CN105390912A - 基于预啁啾管理的低噪声光纤飞秒激光放大器 - Google Patents

基于预啁啾管理的低噪声光纤飞秒激光放大器 Download PDF

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Abstract

一种基于预啁啾管理的低噪声光纤飞秒激光放大器，包括掺镱光纤色散管理锁模激光器(1)、干涉频谱滤波器(2)、光栅对负色散延迟线(3)、掺镱光纤放大器(4)和光栅对脉冲压缩器(5)；掺镱光纤色散管理锁模激光器(1)生成呼吸孤子脉冲序列；干涉频谱滤波器(2)调整呼吸孤子脉冲序列的中心波长，使之位于掺镱光纤放大器(4)的增益谱中心；光栅对负色散延迟线(3)向调整后呼吸孤子脉冲序列引入负啁啾，得到种子脉冲；掺镱光纤放大器(4)对种子脉冲进行自相似放大，得到抛物线形脉冲；光栅对脉冲压缩器(5)压缩抛物线形脉冲生成飞秒激光脉冲。本发明对非线性放大器高频噪声的有效抑制，获得窄脉宽的傅里叶变换极限飞秒激光脉冲。

Description

基于预啁啾管理的低噪声光纤飞秒激光放大器
技术领域
本发明涉及超快激光技术领域，特别涉及一种飞秒激光放大器。
背景技术
基于飞秒激光的高时间分辨力、宽带频率梳齿和低时间抖动特性，可以获得传统手段难以企及的距离测量和时间同步精度、尺度和速度，在深空探测、通信导航、空间遥感等领域有广泛的应用前景。光纤飞秒激光器因其几乎全封闭的光路、集成化的光纤器件和半导体激光二极管(LD)直接泵浦方式，具有环境稳定性好、光束质量佳和结构紧凑等突出优势，是最有可能率先实现飞秒激光空间应用的实用化光源。为提升光纤锁模飞秒激光器输出指标，目前主要有啁啾脉冲放大(Chirpedpulseamplification，CPA)和非线性放大两种技术。为获得高功率输出，大多采用CPA结构，通过预先引入正色散展宽器降低种子脉冲峰值功率，避免放大过程的非线性积累，但受限于增益窄化效应，CPA系统很难输出小于100飞秒(fs，10-15s)的激光脉冲；为获得窄脉宽输出，通常采用非线性放大方式，利用增益光纤的自相位调制效应展宽光谱，但过高的非线性相位积累，可能导致脉冲畸变甚至分裂，带来不可压缩的脉冲基底，引入附加的强度及相位噪声。
自相似放大作为一种特殊的非线性放大技术，为实现高功率、窄脉宽、低噪声的光纤飞秒激光源提供了解决途径：一定能量的任意形状脉冲，只要传输足够距离，均能在正色散增益光纤中渐近地演化成抛物线脉冲，并自相似地放大，即峰值功率、时域宽度和频谱宽度随传输距离指数增长，同时保持抛物线形状不变。这种渐近吸引子的本质决定了自相似放大脉冲具有更好的抗噪能力；抛物线形状保证了放大过程只积累线性啁啾，使光谱得以有效展宽而不发生劣化，有效避免光波分裂及其引入的载波相位噪声，支持高能量运转，由此又减小了自发辐射放大(Amplifiedspontaneousemission，ASE)噪声。然而，光纤放大器有限的增益带宽会严重阻碍脉冲自相似演化进程，劣化脉冲形状和啁啾。现有飞秒激光自相似放大器多采用长光纤(≥6m)以提高增益带宽，但却由此增加了受激拉曼散射和ASE噪声，限制了输出功率和信噪比。此外，现有低噪声光纤放大器大多采用主动反馈控制环路来稳定放大器泵浦LD电流，以此有效减小放大过程的附加噪声，但此类方法只在低频区有明显效果，无法实现对高频噪声的有效抑制，限制了飞秒激光的动态同步应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为克服现有技术的不足，本发明提出一种光纤飞秒激光放大器，通过预啁啾管理，降低了信号噪声。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于预啁啾管理的低噪声光纤飞秒激光放大器，包括掺镱光纤色散管理锁模激光器、干涉频谱滤波器、光栅对负色散延迟线、掺镱光纤放大器和光栅对脉冲压缩器；
掺镱光纤色散管理锁模激光器生成呼吸孤子脉冲序列；
干涉频谱滤波器调整呼吸孤子脉冲序列的中心波长，使之位于掺镱光纤放大器的增益谱中心，得到调整后呼吸孤子脉冲序列；
光栅对负色散延迟线向调整后呼吸孤子脉冲序列引入负啁啾，得到带有负啁啾的种子脉冲；
掺镱光纤放大器对种子脉冲进行自相似放大，得到抛物线形脉冲；
光栅对脉冲压缩器压缩抛物线形脉冲，得到放大后的飞秒激光脉冲。
所述掺镱光纤放大器包括光纤合束器、半导体激光二极管泵浦光源和掺镱光纤，半导体激光二极管泵浦光源生成泵浦激光，光纤合束器将泵浦激光和种子脉冲耦合至掺镱光纤，掺镱光纤对种子脉冲进行自相似放大，得到抛物线形脉冲。
所述半导体激光二极管泵浦光源的中心波长为915nm，运转在最大工作电流下。
所述掺镱光纤的长度为1.5m～2m。
所述光栅对负色散延迟线包括透射光栅对、爬高镜和反射镜，调整后呼吸孤子脉冲序列经过透射光栅对，由爬高镜改变光路方向，沿平行于入射光路水平面的光路折返，二次经过透射光栅对，得到种子脉冲，再由反射镜射出。
所述透射光栅对以里特罗角插入光路。
所述透射光栅对固定在微位移平台上，微位移平台用于微调透射光栅对中的透射光栅的间隔。
所述光栅对脉冲压缩器包括反射光栅对、爬高镜和反射镜；抛物线形脉冲经过反射光栅对后，再由爬高镜沿平行于入射光路水平面的光路方向折返，再次经过反射光栅对，得到放大后的飞秒激光脉冲，之后由反射镜射出。
所述干涉频谱滤波器的透过率曲线为超高斯型。
所述掺镱光纤色散管理锁模激光器采用非线性偏振旋转或透射式可饱和吸收体启动锁模，采用光栅对或啁啾镜提供腔内色散补偿稳定锁模。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1)本发明提供的基于预啁啾管理的低噪声光纤飞秒激光放大器，通过预先为种子脉冲提供适量啁啾，补偿放大初期的自相位调制光谱展宽和群速度色散延迟，使脉冲在放大过程中首先被压缩成窄带、高峰值功率的傅里叶变换极限脉冲，再沿剩余光纤完成抛物线自相似放大演化和光谱展宽。该放大器的脉冲光子能量集中、非线性光谱展宽用光纤短、自相似放大演化迅速，可以有效抑制自发辐射放大噪声耦合。不同于传统低噪声飞秒激光放大器，本发明通过直接优化脉冲的非线性放大演化过程来减小放大器噪声，并不依赖任何噪声主动反馈控制手段，因而能够实现对非线性放大器高频(>1kHz)噪声的有效抑制，结构简单，体积小巧、操作方便、运行成本低；
2)本发明提供的基于预啁啾管理的低噪声光纤飞秒激光放大器，放大器内部脉冲啁啾量小、峰值功率高，噪声耦合低、自相位调制光谱展宽量大，因此与现有低噪声光纤飞秒激光放大器相比，本发明还可以获得窄脉宽(<100fs)的傅里叶变换极限飞秒激光脉冲；
3)发明提供的基于预啁啾管理的低噪声光纤飞秒激光放大器，相比于现有光纤自相似放大器，本发明所需增益光纤短，非线性噪声耦合低，受激拉曼散射和自发辐射的扰动小，有利于获得低噪声、高功率的飞秒激光脉冲。
附图说明
图1为本发明基于预啁啾管理的低噪声光纤飞秒激光放大器的装置结构示意图。
图2为数值模拟的本发明掺镱光纤放大器中的脉冲光谱演化；
图3为数值模拟的本发明掺镱光纤放大器中的脉冲宽度演化；
图4为数值模拟的本发明掺镱光纤放大器输出的脉冲时域强度曲线；
图5为实验测量的本发明光栅对脉冲压缩器输出的脉冲强度自相关曲线；
图6为实验测量的本发明光栅对脉冲压缩器5输出的相对强度噪声谱。
具体实施方式
如图1所示，一种基于预啁啾管理的低噪声光纤飞秒激光放大器，包括掺镱光纤色散管理锁模激光器1、干涉频谱滤波器2、光栅对负色散延迟线3、掺镱光纤放大器4、光栅对脉冲压缩器5。掺镱光纤色散管理锁模激光器1采用非线性偏振旋转或透射式可饱和吸收体启动锁模，采用光栅对或啁啾镜提供腔内色散补偿稳定锁模，输出稳定的呼吸孤子脉冲序列，重复频率40MHz～80MHz，平均功率100mW～200mW，中心波长1035nm～1045nm，光谱宽度15nm～30nm。呼吸孤子脉冲序列首先经过干涉频谱滤波器2优化中心波长，再经过光栅对负色散延迟线3预先获得适量负啁啾，然后耦合进入掺镱光纤放大器4。
干涉频谱滤波器2的透过率曲线为超高斯型，带宽6nm～12nm1040nm，固定在精密旋转台上，用于微调干涉频谱滤波器2透过中心波长，使之位于掺镱光纤放大器4的增益谱中心，由此减小增益整形对自相似放大的扰动。
光栅对负色散延迟线3由一对平行放置的透射光栅、一个爬高镜和两个成90°夹角放置的45°反射镜组成。首次经过透射光栅对的脉冲，由爬高镜改变光路方向，沿低于且平行于入射光路水平面的光路折返，二次经过透射光栅对，生成带有负啁啾的种子脉冲，再由两个成90°夹角放置的45°反射镜折返，沿平行于入射光路垂直面的光路方向进入掺镱光纤放大器4。光栅对间隔越大，引入负色散延迟量越大。透射光栅的刻线密度为1200线/mm，1级衍射效率大于92％，以里特罗角插入光路以减少损耗。透射光栅对固定在一维精密微位移平台上，用于微调间隔，预先管理种子脉冲啁啾。
掺镱光纤放大器4由光纤合束器、半导体激光二极管泵浦光源和掺镱光纤组成。本实施例中，掺镱光纤为双包层大模场面积掺镱光纤。本实施例半导体激光二极管泵浦光源采用高功率半导体激光二极管泵浦光源。光纤合束器的信号光输入端熔有光纤准直器，用以将种子脉冲从自由空间光路耦合至光纤光路。泵浦激光由光纤合束器以前向泵浦方式耦合至双包层大模场面积掺镱光纤，光纤合束器的泵浦光输入端与高功率半导体激光二极管尾纤熔接，输出端与双包层大模场面积掺镱光纤连接。高功率半导体激光二极管泵浦光源的中心波长为915nm，运转在最大工作电流(50A)下，以此减小放大过程中由泵浦光波长抖动耦合的强度噪声。双包层大模场面积掺镱光纤的纤芯直径25μm，数值孔径0.08，内包层直径250μm，数值孔径0.46，光纤长度为1.5m～2m，以此减小放大过程中的受激拉曼散射扰动和ASE噪声。
通过微调光栅对负色散延迟线3的透射光栅对间隔，精确控制种子脉冲的负啁啾量，使其能够补偿放大初期由双包层大模场面积掺镱光纤的自相位调制效应带来的光谱展宽和正群速度色散引入的时域展宽，使脉冲放大时首先获得频域和时域压缩，在双包层大模场面积掺镱光纤中形成高峰值功率、窄带(2nm～3nm)、亚皮秒的傅里叶变换极限脉冲，再沿剩余光纤获得频域展宽和时域展宽，如图2和图3所示。经过预啁啾管理，脉冲光谱非线性展宽仅发生在放大后期(图2)，可以有效避免增益整形扰动，加速脉冲自相似放大，输出抛物线形脉冲，如图4所示，图中包括经过预啁啾管理的放大脉冲时域强度曲线8、未经过预啁啾管理的放大脉冲时域强度曲线9和理想抛物线拟合曲线10；由于此时放大过程中脉冲宽度更窄，脉冲光子能量相对集中，光谱有效展宽所需光纤长度短，非线性放大的噪声耦合可以得到有效抑制。如图3所示，包经过预啁啾管理的放大脉冲宽度演化曲线6和未经过预啁啾管理的放大脉冲宽度演化曲线7。
结合自相似放大脉冲的渐近吸引本能和抛物线形状，在掺镱光纤放大器4后采用光栅对脉冲压缩器5压缩抛物线脉冲，补偿脉冲啁啾，可以生成低噪声、窄脉宽的傅里叶变化极限飞秒激光脉冲。光栅对脉冲压缩器5由一对平行放置的反射光栅、一个爬高镜和两个成90°夹角放置的45°反射镜组成。反射光栅的刻线密度为600线/mm，1级衍射效率大于90％，固定在一维精密微位移平台上，用于微调间隔，精确补偿放大器输出脉冲啁啾。放大器输出脉冲依次经过两个光栅反射后，再由爬高镜沿低于且平行于入射光路水平面的光路方向折返，再次经过两个反射光栅，之后由45°反射镜导出至测量装置。图5为自相关仪测得压缩脉冲的自相关曲线，对应～60fs的傅里叶变换极限飞秒激光脉冲。图6为频谱分析仪测得10Hz～1MHz频率范围的相对强度噪声谱，比较未经过预啁啾管理的放大器相对强度噪声谱11和经过预啁啾管理的放大器相对强度噪声谱12可知，通过预啁啾管理自相似优化，掺镱光纤放大器4高频(>1kHz)噪声获得了有效抑制，在1kHz～1MHz范围内积分对应的均方根强度噪声抖动约0.025％。
本发明具体包括下列放大步骤：
1)由掺镱光纤色散管理锁模激光器输出宽带呼吸孤子脉冲，经过干涉频谱滤波器调整脉冲中心波长，通过优化滤波器插入光路的角度，生成中心波长与掺镱光纤放大器增益谱中心相匹配的种子脉冲；
2)利用光栅对负色散延迟线实现预啁啾管理，通过优化光栅对间距，使种子脉冲带有适量负啁啾，能够补偿放大初期由掺镱光纤自相位调制效应带来的光谱展宽和正群速度色散引入的时域展宽，使脉冲沿掺镱光纤非线性放大时首先获得频域和时域压缩，达到傅里叶变换极限后，再沿剩余光纤完成抛物线自相似放大演化和有效光谱展宽，由此减小增益整形扰动，提高脉冲内光子能量密度，缩短光谱展宽和自相似演化所需距离，实现对非线性放大过程中ASE噪声耦合的有效抑制；
3)放大器采用915nm高功率半导体激光二极管作为泵浦光源，并以最大工作电流运转，由此减小放大过程中由泵浦光波长抖动耦合的强度噪声，采用1.5～2m长掺镱光纤作为增益介质，以减小受激拉曼散射扰动和ASE噪声，在此基础上，利用预啁啾管理实现脉冲自相似放大，直接输出低噪声、宽光谱、高功率的线性啁啾抛物线脉冲；
4)采用光栅对压缩放大器输出脉冲，获得低噪声、窄脉宽、高功率的傅里叶变化极限飞秒激光脉冲。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种基于预啁啾管理的低噪声光纤飞秒激光放大器，其特征在于，包括掺镱光纤色散管理锁模激光器(1)、干涉频谱滤波器(2)、光栅对负色散延迟线(3)、掺镱光纤放大器(4)和光栅对脉冲压缩器(5)；
掺镱光纤色散管理锁模激光器(1)生成呼吸孤子脉冲序列；
干涉频谱滤波器(2)调整呼吸孤子脉冲序列的中心波长，使之位于掺镱光纤放大器(4)的增益谱中心，得到调整后呼吸孤子脉冲序列；
光栅对负色散延迟线(3)向调整后呼吸孤子脉冲序列引入负啁啾，得到带有负啁啾的种子脉冲；
掺镱光纤放大器(4)对种子脉冲进行自相似放大，得到抛物线形脉冲；
光栅对脉冲压缩器(5)压缩抛物线形脉冲，得到放大后的飞秒激光脉冲。
2.一种如权利要求1所述的基于预啁啾管理的低噪声光纤飞秒激光放大器，其特征在于，所述掺镱光纤放大器(4)包括光纤合束器、半导体激光二极管泵浦光源和掺镱光纤，半导体激光二极管泵浦光源生成泵浦激光，光纤合束器将泵浦激光和种子脉冲耦合至掺镱光纤，掺镱光纤对种子脉冲进行自相似放大，得到抛物线形脉冲。
3.一种如权利要求2所述的基于预啁啾管理的低噪声光纤飞秒激光放大器，其特征在于，所述半导体激光二极管泵浦光源的中心波长为915nm，运转在最大工作电流下。
4.一种如权利要求2所述的基于预啁啾管理的低噪声光纤飞秒激光放大器，其特征在于，所述掺镱光纤的长度为1.5m～2m。
5.一种如权利要求1所述的基于预啁啾管理的低噪声光纤飞秒激光放大器，其特征在于，所述光栅对负色散延迟线(3)包括透射光栅对、爬高镜和反射镜，调整后呼吸孤子脉冲序列经过透射光栅对，由爬高镜改变光路方向，沿平行于入射光路水平面的光路折返，二次经过透射光栅对，得到种子脉冲，再由反射镜射出。
6.一种如权利要求5所述的基于预啁啾管理的低噪声光纤飞秒激光放大器，其特征在于，所述透射光栅对以里特罗角插入光路。
7.一种如权利要求5所述的基于预啁啾管理的低噪声光纤飞秒激光放大器，其特征在于，所述透射光栅对固定在微位移平台上，微位移平台用于微调透射光栅对中的透射光栅的间隔。
8.一种如权利要求1所述的基于预啁啾管理的低噪声光纤飞秒激光放大器，其特征在于，所述光栅对脉冲压缩器(5)包括反射光栅对、爬高镜和反射镜；抛物线形脉冲经过反射光栅对后，再由爬高镜沿平行于入射光路水平面的光路方向折返，再次经过反射光栅对，得到放大后的飞秒激光脉冲，之后由反射镜射出。
9.一种如权利要求1至8之一所述的基于预啁啾管理的低噪声光纤飞秒激光放大器，其特征在于，所述干涉频谱滤波器(2)的透过率曲线为超高斯型。
10.一种如权利要求1至8之一所述的基于预啁啾管理的低噪声光纤飞秒激光放大器，其特征在于，所述掺镱光纤色散管理锁模激光器(1)采用非线性偏振旋转或透射式可饱和吸收体启动锁模，采用光栅对或啁啾镜提供腔内色散补偿稳定锁模。
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