CN108061980A - 啁啾光纤光栅色散量调节方法、装置及包含该装置的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明具体涉及一种啁啾光纤光栅色散量调节方法、装置及包含该装置的系统，主要解决现有技术中色散的补偿方法繁琐、效率低且很难精密地补偿系统中的色散量，不能获得最优化的脉冲的问题。一种啁啾光纤光栅的色散量调节方法，具体为通过调节啁啾光纤光栅两端的温度实现色散量的调节。本发明还提供了一种实现上述方法的啁啾光纤光栅的色散量调节装置，包括啁啾光纤光栅、半导体致冷器和导热板；所述啁啾光纤光栅固定在导热板上，半导体致冷器分别安装在导热板的两端。本发明的方法简单有效，通过调节啁啾光纤光栅两端的温度实现色散量的调节，高效率、精密地补偿系统中的色散量，能获得最优化的脉冲。

Description

啁啾光纤光栅色散量调节方法、装置及包含该装置的系统
技术领域
本发明涉及啁啾光纤光栅技术领域，具体涉及一种啁啾光纤光栅色散量调节方法、装置及包含该装置的系统。
背景技术
高功率的超短脉冲在光纤中传播时，由于超短脉冲具有极高的峰值功率，会在光纤中激起诸多的非线性效应，导致脉冲波形的畸变，所以在光纤结构的飞秒激光系统中，要想获得高能量大功率的飞秒激光输出，一般采用啁啾脉冲放大(CPA)技术，该技术在脉冲的展宽和压缩阶段需要具有较大色散量的衍射光学元件。光纤啁啾脉冲放大系统目前普遍采取的做法是采用啁啾光纤光栅(CFBG)作为脉冲展宽器，由于压缩器需要压缩放大以后的高能激光，因此CPA系统并不能采用光纤结构的衍射光学元件来实现脉冲的压缩。近年来发展起来了啁啾体布拉格光栅(CVBG)衍射光学元件，它是一种固体透明器件，可以有较大的通光孔径接受高能激光，同时具有色散补偿功能，且使用方法简单，对环境不敏感，容易装调，但是在以体光栅作为压缩器的啁啾脉冲放大系统中，由于啁啾体布拉格光栅的色散量是定值，很难使该系统脉冲展宽量与压缩量完全匹配，从而只能得到近似最优化的脉冲。
啁啾体布拉格光栅是固定色散量的器件，其能够提供的脉冲压缩量在光栅生产时就已经固定，且现有技术并不能对体光栅所提供的时间压缩量进行主动调谐。在CPA系统中，为了获得超短脉冲，需要压缩器必须能够精密地补偿系统中展宽器和光路中的光纤所带来的正色散。为了实现这一目的，传统的方法是通过不断地裁剪或增加光路中展宽光纤的长度来实现CPA系统中色散的补偿。这种方法繁琐，效率低且很难精密地补偿系统中的色散量，且不能够获得最优化的脉冲，只能获得近似最优化的脉冲，因为在剪裁或增加光纤的过程中，并不知道系统中正负色散量在数值上的大小关系，因此在以体光栅为压缩器的CPA系统中获得最优质的脉冲，能够精密地双向调节系统中的色散量成为急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中色散的补偿方法繁琐、效率低且很难精密地补偿系统中的色散量，不能获得最优化脉冲的问题，而提供一种啁啾光纤光栅色散量调节方法、调节装置及包含该装置的系统。
本发明的技术方案是：
一种啁啾光纤光栅色散量调节方法，其特殊之处为：通过调节啁啾光纤光栅两端的温度实现色散量的调节。
本发明还提供了一种实现上述方法的啁啾光纤光栅色散量调节装置，包括啁啾光纤光栅、半导体致冷器和导热板；所述啁啾光纤光栅固定在导热板上，半导体致冷器分别安装在导热板的两端。
进一步地，所述啁啾光纤光栅通过导热硅脂固定在导热板上。
同时，本发明还提供了一种基于光纤激光器的啁啾脉冲放大系统，包括锁模光纤激光器、啁啾光纤光栅、半导体致冷器、导热板、光环形器、隔离器、放大模块、CVBG啁啾体布拉格光栅、平凸透镜；所述啁啾光纤光栅固定在导热板上，半导体致冷器分别安装在导热板的两端；所述锁模光纤激光器与光环形器的第一个端口连接，所述啁啾光纤光栅与光环形器的第二端口连接，所述啁啾光纤光栅的反射光在光环形器的第三个端口输出，所述光环形器的反射光输出端与隔离器连接，所述光环形器输出端发出的脉冲经隔离器隔离、放大模块放大后通过平凸透镜准直，入射到啁啾体布拉格光栅。
本发明的优点为：
1.本发明的方法简单有效，通过调节啁啾光纤光栅两端的温度实现色散量的调节，高效率、精密地补偿系统中的色散量，能获得最优化的脉冲。
2.本发明利用啁啾光纤光栅的温度调节特性，通过半导体致冷器(TEC)驱动电流来改变温度场的梯度方向，实现对啁啾光纤光栅色散量的双向精密调节作用；通过控制导热板两端的温度差值，从而来实现连续精密地双向调节啁啾光纤光栅的色散量。
3.本发明可以很精密地双向补偿系统中的色散总量，从而获得最优化的脉冲；同时本发明的技术方案也适用于以光栅对为压缩器的啁啾脉冲放大系统中，对脉冲的时域展宽量进行精密调控。
附图说明
图1为本发明CPA系统结构图；
图2为本发明啁啾光纤光栅色散量调节装置的结构图；
图3为本发明脉冲展宽量大于压缩量时未加温控的脉冲自相关图；
图4为本发明脉冲展宽量大于压缩量时加温度调谐后的脉冲自相关图；
图5为本发明脉冲展宽量小于压缩量时未加温控的脉冲自相关图；
图6为本发明脉冲展宽量小于压缩量时加温度调谐后的脉冲自相关图
附图标记：1-啁啾光纤光栅，2-导热板，3-半导体致冷器，4-锁模光纤激光器，5-光环形器，6-隔离器，7-放大模块，8-平凸透镜，9-自相关仪，10-啁啾体布拉格光栅。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
一种啁啾光纤光栅的色散量调节方法，通过调节啁啾光纤光栅1两端的温度实现色散量的调节。
如图1所示，本发明提供一种实现上述调节方法的啁啾光纤光栅的色散量调节装置，包括半导体致冷器3和导热板2；啁啾光纤光栅1固定在导热板2上，半导体致冷器3分别安装在导热板2的两端，啁啾光纤光栅1具体的通过导热硅脂固定在导热板2上，采用导热硅脂可以快速的实现热量的传递，使啁啾光纤光栅1和导热板2之间更好的进行热交换。啁啾光纤光栅1作为脉冲展宽器把原始脉冲在时域上进行展宽。
如图2所示，本发明还提供了一种基于光纤激光器的啁啾脉冲放大系统，系统包括锁模光纤激光器4、啁啾光纤光栅1、半导体致冷器3、导热板2、光环形器5、隔离器6、放大模块7、啁啾体布拉格光栅10、平凸透镜8；所述啁啾光纤光栅1固定在导热板2上，半导体致冷器3分别安装在导热板2的两端；锁模光纤激光器4与光环形器5的第一个端口连接，啁啾光纤光栅1与光环形器5的第二端口连接，啁啾光纤光栅1的反射光在光环形器5的第三个端口输出，光环形器5的反射光输出端与隔离器6连接，光环形器5输出端发出的脉冲经隔离器6隔离、放大模块7放大后通过平凸透镜8准直，入射到啁啾体布拉格光栅10。
工作原理：啁啾光纤光栅的反射光谱和折射率会随着温度的改变而改变，当温度升高时啁啾光纤光栅的时延曲线会整体向长波长方向漂移；相反，当温度降低时，啁啾光纤光栅的时延曲线会整体向短波方向漂移，所以对啁啾光纤光栅进行整体的温度调制对色散的改变不会太明显。本发明中，我们利用导热硅脂将啁啾光纤光栅1固定在导热板2上，把TEC分别安装在导热板2的两端。啁啾光纤光栅的A点处是长波长光的衍射点，B点处是短波长光的衍射点，本发明利用TEC对导热板2的A处加热，B处制冷时，则可以在导热板2上形成一个连续的温度梯度场，由温度场可知，长波长光反射点处温度高，所以长波长处的衍射光谱向长波长方向移动，短波长反射点处的温度低，所以短波长处的衍射光谱向短波长方向移动，啁啾光纤光栅1的衍射光谱变宽。由公式(D是色散量、neff是光纤纤芯的有效折射率、δλ是啁啾光纤光栅1的反射谱宽、L是啁啾光纤光栅1的刻线长度、c是光在真空中的速率)可知啁啾光纤光栅1的色散量变小。同理，当TEC对导热板2的A处制冷，B处加热时，则导热板2上所形成的连续的温度梯度场的方向发生变化。因此长波长光反射点处温度低，则长波长处的衍射光谱向短波长方向移动，短波长光反射点处温度高，则短波长处的衍射光谱向长波长方向移动，所以啁啾光纤光栅的衍射光谱变窄，由公式可知，啁啾光纤光栅的色散量变大。本发明通过上述方法切换啁啾光纤光栅1两端的加热和制冷方向，实现了增大或减小啁啾光纤光栅的色散量；改变TEC驱动电流来精确调节啁啾光纤光栅的温度场分布，实现了对啁啾光纤光栅色散量的双向精密调谐。
本发明技术方案的应用验证实验为基于光纤激光器的啁啾脉冲放大系统。该激光系统的原始脉冲由锁模光纤激光器4产生，啁啾光纤光栅1被固定在温控调节装置上。啁啾光纤光栅1为反射式光栅，与光环形器5熔接在一起使用，构成展宽器。光环形器有三个端口，①端为输入端，接收来自锁模激光器的光信号；②端为连接啁啾光纤光栅1的端口，接收来自啁啾光纤光栅1的反射光；③端为反射光输出端，也就是将展宽后的脉冲输出。展宽后的光脉冲宽度达到数百皮秒，但能量较低，要经过多级光纤放大器进行能量的提升。放大后的激光利用平凸透镜8准直，入射到体光栅压缩器。
为了验证本发明的效果，首先使系统整体的脉冲展宽量(正色散量)大于压缩量(负色散量)，且脉宽接近最优化脉冲。使用自相仪检测出此时被体光栅压缩后的脉冲形状如图3所示，拟合后的脉冲宽度为1.601ps。此时，通过TEC对导热板2的A端处制热，B端处制冷，则使啁啾光纤光栅1处于一个连续的温度梯度场中啁啾光纤光栅1的色散变小，脉冲得到优化。图4所示为温度调制后的脉冲形状，拟合后的脉宽为804fs，且脉冲底座得到一定程度上的优化。同理，使系统整体的脉冲展宽量(正色散量)小于压缩量(负色散量)，且脉宽接近最优化脉冲。使用自相关仪9检测出此时的脉冲形状如图5所示，通过拟合后的脉冲宽度为1.029ps，通过TEC对导热板2的长波长反射端制冷，短波长反射端加热，则使啁啾光纤光栅1所处的连续的温度梯度场的方向发生改变，啁啾光纤光栅1的色散变大，脉冲的到优化。图6所示为温度调制后的脉冲形状，拟合后的脉宽为817fs，且脉冲底座得到一定程度上的优化。至此，验证了基于体光栅为压缩器的CPA系统中，通过本发明所述的对啁啾光纤光栅1进行双向温度调节色散的技术方法。

Claims (5)

1.一种啁啾光纤光栅色散量调节方法，其特征在于：通过调节啁啾光纤光栅两端的温度实现色散量的调节。
2.实现权利要求1所述方法的啁啾光纤光栅色散量调节装置，其特征在于：包括啁啾光纤光栅、半导体致冷器和导热板；
所述啁啾光纤光栅固定在导热板上，半导体致冷器分别安装在导热板的两端。
3.根据权利要求2所述的啁啾光纤光栅色散量调节装置，其特征在于：所述啁啾光纤光栅通过导热硅脂固定在导热板上。
4.一种基于光纤激光器的啁啾脉冲放大系统，其特征在于：包括锁模光纤激光器、啁啾光纤光栅、半导体致冷器、导热板、光环形器、隔离器、放大模块、啁啾体布拉格光栅、平凸透镜；所述啁啾光纤光栅固定在导热板上，半导体致冷器分别安装在导热板的两端；
所述锁模光纤激光器与光环形器的第一个端口连接，所述啁啾光纤光栅与光环形器的第二端口连接，所述啁啾光纤光栅的反射光在光环形器的第三个端口输出，所述光环形器的输出端与隔离器连接，所述光环形器输出端发出的脉冲经隔离器隔离、放大模块放大后通过平凸透镜准直，入射到啁啾体布拉格光栅。
5.根据权利要求4所述的基于光纤激光器的啁啾脉冲放大系统，其特征在于：所述啁啾光纤光栅通过导热硅脂固定在导热板上。
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