CN111064069B - 一种全光纤飞秒啁啾脉冲放大系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于频域‑时域映射脉冲整形的全光纤飞秒啁啾脉冲放大系统包括：飞秒脉冲种子源、全光纤脉冲整形器、光纤放大器和脉冲压缩器。所述的全光纤脉冲整形器包括第一泵浦源、波分复用器、第一增益光纤、第一环形器、光纤啁啾布拉格光栅压缩器、第二泵浦源、光纤合束器、第二增益光纤、第二环形器和光纤啁啾布拉格光栅展宽器。本发明的啁啾脉冲放大系统中引入了全光纤化脉冲整形器，抛物线脉冲整形过程可在全光纤化的结构中完成，无需额外引入空间元器件。在保证较高能量和峰值功率飞秒脉冲输出的同时、兼顾了系统的稳定性和可集成性。
Description
技术领域
本发明属于激光技术与非线性光学领域，尤其涉及一种基于频域-时域映射脉冲整形的全光纤飞秒啁啾脉冲放大系统。
背景技术
飞秒激光脉冲在超快微纳加工、超快非线性光学、太赫兹产生、时间分辨光谱学等领域有重要应用。飞秒激光可通过固体激光器和光纤激光器其产生，其中飞秒光纤激光器，可工作在兆赫兹的脉冲频率，还具有光束质量好、效率高、散热性好、结构紧凑等突出优点，已经逐步在激光增材制造、雷达遥感、生物医疗等方面展现出独特优势。
由于光纤的纤芯尺寸小，能量相对集中，脉冲在光纤中传输的距离较长，非线性效应成为阻碍光纤飞秒激光器性能提升的最主要因素，大量的非线性效应积累会使得压缩后的脉冲出现分裂和畸变。所以传统的技术难以在光纤中直接获得高平均功率、高峰值功率的飞秒激光输出。得益于啁啾脉冲放大技术(CPA，Chirped pulse amplification)的发明，飞秒光纤激光器技术快速发展。啁啾脉冲放大技术主要由四个部分组成：激光振荡器(种子源)、脉冲展宽器、激光放大器和脉冲压缩器。其基本原理为：种子激光脉冲被放大之前通过色散器件，时域上展宽至百皮秒或纳秒量级，随后展宽脉冲在激光放大器中功率得到提升，最后再通过脉冲压缩器补偿前级引入的色散，将脉冲压缩至飞秒量级。展宽脉冲的目的在于降低放大过程中激光脉冲的强度,使脉冲峰值功率在系统元件的损伤阈值以下，从而避免超短脉冲在放大后由于功率过高而给放大器光学元件带来损伤，并减弱或克服由于高强度激光在放大过程中可能引起的各种非线性效应，令光纤内脉冲能量可提高数个数量级。尤其在高平均功率飞秒光纤激光器方面，通过CPA技术已可以实现全光纤化平均功率百瓦级、脉冲能量微焦量级的飞秒脉冲输出，峰值功率可达十兆瓦量级。
随着超快激光应用领域的不断拓展，高能量、高峰值功率的飞秒激光的需求也逐渐提升。如何在光纤飞秒激光系统中实现高峰值功率的激光输出一直是科学研究的热点及难点。目前在光纤激光系统中实现高峰值功率飞秒脉冲输出的方法主要由三种：第一种是线性啁啾脉冲放大法，将振荡器输出的激光用空间光结构的大色散量光栅展宽器进行展宽，随后将展宽后的激光重新耦合入双包层增益光纤和大模场面积的有源光子晶体光纤棒进行放大，最后再利用光栅对进行压缩。该方法中，展宽器和压缩器的高阶色散可以相互匹配且放大过程中引入的非线性效应较小，可以实现高能量和高峰值功率的飞秒脉冲输出，但是系统中引入了大量的自由空间器件，造成系统整体比较复杂，稳定性降低，难以集成。此外，线性放大过程还有受到增益窄化效应的影响，导致压缩前的光谱明显窄化，压缩后无法得到较短的飞秒脉冲，限制了其峰值功率的提升。第二种方法是非线性放大，这种方法可以使用正色散传输光纤进行脉冲展宽，放大过程中产生的非线性可以和系统引入的三阶色散相互补偿，得到较高质量的飞秒脉冲。这种方法的缺点在于需要精确调节光栅的角度来保证三阶色散和非线性的匹配，对光栅调节的精度要求很高。第三种方法是自相似放大，该方法的原理是脉冲在光纤放大器中传输的过程中，增益、色散和非线性达到一定条件时，脉冲的形状会向抛物线型演化，这种抛物线型的脉冲在放大过程中积累的频率啁啾是线性的，可用光栅压缩器进行压缩，从而避免了放大器中的非线性积累导致压缩脉冲畸变的问题。该方法由于利用了光纤中的非线性效应，光谱得到了展宽，压缩后可获得小于百飞秒的激光脉冲。但其缺点在于维持自相似放大的条件较为苛刻，需预先将脉冲压缩至近飞秒量级，所以必须在放大器之前引入脉冲压缩器，这将增加系统的复杂性。此外，这种自相似放大系统受到了受激拉曼散射效应和光纤增益带宽的限制，输出能量一般维持在微焦量级，无法实现更高能量的输出。除此之外，产生抛物线脉冲还可以对脉冲时域整形的方式来实现，但这种方式需要引入空间光调制器，同样会增加系统的成本和复杂性。
发明内容
为解决线性啁啾脉冲系统自由空间元器件多，结构复杂，稳定性降低，难以集成和增益窄化效应明显的问题；非线性放大系统需要精确调节色散和放大器，对操作要求苛刻的问题；自相似放大系统中需求额外引入压缩器，造成结构复杂的问题，受激拉曼散射和增益带宽限制导致自相似脉冲能量受限的问题；使用空间光调制器进行脉冲整形成本高，结构复杂问题。本发明提供一种全光纤结构、可实现高能量、高峰值功率激光输出的基于频域-时域映射脉冲整形的全光纤飞秒啁啾脉冲放大系统。种子源输出的激光脉冲首先通过光纤放大器中的非线性放大过程将光谱进行抛物线整形，再通过光纤光栅展宽器引入线性啁啾，基于频域-时域映射效应，展宽后脉冲的时域也会趋近于抛物线型。对整形后的脉冲进行放大，可产生线性的频率啁啾，与传统方式相比，可有效降低因非线性效应积累对压缩脉冲产生的影响。此外，该方法可以实现百皮秒量级的抛物线脉冲放大，与自相似放大相比，长脉冲可提高系统受激拉曼散射的阈值，易于实现更高功率输出。该方案无需采用额外自由空间元器件，脉冲整形和脉冲放大过程可在全光纤的结构中完成，在实现高能量，高峰值功率的飞秒脉冲输出的同时，具有全光纤化结构，易于集成，性能稳定的特点。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于频域-时域映射脉冲整形的全光纤飞秒啁啾脉冲放大系统，包括飞秒脉冲种子源、全光纤脉冲整形器、光纤放大器和脉冲压缩器。所述的全光纤脉冲整形器包括第一泵浦源、波分复用器、第一增益光纤、第一环形器、光纤啁啾布拉格光栅压缩器、第二泵浦源、光纤合束器、第二增益光纤、第二环形器和光纤啁啾布拉格光栅展宽器。所述的飞秒脉冲种子源的输出端与全光纤脉冲整形器的第一波分复用器信号输入端相连，第一泵浦源的输出光纤与第一波分复用器的泵浦输入端相连，第一波分复用器的公共输出端与第一增益光纤的一端相连，第一增益光纤的另一端与第一环形器的输入端相连，第一环形器的反射端与光纤啁啾布拉格光栅压缩器的输入端相连，第一环形器的输出端与光纤合束器的信号输入端相连，第二泵浦源的输出端与光纤合束器的泵浦输入端相连，光纤合束器的公共端与第二增益光纤的一端相连，第二增益光纤的另一端与第二环形器的输入端相连，第二环形器的反射端与光纤啁啾布拉格光栅展宽器的输入端相连，第二环形器的输出端与光纤放大器的输入端相连，光纤放大器的输出端经准直后输入到脉冲压缩器。
作为优选，飞秒脉冲种子源的中心波长为1020-1080nm，光谱半高全宽为1-50nm，脉冲宽度0.2-10ps，重复频率0.5-100MHz，脉冲能量0.1-50nJ。
作为优选，所述的第一泵浦源和第二泵浦源是半导体激光器、固体激光器、气体激光器、光纤激光器或拉曼激光器，输出光纤是单模光纤或多模光纤，输出的泵浦光中心波长λ的范围为：700nm≦λ≦1030nm。
作为优选，所述的第一增益光纤和第二增益光纤是掺有镱(Yb)稀土离子的光纤，光纤可以是单包层光纤或双包层阶跃折射率光纤或双包层光子晶体光纤。
作为优选，所述光纤啁啾布拉格光栅压缩器的中心波长为1020-1080nm，光谱半高全宽为10-50nm，反射率在10％-99％之间，可提供的负色散值β2在-0.1至-0.5ps2之间。
作为优选，所述光纤啁啾布拉格光栅展宽器的中心波长为1020-1080nm，光谱半高全宽为10-50nm，反射率在10％-99％之间，可提供的正色散值β2在10至50ps2之间。
作为优选，所述光纤放大器由二级或多级掺镱光纤放大器组成。
作为优选，所述光纤放大器的各级之间采用光纤熔接耦合形式。
作为优选，所述光纤放大器的各级增益光纤的纤芯直径在6-50μm之间。
作为优选，所述脉冲压缩器是透射式光栅对压缩器、反射式光栅对压缩器、啁啾体布拉格光栅压缩器和空芯光纤的一种或几种组合。
本发明提供一种基于频域-时域映射脉冲整形的全光纤飞秒啁啾脉冲放大系统，核心器件为全光纤化脉冲整形器，通过光纤中的非线性效应及啁啾光纤光栅对脉冲进行整形，降低脉冲受非线性效应的影响。随后采用多级光纤放大器进行功率提升，最后使用压缩器进行脉冲压缩。
本发明的优势在于：啁啾脉冲放大系统中引入了全光纤化脉冲整形器，抛物线脉冲整形过程可在全光纤化的结构中完成，无需额外引入空间元器件。在保证较高能量和峰值功率飞秒脉冲输出的同时、兼顾了系统的稳定性和可集成性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于频域-时域映射脉冲整形的全光纤飞秒啁啾脉冲放大系统结构示意图。
图2为本发明实施例提供的全光纤化脉冲整形器结构示意图。
其中，1.飞秒脉冲种子源，2.全光纤脉冲整形器，3.光纤放大器，4.脉冲压缩器，201.第一泵浦源，202.波分复用器，203.第一增益光纤，204.第一环形器，205.光纤啁啾布拉格光栅压缩器，206.第二泵浦源，207.光纤合束器，208.第二增益光纤，209.第二环形器，210.光纤啁啾布拉格光栅展宽器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，但不限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供一种基于频域-时域映射脉冲整形的全光纤飞秒啁啾脉冲放大系统，包括：包括飞秒脉冲种子源1、全光纤脉冲整形器2、光纤放大器3和脉冲压缩器4。所述的全光纤脉冲整形器如图2所示，包括：第一泵浦源201、波分复用器202、第一增益光纤203、第一环形器204、光纤啁啾布拉格光栅压缩器205、第二泵浦源206、光纤合束器207、第二增益光纤208、第二环形器209和光纤啁啾布拉格光栅展宽器210。所述的飞秒脉冲种子源1的输出端与全光纤脉冲整形器2的波分复用器202的信号输入端相连，第一泵浦源201的输出光纤与波分复用202器的泵浦输入端相连，波分复用器202的公共输出端与第一增益光纤203的一端相连，第一增益光纤203的另一端与第一环形器204的输入端相连，第一环形器204的反射端与光纤啁啾布拉格光栅压缩器205的输入端相连，第一环形器204的输出端与光纤合束器207的信号输入端相连，第二泵浦源206的输出端与光纤合束器207的泵浦输入端相连，光纤合束器207的公共端与第二增益光纤208的一端相连，第二增益光纤208的另一端与第二环形器209的输入端相连，第二环形器209的反射端与光纤啁啾布拉格光栅展宽器210的输入端相连，第二环形器209的输出端与光纤放大器3的输入端相连，光纤放大器3的输出端经准直后输入到脉冲压缩器4中进行脉冲压缩。
飞秒脉冲种子源1产生的脉冲进入全光纤脉冲整形器2中，首先通过波分复用器202到达第一增益光纤203后功率得到放大，再经过第一环形器204和光纤啁啾布拉格光栅压缩器205后脉冲宽度较小，峰值功率得到提升，之后经过光纤合束器207进入第二增益光纤208，在第二增益光纤208中进行非线性放大，脉冲的光谱形状发生变化，在优化第一泵浦源201和第二泵浦源206的功率后，可以得到近似抛物线型的光谱整形效果，光谱整形后的脉冲在经过第二环形器208和光纤啁啾布拉格光栅展宽器210后，根据频域-时域映射效应，可以得到百皮秒量级的抛物线型展宽脉冲，该脉冲具有非线性抑制能力，整形后的脉冲输入到光纤放大器3中进行放大，最终进入脉冲压缩器4进行脉冲压缩。
本发明提供一种结构紧凑、性能稳定、可实现高峰值功率的基于频域-时域映射脉冲整形的全光纤飞秒啁啾脉冲放大系统。基于非线性放大和色散引导的频域-时域映射原理，采用全光纤化脉冲整形器将待放大脉冲在时域上展宽的同时进行抛物线整形，由于整形后的脉冲在放大过程中可有效抑制非线性积累引起的脉冲畸变问题，用该方法可实现高能量、高峰值功率激光输出。与传统方式相比，该结构中除了脉冲压缩器以外，不再有任何自由空间元器件，稳定性高、环境适应性强。另外，该结构可以在相同的展宽量下，可实现更高能量，更高脉冲质量的激光输出，具有广泛的应用前景。
Claims (10)
1.一种基于频域-时域映射脉冲整形的全光纤飞秒啁啾脉冲放大系统，其特征在于，包括飞秒脉冲种子源、全光纤脉冲整形器、光纤放大器和脉冲压缩器；其中，所述的全光纤脉冲整形器包括：第一泵浦源、波分复用器、第一增益光纤、第一环形器、光纤啁啾布拉格光栅压缩器、第二泵浦源、光纤合束器、第二增益光纤、第二环形器和光纤啁啾布拉格光栅展宽器；所述的飞秒脉冲种子源的输出端与全光纤脉冲整形器的第一波分复用器信号输入端相连，第一泵浦源的输出光纤与第一波分复用器的泵浦输入端相连，第一波分复用器的公共输出端与第一增益光纤的一端相连，第一增益光纤的另一端与第一环形器的输入端相连，第一环形器的反射端与光纤啁啾布拉格光栅压缩器的输入端相连，第一环形器的输出端与光纤合束器的信号输入端相连，第二泵浦源的输出端与光纤合束器的泵浦输入端相连，光纤合束器的公共端与第二增益光纤的一端相连，第二增益光纤的另一端与第二环形器的输入端相连，第二环形器的反射端与光纤啁啾布拉格光栅展宽器的输入端相连，第二环形器的输出端与光纤放大器的输入端相连，光纤放大器的输出端经准直后输入到脉冲压缩器。
2.如权利要求1所述基于频域-时域映射脉冲整形的全光纤飞秒啁啾脉冲放大系统，其特征在于，飞秒脉冲种子源的中心波长为1020-1080nm，光谱半高全宽为1-50nm，脉冲宽度0.2-10ps，重复频率0.5-100MHz，脉冲能量0.1-50nJ。
3.如权利要求1所述基于频域-时域映射脉冲整形的全光纤飞秒啁啾脉冲放大系统，其特征在于，所述的第一泵浦源和第二泵浦源是半导体激光器、固体激光器、气体激光器、光纤激光器或拉曼激光器，输出光纤是单模光纤或多模光纤，输出的泵浦光中心波长λ的范围为：700nm≦λ≦1030nm。
4.如权利要求1所述基于频域-时域映射脉冲整形的全光纤飞秒啁啾脉冲放大系统，其特征在于，所述的第一增益光纤和第二增益光纤是掺有镱(Yb)稀土离子的光纤，光纤为单包层光纤或双包层阶跃折射率光纤或双包层光子晶体光纤。
5.如权利要求1所述基于频域-时域映射脉冲整形的全光纤飞秒啁啾脉冲放大系统，其特征在于，所述光纤啁啾布拉格光栅压缩器的中心波长为1020-1080nm，光谱半高全宽为10-50nm，反射率在10％-99％之间，可提供的负色散值β2在-0.1至-0.5ps2之间。
6.如权利要求1所述基于频域-时域映射脉冲整形的全光纤飞秒啁啾脉冲放大系统，其特征在于，所述光纤啁啾布拉格光栅展宽器的中心波长为1020-1080nm，光谱半高全宽为10-50nm，反射率在10％-99％之间，可提供的正色散值β2在10至50ps2之间。
7.如权利要求1所述基于频域-时域映射脉冲整形的全光纤飞秒啁啾脉冲放大系统，其特征在于，所述光纤放大器的各级增益光纤的纤芯直径在6-50μm之间。
8.如权利要求1所述基于频域-时域映射脉冲整形的全光纤飞秒啁啾脉冲放大系统，其特征在于，所述脉冲压缩器是透射式光栅对压缩器、反射式光栅对压缩器、啁啾体布拉格光栅压缩器和空芯光纤的一种或几种组合。
9.如权利要求1所述基于频域-时域映射脉冲整形的全光纤飞秒啁啾脉冲放大系统，其特征在于，所述光纤放大器由二级或多级掺镱光纤放大器组成。
10.如权利要求9所述基于频域-时域映射脉冲整形的全光纤飞秒啁啾脉冲放大系统，其特征在于，所述光纤放大器的各级之间采用光纤熔接耦合形式。
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