基于色散波的THz高重复频率高功率飞秒光纤激光器的制作方法

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种基于色散波的THz高重复频率高功率飞秒光纤激光器。

背景技术：

高功率飞秒光纤激光器具有光束质量高、热稳定性好、峰值功率高、结构紧凑、成本低、环境稳定性好、无需维护等优点，在精密加工、波导刻蚀、超连续谱产生和激光传感等领域应用越来越广泛，逐渐受到研究人员的关注。目前，1550nm波段的掺铒光纤由于具有正色散和负色散的光纤，通过选用不同长度、不同色散的光纤，可以较好的控制光纤激光器谐振腔内的色散值，实现飞秒激光信号输出。而对于1064nm波段，光纤在此波段的色散值皆为正值，对其进行色散补偿的啁啾布拉格光纤光栅、光子晶体光纤都需要定制，价格昂贵，因而1064nm波段的掺镱光纤激光器获得飞秒激光脉冲输出具有较高的难度。高功率的获得一般是采用MOPA结构,锁模得到的较低功率脉冲激光输出的飞秒光纤激光器，通过MOPA放大，可实现较高脉冲能量与平均功率的激光信号输出。

被动锁模光纤激光器中获得高重复频率的主要方法是通过高次谐波锁模和缩短光纤激光器谐振腔的长度。高次谐波锁模需要在基频锁模的基础上大幅度提升泵浦激光器的泵浦功率，由于其不是基频工作状态，输出激光信号的均匀性与稳定性都较差；而且泵浦功率的提升将增大整个激光器谐振腔内的脉冲能量，这样会影响被动锁模元件的使用寿命以及产生多脉冲现象。对于缩短谐振腔的长度可有效提升锁模脉冲的重复频率，但腔越短参与锁模的模式越少，锁模难度也会相应增加。另外，对于谐波锁模以及短腔锁模都很难达到特别高的重复频率，这受制于其本身的机制，采用此两种方法很难达到THz的重复频率。而在光学频率梳的应用中需要锁模光纤激光器具有更高的重复频率，光纤激光器的高重复频率可以增大梳齿间隔，以此满足频率测量应用的要求；在天文观测中高精度视向速度定标问题、精确距离测量、精密激光雷达等科研、国防领域也需要光纤激光器具有高重复频率。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要提供一种光束质量稳定、输出功率高的基于色散波的THz高重复频率高功率飞秒光纤激光器。

一种基于色散波的THz高重复频率高功率飞秒光纤激光器，包括掺铒光纤激光器种子源、频率提升部分、放大部分和脉宽压缩部分；所述掺铒光纤激光器种子源的输出端通过高非线性光纤与所述频率提升部分连接，所述频率提升部分的输出端连接至所述放大部分，所述放大部分包括预放大部分和两级主放大部分，所述放大部分的输出端与所述脉宽压缩部分相连；所述掺铒光纤激光器种子源产生的激光信号经所述高非线性光纤的非线性频率转换，并经过所述频率提升部分将其频率提升至THz高重复频率，所述THz高重复频率的激光信号经所述放大部分的预放大部分和两级主放大部分进行功率放大，再经过所述脉宽压缩部分，输出THz高重复频率的高功率飞秒脉冲信号。

进一步地，所述掺铒光纤激光器种子源包括激光器种子源和掺铒光纤放大部分，所述激光器种子源包括依次连接的光反射镜、第一掺铒增益光纤、第一波分复用器和第一光隔离器；所述第一波分复用器的两个输入端分别连接有所述第一掺铒增益光纤和第一单模泵浦激光器及其驱动电路的输出端，所述第一波分复用器的两个输出端分别连接至所述第一光隔离器和一个可饱和吸收体SESAM模块的输入端。

进一步地，所述第一波分复用器包括依次连接的第一光纤准直器、光学滤波片、偏振片、沃拉斯顿棱镜和第二光纤准直器；所述第一光纤准直器的输入端通过所述第一掺铒增益光纤连接至所述光反射镜。

进一步地，所述掺铒光纤放大部分包括第二波分复用器、第二单模泵浦激光器及其驱动电路和第二掺铒增益光纤，所述第二波分复用器的输入端连接至所述第一光隔离器的输出端和第二单模泵浦激光器及其驱动电路的输出端，所述第二波分复用器的输出端连接至第二掺铒增益光纤，所述掺铒光纤放大部分用于提升所述掺铒光纤激光器种子源的输出功率。

进一步地，所述高非线性光纤的输入端连接至所述第二掺铒增益光纤，所述高非线性光纤的输出端连接至所述频率提升部分，所述高非线性光纤用于对输入的激光信号进行非线性频率变换。

进一步地，所述频率提升部分包括级联的50/50光纤耦合器，所述级联的50/50光纤耦合器包括依次连接的第一1×2的50/50光纤耦合器、多个2×2的50/50光纤耦合器和第二1×2的50/50光纤耦合器，所述第一1×2的50/50光纤耦合器和所述多个2×2的50/50光纤耦合器之间采用光纤连接，所述多个2×2的50/50光纤耦合器和所述第二1×2的50/50光纤耦合器之间采用光学延迟线连接；所述频率提升部分采用逐级倍频，用于快速提升输入激光信号的重复频率。

进一步地，所述预放大部分包括第一级预放大部分和第二级预放大部分，所述第一级预放大部分包括第三波分复用器、第三单模泵浦激光器及其驱动电路、第一掺镱增益光纤和第二光隔离器，所述第三波分复用器的输入端连接至所述频率提升部分的输出端和第三单模泵浦激光器及其驱动电路，所述第三波分复用器输出端通过第一掺镱增益光纤连接至第二光隔离器；所述第二级预放大部分包括第四波分复用器、第四单模泵浦激光器及其驱动电路、第二掺镱增益光纤和第三光隔离器，所述第四波分复用器的输入端连接至所述第一预放大部分的输出端和第四单模泵浦激光器及其驱动电路，所述第四波分复用器输出端通过第二掺镱增益光纤连接至第三光隔离器。

进一步地，所述主放大部分包括第一级主放大部分和第二级主放大部分，所述第一级主放大部分包括(2+1)×1光合束器、一对多模泵浦激光器及其驱动电路、第一双包层掺镱光纤和第一高功率光隔离器，所述(2+1)×1光合束器的输入端连接至所述第二级预放大部分的输出端和一对多模泵浦激光器及其驱动电路，所述(2+1)×1光合束器的输出端通过第一双包层掺镱光纤连接至第一高功率光隔离器；所述第二级主放大部分包括(6+1)×1光合束器、两组多模泵浦激光器及其驱动电路、第二双包层掺镱光纤、泵浦泄露器、第二高功率光隔离器和端帽，所述(6+1)×1光合束器的输入端连接至所述第一级主放大部分的输出端和两组多模泵浦激光器及其驱动电路，所述(6+1)×1光合束器的输出端通过第二双包层掺镱光纤依次连接至泵浦泄漏器、第二高功率光隔离器和端帽。

进一步地，所述泵浦泄漏器用于滤除剩余泵浦光；所述端帽用于对输出信号光进行扩束，以避免对光纤端面造成损伤；所述第一高功率光隔离器和所述第二高功率光隔离器用于激光信号的单向传输。

进一步地，所述脉宽压缩部分包括准直镜、衍射光栅对、反射镜和输出镜，所述衍射光栅对用于对输出的高功率飞秒脉冲激光信号进行压缩，实现更窄脉冲的激光脉冲信号输出；激光信号通过所述准直镜后，由所述衍射光栅对和所述反射镜进行压缩，再经所述输出镜输出。

上述基于色散波的THz高重复频率高功率飞秒光纤激光器中，采用掺铒光纤激光器种子源产生较高重复频率的飞秒脉冲信号，将此信号放大后经过一段高非线性光纤的非线性频率转换，再通过耦合器构成的多级频率提升部分，得到THz高重复频率的飞秒脉冲信号，然后通过掺镱光纤预放大与两级掺镱双包层光纤主放大的MOPA结构，将低功率的高重复频率飞秒脉冲信号放大到几十瓦的激光信号输出，并对其进行腔外脉宽压缩，从而获得THz高重复频率的高功率的激光信号输出。该方法的安装结构简单，易于实现，成本低廉，便于推广。

附图说明

图1是本发明实施例基于色散波的THz高重复频率高功率飞秒光纤激光器的结构示意图。

具体实施方式

本实施例以基于色散波的THz高重复频率高功率飞秒光纤激光器为例，以下将结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。

请参阅图1，示出本发明实施例提供的一种基于色散波的THz高重复频率高功率飞秒光纤激光器100，包括掺铒光纤激光器种子源13、频率提升部分27、放大部分和脉宽压缩部分56；所述掺铒光纤激光器种子源13的输出端通过高非线性光纤19与所述频率提升部分27连接，所述频率提升部分27的输出端连接至所述放大部分，所述放大部分包括预放大部分37和两级主放大部分50，所述放大部分的输出端与所述脉宽压缩部分56相连；所述掺铒光纤激光器种子源13产生的激光信号经所述高非线性光纤19的非线性频率转换，并经过所述频率提升部分27将其频率提升至THz高重复频率，所述THz高重复频率的激光信号经所述放大部分的预放大部分37和两级主放大部分50进行功率放大，再经过所述脉宽压缩部分56，输出THz高重复频率的高功率飞秒脉冲信号的输出。

进一步地，所述掺铒光纤激光器种子源13包括激光器种子源和掺铒光纤放大部分18，所述激光器种子源包括依次连接的光反射镜1、第一掺铒增益光纤2、第一波分复用器10和第一光隔离器7；所述第一波分复用器10的两个输入端分别连接有所述第一掺铒增益光纤2和第一单模泵浦激光器9及其驱动电路的输出端，所述第一波分复用器10的两个输出端分别连接至所述第一光隔离器7和一个可饱和吸收体SESAM模块11的输入端。所述第一波分复用器10包括依次连接的第一光纤准直器3、光学滤波片4、偏振片5、沃拉斯顿棱镜12和第二光纤准直器6；所述第一光纤准直器3的输入端通过所述第一掺铒增益光纤2连接至所述光反射镜1。所述掺铒光纤放大部分18用于提升所述掺铒光纤激光器种子源13的输出功率，所述掺铒光纤放大部分18包括第二波分复用器16、第二单模泵浦激光器15及其驱动电路和第二掺铒增益光纤17，所述第二波分复用器16的输入端连接至所述第一光隔离器7的输出端和第二单模泵浦激光器15及其驱动电路的输出端，所述第二波分复用器16的输入端连接至第二掺铒增益光纤17。

具体地，在本实施例中，所述第一波分复用器10和所述第二波分复用器16采用四端口980/1550波分复用器。所述光反射镜1的一端与所述第一波分复用器10的反射输入端共用一段高浓度掺铒光纤，所述第一波分复用器10的信号输出端与准直器通过一段短尾纤连接，可以有效地减少谐振腔的腔长。

具体地，所述第一波分复用器10的输出百分比可以调节输出功率，但其输出百分比需与谐振腔内的第一掺铒增益光纤2及尾纤的长度配合，以选取适当的腔内色散；所述光反射镜1内集成封装了滤波片，所述滤波片用于控制输出信号的中心波长及光谱带宽，以降低整个种子源系统噪声。所述第一光纤准直器3、所述光反射镜1进行了光纤化封装，所述第二光纤准直器6与可饱和吸收体SESAM模块11采用模块化封装，以保证系统的稳定性和结构的紧凑性。

优选地，所述掺铒光纤激光器种子源13采用可饱和吸收体SESAM模块11进行锁模，选择适当的饱和通量、调制深度和弛豫时间等参数与激光器谐振腔内参数匹配实现飞秒脉冲输出；为防止可饱和吸收体SESAM模块11热损伤，可将SESAM粘贴在铜材料或铝等散热材料基座上，并通过玻璃管将其封装。

为了保证系统运行过程中不受外界环境的干扰，所述掺铒光纤激光器种子源13中各个元器件均采用保偏器件，并使该飞秒掺铒光纤激光器种子源13具有自启动与低阈值性能。

进一步地，所述高非线性光纤19的输入端连接至所述第二掺铒增益光纤17，所述高非线性光纤19的输出端连接至所述频率提升部分27，所述高非线性光纤19用于对输入的激光信号进行非线性频率变换。

具体地，利用所述高非线性光纤19的非线性频率转换的性能将光谱从1550纳米波段拓宽到1064纳米波段，所述高非线性光纤19长度较短，将其与所述频率提升部分27的光纤耦合器的尾纤连接，由于后面的器件与尾纤都是1064nm波段的，可滤除得到所需的1064nm波段的激光信号。

进一步地，所述频率提升部分27包括级联的50/50光纤耦合器，所述级联的50/50光纤耦合器包括依次连接的第一1×2的50/50光纤耦合器20、多个2×2的50/50光纤耦合器22和第二1×2的50/50光纤耦合器26，所述第一1×2的50/50光纤耦合器20和所述多个2×2的50/50光纤耦合器22之间采用光纤21连接，所述多个2×2的50/50光纤耦合器22和所述第二1×2的50/50光纤耦合器26之间采用光学延迟线25连接；所述频率提升部分27采用逐级倍频，用于快速提升输入激光信号的重复频率。

具体地，所述光纤耦合器的尾纤采用HI 1060光纤，重复频率较低的光纤耦合器两端口的臂长差通过控制两端口的尾纤长度获得，并需与进入此级的飞秒脉冲信号的重复频率匹配。

优选地，在进入重复频率较高的最后几级光纤耦合器时两端口臂长差已经低于毫米级，通过尾纤长度差很难控制，此时可采用光学延迟线25给脉冲信号提供延迟，获得THz高重复频率的1064nm波段的飞秒脉冲激光。

进一步地，所述预放大部分37包括第一级预放大部分和第二级预放大部分，所述第一级预放大部分包括第三波分复用器29、第三单模泵浦激光器57及其驱动电路、第一掺镱增益光纤30和第二光隔离器31，所述第三波分复用器29的输入端连接至所述频率提升部分27的输出端和第三单模泵浦激光器57及其驱动电路，所述第三波分复用器29输出端通过第一掺镱增益光纤30连接至第二光隔离器31；所述第二级预放大部分包括第四波分复用器33、第四单模泵浦激光器32及其驱动电路、第二掺镱增益光纤35和第三光隔离器36，所述第四波分复用器33的输入端连接至所述第一预放大部分37的输出端和第四单模泵浦激光器32及其驱动电路，所述第四波分复用器33输出端通过第二掺镱增益光纤35连接至第三光隔离器36。

进一步地，所述主放大部分50包括第一级主放大部分和第二级主放大部分，所述第一级主放大部分包括(2+1)×1光合束器40、一对多模泵浦激光器38、39及其驱动电路、第一双包层掺镱光纤41和第一高功率光隔离器42，所述(2+1)×1光合束器40的输入端连接至所述第二级预放大部分的输出端和一对多模泵浦激光器38、39及其驱动电路，所述(2+1)×1光合束器40的输出端通过第一双包层掺镱光纤41连接至第一高功率光隔离器42；所述第二级主放大部分包括(6+1)×1光合束器45、两组多模泵浦激光器43、44及其驱动电路、第二双包层掺镱光纤46、泵浦泄露器47、第二高功率光隔离器48和端帽49，所述(6+1)×1光合束器4545的输入端连接至所述第一级主放大部分的输出端和两组多模泵浦激光器43、44及其驱动电路，所述(6+1)×1光合束器45的输出端通过第二双包层掺镱光纤46依次连接至泵浦泄漏器、第二高功率光隔离器48和端帽49。所述泵浦泄漏器用于滤除剩余泵浦光；所述端帽49用于对输出信号光进行扩束，以避免对光纤端面造成损伤；所述第一高功率光隔离器42和所述第二高功率光隔离器48用于激光信号的单向传输。

具体地，所述(2+1)×1光纤合束器和所述(6+1)×1光合束器45将多模泵浦激光器的泵浦光耦合进入所述第一双包层掺镱光纤41和所述第二双包层掺镱光纤46中，使掺镱离子跃迁，从而放大信号光。所述第一高功率光隔离器42和所述第二稿功率光隔离器可有效控制后向的自发辐射放大，改善输出信号质量，同时对器件也起到一定的保护作用。

进一步地，所述脉宽压缩部分56包括准直镜51、衍射光栅对53、54、反射镜55和输出镜52，所述衍射光栅对53、54用于对输出的高功率飞秒脉冲激光信号进行压缩，实现更窄脉冲的激光脉冲信号输出；激光信号通过所述准直镜51后，由所述衍射光栅对53、54和所述反射镜55进行压缩，再经所述输出镜52输出。

本发明具有以下优点：一、本发明通过所述光反射镜1的一端与所述第一波分复用器10的反射输入端直接通过所述第一掺铒增益光纤2连接，所述第一波分复用器10的信号输出端与所述第一准直器通过一段短尾纤相连接，有效减小掺铒光纤激光器种子源13谐振腔的腔长。二、本发明采用掺铒光纤激光器锁模产生1550nm波段的飞秒脉冲种子源，避免采用掺镱光纤作为种子源时色散补偿的复杂性，并且通过一段高非线性光纤19简单的获得1064nm波段的激光信号。三、本发明掺铒光纤激光器飞秒种子源采用较短的谐振腔腔长，可减少频率提升部分27级联光纤耦合器的数量。四、本发明在接近THz重复频率时采用光学延迟线25代替所用的尾纤长度差，从而可实现THz高重复频率飞秒脉冲激光输出。四、本发明采用两级预放大部分37和两级主放大部分50的MOPA结构，可较好地控制非线性作用实现高功率飞秒脉冲激光输出。五、本发明的元器件全光纤化封装和模块化，使整个系统结构紧凑，插入损耗较少，系统可靠性高。

上述基于色散波的THz高重复频率高功率飞秒光纤激光器100中，采用掺铒光纤激光器种子源13产生较高重复频率的飞秒脉冲信号，将此信号放大后经过一段高非线性光纤19的非线性频率转换，再通过耦合器构成的多级频率提升部分27，得到THz高重复频率的飞秒脉冲信号，然后通过掺镱光纤预放大部分37与两级掺镱双包层光纤主放大部分50的MOPA结构，将低功率的高重复频率飞秒脉冲信号放大到几十瓦的激光信号输出，并对其进行腔外脉宽压缩，从而获得THz高重复频率的高功率的激光信号输出。该方法的安装结构简单，易于实现，成本低廉，便于推广。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。