基于MOPA结构的亚THz高功率皮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mopa结构的亚thz高功率皮秒光纤激光器。

背景技术：

高功率皮秒光纤激光器具有光束质量良好、热稳定性高、增益带宽宽、峰值功率高、结构紧凑、成本低、可对材料“冷”烧灼、无需维护等优点，在工业材料加工、生物医学、超连续谱产生、和遥感测量等领域具有广泛的应用，近年来成为研究的热点。目前获得高功率皮秒光纤激光器的主要方法是被动锁模光纤激光器与种子光主振荡放大(mopa,masteroscillatorpoweramplifier),被动锁模光纤激光器获得较低功率脉冲激光输出，然后通过mopa放大，实现较高脉冲能量与平均功率的激光信号输出。

另外，在光学频率梳的应用中需要光纤激光器具有高重复频率，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。目前，光纤激光器中实现高重复频率的方法主要有三种：主动锁模、谐波锁模和短腔锁模。其中，主动锁模方法需要在谐振腔中增加声光、电光等有源调制器件，因此脉冲宽度会受到电学带宽限制并且系统庞大复杂；谐波锁模需要较大幅度的增大泵浦激光器功率才能获得高重复频率的谐波，由于不是基频工作状态，获得信号的均匀性和稳定性都不是较好；短腔锁模由于谐振腔较短，色散与非线性的作用较小，因此输出脉冲稳定。但短腔由于受到谐振腔腔长的限制，很难实现更高重复频率的激光脉冲信号。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要提供一种具有较好的非线性特性、输出功率高的基于mopa结构的亚thz高功率皮秒光纤激光器。

一种基于mopa结构的亚thz高功率皮秒光纤激光器，包括皮秒光纤激光器种子源、频率提升部分和放大部分，所述皮秒光纤激光器种子源、所述频率提升部分和所述放大部分之间通过光纤连接；所述皮秒光纤激光器种子源采用线性短腔结构，所述皮秒光纤激光器种子源的输出端连接至所述频率提升部分的输入端，所述频率提升部分由级联的50/50光纤耦合器组成，所述频率提升部分的输出端连接至所述放大部分的输入端，所述放大部分包括两级预放大部分和两级主放大部分；所述皮秒光纤激光器种子源产生高重复频率皮秒脉冲信号，所述频率提升部分将信号提升为亚thz的高重复频率皮秒脉冲信号，再通过两级所述预放大部分和两级所述主放大部分进行功率放大，输出亚thz高重复频率的高功率皮秒脉冲信号。

进一步地，所述皮秒光纤激光器种子源包括依次连接的可饱和吸收体sesam、第一光纤准直器、掺杂增益光纤、反射式波分复用器、啁啾光纤布拉格光栅和第一光隔离器，所述皮秒光纤激光器种子源还包括第一单模泵浦激光器及所述第一单模泵浦激光器的驱动电路；所述可饱和吸收体sesam经所述第一光纤准直器连接至所述掺杂增益光纤，所述反射式波分复用器具有两个输入端，分别连接至所述掺杂增益光纤和所述第一单模泵浦激光器的输出端，所述反射式波分复用器的输出端连接至所述啁啾光纤布拉格光栅的输入端，所述啁啾光纤布拉格光栅的输出端连接至所述第一光隔离器的输入端，所述第一光隔离器的输出端连接至所述频率提升部分的输入端；所述反射式波分复用器与所述啁啾光纤布拉格光栅共用一段尾纤，所述尾纤和所述掺杂增益光纤采用短光纤，以缩短所述皮秒光纤激光器种子源的谐振腔的腔长。

进一步地，所述反射式波分复用器包括依次连接的第二光纤准直器、光学滤波片、偏振片和第三光纤准直器；所述第二光纤准直器的输入端连接至所述掺杂增益光纤和所述单模泵浦激光器的输出端；所述第三光纤准直器的输出端连接至所述啁啾光纤布拉格光栅的输入端。

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，所述多个2×2的50/50光纤耦合器包括至少3个2×2的50/50光纤耦合器。

进一步地，所述多个2×2的50/50光纤耦合器包括第一2×2的50/50光纤耦合器、第二2×2的50/50光纤耦合器和第n个2×2的50/50光纤耦合器；所述第一1×2的50/50光纤耦合器和所述第一2×2的50/50光纤耦合器之间、所述第一2×2的50/50光纤耦合器和所述第二2×2的50/50光纤耦合器之间采用光纤连接，所述第二2×2的50/50光纤耦合器与所述第n个2×2的50/50光纤耦合器之间、所述第n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，用于输出亚thz高重复频率的皮秒脉冲激光信号。

进一步地，所述两级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二单模泵浦激光器及所述第二单模泵浦激光器的驱动电路、第一波分复用器、第一增益光纤和第二光隔离器，所述第一波分复用器的输入端分别连接至所述频率提升部分的输出端和所述第二单模泵浦激光器及所述第二单模泵浦激光器的驱动电路，所述第一波分复用器的输出端通过所述第一增益光纤连接至所述第二光隔离器。

进一步地，所述第二级预放大部分包括第三单模泵浦激光器及所述第三单模泵浦激光器的驱动电路、第二波分复用器、第二增益光纤和第三光隔离器，所述第二波分复用器的输入端分别连接至所述第二光隔离器的输出端和所述第三单模泵浦激光器及所述第三单模泵浦激光器的驱动电路，所述第二波分复用器的输出端通过所述第二增益光纤连接至所述第三光隔离器。

进一步地，所述两级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一对第一高功率多模泵浦激光器及所述第一高功率多模泵浦激光器的驱动电路、(2+1)×1光合束器、第一双包层增益光纤和第一高功率光隔离器，所述(2+1)×1光合束器的输入端分别连接至所述第二级预放大部分的输出端和一对所述第一高功率多模泵浦激光器及所述第一高功率多模泵浦激光器的驱动电路，所述(2+1)×1光合束器的输出端通过所述第一双包层增益光纤连接至所述第一高功率光隔离器。

进一步地，所述第二级主放大部分包括两组第二高功率多模泵浦激光器及所述第二高功率多模泵浦激光器的驱动电路、(6+1)×1光合束器、第二双包层增益光纤、泵浦泄露器、第二高功率光隔离器和输出端帽，所述(6+1)×1光合束器的输入端分别连接至所述第一高功率光隔离器的输出端和两组所述第二高功率多模泵浦激光器及所述第二高功率多模泵浦激光器的驱动电路，所述(6+1)×1光合束器的输出端通过所述第二双包层增益光纤依次连接至所述泵浦泄露器、第二高功率光隔离器和输出端帽。

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。

上述基于mopa结构的亚thz高功率皮秒光纤激光器中，采用短腔结构的皮秒激光器种子源产生较高重复频率的皮秒脉冲信号，将此信号通过多级耦合器级联的频率提升部分，实现亚thz的高重复频率皮秒脉冲信号输出，再经过两级预放大部分和两级主放大部分的mopa结构将低功率的高重复频率皮秒脉冲信号放大到几十瓦的激光信号输出，从而获得亚thz高重复频率的高功率皮秒激光信号。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mopa结构的亚thz高功率皮秒光纤激光器的结构示意图。

具体实施方式

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，示出一种基于mopa结构的亚thz高功率皮秒光纤激光器100，包括皮秒光纤激光器种子源13、频率提升部分23和放大部分，所述皮秒光纤激光器种子源13、所述频率提升部分23和所述放大部分之间通过光纤连接；所述皮秒光纤激光器种子源13采用线性短腔结构，所述皮秒光纤激光器种子源13的输出端连接至所述频率提升部分23的输入端，所述频率提升部分23由级联的50/50光纤耦合器组成，所述频率提升部分23的输出端连接至所述放大部分的输入端，所述放大部分包括两级预放大部分34和两级主放大部分47；所述皮秒光纤激光器种子源13产生高频率皮秒脉冲信号，所述频率提升部分23将信号提升为亚thz的高重复频率皮秒脉冲信号，再通过两级所述预放大部分和两级所述主放大部分进行功率放大，输出亚thz高重复频率的高功率皮秒脉冲信号。

进一步地，所述皮秒光纤激光器种子源13包括依次连接的可饱和吸收体sesam1、第一光纤准直器2、掺杂增益光纤3、反射式波分复用器12、啁啾光纤布拉格光栅8和第一光隔离器9，所述皮秒光纤激光器种子源13还包括第一单模泵浦激光器11及所述第一单模泵浦激光器11的驱动电路10；所述可饱和吸收体sesam1经所述第一光纤准直器2连接至所述掺杂增益光纤3，所述反射式波分复用器12具有两个输入端，分别连接至所述掺杂增益光纤3和所述第一单模泵浦激光器11的输出端，所述反射式波分复用器12的输出端连接至所述啁啾光纤布拉格光栅8的输入端，所述啁啾光纤布拉格光栅8的输出端连接至所述第一光隔离器9的输入端，所述第一光隔离器9的输出端连接至所述频率提升部分23的输入端；所述反射式波分复用器12与所述啁啾光纤布拉格光栅8共用一段尾纤，所述尾纤和所述掺杂增益光纤3采用短光纤，以缩短所述皮秒光纤激光器种子源13的谐振腔的腔长。

进一步地，所述反射式波分复用器12包括依次连接的第二光纤准直器4、光学滤波片5、偏振片6和第三光纤准直器7；所述第二光纤准直器4的输入端连接至所述掺杂增益光纤3和所述单模泵浦激光器的输出端；所述第三光纤准直器7的输出端连接至所述啁啾光纤布拉格光栅8的输入端。

具体地，所述皮秒光纤激光器种子源13中的所述啁啾光纤布拉格光栅8的输出透射百分比科院调节，以实现对输出功率的调节，但所述啁啾光纤布拉格光栅8的输出百分比需与所述掺杂增益光纤3的长短配合。所述啁啾光纤布拉格光栅8可以有效补偿谐振腔内色散，以实现较窄的皮秒脉冲激光信号输出，并通过其滤波作用有效地控制输出激光的中心波长，以及锁模激光的光谱带宽，降低噪声。

具体地，所述啁啾光纤布拉格光栅8有效地补偿所述皮秒光纤激光器种子源13的谐振腔中的色散，获得皮秒脉冲信号；所述啁啾光纤布拉格光栅8的带宽宽度，可控制参与锁模的光谱宽度，抑制其他波长噪声，提高系统稳定性；所述啁啾光纤布拉格光栅8部分透射可作为输出耦合镜。

具体地，所述第一光纤准直器2进行了光纤化封装，所述第一光纤准直器2与所述可饱和吸收体sesam1进行模块化封装，有效地减少了系统空间尺寸。

优选地，所述掺杂增益光纤3采用掺yb光纤，也可以采用其它掺杂光纤，选择高掺杂浓度的增益光纤可获得高输出功率，也可减小增益光纤长度，但增益光纤长度需与腔内色散、非线性、衰减相匹配，以获得优化的皮秒脉冲输出。

具体地，所述皮秒光纤激光器种子源13采用所述可饱和吸收体sesam1进行锁模，利用其非线性饱和吸收特性可被动锁模短腔光纤激光器，获得高重复频率脉冲激光输出。为了给所述可饱和吸收体sesam1散热，可采用铜材料或铝等散热材料作为其基座。

具体地，所述皮秒光纤激光器种子源13的各个元器件均为保偏元器件，以确保系统能稳定运行，并实现短腔具有自启动性能的低阈值锁模皮秒脉冲光纤激光器。

进一步地，所述频率提升部分23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14、多个2×2的50/50光纤耦合器15、16、17、18和第二1×2的50/50光纤耦合器19，所述多个2×2的50/50光纤耦合器包括至少3个2×2的50/50光纤耦合器，即包括第一2×2的50/50光纤耦合器15、第二2×2的50/50光纤耦合器16和第n个2×2的50/50光纤耦合器18；所述第一1×2的50/50光纤耦合器14和所述第一2×2的50/50光纤耦合器15之间、所述第一2×2的50/50光纤耦合器15和所述第二2×2的50/50光纤耦合器16之间采用光纤20、21连接，所述第二2×2的50/50光纤耦合器16与所述第n个2×2的50/50光纤耦合器18之间、所述第n个2×2的50/50光纤耦合器18和所述第二1×2的50/50光纤耦合器19之间采用光学延迟线22连接；所述频率提升部分23采用逐级倍频，用于输出亚thz高重复频率的皮秒脉冲激光信号。

具体地，所述频率提升部分23是由多个50/50耦合器级联而成，所述皮秒光纤激光器种子源13输出的激光信号进入一个1x2的50/50耦合器分为两路光，第一级耦合器的两个输出端连接至下一级耦合器的两个输入端，这两个端口的臂长差与输入的重复频率匹配，后面的每级耦合器都具有与进入其自身的重复频率相匹配的臂长差。优选地，在进入频率较高的最后几级耦合器采用所述光学延迟线提供脉冲的延迟，以获得亚thz高重复频率的皮秒脉冲激光。

具体地，所述频率提升部分23的前几级耦合器的输入端采用普通光纤，需要根据进入相应级光纤耦合器的皮秒脉冲重复频率确定光纤的长度，从而使此级光纤耦合器的臂长差与脉冲信号的重复频率相匹配。随着频率的提升，进入耦合器的重复频率越来越高，与此对应的光纤长度也越来越短，在亚thz重复频率的时候，光纤的长度达到或者低于毫米级别，很难精确的控制光纤耦合器的臂长差，因此在后面几级采用光学延迟线控制其臂长差，实现更高重复频率的皮秒脉冲输出。

所述提升部分在光纤激光器脉冲信号重复频率非常高的情况下，采用光学延迟线对脉冲进行脉冲信号延迟，如果皮秒光纤激光器种子源13本身脉冲非常窄如飞秒脉冲信号，可实现thz的高重复频率的脉冲信号输出。

进一步地，所述两级预放大部分34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二单模泵浦激光器24及所述第二单模泵浦激光器24的驱动电路25、第一波分复用器26、第一增益光纤27和第二光隔离器28，所述第一波分复用器26的输入端分别连接至所述频率提升部分23的输出端和所述第二单模泵浦激光器24及所述第二单模泵浦激光器24的驱动电路25，所述第一波分复用器26的输出端通过所述第一增益光纤27连接至所述第二光隔离器28。所述第二级预放大部分包括第三单模泵浦激光器29及所述第三单模泵浦激光器29的驱动电路30、第二波分复用器31、第二增益光纤32和第三光隔离器33，所述第二波分复用器31的输入端分别连接至所述第二光隔离器28的输出端和所述第三单模泵浦激光器29及所述第三单模泵浦激光器29的驱动电路30，所述第二波分复用器31的输出端通过所述第二增益光纤32连接至所述第三光隔离器33。

具体地，所述两级预放大部分34均包括单模泵浦激光器及所述单模泵浦激光器的驱动电路、增益光纤、低功率光隔离器和波分复用器，可将功率放大到百毫瓦量级。将所述预放大部分分成两级预放大部分34，可以有效地抑制放大的自发辐射、色散和非线性对脉冲信号的影响，但需要对单模泵浦激光器的泵浦功率、增益光纤的长度和浓度等参数进行控制。低功率光隔离器可抑制后向的自发辐射放大，提高输出信号质量。

两级预放大结构可有效减少放大的自发辐射噪声和抑制非线性效用，同时也可提供足够的脉冲信号光进入主放大部分；所述第二光隔离器28和所述第三光隔离器33有效地抑制了后向的自发辐射放大。

进一步地，所述两级主放大部分47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一对第一高功率多模泵浦激光器及所述第一高功率多模泵浦激光器的驱动电路35和36、(2+1)×1光合束器37、第一双包层增益光纤38和第一高功率光隔离器39，所述(2+1)×1光合束器37的输入端分别连接至所述第二级预放大部分的输出端和一对所述第一高功率多模泵浦激光器及所述第一高功率多模泵浦激光器的驱动电路35和36，所述(2+1)×1光合束器37的输出端通过所述第一双包层增益光纤38连接至所述第一高功率光隔离器39。所述第二级主放大部分包括两组第二高功率多模泵浦激光器及所述第二高功率多模泵浦激光器的驱动电路40和41、(6+1)×1光合束器42、第二双包层增益光纤43、泵浦泄露器44、第二高功率光隔离器45和输出端帽46，所述(6+1)×1光合束器42的输入端分别连接至所述第一高功率光隔离器39的输出端和两组所述第二高功率多模泵浦激光器及所述第二高功率多模泵浦激光器的驱动电路40和41，所述(6+1)×1光合束器42的输出端通过所述第二双包层增益光纤43依次连接至所述泵浦泄露器44、第二高功率光隔离器45和输出端帽46。

具体地，所述(2+1)×1光合束器37和所述(6+1)×1光纤合束器42将多模泵浦激光器的泵浦光分部耦合进入所述第一双包层增益光纤38和所述第二双包层增益光纤43中，使掺杂离子跃迁，从而放大信号光。高功率光隔离器可以有效地控制后向的自发辐射放大，改善输出信号质量。

具体地，采用两级主放大结构可有效抑制受激拉曼散射效应和放大的自发辐射效用，实现高功率的脉冲激光信号输出；所述第一双包层增益光纤38和所述第二双包层增益光纤43将大功率的泵浦光通过包层耦合进入光纤中。

所述两级主放大部分47的高功率多模泵浦激光器采用976nm波长的多模半导体激光器，由于此波长吸收效率高可有效减短双包层增益光纤的长度，从而降低了非线性效应对输出脉冲的影响。

进一步地，所述泵浦泄漏器44用于滤除剩余泵浦光；所述端帽46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39和所述第二高功率光隔离器45用于激光信号的单向传输。

具体地，所述两级主放大部分47的所述泵浦泄漏器44可滤除过剩的泵浦光，消除其对输出信号光的影响；在输出光纤端增加所述端帽46耦合输出，可防止过高功率损坏输出光纤的端面；高功率隔离器可有效抑制放大的自发辐射，降低其对输出信号光的影响。

优选地，所述皮秒光纤激光器种子源13采用短谐振腔结构，提升了种子源脉冲光纤激光器输出脉冲信号的重复频率，有效降低了所述频率提升部分23中所使用的50/50耦合器的级数，因此简化了整个高重复频率高功率皮秒光纤激光器100的结构。

本发明具有以下优点：一、本发明通过一段短增益光纤连接波分复用器一端与准直器一端，一段短尾纤连接波分复用器另一端与啁啾光纤布拉格光栅8，从而有效减小激光器谐振腔腔长。二、本发明皮秒光纤激光器种子源13采用短谐振腔腔长，可减少级联耦合器的级数并且具有较好的稳定性。三、本发明在重复频率到达较高水平时采用光学延迟线提供脉冲的延迟，从而获得更高重复频率脉冲激光输出。四、本发明采用前置两级预放大和两级主放大的mopa结构，可较好的控制非线性特性的作用实现高功率脉冲激光输出。五、本发明的元器件全光纤化封装，整个系统紧凑，降低了插入损耗，增加了系统的可靠性。

上述基于mopa结构的亚thz高功率皮秒光纤激光器100中，采用短腔结构的皮秒激光器种子源产生较高重复频率的皮秒脉冲信号，将此信号通过多级耦合器级联的频率提升部分23，实现亚thz的高重复频率皮秒脉冲信号输出，再经过两级预放大部分34和两级主放大部分47的mopa结构将低功率的高重复频率皮秒脉冲信号放大到几十瓦的激光信号输出，从而获得亚thz高重复频率的高功率皮秒激光信号。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，本发明并不局限于上述实施方式，根据本发明的创造精神，本领域技术人员还可以做出其他变化，这些依据本发明的创造精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。