CN110544868B - 一种啁啾方波脉冲放大激光系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种啁啾方波脉冲放大激光系统，包括：依次连接的激光振荡器、啁啾方波脉冲发生器、放大链和频谱整形脉冲压缩单元；所述激光振荡器发射种子激光脉冲至所述啁啾方波脉冲发生器，在所述啁啾方波脉冲发生器中将所述种子激光脉冲转换为啁啾方波脉冲；所述放大链将接收的所述啁啾方波脉冲进行功率放大后传递给所述频谱整形脉冲压缩单元；所述频谱整形脉冲压缩单元对功率放大后的所述啁啾方波脉冲进行脉冲整形。本发明实施例提供的一种啁啾方波脉冲放大激光系统，通过脉冲整形产生啁啾方波降低脉冲放大过程中的非线性畸变，使得放大后的脉冲峰值功率相比传统的啁啾放大系统提高数个数量级。

Description

一种啁啾方波脉冲放大激光系统

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种啁啾方波脉冲放大激光系统。

背景技术

具有高功率和高脉冲能量且脉冲宽度在纳秒、皮秒、飞秒和阿秒范围内的超快激光源在很多领域都有着重要应用，例如：激光材料加工、激光雷达、成像技术、激光聚变和医学研究等等。目前，这些应用主要使用的是超短脉冲激光器，尤其是基于啁啾脉冲放大(CPA)的飞秒激光器，超短脉冲激光器的主要挑战是由超短脉冲的高峰值功率引起的非线性脉冲畸变，它的几种非线性光学效应，主要是受激布里渊散射(SBS)，受激拉曼散射(SRS)和自相位调制(SPM)，以及体光学损伤。对于宽带脉冲，SPM是超短脉冲放大的最重要限制。CPA利用色散对输入脉冲进行展宽，从而降低放大前的峰值功率，以减少非线性脉冲失真。啁啾脉冲可以在放大后被压缩至初始短脉冲宽度。通常在CPA系统中使用较大的光栅对，导致成本高、对准难和尺寸大。另一方面，CPA系统中仍然存在残余非线性限制，累积的SPM需要小于π。尽管CPA已成为增加脉冲能量和峰值功率的最广泛使用的方法，但获得的脉冲能量和峰值功率仍然不足以用于许多应用和科学研究。

现有技术中，传统的CPA系统利用具有类高斯脉冲形状的宽带脉冲作为输入种子源，以及诸如光栅对、光纤或光纤布拉格光栅的色散元件来扩展或拉伸输入脉冲宽度至多个数量级以降低功率放大之前的脉冲峰值功率，然后使用另一个具有相反色散的色散元件将放大和拉伸的脉冲压缩到接近原始脉冲宽度。在实验中，大的脉冲拉伸量需要大的色散量，因此所需光栅对之间的距离较大，这将导致增加成本、尺寸及机械不稳定性。也就是说，现有的CPA系统基于降低峰值功率从而减少非线性影响的方法仍受限于放大器中有限的脉冲展宽因子或残余非线性效应。而目前激光领域更需要产生扩展至10mJ以上的高脉冲能量、可扩展至1GW以上的高峰值功率、输出脉冲宽度范围从亚ns到几飞秒的高效、紧凑和低成本的超快激光系统。针对上述现有技术中存在的问题和需求，现在亟需一种新的啁啾方波脉冲放大激光系统来解决上述问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种啁啾方波脉冲放大激光系统。

第一方面本发明实施例提供一种啁啾方波脉冲放大激光系统，包括：

依次连接的激光振荡器、啁啾方波脉冲发生器、放大链和频谱整形脉冲压缩单元；

所述激光振荡器发射种子激光脉冲至所述啁啾方波脉冲发生器，在所述啁啾方波脉冲发生器中将所述种子激光脉冲转换为啁啾方波脉冲；

所述放大链将接收的所述啁啾方波脉冲进行功率放大后传递给所述频谱整形脉冲压缩单元；

所述频谱整形脉冲压缩单元对功率放大后的所述啁啾方波脉冲进行脉冲整形。

其中，所述啁啾方波脉冲放大激光系统还包括：

重复频率调节单元，所述重复频率调节单元的输入端连接所述啁啾方波脉冲发生器，输出端连接所述放大链。

其中，所述重复频率调节单元包括：

依次连接的前置放大器、声光调制器、后置放大器以及光学隔离器；

所述前置放大器的输入端连接所述啁啾方波脉冲发生器的输出端；

所述光学隔离器的输出端连接所述放大链的输入端。

其中，所述频谱整形脉冲压缩单元包括：

带通滤波器和脉冲压缩器；

所述带通滤波器的输入端连接所述放大链的输出端，输出端连接所述脉冲压缩器的输入端。

其中，所述脉冲压缩器包括：

光栅对或啁啾体布拉格光栅。

其中，所述放大链中使用的放大器包括激光放大器、光参量放大器以及拉曼放大器的一种或多种。

其中，所述啁啾方波脉冲放大激光系统由光纤材料组成，并掺杂有稀土材料。

其中，所述啁啾方波脉冲放大激光系统还包括：

光学系统组件，所述光学系统组件用于保护所述啁啾方波脉冲放大激光系统不受外部反馈产生的有害非线性效应的影响。

其中，所述激光振荡器包括：

宽带锁模光纤激光器、锁模钛或短脉冲激光器。

本发明实施例提供的一种啁啾方波脉冲放大激光系统，通过脉冲整形产生啁啾方波降低脉冲放大过程中的非线性畸变，使得放大后的脉冲峰值功率相比传统的啁啾放大系统提高数个数量级。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种啁啾方波脉冲放大激光系统结构示意图；

图2a是本发明实施例提供的SPM引起的脉冲畸变示意图；

图2b是本发明实施例提供的利用创新的脉冲形状来最小化SPM引起的脉冲畸变的示意图；

图3a是本发明实施例提供的反映频域中方波脉冲放大对SPM的恢复能力的脉冲强度和瞬时啁啾的示意图；

图3b是本发明实施例提供的反映频域中方波脉冲放大对SPM的恢复能力的脉冲频谱示意图；

图4是本发明实施例提供的时域中方波脉冲放大对SPM的恢复能力示意图；

图5是本发明实施例提供的CSPA对SPM的容忍度示意图；

图6是本发明实施例提供的CSPA与CPA脉冲畸变的比较示意图；

图7是本发明实施例提供的基于DFT的啁啾方波脉冲产生器的设计示意图；

图8是本发明实施例提供的利用DFT产生的啁啾方波示意图；

图9是本发明实施例提供的啁啾脉冲发生器实验结果示意图；

图10a为本发明实施例提供的CSPA与CPA压缩脉冲的脉宽比较的实验结果图；

图10b为本发明实施例提供的CSPA与CPA压缩脉冲的峰值功率比较的实验结果图；

图11是本发明实施例提供的一种优选的CSPA系统结构示意图；

图12a是本发明实施例提供的没有采用滤波器时的脉冲特性示意图；

图12b为本发明实施例提供的滤波器带宽为6nm时的脉冲特性示意图；

图12c为本发明实施例提供的滤波器带宽为4nm时的脉冲特性示意图；

图13a是本发明实施例提供的放大方波脉冲的频谱滤波提升压缩脉冲对比度的效果图；

图13b是本发明实施例提供的放大方波脉冲的频谱滤波的效率曲线图；

图13c是本发明实施例提供的放大方波脉冲的频谱滤波对压缩脉冲宽度影响的结果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明实施例提供的一种啁啾方波脉冲放大激光系统结构示意图，如图1所示，包括：

依次连接的激光振荡器1、啁啾方波脉冲发生器2、放大链3和频谱整形脉冲压缩单元4；

所述激光振荡器1发射种子激光脉冲至所述啁啾方波脉冲发生器2，在所述啁啾方波脉冲发生器2中将所述种子激光脉冲转换为啁啾方波脉冲；

所述放大链3将接收的所述啁啾方波脉冲进行功率放大后传递给所述频谱整形脉冲压缩单元4；

所述频谱整形脉冲压缩单元4对功率放大后的所述啁啾方波脉冲进行脉冲整形。

需要说明的是，现有的激光系统采用的是啁啾脉冲放大系统，即CPA系统，而本发明实施例采用的是啁啾方形脉冲放大系统，也可称为CSPA(Chirped Square PulseGenerator)系统，由背景技术的内容可知，现有的CPA系统仍受限于放大器中有限的脉冲展宽因子或残余非线性效应。针对该问题本发明实施例采用了不同的方式对非线性进行了处理。可以理解的是，制超短脉冲激光系统的最重要的非线性效应是自相位调制(SPM)。自相位调制(SPM)是非线性光学中的一种效应，是指光脉冲在克尔介质(如光纤)中传播过程中由介质非线性引起的非线性现象。介质的相位调制与其自身的强度分布成比例。这种时间相关的相位变化与光谱的变化有关，其取决于脉冲电场的初始频率调制，如果初始脉冲是傅里叶变换极限的或上啁啾的，则SPM会导致光谱展宽，而下啁啾的初始脉冲由SPM的影响进行光谱压缩。对于强SPM，光谱可以表现出强烈的振荡。

针对这一效应的原理，本发明实施例设计了一个新的CSPA系统，如图1所示，激光振荡器1的输出端连接啁啾方波脉冲发生器2的输入端，啁啾方波脉冲发生器2的输出端连接放大链3的输入端，放大链3的输出端连接频谱整形脉冲压缩单元4的输入端，频谱整形脉冲压缩单元4的输出端作为整个CSPA系统的输出。

其中，激光振荡器1一般可采用提供初始脉冲的种子激光器，所发出的初始激光脉冲信号即为本发明实施例中的种子激光脉冲，将该种子脉冲激光射入啁啾方波脉冲发生器2后，在啁啾方波脉冲发生器2的作用下激光转换为啁啾方波脉冲激光，然后经过高功率放大的放大链3作用和改善脉冲质量进行脉冲整形的频谱整形脉冲压缩单元4作用后，输出本发明实施例所需的高脉冲能量、高平均功率和高重复频率的超快激光。

其中，由上述内容可知，SPM效应会引起脉冲畸变，而采用本发明实施例所提供的CSPA系统利用了恒定SPM不产生脉冲畸形的事实。图2a是本发明实施例提供的SPM引起的脉冲畸变示意图，如图2a所示，单独的SPM不一定会引起脉冲畸形，而是由SPM引起的非线性频率啁啾导致脉冲畸形。根据SPM的物理特性，非线性频率啁啾与非线性相位的变化有关。因此，本发明实施例通过改变脉冲形状来最小化SPM对脉冲畸形的影响，从而最小化SPM的负面影响。图2b是本发明实施例提供的利用创新的脉冲形状来最小化SPM引起的脉冲畸变的示意图，图2b中使用的是与图2a相同的非线性频率啁啾的除平顶脉冲或方形脉冲之外的脉冲。如图2b所示，除了方形脉冲的上升沿和下降沿之外，脉冲的主体部分没有频率失真。因此，本发明实施例利用创新的脉冲形状设计来最小化由SPM引起的脉冲畸形而不是最小化SPM本身，从而实现对SPM容限数量级的提升，即本发明实施例中啁啾方波脉冲发生器的设计原理。该啁啾方波脉冲发生器产生的啁啾方形脉冲被啁啾并具有平顶，脉冲能量的大部分具有相同的SPM量，因此导致零频率偏移，这导致零脉冲畸形。只有脉冲边缘会受到SPM梯度的影响，这会转换为频率偏移，从而导致脉冲畸形。

图3a和图3b反映了频域中方波脉冲放大对SPM的恢复能力，图3a是反映频域中方波脉冲放大对SPM的恢复能力的脉冲强度和瞬时啁啾的示意图,图3b是反映频域中方波脉冲放大对SPM的恢复能力的脉冲频谱示意图。由图3a和图3b内容可以看出中心频谱保持不受影响的SPM，而主频谱部分之外的频率波动是由位于脉冲边缘的非线性频率啁啾的干扰引起的。

图4是本发明实施例提供的时域中方波脉冲放大对SPM的恢复能力示意图，如图4所示，图4中虚线表示传统高斯脉冲放大后的压缩脉冲形状，而实线表示啁啾方形脉冲在相同放大后的压缩脉冲。典型的高斯脉冲严重受到由SPM引起的脉冲畸形，而啁啾方形脉冲几乎不受影响。图5是本发明实施例提供的CSPA对SPM的容忍度示意图，图6是本发明实施例提供的CSPA与CPA脉冲畸变的比较示意图，如图5和图6所示，CSPA系统具有更高的峰值功率，也意味着更少的脉冲畸形。CSPA系统的SPM容限可以大于200π，而传统的CPA系统仅限于1个π的SPM，提升了两个数量级。

由上述内容可知，本发明实施例的核心是提供了一个啁啾方形脉冲发生器来替代原有的CPA发生器。需要说明的是，任意能够提供CSPA所需功能的脉冲整形技术均适用于本发明实施例。如基于4f脉冲整形器的空间光调制器。图7是本发明实施例提供的基于DFT的啁啾方波脉冲产生器的设计示意图，其中利用了一个或多个光纤进行实现，具体的，非线性光纤71用于产生光谱展宽，而色散光纤72用于进行色散傅里叶变换(DFT)。滤波器73与色散光纤72组合对频谱和脉冲波形进行整形。具体的，来自种子激光器的高斯脉冲直接连接到非线性光纤71，色散光纤72产生线性频率啁啾以及展宽来自非线性光纤的输入脉冲。DFT变换是由于它可以产生时频对应关系，也就是频谱形状与时域中的波形相同。因此，如果滤波器73具有平顶传递函数，则可用于产生方形脉冲。图8是本发明实施例提供的利用DFT产生的啁啾方波示意图，如图8所示，利用DFT产生的啁啾方波是完全可行的。并且本发明实施例进行了实验验证，图9是本发明实施例提供的啁啾方形脉冲发生器实验结果示意图。

进一步的，本发明实施例将CSPA系统与CPA系统进行了仿真对比实验，图10a和图10b为本发明实施例提供的CSPA系统的实验结果示意图，其中，图10a为本发明实施例提供的CSPA与CPA压缩脉冲的脉宽比较的实验结果图，图10b为本发明实施例提供的CSPA与CPA压缩脉冲的峰值功率比较的实验结果图，如图10a和图10b所示，本发明实施例提供的CSPA系统要优于传统CPA系统。

本发明实施例提供的一种啁啾方波脉冲放大激光系统，通过最小化由脉冲传播和放大过程产生的光学非线性效应引起的脉冲畸变，产生具有更高数量级脉冲能量的超短脉冲。

在上述实施例的基础上，所述啁啾方波脉冲放大激光系统还包括：

重复频率调节单元，所述重复频率调节单元的输入端连接所述啁啾方波脉冲发生器，输出端连接所述放大链。

图11是本发明实施例提供的一种优选的CSPA系统结构示意图，如图11所示，本发明实施例中提供的CSPA系统中还可以包括重复频率调节单元，该重复频率调节单元用于降低脉冲重复频率。其中，需要说明的是，如果激光振荡器的输出功率不足，则啁啾方形脉冲发生器前面可以增加一个前置放大器以调节输入功率。

优选的，所述重复频率调节单元包括：

依次连接的前置放大器、声光调制器、后置放大器以及光学隔离器；

所述前置放大器的输入端连接所述啁啾方波脉冲发生器的输出端；

所述光学隔离器的输出端连接所述放大链的输入端。

具体的，可参照图11，本发明实施例提供的CSPA系统中，以脉冲模式工作的种子振荡器110连接啁啾方形脉冲发生器120，由前置放大器131、声光调制器132、后置放大器133以及第一光学隔离器134组成的重复频率调节单元130分别连接啁啾方波脉冲发生器120与放大链140，放大链140连接最后的可调谐或固定带通的滤波器151以及进行匹配的色散补偿器152，其中，滤波器151和色散补偿器152组成频谱整形脉冲压缩单元150。需要说明的是，可在放大链最后增添第二光学隔离器141以取得更佳效果。

在上述实施例的基础上，所述频谱整形脉冲压缩单元包括：

带通滤波器和脉冲压缩器；

所述带通滤波器的输入端连接所述放大链的输出端，输出端连接所述脉冲压缩器的输入端。

由图3的内容可知，少量的非线性频率啁啾在啁啾方形脉冲的边缘处产生。因此本发明实施例采用了滤波器来清除脉冲特性的影响，图12a、图12b和图12c是本发明实施例提供的滤波器带宽对脉冲特性的影响对比示意图，其中，图12a中为没有采用滤波器时的脉冲特性示意图，图12b为滤波器带宽为6nm时的脉冲特性示意图，图12c为滤波器带宽为4nm时的脉冲特性示意图，图13a、图13b和图13c是本发明实施例提供的放大方波脉冲的频谱滤波效果示意图，其中，图13a是本发明实施例提供的放大方波脉冲的频谱滤波提升压缩脉冲对比度的效果图；图13b是本发明实施例提供的放大方波脉冲的频谱滤波的效率曲线图；图13c是本发明实施例提供的放大方波脉冲的频谱滤波对压缩脉冲宽度影响的结果图。如图12a、图12b和图12c所示，由于典型的CSPA系统使用平顶脉冲，其压缩脉冲将总是具有一些波纹，可优化的滤波器可以消除非线性频率啁啾以及脉冲波纹，结合图13a、图13b和图13c的结果表明，脉冲对比度、传输效率和脉冲宽度之间的优化可能性，其中，脉冲宽度对滤波器带宽相对不敏感。

在上述实施例的基础上，所述脉冲压缩器包括：

光栅对或啁啾体布拉格光栅。

在上述实施例的基础上，所述放大链中使用的放大器包括激光放大器、光参量放大器以及拉曼放大器的一种或多种。

其中，本发明实施例中提供的高功率超短脉冲激光器，其中所使用了光纤元件和固体放大器的混合设计组成，其中所使用的固体放大器优选的可以选用激光放大器、光参量放大器或拉曼放大器中的任意一种或是他们多种的组合。

在上述实施例的基础上，所述啁啾方波脉冲放大激光系统由光纤材料组成，并掺杂有稀土材料。

优选的，本发明实施例提供的啁啾方波脉冲放大激光系统由光纤材料制造，在材料中混有了若干比例的稀土材料，例如：铒、镱、铥等，使得该激光系统的工作波长能够控制在1550nm、1064nm、2000nm附近。

在上述实施例的基础上，所述啁啾方波脉冲放大激光系统还包括：

光学系统组件，所述光学系统组件用于保护所述啁啾方波脉冲放大激光系统不受外部反馈产生的有害非线性效应的影响。

优选的，本发明实施例提供的啁啾方波脉冲放大激光系统还包括了各种类型的光学系统组件，该光学系统组件连接激光振荡器和用于激光脉冲的时间整形、光谱整形的各个部分，能够起到空间模式匹配和光学隔离的作用，与此同时，还能用于保护放大部分免受由其他部分或激光系统光学元件的外部反馈产生的有害非线性效应的影响。例如：将光学隔离器置于放大链和频谱整形脉冲压缩单元之间。

在上述实施例的基础上，所述激光振荡器包括：

宽带锁模光纤激光器、锁模钛或短脉冲激光器。

优选的，本发明实施例提供的激光振荡器可以是宽带锁模光纤激光器、锁模钛：蓝宝石或其他短脉冲激光器，如增益开关的锁模半导体激光器。在本发明实施例中，最佳的方案是使用超短光纤激光器，其结构紧凑、成本低和稳定性更好。可以理解的是，基于非线性光纤的啁啾方形脉冲产生器的一个具体实施例中，超短光纤激光器可以以最小损耗直接耦合。在增益开关的半导体激光器中产生的脉冲可以短至几皮秒，具有强绝热啁啾和动态啁啾，并且通过使用合适的脉冲整形可以进一步的压缩至飞秒。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种啁啾方波脉冲放大激光系统，其特征在于，包括：

依次连接的激光振荡器、啁啾方波脉冲发生器、放大链和频谱整形脉冲压缩单元；

所述激光振荡器发射种子激光脉冲至所述啁啾方波脉冲发生器，在所述啁啾方波脉冲发生器中将所述种子激光脉冲转换为啁啾方波脉冲；

所述放大链将接收的所述啁啾方波脉冲进行功率放大后传递给所述频谱整形脉冲压缩单元；

所述频谱整形脉冲压缩单元对功率放大后的所述啁啾方波脉冲进行脉冲整形；

其中，所述啁啾方波脉冲发生器具体为基于DFT的啁啾方波脉冲产生器，所述基于DFT的啁啾方波脉冲产生器包括：非线性光纤、色散光纤和滤波器，其中，所述非线性光纤用于产生光谱展宽，所述色散光纤用于进行色散傅里叶变换，产生线性频率啁啾以及展宽来自所述非线性光纤的输入脉冲，所述滤波器具有平顶传递函数，用于产生方形脉冲；

所述频谱整形脉冲压缩单元包括：

带通滤波器和脉冲压缩器；

所述带通滤波器的输入端连接所述放大链的输出端，输出端连接所述脉冲压缩器的输入端。

2.根据权利要求1所述的啁啾方波脉冲放大激光系统，其特征在于，所述啁啾方波脉冲放大激光系统还包括：

重复频率调节单元，所述重复频率调节单元的输入端连接所述啁啾方波脉冲发生器，输出端连接所述放大链。

3.根据权利要求2所述的啁啾方波脉冲放大激光系统，其特征在于，所述重复频率调节单元包括：

依次连接的前置放大器、声光调制器、后置放大器以及光学隔离器；

所述前置放大器的输入端连接所述啁啾方波脉冲发生器的输出端；

所述光学隔离器的输出端连接所述放大链的输入端。

4.根据权利要求1所述的啁啾方波脉冲放大激光系统，其特征在于，所述脉冲压缩器包括：

光栅对或啁啾体布拉格光栅。

5.根据权利要求1所述的啁啾方波脉冲放大激光系统，其特征在于，所述放大链中使用的放大器包括激光放大器、光参量放大器以及拉曼放大器的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的啁啾方波脉冲放大激光系统，其特征在于，所述啁啾方波脉冲放大激光系统由光纤材料组成，并掺杂有稀土材料。

7.根据权利要求1所述的啁啾方波脉冲放大激光系统，其特征在于，所述啁啾方波脉冲放大激光系统还包括：

光学系统组件，所述光学系统组件用于保护所述啁啾方波脉冲放大激光系统不受外部反馈产生的有害非线性效应的影响。

8.根据权利要求1所述的啁啾方波脉冲放大激光系统，其特征在于，所述激光振荡器包括：

宽带锁模光纤激光器、锁模钛或短脉冲激光器。

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