CN103872561A - 基于自相似展宽的混合型飞秒激光放大系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于超快激光技术领域，为提供一种混合型飞秒激光放大系统，实现结构简单，能够同时实现高平均功率和高脉冲能量。本发明采取的技术方案是，基于自相似展宽的混合型飞秒激光放大系统，包括：光子晶体光纤自相似振荡级,其输出的脉冲作为种子脉冲进入前置放大级，进行自相似展宽和放大；前置放大级输出的展宽自相似脉冲再注入块状固体多通放大级进行功率放大；块状固体多通放大级由采用掺Yb的块状激光晶体、多通腔构成；导入的种子脉冲经平面反射镜、块状激光晶体、球面反射镜，再经平面反射镜、直角反射棱镜导出放大激光。本发明主要应用于超快激光技术应用场合。

Description

基于自相似展宽的混合型飞秒激光放大系统

技术领域

本发明属于超快激光技术领域。特别涉及一种基于自相似展宽的混合型飞秒激光放大系统。

技术背景

超快激光技术主要是指飞秒（10-15s）激光脉冲的产生、放大、变换、测量、及其相应的应用技术。飞秒激光具有窄脉冲宽度、高峰值功率、高重复频率、宽光谱等优点，已经成为物理、化学、生物等基础学科研究中必不可少的有力工具，并且被广泛应用于微纳加工、信息通讯、军事国防等重要领域。一般飞秒激光振荡器输出的功率在nJ量级，而应用需求需要更高能量或更高功率的飞秒激光。因此，为了实现高能量或者高功率飞秒脉冲，必须进行放大。目前，实现飞秒激光放大的主流技术有：啁啾脉冲放大（CPA）技术[1]。CPA技术需要用展宽器将振荡级输出的种子脉冲展宽，然后进行功率放大，最后再用相位共轭压缩器将放大后的脉冲压缩，从而实现高峰值功率脉冲。这种技术从上世纪80年代开始用于染料飞秒激光系统；后来成为以钛宝石为代表的块状固体高功率飞秒放大器的核心技术；并被推广至参量放大技术中，称为“参量的CPA”（OPCPA）；目前在光纤或光子晶体光纤（PCF）飞秒放大系统中，该技术仍然是主要技术之一[2]。CPA技术的不足之处是结构复杂，需要一个展宽器，体积庞大；放大过程中增益窄化严重；另外就是高峰值功率下，重复频率较低（几Hz-kHz），因此平均功率不高。

另一个经常使用的光纤或PCF飞秒激光放大技术是直接放大技术，一般为非线性放大[3]。与CPA相比，直接放大技术不需要展宽器，因此结构简单，体积小；利用光纤中的非线性效应可以展宽光谱，克服增益窄化效应；由于是对振荡级的直接放大，因此本质上就是高重复率运转（KHz-MHz量级），因此属于高平均功率激光放大系统。与块状固体激光放大系统相比，该技术的主要缺点有：受限于光纤的较小截面和较长尺寸；这两点导致光纤一般不能承受较高的功率密度，即高功率泵浦下端面容易打坏；另外就是在高峰值功率下，光纤中积累过多的非线性相移和调制，会导致脉冲发生畸变，不能获得较窄的脉冲；甚至导致脉冲波包分裂，无法实现高能单脉冲运转；此外，受激拉曼散射也是限制光纤飞秒激光放大系统继续提升平均功率的主要原因。

因此，在光纤飞秒激光器中获得高能量脉冲，有效控制光纤中的非线性相移积累，以避免发生脉冲波包分裂是关键。在负色散域中，孤子锁模产生的脉冲形状一般被认为是双曲正割型，在高峰值功率下产生孤子分裂，因此不能实现高功率运转。而在正色散域传输的脉冲一般可以发展成具有抛物线型的脉冲，这种形状的脉冲在放大过程中可以保持不变，因此不会发生脉冲分裂，能够实现较高功率的脉冲序列，这种技术被称为“自相似放大”[4]。

从现有技术看，块状固体飞秒激光CPA系统具有高峰值功率的优点，但有体积庞大、结构复杂、低重复频率和低平均功率的不足；而光纤或PCF的飞秒激光直接放大系统，具有结构简单、高重复复频率和高平均功率的优点，但有非线性积累使得脉冲较宽、不能承受高功率运转等缺点。

参考文献：

[1]H.Takada and K.Torizuka,Design and Construction of a TW-Class12-fs Ti:Sapphire Chirped-PulseAmplification System,IEEE J.SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS,VOL.12,NO.2,(2006):210.

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[2]J.Limpert,T.Clausnitzer,A.Liem,T.Schreiber,H.-J.Fuchs,H.Zellmer,E.-B.Kley,and A.Tünnermann,High-average-power femtosecond fiber chirped-pulse amplification system,OPTICS LETTERS,Vol.28,No.20(2003):1984.

[3]柴路，胡明列，方晓惠等.光子晶体光纤飞秒激光技术研究进展[J].中国激光，2013，40(1):0101001

[4]F.

Ilday,J.R.Buckley,W.G.Clark,et al.Self-similar evolution of parabolic pulses in a laser.Phys.Rev.Lett.,Vol.92,No.21(2004):213902.

发明内容

为克服现有技术的不足，提出一种基于自相似展宽的混合型飞秒激光放大系统。该系统结构简单，能够同时实现高平均功率和高脉冲能量。本发明采取的技术方案是，基于自相似展宽的混合型飞秒激光放大系统，包括：光子晶体光纤自相似振荡级,其输出的脉冲作为种子脉冲进入前置放大级，进行自相似展宽和放大；前置放大级输出的展宽自相似脉冲再注入块状固体多通放大级进行功率放大；块状固体多通放大级由采用掺Yb的块状激光晶体、多通腔构成，多通腔由一个平面双色镜、两个球面反射镜和4个直角反射棱镜构成，平面双色镜镀有对泵浦光高透和对激光高反的介质膜，球面反射镜镀有对激光高反的介质膜，直角反射棱镜在斜面上镀有对激光高反的介质膜；平面反射镜与两个球面反射镜相对放置，间距为球面反射镜的焦距，两个球面反射镜并排放置，相对平面反射镜的张角为4-8度角，采用两对直角反射棱镜构成折返光路，与两个球面反射镜构成多通腔；导入的种子脉冲经平面反射镜、块状激光晶体、球面反射镜，再经平面反射镜、直角反射棱镜导出放大激光；其中的块状激光晶体采用激光二极管扩束后沿多通腔内激光方向分束泵浦。

光子晶体光纤自相似振荡级的增益光纤采用正色散的掺Yb的2m长全正色散普通增益光纤，负色散单元是加入0.5-1.0m的负色散光纤，通过加入10nm的窄带滤波器实现耗散孤子自相似振荡，构成滤波耗散单元；采用光纤耦合输出激光二极管作为泵浦源；输出耦合器由透射式饱和吸收体分束输出，或者非线性偏振旋转装置中的偏振分束镜输出；激光二极管泵浦光依次经泵浦耦合单元到达增益光纤，产生的激光依次经过输出耦合、滤波耗散单元、负色散光纤单元循环形成自相似振荡，形成的抛物线型脉冲由输出耦合器输出。

光子晶体光纤自相似振荡级的增益光纤也可采用5m长的全正色散光子晶体光纤作为增益介质，同时负色散单元用光栅对。

上述的前置放大级采用较长的全正色散大模场面积的光子晶体光纤单级放大，为3-5m长；或者采用较短的2-3m全正色散光子晶体光纤多级放大；采用100W光纤耦合输出激光二极管作为泵浦源。

与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：

（1）振荡级采用光纤或光子晶体光纤的自相似振荡器，不仅脉冲功率稳定，体积小，而且能够产生抛物线型脉冲作为自相似展宽前置放大级的种子脉冲；（2）自相似展宽前置放大级采用光子晶体光纤的自相似放大形式，不仅对抛物线型种子脉冲进行功率放大，而且将脉冲在时域进行展宽并保持形状不变，从而替代了传统CPA系统中的展宽器，使系统更加简单化；同时自相似放大在频域也有光谱展宽效应（自相位调制效应），有利于获得更窄的光脉冲；（3）功率放大级采用块状固体多通腔结构，该腔结构为折叠共焦腔型，相比传统的平面镜型多通腔，该结构减小了体积，克服了光束的发散效应，提升了多通腔的效率；在该放大级中采用沿腔内多通激光方向的分束泵浦的方式，可以提高泵浦光与激光的耦合效率，充分汲取泵浦光的能量；（4）整个系统采用前端为光纤（光子晶体光纤）激光技术，后端为块状固体激光技术的混合结构；相比于现有放大系统的构成顺序，本发明的混合结构顺序能够最大限度地开发和利用这两种激光增益介质各自的优点，克服各自的不足；整个系统具有小型化、高平均功率和高峰值功率的优点。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图中：1光纤（光子晶体光纤）自相似振荡器；2光子晶体光纤的自相似展宽前置放大级；3块状固体激光功率放大级。

图2为图1中1的结构示意图。

图中：2-1为增益光纤单元；2-2为负色散光纤单元；2-3为泵浦耦合单元；2-4为滤波耗散单元；2-5为锁模输出单元；箭头表示激光振荡器的脉冲运行方向。

图3为图1中3的结构示意图。

图中：3-1为球面反射镜；3-2为平面双色镜；3-3为直角反射棱镜；3-4为块状激光晶体。

具体实施方式

本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种基于自相似展宽的混合型飞秒激光放大系统，该混合型飞秒激光放大系统包括：光纤（光子晶体光纤）自相似振荡级1，它输出的抛物线型脉冲作为种子脉冲进入自相似展宽前置放大级2，同时进行自相似展宽和放大，并保持形状不变，它输出的展宽自相似脉冲再注入块状固体多通放大级3进行功率放大。上述系统1、2、3的工作波长在1040-1064nm，脉冲重复率40-60MHz，输出平均功率50-100W，脉冲宽度50-100fs，脉冲能量mJ即兆焦耳量级，峰值功率GW即百万瓦量级，全部采用激光二极管泵浦，其特征在于：

上述的光纤（光子晶体光纤）自相似振荡级1有两种技术方案，一种方案采用全正色散的2m长的普通掺Yb增益光纤，腔内加入0.5-1.0m的负色散光纤提供少量负色散，采用20W光纤耦合输出激光二极管通过波分复用器进行泵浦；另一种方案采用正色散的5m长的掺Yb全正色散光子晶体光纤作为增益介质，腔内用光栅对提供少量负色散，采用20W光纤耦合输出激光二极管通过双色镜进行泵浦；耗散过程由10nm的窄带滤波器实现；锁模输出耦合器有两种实施方案，一种方案由透射式饱和吸收体分束输出，另一个方案是由非线性偏振旋转装置中的偏振分束镜输出。

上述的自相似展宽前置放大级2有两种技术方案，一种为单级放大，采用较长的全正色散大模场面积的光子晶体光纤，为3-5m长；另一种为多级放大，采用较短的2-3m全正色散大模面积光子晶体光纤；该放大级采用100W光纤耦合输出激光二极管泵浦。

上述的块状固体多通放大级3，采用掺Yb的块状激光晶体，直径8-10mm，厚度3-5mm，靠近多通腔中的平面双色镜放置。

上述的多通腔由一个平面双色镜、两个球面反射镜和4个直角反射棱镜构成；平面反射镜与两个球面反射镜相对放置，间距约为球面反射镜的焦距，两个球面反射镜并排放置，相对平面反射镜的张角为4-8度角，采用两对直角反射棱镜构成折返光路，与两个球面反射镜构成多通腔（中间平面反射镜只是镜像作用），同时导入种子脉冲和导出放大激光，晶体采用300-500W激光二极管扩束后沿多通腔内激光方向分束泵浦。

上述的平面双色镜镀有对泵浦光（中心波长976nm）高透和对激光（中心波长1040nm）高反的介质膜，球面反射镜曲率半径400mm，尺寸Ф25.4mm，镀有对激光高反的介质膜，直角反射棱镜在斜面上镀有对激光高反的介质膜。

输出是自动实现，输出监视主要采用时域和频域的脉冲形状测量；抛物线型脉冲是由腔参数决定的，一般腔选定后，激光器工作情况是自动维持。

总之，本发明点主要有：（1）混合体系。光纤介质的特点是横截面小，长度长，高功率下非线性积累快，因此不适于高功率放大，而块状介质的特点是横截面大，长度短，非线性积累少，适合高功率泵浦；所以将二者组合形成混合激光系统，且顺序为光纤介质作为系统对的前端，块状介质作为后端，才能最大限度的发挥它们各自的优势。（1）自相似放大作为“展宽器”。利用自相似振荡和自相似放大光纤激光器作为前端（振荡+预放），预放即作为前置放大，同时也在时、频域展宽脉冲。与CPA技术相比，CPA的脉冲啁啾由“展宽器”施加，而本发明由自相似放大自动引入，省去了“展宽器”。因此本发明称为“自相似展宽放大”系统。

下面结合附图对本发明加以详细说明。

基于自相似展宽的混合型飞秒激光放大系统，如图1所示，由三个部分组成，工作波长1.04μm，重复频率在兆赫兹量级，输出功率大于百瓦，脉冲宽度20-100fs。

部件1的光纤（光子晶体光纤）自相似振荡器，如图2所示，全正色散增益光纤2-1采用10μm芯径的双包层光纤2m或者20μm芯径的全正色散光子晶体光纤5m，提供腔内较大正色散，维持脉冲自相似演变的条件。腔内加入0.5-1.0m的负色散光纤或者光栅对（600-1200线/mm的光栅，两光栅间距2cm）提供少量负色散（2-2），提供脉冲稳定机制，并通过加入4-10nm的窄带滤波器（2-4）实现耗散孤子自相似振荡。采用20W光纤耦合输出激光二极管通过泵浦耦合器（2-3）实现对2-1的端面泵浦，在2-1的另一端通过输出耦合（2-5）实现自相似脉冲的输出。2-5为循环器，可提供激光输出外，锁模机制也在其中，采用可饱和吸收体（SESAM、碳纳米管、石墨烯等）或者非线性偏振旋转。

部件1输出的自相似抛物线型脉冲注入部件2进行自相似的预放大和展宽。部件2的前置放大级采用全正色散大模场面积（芯径40-70μm）的光子晶体光纤（3-5m长），或者采用2-3m全正色散光子晶体光纤进行多级自相似放大和展宽。采用100W光纤耦合输出激光二极管后端泵浦。

经过部件2（多级）自相似放大和展宽后的脉冲，脉冲宽度可达1-10ps，经光束扩束后注入部件3。

部件3块状固体多通腔功率放大级，为折叠共焦腔型，如图3所示：球面反射镜（3-1）的曲率半径400mm，尺寸Ф25.4mm，镀有对激光高反的介质膜；平面双色镜（3-2）镀有对泵浦光（中心波长976nm）高透和对激光（中心波长1040nm）高反的介质膜；直角反射棱镜（3-3）在斜面上镀有对激光高反的介质膜；平面反射镜与两个球面反射镜相对放置，间距约为球面反射镜的焦距，两个球面反射镜并排放置，相对平面反射镜的张角为4-8度角，采用两对直角反射棱镜构成折返光路，与两个球面反射镜构成多通腔，同时导入种子脉冲和导出放大激光。

块状激光晶体（3-4）采用掺Yb的块状激光晶体，直径8-10mm，厚度3-5mm，靠近多通腔中的平面双色镜放置。

在该放大级中采用300-500W的激光二极管，经扩束后沿多通腔内激光方向分束泵浦。

系统的各级之间放置隔离器。

Claims (4)

1.一种基于自相似展宽的混合型飞秒激光放大系统，其特征是，包括：光子晶体光纤自相似振荡级,其输出的脉冲作为种子脉冲进入前置放大级，进行自相似展宽和放大；前置放大级输出的展宽自相似脉冲再注入块状固体多通放大级进行功率放大；块状固体多通放大级由采用掺Yb的块状激光晶体、多通腔构成，多通腔由一个平面双色镜、两个球面反射镜和4个直角反射棱镜构成，平面双色镜镀有对泵浦光高透和对激光高反的介质膜，球面反射镜镀有对激光高反的介质膜，直角反射棱镜在斜面上镀有对激光高反的介质膜；平面反射镜与两个球面反射镜相对放置，间距为球面反射镜的焦距，两个球面反射镜并排放置，相对平面反射镜的张角为4-8度角，采用两对直角反射棱镜构成折返光路，与两个球面反射镜构成多通腔；导入的种子脉冲经平面反射镜、块状激光晶体、球面反射镜，再经平面反射镜、直角反射棱镜导出放大激光；其中的块状激光晶体采用激光二极管扩束后沿多通腔内激光方向分束泵浦。

2.如权利要求1所述的基于自相似展宽的混合型飞秒激光放大系统，其特征是，光子晶体光纤自相似振荡级的增益光纤采用正色散的掺Yb的2m长全正色散普通增益光纤，负色散单元是加入0.5-1.0m的负色散光纤，通过加入10nm的窄带滤波器实现耗散孤子自相似振荡，构成滤波耗散单元；采用光纤耦合输出激光二极管作为泵浦源；输出耦合器由透射式饱和吸收体分束输出，或者非线性偏振旋转装置中的偏振分束镜输出；激光二极管泵浦光依次经泵浦耦合单元到达增益光纤，产生的激光依次经过输出耦合、滤波耗散单元、负色散光纤单元循环形成自相似振荡，形成的抛物线型脉冲由输出耦合器输出。

3.如权利要求2所述的基于自相似展宽的混合型飞秒激光放大系统，其特征是，光子晶体光纤自相似振荡级的增益光纤也可采用5m长的全正色散光子晶体光纤作为增益介质，同时负色散单元用光栅对。

4.如权利要求1所述的基于自相似展宽的混合型飞秒激光放大系统，其特征是，上述的前置放大级采用较长的全正色散大模场面积的光子晶体光纤单级放大，为3-5m长；或者采用较短的2-3m全正色散光子晶体光纤多级放大；采用100W光纤耦合输出激光二极管作为泵浦源。

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