CN104283097A - 一种780nm的高功率光纤飞秒激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种780nm的高功率光纤飞秒激光器，该激光器包括激光器种子源、激光展宽放大模块、激光压缩模块、激光倍频模块，激光器种子源及各模块依次连接；其中，所述激光展宽模块由啁啾脉冲展宽子模块、脉冲分离子模块和光纤放大子模块组成，所述的激光器种子源及各模块均工作在1560nm波段。本发明采用混合脉冲展宽方式，在较小工作空间内将脉冲从100fs展宽到1ns，放大后的脉冲经过单模光纤的非线性压缩至100fs以下，最后，通过非线性晶体倍频至780nm。本发明具有稳定性高、结构简单、体积小巧、成本低廉等优点。

Description

一种780nm的高功率光纤飞秒激光器

技术领域

本发明涉及高能激光技术领域，尤其是一种780nm的高功率光纤激光器。

背景技术

780nm的飞秒激光源是超连续光谱产生、光学显微成像、激发太赫兹产生、泵浦-探测超快过程研究、非线性激光光谱、飞秒微纳精细加工、材料超快动力学探测等理想光源。

780nm飞秒脉冲光源传统上主要依靠钛宝石激光器提供。但是钛宝石激光器体积庞大、造价昂贵，主要应用于实验室环境。并且由于钛宝石激光器失去锁模，需要专业人员进行调节锁模。另外，钛宝石激光器中使用的各种精密光学元件需要湿度恒定的环境，激光谐振腔的稳定对温度也提出了一定的要求，这些因素进一步限制的钛宝石激光器的推广。

一种替代钛宝石激光器的方案是通过1560nm掺铒光纤飞秒激光器倍频产生780nm的飞秒激光。光纤激光器具有的高稳定和低成本的特性将使它在大部分领域取代钛宝石激光器。许多领域需要高脉冲能量的780nm激光，但是光纤放大器中的非线性效应和光纤材料的损伤阈值限制了激光器脉冲能量的进一步提高。

啁啾脉冲放大技术是主流的高功率脉冲放大技术，这种技术最早在1985年由G Mourou和Donna Strickland应用于激光中。这种技术的基本原理是利用色散材料将脉冲展宽，然后放大，最后利用相反色散的材料压缩脉冲得到高能量脉冲。尽管可以将啁啾脉冲放大应用于光纤激光器可获得高能量激光脉冲，但是此方案仍存在一些不利因素。首先，啁啾脉冲放大技术对种子脉冲的光谱宽度要求较高，并受其初始啁啾的影响较大，而不适用于光谱较窄的脉冲；此外，CPA所需的工作距离（或是空间结构的展宽器和压缩器，或是正常色散和反常色散光纤）较长，而不适用于小型化便携式的光纤激光器。

    分离脉冲放大技术是另一种高功率脉冲放大技术，由F. W Wise小组在2007年提出。分离脉冲放大技术可以避免一个脉冲在高能量放大过程中的过高峰值功率，其是将初始脉冲在轴向复制成能量均分的一系列脉冲串，而后将整个脉冲串的能量放大，分散的脉冲个数越多，降低放大过程中的非线性效应越显著。与啁啾脉冲放大不同，分离脉冲放大技术不是基于色散效应对脉冲进行展宽，而是利用脉冲偏振特性将脉冲分离，即将初始脉冲复制成几个能量更小的脉冲。因此，分离脉冲放大技术在高能量脉冲的产生上具有独特的优势：首先，该技术将初始脉冲进行能量分割，在时域上形成一个脉冲串，脉冲串中的每个脉冲（除了偏振态以外）的所有特性都是完全相同的，并与初始脉冲保持一致，适用于各种光谱形状的脉冲放大，并且不依赖于脉冲的初始啁啾，特别适用于光谱较窄的皮秒脉冲放大；其次，可以通过偏振复用的方式，将脉冲分离装置复用为脉冲合成装置，即将脉冲分束和合束合二为一，减少了系统的复杂性。

    但是，分离脉冲放大装置在进行超短脉冲放大过程时，特别是变换极限在100fs以下的脉冲，较为困难。超短脉冲在光纤及光纤器件中的高阶色散累积和高阶非线性累积，极为严重的降低了脉冲的压缩质量。

发明内容

    本发明的目的是针对现有技术在超短脉冲放大过程中的不足而提供的一种780 nm高功率光纤飞秒激光器，本发明结合两种脉冲展宽方式的优点，在较小工作空间内将脉冲从100fs展宽到1ns，放大后的脉冲经过单模光纤的非线性压缩至100 fs以下，最后，通过非线性晶体倍频至780 nm。本发明具有稳定性高、结构简单、体积小巧、成本低廉等优点，为超连续谱产生、太赫兹产生、光学显微成像等领域提供了可取代钛宝石飞秒激光光源的一种解决方案。

实现本发明目的具体技术方案是：

一种780nm的高功率光纤飞秒激光器，特点是：该激光器包括激光器种子源、激光展宽放大模块、激光压缩模块、激光倍频模块，激光器种子源、激光展宽放大模块、激光压缩模块及激光倍频模块依次连接；其中，所述激光展宽模块由啁啾脉冲展宽子模块、脉冲分离子模块和光纤放大子模块组成，啁啾脉冲展宽子模块、脉冲分离子模块和光纤放大子模块依次连接；所述的激光器种子源、啁啾脉冲展宽子模块，脉冲分离子模块、光纤放大子模块及脉冲压缩模块均工作在1560nm波段。

所述的啁啾脉冲展宽子模块由色散补偿光纤、光纤准直器、空间光隔离器组成，色散补偿光纤为种子光波段的正色散光纤或者负色散光纤，分别能使激光器种子源的输出脉冲产生正啁啾或者负啁啾。

所述正色散光纤或者负色散光纤是单模光纤、多模光纤、双包层光纤或者大模场光子晶体光纤。

所述脉冲分离子模块由基于双折射晶体或者偏振分束器的脉冲分离装置构成，能够产生多个依靠偏振分离的子脉冲，子脉冲为正啁啾或负啁啾。

所述光纤放大子模块采用法拉第旋光反射镜构成偏振复用的双通结构，种子光两次经过增益光纤得到放大。

所述光纤放大子模块能够工作在正啁啾脉冲放大（chirped pulse amplification CPA）、负啁啾脉冲放大（De-chirped pulse amplification, DPA）模式、非线性脉冲放大或者是自相似啁啾脉冲放大模式。通过自相位调制获得频谱展宽，克服常规放大过程中频谱窄化效应，获得比注入种子光脉冲更宽的频谱；在分离脉冲放大过程中，偏振分离子脉冲能够依靠色散和非线性效应实现脉冲自压缩。

所述脉冲分离子模块和光纤放大子模块，基于法拉第旋光反射镜，使得正交偏振方向的偏振分离子脉冲前后两次经过增益光纤和脉冲分离子模块的路径对易，光程互补，偏振分离子脉冲放大后自动合成一个高能量脉冲。 

所述激光压缩模块包括光纤准直器、一段单模光纤和光纤准直器，其中，单模光纤的二阶色散与色散补偿光纤的色散特性相反，能够对放大以后的脉冲进行压缩。

所述激光倍频模块由聚焦透镜、准直透镜和倍频晶体组成，聚焦透镜、倍频晶体及准直透镜依次光路连接，产生780nm飞秒脉冲。

本发明的780nm的高功率光纤飞秒激光器，无论是使用正啁啾脉冲放大、负啁啾脉冲放大、非线性脉冲放大或自相似啁啾脉冲放大模式，正交偏振方向的子脉冲法拉第旋光反射镜前后的路径对易，光程互补，偏振分离子脉冲放大后的偏振合束不受放大模式的影响。 

本发明的780nm的高功率光纤飞秒激光器，无论是使用正色散或负色散的光纤，偏振分离子脉冲放大后的偏振合束不受光纤色散的影响。 

本发明的780nm的高功率光纤飞秒激光器，可以是多级级联放大结构。

本发明的激光倍频模块采用聚焦透镜、准直透镜和倍频晶体进行非线性频率转换。

本发明的780nm的高功率光纤飞秒激光器的光纤激光放大技术，可以拓展到其他波段，相应的倍频模块的非线性频率转换也可以拓展到其他相应的波段。

本发明的有益效果是：

本发明结合啁啾脉冲放大技术和分离脉冲放大技术的优点，得到一种高功率、高脉冲能量、高光斑质量的脉冲光源，再通过非线性晶体倍频到780 nm波段，可取代或替代钛宝石飞秒激光器。具体表现为：

⑴、本发明通过结合啁啾脉冲放大技术和分离脉冲放大技术，可以高效率地将100 fs以内的脉冲展宽到1ns，显著地降低放大过程中的非线性效应。

⑵、本发明通过单模光纤实现高能量脉冲输出，避免使用传统的大模场光纤。大模场光纤通常为光子晶体结构，弯曲半径较大，不利于光纤盘绕和封装。本发明采用单模光纤或与单模光纤几何尺寸相近的光纤，有效降低了光纤熔接和耦合损耗，实现了全光纤结构。同时，单模光纤确保了优质的激光光束质量。

⑶、本发明所采用脉冲展宽方式结构适用于多种设计结构的光纤放大器。

⑷、本发明采用分离脉冲技术将飞秒脉冲展宽至皮秒或是纳秒脉冲。相比仅采用啁啾脉冲放大技术，避免引入大量高阶色散，能够实现高质量的脉冲压缩。

⑸、本发明中克服了高能量放大过程中对入射脉冲的光谱宽度、光谱位置和啁啾特性的苛刻要求。

⑹、本发明的放大技术适用于多种波段，各种光谱范围的脉冲展宽放大。

附图说明

图1为本发明结构框图；

图2为本发明正啁啾的共线矾酸钇和偏振分束立方体混合脉冲展宽方式的光纤飞秒激光器结构示意图；

图3为本发明负啁啾的共线矾酸钇和偏振分束立方体混合脉冲展宽方式的光纤飞秒激光器结构示意图；

图4为本发明正啁啾的非共线矾酸钇和偏振分束立方体混合脉冲展宽方式的光纤飞秒激光器结构示意图；

图5为本发明正啁啾的共线矾酸钇和非共线矾酸钇混合脉冲展宽方式的光纤飞秒激光器结构示意图。

具体实施方式

    参阅图1， 本发明由激光器种子源100、激光展宽放大模块200、激光压缩模块300和激光倍频模块400组成。激光器种子源100、激光展宽放大模块200、激光压缩模块300和激光倍频模块400依次光路连接；激光器种子源100提供稳定的飞秒量级的激光脉冲。激光展宽放大模块200包括啁啾脉冲展宽子模块210、分离脉冲展宽子模块220以及光纤放大子模块230。激光压缩模块300中使用的单模光纤301和啁啾脉冲展宽模块200中的色散补偿光纤211的二阶色散特性相反，可对放大后的进行脉冲压缩。激光倍频模块400由聚焦透镜、准直透镜和倍频晶体组成，用于780nm飞秒脉冲的产生。激光器种子源100提供的稳定的飞秒脉冲进入激光放大模块200以后，先通过啁啾脉冲展宽子模块210展宽到皮秒量级，然后通过脉冲分离子模块220将皮秒脉冲展宽到纳秒量级，展宽后的脉冲进入光纤放大子模块230进行放大，放大后的脉冲再次通过脉冲分离子模块220合成为一个高能量脉冲。放大后的高能量脉冲经过激光压缩模块300中的单模光纤301进一步压缩剩余啁啾量，得到超快飞秒脉冲。高能飞秒脉冲通过激光倍频模块400进行倍频获得高功率780nm脉冲。

实施例1

参阅图2，为本发明的一种正啁啾的共线矾酸钇和偏振分束立方体混合脉冲展宽方式的780 nm高功率光纤飞秒激光器。

掺铒光纤激光振荡级100输出的飞秒脉冲，通过二阶色散在1560nm为正的色散补偿光纤211将脉冲展宽到1ps，然后脉冲通过光纤准直器212输出，经过一个1560nm的空间光隔离器213用来保护种子光。激光通过一块偏振分束立方体221得到线偏振激光。得到的线偏振激光脉冲通过基于矾酸钇晶体的共线脉冲分离装置222。由于矾酸钇晶体晶体的光轴平行介面，并与入射光的偏振方向夹角为45°，每个脉冲分离成o偏振脉冲和e偏振脉冲，并由于折射率差异得到延时，通过使用多个长度成倍数关系的晶体将脉冲展宽到100ps。然后通过基于偏振分束立方体的脉冲分离装置223。入射光的偏振方向与偏振分束立方体夹角为45°，每个脉冲分离成s偏振脉冲和p偏振脉冲，并由于s光走离更长光程得到延时，通过使用多块长度成倍数的矾酸钇晶体可将脉冲展宽到10 ns。展宽后的脉冲通过光纤准直器231后，通过泵浦合束器233通入双包层铒镱共掺增益光纤234，两个输出功率8W、中心波长976 nm的半导体激光器232作为泵浦源连接泵浦合束器233。增益光纤234的末端连接光纤尾纤的工作波长1560nm、旋转90°的高功率法拉第旋光镜235。经过法拉第旋光镜235的反射，种子光两次通过增益光纤234得到高效率的放大。放大以后的激光脉冲第二次经过脉冲分离装置223和222，并在偏振分束立方体 221的s偏振光输出端合并成一个高能量激光脉冲。放大后的高能脉冲通过光纤准直器301耦合进入一段单模光纤302，单模光纤提供负的二阶色散将脉冲压缩到100fs以下。压缩后的超短脉冲通过光纤准直器303输出，使用1560nm增透的非球面透镜401将激光聚焦到一块周期性极化的铌酸锂晶体402上进行倍频，将1560nm的超短脉冲非线性转换到780nm。倍频得到的超短脉冲使用780nm增透的非球面透镜403进行收集和准直得到780nm的超短高能脉冲。

实施例2    

    参阅图3，为本发明的一种负啁啾的共线矾酸钇和偏振分束立方体混合脉冲展宽方式的780 nm高功率光纤激飞秒光器。

掺铒光纤激光振荡级100输出的飞秒脉冲，通过二阶色散在1560nm为负的单模光纤211将脉冲展宽到1ps，然后脉冲通过光纤准直器212输出，经过一个1560nm的空间光隔离器213用来保护种子光。激光通过一块偏振分束立方体221得到线偏振激光。得到的线偏振激光脉冲通过基于矾酸钇晶体的共线脉冲分离222。由于矾酸钇晶体的光轴平行介面，并与入射光的偏振方向夹角为45°，每个脉冲分离成o偏振脉冲和e偏振脉冲，并由于折射率差异得到延时，通过使用多个长度成倍数关系的晶体将脉冲展宽到100ps。然后通过基于偏振分束立方体的脉冲分离装置223。入射光的偏振方向与偏振分束立方体夹角为45°，每个脉冲分离成s偏振脉冲和p偏振脉冲，并由于s光走离更长光程得到延时，通过使用多块长度成倍数的矾酸钇晶体可将脉冲展宽到10 ns。展宽后的脉冲通过光纤准直器231后，通过泵浦合束器233通入双包层铒镱共掺增益光纤234，两个输出功率8W、中心波长976 nm的半导体激光器232作为泵浦源连接泵浦合束器233。增益光纤234的末端连接光纤尾纤的工作波长1560nm、旋转90°的高功率法拉第旋光镜235。经过法拉第旋光镜235的反射，种子光两次通过增益光纤234得到高效率的放大。放大以后的激光脉冲第二次经过脉冲分离装置223和222，并在偏振分束立方体 221的s偏振光输出端合并成一个高能量激光脉冲。放大后的高能脉冲通过光纤准直器301耦合进入一段二阶色散在1560nm为正的色散补偿光纤302，将脉冲压缩到100fs以下。压缩后的超短脉冲通过光纤准直器303输出，使用1560nm增透的非球面透镜401将激光聚焦到一块周期性极化的铌酸锂晶体402上进行倍频，将1560nm的超短脉冲非线性转换到780nm。倍频得到的超短脉冲使用780nm增透的非球面透镜403进行收集和准直得到780nm的超短高能脉冲。

实施例3

参阅图4，为本发明的一种正啁啾的非共线矾酸钇和偏振分束立方体混合脉冲展宽方式的780 nm高功率光纤飞秒激光器。

    掺铒光纤激光振荡级100输出的飞秒脉冲，通过二阶色散在1560nm为正的色散补偿光纤211将脉冲展宽到1ps，然后脉冲通过光纤准直器212输出，经过一个1560nm的空间光隔离器213用来保护种子光。激光通过一块偏振分束立方体221得到线偏振激光。得到的线偏振激光脉冲通过基于矾酸钇晶体的共线脉冲分离222。由于矾酸钇晶体的光轴平行介面，并与介面的夹角为45°，每个脉冲分离成o偏振脉冲和e偏振脉冲，o光方向不变，e光发生偏振走离，由于光程和折射率差异得到延时，通过使用多个长度成倍数关系的晶体将脉冲展宽到100ps。然后通过基于偏振分束立方体的脉冲分离装置223：入射光的偏振方向与偏振分束立方体夹角为45°，每个脉冲分离成s偏振脉冲和p偏振脉冲，并由于s光走离更长光程得到延时，通过使用多块长度成倍数的矾酸钇晶体可将脉冲展宽到10 ns。展宽后的脉冲通过光纤准直器231后，通过泵浦合束器233通入双包层铒镱共掺增益光纤234，两个输出功率8W、中心波长976 nm的半导体激光器232作为泵浦源连接泵浦合束器233。增益光纤234的末端连接光纤尾纤的工作波长1560nm、旋转90°的高功率法拉第旋光镜235。经过法拉第旋光镜235的反射，种子光两次通过增益光纤234得到高效率的放大。放大以后的激光脉冲第二次经过脉冲分离装置223和222，并在偏振分束立方体 221的s偏振光输出端合并成一个高能量激光脉冲。放大后的高能脉冲通过光纤准直器301耦合进入一段单模光纤302，单模光纤提供负的二阶色散将脉冲压缩到100fs以下。压缩后的超短脉冲通过光纤准直器303输出，使用1560nm增透的非球面透镜401将激光聚焦到一块周期性极化的铌酸锂晶体402上进行倍频，将1560nm的超短脉冲非线性转换到780nm。倍频得到的超短脉冲使用780nm增透的非球面透镜403进行收集和准直得到780nm的超短高能脉冲。

实施例4

参阅图5，为本发明的一种正啁啾的共线矾酸钇和非共线矾酸钇混合脉冲展宽方式的780 nm高功率光纤飞秒激光器。

掺铒光纤激光振荡级100输出的飞秒脉冲，通过二阶色散在1560nm为正的色散补偿光纤211将脉冲展宽到1ps，然后脉冲通过光纤准直器212输出，经过一个1560nm的空间光隔离器213用来保护种子光。激光通过一块偏振分束立方体221得到线偏振激光。得到的线偏振激光脉冲通过基于矾酸钇晶体的共线脉冲分离222。由于矾酸钇晶体的光轴平行介面，并与入射光的偏振方向夹角为45°，每个脉冲分离成o偏振脉冲和e偏振脉冲，并由于折射率差异得到延时，通过使用多个长度成倍数关系的晶体将脉冲展宽到100ps。得到的线偏振激光脉冲通过基于矾酸钇晶体的非共线脉冲分离装置223：晶体的光轴平行于入射面，并于介面的夹角为45°，每个脉冲分离成o偏振脉冲和e偏振脉冲，o光方向不变，e光发生偏振走离，由于光程和折射率差异得到延时，通过使用多个长度成倍数关系的晶体将脉冲展宽到10ns。展宽后的脉冲通过光纤准直器231后，通过泵浦合束器233通入双包层铒镱共掺增益光纤234，两个输出功率8W、中心波长976 nm的半导体激光器232作为泵浦源连接泵浦合束器233。增益光纤234的末端连接光纤尾纤的工作波长1560nm、旋转90°的高功率法拉第旋光镜235。经过法拉第旋光镜235的反射，种子光两次通过增益光纤234得到高效率的放大。放大以后的激光脉冲第二次经过脉冲分离装置223和222，并在偏振分束立方体 221的s偏振光输出端合并成一个高能量激光脉冲。放大后的高能脉冲通过光纤准直器301耦合进入一段单模光纤302，单模光纤提供负的二阶色散将脉冲压缩到100fs以下。压缩后的超短脉冲通过光纤准直器303输出，使用1560nm增透的非球面透镜401将激光聚焦到一块周期性极化的铌酸锂晶体402上进行倍频，将1560nm的超短脉冲非线性转换到780nm。倍频得到的超短脉冲使用780nm增透的非球面透镜403进行收集和准直得到780nm的超短高能脉冲。

Claims (9)

1.一种780nm的高功率光纤飞秒激光器，其特征在于：该激光器包括激光器种子源（100）、激光展宽放大模块（200）、激光压缩模块（300）、激光倍频模块（400），激光器种子源（100）、激光展宽放大模块（200）、激光压缩模块（300）及激光倍频模块（400）依次连接；其中，所述激光展宽模块（200）由啁啾脉冲展宽子模块（210）、脉冲分离子模块（220）和光纤放大子模块（230）组成，啁啾脉冲展宽子模块（210）、脉冲分离子模块（220）和光纤放大子模块（230）依次连接；所述的激光器种子源（100）、啁啾脉冲展宽子模块（210），脉冲分离子模块（220）、光纤放大子模块（230）及脉冲压缩模块（300）均工作在1560nm波段。

2.根据权利要求1所述的光纤飞秒激光器，其特征在于：所述啁啾脉冲展宽子模块（210）由色散补偿光纤（211）、光纤准直器（212）及空间光隔离器（213）组成，色散补偿光纤（211）为种子光波段的正色散光纤或者负色散光纤，能够使激光器种子源（100）的输出脉冲产生正啁啾或者负啁啾。

3.根据权利要求2所述的光纤飞秒激光器，其特征在于：所述正色散光纤或者负色散光纤是单模光纤、多模光纤、双包层光纤或者大模场光子晶体光纤。

4.根据权利要求1所述的光纤飞秒激光器，其特征在于：所述脉冲分离子模块（220）由基于双折射晶体或者偏振分束器的脉冲分离装置构成，能够产生多个依靠偏振分离的子脉冲，子脉冲为正啁啾或负啁啾。

5.根据权利要求1所述的光纤飞秒激光器，其特征在于：所述光纤放大子模块（230）采用法拉第旋光反射镜构成偏振复用的双通结构，种子光两次经过增益光纤得到放大。

6.根据权利要求1或5所述的光纤飞秒激光器，其特征在于：所述光纤放大子模块（230）能够工作在正啁啾脉冲放大、负啁啾脉冲放大、非线性脉冲放大或自相似啁啾脉冲放大模式。

7.根据权利要求1所述的光纤飞秒激光器，其特征在于：所述激光压缩模块（300）包括光纤准直器（301）、单模光纤（302）和光纤准直器（303），其中，单模光纤（302）的二阶色散与色散补偿光纤（211）的色散特性相反，能够对放大以后的脉冲进行压缩。

8.根据权利要求1所述的光纤飞秒激光器，其特征在于：所述脉冲分离子模块（220）和光纤放大子模块（230），基于法拉第旋光反射镜，使得正交偏振方向的偏振分离子脉冲前后两次经过增益光纤和脉冲分离子模块的路径对易，光程互补，偏振分离子脉冲放大后自动合成一个高能量脉冲。

9.根据权利要求1所述的光纤飞秒激光器，其特征在于：所述激光倍频模块（400）由聚焦透镜（401）、准直透镜（403）和倍频晶体（402）组成，聚焦透镜（401）、倍频晶体（402）及准直透镜（403）依次光路连接，产生780nm飞秒脉冲。