CN101840125A - 一种负色散脉冲展宽光纤放大装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负色散脉冲展宽光纤放大装置，其包括：锁模激光器，产生种子光脉冲；负色散单元，置于锁模激光器种子光脉冲出射方，对种子光脉冲进行展宽，使其带有负啁啾；一级放大单元，接收负色散单元输出的带有负啁啾的种子光脉冲，并进行一级放大，对种子光脉冲中的负啁啾进一步进行正色散补偿，缩短种子光脉冲；二级放大单元，接收一级放大单元输出的种子光脉冲，并进行二级放大，对种子光脉冲中的负啁啾进一步进行正色散补偿，缩短种子光脉冲；输出单元，与二级放大单元相连，对放大后的种子光脉冲进行输出。本发明通过负色散展宽，使光纤放大器输出端的脉冲最短，简化了系统，降低了损耗，提高了放大器后的脉冲能量，有效降低了成本。

Description

一种负色散脉冲展宽光纤放大装置

技术领域

本发明属于光纤放大器领域，涉及一种高重复频率飞秒脉冲锁模光纤激光放大器的装置，具体涉及到脉冲展宽的设计，利用光栅对或者棱镜对，将脉冲进行负啁啾展宽，在放大器光纤中不断获得能量的同时，脉冲逐渐缩短，从而在光纤放大器终端获得最短的脉冲输出。

背景技术

常规的光纤激光放大器的基于啁啾脉冲放大原理，即用正色散元件或者光纤展宽脉冲，放大后再用负色散元件压缩。负色散元件常用的有光栅对、棱镜对或者光栅棱镜对的组合，光栅压缩脉冲的缺点在于，光栅对通常有很大损耗，压缩后的脉冲能量损失可达50％以上。

对于稀土掺杂光纤激光放大器，不同的波长对应不同的色散。掺铒光纤工作波长是1550nm，单模光纤是负色散；掺镱光纤的工作波长是1030nm附近，单模光纤是正色散。

2007年发表的一篇标题为“Selfreferenced Yb-fiber-laser frequencycomb using a dispersion micromanaged tapered holey fber，”(P.Pal andW.H.Knox，I.Hartl and M.E.Fermann，Opt.Express，15，12161-12166，2007)的技术论文，论文所用的是常规的啁啾脉冲放大方式，经光纤放大器之后脉冲被光栅对压缩到117fs，脉冲重复频率为90MHz，脉冲能量为15nJ，其中有约50％的能量被光栅对损耗掉。

2008年发表的一篇标题为“Scaling of femtosecond Yb-doped fiberamplifiers to tens of microjoule pulse energy via nonlinear chirped pulseamplification”(L.Kuznetsova and F.W.Wise，Opt.Lett.32，2671-2673，2007)的技术论文，论文首先将光纤激光振荡器的重复频率从60MHz减少到3MHz-0.15MHz，经过一级放大，脉冲能量达到8nJ，二级放大后，相应的脉冲能量最大为1.5μJ-30μJ，放大之后脉冲被透射式光栅对压缩到240fs。

2008年发表的另一篇标题为“11-W average power Ti：sapphireamplifier system using downchirped pulse amplification”(D.M.Gaudiosi，A.L.Lytle，P.Kohl，M.M.Murnane，H.C.Kapteyn，and S.Backus，Opt.Lett.29，2665，2004)的技术论文，论文提出了使用光栅对和棱镜对组合提供的二阶、三阶均为负色散器件，来展宽脉冲，最后用高正色散玻璃压缩脉冲，即所谓下啁啾(downchirp)脉冲放大的概念。脉冲最终被压缩到28fs，脉冲能量1.1mJ。此概念应用于钛宝石固体激光放大器，不是光纤放大器，放大后还需要另外的压缩器，且放大器工作在低重复频率(10kHz)。

上述公开的光纤脉冲放大技术均采用正色散展宽放大、负色散压缩技术，采用空间式的输出方式，脉冲宽度基本上与入射种子光一致或者略宽，上述技术使光纤放大系统相对比较复杂，损耗较大，降低了放大器后的脉冲能量，提高了成本，所以光纤脉冲放大技术有待继续改进。

发明内容

(一)要解决的技术问题

在脉冲光纤放大技术中，使光纤放大装置输出端的脉冲达到最短，降低损耗，提高脉冲输出能量。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种负色散脉冲展宽光纤放大装置，其特征在于，包括：

锁模激光器，用于产生种子光脉冲；

负色散单元，置于所述锁模激光器种子光脉冲出射方，用于对所述种子光脉冲进行展宽，使其带有负啁啾；

一级放大单元，接收所述负色散单元输出的带有负啁啾的种子光脉冲，对其进行一级放大，对种子光脉冲中的负啁啾进一步进行正色散补偿，缩短种子光脉冲；

二级放大单元，接收所述一级放大单元输出的种子光脉冲，对其进行二级放大，对种子光脉冲中的负啁啾进一步进行正色散补偿，缩短种子光脉冲；

输出单元，与所述二级放大单元相连，对放大后的种子光脉冲进行输出。

其中，所述锁模激光器和所述负色散单元之间设置有1/2波片，用于改变所述种子光脉冲的偏振态。

其中，所述1/2波片和所述负色散单元之间设置有偏振分光棱镜，用于实现所述种子光脉冲的转折。

其中，所述负色散单元与所述一级放大单元之间依次设置有1/4波片、1/2波片和准直器，使所述负色散单元输出的种子光脉冲经偏振分光棱镜分光后通过所述1/4波片和1/2波片改变偏振态，之后经准直器实现种子光脉冲的准直。

其中，所述负色散单元包括：光栅，接收并反射锁模激光器发出的种子光脉冲；直角反射镜对，接收光栅反射的种子光脉冲，并对其进行反射；高反射镜，接收光栅反射的种子光脉冲，并对其进行反射。

其中，所述负色散单元包括：棱镜对，接收锁模激光器发出的种子光脉冲，并对其进行色散；高反射镜，接收棱镜对色散的种子光脉冲，并对其进行反射。

其中，所述负色散单元包括：啁啾镜对，接收锁模激光器发出的种子光脉冲，并对其进行反射；高反射镜，接收啁啾镜对反射的种子光脉冲，并对其进行反射。

其中，所述一级放大单元包括：隔离器，对输入的种子光脉冲进行转换输出；增益光纤，与所述隔离器相连，提供种子光脉冲放大需要的增益；波分复用器，与所述增益光纤相连；半导体激光器，与所述波分复用器相连，用作抽运光源，产生超短脉冲激光。

其中，所述二级放大单元包括：隔离器，对输入的种子光脉冲进行转换输出；增益光纤，与所述隔离器相连，提供种子光脉冲放大需要的增益；波分复用器，与所述增益光纤相连；半导体激光器，与所述波分复用器相连，用作抽运光源，产生超短脉冲激光；耦合透镜，与所述波分复用器相连，用于对待输出的种子光脉冲进行耦合。

其中，所述输出单元由光纤构成直接输出，或者由直角反射镜对构成多次反射输出。

(三)有益效果

1、本发明提供的这种负色散展宽光纤放大器技术，通过负色散展宽，使光纤放大器输出端的脉冲最短，减少了放大器之后的光栅对或棱镜对或啁啾镜对脉冲压缩器，简化了系统，降低了损耗，提高了放大器后的脉冲能量，有效降低了成本。

2、本发明提供的这种负色散展宽光纤放大器技术，由于伴随着脉冲的能量不断提高以及脉冲不断缩短，脉冲的峰值功率在放大过程中不断提高，有利于光纤激光器腔内自相位调制的发展，有利于脉冲光谱的展宽或脉冲的缩短。同时，由于激光脉冲在光纤放大器中不断缩短和峰值功率的迅速提高，增益与非线性之间的相互作用增强，有助于补偿光栅对以及放大器光纤中的三阶色散，使输出脉冲更加窄化和旁瓣减少。

3、本发明提供的这种负色散展宽光纤放大器技术，由于是光纤输出，可以直接与其后的光子晶体光纤或高非线性光纤熔接而不需要空间耦合，减少了耦合损耗，提高了耦合效率，改进了光子晶体光纤或高非线性光纤光谱展宽的效果，特别适合作为光纤式频率梳的前置放大器装置。

附图说明

图1是负色散脉冲展宽光纤放大装置的原理图；

图2是负色散脉冲展宽光纤放大装置后的典型自相关曲线；

图3是典型的负色散脉冲展宽掺镱光纤放大装置后的脉冲经过光子晶体光纤后产生的超连续谱；

图4是典型的负色散脉冲展宽掺铒光纤放大装置后的脉冲经过光子晶体光纤后产生的超连续谱。

其中，1：1/2波片；2：偏振分光棱镜；3：光栅；4：直角反射镜对；4-1：棱镜对；4-2：啁啾镜对；5：高反射镜；6：1/4波片；7：准直器；8：隔离器；9：增益光纤；10：波分复用器；11：耦合透镜；12：光子晶体光纤。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在光纤放大器中，无论是掺镱光纤，还是掺铒光纤，都是正色散，可以补偿负啁啾。正确选择负色散，可以使脉冲的负啁啾在正色散光纤中得到完全的补偿。脉冲在放大的过程中被压缩，短脉冲导致的自相位调制会展宽脉冲的光谱；调节放大器前的负色散可平衡自相位调制，使脉冲进一步缩短。

本发明提供一种负色散脉冲展宽的啁啾脉冲放大光纤激光装置，具体涉及到负色散的设计，光纤放大器的设计以及频谱展宽方式，从而得到稳定的光学频率梳。本发明是在飞秒激光进入放大器之前，利用光栅对或者棱镜对提供负色散，以负啁啾展宽飞秒激光振荡器输出的脉冲，使脉冲在光纤激光放大过程中不断缩短，在光纤放大器的出口处达到脉冲最短；其后接入高非线性或光子晶体光纤，达到扩展激光脉冲光谱至倍频程，实现以自参考频率拍频方法稳定光学频率梳的初始频率，整个装置可以作为频率梳。此输出脉冲也可直接作为飞秒脉冲应用光源，或者作为进一步光纤放大器的种子光源。

本发明的实现原理为：种子激光器在进入放大器之前，预先通过光栅对或者棱镜对或者光栅与棱镜对组合或者啁啾镜提供的负色散，被负啁啾展宽。由于光纤放大器含正色散，带有负啁啾的种子光脉冲在放大器中传播的过程中，其负啁啾被正色散不断补偿，导致脉冲不断缩短，以致于在放大器输出端面处脉冲最短。此输出的脉冲不再需要额外的压缩器；由于种子光脉冲在放大器中传播的过程中不断被放大，而同时伴有脉冲缩短，脉冲的峰值功率加倍提高，导致强烈的自相位调制，因此脉冲的光谱被展宽。自相位调制导致的啁啾也可以被光栅对的二阶负色散所补偿，导致脉冲进一步变短。光纤放大器中的非线性效应还包括拉曼散射、四波混频、偏振旋转等其他与激光脉冲峰值功率相关的非线性效应。由于激光脉冲在光纤放大器中不断缩短和峰值功率的迅速提高，增益与非线性之间的相互作用增强，有助于补偿光栅对以及放大器光纤中的三阶色散，使输出脉冲更加窄化和旁瓣减少。

基于上述原理，本发明提出，用光栅对、棱镜对或者其组合，或者负色散反射镜组，其提供的负色散用来展宽种子光脉冲，使脉冲带有负啁啾。本发明采用负色散展宽放大、无单独的脉冲压缩器的技术，尤其是不需要放大后的光栅对压缩技术，避免了光栅对带来的50％的损耗。本发明提出的输出脉冲可以是光纤直接输出，不需要空间压缩，因此可以直接与后续的光纤直接熔接，而不需要再度耦合入光纤。本发明利用光纤内的自相位调制原理扩谱，输出端的脉冲可以比入射的种子光脉冲更短。

在本发明的负色散脉冲展宽光纤放大装置中，光栅对的入射角保证光栅具有最大的衍射效率；光栅对之间的距离根据放大器光纤的长度确定

在本发明中，种子光脉冲可以是超短脉冲光纤激光器的输出，也可以是超短脉冲固体激光器的输出。种子光脉冲的偏振方向与光栅的最大衍射效率所要求的方向一致。光栅对与光纤之间可以插入四分之一波片和半波片等偏振控制装置。所述光栅对可以根据需要补偿的光纤的色散的需要而被棱镜对或者光栅与棱镜对组合或者棱镜对或者啁啾镜所取代。所述放大器光纤系指对掺铒或者掺镱的单模光纤，或双包层光纤，或大模场面积光纤、或光子晶体光纤，也包括其他稀土元素(钬、铥)掺杂的增益光纤。在光栅对与光纤放大器之间插入隔离器。对于高能量脉冲，大模场面积光纤的模场面积可进一步增大。对于高能量脉冲，为了避免光纤端面的损坏，光纤放大器后可继续加入块状玻璃正色散压缩器。此时，光栅对之间的距离可以调谐，以致于在块状放大器后的脉冲最短，而不是在光纤放大器的光纤端面最短。其中，不限制光纤放大器的级数和长度。

基于上述实现原理，本发明提供负色散展宽光纤放大器技术方式，以获得高能量超短脉冲输出。实验装置如图1所示，该装置包括锁模激光器，用于产生种子光脉冲；负色散单元，置于所述锁模激光器种子光脉冲出射方，用于对所述种子光脉冲进行展宽，使其带有负啁啾；一级放大单元，接收所述负色散单元输出的带有负啁啾的种子光脉冲，对其进行一级放大，对种子光脉冲中的负啁啾进一步进行正色散补偿，缩短种子光脉冲；二级放大单元，接收所述一级放大单元输出的种子光脉冲，对其进行二级放大，对种子光脉冲中的负啁啾进一步进行正色散补偿，缩短种子光脉冲；输出单元，与所述二级放大单元相连，对放大后的种子光脉冲进行输出。

根据需要的脉冲能量，确定放大器的级数、光纤长度、模场面积、单模光纤和掺杂增益光纤的总长度；

本技术方案中的光纤还包括光通讯光纤、光子晶体光纤、微结构光纤或高非线性光纤。将所有光纤、光纤式波分复用器熔接在一起，构成如图1所示的放大器系统；光纤端面均用准直透镜连接；光栅对可由两个光栅组成，也可由一个光栅加空间直角反射镜构成。光栅对之间的等效距离由单模光纤和掺杂增益光纤的总长度决定；光栅对之间的距离可以调谐；光栅的入射角和偏振方向本着获得最大衍射效率的原则确定。光栅对与放大器之间的空间部分还有一个四分之一波片和二分之一波片，控制种子光脉冲的耦合；光纤放大器与光栅对之间还有光纤式单向隔离器或者分体式单向隔离器(未标出)。光纤各放大器级次之间也有隔离器相连。

泵浦激光通过光纤波分复用器耦合入放大器光纤，被稀土元素掺杂光纤吸收，提供激光放大必要的增益；光纤放大器输出端直接与高非线性光纤或光子晶体光纤；波片等偏振控制器的调节需要参照自相关曲线进行，以旁瓣最小、脉宽最短为原则。

在本实施例中，将超短脉冲激光器输出的种子脉冲，通过波片、光栅对或其他负色散元件，耦合到光纤放大器输入端耦合透镜；检测耦合效率；调节耦合以及波片，使耦合效率最高；光纤放大器输出端通过耦合透镜输出；输出光通向检测仪器(功率计、光谱仪、自相关器)；调节光栅对距离，使脉冲相关宽度最短(相关图形如图2所示)；调节光栅对与光纤放大器之间的波片，使相关器看到的脉冲最干净(相关图形如图2所示)，放大器光纤输出端熔接入高非线性光纤，观察光谱形状和宽度(光谱图形如图3和图4所示)。

本发明的关键步骤之一是负色散元件的选择，例如光栅对、棱镜对或其组合。对于1微米波长的光纤放大器，光栅对作为负色散元件是较好的选择，因为其光栅对间隔比较小，尽管光栅对的正三阶色散可能会使放大后的脉冲产生旁瓣。而对于1.5微米以上波长的光纤放大器，硅材料棱镜对作为负色散元件会更少损耗，硅材料本身的高色散也不会使棱镜对间隔过大。

本发明的关键步骤之二是脉冲的偏振控制。本发明不限制使用普通单模光纤或者偏振保持光纤作为增益光纤。无论哪种光纤，都需要在入射端或者出射端进行偏振控制，以控制非线性偏振旋转以及由此带来的脉冲旁瓣。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种负色散脉冲展宽光纤放大装置，其特征在于，包括：

锁模激光器，用于产生种子光脉冲；

负色散单元，置于所述锁模激光器种子光脉冲出射方，用于对所述种子光脉冲进行展宽，使其带有负啁啾；

一级放大单元，接收所述负色散单元输出的带有负啁啾的种子光脉冲，对其进行一级放大，对种子光脉冲中的负啁啾进一步进行正色散补偿，缩短种子光脉冲；

二级放大单元，接收所述一级放大单元输出的种子光脉冲，对其进行二级放大，对种子光脉冲中的负啁啾进一步进行正色散补偿，缩短种子光脉冲；

输出单元，与所述二级放大单元相连，对放大后的种子光脉冲进行输出。

2.根据权利要求1所述的负色散脉冲展宽光纤放大装置，其特征在于，所述锁模激光器和所述负色散单元之间设置有1/2波片(1)，用于改变所述种子光脉冲的偏振态。

3.根据权利要求2所述的负色散脉冲展宽光纤放大装置，其特征在于，所述1/2波片(1)和所述负色散单元之间设置有偏振分光棱镜(2)，用于实现所述种子光脉冲的转折。

4.根据权利要求1或3所述的负色散脉冲展宽光纤放大装置，其特征在于，所述负色散单元与所述一级放大单元之间依次设置有1/4波片(6)、1/2波片(1)和准直器(7)，使所述负色散单元输出的种子光脉冲经偏振分光棱镜(2)分光后通过所述1/4波片(6)和1/2波片(1)改变偏振态，之后经准直器(7)实现种子光脉冲的准直。

5.根据权利要求1所述的负色散脉冲展宽光纤放大装置，其特征在于，所述负色散单元包括：光栅(3)，接收并反射锁模激光器发出的种子光脉冲；直角反射镜对(4)，接收光栅(3)反射的种子光脉冲，并对其进行反射；高反射镜(5)，接收光栅(3)反射的种子光脉冲，并对其进行反射。

6.根据权利要求1所述的负色散脉冲展宽光纤放大装置，其特征在于，所述负色散单元包括：棱镜对(4-1)，接收锁模激光器发出的种子光脉冲，并对其进行色散；高反射镜(5)，接收棱镜对(4-1)色散的种子光脉冲，并对其进行反射。

7.根据权利要求1所述的负色散脉冲展宽光纤放大装置，其特征在于，所述负色散单元包括：啁啾镜对(4-2)，接收锁模激光器发出的种子光脉冲，并对其进行反射；高反射镜(5)，接收啁啾镜对(4-2)反射的种子光脉冲，并对其进行反射。

8.根据权利要求1所述的负色散脉冲展宽光纤放大装置，其特征在于，所述一级放大单元包括：隔离器(8)，对输入的种子光脉冲进行转换输出；增益光纤(9)，与所述隔离器(8)相连，提供种子光脉冲放大需要的增益；波分复用器(10)，与所述增益光纤(9)相连；半导体激光器，与所述波分复用器(10)相连，用作抽运光源，产生超短脉冲激光。

9.根据权利要求1所述的负色散脉冲展宽光纤放大装置，其特征在于，所述二级放大单元包括：隔离器(8)，对输入的种子光脉冲进行转换输出；增益光纤(9)，与所述隔离器(8)相连，提供种子光脉冲放大需要的增益；波分复用器(10)，与所述增益光纤(9)相连；半导体激光器，与所述波分复用器(10)相连，用作抽运光源，产生超短脉冲激光；耦合透镜(11)，与所述波分复用器(10)相连，用于对待输出的种子光脉冲进行耦合。

10.根据权利要求1所述的负色散脉冲展宽光纤放大装置，其特征在于，所述输出单元由光纤构成直接输出，或者由直角反射镜对(4)构成多次反射输出。

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