一种高能量超短脉冲光纤激光器的制造方法
【专利摘要】一种高能量超短脉冲光纤激光器，包括种子脉冲振荡器(1)、啁啾脉冲展宽器(2)、光纤预放大器(3)、脉冲分离装置(4)以及非线性放大压缩器(5)；种子脉冲振荡器(1)输出的脉冲经啁啾脉冲展宽器(2)展宽后，经光纤预放大器(3)预放大，再由脉冲分离装置(4)产生分离脉冲，分离脉冲注入非线性放大压缩器(5)产生高能分离超短脉冲，再次进入脉冲分离装置(4)合束后输出高能超短脉冲激光。本实用新型采用脉冲分离方法实现啁啾脉冲放大和非线性脉冲压缩的有机融合，既有效避免在脉冲展宽过程中引入过量的高阶色散，又有效控制了非线性放大过程中非线性效应；本实用新型通过光学晶体数量控制脉冲分离，方法简单易行；本实用新型可适用于多个波段的激光放大。
【专利说明】一种高能量超短脉冲光纤激光器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及激光【技术领域】，特别是一种高能量超短脉冲光纤激光器，具体的是采用分离脉冲结合非线性放大产生高能量超短脉冲激光的光纤激光器。
【背景技术】
[0002]高能超短脉冲在基础科学研宄、工业精密制造及空天卫星通信方面有着极为重要的应用需求。伴随着激光技术的不断革新及应用需求的迅速拓展，光纤激光器以其小型化、便携式、高能效、免维护的特性进入了应用领域的视野。在光纤激光器的冲击下，传统的激光光源，特别是固态激光器体积大、功耗高的劣势愈加明显。但是，固态激光器在高能量飞秒脉冲激光的产生和应用方面仍然具有重要地位，其重要原因就是除固态激光器外罕有其它光源能提供单脉冲能量超过lmj，脉冲宽度小于10fs的激光脉冲。
[0003]当前，光纤激光器的输出指标已在逐步逼近固体激光器，采用啁啾脉冲放大技术，可以获得较高单脉冲能量的脉冲输出。如，单脉冲能量2 μ J、脉冲宽度220fs的光纤激光在实验上获得证实(131W 220fs fiber laser system.0ptics Letters Vol.30, Iss.20,pp.2754-2756，2005);基于光纤激光继而实现了单脉冲能量2.2mJ、脉冲宽度为500fs的激光输出(Fiber chirped-pulse amplificat1n system emitting 3.8GW peak power.0ptics Express Vol.19，Iss.1，pp.255-260，2011)。但米用啁啾脉冲放大技术较难实现10fs以下的脉冲输出，主要原因有以下两点。其一，啁啾脉冲放大过程中为了降低高能量脉冲放大过程的非线性效应，在引入大量二阶色散的同时会产生过量的难以压缩的高阶色散，而在后续的脉冲压缩过程中无法有效的实现色散补偿；其二，由于激光放大过程往往伴随着增益窄化效应，导致放大后的激光光谱相比种子光谱窄了很多，无法支持10fs的脉冲激光输出。
[0004]为了产生支持10fs脉冲输出的光谱宽度，克服啁啾脉冲放大过程的高阶色散，有效的压缩脉冲，科研人员又提出了光纤非线性脉冲放大方案。非线性脉冲放大过程与啁啾脉冲放大过程正好相反，不是预先展宽脉冲宽度而克服非线性，而是预先压缩脉冲宽度并利用非线性。依靠提高进入光纤放大器的注入脉冲的峰值功率，凭借非线性效应(主要是自相位调制效应)极大的拓展放大脉冲的光谱，并采用与啁啾脉冲放大相类似的脉冲压缩器，实现脉冲压缩。非线性放大方案在实验上获得了单脉冲能量接近I μ J，脉冲宽度 27fs 的脉冲输出(57W, 27fs pulses from a fiber laser system using nonlinearcompress1n.Applied Physics B，Volume 92, Issue I, pp 9-12,2008)。但是非线性脉冲放大方案也有其自身的弊端，较难实现单脉冲能量超过ImJ的激光输出。主要原因在于高能超短脉冲放大过程中的高峰值功率脉冲会产生自聚焦、受激拉曼散射、交叉相位调制等除自相位调制效应以外的非线性效应，而这些效应会使脉冲形状和频谱发生畸变，甚至破坏激光放大介质，无法实现高质量的脉冲压缩。
[0005]综上所述，目前高能超短脉冲的产生方案皆为啁啾脉冲放大技术或非线性脉冲放大技术，其输出指标仍需要在大能量或者是短脉冲这两者之间进行权衡。此外，无论是啁啾脉冲放大或者是非线性脉冲放大，在激光能量放大后都需要额外的空间光学元件(如光栅对、棱镜对、或者是啁啾镜)进行色散补偿，将脉冲压缩至飞秒量级。所以，如何将脉冲压缩器简化也是光纤激光器技术革新的一个重要课题。
【发明内容】
[0006]为了解决上述现有技术在高能超短脉冲光纤放大过程中的不足，即在实现单脉冲能量超过ImJ的同时，又要实现脉冲宽度小于10fs的脉冲输出，本实用新型提供了一种高能量超短脉冲光纤激光器，以分离脉冲方法为桥梁，实现了啁啾脉冲放大技术和非线性脉冲放大技术的有机融合，能有效的产生高能超短脉冲激光。
[0007]本实用新型的技术方案为:
[0008]一种高能量超短脉冲光纤激光器，包括种子脉冲振荡器、啁啾脉冲展宽器、光纤预放大器、脉冲分离装置以及非线性放大压缩器；其中种子脉冲振荡器输出端与啁啾脉冲展宽器的输入端连接；所述啁啾脉冲展宽器的输出端连接光纤预放大器，所述啁啾脉冲展宽器引入正啁啾，即引入的色散量为正常色散；所述光纤预放大器的输出端连接脉冲分离装置；所述脉冲分离装置设置有两个输出端，其中一个输出端连接非线性放大压缩器的输入端，另一个输出端为激光器的总输出端；所述非线性放大压缩器的输入端和输出端为同一端口，其中包含的光纤均为负色散光纤，用于补偿啁啾脉冲展宽器和非线性放大过程中产生的正啁啾；
[0009]种子脉冲振荡器产生初始输出脉冲A ;啁啾脉冲展宽器用于将初始输出脉冲A脉冲宽度展宽，产生展宽脉冲B ;光纤预放大器用于将展宽脉冲B进行功率预放大，产生预放大脉冲激光C ;脉冲分离装置用于将预放大脉冲激光C进行脉冲分离，产生分离脉冲D ;脉冲分离装置具有两个输出端，其中一个输出端用于输出分离脉冲D至非线性放大压缩器，另一个输出端作为整个高能量超短脉冲光纤激光器总输出端；非线性放大压缩器用于将分离脉冲D高功率脉冲放大和脉冲压缩，产生高能分离超短脉冲E ;非线性放大压缩器的输出端与其输入端为同一端口，高能分离超短脉冲E经由非线性放大压缩器的输出端再次进入脉冲分离装置，实现脉冲合束；最终从脉冲分离装置总输出端输出高能超短脉冲F ;
[0010]优选的，所述种子脉冲振荡器采用非线性偏振旋转锁模、可饱和吸收体锁模或石墨稀锁t吴脉冲振荡器；
[0011]优选的，所述种子脉冲振荡器采用非线性偏振旋转锁模，包括半导体激光器(LD)、增益光纤(GF)和波分复用器、光隔离器、分束器多功能合一器件(WDM/OI/OC)，所述半导体激光器提供泵浦能量；
[0012]优选的，所述啁啾脉冲展宽器为对应于种子脉冲振荡器的初始输出脉冲激光波长的正常色散光纤、光子晶体光纤、光纤耦合光栅对或光纤耦合棱镜对；
[0013]优选的，所述光纤预放大器包括光纤親合偏振分束器(F-PBS)、单模光纤放大器(SMFA)和第一法拉第旋光反射镜(FRM);自所述啁啾脉冲展宽器输入的展宽脉冲B经所述第一法拉第旋光反射镜反射两次经过所述单模光纤放大器，产生的预放大脉冲C经所述光纤耦合偏振分束器输出；光纤预放大器为双程增益，使得展宽脉冲B实现光程互补，可降低环境影响，提尚放大稳定性；
[0014]优选的，所述脉冲分离装置包括一对光纤准直器(Col)、半波片(HWP)、偏振分束器(PBS)和级联偏振分束晶体(Divider);自所述光纤预放大器输入的预放大脉冲C依次经过光纤准直器、半波片、偏振分束器、级联偏振分束晶体和另一个光纤准直器，输出分离脉冲D激光；
[0015]优选的，所述级联偏振分束晶体由双折射晶体的光学晶体和/或偏振分束立方的光学晶体级联组成；
[0016]优选的，所述双折射晶体为矾酸钇晶体；
[0017]优选的，所述偏振分束立方分别与直角反射器配合设置，所述级联偏振分束晶体由长度依次成倍数关系的第一双折射晶体、第二双折射晶体、第三双折射晶体以及与直角反射器间隔依次成比例的第一偏振分束立方、第二偏振分束立方、第三偏振分束立方顺次级联组成；
[0018]脉冲分离装置依靠光学晶体对不同偏振光的延迟效应产生分离脉冲，通过增加光学晶体数量，可以有效实现对脉冲分离个数的控制，进而控制非线性放大压缩器的非线性效应，实现啁啾脉冲放大技术和非线性脉冲放大技术的有机融合；分离脉冲D中，包含有若干个分离的子脉冲，分离脉冲D中子脉冲具有不同偏振态；相邻子脉冲的脉冲间隔由长度最小的双折射晶体决定，为了更加有效的分离脉冲，可再加入偏振分束立方，两个偏振方向脉冲延迟差由偏振分束立方和直角反射器的间隔决定；即可产生持续时间在纳秒量级的脉冲串；
[0019]优选的，所述非线性放大压缩器包括非线性放大器和第二法拉第旋光反射镜，非线性放大器可使用双包层光纤放大器(DCFA);自所述脉冲分离装置输入的分离脉冲D经所述第二法拉第旋光反射镜反射两次经过所述非线性放大器，输出高能分离超短脉冲E ;
[0020]所述的非线性放大压缩器采用双程增益结构，输入的分离脉冲D第一次通过该放大器时产生线性的功率放大和脉冲压缩，第二次通过该放大器时产生线性的功率放大和非线性脉冲压缩，路径对易，光程互补；其中，非线性脉冲压缩是由激光放大过程中的光谱非线性展宽及放大光纤的负色散导致的脉冲压缩共同形成；这种分离脉冲放大方法不仅可以克服光纤放大过程中的过量的非线性效应，而且可以有效利用非线性效应克服常规放大过程中频谱窄化效应，获得比注入种子光脉冲更宽的频谱，进而产生小于10fs的脉冲；输出的高能分离超短脉冲E在脉冲分离模块中自动合成一个高能超短脉冲F，最终输出脉冲小于lOOfs，并不需要额外的色散补偿装置进行脉冲压缩。
[0021]本实用新型技术方案具有以下技术效果:
[0022]1.本实用新型采用脉冲分离方法，不仅可以有效避免在脉冲展宽过程中引入过量的高阶色散，而且可以有效控制非线性放大过程中非线性效应，实现啁啾脉冲放大和非线性脉冲压缩的有机融合，产生高能超短脉冲；
[0023]2.本实用新型通过采用级联的双折射晶体和偏振分束立方实现脉冲分离；通过增加光学晶体数量，可以有效实现对脉冲分离个数的控制，进而控制激光放大过程的非线性演化过程，简单易行；
[0024]3.本实用新型适用于多个波段的激光放大，仅需要在啁啾脉冲展宽器采用的正常色散介质展宽脉冲，在非线性放大压缩器采用负色散光纤进行脉冲压缩。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本实用新型激光器工作过程示意图；
[0026]图2为本实用新型激光器结构功能示意图；
[0027]图3为本实用新型激光器脉冲分离装置结构示意图。
[0028]其中:
[0029]1.种子脉冲振荡器；11.半导体激光器；12.增益光纤；13.波分复用器、光隔离器、分束器多功能合一器件；
[0030]2.啁啾脉冲展宽器；
[0031]3.光纤预放大器；31.光纤親合偏振分束器；32.单模光纤放大器；33.第一法拉第旋光反射镜；
[0032]4.脉冲分离装置；41.光纤准直器；42.半波片；43.偏振分束器；44.级联偏振分束晶体；441.第一双折射晶体；442.第二双折射晶体；443.第三双折射晶体；444.第一偏振分束立方；445.第二偏振分束立方；446.第三偏振分束立方；447.直角反射器；
[0033]5.非线性放大压缩器；51.非线性放大器；52.第二法拉第旋光反射镜；
[0034]A.初始输出脉冲展宽脉冲；C.预放大脉冲；D.分离脉冲；E.高能分离超短脉冲；F.高能超短脉冲。
【具体实施方式】
[0035]以下结合附图通过实施例对本实用新型做进一步说明，以便更好地理解本实用新型。
[0036]如图1所示，高能量超短脉冲光纤激光器包括种子脉冲振荡器1、啁啾脉冲展宽器2、光纤预放大器3、脉冲分离装置4以及非线性放大压缩器5，以上五个部分可组成高能量超短脉冲光纤激光器。
[0037]图2中所示种子脉冲振荡器I采用非线性偏振旋转锁模的脉冲振荡器，使用了半导体激光器11、增益光纤12和波分复用器、光隔离器、分束器多功能合一器件13，种子脉冲振荡器I由半导体激光器11提供泵浦能量。
[0038]啁啾脉冲展宽器2可以是对应于种子脉冲振荡器I的初始输出脉冲A激光波长的正常色散光纤、光子晶体光纤、光纤耦合光栅对或者光纤耦合棱镜对，输出展宽脉冲B激光。
[0039]光纤预放大器3包含有光纤親合偏振分束器31、单模光纤放大器32和光纤親合的第一法拉第旋光反射镜33。光纤预放大器3为双程增益，使得展宽脉冲B前后两次经过单模光纤放大器32后，通过光纤親合偏振分束器31输出预放大脉冲C激光。
[0040]光纤预放大器3的输出端连接有脉冲分离装置4，用于将预放大脉冲C进行脉冲分离，产生分离脉冲D。
[0041]脉冲分离装置4包括一对光纤准直器41、一个半波片42、一个偏振分束器43和级联偏振分束晶体44 ;脉冲分离装置4具有两个输出端，其中第一输出端用于输出分离脉冲D，第二输出端作为整个高能量超短脉冲光纤激光器最终输出端，输出高能超短脉冲F。
[0042]所述的级联偏振分束晶体44是由基于双折射晶体和偏振分束立方的光学晶体级联组成，依靠光学晶体对不同偏振光的延迟效应产生分离脉冲；其中双折射晶体选用矾酸钇晶体。如图3所示，共级联三个双折射晶体和三个偏振分束立方，分别为第一双折射晶体441、第二双折射晶体442、第三双折射晶体443以及与直角反射器447配合的第一偏振分束立方444、第二偏振分束立方445和第三偏振分束立方446 ；
[0043]依靠调节半波片42使入射预放大脉冲C激光的偏振方向与双折射晶体的光轴夹角为与45°，预放大脉冲C分离成ο偏振脉冲和e偏振脉冲，由晶体两个偏振方向的折射率差异产生脉冲延时。通过级联使用三个长度成倍数关系的双折射晶体将入射脉冲进行多次分离，相邻子脉冲的脉冲间隔由长度最小的第一双折射晶体441决定。为了更加有效的分离脉冲，产生更多个子脉冲，可采用如图3右侧所示的三个偏振分束立方。通过选取合适的入射偏振角度，可以将由双折射晶体分离的脉冲进一步分离；入射光经由偏振分束立方分为水平偏振和垂直偏振两个偏振方向。其中水平偏振光无偏折的通过偏振分束立方，而垂直偏振产生90°偏转，在经由直角反射器与水平偏振光共线汇合。两个偏振方向脉冲延迟差由偏振分束立方和直角反射器447的间隔决定，这样即可产生持续时间在纳秒量级的脉冲串；脉冲分离装置4的输出端与非线性放大压缩器5的输入端相连，用于将分离脉冲D注入非线性放大压缩器5。
[0044]非线性放大压缩器5，采用双程增益结构，即输入的分离脉冲D第一次通过非线性放大器51后，由第二法拉第反射镜52反射并第二次通过该放大器。分离脉冲D第一次通过该放大器时进行线性的功率放大和脉冲压缩，第二次通过该放大器时产生线性的功率放大和非线性脉冲压缩；其中，非线性脉冲压缩是由激光放大过程中的光谱非线性展宽及放大光纤的负色散导致的脉冲压缩共同形成。非线性放大压缩器5的输出端与其输入端为同一端口，高能分离超短脉冲E经由非线性放大压缩器5的输出端再次进入脉冲分离装置4，实现脉冲合束，合成一个高能超短脉冲F激光。
[0045]实施例所述的分离脉冲放大方法不仅可以克服光纤放大过程中的过量的非线性效应，而且可以有效利用非线性效应克服常规放大过程中频谱窄化效应，获得比注入种子光脉冲更宽的频谱，进而产生小于10fs的脉冲。
[0046]应理解，上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于供本领域技术人员了解本实用新型的内容并据以实施，并非【具体实施方式】的穷举，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种高能量超短脉冲光纤激光器，其特征在于:包括种子脉冲振荡器(I)、啁啾脉冲展宽器⑵、光纤预放大器(3)、脉冲分离装置(4)以及非线性放大压缩器(5);其中 所述种子脉冲振荡器(I)输出端与啁啾脉冲展宽器(2)的输入端连接； 所述啁啾脉冲展宽器(2)的输出端连接光纤预放大器(3)，所述啁啾脉冲展宽器(2)引入正啁啾； 所述光纤预放大器(3)的输出端连接脉冲分离装置(4); 所述脉冲分离装置(4)设置有两个输出端，其中一个输出端连接非线性放大压缩器(5)的输入端，另一个输出端为激光器的总输出端； 所述非线性放大压缩器(5)的输入端和输出端为同一端口，其中包含的光纤均为负色散光纤。
2.根据权利要求1所述的高能量超短脉冲光纤激光器，其特征在于:所述种子脉冲振荡器(I)采用非线性偏振旋转锁模、可饱和吸收体锁模或石墨烯锁模脉冲振荡器。
3.根据权利要求2所述的高能量超短脉冲光纤激光器，其特征在于:所述种子脉冲振荡器(I)采用非线性偏振旋转锁模，包括半导体激光器(11)、增益光纤(12)和波分复用器、光隔离器、分束器多功能合一器件(13)，所述半导体激光器(11)提供泵浦能量。
4.根据权利要求1所述的高能量超短脉冲光纤激光器，其特征在于:所述啁啾脉冲展宽器(2)为对应于种子脉冲振荡器(I)的初始输出脉冲(A)激光波长的正常色散光纤、光子晶体光纤、光纤耦合光栅对或光纤耦合棱镜对。
5.根据权利要求1所述的高能量超短脉冲光纤激光器，其特征在于:所述光纤预放大器(3)包括光纤親合偏振分束器(31)、单模光纤放大器(32)和第一法拉第旋光反射镜(33);自所述啁啾脉冲展宽器(2)输入的展宽脉冲(B)经所述第一法拉第旋光反射镜(33)反射两次经过所述单模光纤放大器(32)，产生的预放大脉冲(C)经所述光纤耦合偏振分束器(31)输出。
6.根据权利要求1所述的高能量超短脉冲光纤激光器，其特征在于:所述脉冲分离装置(4)包括一对光纤准直器(41)、半波片(42)、偏振分束器(43)和级联偏振分束晶体(44);自所述光纤预放大器(3)输入的预放大脉冲(C)依次经过光纤准直器(41)、半波片(42)、偏振分束器(43)、级联偏振分束晶体(44)和另一个光纤准直器(41)，输出分离脉冲(D)激光。
7.根据权利要求6所述的高能量超短脉冲光纤激光器，其特征在于:所述级联偏振分束晶体(44)由双折射晶体的光学晶体和/或偏振分束立方的光学晶体级联组成。
8.根据权利要求7所述的高能量超短脉冲光纤激光器，其特征在于:所述双折射晶体为矾酸钇晶体。
9.根据权利要求7所述的高能量超短脉冲光纤激光器，其特征在于:所述偏振分束立方分别与直角反射器(447)配合设置，所述级联偏振分束晶体(44)由长度依次成倍数关系的第一双折射晶体(441)、第二双折射晶体(442)、第三双折射晶体(443)以及与直角反射器(447)间隔依次成比例的第一偏振分束立方(444)、第二偏振分束立方(445)、第三偏振分束立方(446)顺次级联组成。
10.根据权利要求1至9任一项所述的高能量超短脉冲光纤激光器，其特征在于:所述非线性放大压缩器(5)包括非线性放大器(51)和第二法拉第旋光反射镜(52);自所述脉冲分离装置(4)输入的分离脉冲(D)经所述第二法拉第旋光反射镜(52)反射两次经过所述非线性放大器(51)，输出高能分离超短脉冲(E)。
【文档编号】H01S3/067GK204243447SQ201420754791
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月4日 优先权日:2014年12月4日
【发明者】曾和平, 郝强 申请人:南京朗研光电科技有限公司