CN113451867A - 基于大色散量匹配的紧凑型大能量全光纤飞秒激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于大色散量匹配的紧凑型大能量全光纤飞秒激光器，解决现有飞秒光纤激光器放大过程中，非线性强、输出脉冲底座大、输出脉冲能量受限的问题。激光器包括预放大系统、主放大单元和压缩器；预放大系统包括依次连的飞秒锁模种子源、四端口环形器、多模放大器、声光降频器、带通滤波器和多模放大器，与四端口环形器连的第一啁啾光纤光栅和第二啁啾光纤光栅；主放大单元包括大模场光纤放大器及设在大模场光纤放大器出射光束的准直透镜、第一半波片和第一隔离器；压缩器包括依次设的半波片、第一偏振光分束器、45度旋光器、半波片、第二偏振光分束器、1/4波片和反射式啁啾体布拉格光栅及设在第二偏振光分束器反射光路的零度高反镜。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，涉及一种飞秒激光器，具体涉及一种基于大色散量匹配的紧凑型大能量全光纤飞秒激光器。
背景技术
目前光纤激光器由于具有集成度高，易于维护，散热好，光束质量好，放大增益高等优点，在激光器领域受到了越来越多的关注。但是在光纤超快激光技术领域，由于受到非线性效应的限制，脉冲输出能量受限，其全光纤结构主要是借助于啁啾脉冲放大技术，能够输出的脉冲能量大多限制在几个微焦到几十微焦的水平，同时，目前的展宽器，主要采用的是啁啾光纤光栅展宽器构成全光纤结构，对于大于10nm以上的宽光谱，目前商用的色散量最大的也只有～100ps/nm,通过大色散啁啾光纤光栅展宽，结合全光纤大模场光纤放大，一般输出能量最大可以达到数十微焦的压缩输出。
为了进一步提升输出脉冲的能量，需要对脉冲在时域上进行更大程度的展宽。目前的脉冲压缩器主要有传统的光栅对压缩器和新型的紧凑型体啁啾布拉格光栅压缩器。光栅对压缩器的主要优势是色散量可以通过光栅对间距进行灵活的调整，其主要的缺点是光栅对距离大(一般展宽到数百皮秒的脉冲压缩，一般需要1-2米的光栅对距离)，难于集成，也导致激光器整体的指向稳定性以及可靠性变差。体啁啾布拉格光栅压缩器具有体积小，集成度高，稳定可靠性强，因此受到了越来越多的关注。但是体啁啾布拉格光栅的色散量较小，应用最大的体啁啾布拉格光栅的色散量是～-100ps/nm。为了进一步降低系统的非线性积累，获得更高能量的飞秒输出，若前端的展宽量进一步增大，直接采用单块体光栅一次通过，则无法满足色散匹配要求。
发明内容
为了解决现有大能量飞秒光纤激光器放大过程中，存在非线性强、输出脉冲底座大、输出脉冲能量受限的技术问题，本发明提供了一种基于大色散量匹配的紧凑型大能量全光纤飞秒激光器。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种基于大色散量匹配的紧凑型大能量全光纤飞秒激光器，其特殊之处在于：包括依次连接的预放大系统、主放大单元和压缩器；
所述预放大系统包括飞秒锁模种子源、四端口环形器、第一啁啾光纤光栅、第二啁啾光纤光栅、第一多模放大器、声光降频器、带通滤波器和第二多模放大器；
所述飞秒锁模种子源与四端口环形器的1端口连接；
所述四端口环形器的2端口与第一啁啾光纤光栅连接，其3端口通过PM980光纤与第二啁啾光纤光栅连接，4端口通过依次设置的第一多模放大器、声光降频器、带通滤波器与第二多模放大器的输入端连接；
所述主放大单元包括大模场光纤放大器、准直透镜、第一半波片和第一隔离器，大模场光纤放大器的输入端与第二多模放大器的输出端连接，准直透镜、第一半波片和第一隔离器沿传输方向依次设置在大模场光纤放大器的出射光束上；
所述压缩器为基于偏振控制的双通压缩器，其包括沿第一隔离器出射光束传输方向依次设置的第二半波片、第一偏振光分束器、45度旋光器、第三半波片、第二偏振光分束器、1/4波片和反射式啁啾体布拉格光栅，以及设置在第二偏振光分束器反射光路上的零度高反镜。
进一步地，所述声光降频器包括同步信号处理电路、声光调制器驱动和声光调制器；
所述声光调制器的输入端与第一多模放大器的输出端连接，其输出端与带通滤波器的输入端连接；
所述同步信号处理电路与飞秒锁模种子源的重复频率信号监测端连接，用于向声光调制器驱动输送重复频率可调的TTL电脉冲波形，声光调制器驱动根据TTL电脉冲波形向声光调制器加载对应重复频率的射频信号。
进一步地，所述大模场光纤放大器为硅酸盐玻璃放大器或采用大模场的光子晶体光纤放大器或大模场双包层光纤放大器或CCC光纤放大器或锥形光纤放大器。
进一步地，所述硅酸盐玻璃放大器包括掺镱硅酸盐增益光纤、第一泵浦合束器和多模LD；
所述第一泵浦合束器的信号端与第二多模放大器的输出端连接，其泵浦端与多模LD连接，输出端与掺镱硅酸盐增益光纤连接；
所述准直透镜位于掺镱硅酸盐增益光纤的出射光束上。
进一步地，所述第一多模放大器和第二多模放大器的增益光纤参数为保偏10/125光纤。
进一步地，所述第一多模放大器包括泵浦LD、第二泵浦合束器、掺镱光纤和第二隔离器；
所述第二泵浦合束器的信号端与四端口环形器的4端口连接，其泵浦端与泵浦LD连接，输出端通过掺镱光纤、第二隔离器与声光调制器的输入端连接；
所述第二多模放大器与第一多模放大器结构相同，其第二泵浦合束器的信号端与带通滤波器的输出端连接，输出端与第一泵浦合束器的信号端连接。
进一步地，所述飞秒锁模种子源的输出功率67mW，光谱半高全宽16.9nm，重复频率35.7MHz。
进一步地，所述第一啁啾光纤光栅和第二啁啾光纤光栅的色散量为100ps/nm，带宽约10nm。
进一步地，所述反射式啁啾体布拉格光栅的光栅色散量为106ps/nm，带宽5.5nm。
进一步地，所述主放大单元和压缩器之间设有第一高反镜和第二高反镜。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明飞秒激光器采用四端口环形器连接两个大色散啁啾光纤光栅，形成了一套紧凑型的纳秒级别展宽量的大色散量紧凑型展宽器，可以有效提升啁啾脉冲放大系统的输出能量；以及采用偏振控制的体光栅双通压缩器，可以形成体积小，系统紧凑的压缩器，整个激光器系统紧凑且节省了一个昂贵的体光栅。同时与目前常用的光栅对压缩系统相比(大色散情况下光栅对一般1-2m的距离，体积非常大，难于集成)，体积较小，且系统稳定性以及指向稳定性提升明显。
2、本发明飞秒激光器进行了各级功率放大的分配，并采用的高增益低非线性的硅酸盐放大器作为主放大，结合纳秒级大色散展宽，突破了目前全光纤放大系统输出的能量瓶颈，压缩后获得了最高能量的飞秒输出。
3、本发明飞秒激光器在声光降频器和第二多模放大器之间设置带通滤波器，为了与后端压缩器的反射式啁啾体布拉格光栅的带宽匹配，以获得高效率的压缩。
4、本发明飞秒激光器放大部分是全焊接式的光纤飞秒放大系统，输出激光能量大、稳定性好，以及体积小的特点。
附图说明
图1是本发明基于大色散量匹配的紧凑型大能量全光纤飞秒激光器的结构示意图；
图2是本发明基于大色散量匹配的紧凑型大能量全光纤飞秒激光器中第一多模放大器的结构示意图；
图3是本发明硅酸盐玻璃光纤放大器输出、第一次进入体光栅压缩器输出功率以及第二次压缩输出功率示意图；
图4是本发明170μJ的飞秒压缩脉冲输出自相关曲线，其中，a是170μJ实际的自相关仪采集的曲线，b是根据采集数据进行脉冲拟合得到的脉冲宽度输出；
图5是本发明50μJ的飞秒压缩脉冲输出自相关曲线，其中，a是50μJ实际的自相关仪采集的曲线，b是根据采集数据进行脉冲拟合得到的脉冲宽度输出；
其中，附图标记如下：
01-预放大系统，02-主放大单元，03-压缩器，04-声光降频器；
1-飞秒锁模种子源，2-四端口环形器，3-第一啁啾光纤光栅，4-PM980光纤，5-第二啁啾光纤光栅，6-第一多模放大器，7-声光调制器，8-声光调制器驱动，9-同步信号处理电路，10-带通滤波器，11-第二多模放大器，12-多模LD，13-第一泵浦合束器，14-掺镱硅酸盐增益光纤，15-准直透镜，16-第一半波片，17-第一隔离器，18-第一高反镜，19-第二高反镜，20-第二半波片，21-第一偏振光分束器，22-45度旋光器，23-第三半波片，24-第二偏振光分束器，25-1/4波片，26-反射式啁啾体布拉格光栅，27-零度高反镜，30-泵浦LD，31-第二泵浦合束器，32-掺镱光纤，33-第二隔离器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
如图1所示，本发明一种基于大色散量匹配的紧凑型大能量全光纤飞秒激光器，包括依次连接的预放大系统01、主放大单元02和压缩器03，该激光器是基于四端口环形器结合大带宽双啁啾光纤光栅展宽以及基于双通啁啾体布拉格光栅压缩的紧凑型全光纤放大系统，实现焊接式全光纤系统输出170μJ能量的飞秒激光器，是目前焊接式全光纤系统输出能量最高的放大系统。
预放大系统01包括飞秒锁模种子源1、四端口环形器2、第一啁啾光纤光栅3、第二啁啾光纤光栅5，以及依次连接的第一多模放大器6、声光降频器04、带通滤波器10和第二多模放大器11。
飞秒锁模种子源1的输出功率67mW，光谱半高全宽16.9nm，重复频率35.7MHz，提供一个脉冲重复频率输出监测端。
四端口环形器2的1端口连接飞秒锁模种子源1，2端口连接第一啁啾光纤光栅3，第一啁啾光纤光栅3反射后进入3端口，3端口熔接约80m的PM980光纤4作为色散匹配光纤，PM980光纤4熔接第二啁啾光纤光栅5，反射后从四端口环形器2的的4端口输出。其中第一啁啾光纤光栅3和第二啁啾光纤光栅5的色散量为100ps/nm，带宽约10nm。经过展宽后四端口环形器的4端口的输出功率约4mW。
第一多模放大器6用于降频前的功率提升，本实施例第一多模放大器6为双包层光纤放大器，其中增益光纤参数为保偏10/125光纤(芯径10μm，包层直径125μm)，第一多模放大器6具体结构如图2所示，其包括泵浦LD 30、第二泵浦合束器31、掺镱光纤32和第二隔离器33；泵浦LD 30输出波长976nm，功率9W，泵浦LD 30与第二泵浦合束器31泵浦端光纤熔接，第二泵浦合束器31的信号端与四端口环形器2的4端口(输出端)熔接，第二泵浦合束器31的输出端与10um的掺镱光纤32的一端熔接；掺镱光纤32长度约1m，掺镱光纤32的另一端和第二隔离器33连接，用于光纤放大系统级间隔离。
声光降频器04用于对高重复的脉冲序列进行选脉冲，实现低的重复频率的脉冲序列输出。声光降频器04包括同步信号处理电路9、声光调制器驱动8和声光调制器7；声光调制器7的输入端与第二隔离器33的输出端连接，声光调制器7的输出端与带通滤波器10的输入端连接；飞秒锁模种子源1提供的重复频率输出监测端连接同步信号处理电路9，同步信号处理电路9可以输出重复频率可调的TTL电脉冲波形，满足声光调制器驱动8的要求，驱动发射对应重复频率的射频信号加载在声光调制器7上，使得从种子源35.7MHz的高重复频率中摘取重复频率200kHz的光脉冲序列。降低频率后的功率仅2mW，经过第二多模放大器11的放大，输出功率达到200mW。第二多模放大器11与第一多模放大器6为相同结构的双包层光纤放大器，第二多模放大器11的第二泵浦合束器的信号端与带通滤波器输出端连接，第二多模放大器11的输出端与主放大单元02的信号端连接。
带通滤波器10为一个光纤耦合带通滤波器，带宽约5nm，是为了与后端压缩器03的反射式啁啾体布拉格光栅26的带宽匹配，以获得高效率的压缩。
主放大单元02包括大模场光纤放大器、准直透镜15、第一半波片16和第一隔离器17。该主放大单元02具有放大增益高，放大非线性积累小的特点，通过四端口环形器级联光纤光栅的做法，可以进一步优化系统非线性积累，并提升脉冲能量以及输出质量。大模场光纤放大器为严格全光纤结构，大模场光纤放大器可采用硅酸盐玻璃放大器，还可以采用大模场的光子晶体光纤放大器、大模场双包层光纤放大器、CCC光纤放大器、锥形光纤放大器等。
本实施例大模场光纤放大器采用一个硅酸盐玻璃放大器，其包括掺镱硅酸盐增益光纤14、第一泵浦合束器13和多模LD12。预放大系统01的信号输出与第一泵浦合束器13的信号端连接，多模LD12采用100W的976nm LD，并与第一泵浦合束器13的泵浦端连接，第一泵浦合束器13的输出端与掺镱硅酸盐增益光纤14连接，掺镱硅酸盐增益光纤14长度仅20cm，模场直径40μm。经硅酸盐玻璃放大器放大后空间输出，并经过准直透镜15准直、第一半波片16改变线偏振输出方向，达到第一隔离器17需要的偏振注入方向后注入第一隔离器17中。
本实施例主放大单元02放大增益高，在注入泵浦功率80.7W的情况下，放大输出功率达到42.6W，并且放大后光束质量优异，光束质量M2<1.2。
本实施例全光纤飞秒激光器在第一隔离器17之后设置第一高反镜18和第二高反镜19，用于改变光束的传输方向，压缩整体体积，实现小型化。
压缩器03为一个基于偏振控制的双通压缩器，其包括沿第二高反镜19出射光束传输方向依次设置的第二半波片20、第一偏振光分束器21、45度旋光器22、第三半波片23、第二偏振光分束器24、1/4波片25和反射式啁啾体布拉格光栅26，以及设置在第二偏振光分束器24反射光路上的零度高反镜27；本实施例反射式啁啾体布拉格光栅26的光栅色散量为106ps/nm,带宽5.5nm；零度高反镜为零度的1030nm高反镜。
反射镜(第一高反镜18和第二高反镜19)将光反射进压缩器03，展宽的脉冲通过第二半波片20，第二半波片20将线偏光的偏振方向调整为水平放大，使几乎所有激光全部透过第一偏振光分束器21，然后进入45度旋光器22，45度旋光器22将激光线偏振旋转45度后，进入第三半波片23，第三半波片23将线偏振旋转成水平偏振，使几乎所有激光全部透过第二偏振光分束器24，并经1/4波片25后进入反射式啁啾体布拉格光栅26，反射式啁啾体布拉格光栅26对激光进行反射，并再次经过1/4波片25进入第二偏振光分束器24，由于光两次通过1/4波片25，使得光偏振旋转90度，从第二偏振光分束器24几乎全部反射至零度高反镜27，经过零度高反镜27反射再次返回至第二偏振光分束器24，通过第二偏振光分束器24再次反射，并再次经1/4波片25(第三次进入)进入反射式啁啾体布拉格光栅26，经反射式啁啾体布拉格光栅26再次反射后第四次进入1/4波片25，偏振变成水平偏振，光从第二偏振光分束器24透过，再依次经过第三半波片23(光两次经过该半波片偏振不变)、45度旋光器22(两次经过45度旋光器22，偏振旋转90度)进入第一偏振光分束器21，经第一偏振光分束器21反射输出。
经压缩器03压缩后的脉冲畸变非常小，在几十微焦输出的情况下，脉冲底座非常小，随着放大能量的增加，底座有增大趋势，但是依然可以维持在飞秒量级。
如图3所示，为主放大单元的泵浦对应的放大输出功率以及单通压缩(未放置零度高反镜27，经第二偏振光分束器24反射)和双通压缩(放置零度高反镜27，经第一偏振光分束器21反射)的输出功率，从中可以看出，放大输出的能量最高达到213μJ(42.6@200kHz)，压缩后功率达到170μJ(34W@200kHz)，总的压缩效率为79.8％，是目前全光纤焊接式飞秒系统输出的最大能量飞秒输出。图4为最高能量下的压缩输出，从中看出，有较强的非线性影响，但是脉宽可以达到飞秒量级，图5的能量相比于图4稍微低一点，但其脉冲质量也得到了明显提升。
本实施例激光器采用四端口环形器2级联两个商用化最大色散量的啁啾光纤光栅进行展宽，将脉冲展宽到ns以上，降低放大过程的非线性效应，并采用偏振控制的大色散量啁啾体布拉格光栅双通压缩，保持结构紧凑的同时，节省了一个价格昂贵的体光栅，并实现紧凑型全光纤大能量飞秒压缩输出。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。
Claims (10)
1.一种基于大色散量匹配的紧凑型大能量全光纤飞秒激光器，其特征在于：包括依次连接的预放大系统(01)、主放大单元(02)和压缩器(03)；
所述预放大系统(01)包括飞秒锁模种子源(1)、四端口环形器(2)、第一啁啾光纤光栅(3)、第二啁啾光纤光栅(5)、第一多模放大器(6)、声光降频器(04)、带通滤波器(10)和第二多模放大器(11)；
所述飞秒锁模种子源(1)与四端口环形器(2)的1端口连接；
所述四端口环形器(2)的2端口与第一啁啾光纤光栅(3)连接，其3端口通过PM980光纤(4)与第二啁啾光纤光栅(5)连接，4端口通过依次设置的第一多模放大器(6)、声光降频器(04)、带通滤波器(10)与第二多模放大器(11)的输入端连接；
所述主放大单元(02)包括大模场光纤放大器、准直透镜(15)、第一半波片(16)和第一隔离器(17)，大模场光纤放大器的输入端与第二多模放大器(11)的输出端连接，准直透镜(15)、第一半波片(16)和第一隔离器(17)沿传输方向依次设置在大模场光纤放大器的出射光束上；
所述压缩器(03)为基于偏振控制的双通压缩器，其包括沿第一隔离器(17)出射光束传输方向依次设置的第二半波片(20)、第一偏振光分束器(21)、45度旋光器(22)、第三半波片(23)、第二偏振光分束器(24)、1/4波片(25)和反射式啁啾体布拉格光栅(26)，以及设置在第二偏振光分束器(24)反射光路上的零度高反镜(27)。
2.根据权利要求1所述基于大色散量匹配的紧凑型大能量全光纤飞秒激光器，其特征在于：所述声光降频器(04)包括同步信号处理电路(9)、声光调制器驱动(8)和声光调制器(7)；
所述声光调制器(7)的输入端与第一多模放大器(6)的输出端连接，其输出端与带通滤波器(10)的输入端连接；
所述同步信号处理电路(9)与飞秒锁模种子源(1)的重复频率信号监测端连接，用于向声光调制器驱动(8)输送重复频率可调的TTL电脉冲波形，声光调制器驱动(8)根据TTL电脉冲波形向声光调制器(7)加载对应重复频率的射频信号。
3.根据权利要求2所述基于大色散量匹配的紧凑型大能量全光纤飞秒激光器，其特征在于：所述大模场光纤放大器为硅酸盐玻璃放大器或采用大模场的光子晶体光纤放大器或大模场双包层光纤放大器或CCC光纤放大器或锥形光纤放大器。
4.根据权利要求3所述基于大色散量匹配的紧凑型大能量全光纤飞秒激光器，其特征在于：所述硅酸盐玻璃放大器包括掺镱硅酸盐增益光纤(14)、第一泵浦合束器(13)和多模LD(12)；
所述第一泵浦合束器(13)的信号端与第二多模放大器(11)的输出端连接，其泵浦端与多模LD(12)连接，输出端与掺镱硅酸盐增益光纤(14)连接；
所述准直透镜(15)位于掺镱硅酸盐增益光纤(14)的出射光束上。
5.根据权利要求4所述基于大色散量匹配的紧凑型大能量全光纤飞秒激光器，其特征在于：所述第一多模放大器(6)和第二多模放大器(11)的增益光纤参数为保偏10/125光纤。
6.根据权利要求5所述基于大色散量匹配的紧凑型大能量全光纤飞秒激光器，其特征在于：所述第一多模放大器(6)包括泵浦LD(30)、第二泵浦合束器(31)、掺镱光纤(32)和第二隔离器(33)；
所述第二泵浦合束器(31)的信号端与四端口环形器(2)的4端口连接，其泵浦端与泵浦LD(30)连接，输出端通过掺镱光纤(32)、第二隔离器(33)与声光调制器(7)的输入端连接；
所述第二多模放大器(11)与第一多模放大器(6)结构相同，其第二泵浦合束器(31)的信号端与带通滤波器(10)的输出端连接，输出端与第一泵浦合束器(13)的信号端连接。
7.根据权利要求1至6任一所述基于大色散量匹配的紧凑型大能量全光纤飞秒激光器，其特征在于：所述飞秒锁模种子源(1)的输出功率67mW，光谱半高全宽16.9nm，重复频率35.7MHz。
8.根据权利要求1所述基于大色散量匹配的紧凑型大能量全光纤飞秒激光器，其特征在于：所述第一啁啾光纤光栅(3)和第二啁啾光纤光栅(5)的色散量为100ps/nm，带宽约10nm。
9.根据权利要求1所述基于大色散量匹配的紧凑型大能量全光纤飞秒激光器，其特征在于：所述反射式啁啾体布拉格光栅(26)的光栅色散量为106ps/nm，带宽5.5nm。
10.根据权利要求1所述基于大色散量匹配的紧凑型大能量全光纤飞秒激光器，其特征在于：所述主放大单元(02)和压缩器(03)之间设有第一高反镜(18)和第二高反镜(19)。
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