CN113067243B - 光纤激光器及高能量飞秒脉冲生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光纤激光器及高能量飞秒脉冲生成方法。激光器包括沿着光路依次连接的激光振荡腔，脉冲放大器，第一压缩器，第一透镜，光谱展宽器以及第二压缩器，第一压缩器输出具有第一脉冲宽度且脉冲峰值功率大于预设阈值的第一激光脉冲，第一透镜用于聚焦第一激光脉冲，从而产生激光成丝现象；光谱展宽器，被配置为维持第一激光脉冲的激光成丝现象，并在激光成丝的传输过程中展宽第一激光脉冲的光谱宽度，输出光谱宽度被展宽预设倍数的第二激光脉冲；第二压缩器，用于将第二激光脉冲的脉冲宽度压缩预设倍数，从而输出脉冲宽度远小于第一脉冲宽度的第三激光脉冲。本发明解决了现有技术中光纤激光器的脉冲宽度难以压缩的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及激光器领域，具体而言，涉及一种光纤激光器及高能量飞秒脉冲生成方法。
背景技术
飞秒激光因其超短的时间尺度和极高的峰值功率在光通信、超分辨成像及光谱学、生物医学和精密加工等众多领域受到关注，因此超快激光技术也成为各国研究的热门，在很大程度上代表着当今激光技术的发展方向。飞秒光纤激光器的出现无疑是激光领域的一场技术革新，光纤特殊的几何结构和光学特性使光纤激光器避免了传统固体激光器中散热困难的问题，输出光束质量优良，同时抗环境扰动能力强，可保证长期稳定工作，无需校正光路准直，不用专人调试，具有成本低、稳定性佳、结构紧凑可集成等卓越优势。掺杂光纤的发明更是极大的促进了高能量、高功率光纤激光器的发展，根据实际应用中所需的工作波长选择相应的掺杂元素，具有极大的应用范围和前景。同时大模场光纤、色散补偿光纤等特种光纤的研制使得光纤激光器领域的研究在国际上得到开展和应用。
为了获得高能量飞秒脉冲，常采用啁啾脉冲放大(CPA)的方式对飞秒脉冲进行能量提升，通过对脉冲进行时域拉伸，使用增益光纤进行放大后采用脉冲压缩装置对脉冲进行脉宽压缩，最终得到高能量飞秒脉冲。CPA放大过程中，由于掺镱光纤增益带宽较窄，随着脉冲能量的提升，脉冲光谱宽度会窄化，光谱宽度被钳制在10nm左右，根据时间带宽积进行计算，放大后的脉冲宽度极限为200fs，考虑压缩装置与传输光纤间存在的三阶色散，最终压缩的脉冲宽度很难压缩到200fs，更勿论压缩到亚百飞秒。综上所述，现有技术中光纤激光器的脉冲宽度难以进一步压缩。
针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种光纤激光器及高能量飞秒脉冲生成方法，以至少解决[关键词]的技术问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种光纤激光器，包括沿着光路依次连接的激光振荡腔，脉冲放大器，第一压缩器，其中，激光振荡腔，被配置为生成并输出激光脉冲；脉冲放大器，被配置为对激光脉冲的能量进行放大，输出高能量激光脉冲；第一压缩器，被配置为对高能量激光脉冲的脉冲宽度进行压缩，输出第一激光脉冲，第一激光脉冲具有第一脉冲宽度。
光纤激光器还包括沿着光路依次连接的第一透镜，光谱展宽器以及第二压缩器，第一透镜连接第一压缩器，其中：第一压缩器被配置以使第一激光脉冲的脉冲峰值功率大于预设阈值；第一透镜用于聚焦第一激光脉冲，从而使第一激光脉冲在穿过第一透镜后呈现激光成丝现象；光谱展宽器，被配置为维持第一激光脉冲的激光成丝现象，并在激光成丝的传输过程中展宽第一激光脉冲的光谱宽度，输出光谱宽度被展宽预设倍数的第二激光脉冲；第二压缩器，用于将第二激光脉冲的脉冲宽度压缩预设倍数，从而输出脉冲宽度远小于第一脉冲宽度的第三激光脉冲。
根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种光纤激光器，包括沿着光路依次连接的激光振荡腔，脉冲放大器，第一压缩器，第一透镜，光谱展宽器，以及第二压缩器，其中：激光振荡腔，被配置为生成并输出激光脉冲；脉冲放大器，被配置为对激光脉冲的能量进行放大，输出高能量激光脉冲；第一压缩器，被配置为对高能量激光脉冲的脉冲宽度进行压缩，输出脉冲峰值功率大于预设阈值的第一激光脉冲，以确保第一激光脉冲可呈现激光成丝现象，其中，第一激光脉冲具有第一脉冲宽度和第一光谱宽度；第一透镜，用于聚焦第一激光脉冲，以使穿过第一透镜的第一激光脉冲转换为激光光丝；光谱展宽器，被配置为维持激光光丝的能量，并通过非线性效应展宽激光光丝的光谱宽度，输出具有第二脉冲宽度和第二光谱宽度的第二激光脉冲，其中，第二光谱宽度被展宽为第一光谱宽度的预设倍数；第二压缩器，被配置为对第二激光脉冲的脉冲宽度进行压缩，输出具有第三脉冲宽度和第三光谱宽度的第三激光脉冲，其中，第三脉冲宽度被压缩为第二脉冲宽度的预设倍数。
根据本发明实施例的另一个方面，还提供了一种高能量飞秒脉冲的生成方法，包括：通过激光振荡腔生成原始激光脉冲；对原始激光脉冲的能量进行放大，得到高能量激光脉冲；对高能量激光脉冲的脉冲宽度进行第一次压缩，得到具有第一脉冲宽度且脉冲峰值功率大于预设阈值的第一激光脉冲；对第一激光脉冲进行聚焦，产生激光成丝现象；通过非线性组件对产生激光成丝的第一激光脉冲的光谱宽度进行展宽，得到光谱宽度被展宽预设倍数的第二激光脉冲；对第二激光脉冲的脉冲宽度进行第二次压缩，使其脉冲宽度被压缩预设倍数，从而输出脉冲宽度远小于第一脉冲宽度的第三激光脉冲。
在上述任一实施例的基础上，第一激光脉冲的脉冲宽度大于200飞秒，第三激光脉冲的脉冲宽度小于100飞秒。
在上述任一实施例的基础上，光谱展宽器包括至少一个非线性镜片，第一激光脉冲在非线性镜片中传输时产生非线性效应，从而使第一激光脉冲的光谱宽度被展宽。
在上述任一实施例的基础上，光谱展宽器包括多个排列的非线性镜片，其中，第一激光脉冲的光谱宽度被宽展的预设倍数与非线性镜片的个数正相关。
在上述任一实施例的基础上，多个非线性镜片呈平行排列，或者多个非线性镜片呈锯齿状排列。
在上述任一实施例的基础上，非线性镜片包括掺镱镜片或掺钕镜片，用于放大第一激光脉冲的能量，以维持第一激光脉冲的激光成丝现象。
在上述任一实施例的基础上，光纤激光器还包括色散控制器件，用于对光纤激光器中产生的色散进行补偿；光纤激光器还包括泵浦光源以及耦合器，泵浦光源通过耦合器耦合入展宽器。
在上述任一实施例的基础上，脉冲放大器包括：脉冲展宽组件，被配置为将激光脉冲的脉冲宽度在时域进行延展，得到第一展宽脉冲；脉冲放大组件，被配置为对第一展宽脉冲的能量进行放大，得到高能量激光脉冲。
在本发明实施例中，第一压缩器被配置以使第一激光脉冲的脉冲峰值功率大于预设阈值；通过第一透镜聚焦第一激光脉冲，从而使第一激光脉冲在穿过第一透镜后呈现激光成丝现象；使用光谱展宽器维持第一激光脉冲的激光成丝现象，并在激光成丝的传输过程中展宽第一激光脉冲的光谱宽度，输出光谱宽度被展宽预设倍数的第二激光脉冲；借助第二压缩器将第二激光脉冲的脉冲宽度压缩预设倍数，实现了输出脉冲宽度远小于第一脉冲宽度的第三激光脉冲，进而解决了现有技术中光纤激光器的脉冲宽度难以压缩的技术问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的一种光纤激光器的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的又一种光纤激光器的结构示意图；
图3是根据本发明实施例的又一种具体的光纤激光器的结构示意图；以及
图4是根据本发明实施例的一种高能量飞秒脉冲的生成方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
根据本发明实施例，提供了一种光纤激光器的结构实施例，需要说明的是，图中所示的箭头可表示电信号或者激光的传输方向，在附图的结构示意图中虽然画出了在激光传输路径上具有特定先后顺序的多个组件或组件，然而本发明不限于此，在本发明的所有实施例中，除非特殊限定某些组件或组件在传输路径上的前后关系之外，本发明中的其他组件的位置均可在能解决本发明的技术问题的情况下进行调换。
图1是根据本发明实施例的光纤激光器的结构示意图，如图1所示，该光纤激光器包括沿着光路依次连接的激光振荡腔10，脉冲放大器12，第一压缩器14。
其中，激光振荡腔10被配置为生成并输出激光脉冲；
脉冲放大器12，被配置为对激光脉冲的能量进行放大，输出高能量激光脉冲；
第一压缩器14，被配置为对高能量激光脉冲的脉冲宽度进行压缩，输出第一激光脉冲，第一激光脉冲具有第一脉冲宽度。
光纤激光器还包括沿着光路依次连接的第一透镜16，光谱展宽器18以及第二压缩器20，第一透镜16连接第一压缩器14。
第一压缩器14被配置以使第一激光脉冲的脉冲峰值功率大于预设阈值；
第一透镜16用于聚焦第一激光脉冲，从而使第一激光脉冲在穿过第一透镜16后呈现激光成丝现象；
光谱展宽器18，被配置为维持第一激光脉冲的激光成丝现象，并在激光成丝的传输过程中展宽第一激光脉冲的光谱宽度，输出光谱宽度被展宽预设倍数的第二激光脉冲；
第二压缩器20，用于将第二激光脉冲的脉冲宽度压缩预设倍数，从而输出脉冲宽度远小于第一脉冲宽度的第三激光脉冲。
可选地，激光振荡腔10可以为超快光纤振荡器，用于产生低能量的飞秒脉冲。在一种具体实施例中，激光振荡腔10输出的脉冲宽度小于5ps，光谱宽度大于6nm。
可选地，脉冲放大器12用于对激光振荡腔10输出的低能量飞秒脉冲进行能量提升，在一种可选方式中，可以使用放大组件直接提升能量，在另一种可选方式中，可以先使用脉冲展宽器对激光振荡腔10输出的低能量飞秒脉冲进行时域拉伸，将其脉冲宽度展宽至亚纳秒量级，然后使用放大组件对展宽后的激光脉冲进行能量放大，这种方式下，脉冲能量可以实现2-3个量级的提升，从而得到高能量的激光脉冲。
示例性的，图2是根据本发明实施例的又一种光纤激光器的结构示意图，结合图2所示，脉冲放大器12包括：脉冲展宽组件120，被配置为将激光脉冲的脉冲宽度在时域进行延展，得到第一展宽脉冲；脉冲放大组件122，被配置为对第一展宽脉冲的能量进行放大，得到高能量激光脉冲。
可选地，第一压缩器14用于对高能量激光脉冲的脉冲宽度进行压缩，输出第一激光脉冲。第一压缩器14包括衍射光栅对和反射镜。可以通过第一分光器件13将激光脉冲耦合入第一压缩器，第一压缩器14输出的经压缩激光脉冲以及泵浦光源15输出的泵浦光可通过第一合束器件151耦合入第一透镜16。
示例性的，图3是根据本发明实施例的又一种光纤激光器的结构示意图，结合图3所示，第一分光器件13例如偏振分光镜1，将高能量激光脉冲耦合入第一压缩器14即脉冲预压缩器，第一压缩器14可以包括光栅1，光栅2和反射镜1。第一压缩器14输出的经压缩激光脉冲以及泵浦光源15输出的泵浦光通过双色镜耦合入第一透镜16即透镜1。泵浦光源15的波长例如940nm，仅为一示例值。
示例性的，第一压缩器14对脉冲放大器12输出的高能量激光脉冲进行时域压缩，可将脉冲宽度压缩至300fs左右，此时经压缩激光脉冲的峰值功率急剧提升至兆瓦量级。以使用掺镱光纤为例，其增益带宽较窄，随着脉冲能量的提升，脉冲光谱宽度会窄化，光谱宽度被钳制在10nm左右，根据时间带宽积进行计算，放大后的脉冲宽度极限为200fs，考虑压缩装置与传输光纤间存在的三阶色散，最终压缩的脉冲宽度很难压缩到200fs。在此需要说明的是，上述数值均为示例性的说明，无意将其作为针对本申请的限制条件，在具体实施的过程中，第一压缩器14输出的脉冲宽度可以是能够实现的任意值。
此时，通过激光振荡腔10，脉冲放大器12，第一压缩器14，易于获得脉冲宽度300fs左右的激光脉冲，然而因装置限制，无法通过第一压缩器14的继续压缩来获得脉冲宽度200fs以下的激光脉冲。为获得脉冲宽度更低的激光脉冲，本申请的光纤激光器还设置有如下功能组件：第一透镜16，光谱展宽器18以及第二压缩器20。
可选地，第一透镜16用于聚焦第一激光脉冲，从而使第一激光脉冲在穿过第一透镜16后呈现激光成丝现象。飞秒激光脉冲在介质中传输时，由于自聚焦效应和电离空气后产生的等离子体带来的散焦效应共同作用而达到的一种动态平衡，使得飞秒激光脉冲在空气中形成很长的、较为稳定的激光通道，这就是成丝现象。当入射激光脉冲峰值功率远大于空气中的自聚焦阈值功率时,光束就会发生激光成丝现象。因此，需要首先设置第一压缩器，使其输出的激光脉冲的峰值功率需要大于一定阈值，以便激光脉冲具有一定的能量，能够产生激光成丝现象。第一透镜将输入的第一激光脉冲这一平行光源准直为点光源，以实现聚焦，同时由于空气电离产生自散焦，自聚焦和自散焦相互作用，可形成激光成丝现象。
可选地，光谱展宽器18首先被配置为维持第一激光脉冲的激光成丝现象。在一种可选实施方式中，可以通过如下方式维持第一激光脉冲的激光成丝现象：(1)计算第一激光脉冲形成的光丝长度，设定光谱展宽器中激光脉冲传输的光程长度，以使光谱展宽器中的光程程度小于该光丝长度，从而确保在光谱展宽器中传输的一直是激光光丝。(2)增加第一激光脉冲的能量，以使第一激光脉冲形成的光丝长度延长，以大于光谱展宽其中激光脉冲传输的光程长度。(3)使用掺镱镜片或掺钕镜片，以在激光光丝的传输过程中放大脉冲能量，使在激光光丝的传输中脉冲能量可以继续维持，获得超长激光光丝，使激光光丝可在相当长的距离上保持几乎相互的能量穿过尽量多的掺镱镜片或掺钕镜片。
可选地，光谱展宽器18还被配置为在激光成丝的传输过程中展宽第一激光脉冲的光谱宽度，输出光谱宽度被展宽预设倍数的第二激光脉冲。例如，光谱展宽器可以被配置为包括至少一个非线性镜片，第一激光脉冲在至少一个非线性镜片中传输时产生非线性效应，从而使第一激光脉冲的光谱宽度被展宽。非线性镜片的数量可以设置为一个，也可以为多个。由于每个非线性镜片均可起到展宽光谱宽度的效果，多个非线性镜片对光谱宽度的展宽效果也会相应增加。因此，非线性镜片数量的个数与光谱宽度被展宽的倍数正相关。在一种优选实施方式中，为了尽可能的展宽光谱宽度，光谱展宽器中可设置尽可能多的非线性镜片。激光成丝穿过多片非线性镜片后，光谱将得到预设倍数(例如大于5倍)的光谱宽度展宽，从而可以保证激光脉冲在第二压缩器中可获得相同倍数(即该预设倍数，例如5倍)的脉宽压缩比。
可选地，结合图2和图3所示，可在光谱展宽器18之后设置第二透镜19，从而在激光光丝从光谱展宽器18中输出后通过第二透镜19，从而将激光光丝还原为平行光状态的激光脉冲。
可选地，可以通过第二分光器件191将激光脉冲耦合入第二压缩器20，第二分光器件例如偏振分光镜2。第二压缩器20可以包括衍射光栅对200和反射镜204，其中衍射光栅对例如图3所示的光栅3，光栅4，反光镜204例如图3所示的反射镜3。
可选地，第二压缩器20，用于将第二激光脉冲的脉冲宽度压缩预设倍数，从而输出脉冲宽度远小于第一脉冲宽度的第三激光脉冲。示例性的，根据时间带宽积(time-bandwidth product,TBP)原理可知，在光谱展宽器18中将光谱展宽了多少倍，此处第二压缩器中对脉冲宽度压缩时就可以继续压缩多少倍。通过对脉冲的光谱宽度进行展宽，可以实现对脉冲宽度的进一步压缩，从而使获得的脉冲宽度远小于200fs，可以得到几个飞秒的激光脉冲。
综上，为了在光纤激光器中获得高能量亚百飞秒量级脉冲，通过光谱展宽器在脉冲能量提升过程中抵消增益窄化效应，使脉冲光谱宽度能够进一步展宽，以便脉冲可以得到进步一步压缩，最终获得亚百飞秒量级高能量脉冲生成。本申请开创性的在光纤啁啾放大(CPA)过程中采用光谱展宽器，抵消放大过程中的增益窄化效应，使脉冲可以进一步压缩到亚百飞秒甚至更小的量级。同时，采用掺镱薄片对脉冲光谱进行展宽，使用掺镱薄片可获得超长激光成丝，穿过尽量多的薄片，从而尽最大可能展宽光谱，使光谱展宽量级大于X倍，第二压缩器输出的脉冲宽度远小于100fs量级，获得高能量亚百飞秒甚至更小量级的激光脉冲。
可选地，第一激光脉冲的脉冲宽度大于200飞秒，第三激光脉冲的脉冲宽度小于100飞秒。
可选地，光谱展宽器包括至少一个非线性镜片，第一激光脉冲在非线性镜片中传输时产生非线性效应，从而使第一激光脉冲的光谱宽度被展宽。
可选地，光谱展宽器包括多个排列的非线性镜片，其中，第一激光脉冲的光谱宽度被宽展的预设倍数与非线性镜片的个数正相关。
可选地，多个非线性镜片呈平行排列，如图3所示，或者多个非线性镜片呈锯齿状排列，又可称为八字排列，例如/\/\/\/\。
可选地，非线性镜片包括掺镱镜片或掺钕镜片。
可选地，光纤激光器还包括色散控制器件，用于对光纤激光器中产生的色散进行补偿；光纤激光器还包括泵浦光源以及耦合器，泵浦光源通过耦合器耦合入展宽器。结合图2和图3所示，第二压缩器20中设置有色散控制器件202，色散控制器件202例如空间光调制器，用于对光栅压缩过程中与光纤中的三阶色散进行补偿。
以获得亚百飞秒激光为例，结合图3，光纤激光器包括激光振荡腔，例如飞秒光纤振荡器，用于产生低能量飞秒脉冲，其脉冲宽度小于5ps，光谱宽度大于6nm。脉冲展宽器用于将光纤振荡器输出的超快脉冲进行时域拉伸，使其脉冲宽度展宽至亚纳秒量级。脉冲放大器用于对展宽器输出的脉冲进行能量放大，对脉冲能量进行2-3量级的能量提升。脉冲预压缩器用于对脉冲进行时域预压缩，随着脉冲宽度压缩至300fs左右，脉冲峰值功率急剧提升至兆瓦量级，之后脉冲经过透镜1准直后输入光谱展宽器中，为了尽最大可能展宽光谱，以使终极压缩器中可获得亚百飞秒脉冲，光谱展宽器采用多片掺镱薄片晶体排列组成，薄厚度为200-300微米，薄片数量＞6片。激光光束在掺镱薄片中传输过程中，自聚焦效应与自散焦相互作用，形成激光成丝现象，同时掺镱薄片具有放大脉冲能量作用，脉冲在激光成丝过程中能量可以继续维持，激光成丝可在相当长的距离上保持相同能量穿过尽量多的掺镱拨片，由于掺镱晶体的非线性效应，激光成丝穿过多片薄片后，光谱将得到＞5倍光谱宽度展宽，以保证脉冲在终极压缩器中可获得大于5倍的脉宽压缩比。激光光束通过光谱展宽器后输入进入终极脉冲压缩器，终极脉冲压缩器由光栅3、光栅4组成，同时采用色散控制器件——空间光调制器，对光栅压缩过程中与光纤中的三阶色散进行补偿，进一步压缩脉冲宽度，使最终输出的脉冲宽度远小于100fs，获得高能量亚百飞秒输出。
本申请还提供一种光纤激光器，结合图1-3可知，光纤激光器包括沿着光路依次连接的激光振荡腔，脉冲放大器，第一压缩器，第一透镜，光谱展宽器，以及第二压缩器，其中：
激光振荡腔，被配置为生成并输出激光脉冲；
脉冲放大器，被配置为对激光脉冲的能量进行放大，输出高能量激光脉冲；
第一压缩器，被配置为对高能量激光脉冲的脉冲宽度进行压缩，输出脉冲峰值功率大于预设阈值的第一激光脉冲，以确保第一激光脉冲可在穿过第一透镜后呈现激光成丝现象，其中，第一激光脉冲具有第一脉冲宽度和第一光谱宽度；
光谱展宽器，被配置为维持第一激光脉冲的激光成丝现象，并在激光成丝的传输过程中展宽第一激光脉冲的光谱宽度，输出具有第二脉冲宽度和第二光谱宽度的第二激光脉冲，其中，第二光谱宽度被展宽为第一光谱宽度的预设倍数；
第二压缩器，被配置为对第二激光脉冲的脉冲宽度进行压缩，输出具有第三脉冲宽度和第三光谱宽度的第三激光脉冲，其中，第三脉冲宽度被压缩为第二脉冲宽度的预设倍数。
图4是根据本发明实施例的一种高能量飞秒脉冲的生成方法的流程示意图，如图4所示，该方法包括：
步骤S400：通过激光振荡腔生成原始激光脉冲；
步骤S402：对原始激光脉冲的能量进行放大，得到高能量激光脉冲；
步骤S404：对高能量激光脉冲的脉冲宽度进行第一次压缩，得到具有第一脉冲宽度且脉冲峰值功率大于预设阈值的第一激光脉冲；
步骤S406：对第一激光脉冲进行聚焦，产生激光成丝现象；
步骤S408：通过非线性组件对产生激光成丝的第一激光脉冲的光谱宽度进行展宽，得到光谱宽度被展宽预设倍数的第二激光脉冲；
步骤S410：对第二激光脉冲的脉冲宽度进行第二次压缩，使其脉冲宽度被压缩预设倍数，从而输出脉冲宽度远小于第一脉冲宽度的第三激光脉冲。
在上述步骤S400中，激光振荡腔10可以为超快光纤振荡器，用于产生低能量的原始激光脉冲，例如飞秒脉冲。在一种具体实施例中，激光振荡腔10输出的脉冲宽度小于5ps，光谱宽度大于6nm。
在上述步骤S402中，通过脉冲放大器12用于对激光振荡腔10输出的原始激光脉冲进行能量提升，在一种可选方式中，可以使用放大组件直接提升能量，在另一种可选方式中，可以先使用脉冲展宽器对激光振荡腔10输出的低能量飞秒脉冲进行时域拉伸，将其脉冲宽度展宽至亚纳秒量级，然后使用放大组件对展宽后的激光脉冲进行能量放大，这种方式下，脉冲能量可以实现2-3个量级的提升，从而得到高能量的激光脉冲。
在上述步骤S404中，可以通过第一压缩器14对高能量激光脉冲的脉冲宽度进行第一次压缩，输出第一激光脉冲。第一压缩器14包括衍射光栅对和反射镜。可以通过第一分光器件13将激光脉冲耦合入第一压缩器。飞秒激光脉冲在介质中传输时，由于自聚焦效应和电离空气后产生的等离子体带来的散焦效应共同作用而达到的一种动态平衡，使得飞秒激光脉冲在空气中形成很长的、较为稳定的激光通道，这就是成丝现象。当入射激光脉冲峰值功率远大于空气中的自聚焦阈值功率时,光束就会发生激光成丝现象。因此，需要设置第一压缩器14使其输出的脉冲峰值功率大于一定阈值，以便激光脉冲具有一定的能量，能够产生激光成丝现象。
在上述步骤S406中，第一压缩器14输出的经压缩激光脉冲以及泵浦光源15输出的泵浦光可通过第一合束器件151耦合入第一透镜16。第一透镜16可以将输入的第一激光脉冲这一平行光源准直为点光源，以实现聚焦，同时由于空气电离产生自散焦，自聚焦和自散焦相互作用，可形成激光成丝现象，
在上述步骤S408中，可以通过光谱展宽器18中设置的非线性组件来对产生激光成丝的第一激光脉冲的光谱宽度进行展宽，得到光谱宽度被展宽预设倍数的第二激光脉冲。结合图2和图3所示，光谱展宽器被配置为在激光成丝的传输过程中展宽第一激光脉冲的光谱宽度，输出光谱宽度被展宽预设倍数的第二激光脉冲。例如，光谱展宽器可以被配置为包括至少一个非线性镜片，第一激光脉冲在至少一个非线性镜片中传输时产生非线性效应，从而使第一激光脉冲的光谱宽度被展宽。非线性镜片的数量可以设置为一个，也可以为多个。由于每个非线性镜片均可起到展宽光谱宽度的效果，多个非线性镜片对光谱宽度的展宽效果也会相应增加。因此，非线性镜片数量的个数与光谱宽度被展宽的倍数正相关。在一种优选实施方式中，为了尽可能的展宽光谱宽度，光谱展宽器中可设置尽可能多的非线性镜片。激光成丝穿过多片非线性镜片后，光谱将得到预设倍数(例如大于5倍)的光谱宽度展宽，从而可以保证激光脉冲在第二压缩器中可获得相同倍数(即该预设倍数，例如5倍)的脉宽压缩比。
在上述步骤S410中，可以通过第二压缩器20实现对第二激光脉冲的脉冲宽度进行第二次压缩，根据时间带宽积(time-bandwidth product,TBP)原理可知，在光谱展宽器18中将光谱展宽了多少倍，此处第二压缩器中对脉冲宽度压缩时就可以继续压缩多少倍。通过对脉冲的光谱宽度进行展宽，可以实现对脉冲宽度的进一步压缩，从而使获得的脉冲宽度远小于200fs，可以得到几个飞秒的激光脉冲。
通过上述步骤S400-S410，为了在光纤激光器中获得高能量亚百飞秒量级脉冲，通过光谱展宽器在脉冲能量提升过程中抵消增益窄化效应，使脉冲光谱宽度能够进一步展宽，以便脉冲可以得到进步一步压缩，最终获得亚百飞秒量级高能量脉冲生成。本申请开创性的在光纤啁啾放大(CPA)过程中采用光谱展宽器，抵消放大过程中的增益窄化效应，使脉冲可以进一步压缩到亚百飞秒甚至更小的量级。同时，采用掺镱薄片对脉冲光谱进行展宽，使用掺镱薄片可获得超长激光成丝，穿过尽量多的薄片，从而尽最大可能展宽光谱，使光谱展宽量级大于X倍，第二压缩器输出的脉冲宽度远小于100fs量级，获得高能量亚百飞秒甚至更小量级的激光脉冲。
此处需要说明的是，该脉冲生成方法实施例中所述的方法步骤，均与图1-3所示的光纤激光器的实施例中对应，前文中该光纤激光器实施例中的任何技术内容均纳入本方法实施例，囿于篇幅不再赘述。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种光纤激光器，包括沿着光路依次连接的激光振荡腔，脉冲放大器，第一压缩器，其中，激光振荡腔，被配置为生成并输出激光脉冲；脉冲放大器，被配置为对所述激光脉冲的能量进行放大，输出高能量激光脉冲；第一压缩器，被配置为对所述高能量激光脉冲的脉冲宽度进行压缩，输出第一激光脉冲，所述第一激光脉冲具有第一脉冲宽度，其特征在于，
所述光纤激光器还包括沿着光路依次连接的第一透镜，光谱展宽器以及第二压缩器，所述第一透镜连接所述第一压缩器，其中：
所述第一压缩器被配置以使所述第一激光脉冲的脉冲峰值功率大于预设阈值；
所述第一透镜用于聚焦所述第一激光脉冲，从而使第一激光脉冲在穿过所述第一透镜后呈现激光成丝现象；
所述光谱展宽器，被配置为维持所述第一激光脉冲的激光成丝现象，并在激光成丝的传输过程中展宽所述第一激光脉冲的光谱宽度，输出光谱宽度被展宽预设倍数的第二激光脉冲；
所述第二压缩器，用于将所述第二激光脉冲的脉冲宽度压缩所述预设倍数，从而输出脉冲宽度远小于所述第一脉冲宽度的第三激光脉冲。
2.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述第一激光脉冲的脉冲宽度大于200飞秒，所述第三激光脉冲的脉冲宽度小于100飞秒。
3.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述光谱展宽器包括至少一个非线性镜片，第一激光脉冲在所述非线性镜片中传输时产生非线性效应，从而使所述第一激光脉冲的光谱宽度被展宽。
4.根据权利要求3所述的光纤激光器，其特征在于，所述光谱展宽器包括多个排列的非线性镜片，其中，第一激光脉冲的光谱宽度被宽展的预设倍数与非线性镜片的个数正相关。
5.根据权利要求4所述的光纤激光器，其特征在于，多个非线性镜片呈平行排列，或者多个非线性镜片呈锯齿状排列。
6.根据权利要求3所述的光纤激光器，其特征在于，所述非线性镜片包括掺镱镜片或掺钕镜片，用于放大所述第一激光脉冲的能量，以维持所述第一激光脉冲的激光成丝现象。
7.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述光纤激光器还包括色散控制器件，用于对所述光纤激光器中产生的色散进行补偿；所述光纤激光器还包括泵浦光源以及耦合器，所述泵浦光源通过所述耦合器耦合入所述光谱展宽器。
8.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述脉冲放大器包括：
脉冲展宽组件，被配置为将所述激光脉冲的脉冲宽度在时域进行延展，得到第一展宽脉冲；
脉冲放大组件，被配置为对所述第一展宽脉冲的能量进行放大，得到所述高能量激光脉冲。
9.一种光纤激光器，其特征在于，包括沿着光路依次连接的激光振荡腔，脉冲放大器，第一压缩器，第一透镜，光谱展宽器，以及第二压缩器，其中：
激光振荡腔，被配置为生成并输出激光脉冲；
脉冲放大器，被配置为对所述激光脉冲的能量进行放大，输出高能量激光脉冲；
第一压缩器，被配置为对所述高能量激光脉冲的脉冲宽度进行压缩，输出脉冲峰值功率大于预设阈值的第一激光脉冲，以确保所述第一激光脉冲可呈现激光成丝现象，其中，所述第一激光脉冲具有第一脉冲宽度和第一光谱宽度；
第一透镜，用于聚焦所述第一激光脉冲，以使穿过所述第一透镜的第一激光脉冲转换为激光光丝，
光谱展宽器，被配置为维持所述激光光丝的能量，并通过非线性效应展宽所述激光光丝的光谱宽度，输出具有第二脉冲宽度和第二光谱宽度的第二激光脉冲，其中，所述第二光谱宽度被展宽为所述第一光谱宽度的预设倍数；
第二压缩器，被配置为对所述第二激光脉冲的脉冲宽度进行压缩，输出具有第三脉冲宽度和第三光谱宽度的第三激光脉冲，其中，所述第三脉冲宽度被压缩为所述第二脉冲宽度的预设倍数。
10.一种高能量飞秒脉冲的生成方法，其特征在于，包括：
通过激光振荡腔生成原始激光脉冲；
对所述原始激光脉冲的能量进行放大，得到高能量激光脉冲；
对所述高能量激光脉冲的脉冲宽度进行第一次压缩，得到具有第一脉冲宽度且脉冲峰值功率大于预设阈值的第一激光脉冲；
对所述第一激光脉冲进行聚焦，产生激光成丝现象；
通过非线性组件对产生激光成丝的第一激光脉冲的光谱宽度进行展宽，得到光谱宽度被展宽预设倍数的第二激光脉冲；
对所述第二激光脉冲的脉冲宽度进行第二次压缩，使其脉冲宽度被压缩所述预设倍数，从而输出脉冲宽度远小于所述第一脉冲宽度的第三激光脉冲。
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