CN102621765A

CN102621765A - 基于色散预补偿的飞秒激光光纤分光装置

Info

Publication number: CN102621765A
Application number: CN2012100852820A
Authority: CN
Inventors: 魏志义; 韩海年; 叶蓬; 马红梅; 张炜; 马喆; 龚鹏伟; 戴德昌
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2012-08-01

Abstract

本发明提供一种基于色散预补偿的飞秒激光光纤分光装置，包括：飞秒光源，用于产生脉宽在飞秒量级的种子激光；色散预补偿器，用于对由飞秒光源产生的飞秒激光提供负色散量，以补偿将在光纤传输中引入的正色散量；光纤耦合装置，用于将从色散预补偿器输出的带有负色散的飞秒激光进行耦合；以及光纤分光器，用于将经光纤耦合器耦合后的激光分为多路激光脉冲输出。本发明能够在光纤输出端得到脉宽接近种子光的飞秒脉冲，有利于脉冲在光纤中传播后光谱及波形的保持并且可以改变所提供的负色散量，从而调节经光纤传输输出的激光的脉宽。

Description

基于色散预补偿的飞秒激光光纤分光装置

技术领域

本发明涉及飞秒激光技术及光纤传输技术领域，特别涉及一种飞秒激光光纤分光装置。

背景技术

自从上世纪90年代成功实现掺钛蓝宝石激光器的克尔透镜锁模以来，飞秒激光作为人类从简单的固体激光器就能得到的最短时间尺度的激光脉冲，在科学和技术的多个领域都得到了广泛的应用。可以利用飞秒激光极短的持续时间作为超快探针来研究物质世界的瞬态过程，例如生物学上高精度多光子激发荧光探测、叶绿素的合成等等很多发生在飞秒时间尺度的化学反应。1995年瑞典科学家Zewail利用飞秒探针观察到了化学键的成键和断裂过程，从而获得了诺贝尔物理学奖，这可以说是飞秒激光在超快方面一个最经典的应用成果。

在实际应用中对飞秒脉冲有各种实际需求，例如，有时需要研究的目标离光源较远或者空间光不易到达，有时需要多路飞秒脉冲同时作用，有时还需要不同脉宽的超短脉冲，如果仅靠一台飞秒激光器不能同时满足以上需求。随着通讯光纤技术的发展，人们尝试利用价格低廉、结构灵活的光纤波导材料来对超短脉冲进行传输，由于光纤良好的可弯曲性及足够长的长度，可以很容易地将激光传输到很远或不易接近的目标处。

基于此，现有的光纤分光装置包括：飞秒光源，用于产生飞秒激光；光纤耦合器，用于将飞秒光源产生的飞秒激光进行耦合，以适于输入光纤中；以及光纤分光器，用于将经光纤耦合器耦合的一束飞秒激光分为多路飞秒激光，从而满足各种超快研究应用需求。但是，对于飞秒脉冲的光纤传输来说，由于飞秒超短脉冲的光谱很宽，因此在色散介质中传播时各个频率成分会由于相速不同而导致脉宽的展宽，比如对于780nm、30fs的超短脉冲激光，经过1m标准单模光纤的传播，输出时由于正色散使激光脉宽被展宽至大于1ps，这对于需要飞秒激光的应用来说是不可忍受的，而且直接将30fs的超短脉冲聚焦进入光纤芯径中，极高的峰值功率会导致激光在光纤中发生非线性效应，进而对输出脉冲的光谱和波形都有所影响，这在由B.W.Atherton和M.K.Reed在1998年国际光学工程学会的会议录3269，22中发表的“in Commercial Applications of Ultrafast Lasers”中有所描述。

为了解决这些问题，研究者提出了一些解决方案，例如在由D.G.Ouzounov、K.D.Moll、M.A.Foster、W.R.Zipfel、W.W.Webb以及A.L.Gaeta在Opt.Lett.27第1513-1515页(2002)中发表的“Delivery ofnanojoule femtosecond pulses through large-core microstructured fibers”中提出的，可以使用特殊设计的光纤，这些光纤拥有特殊的线性和非线性特性，可以补偿脉冲畸变，但特殊光纤的制作费用高昂，因此无法推广应用。

因此本领域亟需一种能够以较低成本解决由于光纤传输而产生的色散和脉冲畸变的飞秒激光光纤分光装置。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，提出本发明。

根据本发明的一个方面，提出一种基于色散预补偿的飞秒激光光纤分光装置，包括：飞秒光源，用于产生脉宽在飞秒量级的种子激光；色散预补偿器，用于对由飞秒光源产生的飞秒激光提供负色散量，以补偿将在光纤传输中引入的正色散量；光纤耦合装置，用于将从色散预补偿器输出的带有负色散的飞秒激光进行耦合；以及光纤分光器，用于将经光纤耦合器耦合后的激光分为多路激光脉冲输出。

本发明通过在光纤分光传输前首先将光通过一个色散预补偿器进行提前补偿，从而具有以下有益效果：

(1)能够在光纤输出端得到脉宽接近种子光的飞秒脉冲；

(2)能够降低脉冲激光的峰值功率，避免了直接飞秒脉冲激光在光纤中传播的非线性效应，从而有利于脉冲在光纤中传播后光谱及波形的保持；

(3)以根据实际应用来控制脉冲的宽度。

本发明可以应用于同步泵浦-探测、多路超快信号检测、快速采样等等应用研究。

附图说明

图1是根据本发明实施例的飞秒激光光纤分光装置的结构图。

图2是示出根据本发明实施例的色散预补偿器的结构图。

图3是示出包括图2所示的色散预补偿器以及光纤分光器的光纤分光装置的光路图。

图4是根据本发明另一实施例的飞秒激光光纤分光装置的结构图。

图5是飞秒光源直接输出与经不同光纤输出的激光的光谱。

图6是飞秒光源直接输出与经色散预补偿器后的激光的强度自相关曲线。

图7是未经色散预补偿器、直接经过光纤后输出的激光的强度自相关曲线。

具体实施方式

本发明提出将来自固体飞秒激光器输出的空间光分成多路经光纤传输到研究对象处，通过在激光进入光纤前使其经过一个预色散补偿器来确保每路光纤输出的飞秒脉冲不但保持原来的光谱和脉冲形状，而且每路光的脉宽在飞秒到皮秒之间还有一定的可调范围

下面结合附图和具体实施方式对本发明加以说明。

图1是根据本发明实施例的飞秒激光光纤分光装置的总体结构图。

如图1所示，根据本发明实施例的飞秒激光光纤分光装置包括：飞秒光源1，用于提供脉宽飞秒量级的种子激光；色散预补偿器2，用于向飞秒光源发出的种子激光提供足够的负色散量，以补偿在传输光纤中引入的正色散量；光纤耦合装置3，用于将从色散预补偿器输出的带有负色散的飞秒激光进行耦合，以使耦合后的飞秒激光适于光纤传输；以及光纤分光器4，用于将经光纤耦合器耦合后的激光分为多路，通过多路不同长度光纤的传输，从而得到脉宽在飞秒或亚皮秒量级的多路激光脉冲输出。

下面针对飞秒激光光纤分光装置的上述各个部件分别进行详细描述。

飞秒光源

飞秒光源用于提供脉宽飞秒量级的种子激光，例如可以采用固体锁模激光器(可为振荡器或放大器)，其输出脉宽在几十飞秒量级的超短激光脉冲。根据本发明的一个实施例，优选采用基于Ti:Sapphire晶体的克尔透镜锁模振荡器作为飞秒光源，该振荡器输出脉宽为30fs的激光脉冲，中心波长在800nm附近，重复频率为80MHz，单脉冲能量约为5nJ。

色散预补偿器

色散预补偿器接收由飞秒光源发出的超短激光脉冲，用于向飞秒光源发出的种子激光提供足够的负色散量，以补偿在传输光纤中引入的正色散量。

根据本发明的一个实施例，优选采用光栅对作为向飞秒光源发出的种子激光提供负色散的色散预补偿器的主要部件，这是因为光栅型的色散预补偿器可以提供更大的色散量，而且色散量容易调节。

图2为示出根据本发明一个实施例的色散预补偿器的结构图。如图2所示，根据本发明实施例的色散预补偿器包括两块光栅G1、G2和用于改变光高的上下倒光全反镜UD2。来自飞秒光源的飞秒激光首先经过光栅对G1、G2，然后入射到上下倒光全反镜UD2并改变光高，然后再次经过光栅对出射，从而借助两次通过光栅对G1、G2实现对飞秒激光的负色散预补偿。根据本发明的一个优选实施例，光栅G1、G2采用全息镀金闪耀光栅，其提供合适的GVD，尺寸30mmx30mm；上下倒光全反镜UD2由两块1英寸银镜组成，其用于将光高由3.5英寸变成3英寸。

根据本发明的另一个优选实施例，可以使色散预补偿器中的光栅对中的一个光栅(例如G1)的位置固定，而将另一个光栅(例如G2)放在一个平移台上，从而可以改变G1和G2之间的距离。通过调节两个光栅，可以改变所提供的负色散量，从而可以改变光纤输出的激光脉宽。

除了典型的采用光栅对作为色散预补偿器的主要部件之外，本领域技术人员可以理解，还可以采用棱镜对、啁啾镜或棱镜对+光栅对的组合结构等作为色散预补偿器，用以提供不同大小的负色散量。

光纤耦合装置

光纤耦合装置用于将色散预补偿器中输出的经色散预补偿器负色散补偿后的飞秒激光进行耦合，以使其能够进入光纤。

根据本发明的一个实施例，光纤耦合装置可以使用非球面光纤耦合器，以避免球面透镜所引入的球差。光纤耦合器可以是市场上可以获得的任意光纤耦合器，例如，LightPath公司的352260FC/PC耦合器作为光纤耦合器，其焦距13.92mm，通光口径11mm，入口透镜直径12.7mm，镀膜600nm-1000nm。

为了提高耦合效率，还可在分光前利用例如由两个透镜组成的望远镜系统对光束进行准直。

光纤分光器

光纤分光器接收从光纤耦合装置输出并经由光纤传输的激光，用于将从光纤耦合装置输出的具有负色散的激光分为多路，从而可以通过多路不同长度光纤的传输，得到脉宽在飞秒或亚皮秒量级的多路激光脉冲输出。

光纤分光器可以市场上可以获得的任意光纤分光器。为便于描述，在本发明中光纤分光器为将光分为两路光纤输出的光纤分光器，例如可以采用由加拿大OZ Optics公司生产的光纤分光器，其工作中心波长800nm，用于将一束光纤5/5分为两路激光。

光纤分光器可以与不同长度的光纤灵活组合，从而输出多路不同长度光纤传输的激光；也可以预留不经过光纤传输的自由空间光输出，得到不同输出脉宽的所需飞秒脉冲。

在本发明中，光纤可以是可以市场上可以获得的任意光纤，包括普通的单模光纤或多模光纤。例如，可以采用OZ Optics公司的工作波长800nm的标准单模光纤，其芯径为5um、数值孔径为0.12。

由此可见，经由本发明飞秒激光分光装置由于在飞秒光源和光纤分光器之间设置了色散预补偿器，使得飞秒脉冲在进入光纤分光器进行分光之前先通过色散预补偿器获得足够的负色散量，用于提前抵消由于在光纤中传播而引入的正色散量，从而解决了色散和波形畸变的问题。

优选地，飞秒激光光纤分光装置还可以包括导光装置，用于使飞秒光源输出的飞秒激光入射到色散预补偿器。

图3是示出根据本发明一个实施例的光纤分光装置的光路图，该光纤分光装置包括色散预补偿器、光纤分光器以及导光装置。如图3所示，该导光装置包括：上下导光全反镜UD1，用于使光束的高度增加，在本发明的一个实施例中，该上下导光全反镜UD1优选由两个直径1英寸的银反射镜组成，其在500nm-900nm范围内反射率＞95％；L1、L2是融石英凸透镜，焦距分别是150mm和50mm，两透镜之间可以采用1英寸银反射镜来改变激光方向；PT(Partial Transimition)是一英寸部分反射镜，透射率40％，反射率60％，波长范围800nm±40nm，用于将一部分光自由输出，另一部分光反射进入色散预补偿器；M1/2是半英寸银镜。

当然，本领域技术人员可以理解，上述导光装置中的各元件和元件的参数不限于此，也可以使用其它的元件或者具有其他参数的上述元件来实现将从飞秒光源发出的飞秒激光导入色散预补偿器的导光装置。

下面将详细描述如图3所示的飞秒激光光纤分光装置的典型的工作状态。飞秒光源输出激光，中心波长820nm，重复频率80MHz，400mW，脉宽(时域半高全宽)30fs，直径5mm左右。激光高度约40mm，入射到上下倒光全反镜UD1上，光高变成3.5英寸，然后经过两个透镜L1、L2缩束准直，光束直径变成2mm左右；经过部分反射镜PT，透射能量40％，直接出射，约100mW，反射光约占60％的能量，200mW左右，光束高于反射镜M1/2进入色散补偿器的光栅对G1、G2。通过光栅对的激光的入射角-2.3°，衍射角36.466°，-1级衍射，经过上下倒光全反镜UD2后，光高变成3英寸，再一次通过光栅对；单次衍射效率约80％，4次反射，最后剩下约36％的能量，70mW左右；调节光栅间距，可以改变提供的负色散量，从而可以改变光纤输出的激光脉宽。在使用2m长的单模光纤、光栅间距25mm时，可以得到最短的光纤输出激光，脉宽90fs；改变光栅间距，输出脉冲脉宽几十fs至数ps可调，可以根据实际应用，选择合适的色散补偿量；然后，经银反射镜M1/2后，进入光纤耦合器，光纤耦合效率15％到20％，再经过光纤分路器，将一路光纤激光分成两路，可得到每路6mW左右两路光纤输出，输出光纤激光脉宽90fs。

图4为根据本发明的另一实施例的飞秒激光光纤装置。与图1相比，该飞秒激光光纤装置除了飞秒光源1、色散预补偿器2、光纤耦合装置3和光纤分光器4之外，还包括：控制电路5，用于稳定控制飞秒光源发出的种子激光的重复频率，从而保证各脉冲之间极小的时间抖动。通过反馈控制电路将激光器的重复频率fr锁定到标准频率源上，以稳定激光器输出波长及脉冲间的间隔，从而有效降低飞秒种子激光脉冲的相位噪声，得到多路、多脉宽、低噪声的光纤输出飞秒脉冲。

为了验证本发明的技术效果，在图5-图7中给出了经由传统的分光装置和本发明的光纤分光装置的效果图。其中，图5为飞秒光源直接输出的激光以及经本发明的飞秒激光光纤分光装置与两条不同光纤组合后输出的激光的光谱；图6为飞秒光源直接输出的激光和经由本发明的色散预补偿器后的激光的强度自相关曲线；图7为飞秒激光直接通过光纤后输出的激光的强度自相关曲线。

由图5可以看出，与飞秒光源发出的激光相比，在经过本发明的飞秒激光光纤分光装置与不同的光纤组合后，输出的激光的光谱成分基本不变，也就是说，本发明的飞秒激光光纤分光装置不改变激光光谱上的性质。

由图6可以看出，经由色散预补偿器后的输出激光在图中的宽度为9us对应的激光脉宽为90fs，而飞秒光源直接输出的激光在图中的宽度为3us，对应的激光脉宽为30fs。由图7可以看出，飞秒激光直接通过光纤后输出的激光在图中的宽度为300us，对应的激光脉宽为3ps。将图6、图7中的曲线进行对比可知，经过色散补偿器后，输出脉冲的脉宽由不经色散预补偿器而直接通过光纤的3ps变为90fs脉宽，其接近于飞秒光源发出的激光脉冲的脉宽30fs，从而可以看出，本发明通过使用色散预补偿器能够在光纤输出端得到脉宽接近种子光的飞秒脉冲。

由此可见，与传统的飞秒激光光纤分光装置相比，本发明由于在光纤分光传输前设置了色散预补偿器对飞秒激光进行提前的色散补偿，从而具有以下优势：

(1)色散预补偿器提供了足够的负色散量，用以抵消飞秒脉冲经过光纤传输产生的正色散量，从而在光纤输出端得到脉宽接近种子光的飞秒脉冲。

(2)色散预补偿器在提供负色散量的同时将飞秒脉冲展宽到皮秒量级，从而降低了脉冲激光的峰值功率，避免了直接飞秒脉冲激光在光纤中传播的非线性效应，有利于脉冲在光纤中传播后光谱及波形的保持。

(3)通过调节色散预补偿器的参数，就可以改变它所提供的负色散量，从而改变经光纤传输输出的激光的脉宽，例如典型的光栅对色散补偿本装置光纤出射端激光100fs到数ps可调。这样可以根据实际应用来控制脉冲的宽度。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种基于色散预补偿的飞秒激光光纤分光装置，包括：

飞秒光源，用于产生脉宽在飞秒量级的种子激光；

色散预补偿器，用于对由飞秒光源产生的飞秒激光提供负色散量，以补偿将在光纤传输中引入的正色散量；

光纤耦合装置，用于将从色散预补偿器输出的带有负色散的飞秒激光进行耦合；以及

光纤分光器，用于将经光纤耦合器耦合后的激光分为多路激光脉冲输出。

2.如权利要求1所述的飞秒激光光纤分光装置，还包括：

控制电路，用于根据飞秒光源产生的飞秒激光，将飞秒光源的重复频率锁定到标准频率源上。

3.如权利要求1或2所述的飞秒激光光纤分光装置，其中所述飞秒光源是固体锁模激光器，所产生的种子激光的脉宽在十飞秒量级。

4.如权利要求3所述的飞秒激光光纤分光装置，其中所述固体锁模激光器采用钛宝石激光器。

5.如权利要求1或2所述的飞秒激光光纤分光装置，其中该色散预补偿器包括两块相对放置的光栅对。

6.如权利要求5所述的飞秒激光光纤分光装置，其中所述光栅对中的一个光栅的位置固定，而另一个光栅相对移动，从而通过调节两个光栅之间的距离改变所提供的负色散量。

7.如权利要求1或2所述的飞秒激光光纤分光装置，其中该色散预补偿器采用棱镜对、啁啾镜或棱镜对+光栅对的组合，用以提供不同大小的负色散量。

8.如权利要求1或2所述的飞秒激光光纤分光装置，其中该光纤耦合装置包括非球面光纤耦合器。

9.如权利要求8所述的飞秒激光光纤分光装置，其中该光纤耦合装置还包括由两个透镜组成的望远镜系统，用于将经非球面光纤耦合器耦合后的光束进行准直。