间带宽积的理论极限宽度，能够大规模的提高CPA系统的输出功率。附图说明图1为本发明脉冲和光谱随非线性展宽光纤长度变化趋势图；图2为本发明高效率超短光脉冲展宽装置的结构示意图；图3为本发明实施例1产生的宽带光谱图；图4为本发明实施例1产生的纳秒级脉冲图；图5为本发明实施例1产生的纳秒级脉冲被压缩后的飞秒脉冲图；图6为本发明实施例1非线性展宽后的脉冲宽度和光谱宽度与放大装置输出功率关系图；图7为本发明实施例1经过非线性展宽的脉冲被压缩后的脉宽与放大装置输出功率关系图；图8为本发明实施例2非线性展宽后的脉冲宽度和光谱宽度与放大装置输出功率关系图；图9为三个实施例所产生的脉冲宽度与放大装置输出功率关系对比图；图10为三个实施例所产生的光谱宽度与放大装置输出功率关系对比图；图11为本发明实施例高效率超短光脉冲展宽的方法流程图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。如图2所示，本发明提供一种高效率超短光脉冲展宽装置结构示意图。该装置包括依次连接的脉冲光源1、放大装置2、非线性展宽装置3。其中，脉冲光源1，用于提供脉冲光信号的输出；放大装置2，用于对脉冲光源输出的脉冲光信号进行放大，放大倍数可调；非线性展宽装置3，提供色散和非线性效应，用于对所述放大装置输出的脉冲光信号进行非线性展宽，且对展宽后的脉冲光信号进行可压缩的纳秒脉冲输出。其中，本实施例中的脉冲光源提供的脉冲光信号的脉宽为飞秒或皮秒量级。本实施例中的非线性展宽装置3采用光纤，设置所述光纤的GVD参量β2>0，长度L≥LD，L≥LNL，其中LD为色散长度，LNL为非线性长度。其中：LD=T02|β2|LNL=1γP0]]>公式中，β2：光纤群速度色散；T0：脉冲宽度；γ：光纤非线性系数；P0：脉冲峰值功率。本实施例中，放大后的光脉冲进入非线性展宽装置3，非线性展宽光纤长度L≥LD，L≥LNL，SPM(Self-phaseModulation，自相位调制)和GVD共同对非线性展宽光纤中传输的脉冲起作用，脉冲功率越大，SPM效应越强。从图1可以看出，脉冲宽度延光纤长度线性展宽，而光谱在进入非线性展宽光纤后便迅速展宽，然后保持宽度基本不变。SPM导致频谱展宽，GVD使脉冲展宽并通过整形使其几乎变成方波，同时脉冲在其整个宽度上产生近似线性的啁啾。SPM主要作用是改变了仅由GVD感应的脉冲展宽的速度，加快了脉冲的展宽。另外，展宽后的脉冲啁啾线性度高达95％以上，因此展宽后的脉冲可被压缩,且最大程度接近时间带宽积的理论极限宽度。如图11所示，本发明还提供一种高效率超短光脉冲展宽的方法，包括：步骤1、提供一脉冲光信号；步骤2、对脉冲光信号进行放大处理，所述放大倍数可调；步骤3、通过非线性展宽装置将放大处理后的脉冲光信号进行非线性展宽，输出可压缩的纳秒光脉冲。其中，脉冲光信号的脉宽为飞秒或皮秒量级。其中非线性展宽装置为光纤。设置所述光纤的GVD参量β2>0，长度L≥LD，L≥LNL，其中LD为色散长度，LNL为非线性长度。其中：LD=T02|β2|LNL=1γP0]]>公式中，β2:：光纤群速度色散；T0：脉冲宽度；γ：光纤非线性系数；P0：脉冲峰值功率。本发明的有益效果是：通过提高脉冲光的功率，利用非线性效应，增加了脉冲的展宽速度，能够实现飞秒到几纳秒甚至十几纳秒的脉冲展宽，展宽后的脉冲可被压缩到接近时间带宽积的理论极限宽度。本发明所提供的超短脉冲展宽技术成本低，体积小，比传统展宽方法的展宽量有数量级的改进，因此能够大规模的提高CPA系统的输出功率。实施例1本实施例中的脉冲光源1使用脉宽为300fs的脉冲光源，经过放大装置2放大，非线性展宽装置3使用光纤，其具体参数为：长度L＝2km，色散β2＝191ps2/km，非线性系数γ＝6.63(1/kw*m)。经非线性展宽光纤后，输出的光谱形状如图3，半高宽为33nm；脉冲形状如图4所示，半高宽10ns，啁啾线性度高达99％；压缩后的飞秒脉冲半高宽58fs(如图5)。另外，根据实验得知，放大装置2的放大倍数不同，非线性展宽装置3输出的脉冲宽度和光谱宽度也不同，展宽后的脉冲宽度和光谱宽度与放大装置2输出的功率关系如图6所示，由图可以看出，放大装置2输出的功率越大，非线性展宽装置输出的脉冲和光谱越宽。图7为放大装置2放大到不同功率的脉冲，经非线性展宽装置后又被整形压缩后的脉冲半高宽分布；由图可以看出，脉冲均可压缩到飞秒，且随着放大装置2输出功率的增加，压缩后的脉冲越来越窄。实施例2本实施例中的脉冲光源1使用脉宽为300fs的脉冲光源，经过放大装置2放大后输出不同功率，非线性展宽光纤的具体参数为：长度L＝2km，群速度色散β2＝28ps2/km，非线性系数γ＝4.81(1/kw*m)。经非线性展宽装置3展宽后的脉冲宽度和光谱宽度与放大装置2输出的功率关系如图8所示，由图可以看出，放大装置输出功率越大，脉冲和光谱宽度越宽。实施例3本实施例中的脉冲光源1脉宽为300fs的脉冲光源，经过放大装置2放大后输出不同功率，非线性展宽装置使用光纤的具体参数为：长度L＝2km，群速度色散β2＝56ps2/km，非线性系数γ＝4.81(1/kw*m)。三个实施例中的光脉冲经非线性展宽装置展宽后的脉冲宽度与放大装置2输出的功率关系对比如图9所示；光谱宽度与放大装置2输出的功率关系对比如图10所示。通过控制放大后的脉冲功率、及选择非线性展宽装置中光纤的色散及非线性系数，可以得到不同宽度的脉冲；展宽后的脉冲均可压缩到飞秒量级。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
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的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。当前第1页1 2 3