CN112152066A - 激光脉冲能量放大装置、方法及飞秒激光器 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种激光脉冲能量放大装置、方法及飞秒激光器，激光脉冲放大能量装置包括依次连接的非线性脉冲放大器和脉冲整形器；脉冲放大器连接在激光种子光源的输出口，然后连接脉冲整形器，输出飞秒脉冲；激光种子光源用于产生激光种子脉冲，输入到脉冲放大器；脉冲放大器用于对所述激光种子脉冲引入非线性相移，并进行能量放大和光谱展宽，将包含非线性相位且能量放大的激光脉冲输入到所述脉冲整形器；脉冲整形器用于测量所述激光脉冲的脉冲形状和/或所包含的非线性相位，并依据所述脉冲形状和非线性相位对所述激光脉冲进行整形，直接输出飞秒激光脉冲；该技术方案无需再使用采用啁啾脉冲放大技术的光纤放大器，节省了设备成本，降低了高功率飞秒激光的产生成本，提高了生成效率。

Description

激光脉冲能量放大装置、方法及飞秒激光器
技术领域
本申请涉及激光技术领域，尤其是一种激光脉冲能量放大装置、方法及飞秒激光器。
背景技术
在非线性显微技术中，往往需要使用特殊光谱的激光脉冲，从而激发所需的非线性物理过程，产生光谱信号。产生这种特殊光源的常用方式，如图1所示，是利用高功率飞秒激光种子光源和具有高度非线性性质的光子晶体光纤(Photonic crystal fiber，缩写PCF)，通过将激光器产生的激光脉冲聚焦到PCF光纤的纤芯中，以产生超连续谱。
而对于高功率飞秒激光种子光源通常通过光纤放大器实现，如在中国专利201710916860.3中，光纤放大器的通常实现方式主要是使用啁啾脉冲放大(CPA)的方式，从而在放大过程中保证增益光纤不被能量放大的脉冲烧毁的同时，避免能量放大的过程引入大量无法通过脉冲压缩器补偿的非线性相移。其基本原理参考图2所示，一般是在脉冲进入放大器之前通过脉冲展宽器(pulse stretcher，通常为光栅对、或者数十或数百米的无源被动光纤)引入正啁啾，使脉冲在时间轴上变长数个数量级，然后在脉冲放大后通过脉冲压缩器(pulse compressor，通常为光栅对，或者经过特殊设计的负啁啾光纤)进行啁啾补偿，再把脉冲压缩到理想的飞秒范围，从而得到所需的高功率飞秒激光种子光源。
然而，在上述技术方案中，组成脉冲展宽器和脉冲压缩器的光栅对搭建过程复杂，精确度要求，而经过特殊设计的负啁啾光纤更是成本昂贵，导致高功率飞秒激光种子光源产生成本高，效率较低。
发明内容
本申请的目的旨在解决上述的技术缺陷之一，特别是导致高功率飞秒激光种子光源产生成本高，效率较低，提供一种激光脉冲能量放大装置、方法及飞秒激光器。
一种激光脉冲能量放大装置，包括：依次连接的脉冲放大器和脉冲整形器；
所述脉冲放大器连接在激光种子光源的输出口，所述脉冲整形器的输出端输出飞秒激光脉冲；
所述激光种子光源用于产生激光种子脉冲，输入到所述脉冲放大器；
所述脉冲放大器用于在激光种子脉冲中引入非线性相移使得该激光种子脉冲在时域上展宽的同时，其相应光谱在频域上展宽，输出包含非线性相位且能量放大的激光脉冲到所述脉冲整形器；
所述脉冲整形器用于测量所述激光脉冲的脉冲形状和/或所包含的非线性相位，并依据所述脉冲形状和/或非线性相位对所述激光脉冲进行整形，输出飞秒激光脉冲。
在一个实施例中，所述脉冲放大器包括：依次连接的泵浦光源和非线性性质媒介；
所述泵浦光源用于对所述激光种子脉冲进行能量放大，所述非线性性质媒介用于在所述激光种子脉冲中引入非线性相位。
在一个实施例中，所述脉冲放大器包括：依次连接的大功率泵浦光源和弱非线性性质的媒介。
在一个实施例中，所述非线性性质媒介包括强非线性性质的有源光纤和/或强非线性性质的无源光纤。
在一个实施例中，所述脉冲放大器包括：依次连接的泵浦光源、强非线性性质的有源光纤和强非线性性质的无源光纤。
在一个实施例中，所述脉冲整形器，包括：
测量模块，用于测量所述激光脉冲的脉冲形状和/或所包含的非线性相位；
补偿模块，用于根据所述激光脉冲的脉冲形状和/或所包含的非线性相位对所述激光脉冲进行相位补偿，将所述激光脉冲压缩成高斯或类高斯形状，输出接近傅里叶变换极限的飞秒激光脉冲。
一种激光脉冲放大方法，包括如下步骤：
接收所述激光种子光源输出的激光种子脉冲；
在激光种子脉冲中引入非线性相移使得该激光种子脉冲在时域上展宽的同时，其相应光谱在频域上展宽，输出包含非线性相位且能量放大的激光脉冲到所述脉冲整形器；
测量所述激光脉冲的脉冲形状和/或所包含的非线性相位，并依据所述脉冲形状和非线性相位对所述激光脉冲进行整形，输出飞秒激光脉冲。
在一个实施例中，利用泵浦光源对所述激光种子脉冲进行能量放大，并利用非线性性质媒介在所述激光种子脉冲中引入非线性相位。
在一个实施例中，所述测量所述激光脉冲的脉冲形状和/或所包含的非线性相位，并依据所述脉冲形状和非线性相位对所述激光脉冲进行整形，输出飞秒激光脉冲，包括：
测量所述激光脉冲的脉冲形状和非线性相位；
根据所述激光脉冲的脉冲形状和/或非线性相位对所述激光脉冲进行相位补偿，将所述激光脉冲压缩成高斯或类高斯形状，输出接近傅里叶变换极限的飞秒激光脉冲。
一种飞秒激光器，包括：激光种子光源以及上述的激光脉冲能量放大装置。
上述激光脉冲能量放大装置、方法及飞秒激光器，激光种子光源产生激光种子脉冲不再通过啁啾放大技术进行线性脉冲展宽，而是通过脉冲放大器进行能量放大过程中引入非线性相移，使激光种子脉冲在时域中非线性极度展宽，实现了与啁啾放大的类似效果，该非线性相移同时使得激光种子脉冲在能量放大过程中在频率域上光谱展宽，达到了类似于光子晶体光纤的展宽光谱的效果。该技术方案无需采用啁啾脉冲放大技术的光纤放大器，同时利用非线性时域展宽确保了保护增益光纤安全性的同时产生能量放大的激光脉冲，节省了设备成本，降低了高功率飞秒激光脉冲的产生成本。
另外，在激光脉冲能量放大的过程中，利用增大泵浦能量，可以产生非线性相移现象，再采用非线性性质媒介引入大量非线性相移，使得激光种子脉冲在时间轴上变长，并产生光谱展宽，实现了与啁啾脉冲放大类似的时域极度展宽的效果以及类似光子晶体光纤光纤的光谱展宽效果。
再者，在脉冲整形过程中，通过测量激光脉冲的脉冲形状和/或所包含的非线性相位，可以对激光脉冲中杂乱的脉冲串进行测量和补偿，由此可以在保持光谱形状一致的情况下将激光脉冲压缩成高斯或类高斯形状，从而可以得到接近傅里叶变换极限的飞秒激光脉冲。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是常用的超连续谱激光脉冲产生示意图；
图2是常用的高功率飞秒激光脉冲放大器示意图；
图3是本申请激光脉冲能量放大装置的结构示意图；
图4是激光脉冲经光谱展宽后的光谱示例图；
图5是脉冲整形器的结构示意图；
图6是激光脉冲放大方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作。
在常用技术中，通过激光种子光源产生出激光种子脉冲，该激光种子脉冲需要进行能量放大，然后再压缩成飞秒脉冲，使用啁啾脉冲放大的方式可以保证增益光纤不被能量放大的脉冲烧毁，也避免能量放大的过程引入大量无法通过脉冲压缩器补偿的非线性相位；这种方案搭建激光设备的成本较高，影响使用效率，为此，本申请提供如下技术方案：
参考图3所示，图3是本申请激光脉冲能量放大装置的结构示意图，该激光脉冲能量放大装置，包括：依次连接的脉冲放大器和脉冲整形器；
一种激光脉冲能量放大装置，包括：依次连接的脉冲放大器和脉冲整形器；脉冲放大器连接在激光种子光源的输出口，脉冲整形器的输出端输出飞秒激光脉冲。
激光种子光源用于产生激光种子脉冲，输入到脉冲放大器；脉冲放大器用于在激光种子脉冲中引入非线性相移使得该激光种子脉冲在时域上展宽的同时，其相应光谱在频域上展宽，输出包含非线性相位且能量放大的激光脉冲到所述脉冲整形器；脉冲整形器用于测量激光脉冲的脉冲形状和/或所包含的非线性相位，并依据脉冲形状和/或非线性相位对激光脉冲进行整形，直接输出飞秒激光脉冲。
本申请的技术方案，直接对激光种子脉冲进行放大，主动在放大器内引入大量的非线性相移使得激光脉冲形状发生变化，形成如图4激光脉冲所示的类似多个脉冲串的展宽方式，从而将脉冲能量分布在更长的时间轴上，起到了降低峰值功率保护光纤放大器的作用，同时这种非线性相移能够产生展宽的光谱。
参考图4所示，图4是激光脉冲光谱展宽后的光谱示例图；从图中可以看出，脉冲经过脉冲放大器后，激光脉冲形成了类似于光子晶体光纤中的超连续光谱展宽效应，直接在放大器中产生所需的超连续谱；不过此超连续谱对应的激光脉冲包含大量的非线性相移，因此在时域表现为图4上部所示类似多个脉冲串的形态，需要进行非线性相位补偿，对脉冲进行压缩；在压缩阶段，避免对光谱能量进行过滤和截取，通过脉冲整形器测量激光脉冲的脉冲形状和/或所包含的非线性相位来对激光脉冲进行整形，直接输出飞秒激光脉冲。
上述实施例提供的激光脉冲能量放大装置，激光种子光源产生激光种子脉冲不再通过啁啾放大技术中的脉冲展宽器进行线性脉冲展宽，而是通过脉冲放大器进行能量放大过程中引入非线性相移，使激光种子脉冲在时域中非线性极度展宽，实现了与啁啾放大的类似效果，该非线性相移同时带来了激光种子脉冲的光谱在频率域上的光谱展宽，达到了类似于光子晶体光纤光纤的展宽光谱的效果。该技术方案无需采用啁啾脉冲放大技术的光纤放大器，节省了设备成本，降低了高功率飞秒激光种子光源的产生成本，提高了使用效率。而且，在脉冲能量放大的过程中，相对于啁啾脉冲放大导致光谱谱宽变窄相反，还实现了光谱展宽的目的。
下面阐述本申请技术方案脉冲放大器的更多实施例。
在一个实施例中，脉冲放大器可以包括依次连接的泵浦光源和非线性性质媒介；所述泵浦光源用于对所述激光种子脉冲进行泵浦能量放大，所述非线性性质媒介用于在所述激光种子脉冲中引入非线性相位；具体的，通过光纤合束器与种子光源输送光纤连接的泵浦光源，增大激光脉冲的泵浦能量，可以采用电泵浦或者光泵浦方式。对于非线性性质媒介，利用包括强非线性性质的有源光纤和/或强非线性性质的无源光纤；通过非线性性质媒介在光纤中引入大量非线性相移，从而使脉冲非线性时域展宽，降低峰值功率，保护增益媒介。
在另一个实施例中，脉冲放大器也可以包括依次连接的大功率泵浦光源和弱非线性性质的媒介；对于脉冲放大器来说，如果泵浦光源功率较小情况下，采用强非线性性质的媒介配合引入非线性相移，通过强非线性的有源光纤、无源光纤，可以在放大过程中引入大量的非线性相移，从而产生多个脉冲串的连续光谱。如果泵浦功率较大，则可以辅助性弱非线性性质的媒介引入非线性相位。
在又一个实施例中，脉冲放大器还可以包括依次连接的泵浦光源、强非线性性质的有源光纤和强非线性性质的无源光纤；本实施例的方案，是利用泵浦光源、强非线性性质的媒介和强非线性性质的媒介的组合，从而在光纤中引入更多的非线性相位。
综合上述各实施例方案，利用泵浦光源增大激光脉冲的泵浦能量，并采用有源或无源光纤的方式等非线性性质的媒介，通过光纤本身所含有的非线性相位使得激光脉冲产生大量的光谱展宽，同时利用光谱展宽时产生的大量非线性相位位移，满足脉冲在时间轴上的变长，从而在不采用啁啾脉冲放大技术的光纤放大器的情况下，保护增益光纤，并产生能量放大的激光脉冲。在工艺上易于实现，在搭建激光设备时复杂度低，介绍了设备成本，也提升了使用效率。
下面阐述本申请技术方案脉冲整形器的更多实施例。
在一个实施例中，对于脉冲整形器，参考图5，图5是脉冲整形器的结构示意图，从功能上划分可以包括测量模块和补偿模块；测量模块用于测量所述激光脉冲的脉冲形状和/或所包含的非线性相位；补偿模块用于根据所述激光脉冲的脉冲形状和/或所包含的非线性相位对所述激光脉冲进行相位补偿；将所述激光脉冲压缩成高斯或者类高斯形状，输出飞秒激光脉冲。
具体的，先测量激光脉冲形状和非线性相位，针对于脉冲形状和非线性相位，利用相关补偿算法对激光脉冲进行补偿，使得激光脉冲压缩成高斯形状得到输出飞秒激光脉冲。
上述实施例方案，在脉冲整形过程中，通过测量激光脉冲的脉冲形状和/或所包含的非线性相位，可以对激光脉冲中杂乱的脉冲串进行测量和补偿，由此可以在保持光谱形状一致的情况下将激光脉冲压缩成高斯形状，从而得到符合所需的飞秒激光脉冲。
下面阐述本申请的激光脉冲放大方法的实施例。
参考图6所示，图6是激光脉冲放大方法的流程图；主要包括如下步骤：
S10，接收所述激光种子光源输出的激光种子脉冲。
具体的，可以通过设置在激光种子光源输出口的脉冲放大器接入激光种子脉冲。
S20，在激光种子脉冲中引入非线性相移使得该激光种子脉冲在时域上展宽的同时，其相应光谱在频域上展宽，输出包含非线性相位且能量放大的激光脉冲到所述脉冲整形器。
此过程中，直接对激光种子脉冲进行放大，主动在放大器内引入大量的非线性相移使得激光脉冲形状发生变化，形成多个脉冲串，从而将脉冲能量分布在更长的时间轴上，起到了降低峰值功率保护光纤放大器的作用，同时这种非线性相移产生展宽的光谱能量谱。
参考图4所示，图4是激光脉冲经光谱展宽后的光谱示意图；从图中可以看出，脉冲经过脉冲放大器后，使激光种子脉冲在时域中非线性极度展宽，实现了与啁啾放大的类似效果，该非线性相移同时带来了激光种子脉冲的光谱在频率域上的光谱展宽，达到了类似于光子晶体光纤(PCF光纤)的展宽光谱的效果。
S30，测量所述激光脉冲的脉冲形状和/或所包含的非线性相位，并依据所述脉冲形状和/或非线性相位对所述激光脉冲进行整形，输出飞秒激光脉冲。
具体的，在压缩阶段，无需对光谱能量进行过滤和截取，通过脉冲整形器测量激光脉冲的脉冲形状和/或所包含的非线性相位来对激光脉冲进行整形，输出飞秒激光脉冲。
上述实施例的方案，激光种子光源产生激光种子脉冲不再先经过脉冲展宽，而是直接进行脉冲放大，通过脉冲放大对激光种子脉冲进行能量放大并引入非线性相移；然后再测量激光脉冲的脉冲形状和/或所包含的非线性相位，根据激光脉冲的脉冲形状和/或非线性相位对激光脉冲进行相位补偿，得到飞秒激光脉冲。该技术方案无需采用啁啾脉冲放大技术的光纤放大器，节省了设备成本，降低了高功率飞秒激光种子光源的产生成本，提高了生成效率。
下面阐述本申请激光脉冲放大方法的技术方案的更多实施例。
在一个实施例中，对于上述步骤S2O的引入非线性相移的方法，可以包括如下：
S2O1，利用泵浦光源对所述激光种子脉冲进行放大。具体的，可以利用在激光种子光源的输出口设计泵浦光源，增大激光脉冲的泵浦能量，可以采用电泵浦或者光泵浦方式。
S2O2，以及利用非线性性质媒介在所述激光种子脉冲中引入非线性相位。具体的，对于非线性性质媒介，利用包括强非线性性质的有源光纤和/或强非线性性质的无源光纤；通过非线性性质媒介在光纤中引入大量非线性相移，从而达到增大能量的目的。
上述实施例方案，利用泵浦光源增大激光脉冲的泵浦能量，并采用有源或无源光纤的方式等非线性性质的媒介，通过光纤本身所含有的非线性相位使得激光脉冲产生大量的光谱展宽，同时利用光谱展宽时产生的大量非线性相位位移，满足脉冲在时间轴上的变长，从而在不使用光纤放大器进行啁啾脉冲放大的情况下，保护增益光纤，并产生能量放大的激光脉冲。在工艺上易于实现，在搭建激光设备时复杂度低，介绍了设备成本，也提升了使用效率。
在一个实施例中，步骤S30的获得输出飞秒激光脉冲的方法，可以包括如下：
S301，测量所述激光脉冲的脉冲形状和/或所包含的非线性相位；
S302，根据激光脉冲的脉冲形状和/或所包含的非线性相位对所述激光脉冲进行相位补偿，将所述激光脉冲压缩成高斯或类高斯形状，输出飞秒激光脉冲。
此过程中，先测量激光脉冲形状和非线性相位，针对于脉冲形状和非线性相位，利用相关补偿算法对激光脉冲进行补充，使得激光脉冲压缩成高斯或类高斯形状得到输出飞秒激光脉冲。
通过上述实施例方案，在脉冲整形过程中，通过测量激光脉冲的脉冲形状和/或所包含的非线性相位，可以对激光脉冲中杂乱的脉冲串进行测量和补偿，由此可以在保持光谱形状一致的情况下将激光脉冲压缩成高斯或类高斯形状，从而得到近似于傅里叶变换极限的飞秒激光脉冲。
下面阐述本申请的飞秒激光器的实施例。
本申请提供的飞秒激光器，其结构可以参考图1所示，包括：激光种子光源以及上述任意实施例的激光脉冲能量放大装置。
本申请提供的飞秒激光器，无需再使用光纤放大器进行啁啾脉冲放大，节省了设备成本，降低了高功率飞秒激光种子光源的产生成本，和提高了生成效率。而且，在脉冲能量放大的过程中，相对于啁啾脉冲放大导致光谱谱宽变窄相反，还实现了光谱展宽的目的。
相对于常用的激光设备来说，在非线性显微技术中，在需要使用特殊光谱的激光脉冲的场景中，激光设备无需再使用光纤放大器进行啁啾脉冲放大，节省了设备成本，降低了高功率飞秒激光种子光源的产生成本，提高了使用效率。而且，在脉冲能量放大的过程中，相对于啁啾脉冲放大导致光谱谱宽变窄相反，还实现了光谱展宽的目的。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光脉冲能量放大装置，其特征在于，包括：依次连接的脉冲放大器和脉冲整形器；
所述脉冲放大器连接在激光种子光源的输出口，所述脉冲整形器的输出端输出飞秒激光脉冲；
所述激光种子光源用于产生激光种子脉冲，输入到所述脉冲放大器；
所述脉冲放大器用于在激光种子脉冲中引入非线性相移使得该激光种子脉冲在时域上展宽的同时，其相应光谱在频域上展宽，输出包含非线性相位且能量放大的激光脉冲到所述脉冲整形器；
所述脉冲整形器用于测量所述激光脉冲的脉冲形状和/或所包含的非线性相位，并依据所述脉冲形状和/或非线性相位对所述激光脉冲进行整形，输出飞秒激光脉冲。
2.根据权利要求1所述的激光脉冲能量放大装置，其特征在于，所述脉冲放大器包括：依次连接的泵浦光源和非线性性质媒介；
所述泵浦光源用于对所述激光种子脉冲进行能量放大，所述非线性性质媒介用于在所述激光种子脉冲中引入非线性相位。
3.根据权利要求2所述的激光脉冲能量放大装置，其特征在于，所述脉冲放大器包括：依次连接的大功率泵浦光源和弱非线性性质的媒介。
4.根据权利要求2所述的激光脉冲能量放大装置，其特征在于，所述非线性性质媒介包括强非线性性质的有源光纤和/或强非线性性质的无源光纤。
5.根据权利要求4所述的激光脉冲能量放大装置，其特征在于，所述脉冲放大器包括：依次连接的泵浦光源、强非线性性质的有源光纤和强非线性性质的无源光纤。
6.根据权利要求1所述的激光脉冲能量放大装置，其特征在于，所述脉冲整形器，包括：
测量模块，用于测量所述激光脉冲的脉冲形状和/或所包含的非线性相位；
补偿模块，用于根据所述激光脉冲的脉冲形状和/或所包含的非线性相位对所述激光脉冲进行相位补偿，将所述激光脉冲压缩成高斯或类高斯形状，输出接近傅里叶变换极限的飞秒激光脉冲。
7.一种激光脉冲放大方法，其特征在于，包括如下步骤：
接收所述激光种子光源输出的激光种子脉冲；
在激光种子脉冲中引入非线性相移使得该激光种子脉冲在时域上展宽的同时，其相应光谱在频域上展宽，输出包含非线性相位且能量放大的激光脉冲到所述脉冲整形器；
测量所述激光脉冲的脉冲形状和/或所包含的非线性相位，并依据所述脉冲形状和非线性相位对所述激光脉冲进行整形，输出飞秒激光脉冲。
8.根据权利要求7所述的激光脉冲放大方法，其特征在于，利用泵浦光源对所述激光种子脉冲进行能量放大，并利用非线性性质媒介在所述激光种子脉冲中引入非线性相位。
9.根据权利要求7所述的激光脉冲放大方法，其特征在于，所述测量所述激光脉冲的脉冲形状和/或所包含的非线性相位，并依据所述脉冲形状和非线性相位对所述激光脉冲进行整形，输出飞秒激光脉冲，包括：
测量所述激光脉冲的脉冲形状和非线性相位；
根据所述激光脉冲的脉冲形状和/或非线性相位对所述激光脉冲进行相位补偿，将所述激光脉冲压缩成高斯或类高斯形状，输出接近傅里叶变换极限的飞秒激光脉冲。
10.一种飞秒激光器，其特征在于，包括：激光种子光源以及权利要求1-6所述的激光脉冲能量放大装置。
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