CN111769428B - 一种基于2×3光开关的全光纤高能量脉冲再生放大装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于2×3光开关的全光纤高能量脉冲再生放大装置，该装置包括通过包括2×3光开关以及由其构成的全光纤再生放大谐振腔、超短脉冲激光种子源、脉冲展宽装置、脉冲压缩装置、探测和反馈控制装置；2×3光开关将选择输入再生放大谐振腔的脉冲并从不同端口输出；全光纤再生放大谐振腔输入脉冲在谐振腔内多次循环放大，利用探测和反馈控制装置保证超短脉冲激光种子源和全光纤再生放大谐振腔重复频率的锁定，以及2×3光开关控制信号与超短脉冲激光种子源间的同步。高能量脉冲再生放大装置能够有效地替代了传统高功率光纤激光放大中多级放大和降频的结构，降低了高能量超快激光的成本，能够促进超快激光的研究和应用。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光放大技术领域，具体涉及一种用大模场光纤实现的2×3光开关，以及利用其实现的全光纤高能量脉冲再生放大装置及方法。
背景技术
超短激光脉冲具有极窄的时间尺度、超宽的光谱宽度和超高的峰值功率，特别是对于高能量飞秒激光脉冲，在高精密激光加工、生物医疗、高精度测量、超快诊断等领域得到广泛应用。但是通常情况下，飞秒激光振荡器的输出功率和脉冲能量有限，需要使用放大装置提高脉冲能量。飞秒激光的放大受限于光的非线性效应，依赖于啁啾脉冲放大技术，其首先使用色散元件将光脉冲在时域上展宽，然后利用增益介质将脉冲能量放大，最后利用符号相反的色散将脉冲压缩至飞秒量级。通常是利用块状晶体实现脉冲激光的放大，其具有较大的模场面积能够实现更高能量的激光脉冲，但其单次增益的效率比较低，使用多级放大又会极大地增加系统的复杂性和成本。为了获得足够高的增益，研究人员提出了再生放大的技术方案，既把需要放大的脉冲输入到一个有增益介质的低损耗谐振腔内，脉冲会在谐振腔内多次通过增益介质，被放大若干次，然后将放大后的高能量脉冲输出。这种方式既可以利用相对简单的结构实现高能量脉冲，又能够起到降频的作用。但是对于固体激光放大来说，严格的谐振腔设计要求、空间光路的不稳定以及增益转换效率的限制，使得目前的再生放大器很难在实验室以外的环境中稳定工作。全光纤结构的再生放大器将是解决以上问题的一个途径。
事实上，在全光纤结构再生放大器的研究方面开展的工作非常少，主要是因为光纤中的模场面积小，非线性效应的作用很强，高能量脉冲在光纤内长距离的传输将导致比较明显的非线性相移。事实上，随着大模场光纤设计和制造技术的发展，已经为全光纤再生放大器的研究和应用提供了进一步发展的契机。到目前为止，报道中的光纤再生放大器通常仅使用增益光纤替代激光晶体，仍包含大量的空间光结构。为数不多的全光纤再生放大器研究主要集中在原理和稳定性的研究上，使用的光纤也为普通的单模光纤，在脉冲的输入输出、降频、再生谐振腔的同步等方面存在诸多问题，还没有方案可以实现高能量的超快激光输出。全光纤再生放大器的另一个技术限制在于使用的输入和输出元器件，通常使用的电光或声光2×2光开关不仅插入损耗比较大，而且很难直接获得大信噪比的降频。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种2×3光纤光开关，并利用其实现一种具有全光纤结构、结构更为紧凑、实施更加方便、环境稳定性更好的超快激光脉冲再生放大装置及方法，可以为工业加工、医疗、国防军事等领域提供一种环境稳定的高能量超短脉冲源。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于2×3光开关的全光纤高能量脉冲再生放大装置，该装置包括2×3光开关以及由其构成的全光纤再生放大谐振腔、脉冲激光种子源、脉冲压缩装置、探测和反馈控制装置；
所述2×3光开关包含2个输入端口a和b和3个输出端口c、d、e，具有开和关两种工作状态：关状态时，a端口输入光从c端口输出，b端口输入光从d端口输出；开状态时，其中a端口输入光转换至d端口输出，b端口输入光转换至e端口输出；所述2×3光开关的a端口与脉冲激光种子源连接，c和e端口为全光纤再生放大谐振腔的输出端口，b和d端口接入全光纤再生放大谐振腔中。
所述全光纤再生放大谐振腔由光纤构成，包括依次通过光纤连接的2×3光开关、合束器、增益光纤，泵浦源通过合束器将泵浦光耦合进入增益光纤；所述全光纤再生放大谐振腔还包含耦合器和隔离器。
所述脉冲激光种子源和全光纤再生放大谐振腔通过光纤连接，全光纤再生放大谐振腔由2×3光开关的e端口输出的激光为空间准直输出，输出激光进入脉冲压缩装置。
所述全光纤再生放大谐振腔中耦合器输出信号或2×3光开关的c端口输出信号进入探测和反馈控制装置，获取全光纤再生放大谐振腔的重复频率，反馈信号控制脉冲激光种子源中的重复频率调节装置，保证全光纤再生放大谐振腔的重复频率与脉冲激光种子源的重复频率呈整数比例关系。
进一步地，全光纤再生放大谐振腔中泵浦源为多模半导体激光器，增益光纤为稀土离子掺杂光纤，耦合器将小于1％能量耦合至谐振腔外。
进一步地，所述全光纤再生放大谐振腔中所用光纤均为大模场光纤。
进一步地，脉冲激光种子源为标准锁模光纤激光器，用于产生飞秒或皮秒脉冲激光，并包含重复频率调节装置。并将5％的输出光入射到探测和反馈控制装置中。
进一步地，所述全光纤高能量脉冲再生放大装置还可包含脉冲展宽装置，所述全光纤再生放大谐振腔中包含脉冲展宽装置时，脉冲激光种子源脉冲先通过光纤输入脉冲展宽装置中，再进入全光纤再生放大谐振腔的a端口；脉冲展宽装置和脉冲压缩装置由色散元件构成，用于提供色散，将脉冲展宽和压缩，可采用光纤光栅、光栅对、色散光纤、光子晶体光纤或微纳光纤，脉冲展宽装置和脉冲压缩装置的色散值大小相同，符号相反。
进一步地，激光脉冲的放大还可以通过泵浦功率的变化控制脉冲演化来实现。所述脉冲演化表现为：在初始阶段泵浦功率小，脉冲能量随时间缓慢提高，利用再生放大谐振腔内光纤的色散将脉冲展宽，同时保持抑制非线性效应，然后提高泵浦功率实现脉冲的放大；或者，在正常色散的再生放大谐振腔内，设置合适的泵浦功率使脉冲演化符合自相似放大演化的条件，实现放大过程中脉冲宽度和光谱宽度的同时增大。
进一步地，所述探测和反馈控制装置包括光电探测器、控制器和调节器。所述探测器分别探测脉冲激光种子源和全光纤再生放大谐振腔中的信号重复频率；所述控制器通过比对两者差异，为调节器提供反馈信号，调节器与重复频率调节装置共同实现种子源和放大谐振腔的频率锁定。
进一步地，所述2×3光开关的开关频率与种子源的重复频率之间具有整数比例关系，光开关的开状态时间小于种子源的脉冲间隔时间。
一种基于2×3光开关的全光纤高能量脉冲再生放大方法，该方法具体步骤如下：
(1)脉冲激光种子源产生飞秒或皮秒激光，激光经过脉冲展宽装置后，脉冲宽度增加至百皮秒或纳秒量级，输入全光纤再生放大谐振腔中；
(2)若光开关处于开状态，放大谐振腔的脉冲进入2×3光开关的a端口，脉冲从d端口输出进入全光纤再生放大谐振腔中；同时全光纤再生放大谐振腔的脉冲从光开关的b端口进入，从e端口输出，获得更高能量的脉冲；输出脉冲最后经过脉冲压缩装置，获得超短脉冲输出。若在光开关为关状态，再生放大谐振腔中的脉冲从b端口进入光开关，从d端口输出重新回到谐振腔内，多次经过增益介质进行放大，直到下一次光开关处于的开状态时输出。输出脉冲的重复频率取决光开关的开关频率。
本发明的有益效果是：
1、该高能量脉冲再生放大装置既可以实现对脉冲能量的高倍率放大，又能实现脉冲重复频率的降低，有效地替代了传统高功率光纤激光放大中多级放大和降频的结构，降低了高能量超快激光的成本，能够促进超快激光的研究和应用。
2、该高能量脉冲再生放大装置为全光纤结构，克服了传统再生放大器在空间光光路设计和调节上的困难，具有优异的环境稳定性和紧凑的结构设计，为高能量超快激光的小型化提供了一种途径。
3、该全光纤高能量脉冲再生放大装置采用大模场光纤，并结合啁啾脉冲放大技术，能够有效降低光纤内的非线性效应，提高脉冲能量。
4、该2×3光开关可以在关闭状态是将种子激光与谐振腔隔离，提高了再生放大装置的信号噪声比。
5、该探测和反馈控制装置将种子源、全光纤再生放大谐振腔和2×3光开关的频率锁定，提高了全光纤再生放大谐振腔的工作稳定性，降低了失谐导致的非线性演化不稳定。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中全光纤再生放大谐振腔实施方案示意图；
图3为本发明中2×3光开关实施方案示意图；
图4为本发明工作过程信号示意图；
图中，101—超短脉冲激光种子源；102—脉冲展宽装置；103—全光纤再生放大谐振腔；104—探测和反馈控制装置；105—脉冲压缩装置；201—2×3光开关；202—合束器；203—增益光纤；204—耦合器；205—泵浦源；206—隔离器；301—2×2光开关；302—1×2光开关；401—超短脉冲激光种子源输出脉冲序列；402—2×3光开关的控制电信号；403—全光纤再生放大谐振腔从2×3光开关e端口的输出信号；404—全光纤再生放大谐振腔自耦合器的输出信号。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供的一种基于2×3光开关的全光纤高能量脉冲再生放大装置，该装置包括2×3光开关以及由其构成的全光纤再生放大谐振腔、脉冲激光种子源、脉冲压缩装置、探测和反馈控制装置；
所述2×3光开关包含2个输入端口a和b和3个输出端口c、d、e，具有开和关两种工作状态：关状态时，a端口输入光从c端口输出，b端口输入光从d端口输出；开状态时，其中a端口输入光转换至d端口输出，b端口输入光转换至e端口输出；所述2×3光开关的a端口与脉冲激光种子源连接，c和e端口为全光纤再生放大谐振腔的输出端口，b和d端口接入全光纤再生放大谐振腔中。
所述全光纤再生放大谐振腔由大模场光纤构成，包括依次通过光纤连接的2×3光开关、合束器、增益光纤，泵浦源通过合束器将泵浦光耦合进入增益光纤；所述全光纤再生放大谐振腔还包含耦合器和隔离器。全光纤再生放大谐振腔中泵浦源为多模半导体激光器，增益光纤为稀土离子掺杂光纤，耦合器将小于1％能量耦合至谐振腔外。
所述脉冲激光种子源和全光纤再生放大谐振腔通过光纤连接，全光纤再生放大谐振腔由2×3光开关的e端口输出的激光为空间准直输出，输出激光进入脉冲压缩装置。脉冲激光种子源为标准锁模光纤激光器，用于产生飞秒或皮秒脉冲激光，并包含重复频率调节装置。并将5％的输出光入射到探测和反馈控制装置中。
所述全光纤再生放大谐振腔中耦合器输出信号或2×3光开关的c端口输出信号进入探测和反馈控制装置，获取全光纤再生放大谐振腔的重复频率，反馈信号控制脉冲激光种子源中的重复频率调节装置，保证全光纤再生放大谐振腔的重复频率与脉冲激光种子源的重复频率呈整数比例关系。所述探测和反馈控制装置包括光电探测器、控制器和调节器。所述探测器分别探测脉冲激光种子源和全光纤再生放大谐振腔中的信号重复频率；所述控制器通过比对两者差异，为调节器提供反馈信号，调节器与重复频率调节装置共同实现种子源和放大谐振腔的频率锁定。
所述全光纤高能量脉冲再生放大装置还可包含脉冲展宽装置，所述全光纤再生放大谐振腔中包含脉冲展宽装置时，脉冲激光种子源脉冲先通过光纤输入脉冲展宽装置中，再进入全光纤再生放大谐振腔的a端口；脉冲展宽装置和脉冲压缩装置由色散元件构成，用于提供色散，将脉冲展宽和压缩，可采用光纤光栅、光栅对、色散光纤、光子晶体光纤或微纳光纤，脉冲展宽装置和脉冲压缩装置的色散值大小相同，符号相反。
激光脉冲的放大还可以通过泵浦功率的变化控制脉冲演化来实现。所述脉冲演化表现为：在初始阶段泵浦功率小，脉冲能量随时间缓慢提高，利用再生放大谐振腔内光纤的色散将脉冲展宽，同时保持抑制非线性效应，然后提高泵浦功率实现脉冲的放大；或者，在正常色散的再生放大谐振腔内，设置合适的泵浦功率使脉冲演化符合自相似放大演化的条件，实现放大过程中脉冲宽度和光谱宽度的同时增大。所述2×3光开关的开关频率与种子源的重复频率之间具有整数比例关系，光开关的开状态时间小于种子源的脉冲间隔时间。
本发明还提供了一种基于2×3光开关的全光纤高能量脉冲再生放大方法，该方法具体步骤如下：
(1)脉冲激光种子源产生飞秒或皮秒激光，激光经过脉冲展宽装置后，脉冲宽度增加至百皮秒或纳秒量级，输入全光纤再生放大谐振腔中；
(2)若光开关处于开状态，放大谐振腔的脉冲进入2×3光开关的a端口，脉冲从d端口输出进入全光纤再生放大谐振腔中；同时全光纤再生放大谐振腔的脉冲从光开关的b端口进入，从e端口输出，获得更高能量的脉冲；输出脉冲最后经过脉冲压缩装置，获得超短脉冲输出。若在光开关为关状态，再生放大谐振腔中的脉冲从b端口进入光开关，从d端口输出重新回到谐振腔内，多次经过增益介质进行放大，直到下一次光开关处于的开状态时输出。输出脉冲的重复频率取决光开关的开关频率。
本发明具体实例如下：
如图1(a)所示，本发明提供的一种2×3光开关及应用其实现的全光纤高能量脉冲再生放大装置，包括通过光纤依次连接的超短脉冲激光种子源101、脉冲展宽装置102和全光纤再生放大谐振腔103，全光纤再生放大谐振腔103输出激光为空间准直输出，输出激光进入脉冲压缩装置105。也可以不包含脉冲展宽装置102，直接利用光纤将种子源脉冲输入至全光纤再生放大谐振腔103，如图1(b)所示。
超短脉冲激光种子源101可以使用典型的锁模光纤激光器，并在谐振腔内光纤上放置有基于PZT晶体的腔长调节器。超短脉冲激光种子源101输出信号的5％能量被分束，入射至反馈控制装置104中，利用其中的光电探测器获取信号的重复频率，并提供反馈信号调节超短脉冲激光种子源101的重复频率。脉冲展宽装置102为提供正色散的色散光纤，将脉冲宽度展宽至纳秒量级；脉冲压缩装置105为提供负色散的光栅对，通过精确调节光栅对的间距，使其色散值大小与脉冲展宽装置102的一致。
如图2(a)所示，全光纤再生放大谐振腔103包含2×3光开关201、合束器202、增益光纤203、以及泵浦源205，其谐振腔长度与超短脉冲激光种子源的谐振腔长度呈整数倍关系。脉冲进入2×3光开关201的端口a，当光开关201处于关状态时，脉冲直接从c端口输出；当光开关201处于开状态时，脉冲从d端口输出进入全光纤再生放大谐振腔103中。合束器202为N+1泵浦合束器，由N根多模泵浦输入光纤和1根大模场单模光纤作为信号纤合束构成，输出为大模场双包层光纤，与大模场双包层稀土离子掺杂增益光纤203相匹配；输入泵浦源205为多模半导体激光器，可使用多个泵浦源通过合束器202实现更高功率的激光。全光纤再生放大谐振腔103还可以包含耦合器204和隔离器206，如图2(b)所示，耦合器204和隔离器206分别实现了耦合分束输出和激光器单向工作的作用，耦合器204的分束比小于5％，由其可以监测全光纤再生放大谐振腔103内的工作状态；耦合器204分束输出的激光或由2×3光开关201的端口c输出激光入射至反馈控制装置104中，利用其中的光电探测器获取再生放大谐振腔103的重复频率。
2×3光开关201可由一个2×2光开关301和一个1×2光开关302串联组成，如图3所示，即将1×2光开关302的输入端口与2×2光开关301的一个输出端口连接，工作时两个光开关同时开或者关；2×2光开关301和1×2光开关302可采用声光、电光或磁光开关的方式实现。2×2光开关301和1×2光开关302的连接方式可以有两种，如图3(a)和图3(b)所示。
本发明工作过程如图4所示：超短脉冲激光种子源101的输出激光序列401进入脉冲展宽装置102，脉冲宽度被展宽，然后脉冲进入全光纤再生放大谐振腔103的a端口。反馈控制装置104根据种子源101的信号采用控制电信号402控制2×3光开关201的开关时间，每个周期仅让一个脉冲进入端口d。在光开关201关状态时，脉冲在再生放大谐振腔103内多次循环经过增益光纤获得放大。在下一次光开关201处于开状态时，再生放大谐振腔103通过e端口输出脉冲403，同时另一个脉冲进入谐振腔103内。再生放大谐振腔103中耦合器输出脉冲序列404进入反馈控制装置104，通过对比种子源101和谐振腔103的重复频率，控制种子源101中的调节装置使两者的重复频率保持锁定。
Claims (9)
1.一种基于2×3光开关的全光纤高能量脉冲再生放大装置，其特征在于：该装置包括2×3光开关以及由其构成的全光纤再生放大谐振腔、脉冲激光种子源、脉冲压缩装置、探测和反馈控制装置；
所述2×3光开关包含2个输入端口a和b和3个输出端口c、d、e，具有开和关两种工作状态：关状态时，a端口输入光从c端口输出，b端口输入光从d端口输出；开状态时，其中a端口输入光转换至d端口输出，b端口输入光转换至e端口输出；所述2×3光开关的a端口与脉冲激光种子源连接，c和e端口为全光纤再生放大谐振腔的输出端口，b和d端口接入全光纤再生放大谐振腔中；
所述全光纤再生放大谐振腔由光纤构成，包括依次通过光纤连接的2×3光开关、合束器、增益光纤，泵浦源通过合束器将泵浦光耦合进入增益光纤；所述全光纤再生放大谐振腔还包含耦合器和隔离器；
所述脉冲激光种子源和全光纤再生放大谐振腔通过光纤连接，全光纤再生放大谐振腔由2×3光开关的e端口输出的激光为空间准直输出，输出激光进入脉冲压缩装置；
所述全光纤再生放大谐振腔中耦合器输出信号或2×3光开关的c端口输出信号进入探测和反馈控制装置，获取全光纤再生放大谐振腔的重复频率，反馈信号控制脉冲激光种子源中的重复频率调节装置，保证全光纤再生放大谐振腔的重复频率与脉冲激光种子源的重复频率呈整数比例关系。
2.根据权利要求1所述的一种基于2×3光开关的全光纤高能量脉冲再生放大装置，其特征在于：全光纤再生放大谐振腔中泵浦源为多模半导体激光器，增益光纤为稀土离子掺杂光纤，耦合器将小于1％能量耦合至谐振腔外。
3.根据权利要求1所述的一种基于2×3光开关的全光纤高能量脉冲再生放大装置，其特征在于：所述全光纤再生放大谐振腔中所用光纤均为大模场光纤。
4.根据权利要求1所述的一种基于2×3光开关的全光纤高能量脉冲再生放大装置，其特征在于：脉冲激光种子源为标准锁模光纤激光器，用于产生飞秒或皮秒脉冲激光，并包含重复频率调节装置；并将5％的输出光入射到探测和反馈控制装置中。
5.根据权利要求1所述的一种基于2×3光开关的全光纤高能量脉冲再生放大装置，其特征在于：所述全光纤高能量脉冲再生放大装置包含脉冲展宽装置，所述全光纤再生放大谐振腔中包含脉冲展宽装置时，脉冲激光种子源脉冲先通过光纤输入脉冲展宽装置中，再进入全光纤再生放大谐振腔的a端口；脉冲展宽装置和脉冲压缩装置由色散元件构成，用于提供色散，将脉冲展宽和压缩，可采用光纤光栅、光栅对或色散光纤，脉冲展宽装置和脉冲压缩装置的色散值大小相同，符号相反。
6.根据权利要求5所述的一种基于2×3光开关的全光纤高能量脉冲再生放大装置，其特征在于：激光脉冲的放大通过泵浦功率的变化控制脉冲演化来实现；所述脉冲演化表现为：在初始阶段泵浦功率小，脉冲能量随时间缓慢提高，利用再生放大谐振腔内光纤的色散将脉冲展宽，同时保持抑制非线性效应，然后提高泵浦功率实现脉冲的放大；或者，在正常色散的再生放大谐振腔内，设置泵浦功率使脉冲演化符合自相似放大演化的条件，实现放大过程中脉冲宽度和光谱宽度的同时增大。
7.根据权利要求1所述的一种基于2×3光开关的全光纤高能量脉冲再生放大装置，其特征在于：所述探测和反馈控制装置包括光电探测器、控制器和调节器；所述探测器分别探测脉冲激光种子源和全光纤再生放大谐振腔中的信号重复频率；所述控制器通过比对两者差异，为调节器提供反馈信号，调节器与重复频率调节装置共同实现种子源和放大谐振腔的频率锁定。
8.根据权利要求1所述的一种基于2×3光开关的全光纤高能量脉冲再生放大装置，其特征在于：所述2×3光开关的开关频率与种子源的重复频率之间具有整数比例关系，光开关的开状态时间小于种子源的脉冲间隔时间。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的基于2×3光开关的全光纤高能量脉冲再生放大装置的脉冲再生放大 方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：
(1)脉冲激光种子源产生飞秒或皮秒激光，激光经过脉冲展宽装置后，脉冲宽度增加至百皮秒或纳秒量级，输入全光纤再生放大谐振腔中；
(2)若光开关处于开状态，放大谐振腔的脉冲进入2×3光开关的a端口，脉冲从d端口输出进入全光纤再生放大谐振腔中；同时全光纤再生放大谐振腔的脉冲从光开关的b端口进入，从e端口输出，获得更高能量的脉冲；输出脉冲最后经过脉冲压缩装置，获得超短脉冲输出；若在光开关为关状态，再生放大谐振腔中的脉冲从b端口进入光开关，从d端口输出重新回到谐振腔内，多次经过增益介质进行放大，直到下一次光开关处于的开状态时输出；输出脉冲的重复频率取决光开关的开关频率。
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