CN110880671A - 基于耗散孤子共振脉冲的多级放大器及飞秒激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于耗散孤子共振脉冲的多级放大器及飞秒激光器，在多级放大器中具有用于与耗散孤子共振脉冲放大器连接的一级光纤预放大单元，以及通过第二隔离器与一级光纤预放大单元连接的二级光纤预放大单元，在二级光纤预放大单元的输出方向连接有进行功率放大的固体放大单元；在一级光纤预放大单元和二级光纤预放大单元中分别设有按信号传输方向相连接的合束器和掺铥增益光纤，其中合束器还连接有泵浦源。本发明解决了目前OPCPA系统不稳定和转化效率低，以及传统的高斯或sech2型脉冲作为泵浦源时能量难以有效利用、光光转化效率低的问题，实现了无畸变的高能量亚纳秒方波脉冲输出，以及对2～10μm信号光脉冲能量的大幅提升。

Description

基于耗散孤子共振脉冲的多级放大器及飞秒激光器
技术领域
本发明涉及放系统和激光器，具体讲是基于耗散孤子共振脉冲的多级放大器及飞秒激光器。
背景技术
近几十年来，中红外激光在飞秒光化学、生物分子学、超快光谱学、国防军工、光通信、生物学等领域有着重大的应用潜力。由莫罗和斯特里克兰所发明的啁啾脉冲放大(CPA)技术为实现高功率超短脉冲激光提供了重要途径，但是由于中红外能级型增益介质的严重匮乏，目前尚不具备搭建中红外波段啁啾脉冲放大器的条件，因此高功率中红外超快脉冲激光技术远落后于可见光和近红外波段。
Dubietis提出了光参量啁啾脉冲放大(opticalparametricchirpedpulseamplification，OPCPA) 作为光参量放大(OPA)和啁啾脉冲放大(CPA)的有机结合体，与CPA技术相比，OPCPA 技术可以提供更高的增益、更大的增益带宽和更高的信噪比，且放大的信号光工作波长能够灵活调谐，是国际上实现中红外波段高功率超快激光脉冲的主流方案。
国内外众多研究机构如：德国Max-Planck量子学研究所、美国SLAC国家加速器实验室、伦敦皇家学院、麻省理工学院、上海光机所、上海交通大学、天津大学等都围绕中红外OPCPA 技术展开了深入研究。2007年，德国Max-Planck量子学研究所利用Ti:sapphire放大器产生超连续谱激光，通过提取高频和低频分量差频产生2.1μm超短脉冲作为信号光，再利用 Nd:YLF再生放大激光作为泵浦源，通过OPCPA的方式实现了2.1μm的超短脉冲输出，其脉冲能量为350μJ、脉冲宽度为21fs；2009年，瑞士联邦理工学院将1.5μm的掺铒光纤激光放大后分两路输出，然后通过DFG(光频差)产生波长覆盖3～4μm的飞秒脉冲作为信号光， Nd:YVO4放大器作为OPCPA泵浦，基于两级MgO:PPLN晶体的OPCPA放大过程，获得了的3～4μm波长可调谐的中红外脉冲输出。2013年，上海复旦大学利用Ti:sapphire和Nd:YVO4激光器作为前端，通过两级OPA实现3.3～4μm可调谐超短脉冲作为信号光，然后利用再生放大的Nd:YVO4激光器作为泵浦，注入LiNbO3非线性晶体，通过OPCPA实现了3.3～4μm波长可调谐的超短脉冲激光，其最大平均功率和峰值功率(@3.425μm)分别为13.3W和120GW，这是目前中红外OPCPA系统的最高平均功率和峰值功率水平。然而，该种OPCPA系统中两台独立的激光器往往需要复杂的时域同步装置，导致系统存较大的时间抖动(ps量级)，严重影响了OPCPA系统稳定和转化效率的提升；其次，系统中通常采用OPA作为可调谐信号源并通过多级级联方式拓展波长，然而，脉冲间的群速度失配降低了多级OPA的转换效率，从而限制了OPCPA调谐范围的大幅拓展；再者，系统中采用传统的高斯或sech2型脉冲作为泵浦源，由于能量难以有效利用，光光转化(lighttolightconversion)效率难以大幅提升；同时，由于非线性晶体难以兼顾长波长高透、损伤阈值高、非线性系数高，OPCPA很难实现长波长超短脉冲高效转化。随着飞秒脉冲光纤激光技术的发展，基于单台超短激光器作为前端的OPCPA技术逐渐发展起来。该种结构中，由于激光信号光和泵浦光均来自于同一台激光器，无需复杂的时域同步装置，大大简化了系统结构，同时在稳定性和时域抖动抑制上也大幅提升。2011年，奥地利维也纳理工大学G.Andriukaitis等率先利用一台Yb:KGW克尔棱镜锁模激光器作为OPCPA系统的前端，通过分束和光学同步，一路经Nd:YAG皮秒再生放大器后作为泵浦，另一路经Yb:CaF2啁啾脉冲放大后进入KTP-OPA系统产生波长为3.9μm的中红外作为信号，基于两级KTA晶体的OPCPA实现了脉冲能量高达8mJ、峰值功率为90GW、重复频率为20Hz的中红外飞秒脉冲输出，脉冲宽度为83fs，这也是基于该方法的最高脉冲能量。但是，该种结构仍然采用传统OPA作为调谐信号光，且泵浦脉冲和非线性晶体存在的问题与第一类方法中的相同，同样存在波长难以大范围调谐、转化效率难以大幅提升等问题。
现有技术之一的方案，如图1所示的中红外OPCPA实验原理框图，高峰值功率可调谐中红外OPCPA系统的前端是一套中红外飞秒OPA(光参量放大)系统。中红外飞秒OPA系统可以产生几十微焦耳量级的中红外可调谐种子光，作为OPCPA放大级的信号光注入。由于中红外种子光的时空特征和光束质量对OPCPA放大级的影响很大，因此建立性能良好的中红外飞秒OPA非常关键。图1中的中红外飞秒OPA系统采用两级放大的构型。中红外飞秒OPA的泵浦源是一套重复率为1kHz的Ti:Sapphire再生放大器系统(CoherentLegendElite)，中心波长为 795nm，脉宽35fs，单脉冲能量为3.5mJ。泵浦激光通过分束片分为两束，第一级飞秒OPA1使用的泵浦能量为0.6mJ，第二级飞秒OPA2使用的泵浦能量为2.6mJ。第一级飞秒OPA1使用一台 Nd:YVO4再生放大器(High-QPico-Regen)的输出作为弱种子光注入。Nd:YVO4再生放大器的重复率为1kHz，中心波长为1064nm，脉宽480ps，单脉冲能量为3mJ。两台再生放大器使用美国相干公司的Synchrolock电子锁相环装置和控制再生放大器同步的电子延时装置实现输出脉冲的同步。两台再生放大器的时间同步精度可以达到10ps以内。使用Nd:YVO4再生放火器输出能量的20％作为第一级飞秒OPA1的弱种子光注入。为了与795nm泵浦激光的光斑大小匹配， 1064nm的窄带种子光通过一个望远镜系统将光斑直径扩大到～8.5mm。第一级飞秒OPA1采用共线位相匹配，通过使用双色片使泵浦光和种子光达到完全共线。两级飞秒OPA都使用一块 12mm长的LiNb03晶体，晶体都按第一类位相匹配条件切割(θ＝45°)。因为在LiNb03晶体中，当泵浦光波长为795nm时，产生的中心波长为3425nm的闲频光和1053nm的信号光的群速度恰好相同，所以即使在共线位相匹配的情况下，仍然可以得到大的位相匹配带宽。第一级飞秒OPA1产生的1μm波段的飞秒脉冲光和第二级飞秒OPA2的泵浦光，通过双色片，进入第二级飞秒OPA2。在第二级飞秒OPA2中，中红外波段的飞秒脉冲光作为闲频光产生。第二级飞秒OPA2 也是采用共线位相匹配，因此产生的中红外波段的闲频光没有角色散。第二级飞秒OPA2的信号光和泵浦光均通过一个望远镜系统将光斑直径扩大到17mm。扩束后泵浦光的光强为 30GW/cm2。实验中发现，如果泵浦光光强超过50GW/cm2，自聚焦效应将会严重影响产生的中红外脉冲光的光束质量。两级飞秒OPA产生的中心波长为3425nm的中红外飞秒脉冲能量为 50μJ。中红外飞秒OPA系统输出脉冲的中心波长具有可调谐性，可调谐范围为3.3μm到3.95μm。通过改变两级晶体的位相匹配角以及两级OPA之间的延迟线，可以连续地调整输出中红外激光的中心波长。
该现有技术的缺点包括：
1、该OPCPA系统中两台独立的激光器往往需要复杂的时域同步装置，导致系统存较大的时间抖动(ps量级)，严重影响了OPCPA系统稳定和转化效率的提升；
2、系统中通常采用OPA作为可调谐信号源并通过多级级联方式拓展波长，然而，脉冲间的群速度失配降低了多级OPA的转换效率，从而限制了OPCPA调谐范围的大幅拓展；
3、系统中采用传统的高斯或sech2型脉冲作为泵浦源，由于能量难以有效利用，光光转化效率难以大幅提升；
4、由于非线性晶体难以兼顾长波长高透、损伤阈值高、非线性系数高，OPCPA很难实现长波长超短脉冲高效转化。
另一种现有技术的OPCPA系统，是采用两级放大器的形式，针对3～4μm的宽带输出进行了优化。OPCPA种子是通过差频产生的，1.5μm光纤激光器的输出的一路光在高非线性光纤中被光谱移到1070nm，在2mm长的MgO:PPLN晶体中与另一路光束重叠。在DFG(光频差)阶段产生的脉冲能量12pJ，FWHM(半峰宽)为360nm。MgO:PPLN晶体使得光波长能够在 3.4～4.8μm之间调谐。泵浦激光器是基于Nd:YVO4的放大器系统，工作在1064nm，其重复频率可在30～100kHz之间调节，脉冲宽度为10ps，当重频为100kHz时脉冲能量为100μJ。由于未经优化的光束有损光学器件，因此总泵浦能量为55μJ。
该现有技术的缺点包括：
1、系统采用Nd:YVO4固体放大器系统作为OPCPA泵浦源，调制难度大，并且热损伤高；
2、仅采用一级固体放大器系统作为泵浦源，能量转换效率低。
发明内容
本发明提供了一种基于耗散孤子共振脉冲的多级放大器及飞秒激光器，以解决目前 OPCPA系统不稳定和转化效率低，以及传统的高斯或sech2型脉冲作为泵浦源时能量难以有效利用、光光转化(lighttolightconversion)效率低的问题。
本发明基于耗散孤子共振脉冲的多级放大器，具有用于与耗散孤子共振脉冲放大器连接的一级光纤预放大单元，以及通过第二隔离器与一级光纤预放大单元连接的二级光纤预放大单元，在二级光纤预放大单元的输出方向连接有进行功率放大的固体放大单元；
在一级光纤预放大单元和二级光纤预放大单元中分别设有按信号传输方向相连接的合束器和掺铥增益光纤，其中合束器还连接有泵浦源。
本发明在2μm波段采用两级的预放大结构，对耗散孤子共振的光束质量进行了有效的控制，并且确保了多级放大器具有高抗损、伤阈值和高增益特性。同时，利用接收的亚纳秒耗散孤子共振脉冲的宽脉宽、平顶特性，在简化多级放大器结构的同时，还能够有效抑制其中光纤内的非线性效应积累，避免了在多级放大器中产生严重的脉冲波形畸变及光谱拉伸孤子。通过两级的光纤放大单元对耗散孤子共振进行预放大，在避免非线性效应造成方波畸变的前提下，实现了脉冲幅度及能量的初步提升，并保证高的光束质量；同时，采用具有高增益及低非线性效应的固体放大单元对方波进行高效、无畸变放大，从而获得了高峰值功率及高脉冲能量的2μm方波输出，为OPCPA(光参量啁啾脉冲放大)系统提供了高效泵浦。
进一步的，在一级光纤预放大单元的合束器上游设有用于与耗散孤子共振脉冲放大器连接的第一隔离器。第一隔离器的作用是控制光信号的单向传输，光信号与所述泵浦源的泵浦光一起通过合束器进入掺铥增益光纤中。
进一步的，所述的泵浦源为793nm单模激光器(793nmLD)。
进一步的，所述的掺铥增益光纤为双包层结构的掺铥增益光纤。
进一步的，在二级光纤预放大单元和固体放大单元之间设有第三隔离器。
进一步的，在所述的固体放大单元中设有两个相连接的Ho:YLY晶体的固体放大器。 Ho:YLY晶体的固体放大器能够承受高峰值功率。
本发明还提供了一种具有上述多级放大器的飞秒激光器，在该飞秒激光器中，由耗散孤子共振脉冲放大器输出2μm亚纳秒激光脉冲的泵浦光至所述基于耗散孤子共振脉冲的多级放大器中，多级放大器输出2μm方波后，与脉冲激光发生器发出的2～10μm可调谐激光一同输入到基于光参量啁啾脉冲放大的激光系统后输出。
本发明针对国际前沿的热点和难点，解决了中红外超短脉冲激光研究中关键技术中的共性问题。本发明采用亚纳秒耗散孤子共振脉冲作为信号脉冲，以保证泵浦光束的质量，采用多级光纤放大的方波脉冲作为泵浦，借助其平顶特性提升OPCPA(光参量啁啾脉冲放大)系统的转化效率。同时，采用多级的光纤放大器用于对耗散孤子共振的功率进行预放大及保证激光有良好的光束质量。并且，固体放大器因其优良的抗损伤能力可对耗散孤子共振进一步功率放大，将这两种放大方式相结合不但避免了多级放大器中高峰值功率导致的非线性积累，同时也解决了多级固体放大器中脉冲光束质量难以灵活调控的问题。
本发明的有益效果包括：
1、由于耗散孤子共振方波脉冲作为一种新型的锁模脉冲，具有先天的时域平顶特性，同时其具有脉冲能量随泵浦功率线性增加、脉冲形状保持不变、脉冲宽度连续可调谐的特点，因此本发明采用耗散孤子共振方波脉冲作为OPCPA过程的泵浦源，避开了传统高斯或sech2脉冲整形的复杂过程。
2、本发明采用两级放大单元对耗散孤子共振进行预放大，在避免非线性效应造成方波畸变的前提下，实现了脉冲幅度及能量的初步提升，有效简化了OPCPA系统结构，并保证了高质量的光束；
3、相比传统的固体激光放大器，本发明的多级放大器在光束质量、系统紧凑性及稳定性方面都有大幅提升。
以下结合实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。
附图说明
图1为现有技术中的中红外OPCPA实验原理框图。
图2为本发明基于耗散孤子共振脉冲的多级放大器的结构框图。
图3为本发明具有图2多级放大器的飞秒激光器结构框图。
具体实施方式
实施例1：
如图2所示本发明基于耗散孤子共振脉冲的多级放大器，具有通过第一隔离器22用于与耗散孤子共振脉冲放大器1连接的一级光纤预放大单元，以及通过第二隔离器26与一级光纤预放大单元连接的二级光纤预放大单元。在二级光纤预放大单元的输出方向通过第三隔离器27连接进行功率放大的固体放大单元，所述固体放大单元中设有两个相连接的Ho:YLY晶体的固体放大器28，29。
在一级光纤预放大单元和二级光纤预放大单元中分别设有按信号传输方向相连接的合束器23和双包层结构的掺铥增益光纤24，其中合束器23还连接有泵浦源25，其中泵浦源 25采用793nm单模激光器(793nmLD)。
本发明的多级放大器，将接收的耗散孤子共振脉冲放大器1输出的亚纳秒耗散孤子共振脉冲作为信号脉冲，经过第一隔离器22到一级光纤预放大单元，第一隔离器22的作用是控制光信号的单向传输。在一级光纤预放大单元中，793nmLD(单模激光器)作为泵浦源25，泵浦光通过合束器23进入双包层的掺铥增益光纤24中，合束器23的作用是将泵浦光和在腔内传输一周后的激光耦合进双包层的掺铥增益光纤24中，稀土离子吸收793nm泵浦光后通过能级跃迁产生2μm波段的激光，掺铥增益光纤24的作用是作为增益光纤为产生的2μm波段激光提供能级结构。为了防止激光反向传输，需要在耗散孤子共振脉冲放大器1和一级光纤预放大单元的合束器23之间插入一个与偏振无关的第一隔离器22，当激光正向通过时损耗极低，当激光反向通过与偏振无关的隔离器22时损耗极高，以此原理来阻隔反向激光。
一级光纤预放大单元的光信号经过与偏振无关的第二隔离器26传输到二级光纤预放大单元，经过两级光纤放大单元进行功率预防大后，再通过一个与偏振无关的第三隔离器27进入到基于Ho:YLY晶体的固体放大器28，29进行功率放大。通过对各级增益光纤输出端面进行包层功率剥离，并通过研抛斜角及镀膜参数的设定以减小端面反射，从而抑制了多级放大器内的自激振荡和端面热损伤。同时，利用亚纳秒耗散孤子共振脉冲的宽脉宽、平顶特性，在简化光纤预放大器结构的同时还有效抑制了光纤内的非线性效应的积累，避免了在多级放大器中产生严重的脉冲波形畸变及光谱拉伸孤子。针对固体放大器28，29的Ho:YLY晶体结构，根据信号光与抽运光直径比例选择适合的光束填充因子，从而在脉冲功率有效放大的同时保证了高质量的光束。通过分析非线性效应导致的脉冲方波参数变化情况，综合两级放大单元的结构参数，最终实现无畸变的高能量亚纳秒方波脉冲输出。
实施例2：
如图3所示，本发明的具有实施例1所述多级放大器的2～10μm高能量中红外波长可调谐的飞秒激光器，由耗散孤子共振脉冲放大器1输出2μm亚纳秒激光脉冲的泵浦光至实施例 1所述的多级放大器2中，多级放大器2输出2μm方波后，与脉冲激光发生器3发出的2～10μm 可调谐激光一同输入到基于光参量啁啾脉冲放大的激光系统4后输出。
本发明的飞秒激光器基于OPCPA(光参量啁啾脉冲放大)飞秒脉冲激光技术，采用耗散孤子共振方波脉冲作为信号源，通过与耗散孤子共振脉冲放大器1混合级联的多级放大器 2产生具有高峰值功率的亚纳秒方波脉冲，并作为OPCPA的泵浦源用以大幅提升参量过程中的光光转换(light to light conversion)效率。其中，耗散孤子共振脉冲放大器1的脉冲宽度可通过调节泵浦功率在100ps～1ns之间连续调谐，用于OPCPA的泵浦种子；通过多级放大器2 后可获得高峰值功率及高脉冲能量的2μm方波输出，为OPCPA提供高效泵浦。由2μm亚纳秒的耗散孤子共振脉冲放大器1输出的高能量2μm亚纳秒激光脉冲作为泵浦光，2～10μm可调谐的高能量(mJ量级)超短脉冲激光发生器3作为OPCPA系统的信号光。基于OPCPA 技术的高能量超快激光系统4最终实现对2～10μm信号光脉冲能量的大幅提升。

Claims (7)

1.基于耗散孤子共振脉冲的多级放大器，其特征为：具有用于与耗散孤子共振脉冲放大器(1)连接的一级光纤预放大单元，以及通过第二隔离器(26)与一级光纤预放大单元连接的二级光纤预放大单元，在二级光纤预放大单元的输出方向连接有进行功率放大的固体放大单元；
在一级光纤预放大单元和二级光纤预放大单元中分别设有按信号传输方向相连接的合束器(23)和掺铥增益光纤(24)，其中合束器(23)还连接有泵浦源(25)。
2.如权利要求1所述的基于耗散孤子共振脉冲的多级放大器，其特征为：在一级光纤预放大单元的合束器(23)上游设有用于与耗散孤子共振脉冲放大器(1)连接的第一隔离器(22)。
3.如权利要求1所述的基于耗散孤子共振脉冲的多级放大器，其特征为：所述的泵浦源(25)为793nm单模激光器。
4.如权利要求1所述的基于耗散孤子共振脉冲的多级放大器，其特征为：所述的掺铥增益光纤(24)为双包层结构的掺铥增益光纤。
5.如权利要求1所述的基于耗散孤子共振脉冲的多级放大器，其特征为：在二级光纤预放大单元和固体放大单元之间设有第三隔离器(27)。
6.如权利要求1所述的基于耗散孤子共振脉冲的多级放大器，其特征为：在所述的固体放大单元中设有两个相连接的Ho:YLY晶体的固体放大器(28，29)。
7.具有权利要求1至6之一所述多级放大器的飞秒激光器，其特征为：由耗散孤子共振脉冲放大器(1)输出2μm亚纳秒激光脉冲的泵浦光至所述基于耗散孤子共振脉冲的多级放大器(2)中，多级放大器(2)输出2μm方波后，与脉冲激光发生器(3)发出的2～10μm可调谐激光一同输入到基于光参量啁啾脉冲放大的激光系统(4)后输出。
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