CN103166093A - 一种多波段非线性光纤放大系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多波段非线性光纤放大系统，其特征在于：包括有用于发射锁模光纤激光的种子光源100，所述种子光源100的输出端连接有用于对光脉冲进行滤波并获取负啁啾脉冲的负啁啾脉冲选择器200，所述负啁啾脉冲选择器200输出端连接有用于预防大负啁啾脉冲的基频光预防大器300，所述基频光预放大器300输出端连接有用于放大功率以及放大非线性频率转换参量的非线性光纤放大器400，所述多模增益光纤非线性放大器400输出端为该系统的输出端。本发明通过激光基频波长的调谐以及传输模式的选择，可以实现参量激光波长的调谐，在进行基频激光功率放大的同时，实现激光频率的转换，获得参量激光输出。
Description
[技术领域]
本发明涉及一种多波段非线性光纤放大系统。
[背景技术]
近两年，激光技术发展迅速，在高平均功率和大单脉冲能量两个技术指标上都取得了突破性的进展。特别是1.06μm波段附近，即掺镱粒子增益介质，已获得104W平均功率以及106W峰值功率的激光输出。已有的文献报道和激光器产品中，连续波光纤光源大多采用高功率连续波激光振荡器结构；脉冲波的光纤光源是由脉冲光源和功率放大器两部分组成；如果是超短脉冲光源，还需加入脉冲展宽器和脉冲压缩器，实现啁啾脉冲放大与脉冲压缩。显而易见，采用此种原理和结构搭建的光纤光源的输出光谱为单一频段，输出波长范围对应于增益光纤的增益谱区。
一般地，要实现高能量多波长的激光输出，或者是激光频率的变换，需要借助于非线性晶体或者光子晶体光纤。频率转换的效率与相位匹配的满足程度有直接关系，即当基频光在某处激发的倍频光/参量光与已经产生的、传播到此处的倍频光/参量光干涉相长时，才能实现较高的转换效率。但是，无论是采用非线性晶体和光子晶体光纤，都需要将光纤激光器的输出端与非线性器件进行光路调整、参数匹配、以及耦合封装等等，工序复杂，成本较高。
[发明内容]
本发明克服了上述技术的不足，提供了一种多波段非线性光纤放大系统，通过激光基频波长的调谐以及传输模式的选择，可以实现参量激光波长的调谐，在进行基频激光功率放大的同时，实现激光频率的转换，获得参量激光输出。
为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种多波段非线性光纤放大系统，包括有用于发射锁模光纤激光的种子光源100，所述种子光源100的输出端连接有用于对光脉冲进行滤波并获取负啁啾脉冲的负啁啾脉冲选择器200，所述负啁啾脉冲选择器200输出端连接有用于预防大负啁啾脉冲的基频光预防大器300，所述基频光预放大器300输出端连接有用于放大功率以及放大非线性频率转换参量的非线性光纤放大器400，所述多模增益光纤非线性放大器400输出端为该系统的输出端。
所述的种子光源100包括第一波分复用器102，所述第一波分复用器102复合输出端顺次连接有第一增益光纤103、第一分束器104、偏振控制器105、偏振分束器106和第一光隔离器107，所述第一波分复用器102一输入端连接有第一泵浦原101，所述第一波分复用器102另一输入端与第一光隔离器107输出端连接，所述第一分束器104另一输出端为种子光源100的输出端。
所述负啁啾脉冲选择器200包括光纤环形器202，所述光纤环形器202输入端连接有第二分束器201，所述第二分束器201的输入端与种子光源100的输出端连接，所述第二分束器201另一输出端为监测端口，所述光纤环形器202一输出端连接有光纤光栅203，所述光纤环形器202另一输出端作为负啁啾脉冲选择器200的输出端。
所述基频光预放大器300包括第二波分复用器302，所述第二波分复用器302的输入端与负啁啾脉冲选择器200的输出端连接，所述第二波分复用器302输入端连接有第二泵浦源301，所述第二波分复用器302输出端连接有第二增益光纤303，所述第二增益光纤303作为基频光预放大器300的输出端。
所述非线性光纤放大器400包括泵浦合束器404，所述泵浦合束器404输入端连接有第二光隔离器403，所述第二光隔离器403的输入端与基频光预防大器300的输出端连接，所述浦合束器404还连接有第三泵浦源401，所述泵浦合束器404的输出端连接有第三增益光纤405，所述第三增益光纤405输出端作为非线性光纤放大器400的输出端。
所述第三增益光纤405为保偏双包层增益光纤、非保偏双包层增益光纤、螺旋手性结构增益光纤或光子晶体增益光纤。
所述第三泵浦源401至少为两个，所述所有第三泵浦源401与泵浦合束器的不同输出端连接。
本发明的有益效果是：
1、本发明使激光在光纤增益介质中能量放大同时实现激光频率的转换，获得多个波长的激光输出。
2、本发明通过基频波长的调谐以及传输模式的选择，可获得参量激光波长的调谐输出。
3、本发明将激光放大器和频率转换器的功能合二为一，不仅简化了多波长激光器的结构，而且大幅降低了激光器的制造成本。
4、本发明可用于多色激光同步输出，光学显微成像，相干反斯托克斯拉曼成像，医学检测等多个应用领域。
[附图说明]
图1为本发明的多波长非线性放大系统结构示意图；
图2为本发明的多波长非线性放大系统基频光放大器和非线性放大器示意图。
图3为本发明实施例一结构示意图。
[具体实施方式]
下面结合附图与本发明的实施方式作进一步详细的描述：
如图1所示，一种多波段非线性光纤放大系统，其特征在于：包括有用于发射锁模光纤激光的种子光源100，所述种子光源100的输出端连接有用于对光脉冲进行滤波并获取负啁啾脉冲的负啁啾脉冲选择器200，所述负啁啾脉冲选择器200输出端连接有用于预防大负啁啾脉冲的基频光预防大器300，所述基频光预防大器300输出端连接有用于放大功率以及放大非线性频率转换参量的非线性光纤放大器400，所述多模增益光纤非线性放大器400输出端为该系统的输出端。
如上所述，本发明提出的的多波长非线性光纤放大系统，即在进行基频激光（ω1）功率放大的同时，实现激光频率的转换，获得参量激光（ω2）输出。
如图1所示，多波长非线性光纤放大器由种子光源100、负啁啾脉冲选择器件200、基频光预放大器300和非线性光纤放大器400，四部分组成。
所述的多波长非线性光纤放大器内部光路均为光纤和光纤耦合器件相连接，确保了全光纤结构，提高系统稳定性。
所述的种子光源100为光纤脉冲激光器，其输出的脉冲经过器件200获取负啁啾脉冲，所述负啁啾脉冲选择器件200并不局限于特定的光学元件，可为符合激光工作波长要求的光纤啁啾光栅、光子晶体光纤，或者是针对振荡器输出具有特殊啁啾分布的脉冲的滤波器件。
如图2所示，所述的基频光预放大器300，可为单模光纤放大器或者双包层放大器，目的将负啁啾脉冲选择器件200输出的平均功率为毫瓦量级的脉冲放大至数百毫瓦，待放大激光注入基频光预放大器300后，通过第二波分复用器302或泵浦合束器将待放大激光与第二泵浦源301合束，共同进入第二增益光纤303中，进行预放大。此光纤放大器的作用是将负啁啾激光的单脉冲能量进行初步提升，以满足后续多模光纤放大器对注入光的能量需求。
如图2所示，所述的非线性光纤放大器400为多模光纤放大器，预放大后的激光经过第二光隔离器403进行单向隔离，再经过泵浦合束器404进入多模放大器中。所述的泵浦合束器可为(2+1)×1、(6+1)×1或者(n+1)×1。合束后的第三泵浦源401与预放大的激光一同注入第三增益光纤405中，可将基频光（ω1）的平均功率从数百毫瓦放大到数十瓦或更高，超过非线性混频的阈值。光纤纤芯可传输多个激光模式，实现不同波长在不同模式中传输，并保持相同的群速度，实现多波长脉冲的同时放大输出。
实施例一：
如图3所示，所述的种子光源100包括第一波分复用器102，所述第一波分复用器102复合输出端顺次连接有第一增益光纤103、第一分束器104、偏振控制器105、偏振分束器106和第一光隔离器107，所述第一波分复用器102一输入端连接有第一泵浦原101，所述第一波分复用器102另一输入端与第一光隔离器107输出端连接，所述第一分束器104另一输出端为种子光源100的输出端。
所述负啁啾脉冲选择器200包括光纤环形器202，所述光纤环形器202输入端连接有第二分束器201，所述第二分束器201的输入端与种子光源100的输出端连接，所述第二分束器201另一输出端为监测端口，所述光纤环形器202一输出端连接有光纤光栅203，所述光纤环形器202另一输出端作为负啁啾脉冲选择器200的输出端。
所述基频光预放大器300包括第三波分复用器302，所述第二波分复用器302的输入端与负啁啾脉冲选择器200的输出端连接，所述第二波分复用器302输入端连接有第二泵浦源301，所述第二波分复用器302输出端连接有第二增益光纤303，所述第二增益光纤303作为基频光预放大器300的输出端。
所述非线性光纤放大器400包括泵浦合束器404，所述泵浦合束器404输入端连接有第二光隔离器403，所述第二光隔离器403的输入端与基频光预放大器300的输出端连接，所述浦合束器404还连接有第三泵浦源401，所述泵浦合束器404的输出端连接有第三增益光纤405，所述第三增益光纤405输出端作为非线性光纤放大器400的输出端。
所述第三增益光纤405为保偏双包层增益光纤、非保偏双包层增益光纤、螺旋手性结构增益光纤或光子晶体增益光纤。
所述第三泵浦源（401）并不限制泵浦源的数量，所述所有第三泵浦源（401）与泵浦合束器的泵浦输入端连接。
如上所述，本实施例为一种取代钛宝石超短脉冲激光器的方案，采用非线性掺镱光纤放大器，可以实现与钛宝石输出波段相同的皮秒或者飞秒脉冲激光输出，即在大模场掺镱双包层光纤中进行基频激光1036nm（ω1）功率放大的同时，获得参量激光827nm（ω2）的输出，两种波长的脉冲宽度在皮秒量级。
所述的种子光源100为掺镱光纤激光振荡器，如图3所示。其中，第一泵浦源101为单模光纤耦合的半导体激光器，中心波长977nm，作为种子光激光器的泵浦源；第一波分复用器102为980/1040nm的波分复用器；第一增益光纤103为掺镱单模光纤；第一分束器104为1040nm波段的分束器，分束比为30:70，其中30%端口为输出端，器输出端与负啁啾脉冲选择器200的输入端连接；偏振控制器105其输出端用于监测激光器的工作状态，如锁模脉冲序列及输出波长的稳定程度；偏振分束器106为1040nm波段的偏振分束器；第一光隔离器107为1040nm波段的偏振无关的光隔离器；第二分束器201为1040nm波段的分束器，分束比为1:99，其中1%端口也为激光器的监测端口。
所述的负啁啾脉冲选择装置200由光纤环形器202和光纤光栅203组成。其中，光纤环形器的端口1为输入端，端口2为公共端，端口3为输出端；光纤光栅203为1036nm光纤光栅，带宽1nm。由于激光振荡器由全正色散光纤器件组成，因此输出的脉冲的中部基本为线性正啁啾，而在上升沿和下降沿都具有负啁啾。通过适当调节激光器的输出光谱，可以获得所需的负啁啾脉冲种子光。
所述的基频光预放大器300，其中，第二波分复用器302为980/1040nm波分复用器；第二泵浦源301为单模光纤耦合的半导体激光器，中心波长977nm，作为预放大器的泵浦源；第二增益光纤303为掺镱单模光纤。该预放大器可将种子脉冲的平均功率从2mW提升到100mW。
所述的非线性光纤放大器400，其中，第三泵浦源401和第四泵浦源402为多模光纤耦合的泵浦源，为多模光纤非线性放大器提供泵浦能量。第二光隔离器403为高功率光隔离器；泵浦合束器404用于将预放大的输出激光和第三泵浦源401高功率泵浦光合束；第三增益光纤405为掺镱双包层光纤，纤芯/包层直径为9/128，数值孔径为0.21。该光纤的V参数为5.7，在1036nm可传输LP01、LP02、LP11、LP12、LP21、LP31，共六个模式，而在827nm可传输LP01、LP02、LP03、LP11、LP12、LP21、LP22、LP31、LP41，共九个模式。
高效率的非线性频率变换需要满足相位匹配要求。多模光纤中的相位匹配可以依靠模式色散来补偿不同波长的材料色散，最终实现总色散相近或相同。该款9/128光纤，LP12模式中1036nm波长的总色散为-271ps/km/nm，LP22模式中827nm波长的总色散为-274nm/km/nm。由于两波长具有近乎相同的群速度，可以满足非线性频率变换的相位匹配要求。
本实施例实现了827nm与1036nm的双波长激光的同时输出，依靠模式色散引入的色散差，补偿不同波长的材料色散，满足了相位匹配条件。通过改变注入种子光波长（ω1）和选取不同的传输模式，可以实现参量光（ω2）的调谐输出。
Claims (7)
1.一种多波段非线性光纤放大系统，其特征在于：包括有用于发射锁模光纤激光的种子光源（100），所述种子光源（100）的输出端连接有用于对光脉冲进行滤波并获取负啁啾脉冲的负啁啾脉冲选择器（200），所述负啁啾脉冲选择器（200）输出端连接有用于预防大负啁啾脉冲的基频光预防大器（300），所述基频光预放大器（300）输出端连接有用于放大功率以及放大非线性频率转换参量的非线性光纤放大器（400），所述多模增益光纤非线性放大器（400）输出端为该系统的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种多波段非线性光纤放大系统，其特征在于所述的种子光源（100）包括第一波分复用器（102），所述第一波分复用器（102）复合输出端顺次连接有第一增益光纤（103）、第一分束器（104）、偏振控制器（105）、偏振分束器（106）和第一光隔离器（107），所述第一波分复用器（102）一输入端连接有第一泵浦原（101），所述第一波分复用器（102）另一输入端与第一光隔离器（107）输出端连接，所述第一分束器（104）另一输出端为种子光源（100）的输出端。
3.根据权利要求2所述的一种多波段非线性光纤放大系统，其特征在于所述负啁啾脉冲选择器（200）包括光纤环形器（202），所述光纤环形器（202）输入端连接有第二分束器（201），所述第二分束器（201）的输入端与种子光源（100）的输出端连接，所述第二分束器（201）另一输出端为监测端口，所述光纤环形器（202）一输出端连接有光纤光栅（203），所述光纤环形器（202）另一输出端作为负啁啾脉冲选择器（200）的输出端。
4.根据权利要求3所述的一种多波段非线性光纤放大系统，其特征在于所述基频光预放大器（300）包括第二波分复用器（302），所述第二波分复用器（302）的输入端与负啁啾脉冲选择器（200）的输出端连接，所述第二波分复用器（302）输入端连接有第二泵浦源（301），所述第二波分复用器（302）输出端连接有第二增益光纤（303），所述第二增益光纤（303）作为基频光预放大器（300）的输出端。
5.根据权利要求4所述的一种多波段非线性光纤放大系统，其特征在于所述非线性光纤放大器（400）包括泵浦合束器（404），所述泵浦合束器（404）输入端连接有第二光隔离器（403），所述第二光隔离器（403）的输入端与基频光预防大器（300）的输出端连接，所述浦合束器（404）还连接有第三泵浦源（401），所述泵浦合束器（404）的输出端连接有第三增益光纤（405），所述第三增益光纤（405）输出端作为非线性光纤放大器（400）的输出端。
6.根据权利要求5所述的一种多波段非线性光纤放大系统，其特征在于所述第三增益光纤（405）为保偏双包层增益光纤、非保偏双包层增益光纤、螺旋手性结构增益光纤或光子晶体增益光纤。
7.根据权利要求5所述的一种多波段非线性光纤放大系统，其特征在于所述第三泵浦源（401）并不限制泵浦源的数量，所述所有第三泵浦源（401）与泵浦合束器的泵浦输入端连接。
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