CN111162435A - 一种全保偏飞秒光纤激光系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种全保偏飞秒光纤激光系统，系统包括种子源和放大器，放大器包括放大级、展宽器和压缩器；其中，种子源为锁模光纤激光器，锁模光纤激光器输出激光脉冲连接第一保偏隔离器后接入第一级放大，将第一级放大后输出功率增加的脉冲经过第二保偏隔离器接入展宽器，展宽后的脉冲接入第二级放大，将第二级放大后输出功率增加的脉冲经过第三保偏隔离器接入压缩器，经压缩级脉冲得到压缩。本发明的有益效果为：本发明采用全保偏器件组成，提高激光器的输出功率，获得更短更高质量的脉冲，并且全部光纤化，易于小型化，系统稳定性高，最终经过放大系统脉宽被压缩为63fs，输出平均功率最大为350mW。

Description

一种全保偏飞秒光纤激光系统
技术领域
本发明属于光纤器件领域，特别涉及一种全保偏飞秒光纤激光系统。
背景技术
随着激光技术的不断发展与创新，超短脉冲激光器被广泛应用于科学研究和工业生产等领域，这些应用需求要求超短脉冲激光器不仅要具有较短的脉宽，而且要具备较高的单脉冲能量与足够高的平均功率。而振荡器直接输出的光脉冲不足以满足工业加工的要求，故需要在原有的超短脉冲振荡器后多加一级或者多级放大，以实现高功率、高能量脉冲输出。自从1985年啁啾脉冲放大技术(Chirped pulse amplification，CPA)被发明，极大地促进了高功率超短脉冲的发展。CPA技术的实现是通过在振荡器之后引入时间延迟的装置，例如光纤或光栅、棱镜对等组成的展宽器，将激光脉冲在时域上展宽，降低脉冲的峰值功率，再利用增益光纤进行脉冲放大，最后输出由光栅对或棱镜对等组成的压缩器进行时域上的脉冲压缩，从而获得时间尺度在飞秒级别的高功率、高能量的激光脉冲。CPA技术有效地规避了超短脉冲激光放大中因激光强度快速提升而引起的放大饱和效应及元器件的损伤破坏，同时极大地降低了脉冲在光纤中非线性相移的积累。然而，增益窄化效应的出现限制了CPA放大激光系统实现更短脉冲宽度的发展。并且传统的CPA无法实现全光纤化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种全保偏飞秒光纤激光系统，提高激光器的输出功率，获得更短更高质量的脉冲，增加装置的适用性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种全保偏飞秒光纤激光系统，所述系统包括种子源和放大器，所述放大器包括放大级、展宽器和压缩器；其中，所述种子源为锁模光纤激光器，所述锁模光纤激光器输出激光脉冲连接第一保偏隔离器后接入第一级放大，将第一级放大后输出功率增加的脉冲经过第二保偏隔离器接入所述展宽器，展宽后的脉冲接入第二级放大，将第二级放大后输出功率增加的脉冲经过第三保偏隔离器接入所述压缩器，经压缩级脉冲得到压缩。
优选的，经所述压缩器输出结果脉宽压缩到63fs，最大输出平均功率达到350mW。
优选的，所述种子源的环行腔包括保偏波分复用器、第一保偏掺铒光纤、第一保偏光纤环形器、可饱和吸收镜、保偏光纤耦合器、保偏可调衰减器和第一泵浦源，所述第一泵浦源最大泵浦功率为750mW。
优选地，所述第一级放大包括第二泵浦源和第二保偏掺铒光纤，所述第二泵浦源最大泵浦功率为550mW。
优选的，所述展宽器包括第一啁啾光纤布拉格光栅、第二保偏光纤环形器和保偏色散补偿光纤，所述第一啁啾光纤布拉格光栅通过第二保偏光纤环形器接入系统。
优选地，所述第二级放大包括第三泵浦源、第三保偏掺铒光纤和第四泵浦源，所述第三泵浦源和所述第四泵浦源最大泵浦功率为750mW。
优选地，所述压缩器包括第三保偏光纤环形器和第二啁啾光纤布拉格光栅，所述第二啁啾光纤布拉格光栅通过所述第三保偏光纤环形器接入系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明采用全保偏器件组成，提高激光器的输出功率，获得更短更高质量的脉冲，并且全部光纤化，易于小型化，系统稳定性高，最终经过放大系统脉宽被压缩为63fs，输出平均功率最大为350mW。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出了本发明装置整体示意图；
图2示意性示出了本发明装置整体的详细结构示意图；
图3示意性示出了本发明种子源输出的光谱及脉冲示意图；
图4示意性示出了本发明经过放大后输出的光谱及脉冲示意图。
图中：
1、第一泵浦源 2、保偏波分复用器
3、第一保偏掺铒光纤 4、第一保偏光纤环形器
5、可饱和吸收镜 6、保偏光纤耦合器
7、保偏可调衰减器 8、第一保偏隔离器
9、第二泵浦源 10、第二保偏掺铒光纤
11、第二保偏隔离器 12、第二保偏光纤环形器
13、第一啁啾光纤布拉格光栅 14、保偏色散补偿光纤
15、第三泵浦源 16、第三保偏掺铒光纤
17、第四泵浦源 18、第三保偏隔离器
19、第三保偏光纤环形器 20、第二啁啾光纤布拉格光栅
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种全保偏飞秒光纤激光系统，本系统由种子源及放大系统组成，种子源为锁模光纤激光器，放大系统由放大级、展宽器和压缩器组成。其位置关系如图1所示：光纤激光器输出激光脉冲连接第一保偏隔离器8后接入第一级放大，经过第一级放大后，脉冲的输出功率增加，经第二保偏隔离器11接入展宽器，脉冲得到展宽，接着接入第二级放大，输出功率得到了进一步的提升，最后经压缩级脉冲的到压缩。最终输出结果脉宽压缩到63fs，最大输出平均功率达到350mW。
种子源为锁模光纤激光器，锁模器件为石墨烯可饱和吸收镜。该种子源的环行腔由一个980/1550保偏波分复用器2，1m第一保偏掺铒光纤3，一个第一保偏光纤环形器4，一个可饱和吸收镜5，一个保偏光纤耦合器6，一个保偏可调衰减器7，一个980nm第一泵浦源1组成。第一保偏掺铒光纤3为Nufern公司的PM-ESF-7/125，吸收系数为55dB/m(1530nm)，在1550nm的群色散速度为-0.02ps^2/m。第一泵浦源1最大泵浦功率为750mW。
第一级放大由一个980nm第二泵浦源9和1m长的第二保偏掺铒光纤10组成。第二保偏掺铒光纤10为Nufern公司的PM-ESF-7/125。第二泵浦源9最大泵浦功率为550mW。展宽器是由第一啁啾光纤布拉格光栅13、第二保偏光纤环形器12和5m保偏色散补偿光纤14组成，第一啁啾光纤布拉格光栅13由第二保偏光纤环形器12接入系统，保偏色散补偿光纤14在1560nm的群色散速度为0.13ps^2/m。第二级放大由980nm第三泵浦源15、第四泵浦源17组成和2.2m的第三保偏掺铒光纤16组成。第三泵浦源15和第四泵浦源17的最大泵浦功率为750mW。压缩级由第二啁啾光纤布拉格光栅20和第三保偏光纤环形器19组成。第二啁啾光纤布拉格光栅20由第三保偏光纤环形器19接入系统。
首先调节种子源的泵浦功率及石墨烯可饱和吸收镜实现自锁模，在第一泵浦源1泵浦功率达140mW时，脉冲实现自锁模。种子源的输出光谱及脉冲如图3所示，光谱宽度为6.5nm，脉宽为477fs。输出平均功率为4.7mW。输出激光经过第一保偏隔离器8后进入第一级放大，第一级放大采用前向泵浦方式进行泵浦，第二泵浦源9最大输出功率为550mW，调节泵浦功率到200mW时输出效果较为理想，增益光纤选择1m长的第二保偏掺铒光纤10。经过第一级放大后输出功率为40mW。然后脉冲进入展宽器进行展宽，展宽器采用第一啁啾光纤布拉格光栅13CFBG和保偏色散补偿光纤14的方式进行对脉冲展宽，同时把脉冲引入到正色散区，以避免后期压缩产生脉冲分裂。在这一阶段，脉冲展宽到24ps。而后进行第二级放大，第二级放大主要进行输出功率的放大，所以采用双向泵浦(第三泵浦源15和第四泵浦源17)，第三泵浦源15和第四泵浦源17的最大输出功率均为750mW。采用长度为2.2m的第三保偏掺铒光纤16作为增益介质。调节第三泵浦源15和第四泵浦源17输出功率为900mW时，最大输出功率350mW。最后经过压缩器，压缩器由第二啁啾光纤布拉格光栅20组成，由于展宽器引入了正色散，压缩器由第二啁啾光纤布拉格光栅20引入负色散进行脉冲压缩。最后压缩输出脉冲为63fs，如图4所示为输出的光谱及脉冲。
本发明的有益效果：本发明采用全保偏器件组成，提高激光器的输出功率，获得更短更高质量的脉冲，并且全部光纤化，易于小型化，系统稳定性高，最终经过放大系统脉宽被压缩为63fs，输出平均功率最大为350mW。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (7)

1.一种全保偏飞秒光纤激光系统，其特征在于，所述系统包括种子源和放大器，所述放大器包括放大级、展宽器和压缩器；
其中，所述种子源为锁模光纤激光器，所述锁模光纤激光器输出激光脉冲连接第一保偏隔离器后接入第一级放大，将第一级放大后输出功率增加的脉冲经过第二保偏隔离器接入所述展宽器，展宽后的脉冲接入第二级放大，将第二级放大后输出功率增加的脉冲经过第三保偏隔离器接入所述压缩器，经压缩级脉冲得到压缩。
2.根据权利要求1所述系统，特征在于，经所述压缩器输出结果脉宽压缩到63fs，最大输出平均功率达到350mW。
3.根据权利要求1所述系统，特征在于，所述种子源的环行腔包括保偏波分复用器、第一保偏掺铒光纤、第一保偏光纤环形器、可饱和吸收镜、保偏光纤耦合器、保偏可调衰减器和第一泵浦源，所述第一泵浦源最大泵浦功率为750mW。
4.根据权利要求1所述系统，特征在于，所述第一级放大包括第二泵浦源和第二保偏掺铒光纤，所述第二泵浦源最大泵浦功率为550mW。
5.根据权利要求1所述系统，特征在于，所述展宽器包括第一啁啾光纤布拉格光栅、第二保偏光纤环形器和保偏色散补偿光纤，所述第一啁啾光纤布拉格光栅通过第二保偏光纤环形器接入系统。
6.根据权利要求1所述系统，特征在于，所述第二级放大包括第三泵浦源、第三保偏掺铒光纤和第四泵浦源，所述第三泵浦源和所述第四泵浦源最大泵浦功率为750mW。
7.根据权利要求1所述系统，特征在于，所述压缩器包括第三保偏光纤环形器和第二啁啾光纤布拉格光栅，所述第二啁啾光纤布拉格光栅通过所述第三保偏光纤环形器接入系统。
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