CN112803234B - 一种基于拉曼增益的自相似脉冲整形展宽器的全光纤啁啾脉冲放大系统 - Google Patents

一种基于拉曼增益的自相似脉冲整形展宽器的全光纤啁啾脉冲放大系统 Download PDF

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Abstract

一种基于拉曼增益的自相似脉冲整形展宽器的全光纤啁啾脉冲放大系统，属于激光技术和非线性光学领域。依次包括皮秒种子源、全光纤脉冲整形展宽器、光纤放大器和脉冲压缩器。所述的全光纤脉冲整形展宽器为全光纤基于拉曼增益的自相似脉冲整形展宽器，依次包括泵浦源，第一波分复用器、拉曼光纤、第二波分复用器。脉冲整形和脉冲放大过程可在全光纤的结构中完成，在实现皮秒脉冲经基于拉曼增益的自相似脉冲演化的飞秒脉冲输出。

Description

一种基于拉曼增益的自相似脉冲整形展宽器的全光纤啁啾脉 冲放大系统
技术领域
本发明属于激光技术和非线性光学领域，尤其涉及一种基于拉曼增益的自相似脉冲整形展宽器。
背景技术
随着科技社会的发展，具有短脉冲宽度、高峰值功率和宽相干光谱等特点的飞秒激光被广泛应用于许多科学前沿领域，如:太赫兹产生、光学频率梳研究、拉曼光谱分析、超快时间分辨率研究等。
高功率飞秒脉冲在光纤传输过程中受到非线性相位累积及有限增益带宽的影响，易发生脉冲畸变，极大地限制了输出功率的提高和脉冲宽度的进一步窄化。但是因为啁啾脉冲放大技术的发明，一定程度上解决了脉冲放大过程中由于强烈的非线性积累限制脉冲功率的提升和脉宽的进一步窄化问题。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：受限利用色散将种子脉冲激光通过展宽器在时间上展宽几个量级，使脉冲宽度达到几百皮秒甚至纳秒，峰值功率也降低几个量级；展宽后的低功率脉冲在经过激光增益介质放大后，充分提取激光介质的储能；最后经过与展宽器具有相反色散的压缩器将脉冲宽度压缩至接近最初的脉宽值，得到峰值功率极大的飞秒脉冲。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。
在光纤飞秒啁啾脉冲激光系统中，种子源对整个系统的性能有显著的影响，尤其是在稳定性方面。一般采用锁模的飞秒光纤激光作为种子源，但是锁模产生的飞秒激光源既昂贵且含有自由空间器件，增加了系统的复杂性和成本。反之，相比较于飞秒种子源，皮秒光纤激光器固有的更简单，更便宜和更稳定的特点，皮秒激光发展至今已经有成熟稳定的商业化产品。
在啁啾脉冲放大技术中，常见的展宽方法主要包括：第一种是空间结构的大色散量光栅展宽器，将展宽后的激光进行放大，最后利用光栅对进行压缩。这种方法，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，但是整个系统中存在大量的自由空间器件，造成了系统的复杂性且稳定性降低，难以集成。第二种是正色散传输光纤进行脉冲展宽，随后在放大过程中引入的非线性可以和系统引入的三阶色散相互补偿。但是需要精确调节光栅的角度来保证三阶色散和非线性匹配，对光栅调节的精度要求很高。第三种是自相似放大，原理是脉冲在光纤放大器的传输过程中，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，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。但是维持自相似放大的条件较为苛刻，并且自相似放大系统受到受激拉曼散射效应和光纤增益带宽的限制，无法实现更高能量的输出。
发明内容
为了解决啁啾脉冲放大系统中涉及到的自由空间元器件多，结构复杂，稳定性低和难以集成的问题；需要精确调节色散和放大器，对操作要求苛刻的问题；自相似放大系统中受激拉曼散射和增益带宽限制效应明显的问题。本发明提供一种全光纤结构、可实现皮秒种子激光基于拉曼增益的自相似脉冲整形展宽的全光纤啁啾脉冲放大实现飞秒脉冲的输出。皮秒种子源输出的激光脉冲首先通过基于拉曼增益的非线性放大过程将时域和光谱进行抛物线整形，并且引入线性啁啾。对整形后的脉冲进行放大，可产生线性频率啁啾，与传统方法相比较，可有效的降低因非线性效应积累对压缩脉冲产生的影响，并且突破使用增益光纤进行自相似放大时的增益带宽的限制问题。该方法可以实现皮秒激光向百皮秒量级，光谱十倍量级的抛物线脉冲放大，与基于掺稀土离子增益光纤的自相似放大相比，脉冲在时域展宽的同时光谱也得到了较大程度的展宽，能实现更窄脉宽的激光输出。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，在实现皮秒脉冲经基于拉曼增益的自相似脉冲演化的飞秒脉冲输出的同时，具有全光化，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：
一种基于拉曼增益的自相似脉冲整形展宽器的全光纤啁啾脉冲放大系统，依次包括皮秒种子源、全光纤脉冲整形展宽器、光纤放大器和脉冲压缩器。所述的全光纤脉冲整形展宽器为全光纤基于拉曼增益的自相似脉冲整形展宽器，依次包括泵浦源，第一波分复用器、拉曼光纤、第二波分复用器。所述的窄带皮秒脉冲种子源的输出端与全光纤基于拉曼增益的自相似脉冲整形展宽器的第一波分复用器信号输入端相连，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拉曼光纤的一端相连，拉曼光纤的另一端与第二波分复用器的公共端相连，第二波分复用器的信号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压缩器。
作为优选，皮秒种子源为窄带宽的皮秒脉冲种子源，中心波长为1064nm，光谱半高全宽为0.3—0.9nm，脉冲宽度为5—10ps，脉冲能量1—40pJ。
作为优选，所述的第一泵浦源是连续激光器和脉冲激光器。
作为优选，所述的第一泵浦源激光的中心波长与皮秒种子源激光波长相差13.2THz。
作为优选，所述的拉曼光纤是无稀土离子掺杂的正色散光纤，光纤可以是单包层光纤或是双包层阶跃折射率光纤或是双包层光子晶体光纤。
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拉曼增益的自相似脉冲整形展宽的全光纤啁啾脉冲放大系统，实现窄带皮秒脉冲到飞秒脉冲的输出。核心器件为全光纤化脉冲整形器即全光纤脉冲整形展宽器，通过光纤中的非线性、拉曼增益和大的正色散对脉冲进行整形，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。实现从皮秒脉冲到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拉曼增益的自相似脉冲整形展宽的全光纤化啁啾脉冲放大系统，以实现皮秒脉冲到飞秒脉冲输出的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的全光纤化脉冲整形展宽器结构示意图。
其中，1.皮秒种子源，2.全光纤脉冲整形展宽器，3.光纤放大器，4.脉冲压缩器，201. 第一泵浦源，202.第一波分复用器，203.拉曼光纤，204.第二波分复用器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加明确，以下结合几个附图和实施例，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拉曼增益的自相似脉冲整形展宽器实现皮秒脉冲到飞秒脉冲的输出，包括：皮秒种子源1、全光纤化脉冲整形展宽器2、光纤放大器3和脉冲压缩器4。所述的全光纤脉冲整形展宽器如图2所示，包括：第一泵浦源201，第一波分复用器202，拉曼光纤203，第二波分复用器204。所述的皮秒脉冲种子源1的输出端与全光纤脉冲整形展宽器的第一波分复用器202的信号输入端相连，第一泵浦源201的输出光纤与第一波分复用器201的泵浦输入端相连，第一波分复用器202的公共输出端与拉曼光纤 203的一端相连，拉曼光纤203的另一端与第二波分复用器204的公共端相连，第二波分不用器204的信号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。
皮秒种子源1产生的脉冲进入全光纤脉冲整形展宽器2中，首先通过第一波分复用器 202到达拉曼光纤203进行非线性放大，脉冲的时域和光谱形状发生变化，优化皮秒脉冲种子源1和第一泵浦源201的参数后，可以得到近似抛物线型的时域脉冲整形效果，根据基于拉曼效应的自相似脉冲整形展宽作用了，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，整形展宽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。
本发明全光纤结构、可实现皮秒种子激光基于拉曼增益的自相似脉冲整形展宽的全光纤啁啾脉冲放大实现飞秒脉冲的输出。皮秒种子源输出的激光脉冲首先通过基于拉曼增益的非线性放大过程将时域和光谱进行抛物线整形，并且引入线性啁啾。对整形后的脉冲进行放大，可产生线性频率啁啾，与传统方法相比较，可有效的降低因非线性效应积累对压缩脉冲产生的影响，并且突破使用增益光纤进行自相似放大时的增益带宽的限制问题。该方法可以实现皮秒激光向百皮秒量级，光谱十倍量级的抛物线脉冲放大，与基于掺稀土离子增益光纤的自相似放大相比，脉冲在时域展宽的同时光谱也得到了较大程度的展宽，能实现更窄脉宽的激光输出。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，在实现皮秒脉冲经基于拉曼增益的自相似脉冲演化的飞秒脉冲输出的同时，具有全光化，易于集成，性能稳定的特点。
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拉曼增益的自相似脉冲整形展宽系统。基于拉曼增益的自相似脉冲整形展宽器，采用全光纤化脉冲整形器将待放大脉冲在时域、光谱展宽的同时整形成抛物线形，整形后的脉冲在放大过程中可有效的抑制非线性积累引起的脉冲畸变问题。
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 (5)

1.一种基于拉曼增益的自相似脉冲整形展宽器的全光纤啁啾脉冲放大系统，其特征在于，依次包括皮秒种子源、全光纤脉冲整形展宽器、光纤放大器和脉冲压缩器；所述的全光纤脉冲整形展宽器为全光纤基于拉曼增益的自相似脉冲整形展宽器，依次包括泵浦源，第一波分复用器、拉曼光纤、第二波分复用器；所述的皮秒种子源的输出端与全光纤基于拉曼增益的自相似脉冲整形展宽器的第一波分复用器信号输入端相连，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拉曼光纤的一端相连，拉曼光纤的另一端与第二波分复用器的公共端相连，第二波分复用器的信号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压缩器；
皮秒种子源为窄带宽的皮秒脉冲种子源，中心波长为1064nm，光谱半高全宽为0.3—0.9nm，脉冲宽度为5—10ps，脉冲能量1—40pJ；
拉曼光纤是无稀土离子掺杂的正色散光纤，该正色散光纤是单包层光纤或是双包层阶跃折射率光纤或是双包层光子晶体光纤；
首先通过第一波分复用器到达拉曼光纤进行非线性放大，脉冲的时域和光谱形状发生变化，优化皮秒种子源和泵浦源的参数后，得到近似抛物线型的时域脉冲整形效果，根据基于拉曼效应的自相似脉冲整形展宽作用，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，整形展宽后的脉冲输入到光纤放大器中进行放大，最终进入脉冲压缩器进行脉冲压缩。
2.按照权利要求1所述的一种基于拉曼增益的自相似脉冲整形展宽器的全光纤啁啾脉冲放大系统，其特征在于，所述的泵浦源激光的中心波长与皮秒种子源激光波长相差13.2THz。
3.按照权利要求1所述的一种基于拉曼增益的自相似脉冲整形展宽器的全光纤啁啾脉冲放大系统，其特征在于，光纤放大器由多级掺镱光纤放大器组成。
4.按照权利要求1所述的一种基于拉曼增益的自相似脉冲整形展宽器的全光纤啁啾脉冲放大系统，其特征在于，光纤放大器的各级之间采用光纤熔接耦合形式。
5.按照权利要求1所述的一种基于拉曼增益的自相似脉冲整形展宽器的全光纤啁啾脉冲放大系统，其特征在于，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。
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