硅酸盐玻璃高增益低非线性全光纤超短脉冲放大器及放大方法与流程

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种基于掺镱硅酸盐玻璃光纤全光纤集成的高功率高能量啁啾脉冲放大器，以及针对该高增益硅酸盐放大器的放大监测和损伤防护方法。

背景技术：

飞秒脉冲加工过程中热效应小、加工精度高、无明显的加工材料选择性，在高精度精密微加工领域极大的引起了关注。为了有效的提高飞秒放大器的材料加工效率，需要解决在高重复频率下同时实现高能量的飞秒输出，也就是要解决高功率和高能量同时输出的这一对矛盾。

在光纤啁啾脉冲放大系统中，光纤激光器，单次串行放大，结构简单，增益高，可靠性好，同时，波导结构极好的保证了高光束质量的放大输出，是实现高功率飞秒激光输出的一种重要技术途径，但是受限于光纤模场面积小，峰值功率高和较长的光纤相互作用长度，放大过程中非线性强，输出的脉冲能量受限。而作为大模场的棒状光子晶体光纤模场面积较大，有利于大能量输出，但是其近1m的光纤长度，不能弯折，成本高昂，需要空间耦合的特点，限制了其进一步的工业化应用。硅酸盐玻璃光纤具有掺杂浓度高，模场面积大，放大增益高，增益光纤长度短，放大过程非线性积累小，增益窄化效应小等特点，可以实现高功率大能量放大同时输出，并且可以实现全光纤化集成。但是其反向反馈光会造成严重的正向放大效率下降，严重时可导致光纤器件的损伤，严重危害系统的稳定性。

技术实现要素：

为了解决现有光纤啁啾脉冲放大系统存在非线性强导致的输出脉冲能量受限、成本高昂、结构复杂、稳定性差的技术问题，本发明提供了一种硅酸盐玻璃高增益低非线性全光纤超短脉冲放大器及放大方法，基于高掺杂、短长度的掺镱硅酸盐玻璃光纤作为放大介质，实现全光纤化集成的高功率大能量同时输出的飞秒啁啾脉冲放大系统。在实际的放大应用中，建立了反向反馈光的状态监视手段，提高了放大效率，并采用应急保护措施，防止光纤器件损伤、保证了稳定的高效率、高增益、高光束质量超短脉冲放大。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种硅酸盐玻璃高增益低非线性全光纤超短脉冲放大器，其特殊之处在于：包括光纤预放系统、光纤主放系统及准直隔离压缩单元；

所述光纤预放系统用于实现放大输出平均功率百毫瓦级、重复频率百khz到mhz的展宽啁啾脉冲，脉冲宽度为数百皮秒量级；

所述光纤主放系统包括监视及防护单元、高功率合束单元、硅酸盐玻璃光纤；所述监视及防护单元包括第二光纤环形器、光电探测模块、cpld采频模块、应急控制模块；所述第二光纤环形器的第一端口与光纤预放系统连接，其第二端口依次连接光电探测模块、cpld采频模块、应急控制模块；所述高功率合束单元包括高功率合束器、至少一个高功率ld及相应的ld驱动模块；所述高功率合束器的输入端与第二光纤环形器的第三端口连接，其泵浦端与高功率ld的输出端连接，高功率合束器的输出端与硅酸盐玻璃光纤连接；

所述光电探测模块用于将第二光纤环形器第二端口输出的光信号转化为脉冲电信号；所述cpld采频模块采集脉冲电信号的重复频率；所述应急控制模块根据检测到的代表反向放大的重复频率后发送ttl信号给驱动模块；所述驱动模块根据ttl信号关闭高功率ld；

所述准直隔离压缩单元用于对硅酸盐玻璃光纤输出的放大激光进行准直隔离输出后压缩。

进一步地，所述高功率ld、驱动模块、高功率合束器的泵浦端均为2个；2个高功率ld与高功率合束器的2个泵浦端连接。

进一步地，所述高功率合束器的泵浦端功率最大值为100w。

进一步地，所述硅酸盐玻璃光纤的长度为0.2m，模场直径40μm。

进一步地，所述光纤预放系统包括依次连接的一级放大单元和二级放大单元；

所述一级放大单元包括锁模种子源、第一光纤环形器、啁啾光纤光栅、第一合束器、第一光纤耦合ld、第一双包层掺镱光纤、第一光纤耦合隔离器、光纤耦合声光调制器；

所述第一光纤环形器的第一端口与锁模种子源连接，第一光纤环形器的第二端口与啁啾光纤光栅连接，第一光纤环形器的第三端口与第一合束器的信号端连接；

所述第一合束器的泵浦端与第一光纤耦合ld的输出端连接，第一合束器的输出端通过依次设置的第一双包层掺镱光纤、第一光纤耦合隔离器与光纤耦合声光调制器的输入端连接；

所述二级放大单元包括第二合束器、第二光纤耦合ld、第二双包层掺镱光纤、第二光纤耦合隔离器；

所述第二合束器的信号端与光纤耦合声光调制器输出端连接，第二合束器的泵浦端与第二光纤耦合ld的输出端连接，第二合束器的输出端通过依次设置的第二双包层掺镱光纤、第二光纤耦合隔离器与第二光纤环形器的第一端口连接。

进一步地，所述准直隔离压缩单元包括沿硅酸盐玻璃光纤的出射光束传输方向依次设置的准直透镜、空间隔离器、压缩器。

进一步地，所述准直隔离压缩单元还包括依次设置在准直透镜、空间隔离器之间的第一反射镜和第二反射镜。

进一步地，所述第一反射镜为双色镜，对泵浦光976nm高透，对放大激光1030nm高反；

所述压缩器为光栅对压缩器。

进一步地，所述第二光纤耦合隔离器的输入、输出光纤均为芯径10μm、包层125μm的双包层光纤；

所述第二光纤环形器第一端口、第二端口、第三端口的光纤均为芯径10μm、包层125μm的双包层光纤。

同时，本发明提供了一种硅酸盐玻璃高增益低非线性全光纤超短脉冲放大监测和损伤防护方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)正常开启光纤预放系统；

2)硅酸盐玻璃光纤模块加载泵浦；

3)监视脉冲波形及防护

监测第二光纤环形器第二端口的输出信号，若输出信号的脉冲波形为单脉冲序列且峰值稳定，同时采集的重复频率稳定，则判断放大过程为正常状态；转入步骤4)；

若输出信号脉冲波形为多峰值，且采集的重复频率异常，则判断放大过程为异常状态，启动应急保护，关闭高功率ld；

4)加入准直隔离压缩单元，准直隔离压缩单元器件安装过程中步骤3)持续工作，若出现应急保护，则调整新安装器件的方向，直到脉冲放大序列正常。

进一步地，步骤1)具体包括：

1.1)开启锁模种子源；

1.2)开启一级放大单元的第一合束器泵浦源；

1.3)开启光纤耦合声光调制器，使输出重复频率降为mhz量级；

1.4)开启二级放大单元的第二合束器泵浦源，使光纤预放系统的放大输出平均功率百毫瓦级、重复频率百khz到mhz的展宽啁啾脉冲，脉冲宽度数百皮秒量级；

步骤3)中，监测第二光纤环形器第二端口的输出信号具体为：光电探测模块将第二光纤环形器第二端口输出的光信号转化为脉冲电信号波形；cpld采频模块采集脉冲电信号的重复频率；

步骤3)中，启动应急保护，关闭高功率ld具体为：应急控制模块根据检测到的代表反向放大的重复频率后发送ttl信号给驱动模块；驱动模块根据ttl信号关闭高功率合束器泵浦端的高功率ld电源；

步骤4)中，所述加入准直隔离压缩单元具体为：沿硅酸盐玻璃光纤出射光束的传输方向依次加入准直透镜、第一反射镜、第二反射镜、空间隔离器、压缩器。

与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明脉冲放大器采用高掺杂、短长度、大模场的硅酸盐玻璃光纤，在非线性可控的前提下，实现啁啾脉冲的高增益放大(大于26db)，高功率输出情况下光束质量良好；以及设有监视及防护单元，采用环形器作为反向反馈光的监测端，实现了对放大过程中反向放大的有效监测，避免了光路搭建过程中光学器件的插入，导致反向放大引起的放大效率下降问题，以及避免了严重反向放大时造成的器件损伤问题。

附图说明

图1是本发明硅酸盐玻璃高增益低非线性全光纤超短脉冲放大器的原理结构示意图；

图2a是本发明硅酸盐玻璃高增益低非线性全光纤超短脉冲放大器中第一光纤环形器的结构示意图；其中，第一光纤环形器光路：ⅰ端口输入光，进入ⅲ端口，ⅲ端口反射光进入ⅱ端口；

图2b是本发明硅酸盐玻璃高增益低非线性全光纤超短脉冲放大器中第二光纤环形器的结构示意图；其中，第二光纤环形器光路：ⅰ端口输入光，进入ⅲ端口，ⅲ端口反射光进入ⅱ端口；

图3是本发明硅酸盐玻璃高增益低非线性全光纤超短脉冲放大器中，预放大注入信号抑制非线性的光谱测试图；

图4是示波器监测到的脉冲形状示意图；其中，a为正常放大监测的脉冲，b为反向反馈导致的监测脉冲；

图5是在泵浦功率为108w，本发明硅酸盐玻璃高增益低非线性全光纤超短脉冲放大器的放大功率曲线图；

图6是本发明硅酸盐玻璃高增益低非线性全光纤超短脉冲放大器放大输出70.4w的光束质量测试图；

其中，a为y方向的光束质量，拟合的光束质量为1.226，b为x方向的光束质量，拟合的光束质量为1.210；

图7是本发明硅酸盐玻璃高增益低非线性全光纤超短脉冲放大器放大输出的光谱图；

图8是本发明硅酸盐玻璃高增益低非线性全光纤超短脉冲放大器中压缩后脉冲自相关曲线测试图；

其中，附图标记如下：

01-光纤预放系统，02-光纤主放系统，03-准直隔离压缩单元；

1-一级放大单元，11-锁模种子源，12-第一光纤环形器，13-啁啾光纤光栅，14-第一合束器，15-第一光纤耦合ld，16-第一双包层掺镱光纤，17-第一光纤耦合隔离器，18-光纤耦合声光调制器；

2-二级放大单元，21-第二合束器，22-第二光纤耦合ld，23-第二双包层掺镱光纤，24-第二光纤耦合隔离器；

3-监视及防护单元，31-第二光纤环形器；

4-高功率合束单元，41-高功率合束器，42-高功率ld，43-驱动模块；

5-硅酸盐玻璃光纤；

61-准直透镜，62-第一反射镜，63-第二反射镜，64-空间隔离器，65-压缩器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1所示，一种硅酸盐玻璃高增益低非线性全光纤超短脉冲放大器，包括光纤预放系统01、光纤主放系统02以及准直隔离压缩单元03；

光纤预放系统01用于实现放大输出功率百毫瓦级，光纤预放系统01包括依次连接的一级放大单元1和二级放大单元2，一级放大单元1用于实现放大输出功率毫瓦级，重复频率1mhz；该一级放大单元1包括保偏锁模种子源11、第一光纤环形器12、反射式啁啾光纤光栅13、第一合束器14、第一光纤耦合ld15、第一双包层掺镱光纤16、第一光纤耦合隔离器17、光纤耦合声光调制器18；第一合束器14可为第一保偏合束器，保偏锁模种子源11输出功率15mw，光谱宽度12nm，重复频率41.7mhz，中心波长1030nm的锁模脉冲，第一光纤环形器12为三端口的单模保偏光纤耦合环形器，如图2a所示，第一光纤环形器12的第一端口焊接保偏锁模种子源11，第一光纤环形器12的第二端口焊接反射式啁啾光纤光栅13，反射式啁啾光纤光栅13的色散量为100ps/nm,展宽后脉冲宽度为亚纳秒脉宽，降低了后级放大的峰值功率和非线性积累，第一光纤环形器12的第三端口连接第一保偏合束器的信号端连接；采用第一光纤耦合ld15进行泵浦，第一光纤耦合ld15采用9wld，9w光纤耦合ld的多模输出光纤焊接第一保偏合束器的泵浦端，第一保偏合束器的输出端焊接芯径10μm、包层125μm的第一双包层掺镱光纤16，该光纤长度1.2m，该级实现放大功率约500mw输出，第一双包层掺镱光纤16的输出端焊接第一光纤耦合隔离器17的输入端，第一光纤耦合隔离器17的输出端焊接光纤耦合声光调制器18，光纤耦合声光调制器18实现对种子源重复频率的调制，实现重复频率的降低，将重复频率降低为1mhz，降频后光功率仅1.5mw左右，以上放大结构部分可见《百微焦级飞秒光纤激光放大系统》(期刊论文，作者李峰等，中国激光，2015年，42卷，12期，1202005)的前端结构描述。

经一级放大单元1放大后，然后进入二级放大单元2(下一级10/125双包层放大器)进行功率提升，该级的二级放大单元2用于实现放大输出功率百毫瓦级，二级放大单元2包括第二合束器21、第二光纤耦合ld22、第二双包层掺镱光纤23、第二光纤耦合隔离器24；第二合束器21可为第二保偏合束器，第二保偏合束器的信号端与光纤耦合声光调制器18连接，第二保偏合束器的泵浦端与第二光纤耦合ld22的输出端连接，第二保偏合束器的输出端通过依次设置的第二双包层掺镱光纤23、第二光纤耦合隔离器24与第二光纤环形器31的第一端口连接，由于重频降低后脉冲随着放大功率的提升，非线性效应严重，该级提供的放大输出功率仅400mw左右，受激拉曼散射得到有效抑制，信噪比达到26db以上，如图3所示，是比较理想的注入啁啾脉冲信号源，信号提高的过程中，受激拉曼散射造成的能量转移严重。注入的仅400mw的激光通过第二光纤耦合隔离器24隔离输出，第二光纤耦合隔离器24的输入输出光纤均为芯径10μm，包层125μm的双包层光纤。

光纤主放系统02包括监视及防护单元3、高功率合束单元4、硅酸盐玻璃光纤5；监视及防护单元3包括第二光纤环形器31、光电探测模块、cpld采频模块、应急控制模块；高功率合束单元4包括高功率合束器41、两个高功率ld42及两个ld驱动模块43；第二光纤环形器的结构示意见图2b所示，第二光纤环形器31的第一端口与第二光纤耦合隔离器24的输出端焊接，第二光纤环形器31第三端口的输出端与高功率合束器41的输入端焊接，第二光纤环形器31的第二端口作为反馈端；其中，第二光纤环形器31的三个端口的光纤均为芯径10μm，包层125μm的双包层光纤，降低了光纤芯径不同导致的熔接损耗。高功率合束器41有两个泵浦端，单臂功率最大可承受100w，两个高功率窄线宽976nm的多模ld通过焊接与高功率合束器41的两个泵浦端连接。高功率合束器41的输出端与硅酸盐玻璃光纤5连接，硅酸盐玻璃光纤5长度仅0.2m，模场直径40μm,硅酸盐光纤采用双v形槽填充导热硅胶水冷结构散热。

在注入信号仅400mw、放大高功率输出的情况下，如果存在反向放大，会造成放大效率下降，严重时存在器件损伤，因此，需要在放大过程中，每加入一个光学器件，需要关注第二光纤环形器31的反馈信号端的监测信号，如果加入器件观察到监测端的信号波形严重的后向反馈，则不能继续增加泵浦进行放大，正常放大的探测信号和具有较为严重的反向放大的监测信号如图4所示，存在较为严重的反向放大的过程中，放大斜效率也会下降。在加入光学器件的过程中，需要注意监测端的探测波形和斜效率。为了保证放大器的效率和防止器件损伤，本实施例设计放大器的反向放大监测手段，第二光纤环形器31的第二端口依次通过光电探测模块、cpld采频模块与应急控制模块连接，通过光电探测模块，将第二光纤环形器31第二端口输出的光信号转化为脉冲电信号波形，cpld采频模块采集脉冲电信号的重复频率，通过cpld采频模块观测脉冲的重复频率，对于出现后向反馈放大的情况，应急控制模块根据检测到的代表反向反馈的重复频率后发送ttl信号给驱动模块43，驱动模块43根据ttl信号关闭大功率ld的驱动电流，保证系统长时间的稳定高效率放大。

如图5所示，在泵浦功率为108w的情况下，放大输出功率达到70.4w，测量了输出激光的光束质量，光束质量m²x＝1.210(x方向)，m²y＝1.226(y方向)。光束质量小于1.3，质量比较好，测量了放大的输出光谱，发现光谱增益窄化小，光谱宽度较大，适合飞秒窄脉宽输出。

整个放大过程中，非线性积累b通过以下公式计算：

其中，n2＝2.7*10-20，π＝3.14，λ是激光中心波长，l是脉冲放大过程中相互作用的光纤长度，i(z)是光纤位置z处的峰值功率密度；

其中，p(z)为光纤z处的平均功率，frep为脉冲的重复频率，τ为脉冲的宽度，π＝3.14，r为光纤的模场半径。

按照入射功率0.4w，重复频率1mhz，放大输出功率70w(对应的放大能力约为26db)，脉冲宽度0.6ns，硅酸盐玻璃光纤长度0.2m，通过上述公式计算得到积累的非线性积累b为0.67，作为目前最大的模场直径的棒状光子晶体光纤，按照较好的放大效率，放大到70w，注入信号强度约3.5w，棒状光纤长度0.8m，同样的重复频率和脉冲宽度情况下的非线性积累b为1.76(对应放大能力为13db)，对比分析可以看出，本实施例放大器的非线性积累更小，而且放大增益更加高，并且可以实现全光纤化集成，并且放大过程中光谱增益窄化小，放大后光谱宽度约7nm，放大测试光谱如图7所示，支持飞秒脉冲压缩，是实现高功率大能量飞秒输出的理想放大器。

准直隔离压缩单元03包括沿硅酸盐玻璃光纤5的出射光束传输方向依次设置的准直透镜61、第一反射镜62、第二反射镜63、空间隔离器64、压缩器65，硅酸盐玻璃光纤5输出的放大激光经过准直透镜61准直之后，依次经过第一反射镜62、第二反射镜63反射后入射至空间隔离器64，经隔离输出后进入压缩器65。其中，第一反射镜62为双色镜，1030nm光高反，976nm光高透；压缩器65采用光栅对压缩器，光栅刻线1450line/mm,光栅对距离3.7m，压缩后输出脉冲宽度达到433fs，压缩自相关曲线如图8所示，压缩器65基本光路可参照文章《hundredmicro-jouleslevelhighpowerchirpedpulseamplificationoffemtosecondlaserbasedonsinglecrystalfiber》(fenglietal.,ieeephotonicsjournal,2017，9(6),1507307)中的透射式光栅对压缩光路的描述。压缩器的结构不限于上述透射式光栅对压缩器，也可以采用反射式光栅对压缩器、体啁啾光纤光栅压缩器等。

本实施例放大器采用高掺杂、短长度、大模场的硅酸盐玻璃光纤5，对其进行水冷封装，并采用全光纤集成，在非线性可控的前提下，实现啁啾脉冲的高增益放大(大于26db)，高功率输出情况下光束质量良好；开发了监视及防护单元3(监测和应急保护装置)，采用环形器作为反向反馈光的监测端，实现了对放大过程中反向放大的有效监测。在调节过程中，避免了光路搭建过程中光学器件的插入导致的反向放大引起的放大效率下降问题，避免了严重反向放大时造成的器件损伤问题。

基于上述脉冲放大器，实施例提供了一种硅酸盐玻璃高增益低非线性全光纤超短脉冲放大监测和损伤防护方法，包括以下步骤：

1)正常开启光纤预放系统01

1.1)开启锁模种子源，锁模种子源输出功率15mw、重频频率41.7mhz，中心波长1030nm，光谱宽度12nm；

1.2)开启一级放大单元1的第一合束器14的泵浦源，即开启第一光纤耦合ld15，其泵浦功率约4w，放大输出功率约500毫瓦；

1.3)开启光纤耦合声光调制器18(aom)，光纤耦合声光调制器18将系统的重复频率降为百khz到1mhz，光纤耦合声光调制器18输出功率仅几个毫瓦；

1.4)开启二级放大单元2的第二合束器21泵浦源，即开启第二光纤耦合ld21，其泵浦功率约3.5w，放大输出功率约400mw；光纤预放系统01的放大输出平均功率百毫瓦级、重复频率百khz到mhz，脉冲宽度数百皮秒量级；

2)硅酸盐玻璃光纤模块5加载泵浦；

3)监视及防护；

光电探测模块、cpld采频模块、应急控制模块开始工作，硅酸盐玻璃放大模块(高功率合束器41和硅酸盐玻璃光纤5)加载泵浦(高功率ld42)的过程中，监视第二光纤环形器31第二端口的输出信号，具体为光电探测模块将第二光纤环形器31第二端口输出的光信号转化为脉冲电信号波形；cpld采频模块采集脉冲电信号的重复频率；若只是正常放大级引入的反馈，脉冲波形为单脉冲序列且峰值稳定，则采集的重复频率稳定，为1mhz，判断放大过程为正常状态；直至加载功率达到最高，输出功率达到70w；

若放大加载过程中，出现脉冲出现多峰值的现象(双脉冲、多脉冲等)，测量得到的重复频率异常，启动应急保护，关闭硅酸盐泵浦ld电源，具体为应急控制模块根据检测到的代表反向放大的重复频率后发送ttl信号给驱动模块；驱动模块43根据ttl信号关闭高功率合束器泵浦端的高功率ld42电源；

4)放大器正常的情况下，依次加入准直透镜61、第一反射镜62、第二反射镜63、空间隔离器64、压缩器65等后级光路，准直隔离压缩单元器件安装过程中步骤3)持续工作，即光电探测模块、cpld采频模块、应急控制模块持续稳定工作，若出现采集异常，启动应急保护，关闭硅酸盐泵浦ld电源，则调整新安装器件的方向，直到脉冲放大序列正常加载过程中出现。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。