全光纤高能量超短脉冲激光系统的制作方法

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种全光纤高能量超短脉冲激光系统。

背景技术：

基于全光纤结构的激光器由于具有体积小、集成度高、稳定性好、免维护和光束质量好等优点，因此得到了广泛的研究。加之此类激光器具有大的表面体积比，散热性能好，热光效应引起的光束畸变小，尤其适合高功率激光的输出，因此采用此种结构已经实现了万瓦级的连续激光输出。但是，在超快激光放大中，由于光纤的有限模场面积限制，使得超短激光脉冲在光纤中传输时，会产生严重的非线性效应，导致脉冲的时域畸变，很难获得超短脉冲输出，因此在光纤中通常情况下很难实现高能量的超短脉冲输出。

但是随着大模场面积双包层光纤以及光子晶体光纤的出现，采用啁啾脉冲放大技术，可以在光纤中实现高能量超短脉冲输出。目前国际上获得最高输出能量为2.2mJ，脉宽为500fs的超短脉冲输出。尽管其获得了高能量的飞秒激光输出，但是由于其在啁啾脉冲放大过程中，将脉冲展宽到2ns，并引入了两级光子晶体增益光纤进行放大，尤其第二级的光子晶体光纤为棒状光子晶体光纤，不可以弯折，需要严密的空间耦合，因而其系统结构复杂，稳定性差，成本高，且激光器尺寸很大。与刚性结构的棒状光子晶体光纤相对应，目前国际上采用单级柔性光子晶体光纤实现的超短脉冲啁啾脉冲放大系统最高的输出能量为100μJ，所获得的最短脉宽为650fs。但是，其采用的柔性光子晶体光纤放大级也是采用空间耦合技术来实现的，而且其在放大过程中利用了光栅的三阶色散来补偿光纤中的非线性，因此需要严格的控制，实现难度大。

尽管国外在高能量飞秒光纤激光器方面取得了显著的进展，但是在国内，目前尚无数十微焦级别的全光纤结构的超短脉冲飞秒激光放大系统，而该能量级别的超短脉冲激光已经可以满足包括精密切割，打孔等大多数的工业应用需求。

技术实现要素：

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷和问题，本发明提供一种全光纤高能量超短脉冲激光系统。

一种全光纤高能量超短脉冲激光系统，其包括啁啾光纤光栅3及依次顺序连接的光纤激光器1、光纤环形器2、第一单模光纤放大器4、第一双包层光纤放大器5、降频器6、第二单模光纤放大器7、第二双包层光纤放大器8、柔性光子晶体光纤放大器9和脉冲压缩器10，所述啁啾光纤光栅3连接于所述光纤环形器2，所述光纤激光器1、所述光纤环形器2、所述啁啾光纤光栅3、所述第一单模光纤放大器4、所述第一双包层光纤放大器5、所述降频器6、所述第二单模光纤放大器7、所述第二双包层光纤放大器8、所述柔性光子晶体光纤放大器9及所述脉冲压缩器10均采用保偏全光纤结构的熔融拼接实现连接。

本发明一较佳实施方式中，所述光纤环形器2包括光输入端、光输出端以及连接端，所述光纤激光器1通过所述光输入端接入所述光纤环形器2，所述光纤环形器2通过所述光输出端接入所述第一单模光纤放大器4，所述啁啾光纤光栅3通过所述连接端接入所述光纤环形器2。

本发明一较佳实施方式中，所述光纤激光器1为全保偏结构的锁模激光器，其输出激光脉冲的重复频率是40MHz，脉宽为15ps，中心波长1030nm，平均功率18mw。

本发明一较佳实施方式中，所述啁啾光纤光栅3具有固定色散系数的正色散特性。

本发明一较佳实施方式中，所述第一单模光纤放大器4由由单模抽运半导体激光器、光纤波分复用器和保偏的掺镱单模光纤组成。

本发明一较佳实施方式中，所述第一双包层光纤放大器5由泵浦合束器、LD泵浦源以及双包层掺镱光纤组成。

本发明一较佳实施方式中，所述双包层掺镱光纤为芯径10μm、内包层直径125μm的保偏双包层光纤。

本发明一较佳实施方式中，所述降频器6是基于保偏光纤耦合输入输出的声光调制器，其主要由声光调制器驱动和声光晶体组成。

本发明一较佳实施方式中，所述第二单模光纤放大器7由波分复用器以及掺镱单模增益光纤组成。

本发明一较佳实施方式中，所述第二双包层光纤放大器8由泵浦合束器、LD泵浦源以及双包层掺镱光纤组成。

本发明一较佳实施方式中，所述双包层掺镱光纤为芯径10μm，内包层直径为125μm的保偏双包层光纤。

本发明一较佳实施方式中，所述柔性光子晶体光纤放大器9由泵浦合束器、LD泵浦源以及柔性光子晶体光纤组成。

本发明一较佳实施方式中，所述柔性光子晶体光纤按照光子晶体光纤的保偏轴进行盘绕。

本发明一较佳实施方式中，所述脉冲压缩器10采用透射式光栅对，光栅刻线密度1600line/mm。

相较于现有技术，本发明提供的所述全光纤高能量超短脉冲激光系统中，所述光纤激光器、所述光纤环形器、所述啁啾光纤光栅、所述第一单模光纤放大器、所述第一双包层光纤放大器、所述降频器、所述第二单模光纤放大器、所述第二双包层光纤放大器、所述柔性光子晶体光纤放大器及所述脉冲压缩器均采用保偏全光纤结构的熔融拼接实现连接，使得整个系统具有较佳的稳定性、紧凑性以及免维护等特点，成为一种高集成、免调试的超短脉冲激光系统。同时，通过引入大模场面积光子晶体光纤，有效地降低了超短脉冲放大过程中的非线性积累，实现了在全光纤结构中输出高能超短脉冲，且由于是全光纤结构，所以输出光束质量高。此外，采用全保偏光纤，可确保光纤系统的稳定性和外部干扰的不敏感特性，并使得输出激光为线偏振。

附图说明

图1是本发明所提供的全光纤高能量超短脉冲激光系统的光路结构示意图；

图2是基于图1所示的全光纤高能量超短脉冲激光系统压缩后的激光脉冲自相关曲线图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本发明一较佳实施例提供一种全光纤高能量超短脉冲激光系统，其包括啁啾光纤光栅3及依次顺序连接的光纤激光器1、光纤环形器2、第一单模光纤放大器4、第一双包层光纤放大器5、降频器6、第二单模光纤放大器7、第二双包层光纤放大器8、柔性光子晶体光纤放大器9和脉冲压缩器10，所述啁啾光纤光栅3连接于所述光纤环形器2，所述光纤激光器1、所述光纤环形器2、所述啁啾光纤光栅3、所述第一单模光纤放大器4、所述第一双包层光纤放大器5、所述降频器6、所述第二单模光纤放大器7、所述第二双包层光纤放大器8、所述柔性光子晶体光纤放大器9及所述脉冲压缩器10均采用保偏全光纤结构的熔融拼接实现连接。

优选地，所述光纤激光器1为全保偏结构的锁模激光器，其输出激光脉冲的重复频率是40MHz，脉宽为15ps，中心波长1030nm，平均功率18mw。

本实施例中，所述光纤环形器2包括光输入端21、光输出端23以及连接端25，所述光纤激光器1通过所述光输入端21接入所述光纤环形器2，所述光纤环形器2通过所述光输出端23接入所述第一单模光纤放大器4，所述啁啾光纤光栅3通过所述连接端25接入所述光纤环形器2。

本实施例中，所述啁啾光纤光栅3具有固定色散系数的正色散特性。可以理解的是，由于所述啁啾光纤光栅3的折射率间隔不同，导致不同波长的光在其中的不同位置满足布拉格条件得以反射，比如，红光在其入口处反射，蓝光在其尾部反射。

可以理解的是，所述光纤环形器2和所述啁啾光纤光栅3共同组成了光纤展宽器。

本实施例中，所述第一单模光纤放大器4由单模抽运半导体激光器、光纤波分复用器和保偏的掺镱单模光纤组成。

本实施例中，所述第一双包层光纤放大器5由泵浦合束器、LD泵浦源以及双包层掺镱光纤组成。其中，所述双包层掺镱光纤为芯径10μm、内包层直径125μm的保偏双包层光纤。

本实施例中，所述降频器6是基于保偏光纤耦合输入输出的声光调制器，其主要由声光调制器驱动和声光晶体组成。

本实施例中，所述第二单模光纤放大器7由单模抽运半导体激光器、光纤波分复用器和保偏的掺镱单模光纤组成。

本实施例中，所述第二双包层光纤放大器8由泵浦合束器、LD泵浦源以及双包层掺镱光纤组成。其中，所述双包层掺镱光纤为芯径10μm，内包层直径为125μm的保偏双包层光纤。当然，并不局限于本实施例，所述第二双包层光纤放大器8也可以采用不同芯径的双包层光纤，比如10um或者25um芯径的。

本实施例中，所述柔性光子晶体光纤放大器9由泵浦合束器、LD泵浦源以及柔性光子晶体光纤组成。双包层掺镱光纤为芯径40μm，包层直径为200μm的保偏光子晶体光纤。其中，所述柔性光子晶体光纤按照光子晶体光纤的保偏轴进行盘绕，且其为大模场面积光子晶体光纤。

优选地，所述柔性光子晶体光纤放大器9和所述第二双包层光纤放大器8之间采用光纤熔接技术，实现对不同模场面积的特种光纤的熔接。由此，通过放大，在保证无拉曼频移的情况下，可以将输出信号放大。

本实施例中，所述脉冲压缩器10采用透射式光栅对，光栅刻线密度1600line/mm。

以下，本发明通过具体实施例来说明所述全光纤高能量超短脉冲激光系统。

光纤激光器1为全光纤锁模激光器，其输出激光脉冲的重复频率为40MHz，光谱宽度为9nm，脉冲宽度为15ps，平均功率为18mW。

基于单模光纤的光纤环形器2和啁啾光纤光栅3组成脉冲展宽器，将输入的脉冲由初始的15ps展宽到大于600ps，同时由于损耗导致输出功率为1.5mW。

第一单模光纤放大器4由单模抽运半导体激光器、光纤波分复用器和保偏的掺镱单模光纤(纤芯直径6μm，包层直径125um)组成，将1.5mW的信号光放大到约60mW。

然后进入第一双包层光纤放大器5，第一双包层光纤放大器5由泵浦合束器，LD泵浦源及双包层掺镱光纤组成。其中，双包层掺镱光纤为芯径10μm，内包层直径125μm的保偏双包层光纤。第一双包层光纤放大器5将60mW的信号光放大到约1.8W。

1.8W的信号光经过光纤耦合的声光调制器，即降频器6进行降频，把种子源的40MHz的重复频率降低到200KHz，降频之后输出功率变为2mW。

降频后的信号光再进入第二单模光纤放大器7，第二单模光纤放大器7由单模抽运半导体激光器、光纤波分复用器和保偏的掺镱单模光纤(纤芯直径6μm，包层直径125um)组成，将1.5mW的信号光放大到约20mW。

然后进入第二双包层光纤放大器8进行能量放大，第二双包层光纤放大器8由泵浦合束器、LD泵浦源及双包层掺镱光纤组成。其中，双包层掺镱光纤为芯径10μm，内包层直径125μm的保偏双包层增益光纤，其将20mW的信号光进行放大，可以获得最高2W的输出。但是，由于在放大过程中会产生较大的非线性，包括拉曼频移，因此为了保证最后一级的放大输出以及控制整个全光纤高能量超短脉冲激光系统的非线性有效控制，该级将信号只放大到300mW。

然后将300mW的信号通过光纤熔接，导入到柔性光子晶体光纤放大器9中，柔性光子晶体光纤放大器9由泵浦合束器、LD泵浦源及柔性光子晶体光纤组成。双包层掺镱光纤为芯径40μm，包层200μm的保偏光子晶体光纤。柔性光子晶体光纤按照光子晶体光纤的保偏轴进行盘绕。柔性光子晶体光纤与双包层光纤之间采用光纤熔接技术，实现对不同模场面积的特种光纤的熔接。通过放大，在保证无拉曼频移的情况下，可以将输出信号放大到20W。

放大之后的光通过1600lines/mm的透射光栅(即脉冲压缩器10)对进行压缩，获得压缩输出功率10W，脉冲重复频率为200KHz的激光输出，于此相对应的单脉冲能量高达50μJ，压缩后脉冲宽度为933fs。

相较于现有技术，本发明提供的所述全光纤高能量超短脉冲激光系统中，所述光纤激光器1、所述光纤环形器2、所述啁啾光纤光栅3、所述第一单模光纤放大器4、所述第一双包层光纤放大器5、所述降频器6、所述第二单模光纤放大器7、所述第二双包层光纤放大器8、所述柔性光子晶体光纤放大器9及所述脉冲压缩器10均采用保偏全光纤结构的熔融拼接实现连接，使得整个系统具有较佳的稳定性、紧凑性以及免维护等特点，成为一种高集成、免调试的超短脉冲激光系统。同时，通过引入大模场面积光子晶体光纤，有效地降低了超短脉冲放大过程中的非线性积累，实现了在全光纤结构中输出高能超短脉冲，且由于是全光纤结构，所以输出光束质量高。此外，采用全保偏光纤，可确保光纤系统的稳定性和外部干扰的不敏感特性，并使得输出激光为线偏振。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。