CN114389131A - 一种混合型脉冲激光器及光谱匹配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种混合型脉冲激光器及光谱带宽匹配方法。混合型脉冲激光器包括：种子源，种子源的输出端输出初始脉冲光束；脉冲展宽单元，将初始脉冲光束在时域展宽，并调制成负啁啾脉冲光束；光纤放大单元，将负啁啾脉冲光束放大，放大的负啁啾脉冲光束在光纤放大单元的光纤内激发出非线性效应，以使负啁啾脉冲光束的光谱带宽变窄；固体放大单元，将光纤放大单元输出的光束二次放大后输出。本发明实施例的技术方案，实现啁啾脉冲放大系统中光纤放大单元和固体放大单元的光谱匹配，改变多级多介质啁啾脉冲放大系统的激光增益介质发射谱匹配问题，简化飞秒激光系统的工作物质选材和设计。
Description
技术领域
本发明实施例涉及激光技术，尤其涉及一种混合型脉冲激光器及光谱匹配方法。
背景技术
飞秒激光脉冲在超快微纳加工、超快非线性光学、太赫兹产生、时间分辨光谱学等领域有重要应用。用于产生高能量飞秒激光脉冲的常用技术路线为啁啾脉冲放大技术，该放大系统的激光增益介质可以是掺稀土离子石英光纤，也可以是掺稀土离子的块状晶体。
光纤放大器具有散热性良好、环境稳定性高以及光束质量好等优势；固体放大器具有放大能量高、损伤阈值高、非线性效应不敏感等优势。高功率高能飞秒激光器多采用多级放大器级联的方法逐级提升激光强度，啁啾脉冲在各级放大器中一边传输一边放大，各级放大器的激光增益介质为其提供增益。为了发挥光纤放大介质和固体放大介质各自的优势，一套飞秒激光器中会选取光纤放大器、固体放大器进行多级搭配组合。
当前的飞秒激光器产品采用了光纤、固体介质相结合，或不同类型固体晶体相结合的多级激光放大布局，但是由于光纤放大器的发射光谱宽度大于固体放大器的发射光谱宽度，设计中需要考虑和解决各放大级之间的光谱宽度匹配，实现增益介质发射光谱覆盖信号光光谱是开发出高效能飞秒激光器的关键物理问题之一。业界已采用的光谱匹配方法诸如窄带滤波法、主动光谱整形法、多光谱放大合成法等或是提前在激光系统中引入损耗，或是用极其复杂的光机结构分解激光系统，都是低效而不经济的策略。
发明内容
本发明实施例提供一种混合型脉冲激光器及光谱带宽匹配方法，该混合型脉冲激光器采用一种无损光谱整形获得光谱重新排布的技术方法，利用光纤放大单元中负啁啾脉冲在自相位调制下自发形成的光谱窄化机制，实现控制啁啾脉冲的光谱宽度，使之与固体放大单元的有限带宽相匹配，从而实现啁啾脉冲放大系统中光纤放大单元和固体放大单元的光谱匹配，改变多介质啁啾脉冲放大系统的激光增益介质发射谱匹配问题，简化飞秒激光系统的工作物质选材和设计。
第一方面，本发明实施例提供一种混合型脉冲激光器，包括：
种子源，所述种子源的输出端输出初始脉冲光束；
脉冲展宽单元，所述脉冲展宽单元的输入端与所述种子源的输出端耦合，所述脉冲展宽单元将所述初始脉冲光束在时域展宽，并调制成负啁啾脉冲光束；
光纤放大单元，所述光纤放大单元的输入端与所述脉冲展宽单元的输出端耦合，所述光纤放大单元将所述负啁啾脉冲光束放大，放大的负啁啾脉冲光束在所述光纤放大单元的光纤内激发出非线性效应，以使所述负啁啾脉冲光束的光谱带宽变窄；
固体放大单元，所述固体放大单元的输入端与所述光纤放大单元的输出端耦合，所述固体放大单元将所述光纤放大单元输出的光束二次放大后输出。
可选的，所述脉冲展宽单元包括光纤环行器和啁啾光纤光栅，所述光纤环行器的第一端与所述种子源的输入端耦合，所述光纤环行器的第二端与所述啁啾光纤光栅连接，所述光纤环行器的第三端与所述光纤放大单元的输入端连接。
可选的，所述光纤放大单元包括至少一个第一泵浦源、波分复用器和有源光纤，所述波分复用器的泵浦输入端与所述第一泵浦源的输出端连接，所述波分复用器的公共输入端与所述脉冲展宽单元的输出端耦合，所述波分复用器的输出端与所述有源光纤的第一端连接。
可选的，所述有源光纤包括掺镱光纤。
可选的，还包括光纤隔离器和光纤准直器，所述光纤隔离器的第一端与所述有源光纤的第二端连接，所述光纤隔离器的第二端与所述光纤准直器的光纤连接。
可选的，所述固体放大单元包括第二泵浦源、双色镜和激光晶体；
所述激光晶体、所述双色镜和所述第二泵浦源在所述光纤放大单元的输出端依次共光轴排列，所述双色镜与所述光轴呈预设倾角；
所述第二泵浦源出射的泵浦光经过所述双色镜透射后入射至所述激光晶体，所述光纤放大单元出射的光束入射至所述激光晶体，所述激光晶体吸收所述泵浦光，并对所述光纤放大单元出射的光束二次放大后经过所述双色镜反射输出。
可选的，所述固体放大单元还包括第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜位于所述光纤放大单元的输出端与所述激光晶体之间，所述第二透镜位于所述激光晶体和所述双色镜之间，所述第三透镜位于所述双色镜和所述第二泵浦源之间。
可选的，所述激光晶体包括掺镱钇铝石榴石晶体。
可选的，所述种子源包括锁模光纤激光器。
第二方面，本发明实施例还提供一种光谱带宽匹配方法，适用于上述的混合型脉冲激光器，用于光纤放大单元的输出光谱与固体放大单元的吸收光谱匹配，所述光谱带宽匹配方法包括：
将初始脉冲光束输入脉冲展宽单元；
所述脉冲展宽单元将所述初始脉冲光束在时域展宽，并调制成负啁啾脉冲光束；
将所述负啁啾脉冲光束输入光纤放大单元；
所述光纤放大单元将所述负啁啾脉冲光束放大，放大的负啁啾脉冲光束在所述光纤放大单元的光纤内激发出非线性效应，以使所述负啁啾脉冲光束的光谱带宽变窄，匹配所述固体放大单元的吸收光谱。
本发明实施例提供的混合型脉冲激光器，包括种子源、脉冲展宽单元、光纤放大单元和固体放大单元，通过种子源输出初始脉冲光束；通过脉冲展宽单元将初始脉冲光束在时域展宽，并调制成负啁啾脉冲光束；通过光纤放大单元将负啁啾脉冲光束放大，放大的负啁啾脉冲光束在光纤放大单元的光纤内激发出非线性效应，在光束能量提升的过程中经历一定的自相位调制，引起负啁啾脉冲光束的光谱成分向中心波长方向转移，从而逐渐减小光纤放大单元中脉冲的光谱宽度，以与固体放大单元的光谱匹配；通过固体放大单元将光纤放大单元输出的光束二次放大后输出，从而解决飞秒脉冲放大特有的宽光谱信号光与介质有限发射谱之间的矛盾，且保持脉冲能量无损耗。在宽带激光增益介质候选种类有限、光学和机械性能迥异的激光材料发展水平下，本发明实施例提供了一种从光纤放大介质天然的物理效应中管理和布局激光光谱分布，从而匹配固体晶体放大介质光谱特性的方法，不仅提升了飞秒啁啾脉冲放大系统的光能利用率，也简化了激光系统复杂度。
附图说明
图1为掺镱光纤的吸收光谱和发射光谱的曲线示意图；
图2为掺镱钇铝石榴石晶体的吸收光谱和发射光谱的曲线示意图；
图3为本发明实施例提供的一种混合型脉冲激光器的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种混合型脉冲激光器的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的又一种混合型脉冲激光器的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的又一种混合型脉冲激光器的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的又一种混合型脉冲激光器的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的又一种混合型脉冲激光器的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的一种光谱带宽匹配方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
根据时间带宽积原理，飞秒脉冲须具有较宽的光谱宽度，对应的激光增益介质的选取也要考虑该介质的激光发射谱宽度。例如，镱离子的发射谱较宽，可用于飞秒激光的工作物质，在不同的激光介质中掺杂镱离子可以获得不同的发射谱宽特性，图1为掺镱光纤的吸收光谱和发射光谱的曲线示意图，图2为掺镱钇铝石榴石晶体的吸收光谱和发射光谱的曲线示意图。参考图1，掺镱石英光纤在1030nm附近发射谱宽度达到近百纳米，参考图2，掺镱钇铝石榴石晶体(Yb:YAG)只有9nm的发射谱宽，其中虚线表示吸收光谱，实线表示发射光谱。因此不同材质的掺镱激光介质在组合多级飞秒激光放大器时，须做到光谱宽度的互相匹配，才能避免未覆盖的光谱成分无法获得增益而损耗掉。光纤放大器在飞秒啁啾脉冲放大系统中常作为中低能量放大的前级放大器，固体放大器作为高能放大器置于系统后端，这就造成了宽发射谱的前级光纤放大器与窄发射谱的后级固体激光放大器在光谱宽度上的差异，且宽光谱介质(例如掺镱光纤)位于前端，其放大的宽光谱脉冲进入窄光谱介质(例如掺镱晶体)后，仅有光谱重合部分的光场能量可以被放大，其余光谱成分都穿过窄光谱介质未获得放大。这种光谱成分的损耗等效降低了前级激光放大器的输出功率，增加了后级激光放大器的增益负担，使激光器整体的光-光转换效率降低。
为了解决光谱匹配的问题，本发明实施例提供一种混合型脉冲激光器。图3为本发明实施例提供的一种混合型脉冲激光器的结构示意图。参考图3，本发明实施例提供的混合型脉冲激光器包括种子源10，种子源10的输出端输出初始脉冲光束；脉冲展宽单元20，脉冲展宽单元20的输入端与种子源10的输出端耦合，脉冲展宽单元20将初始脉冲光束在时域适当展宽并排布光谱成分，使之调制成负啁啾脉冲光束；光纤放大单元30，光纤放大单元30的输入端与脉冲展宽单元20的输出端耦合，光纤放大单元30将负啁啾脉冲光束放大，放大的负啁啾脉冲光束在光纤放大单元30的光纤内激发出非线性效应，以使负啁啾脉冲光束的光谱带宽变窄；固体放大单元40，固体放大单元40的输入端与光纤放大单元30的输出端耦合，固体放大单元40将光纤放大单元30输出的光束二次放大后输出。
其中，种子源10用于提供功率较低的初始脉冲光束，初始脉冲光束在后续传输过程中进行功率放大，以达到实际应用时的功率条件。具体实施时，种子源10可以包括锁模光纤激光器。其中锁模指的是采用一定的调制方法，使激光针对不同频率各纵模之间有确定的相位关系，锁模包括主动锁模和被动锁模，具体实施时可以根据实际情况选择，本发明实施例不作限定。在某一实施例中，种子源10可以选用中心波长为1030nm的掺镱锁模光纤激光器。
脉冲展宽单元20用于将初始脉冲光束进行时域展宽，并调制成负啁啾脉冲光束，其中负啁啾脉冲光束的脉冲前沿是高频分量，后沿是低频分量，具体实施时可以采用啁啾光纤光栅，啁啾镜等器件调制。
光纤放大单元30利用掺杂稀土元素的有源光纤作为增益介质，对负啁啾脉冲光束进行放大，放大的负啁啾脉冲光束在光纤放大单元30的光纤内激发出非线性效应，传输过程中进行自相位调制。自相位调制是光脉冲在介质中传输过程的基本作用，可用表达式
来表示，其中δω表示脉冲频率变化，
表示与非线性效应相关的参数，E表示脉冲(电磁波)中电场强度参数。由此可知，在脉冲前沿δω<0，而在脉冲后沿δω>0。一般而言，无啁啾和正啁啾脉冲光束在传输过程中，自相位调制作用使脉冲光谱展宽；而对于负啁啾脉冲光束，脉冲前沿是高频分量，后沿是低频分量，因此自相位调制在前后沿的作用是使光谱相向靠拢，表现为光谱宽度的压缩变窄。光脉冲在光纤中激发的非线性效应越强，
值就越大，自相位调制引起的光谱窄化就越显著。而在普通单模光纤中
值的增强有两个途径：增加光脉冲强度、增加光纤长度。前者可以通过光纤放大单元30提升脉冲的能量来实现，能量越高则
值就越大；后者可以通过增加光纤放大单元30的各个器件尾纤长度来实现，传输光纤越长则
值就越大。例如石英材料在1μm波段附近表现为正色散特性，即对高频光波传输速度小于低频光波的传输速度，因此具有负啁啾的脉冲在其中传输时受到正色散的作用而使脉冲前后沿越来越靠近，表现为脉宽越来越窄。若光纤过长，窄化到极限的脉冲继续在正色散作用下传输，低频光和高频光越来越远，表现为脉宽越来越宽，且脉冲的前沿变成了低频分量，形成了正啁啾脉冲。此时脉冲传输将不再具有光谱窄化效应。因此，光纤放大单元中非线性效应造就的光谱窄化效果实现的条件须满足：负啁啾脉冲光束在自相位调制的作用下传输。具体实施时，通过种子源10和脉冲展宽单元20形成负啁啾脉冲光束，利用光纤放大单元30激发非线性效应；非线性效应的强度控制或脉冲光谱宽度的控制通过适当增减光纤放大单元30增益来实现。
固体放大单元40利用掺杂稀土元素的激光晶体作为增益介质，光纤放大单元30进行光谱窄化后，能够与激光晶体的发射光谱宽度接近，实现增益介质发射谱覆盖入射的信号光光谱，达到不同放大级的光谱匹配目的。
可以理解的是，本实施例中所描述的“耦合”可以通过光纤连接的方式耦合，也可以采用自由空间耦合或采用其他光学器件进行耦合，可以直接连接也可以不连接，具体实施时可以根据实际情况设计。在其他实施例中，光纤放大单元和固体放大单元的数量也不限于一个，可以根据实际情况设计多级放大结构。
本实施例的技术方案，通过种子源输出初始脉冲光束；通过脉冲展宽单元将初始脉冲光束在时域展宽，并调制成负啁啾脉冲光束；通过光纤放大单元将负啁啾脉冲光束放大，放大的负啁啾脉冲光束在光纤放大单元的光纤内激发出非线性效应，在光束能量提升的过程中经历一定的自相位调制，引起负啁啾脉冲光束的光谱成分向中心波长方向转移，从而逐渐减小光纤放大单元中脉冲的光谱宽度，以与固体放大单元的光谱匹配；通过固体放大单元将光纤放大单元输出的光束二次放大后输出，从而解决飞秒脉冲放大特有的宽光谱信号光与介质有限发射谱之间的矛盾，且保持脉冲能量无损耗。在宽带激光增益介质候选种类有限、光学和机械性能迥异的激光材料发展水平下，本发明实施例提供了一种从光纤放大介质天然的物理效应中管理和布局激光光谱分布，从而匹配固体晶体放大介质光谱特性的方法，不仅提升了飞秒啁啾脉冲放大系统的光能利用率，也简化了激光系统复杂度。
在上述技术方案的基础上，图4为本发明实施例提供的另一种混合型脉冲激光器的结构示意图。参考图4，可选的，脉冲展宽单元20包括光纤环行器21和啁啾光纤光栅22，光纤环行器21的第一端a与种子源10的输入端耦合，光纤环行器21的第二端b与啁啾光纤光栅22连接，光纤环行器21的第三端c与光纤放大单元30的输入端连接。
其中，光纤环行器21是一种多端口非互易光学器件，光只能沿一个方向传播。信号若从端口a输入，则从端口b输出；而信号从端口b输入，则将从端口c输出，其输出损耗都很小。光从端口b输入时，从端口a输出时损耗很大，同样光从端口c输入时，从端口a，b中输出时损耗也很大。种子源10出射的初始脉冲光束为无啁啾或具有少量正啁啾的光束，初始脉冲光束入射到啁啾光纤光栅22时，高频分量先发生反射，低频分量后发生反射，并在时域上进行一定的展宽，形成负啁啾脉冲光束。具体实施时，啁啾光纤光栅22的结构可以根据具体激光器所需的性能选择，本发明实施例不作限定。
图5为本发明实施例提供的又一种混合型脉冲激光器的结构示意图。参考图5，可选的，光纤放大单元30包括至少一个第一泵浦源31、波分复用器32和有源光纤33，波分复用器32的泵浦输入端与第一泵浦源31的输出端连接，波分复用器32的公共输入端与脉冲展宽单元20的输出端耦合，波分复用器32的输出端与有源光纤33的第一端连接。
其中，第一泵浦源31和波分复用器32的数量不限于一个，泵浦方式也不限于图5所示的结构，例如可以选用反向泵浦或双向泵浦。第一泵浦源31可以选用半导体激光器，半导体激光器出射的泵浦光经过波分复用器32后被有源光纤33吸收，实现负啁啾脉冲光束的放大。有源光纤33为掺杂稀土元素的光纤，例如有源光纤33可以包括掺镱光纤。
图6为本发明实施例提供的又一种混合型脉冲激光器的结构示意图。参考图6，可选的，该混合型脉冲激光器还包括光纤隔离器50和光纤准直器60，光纤隔离器50的第一端与有源光纤33的第二端连接，光纤隔离器50的第二端与光纤准直器60的光纤连接。
其中，光纤隔离器50是一种双端口的具有非互易特性的光无源器件。它可以对沿正向传输的光信号衰减很小而对沿相反方向传输的光信号衰减很大，构成光的单向通路。光纤隔离器50能有效地抑制线路中从光纤端面、光纤连接器界面等处产生的反射光返回激光器、从而保证激光器工作状态的稳定，降低系统因反射光引起的噪声。光纤准直器60由尾纤与透镜精确定位而成。它可以将光纤内的传输光转变成准直光，有利于后续与固体光放大单元耦合。
图7为本发明实施例提供的又一种混合型脉冲激光器的结构示意图。参考图7，可选的，固体放大单元40包括第二泵浦源41、双色镜42和激光晶体43；激光晶体43、双色镜42和第二泵浦源41在光纤放大单元30的输出端依次共光轴排列，双色镜42与光轴呈预设倾角；第二泵浦源41出射的泵浦光经过双色镜42透射后入射至激光晶体43，光纤放大单元30出射的光束入射至激光晶体43，激光晶体43吸收泵浦光，并对光纤放大单元30出射的光束二次放大后经过双色镜42反射输出。
其中，第二泵浦源41可以为半导体激光器，双色镜42可以透射第二泵浦源41出射的泵浦光，反射激光器输出的脉冲光。其中双色镜42的预设倾角可以根据实际情况灵活设置，例如可以与光轴呈45°，使脉冲光束沿与光轴垂直的方向出射。激光晶体43可以包括掺镱钇铝石榴石晶体Yb:YAG。
由于固体放大单元40一般采用自由空间耦合，为了提升光束耦合效率，继续参考图7，可选的，固体放大单元40还包括第一透镜44、第二透镜45和第三透镜46，第一透镜44位于光纤放大单元30的输出端与激光晶体43之间，第二透镜45位于激光晶体43和双色镜42之间，第三透镜46位于双色镜42和第二泵浦源41之间。其中第一透镜44、第二透镜45和第三透镜46可以均为凸透镜，用来汇聚光线，以提高光线的耦合效率。
需要说明的是，以上实施例提供的混合型脉冲激光器的各种结构可以相互组合，以得到更多的实施例，示例性的，图8为本发明实施例提供的又一种混合型脉冲激光器的结构示意图。参考图8，种子源10选用中心波长1030nm的锁模光纤激光器，其输出光谱宽度12nm，脉宽2.5ps，重复频率20MHz，平均功率7mW。脉冲展宽单元20包括插入损耗<1dB三端口的光纤环行器21和啁啾系数为-1.5ps/nm，带宽20nm，反射率70％的啁啾光纤光栅22。光纤放大单元20为单模光纤放大器，包括300mW单模尾纤输出半导体激光器(第一泵浦源)31、1×2结构波分复用器32和2.5米掺镱单模石英光纤(有源光纤)33。该激光器还包括工作波长1030±20nm的单模光纤隔离器50和输出光束直径1.5mm，发散角<1mrad的光纤准直器60。固体放大单元40包括940nm波长的光纤耦合输出，平均功率30W的半导体激光器(第二泵浦源)41、双色镜42、Yb:YAG激光晶体43、焦距150mm的平凸透镜(第一透镜)44、透镜焦距比例1：4的平凸透镜组(第二透镜45和第三透镜46)。
依次开启该激光器的种子源10、光纤放大单元30和固体放大单元40。来自种子源10的光谱宽度12nm，脉冲激光功率7mW，脉冲具有少量的正啁啾，因此为皮秒脉冲，而非飞秒脉冲。经过脉冲展宽单元20后，在啁啾光纤光栅22的负色散作用下将脉冲展宽为15.5ps，且具有负啁啾特性。经过光纤放大单元30后，激光功率提升，光谱宽度随着功率的增加而逐渐窄化，放大光脉冲穿过光纤隔离器50、光纤准直器60输出平均功率达到120mW，光谱宽度被放大过程的自相位调制效应压缩为2.4nm。这个光谱宽度较Yb:YAG激光晶体43的发射谱宽度窄，处于Yb:YAG激光晶体43的增益带宽覆盖范围内，因而全光谱成分都能被固体放大单元40所放大。通过第一透镜44耦合进入Yb:YAG激光晶体44的信号光，在940nm泵浦光激励下，功率获得提升，输出放大光功率4W，光谱宽度2.34nm。因为并未出现明显的放大光谱窄化现象，说明了光纤放大单元30的输出激光光谱与固体放大单元40的增益光谱带宽匹配。
图9为本发明实施例提供的一种光谱带宽匹配方法的流程示意图，该光谱带宽匹配方法适用于上述实施例提供的任意一种混合型脉冲激光器，用于光纤放大单元的输出光谱与固体放大单元的吸收光谱匹配，参考图9，该光谱带宽匹配方法包括：
步骤S110、将初始脉冲光束输入脉冲展宽单元。
其中，初始脉冲光束由种子源产生，种子源可以为锁模光纤激光器，产生小功率的初始脉冲光束，并传输到脉冲展宽单元。
步骤S120、脉冲展宽单元将初始脉冲光束在时域展宽，并调制成负啁啾脉冲光束。
其中，脉冲展宽单元可以包括光纤环行器和啁啾光纤光栅，啁啾光纤光栅将初始脉冲光束在时域展宽，并调制成负啁啾脉冲光束。
步骤S130、将负啁啾脉冲光束输入光纤放大单元。
步骤S140、光纤放大单元将负啁啾脉冲光束放大，放大的负啁啾脉冲光束在光纤放大单元的光纤内激发出非线性效应，以使负啁啾脉冲光束的光谱带宽变窄，匹配固体放大单元的吸收光谱。
其中，光纤中的非线性效应导致光束的自相位调制，负啁啾脉冲，脉冲前沿是高频分量，后沿是低频分量，因此自相位调制在前后沿的作用是使光谱相向靠拢，表现为光谱宽度的压缩变窄。
本发明实施例的技术方案，通过种子源输出初始脉冲光束；通过脉冲展宽单元将初始脉冲光束在时域展宽，并调制成负啁啾脉冲光束；通过光纤放大单元将负啁啾脉冲光束放大，放大的负啁啾脉冲光束在光纤放大单元的光纤内激发出非线性效应，在光束能量提升的过程中经历一定的自相位调制，引起负啁啾脉冲光束的光谱成分向中心波长方向转移，从而逐渐减小光纤放大单元中脉冲的光谱宽度，以与固体放大单元的光谱匹配；通过固体放大单元将光纤放大单元输出的光束二次放大后输出，从而解决飞秒脉冲放大特有的宽光谱信号光与介质有限发射谱之间的矛盾，且保持脉冲能量无损耗。在宽带激光增益介质候选种类有限、光学和机械性能迥异的激光材料发展水平下，本发明实施例提供了一种从光纤放大介质天然的物理效应中管理和布局激光光谱分布，从而匹配固体晶体放大介质光谱特性的方法，不仅提升了飞秒啁啾脉冲放大系统的光能利用率，也简化了激光系统复杂度。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种混合型脉冲激光器，其特征在于，包括：
种子源，所述种子源的输出端输出初始脉冲光束；
脉冲展宽单元，所述脉冲展宽单元的输入端与所述种子源的输出端耦合，所述脉冲展宽单元将所述初始脉冲光束在时域展宽，并调制成负啁啾脉冲光束；
光纤放大单元，所述光纤放大单元的输入端与所述脉冲展宽单元的输出端耦合，所述光纤放大单元将所述负啁啾脉冲光束放大，放大的负啁啾脉冲光束在所述光纤放大单元的光纤内激发出非线性效应，以使所述负啁啾脉冲光束的光谱带宽变窄；
固体放大单元，所述固体放大单元的输入端与所述光纤放大单元的输出端耦合，所述固体放大单元将所述光纤放大单元输出的光束二次放大后输出。
2.根据权利要求1所述的混合型脉冲激光器，其特征在于，所述脉冲展宽单元包括光纤环行器和啁啾光纤光栅，所述光纤环行器的第一端与所述种子源的输入端耦合，所述光纤环行器的第二端与所述啁啾光纤光栅连接，所述光纤环行器的第三端与所述光纤放大单元的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的混合型脉冲激光器，其特征在于，所述光纤放大单元包括至少一个第一泵浦源、波分复用器和有源光纤，所述波分复用器的泵浦输入端与所述第一泵浦源的输出端连接，所述波分复用器的公共输入端与所述脉冲展宽单元的输出端耦合，所述波分复用器的输出端与所述有源光纤的第一端连接。
4.根据权利要求3所述的混合型脉冲激光器，其特征在于，所述有源光纤包括掺镱光纤。
5.根据权利要求3所述的混合型脉冲激光器，其特征在于，还包括光纤隔离器和光纤准直器，所述光纤隔离器的第一端与所述有源光纤的第二端连接，所述光纤隔离器的第二端与所述光纤准直器的光纤连接。
6.根据权利要求1所述的混合型脉冲激光器，其特征在于，所述固体放大单元包括第二泵浦源、双色镜和激光晶体；
所述激光晶体、所述双色镜和所述第二泵浦源在所述光纤放大单元的输出端依次共光轴排列，所述双色镜与所述光轴呈预设倾角；
所述第二泵浦源出射的泵浦光经过所述双色镜透射后入射至所述激光晶体，所述光纤放大单元出射的光束入射至所述激光晶体，所述激光晶体吸收所述泵浦光，并对所述光纤放大单元出射的光束二次放大后经过所述双色镜反射输出。
7.根据权利要求6所述的混合型脉冲激光器，其特征在于，所述固体放大单元还包括第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜位于所述光纤放大单元的输出端与所述激光晶体之间，所述第二透镜位于所述激光晶体和所述双色镜之间，所述第三透镜位于所述双色镜和所述第二泵浦源之间。
8.根据权利要求6所述的混合型脉冲激光器，其特征在于，所述激光晶体包括掺镱钇铝石榴石晶体。
9.根据权利要求1所述的混合型脉冲激光器，其特征在于，所述种子源包括锁模光纤激光器。
10.一种光谱带宽匹配方法，其特征在于，适用于权利要求1～9任一所述的混合型脉冲激光器，用于光纤放大单元的输出光谱与固体放大单元的吸收光谱匹配，所述光谱带宽匹配方法包括：
将初始脉冲光束输入脉冲展宽单元；
所述脉冲展宽单元将所述初始脉冲光束在时域展宽，并调制成负啁啾脉冲光束；
将所述负啁啾脉冲光束输入光纤放大单元；
所述光纤放大单元将所述负啁啾脉冲光束放大，放大的负啁啾脉冲光束在所述光纤放大单元的光纤内激发出非线性效应，以使所述负啁啾脉冲光束的光谱带宽变窄，匹配所述固体放大单元的吸收光谱。
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Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102801095A (zh) * | 2011-05-20 | 2012-11-28 | 以卡尔马激光名义经营的卡尔马光通信公司 | 基于激光脉冲的啁啾和展宽以及随后的功率放大生成具有窄光谱线宽的激光脉冲 |
| CN103166093A (zh) * | 2013-02-07 | 2013-06-19 | 广东汉唐量子光电科技有限公司 | 一种多波段非线性光纤放大系统 |
| EP2827461A2 (en) * | 2013-07-17 | 2015-01-21 | UAB "Ekspla" | Method and laser source for generation of optically synchronized dual-wavelength ultrashort light pulses |
| CN104901152A (zh) * | 2015-06-10 | 2015-09-09 | 广东量泽激光技术有限公司 | 一种新型飞秒光纤放大器 |
| CN105337146A (zh) * | 2015-11-06 | 2016-02-17 | 深圳大学 | 一种高峰值功率脉冲掺铥激光器 |
| CN105826809A (zh) * | 2016-06-08 | 2016-08-03 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 一种基于自相位调制预补偿的单频脉冲全光纤激光器 |
| CN106451042A (zh) * | 2016-10-14 | 2017-02-22 | 南方科技大学 | 用于光纤激光器的啁啾脉冲放大系统 |
| CN109802283A (zh) * | 2019-01-14 | 2019-05-24 | 中国空间技术研究院 | 一种基于三角脉冲被动成形的光纤飞秒激光产生装置和方法 |
| CN110880671A (zh) * | 2019-12-02 | 2020-03-13 | 电子科技大学 | 基于耗散孤子共振脉冲的多级放大器及飞秒激光器 |
-
2022
- 2022-01-13 CN CN202210038109.9A patent/CN114389131B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102801095A (zh) * | 2011-05-20 | 2012-11-28 | 以卡尔马激光名义经营的卡尔马光通信公司 | 基于激光脉冲的啁啾和展宽以及随后的功率放大生成具有窄光谱线宽的激光脉冲 |
| CN103166093A (zh) * | 2013-02-07 | 2013-06-19 | 广东汉唐量子光电科技有限公司 | 一种多波段非线性光纤放大系统 |
| EP2827461A2 (en) * | 2013-07-17 | 2015-01-21 | UAB "Ekspla" | Method and laser source for generation of optically synchronized dual-wavelength ultrashort light pulses |
| CN104901152A (zh) * | 2015-06-10 | 2015-09-09 | 广东量泽激光技术有限公司 | 一种新型飞秒光纤放大器 |
| CN105337146A (zh) * | 2015-11-06 | 2016-02-17 | 深圳大学 | 一种高峰值功率脉冲掺铥激光器 |
| CN105826809A (zh) * | 2016-06-08 | 2016-08-03 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 一种基于自相位调制预补偿的单频脉冲全光纤激光器 |
| CN106451042A (zh) * | 2016-10-14 | 2017-02-22 | 南方科技大学 | 用于光纤激光器的啁啾脉冲放大系统 |
| CN109802283A (zh) * | 2019-01-14 | 2019-05-24 | 中国空间技术研究院 | 一种基于三角脉冲被动成形的光纤飞秒激光产生装置和方法 |
| CN110880671A (zh) * | 2019-12-02 | 2020-03-13 | 电子科技大学 | 基于耗散孤子共振脉冲的多级放大器及飞秒激光器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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