CN111490439A - 大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统，通过激光种子源产生GHz以上重复频率的激光脉冲。展宽放大模块对激光脉冲进行放大和脉冲展宽。脉冲调制模块对放大和展宽后的激光脉冲进行调制，生成不同频率和不同占空比的多个激光脉冲串，并采用多级放大模块对激光脉冲串进行逐级放大。非线性压缩放大模块通过控制泵浦功率或非线性量对光谱展宽进行调节，结合展宽放大模块对激光脉冲的展宽程度、脉冲调制模块的频率和占空比进行连续调节，可以获得不同的非线性压缩脉冲宽度，实现脉宽从皮秒到飞秒量级的连续可调。脉冲压缩模块对脉宽连续可调的激光脉冲的压缩和输出，实现大功率、高重复频率、脉宽可调的激光脉冲输出。

Description

大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统
技术领域
本申请涉及激光技术领域，特别是涉及一种大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统。
背景技术
随着飞秒脉冲激光的产生和放大技术的迅猛发展，超快脉冲激光被广泛应用于各个领域基础研究以及核心工业生产中，并催生了一批极具潜力的新兴学科和技术，如飞秒化学、激光生物学、强场物理学、纳米材料学、非线性光学、纳米光子学以及量子通信等。
但是，基于啁啾脉冲放大为代表的大能量飞秒激光技术的激光器虽然能够提供极高的单脉冲能量(μJ～mJ)，但其脉冲重复频率基本处于kHz～MHz水平且无法进行脉宽调制，严重限制了激光器的总体平均功率和应用范围。
发明内容
基于此，有必要针对现有激光器脉冲重复频率低以及无法进行脉宽调制的问题，提供一种大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统。
本申请提供一种大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统，包括：
激光种子源，用于发射GHz以上重复频率的激光脉冲；
展宽放大模块，用于对所述激光脉冲进行放大和展宽；
脉冲调制模块，用于对放大和展宽后的所述激光脉冲进行调制，生成不同频率和不同占空比的多个激光脉冲串；
多级放大模块，用于对所述激光脉冲串进行逐级放大；
非线性压缩放大模块，用于对逐级放大后的所述激光脉冲串进行再次放大以及非线性展宽，生成脉冲宽度连续可调的可调激光脉冲；以及
脉冲压缩模块，用于对所述可调激光脉冲进行压缩并输出。
在其中一个实施例中，所述激光种子源包括：
第一泵浦源，用于提供泵浦光；
激光谐振腔，包括部分反射镀膜头、第一稀土高掺杂光纤和半导体可饱和吸收镜，所述部分反射镀膜头通过所述第一稀土高掺杂光纤与所述半导体可饱和吸收镜连接形成所述激光谐振腔，其中，所述部分反射镀膜头用于接收泵浦光，所述第一稀土高掺杂光纤用于产生激光增益所需的粒子数反转，所述半导体可饱和吸收镜用于非线性吸收以及诱导锁模自启动，其中所述第一稀土高掺杂光纤的长度小于10cm；以及
第一波分复用器，其泵浦端与所述第一泵浦源连接，其信号端与所述部分反射镀膜头连接，其输出端形成所述激光种子源的输出端，用于将所述泵浦光注入所述激光谐振腔，并将所述激光谐振腔生成的GHz以上重复频率的所述激光脉冲输出。
在其中一个实施例中，所述展宽放大模块包括：
第一单模光纤放大器，用于对所述激光脉冲进行放大；
光纤展宽器，用于对放大后的所述激光脉冲进行展宽；以及
第二单模光纤放大器，用于对展宽后的所述激光脉冲进行二次放大；
其中，所述第一单模光纤放大器包括第二泵浦源、第二稀土高掺杂光纤和第二波分复用器，所述第二泵浦源用于提供泵浦光，所述第二稀土高掺杂光纤用于对所述激光脉冲进行放大，所述第二波分复用器的泵浦端与所述第二泵浦源的输出端连接，信号端与所述第二稀土高掺杂光纤连接，输出端形成所述第一单模光纤放大器的输出端。
在其中一个实施例中，所述脉冲调制模块包括：
信号发生器，用于生成频率和占空比可调的调制信号；以及
调制器，用于接收所述调制信号，并根据所述调制信号对放大和展宽后的所述激光脉冲进行调制，生成不同频率和不同占空比的多个激光脉冲串。
在其中一个实施例中，所述多级放大模块包括：
第三单模光纤放大器，用于对所述激光脉冲串进行放大；以及
双包层光纤放大器，用于对放大后的所述激光脉冲串进行二次放大。
在其中一个实施例中，所述第三单模光纤放大器包括：
第三泵浦源，用于提供泵浦光；
保偏稀土高掺杂光纤，用于对所述激光脉冲串进行放大；以及
保偏波分复用器，其泵浦端与所述第三泵浦源的输出端连接，其信号端与所述保偏稀土高掺杂光纤连接，其输出端形成所述第三单模光纤放大器的输出端。
在其中一个实施例中，所述双包层光纤放大器包括：
第一多模泵浦源，用于提供功率连续可调的泵浦光；
双包层稀土高掺杂光纤，用于对放大后的所述激光脉冲串进行二次放大；以及
泵浦合束器，其泵浦端与所述第一多模泵浦源的输出端连接，其信号端与所述第三单模光纤放大器的输出端连接，其输出端与所述双包层稀土高掺杂光纤的一端连接，所述双包层稀土高掺杂光纤的另一端形成所述双包层光纤放大器的输出端。
在其中一个实施例中，所述非线性压缩放大模块包括：
多个第二多模泵浦源，用于提供功率连续可调的泵浦光；
大模场双包层稀土高掺杂光纤，用于对逐级放大后的所述激光脉冲串进行二次放大；
第二泵浦合束器，其泵浦端与多个所述第二多模泵浦源的输出端连接，其信号端与所述多级放大模块的输出端连接，其输出端与所述大模场双包层稀土高掺杂光纤的一端连接；以及
非线性光谱展宽器，与所述大模场双包层稀土高掺杂光纤的另一端连接，形成所述非线性压缩放大模块的输出端，用于对二次放大后的所述激光脉冲串进行非线性展宽，其中所述非线性光谱展宽器包括大模场无源光纤或光子晶体光纤。
在其中一个实施例中，所述大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统还包括：
光束整形模块，包括输出端帽和准直透镜，所述输出端帽设置于所述非线性压缩放大模块的输出端，用于对所述可调激光脉冲进行扩束，所述准直透镜设置于从所述输出端帽出射的光路上，用于对扩束后的所述可调激光脉冲进行准直，并将准直后的所述可调激光脉冲发射至所述脉冲压缩模块。
在其中一个实施例中，所述激光种子源、展宽放大模块、脉冲调制模块、多级放大模块以及非线性压缩放大模块依次通过光纤熔接的方式连接。
在上述实施例中，通过激光种子源产生GHz以上重复频率的激光脉冲，可以保证大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统输出激光脉冲的高重复频率。展宽放大模块对激光脉冲进行放大和脉冲展宽，可以降低激光脉冲的峰值功率，避免由于峰值功率过高导致的低效放大、器件损伤或非线性效应等。随后，脉冲调制模块可以对放大和展宽后的激光脉冲进行调制，生成不同频率和不同占空比的多个激光脉冲串，并采用多级放大模块对激光脉冲串进行逐级放大，实现对激光脉冲能量的连续提升，保证最终激光脉冲的输出功率。非线性压缩放大模块可以通过控制泵浦功率或非线性量对光谱展宽进行调节，结合调节展宽放大模块对激光脉冲的展宽程度、脉冲调制模块的频率和占空比，可以获得不同的非线性压缩脉冲宽度，实现脉宽从皮秒到飞秒量级的连续可调。最后结合脉冲压缩模块即可实现对脉宽连续可调的激光脉冲的压缩和输出。因此，本申请提供的大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统可以实现大功率、高重复频率、脉宽可调的激光脉冲输出。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统光路结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统的激光种子源光路结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统的激光种子源的示波器曲线；
图4为本申请实施例提供的一种大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统的第一单模光纤放大器或第二单模光纤放大器光路结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一种大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统的第三单模光纤放大器光路结构示意图；
图6为本申请实施例提供的一种大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统的双包层光纤放大器光路结构示意图；
图7为本申请实施例提供的一种大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统的非线性压缩放大模块光路结构示意图；
图8本申请实施例提供的一种大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统的脉冲压缩模块进行脉冲压缩后的自相关曲线。
附图标号说明
100 大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统
10 激光种子源
110 第一泵浦源
120 激光谐振腔
121 部分反射镀膜头
122 第一稀土高掺杂光纤
123 半导体可饱和吸收镜
130 第一波分复用器
20 展宽放大模块
210 第一单模光纤放大器
211 第二泵浦源
212 第二稀土高掺杂光纤
213 第二波分复用器
220 光纤展宽器
230 第二单模光纤放大器
30 脉冲调制模块
310 信号发生器
320 调制器
40 多级放大模块
410 第三单模光纤放大器
411 第三泵浦源
412 保偏稀土高掺杂光纤
413 保偏波分复用器
420 双包层光纤放大器
421 第一多模泵浦源
422 双包层稀土高掺杂光纤
423 泵浦合束器
50 非线性压缩放大模块
510 第二多模泵浦源
520 大模场双包层稀土高掺杂光纤
530 第二泵浦合束器
540 非线性光谱展宽器
60 脉冲压缩模块
70 光束整形模块
710 输出端帽
720 准直透镜
80 空间隔离器
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
在传统方案中，商用大功率飞秒脉冲激光器的平均功率基本位于数瓦到数十瓦的水平。此外，商用大功率飞秒激光器主要是基于自由空间结构的固体振荡器与参量放大系统，往往体积庞大且价格昂贵。因此，上述缺陷在很大程度上制约了相关前沿科学研究和相关产业升级。
例如，在材料微纳加工领域，相比于长脉冲激光，飞秒激光作用于固体材料时热量扩散小，具备可控性强、加工精度高以及无热损伤等独特优势，而飞秒激光器平均功率低(加工效率低)以及成本高的问题制约了其在工业上的推广和普及。又如，在生物医学研究领域，传统低重复率飞秒激光会对生物组织产生严重的光漂白和光毒效应，严重限制了基于多光子吸收光学成像的脑科学研究的发展。而在物理学研究中，实现紫外和中红外的频率梳时，近红外频率梳光源的功率亟待提升。因此，针对传统方案中存在的问题以及上述的科研及工业需求，本申请提供一种大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统100。
请参见图1，本申请提供一种大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统100。大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统100包括激光种子源10、展宽放大模块20、脉冲调制模块30、多级放大模块40、非线性压缩放大模块50以及脉冲压缩模块60。激光种子源10用于发射GHz以上重复频率的激光脉冲。展宽放大模块20用于对激光脉冲进行放大和展宽。脉冲调制模块30用于对放大和展宽后的激光脉冲进行调制，生成不同频率和不同占空比的多个激光脉冲串。多级放大模块40用于对激光脉冲串进行逐级放大。非线性压缩放大模块50用于对逐级放大后的激光脉冲串进行再次放大以及非线性展宽，生成脉冲宽度连续可调的可调激光脉冲。脉冲压缩模块60用于对可调激光脉冲进行压缩并输出。
激光种子源10可以为被动锁模超快光纤激光器，可以提供高重复频率的原始脉冲信号。展宽放大模块20可以对脉冲重复频率在1GHz以上的激光种子源10发射的激光脉冲进行放大，同时展宽放大模块20还可以采用非线性啁啾脉冲放大技术展宽光谱。脉冲调制模块30可以基于脉冲串调制技术对放大和展宽后的激光脉冲进行调制，即将连续的锁模激光脉冲序列调制为不同频率和不同占空比的突发模式的超密集激光脉冲串，相邻两个激光脉冲串之间没有脉冲信号。可以理解，脉冲调制模块30的调制可以减少原始激光脉冲中脉冲数量，降低激光脉冲的重复频率。展宽放大模块20和多级放大模块40为激光脉冲能量的提升部件，可以实现对激光脉冲的逐级放大，保证大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统100的大功率输出。非线性压缩放大模块50可以将激光脉冲的平均功率从数瓦提高到百瓦量级，并对激光脉冲的光谱进行非线性展宽，实现大幅连续展宽光谱，从而获得脉宽连续可调的变换极限脉冲宽度。最后，脉冲压缩模块60可以将展宽放大后的激光脉冲的脉宽压缩至变换极限，实现激光的输出。
在本实施例中，光谱展宽的程度可以通过调节展宽放大模块20对激光脉冲的展宽程度、脉冲调制模块30的频率和占空比以及非线性压缩放大模块50的泵浦功率及非线性量进行连续调节，从而获得不同的非线性压缩脉冲宽度，实现脉宽从皮秒到飞秒量级的连续可调。其中，调节光谱展宽程度时，展宽放大模块20、脉冲调制模块30以及非线性压缩放大模块50的具体调节参数见后续说明。因此，本申请提供的大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统100可以将GHz重复频率的初始激光脉冲信号放大至百瓦量级的同时，还可以实现激光脉冲的脉宽可调(ps至500fs)。
可以理解，通过激光种子源10产生GHz以上重复频率的激光脉冲，可以保证大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统100输出激光脉冲的高重复频率。展宽放大模块20对激光脉冲进行放大和脉冲展宽，可以降低激光脉冲的峰值功率，避免由于峰值功率过高导致的低效放大、器件损伤或非线性效应等。随后，脉冲调制模块30可以对放大和展宽后的激光脉冲进行调制，生成不同频率和不同占空比的多个激光脉冲串，并采用多级放大模块40对激光脉冲串进行逐级放大，实现对激光脉冲能量的连续提升，保证最终激光脉冲的输出功率。非线性压缩放大模块50可以通过控制泵浦功率或非线性量对光谱展宽进行调节，结合展宽放大模块20对激光脉冲的展宽程度、脉冲调制模块30的频率和占空比，可以获得不同的非线性压缩脉冲宽度，实现脉宽从皮秒到飞秒量级的连续可调。最后结合脉冲压缩模块60即可实现对脉宽连续可调的激光脉冲的压缩和输出。因此，本申请提供的大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统100可以实现大功率、高重复频率、脉宽可调的激光脉冲输出。
请一并参见图2，在其中一个实施例中，激光种子源10包括第一泵浦源110、激光谐振腔120以及第一波分复用器130。第一泵浦源110用于提供泵浦光。激光谐振腔120包括部分反射镀膜头121、第一稀土高掺杂光纤122和半导体可饱和吸收镜123，部分反射镀膜头121通过第一稀土高掺杂光纤122与半导体可饱和吸收镜123连接形成激光谐振腔120，其中，部分反射镀膜头121用于接收泵浦光，第一稀土高掺杂光纤122用于产生激光增益所需的粒子数反转，半导体可饱和吸收镜123用于非线性吸收以及诱导锁模自启动。第一波分复用器130，其泵浦端与第一泵浦源110连接，其信号端与部分反射镀膜头121连接，其输出端形成激光种子源10的输出端，用于将泵浦光注入激光谐振腔120，并将激光谐振腔120生成的GHz以上重复频率的激光脉冲输出。
请一并参见图3，在本实施例中，激光种子源10可以采用线型光纤激光腔结构，采用被动锁模的方式产生高重复频率脉冲信号。在其中一个实施例中，第一稀土高掺杂光纤122的长度小于10cm。可以理解，通过限制第一稀土高掺杂光纤122的长度小于10cm，可以限制激光谐振腔120的长度，从而保证激光种子源10产生的激光脉冲的重复频率在1GHz以上。在其中一个实施例中，第一泵浦源110可以为976nm单模半导体泵浦源，部分反射镀膜头121的反射率可以为75％，第一稀土高掺杂光纤122的长度可以为7.5cm。此时，激光种子源10输出的激光脉冲的重复频率为1.2GHz，脉冲宽度为4.9ps，中心波长为1057nm，平均功率为20mW。
在其中一个实施例中，展宽放大模块20包括第一单模光纤放大器210、光纤展宽器220以及第二单模光纤放大器230。第一单模光纤放大器210用于对激光脉冲进行放大。光纤展宽器220用于对放大后的激光脉冲进行展宽。第二单模光纤放大器230用于对展宽后的激光脉冲进行二次放大。
在本实施例中，光纤展宽器220可以为长距离的单模光纤，通过单模光纤可以对原始脉冲进行展宽。光纤展宽器220采用非线性啁啾脉冲放大技术，利用光纤的非线性效应(自相位调制)展宽光谱，其中光纤展宽器220光谱展宽的程度可以通过调整光纤的色散量进行调整。通过采用光纤展宽器220对激光脉冲进行展宽，可以降低激光脉冲的峰值功率，避免由于峰值功率过高导致的低效放大、器件损伤或非线性效应等，从而保证大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统100的激光脉冲质量并延长大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统100的使用寿命。
请一并参见图4，在其中一个实施例中，第一单模光纤放大器210包括第二泵浦源211、第二稀土高掺杂光纤212以及第二波分复用器213。第二泵浦源211用于提供泵浦光。第二稀土高掺杂光纤212用于对激光脉冲进行放大。第二波分复用器213，其泵浦端与第二泵浦源211的输出端连接，其信号端与第二稀土高掺杂光纤212连接，其输出端形成第一单模光纤放大器210的输出端，与下一级尾纤连接。
其中，第一单模光纤放大器210采用后向泵浦的方式。在其中一个实施例中，第二泵浦源211可以选用最大输出功率为600mW的976nm单模半导体泵浦源，第二稀土高掺杂光纤212可以为60cm且纤芯半径为6μm的稀土高掺杂单模光纤，第二波分复用器213可以为1×2波分复用器。激光脉冲经过第一单模光纤放大器210放大后，平均功率可以被放大至60mW。在本实施例中，第一单模光纤放大器210之后可以连接一个中心波长为1060nm，带宽为20nm的带通滤波器，可以抑制第一单模光纤放大器210之后产生的放大自发辐射。
在其中一个实施例中，第二单模光纤放大器230可以与第一单模光纤放大器210的组成和连接结构相同。在第二单模光纤放大器230中，第二泵浦源211可以选用最大输出功率为600mW的976nm单模半导体泵浦源，第二稀土高掺杂光纤212可以为2m且纤芯半径为6μm的稀土高掺杂单模光纤。在本实施例中，经过第二单模光纤放大器230，激光脉冲的平均功率可以被放大至380mW。
在其中一个实施例中，光纤展宽器220包括100米～200米范围内的单模光纤或啁啾光纤光栅。
在本实施例中，光纤展宽器220可以为具有正色散特性的色散元件，包括但不限于长距离的单模光纤和啁啾光纤光栅。在其中一个实施例中，光纤展宽器220可以包括长距离单模光纤，单模光纤的输入端与第一单模光纤放大器210之后连接的带通滤波器的尾纤相连，单模光纤的输出端与下一级的尾纤相连。在本实施例中，单模光纤的长度可以为200m，激光脉冲经过单模光纤后，脉冲宽度可以被拉伸至25ps。可以理解，100米～200米的单模光纤可以保证激光脉冲的脉冲宽度，结合后续脉冲调制模块30和非线性压缩放大模块50，可以实现激光脉冲的脉宽从皮秒到飞秒量级的连续可调。
在其中一个实施例中，脉冲调制模块30包括信号发生器310和调制器320。信号发生器310用于生成频率和占空比可调的调制信号。调制器320用于接收调制信号，并根据调制信号对放大和展宽后的激光脉冲进行调制，生成不同频率和不同占空比的多个激光脉冲串。
在本实施例中，信号发生器310可以施加调制信号给调制器320，调制器320可以对输入的激光脉冲进行相应的调制。在其中一个实施例中，调制器320可以为尾纤型声光调制器，信号发生器310的频率可以从1kHz到20MHz进行调节，占空比可以从3％到99％进行调节。激光脉冲经过脉冲调制模块30后，连续激光脉冲信号可以变为突发重复频率为1MHz的超密集模式激光脉冲串，其占空比为50％，重复频率为1.2GHz，平均功率下降至150mW。可以理解，通过调整脉冲调制模块30的频率和占空比，结合光纤展宽器220光纤色散量的调整以及非线性压缩放大模块50的泵浦功率(或者光谱展宽光纤长度)进行连续调节，可以获得不同的非线性压缩脉冲宽度，实现激光脉冲的脉宽从皮秒到飞秒量级的连续可调。
在其中一个实施例中，多级放大模块40包括第三单模光纤放大器410和双包层光纤放大器420。第三单模光纤放大器410用于对激光脉冲串进行放大。双包层光纤放大器420用于对放大后的激光脉冲串进行二次放大。
在本实施例中，第三单模光纤放大器410和双包层光纤放大器420可以对激光脉冲串进行逐级放大，从而保证大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统100的大输出功率要求。
请一并参见图5，在其中一个实施例中，第三单模光纤放大器410包括第三泵浦源411、保偏稀土高掺杂光纤412以及保偏波分复用器413。第三泵浦源411用于提供泵浦光。保偏稀土高掺杂光纤412用于对激光脉冲串进行放大。保偏波分复用器413，其泵浦端与第三泵浦源411的输出端连接，其信号端与保偏稀土高掺杂光纤412连接，其输出端形成第三单模光纤放大器410的输出端。
在其中一个实施例中，第三泵浦源411可以选用最大输出功率为600mW的976nm单模半导体泵浦源、保偏波分复用器413可以为1×2保偏波分复用器，保偏稀土高掺杂光纤412可以为1m且纤芯半径为6μm的保偏稀土高掺杂单模光纤。经过第三单模光纤放大器410，激光脉冲信号的平均功率可以被放大至400mW，可以实现对激光脉冲进行展宽后的功率补偿，保证大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统100的大输出功率要求。可以理解，上述实施例中的光纤放大器之间均可以设置有隔离器。
请一并参见图6，在其中一个实施例中，双包层光纤放大器420包括第一多模泵浦源421、双包层稀土高掺杂光纤422以及泵浦合束器423。第一多模泵浦源421用于提供功率连续可调的泵浦光。双包层稀土高掺杂光纤422用于对放大后的激光脉冲串进行二次放大。泵浦合束器423，其泵浦端与第一多模泵浦源421的输出端连接，其信号端与第三单模光纤放大器410的输出端(上一级尾纤)连接，其输出端与双包层稀土高掺杂光纤422的一端连接，双包层稀土高掺杂光纤422的另一端形成双包层光纤放大器420的输出端。
在本实施例中，双包层光纤放大器420可以采用前向泵浦的方式。在其中一个实施例中，第一多模泵浦源421可以为最大输出功率为27W的1个的多模半导体泵浦源，双包层稀土高掺杂光纤422可以为3.5m且纤芯半径为10μm的双包层稀土高掺杂光纤，泵浦合束器423可以为(2+1)×1的保偏合束器。激光脉冲串经过双包层光纤放大器420，激光脉冲信号的平均功率可以被放大至6.9W。可以理解，双包层光纤放大器420的设置可以保证后续非线性压缩放大模块50将激光脉冲功率放大至百瓦量级，从而保证大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统100的大输出功率要求。
请一并参见图7，在其中一个实施例中，非线性压缩放大模块50包括多个第二多模泵浦源510、大模场双包层稀土高掺杂光纤520、第二泵浦合束器530以及非线性光谱展宽器540。多个第二多模泵浦源510用于提供功率连续可调的泵浦光。大模场双包层稀土高掺杂光纤520用于对逐级放大后的激光脉冲串进行二次放大。第二泵浦合束器530，其泵浦端与多个第二多模泵浦源510的输出端连接，其信号端与多级放大模块40的输出端连接(上一级尾纤)，其输出端与大模场双包层稀土高掺杂光纤520的一端连接。非线性光谱展宽器540，与大模场双包层稀土高掺杂光纤520的另一端连接，形成非线性压缩放大模块50的输出端，用于对二次放大后的激光脉冲串进行非线性展宽。
在本实施例中，非线性压缩放大模块50可以采用前向泵浦的方式。其中，非线性光谱展宽器540可以由非线性介质构成。在其中一个实施例中，非线性光谱展宽器540包括大模场无源光纤或光子晶体光纤。在其中一个实施例中，第二多模泵浦源510可以选用最大输出功率为60W的6个多模半导体泵浦源、大模场双包层稀土高掺杂光纤520可以为2.5m且纤芯半径为30μm的大模场双包层稀土高掺杂光纤，第二泵浦合束器530可以为(6+1)×1的保偏合束器，非线性光谱展宽器540可以为1.5m且纤芯半径为30μm无源光纤，其可以同时作为光谱展宽器件和输出光光纤。经过非线性压缩放大模块50，激光脉冲信号的平均功率可以被放大至165W。其中，非线性光谱展宽器540可以实现脉冲光谱非线性展宽，大幅连续展宽光谱，对应地可以获得脉宽连续可调的变换极限脉冲宽度。可以理解，通过控制非线性压缩放大模块50的泵浦功率，或者控制非线性压缩放大模块50的非线性光谱展宽量，可实现脉冲宽度连续可以调。
在其中一个实施例中，大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统100还包括光束整形模块70。光束整形模块70用于对非线性压缩放大模块50生成的可调激光脉冲进行整形，并将整形后的可调激光脉冲发射至脉冲压缩模块60。在本实施例中，通过设置光束整形模块70，可以防止非线性压缩放大模块50输出的激光脉冲产生畸变，保证激光脉冲的质量。
在其中一个实施例中，光束整形模块70包括输出端帽710以及准直透镜720。输出端帽710设置于非线性压缩放大模块50的输出端，用于对可调激光脉冲进行扩束。准直透镜720设置于从输出端帽710出射的光路上，用于对扩束后的可调激光脉冲进行准直，并将准直后的可调激光脉冲发射至脉冲压缩模块60。
在本实施例中，经非线性压缩放大模块50放大后的激光脉冲可以经由输出端帽710输出，并由准直透镜720准直为一定光斑大小的准直光束，并传输至脉冲压缩模块60。其中，输出端帽710可以通过循环水进行冷却。准直透镜720可以为焦距为30mm的平凸透镜。在本实施例中，大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统100还包括空间隔离器80，空间隔离器80设置于准直透镜720和脉冲压缩模块60之间，从准直透镜720输出的激光脉冲经空间隔离器80后可以传输至脉冲压缩模块60，此时平均功率可以降低为145W。
请一并参见图8，在其中一个实施例中，脉冲压缩模块60可以为具有负色散特性的色散元件。脉冲压缩模块60可以由一对压缩光栅和两块反射角分别为0°和45°的介质膜反射镜构成，入射光经过两块压缩光栅之后由反射角为0°的介质膜反射镜反射回，返回光在竖直方向上与入射光错开，经由第一块光栅前的反射角为45°的介质膜反射镜将光线导出。在本实施例中，压缩光栅对的刻线密度可以为1600lines/mm，介质膜反射镜的中心波长可以为1064nm，反射率可以大于99.5％。经过脉冲压缩模块60后，激光脉冲信号的平均功率可以降低至108W，脉冲宽度被压缩至473fs。其中，脉冲压缩后的自相关曲线可以参见图8。
在其中一个实施例中，激光种子源10、展宽放大模块20、脉冲调制模块30、多级放大模块40以及非线性压缩放大模块50依次通过光纤熔接的方式连接。在本实施例中，通过将激光种子源10、展宽放大模块20、脉冲调制模块30、多级放大模块40以及非线性压缩放大模块50依次通过光纤熔接的方式连接，可以得到高重复频率且脉宽可调的全光纤超快激光系统，而全光纤结构的激光器具有编写紧凑、光束质量高、稳定性和可靠性良好等优点，同时其制造成本和维护成本相比于传统激光结构更低。另外，采用全光纤结构可以使大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统100具有集成度高、稳定性好、光束质量高的优点，可以满足工业化应用的多种需求。
根据上述实施例，本申请提供的大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统100可以通过激光种子源10产生高重复频率的激光脉冲，采用非线性啁啾放大技术，将脉冲信号展宽后由三级单模光纤放大器(第一单模光纤放大器210、第二单模光纤放大器230和第三单模光纤放大器410)，一级双包层光纤放大器420和一级大功率非线性压缩放大模块50进行逐级放大，并在非线性压缩放大模块50中通过合理地控制其泵浦功率或者调控非线性量，获得光谱展宽调节，从而实现连续可调的脉宽压缩，并且在放大过程中借助脉冲调制模块30产生超密集模式脉冲串。上述超快激光系统可实现平均功率大于100W，超密集模式脉冲串内部重复频率GHz以上，脉冲宽度小于500fs的脉冲输出。
可以理解，针对材料微纳加工领域，本申请提供的大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统100具有大功率(>100W)以及高重复率(>GHz)的优点，可以基于烧蚀冷却原理实现高速无热损伤的精确微纳加工，从而可以将微纳加工的质量和速率提升千倍以上。针对生物医学研究领域，本申请提供的大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统100具有大穿透深度、高空间分辨率以及低于传统方案千倍的脉冲能量，可以将产生光漂白和光毒效应风险降到最低，在活体脑科学研究中潜力巨大。在物理学研究中，基于本申请提供的大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统100的光频率梳技术可以提供小于纳米量级的空间精确度和飞秒(甚至达到阿秒)时间分辨率，可以应用于精密光学度量、光原子钟以及超快光谱分析等领域，直接推动阿秒科学和天文观测等领域的发展。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统，其特征在于，包括：
激光种子源(10)，用于发射GHz以上重复频率的激光脉冲；
展宽放大模块(20)，用于对所述激光脉冲进行放大和展宽；
脉冲调制模块(30)，用于对放大和展宽后的所述激光脉冲进行调制，生成不同频率和不同占空比的多个激光脉冲串；
多级放大模块(40)，用于对所述激光脉冲串进行逐级放大；
非线性压缩放大模块(50)，用于对逐级放大后的所述激光脉冲串进行再次放大以及非线性展宽，生成脉冲宽度连续可调的可调激光脉冲；以及
脉冲压缩模块(60)，用于对所述可调激光脉冲进行压缩并输出。
2.根据权利要求1所述的大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统，其特征在于，所述激光种子源(10)包括：
第一泵浦源(110)，用于提供泵浦光；
激光谐振腔(120)，包括部分反射镀膜头(121)、第一稀土高掺杂光纤(122)和半导体可饱和吸收镜(123)，所述部分反射镀膜头(121)通过所述第一稀土高掺杂光纤(122)与所述半导体可饱和吸收镜(123)连接形成所述激光谐振腔(120)，其中，所述部分反射镀膜头(121)用于接收泵浦光，所述第一稀土高掺杂光纤(122)用于产生激光增益所需的粒子数反转，所述半导体可饱和吸收镜(123)用于非线性吸收以及诱导锁模自启动，其中所述第一稀土高掺杂光纤(122)的长度小于10cm；以及
第一波分复用器(130)，其泵浦端与所述第一泵浦源(110)连接，其信号端与所述部分反射镀膜头(121)连接，其输出端形成所述激光种子源(10)的输出端，用于将所述泵浦光注入所述激光谐振腔(120)，并将所述激光谐振腔(120)生成的GHz以上重复频率的所述激光脉冲输出。
3.根据权利要求1所述的大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统，其特征在于，所述展宽放大模块(20)包括：
第一单模光纤放大器(210)，用于对所述激光脉冲进行放大；
光纤展宽器(220)，用于对放大后的所述激光脉冲进行展宽；以及
第二单模光纤放大器(230)，用于对展宽后的所述激光脉冲进行二次放大；
其中，所述第一单模光纤放大器(210)包括第二泵浦源(211)、第二稀土高掺杂光纤(212)和第二波分复用器(213)，所述第二泵浦源(211)用于提供泵浦光，所述第二稀土高掺杂光纤(212)用于对所述激光脉冲进行放大，所述第二波分复用器(213)的泵浦端与所述第二泵浦源(211)的输出端连接，信号端与所述第二稀土高掺杂光纤(212)连接，输出端形成所述第一单模光纤放大器(210)的输出端。
4.根据权利要求1所述的大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统，其特征在于，所述脉冲调制模块(30)包括：
信号发生器(310)，用于生成频率和占空比可调的调制信号；以及
调制器(320)，用于接收所述调制信号，并根据所述调制信号对放大和展宽后的所述激光脉冲进行调制，生成不同频率和不同占空比的多个所述激光脉冲串。
5.根据权利要求1所述的大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统，其特征在于，所述多级放大模块(40)包括：
第三单模光纤放大器(410)，用于对所述激光脉冲串进行放大；以及
双包层光纤放大器(420)，用于对放大后的所述激光脉冲串进行二次放大。
6.根据权利要求5所述的大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统，其特征在于，所述第三单模光纤放大器(410)包括：
第三泵浦源(411)，用于提供泵浦光；
保偏稀土高掺杂光纤(412)，用于对所述激光脉冲串进行放大；以及
保偏波分复用器(413)，其泵浦端与所述第三泵浦源(411)的输出端连接，其信号端与所述保偏稀土高掺杂光纤(412)连接，其输出端形成所述第三单模光纤放大器(410)的输出端。
7.根据权利要求5所述的大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统，其特征在于，所述双包层光纤放大器(420)包括：
第一多模泵浦源(421)，用于提供功率连续可调的泵浦光；
双包层稀土高掺杂光纤(422)，用于对放大后的所述激光脉冲串进行二次放大；以及
泵浦合束器(423)，其泵浦端与所述第一多模泵浦源(421)的输出端连接，其信号端与所述第三单模光纤放大器(410)的输出端连接，其输出端与所述双包层稀土高掺杂光纤(422)的一端连接，所述双包层稀土高掺杂光纤(422)的另一端形成所述双包层光纤放大器(420)的输出端。
8.根据权利要求1所述的大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统，其特征在于，所述非线性压缩放大模块(50)包括：
多个第二多模泵浦源(510)，用于提供功率连续可调的泵浦光；
大模场双包层稀土高掺杂光纤(520)，用于对逐级放大后的所述激光脉冲串进行二次放大；
第二泵浦合束器(530)，其泵浦端与多个所述第二多模泵浦源(510)的输出端连接，其信号端与所述多级放大模块(40)的输出端连接，其输出端与所述大模场双包层稀土高掺杂光纤(520)的一端连接；以及
非线性光谱展宽器(540)，与所述大模场双包层稀土高掺杂光纤(520)的另一端连接，形成所述非线性压缩放大模块(50)的输出端，用于对二次放大后的所述激光脉冲串进行非线性展宽，其中所述非线性光谱展宽器(540)包括大模场无源光纤或光子晶体光纤。
9.根据权利要求1所述的大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统，其特征在于，还包括：
光束整形模块(70)，包括输出端帽(710)和准直透镜(720)，所述输出端帽(710)设置于所述非线性压缩放大模块(50)的输出端，用于对所述可调激光脉冲进行扩束，所述准直透镜(720)设置于从所述输出端帽(710)出射的光路上，用于对扩束后的所述可调激光脉冲进行准直，并将准直后的所述可调激光脉冲发射至所述脉冲压缩模块(60)。
10.根据权利要求1所述的大功率高重复频率且脉宽可调的超快激光系统，其特征在于，所述激光种子源(10)、展宽放大模块(20)、脉冲调制模块(30)、多级放大模块(40)以及非线性压缩放大模块(50)依次通过光纤熔接的方式连接。
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