CN110445000A - 1000-1100nm波长可调谐飞秒激光系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种1000‑1100nm波长可调谐飞秒激光系统，主要是使用1.5μm波段飞秒激光源泵浦一段光子晶体光纤令该1.5μm的飞秒激光源产生孤子频移，同时在1‑1.1μ处获得色散波，后用光栅滤波器截取该色散波的1‑1.1μm波段进行自相似放大以及脉冲压缩，得到<100fs的近变换极限脉冲输出。本发明通过光谱滤波技术实现脉冲中心波长可调谐，满足飞秒脉冲自相似放大对种子源的要求。利用自相似放大技术进行放大，该光谱可调的种子光脉冲在放大的过程中不但展宽光谱，而且在自相似演化过程中形成线性啁啾，放大输出脉冲压缩后，脉冲宽度可<100fs，脉冲质量为近变换极限。最终实现1‑1.1μm可调谐高功率、高质量飞秒激光输出。

Description

1000-1100nm波长可调谐飞秒激光系统
技术领域
本发明涉及一种基于色散波和自相似放大的飞秒激光放大与脉冲压缩。
背景技术
1-1.1μm可调谐飞秒激光源在生物学、物理学等领域都具有广阔的应用，如生物光子学、光学参量振荡和放大技术、光谱学等。在生物光子学领域，近红外线可以对药物和基因运送过程进行时间和空间控制而不伤害健康组织，各种近红外线响应性的药物和基因递送技术正被加以开发，以应对外周疾病(尤其是癌症)，但是当前的研究大多是对于第一光谱窗口(700-1000nm)的研究，对于第二光谱窗口(1000-1100nm)的研究亟待开发。在光学参量振荡和放大技术领域，运用可调谐泵浦光源能够拓展光学参量振荡的输出覆盖波长。在光谱学领域，1-1.1μm可调谐飞秒激光源可应用于多维光谱学，使用该超快脉冲进行多维光学或红外光谱分析，用不同的频率探测各种动态分子过程，以区分不均匀和均匀的线增宽以及识别测量的光谱跃迁之间的耦合。
在现有实验研究中，目前能够获得1-1.1μm可调谐飞秒激光源的方法有以下几种：一是通过产生超连续谱(supercontineumm)来获得1-1.1μm可调谐飞秒激光源，即使用1μm的激光源来产生超连续谱以获得1-1.1μm可调谐飞秒激光源，但是通过这种方法产生的飞秒激光源功率和能量较低，功率不稳定，脉冲宽度较宽，光谱不平坦，并且脉冲的相位复杂，导致后续经过压缩后脉冲质量差。二是通过产生色散波来获得，即使用1.5μm的激光源来产生超连续谱，选取其1-1.1μm处的色散波作为可调谐飞秒激光源，通过这种方法产生的飞秒激光源功率谱十分平坦，但功率和能量依然较低，脉冲具有较宽的光谱。三是利用自相位调制(self-phase modulation，SPM)展宽光谱后，进行光谱滤波效应实现调谐。
上述三种方法无法满足我们对于理想啁啾脉冲种子源的需求，为了解决上述问题，亟需实现一种具有中心波长可调谐(1-1.1μm)、高功率、脉冲宽度小于100fs，脉冲质量近变换极限的飞秒激光脉冲源。
发明内容
针对上述现有技术中难以获得具有较高能量和平均功率的可调谐飞秒激光脉冲的问题，本发明提出了一种1000-1100nm波长可调谐飞秒激光系统，基于色散波和自相似放大技术来获得高功率、高质量可调谐飞秒激光脉冲。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种1000-1100nm波长可调谐飞秒激光系统，主要是使用1.5μm波段飞秒激光源泵浦一段光子晶体光纤，使得该1.5μm的飞秒激光源产生孤子频移，同时在1-1.1μm处获得色散波，后用光谱滤波器截取该色散波的1-1.1μm波段进行自相似放大以及脉冲压缩，得到<100fs的近变换极限脉冲输出。
进一步讲，本发明一种1000-1100nm波长可调谐飞秒激光系统，包括第一单元、第二单元、第三单元、第四单元、第五单元和第六单元，所述第一单元用于获得光谱平滑的色散波，所述第二单元为光栅滤波器，所述第三单元为激光源功率放大器，所述第四单元为脉冲整形装置，所述第五单元为自相似放大器，所述第六单元为脉冲压缩装置；所述第一单元包括激光源和第一准直器，所述激光源和所述第一准直器之间连接有光子晶体光纤；所述光栅滤波器由一块反射光栅和一个光纤耦合器构成，所述第一单元所输出的光谱平坦的色散波通过所述光栅滤波器获得光谱在1-1.1μm范围的飞秒激光脉冲源，通过改变所述光纤耦合器的位置以获得不同中心波长的光以及改变其光谱宽度；所述激光源功率放大器包括泵浦源、波分复用器、增益光纤和第二准直器；所述光栅滤波器输出的飞秒激光脉冲源与所述泵浦源泵浦光经所述波分复用器后进入所述增益光纤中，经所述增益光纤放大后的脉冲通过第二准直器输出，并进入所述脉冲整形装置，实现对脉冲预啁啾的调整、脉冲能量的调节以及脉冲整形；而后，经过脉冲整形装置的脉冲经过所述自相似放大器进行自相似放大；所述自相似放大器包括依次布置在所述脉冲整形装置输出端的第一凸透镜、掺Yb3+的保偏双包层光纤、第二凸透镜，第一双色镜、第三凸透镜和二极管激光器；所述第一凸透镜、掺Yb3+的保偏双包层光纤和第二凸透镜的按照与所述脉冲整形装置的输出端为同一水平线布置；在所述第一双色镜的反射方向放置第二双色镜，以调整脉冲方向；在所述第二双色镜的脉冲输出方向上放置所述脉冲压缩装置，所述脉冲压缩装置包括第一平面反射镜和第二平面反射镜，所述第一平面反射镜和第二平面反射镜之间布置有由两个平行的光栅构成的一对光栅对；所述第一平面反射镜的位置放置在使得第二双色镜出射的不经过该第一平面反射镜，而自第二平面反射镜返回的光能打在该第一平面反射镜上被反射输出，第二平面反射镜与入射光线垂直。
进一步讲，本发明1000-1100nm波长可调谐飞秒激光系统中，所述自相似放大器中，由二极管激光器反向泵浦，泵浦源发出发散泵浦光，经第三凸透镜准直整形，均匀的将光束打在前置的第一双色镜上，通过光路进入所述掺Yb3+的保偏双包层光纤进行增益；经过自相似放大后的脉冲依次经过第二凸透镜和由所述第一双色镜及第二双色镜构成的一对双色镜输出。
本发明1000-1100nm波长可调谐飞秒激光系统中，所述脉冲整形装置包括的器件有半波片、偏振分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜、一个角镜和由第一反射光栅和第二反射光栅构成的一对反射光栅对；其中，所述半波片和所述偏振分光棱镜用于调整光脉冲的能量，所述一对反射光栅对用于调整光脉冲的预啁啾；上述所有器件的位置关系如下：
所述半波片后依次水平地布置有所述偏振分光棱镜和第一反射光栅；调整所述第一反射光栅合适的反射角度，在所述第一反射光栅相应的光出射位置布置第二反射光栅，调整第二反射光栅的角度使得其输出光为水平输出，沿所述第二反射光栅的出光方向放置所述角镜，使得所述角镜出射的光爬高后再依次经过所述第二反射光栅和第一反射光栅对，在所述第一反射光栅的出射光方向放置第一反光镜，调整第一反光镜的反射方向，在所述第一反光镜的反射光方向放置第二反射镜，最终使得第二反射镜反射输出的光与入射光平行。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
由于色散波具有光谱范围宽、光谱轮廓平滑的特点，并通过光谱滤波技术实现脉冲中心波长可调谐，满足飞秒脉冲自相似放大对种子源的要求。本发明利用自相似放大技术进行放大，该光谱可调的种子光脉冲在放大的过程中不但展宽光谱，而且在自相似演化过程中形成线性啁啾，放大输出脉冲压缩后，脉冲宽度可<100fs，脉冲质量为近变换极限。最终实现1-1.1μm可调谐高功率、高质量飞秒激光输出。
附图说明
图1是本发明1000-1100nm波长可调谐飞秒激光系统示意图；
图2是本发明中脉冲整形装置的示意图。
图中：
1-1.5μm飞秒脉冲激光源，2-光子晶体光纤，3-第一准直器，4-反射光栅，5-光纤耦合器，6-泵浦源，7-波分复用器，8-增益光纤，9-第二准直器，10-脉冲整形装置，11第一凸透镜，12-掺Yb3+的保偏双包层光纤，13-第二凸透镜，14-第一双色镜，15-第三凸透镜，16-二极管激光器，17-第二双色镜，18-第一平面反射镜，19-第一光栅，20-第二光栅，21-第二平面反射镜；101-半波片，102-偏振分光棱镜，103-第一反射镜，107-第二反射镜，104-第一反射光栅，105-第二反射光栅，106-角镜。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
本发明提出的一种1000-1100nm波长可调谐飞秒激光系统的设计构思是，使用1.5μm波段飞秒激光源泵浦一段光子晶体光纤(Photonic crystal fiber，PCF)令该激光源的频谱产生频移，获得包括1-1.1μm波段范围在内的谱宽较宽的色散波激光脉冲输出，后用光栅滤波器截取该色散波的1-1.1μm波段进行自相似放大以及脉冲压缩，得到<100fs的近变换极限脉冲输出。
如图1所示，本发明提出的一种1000-1100nm波长可调谐飞秒激光系统，是用于得到<100fs的近变换极限脉冲输出，该系统的结构是：包括第一单元、第二单元、第三单元、第四单元、第五单元和第六单元，所述第一单元用于获得光谱平滑的色散波，所述第二单元为光栅滤波器，所述第三单元为激光源功率放大器，所述第四单元为脉冲整形装置10，所述第五单元为自相似放大器，所述第六单元为脉冲压缩装置。
所述第一单元包括激光源1和第一准直器3，所述激光源1和所述第一准直器3之间连接有光子晶体光纤PCF2。第一单元中是应用1.5μm的激光源1通过一段PCF 2得到光谱平坦的色散波，其方法是将一段PCF 2与1.5μm的激光源1的输出熔接，经过PCF光纤提供的非线性效应，获得包含1-1.1μm波段在内的光谱范围较宽、光谱平坦的色散波，作为后续自相似放大系统的种子源，通过第一准直器3输出。
所述第二单元即光栅滤波器由一块反射光栅4和一个光纤耦合器5构成，所述第一单元所输出的光谱平坦的色散波通过所述光栅滤波器以获得光谱在1-1.1μm范围的飞秒激光脉冲源，通过沿图1中箭头方向改变所述光纤耦合器5的位置以获得不同中心波长的光，并能够轻微改变其光谱宽度。
由于第二单元输出的激光能量和功率较低，因此后续需要第三单元(激光源功率放大器)对其进行一次放大，所述第三单元即激光源功率放大器包括泵浦源6、波分复用器(WDM)7、增益光纤8和第二准直器9；采用正向泵浦，所述光栅滤波器输出的飞秒激光脉冲源与所述泵浦源6泵浦光经所述波分复用器WDM 7后进入所述增益光纤8中，对激光源功率进行放大，经所述增益光纤8放大后的脉冲通过第二准直器9输出，并进入所述第四单元(脉冲整形装置(Pulse Shaper)10)来实现对脉冲预啁啾的调整、脉冲能量的调节以及脉冲整形。
所述第四单元即脉冲整形装置可以通过自行搭建相关系统实现，也可通过购买相关设备实现。本发明中，该脉冲整形装置的一个实施方案是：如图2所示，所述脉冲整形装置10包括的器件有半波片101、偏振分光棱镜(PBS)102、第一反射镜103、第二反射镜107、一个角镜106和由第一反射光栅104和第二反射光栅105构成的一对反射光栅对；其中，所述半波片101和所述偏振分光棱镜102用于调整光脉冲的能量，所述一对反射光栅对用于调整光脉冲的预啁啾。上述所有器件的位置关系如下：
所述半波片101后依次水平的布置有所述偏振分光棱镜(PBS)102和第一反射光栅104；调整所述第一反射光栅104合适的反射角度，在所述第一反射光栅104相应的光出射位置布置第二反射光栅105，调整第二反射光栅105的角度使得其输出光为水平输出，沿所述第二反射光栅105的出光方向放置所述角镜106，使得所述角镜106出射的光爬高后再依次经过所述第二反射光栅105和第一反射光栅对104，在所述第一反射光栅104的出射光方向放置第一反光镜103，调整第一反光镜103的反射方向，在所述第一反光镜103的反射光方向放置第二反射镜107，最终使得第二反射镜107反射输出的光与入射光平行。
而后，经过脉冲整形装置10的脉冲进入采用掺Yb3+的保偏双包层光纤中，该光纤作为自相似放大器的增益光纤对脉冲进行自相似放大。由二极管激光器16反向泵浦，泵浦源发出发散泵浦光，经第三凸透镜15准直整形，均匀的将光束打在前置的第一双色镜14上，通过光路进入所述掺Yb3+的保偏双包层光纤12进行增益；经过自相似放大后的脉冲依次经过第二凸透镜13和由所述第一双色镜14及第二双色镜17构成的一对双色镜输出。
所述第五单元即自相似放大器包括依次布置在所述脉冲整形装置10输出端的第一凸透镜11、掺Yb3+的保偏双包层光纤12、第二凸透镜13，第一双色镜14、第三凸透镜15和二极管激光器16；所述第一凸透镜11、掺Yb3+的保偏双包层光纤12和第二凸透镜13的按照与所述脉冲整形装置10的输出端为同一水平线布置(即第一双色镜14和第三凸透镜15与脉冲整形装置10、第一凸透镜11、掺Yb3+的保偏双包层光纤12、和第二凸透镜13置于同一水平线)；在所述第一双色镜14的反射方向放置第二双色镜17，以调整脉冲方向。
实施例：如图1所示，1.5μm飞秒脉冲激光源1置于整套系统的最左端，其后接用于产生色散波的PCF 2，PCF 2后接第一准直器3。在第一准直器3后适当位置放置反射光栅4，在反射光栅4的脉冲反射方向放置光纤耦合器5以接收脉冲光，其后接WDM 7，泵浦源6接入WDM 7(正向泵浦)，后熔接一段增益光纤8，后接第二准直器9输出激光，第二准直器9后适当位置放置脉冲整形装置10，第一凸透镜11距离脉冲整形装置合适的位置(间距接近其自身的焦距)放置。紧接第一凸透镜11后放置掺Yb3+的保偏双包层光纤12，掺Yb3+的保偏双包层光纤12后适当位置放第二凸透镜13，其后放置第一双色镜14和第三凸透镜15，第一双色镜14和第三凸透镜15与脉冲整形装置10、第一凸透镜11、掺Yb3+的保偏双包层光纤12、和第二凸透镜13置于同一水平线，第三凸透镜15后接二极管激光器16。在第一双色镜14反射方向放置第二双色镜17调整脉冲方向。由于经过自相似放大后的激光脉冲具有线性啁啾，因此将输出的自相似放大脉冲通过一对光栅对即能够压缩脉冲。在所述第二双色镜17的脉冲输出方向上放置所述脉冲压缩装置，所述脉冲压缩装置包括第一平面反射镜18和第二平面反射镜21，所述第一平面反射镜18和第二平面反射镜21之间布置有由两个平行的光栅(第一光栅19和第二光栅20)构成的一对光栅对，所述第一光栅19和第二光栅20对应严格平行以保证压缩质量；所述第一平面反射镜18的位置放置在使得第二双色镜17出射的不经过该第一平面反射镜18，而自第二平面反射镜21返回的光能打在该第一平面反射镜18上被反射输出，第二平面反射镜21与入射光线垂直。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种1000-1100nm波长可调谐飞秒激光系统，其特征在于，是使用1.5μm波段飞秒激光源泵浦一段光子晶体光纤令该1.5μm的飞秒激光源产生孤子频移，同时在1-1.1μm处获得色散波输出，后用光栅滤波器截取该色散波的1-1.1μm波段进行自相似放大以及脉冲压缩，得到<100fs的近变换极限脉冲输出。
2.根据权利要求1所述1000-1100nm波长可调谐飞秒激光系统，其特征在于，该系统包括第一单元、第二单元、第三单元、第四单元、第五单元和第六单元，所述第一单元用于获得光谱平滑的色散波，所述第二单元为光栅滤波器，所述第三单元为激光源功率放大器，所述第四单元为脉冲整形装置(10)，所述第五单元为自相似放大器，所述第六单元为脉冲压缩装置；
所述第一单元包括激光源(1)和第一准直器(3)，所述激光源(1)和所述第一准直器(3)之间连接有光子晶体光纤(2)；
所述光栅滤波器由一块反射光栅(4)和一个光纤耦合器(5)构成，所述第一单元所输出的光谱平坦的色散波通过所述光栅滤波器获得光谱在1-1.1μm范围的飞秒激光脉冲源，通过改变所述光纤耦合器(5)的位置以获得不同中心波长的光以及改变其光谱宽度；
所述激光源功率放大器包括泵浦源(6)、波分复用器(7)、增益光纤(8)和第二准直器(9)；所述光栅滤波器输出的飞秒激光脉冲源与所述泵浦源(6)泵浦光经所述波分复用器(7)后进入所述增益光纤(8)中，经所述增益光纤(8)放大后的脉冲通过第二准直器(9)输出，并进入所述脉冲整形装置(10)，实现对脉冲预啁啾的调整、脉冲能量的调节以及脉冲整形；而后，经过脉冲整形装置(10)的脉冲经过所述自相似放大器进行自相似放大；
所述自相似放大器包括依次布置在所述脉冲整形装置(10)输出端的第一凸透镜(11)、掺Yb3+的保偏双包层光纤(12)、第二凸透镜(13)，第一双色镜(14)、第三凸透镜(15)和二极管激光器(16)；所述第一凸透镜(11)、掺Yb3+的保偏双包层光纤(12)和第二凸透镜(13)按照与所述脉冲整形装置(10)的输出端为同一水平线布置；在所述第一双色镜(14)的反射方向放置第二双色镜(17)，以调整脉冲方向；
在所述第二双色镜(17)的脉冲输出方向上放置所述脉冲压缩装置，所述脉冲压缩装置包括第一平面反射镜(18)和第二平面反射镜(21)，所述第一平面反射镜(18)和第二平面反射镜(21)之间布置有由两个平行的光栅构成的一对光栅对；所述第一平面反射镜(18)的位置放置在使得第二双色镜(17)出射的光不经过该第一平面反射镜(18)，而自第二平面反射镜(21)返回的光能打在该第一平面反射镜(18)上被反射输出，第二平面反射镜(21)与入射光线垂直。
3.根据权利要求2所述1000-1100nm波长可调谐飞秒激光系统，其特征在于，所述自相似放大器中，由二极管激光器(16)反向泵浦，泵浦源发出发散泵浦光，经第三凸透镜(15)准直整形，均匀的将光束打在前置的第一双色镜(14)上，通过光路进入所述掺Yb3+的保偏双包层光纤(12)进行增益；经过自相似放大后的脉冲依次经过第二凸透镜(13)和由所述第一双色镜(14)及第二双色镜(17)构成的一对双色镜输出。
4.根据权利要求2或3所述1000-1100nm波长可调谐飞秒激光系统，其特征在于，所述脉冲整形装置(10)包括的器件有半波片(101)、偏振分光棱镜(102)、第一反射镜(103)、第二反射镜(107)、一个角镜(106)和由第一反射光栅(104)和第二反射光栅(105)构成的一对反射光栅对；其中，所述半波片(101)和所述偏振分光棱镜(102)用于调整光脉冲的能量，所述一对反射光栅对用于调整光脉冲的预啁啾；
上述所有器件的位置关系如下：
所述半波片(101)后依次水平地布置有所述偏振分光棱镜(102)和第一反射光栅(104)；调整所述第一反射光栅(104)合适的反射角度，在所述第一反射光栅(104)相应的光出射位置布置第二反射光栅(105)，调整第二反射光栅(105)的角度使得其输出光为水平输出，沿所述第二反射光栅(105)的出光方向放置所述角镜(106)，使得所述角镜(106)出射的光爬高后再依次经过所述第二反射光栅(105)和第一反射光栅对(104)，在所述第一反射光栅(104)的出射光方向放置第一反光镜(103)，调整第一反光镜(103)的反射方向，在所述第一反光镜(103)的反射光方向放置第二反射镜(107)，最终使得第二反射镜(107)反射输出的光与入射光平行。
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