CN112072451B - 一种1.7μm全光纤大能量飞秒激光系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种1.7μm全光纤大能量飞秒激光系统，属于光纤激光器领域，其包括：种子源、声光调制器、脉冲展宽器、第一单模光纤放大器、带通滤波器、第二单模光纤放大器、双包层光纤放大器、包层功率剥离器、脉冲压缩器；从种子源输出的信号光，利用声光调制器对信号光进行调制，通过各级放大器进行光放大，采用色散管理的方法展宽和压缩脉冲，最终得到周期和占空比可调的1.7μm高功率超短脉冲激光。本发明由全光纤器件组成，结构紧凑、易于装配、稳定性好；通过编程去灵活改变信号光脉冲的周期和占空比；从种子源输出的信号光，通过各级放大器进行光放大以及采用色散管理的方法展宽和压缩脉冲，得到高功率超短脉冲激光。

Description

一种1.7μm全光纤大能量飞秒激光系统
技术领域
本发明涉及光纤激光器技术领域，具体涉及一种1.7μm全光纤大能量飞秒激光系统。
背景技术
近年来，1.7–2.1μm波长范围的激光器由于其在如激光雷达、生物科学、光传感和工业制造等各个不同领域的应用具有突出的优势，成为了科学工作者们的研究热点。相对于传统生物光子学工作波长，1.7μm激光在生物组织中的散射效应较弱，且水对该波段的光吸收较少，同时脂肪和胶原的吸收峰也处于该波段。因此，1.7μm激光在生物成像方面具有广泛的应用前景，对1.7μm激光器技术的研究具有重要意义。
然而，现有的1.7μm波段激光器存在装配复杂、输出功率低、稳定性差等问题，限制了深层组织生物光子学的研究。
发明内容
有鉴于此，针对现有的1.7μm波段激光器存在装配复杂、输出功率低、稳定性差等问题，本发明提供了一种1.7μm全光纤大能量飞秒激光系统。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种1.7μm全光纤大能量飞秒激光系统，包括种子源、声光调制器、脉冲展宽器、第一单模光纤放大器、带通滤波器、第二单模光纤放大器、双包层光纤放大器、包层功率剥离器以及脉冲压缩器，各部分通过光纤熔接的方式按上述顺序依次连接；
所述种子源用于采用色散管理和被动锁模的方式产生超短脉冲激光信号；
所述声光调制器用于调制从种子源输出的信号光；
所述脉冲展宽器用于展宽信号光的脉冲宽度；
所述第一单模光纤放大器和第二单模光纤放大器用于信号光的毫瓦级放大；
所述带通滤波器用于抑制放大自发辐射噪声；
所述双包层光纤放大器用于信号光的瓦级放大；
所述包层功率剥离器用于去除包层残留的泵浦光、在内包层中传输的放大自发辐射光以及高阶模式信号光，同时保持在纤芯中传输的信号光；
所述脉冲压缩器用于压缩信号光的脉冲宽度，出射1.7μm高功率超短脉冲激光。
进一步地，所述种子源为环形腔结构，包括负色散光纤、偏振控制器、正色散光纤、第一单模泵浦、光学集成模块、掺Tm/Tb光纤以及第一隔离器，各部分通过光纤熔接的方式连接；
负色散光纤和正色散光纤用于腔内色散管理进而调整输出脉冲的宽度，偏振控制器用于调整光纤环形腔内光波的偏振状态以实现被动锁模，光学集成模块具有光波分复用、光耦合、光隔离三种功能，掺Tm/Tb光纤是产生1.7μm激光的增益介质，第一隔离器用于防止激光反射损坏种子源；
第一单模泵浦的泵浦光通过光学集成模块进入环形腔内，并在腔内不断循环，被掺Tm/Tb光纤充分吸收；对掺Tm/Tb光纤泵浦产生的1.7μm激光在环形腔内放大至达到饱和，通过光学集成模块离开环形腔，继而通过第一隔离器从种子源出射；为了使种子源的出射激光为激光脉冲而非连续激光，需要通过偏振控制器调整环形腔内光波的偏振状态并设置适合的第一单模泵浦功率及掺Tm/Tb光纤长度，以使种子源达到被动锁模的条件。
进一步地，第一单模泵浦为1.2μm单模半导体泵浦源。
进一步地，所述声光调制器利用任意信号发生器产生的电信号驱动，将对信号光的脉冲序列做出相应的调制，通过编程去灵活改变信号光脉冲的周期和占空比。
进一步地，所述脉冲展宽器和脉冲压缩器是具有色散特性的光纤器件，为色散光纤、啁啾光纤光栅或啁啾镜。
进一步地，所述第一单模光纤放大器和第二单模光纤放大器均包括单模增益光纤、波分复用器、第二单模泵浦和第二隔离器，采用反向泵浦结构，各部分通过光纤熔接的方式连接；信号光从左侧进入，依次通过单模增益光纤、波分复用器和第二隔离器；第二单模泵浦的泵浦光通过波分复用器进入单模增益光纤，从而对信号光进行毫瓦级放大；第二隔离器防止激光反射损坏前置器件。
进一步地，所述第二单模光纤放大器比第一单模光纤放大器有着更长的单模增益光纤和更大功率的第二单模泵浦。
进一步地，所述双包层光纤放大器包括多模泵浦、合束器和双包层增益光纤，采用正向泵浦结构，各部分通过光纤熔接的方式连接；信号光和多模泵浦的泵浦光分别通过合束器的两路光纤进入双包层增益光纤，从而对信号光进行瓦级放大。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
本发明由全光纤器件组成，结构紧凑、易于装配、稳定性好；利用任意信号发生器去驱动声光调制器对信号光进行调制，通过编程去灵活改变信号光脉冲的周期和占空比；从种子源输出的信号光，通过各级放大器进行光放大以及采用色散管理的方法展宽和压缩脉冲，得到高功率超短脉冲激光。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所提供的一种1.7μm全光纤大能量飞秒激光系统的光路结构示意图；
图2是声光调制器的工作原理图；
图3是单模光纤放大器的光路结构示意图。
附图标记说明：
1.负色散光纤；2.偏振控制器；3.正色散光纤；4.第一单模泵浦；5.光学集成模块；6.掺Tm/Tb光纤；7.第一隔离器；8.声光调制器；9.脉冲展宽器；10.第一单模光纤放大器；11.带通滤波器；12.第二单模光纤放大器；13.多模泵浦；14.合束器；15.双包层增益光纤；16.包层功率剥离器；17.脉冲压缩器；18.1.7μm高功率超短脉冲激光；19.单模增益光纤；20.波分复用器；21.第二单模泵浦；22.第二隔离器。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，本发明提供一种1.7μm全光纤大能量飞秒激光系统，由种子源(1-7)、声光调制器8、脉冲展宽器9、第一单模光纤放大器10、带通滤波器11、第二单模光纤放大器12、双包层光纤放大器(13-15)、包层功率剥离器16、脉冲压缩器17组成，各部分通过光纤熔接的方式按上述顺序依次连接。
该激光器的种子源由负色散光纤1、偏振控制器2、正色散光纤3、第一单模泵浦4、光学集成模块5、掺Tm/Tb光纤6和第一隔离器7组成，呈环形腔结构，各部分通过光纤熔接的方式连接。
负色散光纤1和正色散光纤3起到色散管理的作用。当脉冲信号在环形腔一次循环后的总色散为零时输出信号光的脉冲宽度最小，而总色散的绝对值越大时其脉冲宽度则越大。通过调整负色散光纤1和正色散光纤3的长度就可改变总色散，从而控制输出脉冲的宽度。
偏振控制器2用于调整光纤环形腔内光波的偏振状态，以实现激光器被动锁模。
光学集成模块5具有光波分复用、光耦合、光隔离三种功能，可视为波分复用器和耦合器、隔离器的集成体，其优点是结构紧凑及插入损耗小。
第一隔离器7用于防止激光反射损坏种子源。
在本实施例中，第一单模泵浦4是一个1.2μm单模半导体泵浦源，并选用掺Tm/Tb光纤6作为产生1.7μm激光的增益介质。1.2μm泵浦光通过光学集成模块5进入环形腔内，并在腔内不断循环，被掺Tm/Tb光纤6充分吸收。对掺Tm/Tb光纤6泵浦产生的1.7μm激光在环形腔内放大至达到饱和，通过光学集成模块5离开环形腔，继而通过第一隔离器7从种子源出射。为了使种子源的出射激光为激光脉冲而非连续激光，需要通过偏振控制器2调整环形腔内光波的偏振状态并设置适合的第一单模泵浦4功率及掺Tm/Tb光纤6长度，以使种子源达到被动锁模的条件。
声光调制器8用于调制从种子源输出的信号光，其工作原理如图2所示。在本实施例中，任意信号发生器产生的调制电信号是周期为信号光脉冲周期的两倍的方波信号，可以看到在声光调制器的调制下，对应在高电平区域内的信号光脉冲通过，而对应在低电平区域内的信号光脉冲被阻拦；若调制前信号光脉冲的频率为10MHz，则调制后信号光脉冲的频率为5MHz。因此，可通过编程控制任意信号发生器产生的调制电信号去灵活改变信号光脉冲的周期和占空比。
脉冲展宽器9和脉冲压缩器17是具有色散特性的光纤器件，常见的有色散光纤、啁啾光纤光栅、啁啾镜等，分别通过引入或抵消色散的方式去展宽和压缩信号光的脉冲宽度。当激光脉冲的峰值功率足够高，在光纤中传输时就会产生强烈的一系列非线性效应，这些非线性效应会使脉冲发生畸变，限制了光纤放大器的输出峰值功率和能量。为了减小非线性效应的影响，可以在时间上展宽脉冲宽度从而降低峰值功率，或者在空间上增大模场面积进而减小峰值功率密度。因此，为了保护对信号光的放大时脉冲不发生畸变，利用脉冲展宽器9对信号光脉冲进行展宽以降低峰值功率，待多级放大完成后再利用脉冲压缩器17对信号光脉冲进行压缩以获得高功率超短脉冲激光。在本实施例中，脉冲展宽器9选用足够长的色散光纤，脉冲压缩器17选用结构紧凑的啁啾光纤光栅。
第一单模光纤放大器10和第二单模光纤放大器12的结构类似，均由单模增益光纤19、波分复用器20、第二单模泵浦21和第二隔离器22组成，采用反向泵浦结构，各部分通过光纤熔接的方式连接，如图3所示。二者的区别在于第二单模光纤放大器12比第一单模光纤放大器10有着更长的单模增益光纤和更大功率的单模泵浦。图3中，信号光从左侧进入，依次通过单模增益光纤19、波分复用器20和第二隔离器22；第二单模泵浦21的泵浦光通过波分复用器20进入单模增益光纤19，从而对信号光进行放大；第二隔离器22防止激光反射损坏前置器件。单模光纤放大器用于信号光的毫瓦级放大，即较低功率情况下的信号光放大。
带通滤波器11用于抑制放大自发辐射噪声。
双包层光纤放大器由由多模泵浦13、合束器14和双包层增益光纤15组成，采用正向泵浦结构，各部分通过光纤熔接的方式连接。通过第一单模光纤放大器10和第二单模光纤放大器12的信号光放大后，信号光的功率变得较高，通过在时间上展宽脉冲宽度从而降低峰值功率的方法已经不足以抑制非线性效应，因此要采用在空间上增大模场面积进而减小峰值功率密度的方法，即使用双包层增益光纤进行光放大。信号光和多模泵浦13的泵浦光分别通过合束器14的两路光纤进入双包层增益光纤15，从而对信号光进行放大。双包层光纤放大器用于信号光的瓦级放大，即较高功率情况下的信号光放大。
包层功率剥离器16用于去除包层残留的泵浦光、在内包层中传输的放大自发辐射光以及高阶模式信号光，同时保持在纤芯中传输的信号光。
最终，1.7μm高功率超短脉冲激光18通过脉冲压缩器17从该激光器出射。
本发明由全光纤器件组成，结构紧凑、易于装配、稳定性好；利用任意信号发生器去驱动声光调制器对信号光进行调制，通过编程去灵活改变信号光脉冲的周期和占空比；从种子源输出的信号光，通过各级放大器进行光放大以及采用色散管理的方法展宽和压缩脉冲，得到高功率超短脉冲激光。
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。

Claims (7)

1.一种1.7μm全光纤大能量飞秒激光系统，其特征在于，包括种子源、声光调制器、脉冲展宽器、第一单模光纤放大器、带通滤波器、第二单模光纤放大器、双包层光纤放大器、包层功率剥离器以及脉冲压缩器，各部分通过光纤熔接的方式按上述顺序依次连接；
所述种子源用于采用色散管理和被动锁模的方式产生超短脉冲激光信号；
所述声光调制器用于调制从种子源输出的信号光；
所述脉冲展宽器用于展宽信号光的脉冲宽度；
所述第一单模光纤放大器和第二单模光纤放大器用于信号光的毫瓦级放大；
所述带通滤波器用于抑制放大自发辐射噪声；
所述双包层光纤放大器用于信号光的瓦级放大；
所述包层功率剥离器用于去除包层残留的泵浦光、在内包层中传输的放大自发辐射光以及高阶模式信号光，同时保持在纤芯中传输的信号光；
所述脉冲压缩器用于压缩信号光的脉冲宽度，出射1.7μm高功率超短脉冲激光；
所述种子源为环形腔结构，包括负色散光纤、偏振控制器、正色散光纤、第一单模泵浦、光学集成模块、掺Tm/Tb光纤以及第一隔离器，各部分通过光纤熔接的方式连接；
负色散光纤和正色散光纤用于腔内色散管理进而调整输出脉冲的宽度，偏振控制器用于调整光纤环形腔内光波的偏振状态以实现被动锁模，光学集成模块具有光波分复用、光耦合、光隔离三种功能，掺Tm/Tb光纤是产生1.7μm激光的增益介质，第一隔离器用于防止激光反射损坏种子源；
第一单模泵浦的泵浦光通过光学集成模块进入环形腔内，并在腔内不断循环，被掺Tm/Tb光纤充分吸收；对掺Tm/Tb光纤泵浦产生的1.7μm激光在环形腔内放大至达到饱和，通过光学集成模块离开环形腔，继而通过第一隔离器从种子源出射；为了使种子源的出射激光为激光脉冲而非连续激光，需要通过偏振控制器调整环形腔内光波的偏振状态并设置适合的第一单模泵浦功率及掺Tm/Tb光纤长度，以使种子源达到被动锁模的条件。
2.根据权利要求1所述的1.7μm全光纤大能量飞秒激光系统，其特征在于，第一单模泵浦为1.2μm单模半导体泵浦源。
3.根据权利要求1所述的1.7μm全光纤大能量飞秒激光系统，其特征在于，所述声光调制器利用任意信号发生器产生的电信号驱动，将对信号光的脉冲序列做出相应的调制，通过编程去灵活改变信号光脉冲的周期和占空比。
4.根据权利要求1所述的1.7μm全光纤大能量飞秒激光系统，其特征在于，所述脉冲展宽器和脉冲压缩器是具有色散特性的光纤器件，为色散光纤、啁啾光纤光栅或啁啾镜。
5.根据权利要求1所述的1.7μm全光纤大能量飞秒激光系统，其特征在于，所述第一单模光纤放大器和第二单模光纤放大器均包括单模增益光纤、波分复用器、第二单模泵浦和第二隔离器，采用反向泵浦结构，各部分通过光纤熔接的方式连接；信号光从左侧进入，依次通过单模增益光纤、波分复用器和第二隔离器；第二单模泵浦的泵浦光通过波分复用器进入单模增益光纤，从而对信号光进行毫瓦级放大；第二隔离器防止激光反射损坏前置器件。
6.根据权利要求5所述的1.7μm全光纤大能量飞秒激光系统，其特征在于，所述第二单模光纤放大器比第一单模光纤放大器有着更长的单模增益光纤和更大功率的第二单模泵浦。
7.根据权利要求1所述的1.7μm全光纤大能量飞秒激光系统，其特征在于，所述双包层光纤放大器包括多模泵浦、合束器和双包层增益光纤，采用正向泵浦结构，各部分通过光纤熔接的方式连接；信号光和多模泵浦的泵浦光分别通过合束器的两路光纤进入双包层增益光纤，从而对信号光进行瓦级放大。
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