CN114498258B - 一种时域光学分离放大锁模激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种时域光学分离放大锁模激光器，包括：泵浦激光器、增益介质、隔离器、第一偏振控制器、时域光学分离放大部件、脉冲输出部件和第二偏振控制器。泵浦激光器连接增益介质，其余部件依次首尾相连，形成环形腔。时域光学分离放大部件包括基于角度增强时域分离器的脉冲分离部件、脉冲组合部件和脉冲放大部件，通过脉冲时间分离‑放大‑组合的方法放大腔内激光脉冲的功率，结构简单，脉冲分离数量连续可控。脉冲输出部件及时耦合输出放大后的激光脉冲。本发明有效避免了腔内脉冲峰值功率过大而导致的非线性效应影响锁模，最终可以实现直接激光腔输出的超大能量飞秒脉冲激光。
Description
技术领域
本发明涉及激光器领域，特别涉及一种时域光学分离放大锁模激光器。
背景技术
锁模激光器可以实现超短激光脉冲输出，特别是基于非线性偏振旋转方法的环形腔结构锁模激光器，由于其结构简单，易于实现脉冲输出，已广泛应用于各个场景。然而，直接从锁模激光器的激光腔输出的脉冲，平均功率仅为十几mW量级，无法达到应用的功率要求，一般需要再经过激光腔外一级以上的放大器才能实现大功率的激光脉冲输出。因此，如何提高锁模激光腔的直接输出功率及脉冲能量，从而直接实现激光应用，一直以来是科学家们探索的重点。
基于光纤结构的激光器受限于光纤中的非线性效应，腔内极易导致非线性相移引起脉冲畸变或分裂。目前主要通过增大腔内光纤的模场面积或者进行腔内色散管理的方法，以尽量避免非线性效应，从而实现大能量锁模脉冲输出，如展宽脉冲锁模、自相似脉冲锁模、耗散孤子锁模等，这些方法仍会受限于光纤的非线性效应，输出功率有限。近年来，通过再生放大方法的Mamyshev锁模，可以实现大峰值功率激光脉冲输出，有望替代传统的商用钛蓝宝石激光器，但却需要加入脉冲触发装置才能实现自启动锁模。因此，探索新一代大能量锁模激光器，可以为激光器的应用提供全新的解决方案，进一步助力光纤激光器的商业化应用。
发明内容
有鉴于此，为了解决传统锁模激光器直接输出激光脉冲峰值功率低的问题，本发明提出一种时域光学分离放大锁模激光器，通过在腔内采用时域光学分离放大技术实现锁模激光器的大峰值功率激光脉冲输出。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种时域光学分离放大锁模激光器，包括：泵浦激光器、增益介质、隔离器、第一偏振控制器、时域光学分离放大部件、脉冲输出部件和第二偏振控制器；
所述泵浦激光器连接增益介质；
所述增益介质、隔离器、第一偏振控制器、时域光学分离放大部件、脉冲输出部件和第二偏振控制器依次首尾相连，形成环形腔；
所述时域光学分离放大锁模激光器将得到时间间隔为T1的激光脉冲串；
所述泵浦激光器用于泵浦增益介质；
所述增益介质用于实现粒子数反转并产生受激辐射放大激光；
所述隔离器用于使激光在环形腔内朝固定方向前进，隔离返向光；
所述第一偏振控制器和第二偏振控制器用于控制激光的偏振态，使环形腔实现非线性偏振旋转锁模，得到脉冲激光；
所述时域光学分离放大部件用于通过脉冲时间分离-放大-组合的方法放大腔内激光脉冲的功率，避免了放大过程中的非线性效应；
所述脉冲输出部件用于输出部分脉冲激光。
进一步地，所述时域光学分离放大部件包括脉冲分离部件、脉冲放大部件和脉冲组合部件；
所述脉冲分离部件将时间间隔为T1、功率为P1的激光脉冲串的每个激光脉冲在时域上进行分离，每个激光脉冲分别形成时间间隔为T2的多个子脉冲；
所述脉冲放大部件用于放大所述时间间隔为T2的多个子脉冲激光的功率；
所述脉冲组合部件将放大后的时间间隔为T2的多个子脉冲，重新组合成一个脉冲，恢复成时间间隔为T1、功率为P2的激光脉冲串，P2>P1。
进一步地，所述脉冲分离部件包括柱面透镜和角度增强时域分离器；
所述柱面透镜用于对激光脉冲产生空间角度啁啾并传输到所述角度增强时域分离器；
所述角度增强时域分离器用于对具有空间角度啁啾的脉冲产生时间延迟，从而形成时间间隔为T2的多个子脉冲。
进一步地，所述脉冲分离部件的脉冲分离数量通过调整角度增强时域分离器两镜子之间的距离、倾斜角、脉冲入射到角度增强时域分离器的角度而实现。
进一步地，所述脉冲放大部件为全光纤放大器。
进一步地，所述脉冲组合部件包括柱面透镜和角度增强时域分离器；用于对时间间隔为T2的多个子脉冲产生和脉冲分离过程相反的时间延迟，从而实现多个子脉冲重新组合成一个脉冲。
进一步地，经过所述时域光学分离放大部件放大后的大功率脉冲激光，及时被所述脉冲输出部件以大比例耦合输出，使保留在腔内的脉冲激光功率降低，避免了激光在腔内振荡过程中的非线性效应影响激光脉冲的形成。
进一步地，所述时域光学分离放大锁模激光器实现锁模激光腔的直接超大能量脉冲激光输出。
进一步地，所述泵浦激光器波长为974nm。
进一步地，所述增益介质为掺铒光纤；所述隔离器为光纤型偏振相关隔离器；所述脉冲输出部件为分光棱镜。
与现有的技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明通过在腔内采用时域光学分离放大技术实现锁模激光器的大峰值功率激光脉冲输出；
2.本发明通过大功率耦合输出的方式降低腔内的激光功率，避免放大后的激光脉冲在腔内产生非线性效应影响锁模；
3.本发明利用角度增强时域分离器实现时域光学分离放大技术，结构简单，脉冲分离数量连续可控；
4.本发明时域光学分离放大技术脉冲分离数量多，放大功率大大提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例的一种时域光学分离放大锁模激光器的结构示意图；
图2为本实施例的时域光学分离放大部件的结构示意图；
图3为本实施例的时域光学分离放大部件的原理示意图；
图4为本实施例的脉冲分离部件结构和原理示意图；
图5为本实施例的脉冲组合部件结构和原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例
图1为本实施例的一种时域光学分离放大锁模激光器的结构示意图。该激光器的组成器件包括：泵浦激光器101、增益介质102、隔离器103、第一偏振控制器104、时域光学分离放大部件105、脉冲输出部件106和第二偏振控制器107；所述泵浦激光器101连接增益介质102；所述增益介质102、隔离器103、第一偏振控制器104、时域光学分离放大部件105、脉冲输出部件106和第二偏振控制器107依次首尾相连，形成环形腔。
在本实施例中，所述泵浦激光器101波长为974nm，用于泵浦增益介质；所述增益介质102为掺铒光纤，用于产生波长为1550nm左右的激光；所述隔离器103为光纤型偏振相关隔离器，隔离方向为从增益介质102到第一偏振控制器104的方向，用于使激光在环形腔内朝固定方向前进，隔离返向光；所述第一偏振控制器104和第二偏振控制器107均为光纤偏振控制器，用于控制激光的偏振态，使环形腔实现非线性偏振旋转锁模，得到脉冲激光；所述时域光学分离放大部件105采用基于角度增强时域分离器的方法，通过脉冲时间分离-放大-组合的方法放大腔内激光脉冲的功率，避免了放大过程中的非线性效应；所述脉冲输出部件106为分光棱镜，用于输出80％的脉冲激光。
在实验过程中，通过依次连接上述器件后，固定腔内的光纤。调试所述时域光学分离放大部件105的空间结构光路以实现时域光学分离放大效果。再通过调整所述泵浦激光器101的泵浦电流从而改变泵浦功率，配合旋转所述第一偏振控制器104和第二偏振控制器107调整激光的偏振态，最终实现锁模脉冲输出，得到时间间隔为T1＝50ns的激光脉冲串。
图2为本实施例的时域光学分离放大部件的结构示意图。时域光学分离放大部件105包括：脉冲分离部件201、脉冲放大部件202和脉冲组合部件203，依次首尾相连。图3为本实施例的时域光学分离放大部件的原理示意图。所述脉冲分离部件201将时间间隔为T1＝50ns、功率为P1＝10mW的激光脉冲串的每个激光脉冲在时域上进行分离，每个激光脉冲分别形成时间间隔为T2＝1ns的4个子脉冲；脉冲分离的数量可以通过调整角度增强时域分离器两镜子之间的距离、倾斜角、脉冲入射到角度增强时域分离器的角度而实现。所述脉冲放大部件202为全光纤放大器，用于放大所述时间间隔为T2＝1ns的4个子脉冲激光的功率。所述脉冲组合部件203将所述放大后的时间间隔为T2＝1ns的4个子脉冲，重新组合成1个脉冲，恢复成时间间隔为T1＝50ns、功率为P2＝100mW的激光脉冲串。
图4为本实施例的脉冲分离部件结构和原理示意图。所述脉冲分离部件201由柱面透镜401和角度增强时域分离器402组成。所述柱面透镜401用于对激光脉冲产生空间角度啁啾并传输到所述角度增强时域分离器。其中，入射所述柱面透激401的激光束上部分激光标记为a，下部分激光标记为b。所述角度增强时域分离器402用于对具有空间角度啁啾的脉冲产生时间延迟，在本实施例中，光束a比光束b所走的光程更大，在时域上表现为光束a相比光束b时间延迟3T2＝3ns，从而形成所述时间间隔为T2的4个子脉冲，子脉冲之间的时间间隔均为T2＝1ns。
图5为本实施例的脉冲组合部件结构和原理示意图。所述脉冲组合部件203由柱面透镜501和角度增强时域分离器502组成。用于对放大后的时间间隔为T2＝1ns的4个子脉冲产生和所述脉冲分离过程相反的时间延迟。在本实施例中，光束b比光束a所走的光程更大，在时域上表现为光束b相比光束a时间延迟3T2＝3ns，从而实现多个子脉冲重新组合成一个脉冲,时间间隔为T1＝50ns。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种时域光学分离放大锁模激光器，其特征在于，包括：泵浦激光器、增益介质、隔离器、第一偏振控制器、时域光学分离放大部件、脉冲输出部件和第二偏振控制器；
所述泵浦激光器连接增益介质；
所述增益介质、隔离器、第一偏振控制器、时域光学分离放大部件、脉冲输出部件和第二偏振控制器依次首尾相连，形成环形腔；
所述时域光学分离放大锁模激光器将得到时间间隔为T1的激光脉冲串；所述时域光学分离放大部件包括脉冲分离部件、脉冲放大部件和脉冲组合部件；所述脉冲分离部件将时间间隔为T1、功率为P1的激光脉冲串的每个激光脉冲在时域上进行分离，每个激光脉冲分别形成时间间隔为T2的多个子脉冲；所述脉冲放大部件用于放大所述时间间隔为T2的多个子脉冲激光的功率；所述脉冲组合部件将放大后的时间间隔为T2的多个子脉冲，重新组合成一个脉冲，恢复成时间间隔为T1、功率为P2的激光脉冲串，P2>P1；
所述脉冲分离部件包括柱面透镜和角度增强时域分离器；所述柱面透镜用于对激光脉冲产生空间角度啁啾并传输到所述角度增强时域分离器；所述角度增强时域分离器用于对具有空间角度啁啾的脉冲产生时间延迟，从而形成时间间隔为T2的多个子脉冲；
所述泵浦激光器用于泵浦增益介质；
所述增益介质用于实现粒子数反转并产生受激辐射放大激光；
所述隔离器用于使激光在环形腔内朝固定方向前进，隔离返向光；
所述第一偏振控制器和第二偏振控制器用于控制激光的偏振态，使环形腔实现非线性偏振旋转锁模，得到脉冲激光；
所述时域光学分离放大部件用于通过脉冲时间分离-放大-组合的方法放大腔内激光脉冲的功率，避免了放大过程中的非线性效应；
所述脉冲输出部件用于输出部分脉冲激光。
2.根据权利要求1所述的时域光学分离放大锁模激光器，其特征在于，所述脉冲分离部件的脉冲分离数量通过调整角度增强时域分离器两镜子之间的距离、倾斜角、脉冲入射到角度增强时域分离器的角度而实现。
3.根据权利要求1所述的时域光学分离放大锁模激光器，其特征在于，所述脉冲放大部件为全光纤放大器。
4.根据权利要求1所述的时域光学分离放大锁模激光器，其特征在于，所述脉冲组合部件包括柱面透镜和角度增强时域分离器；用于对时间间隔为T2的多个子脉冲产生和脉冲分离过程相反的时间延迟，从而实现多个子脉冲重新组合成一个脉冲。
5.根据权利要求1所述的时域光学分离放大锁模激光器，其特征在于，经过所述时域光学分离放大部件放大后的大功率脉冲激光，及时被所述脉冲输出部件以大比例耦合输出，使保留在腔内的脉冲激光功率降低，避免了激光在腔内振荡过程中的非线性效应影响激光脉冲的形成。
6.根据权利要求1所述的时域光学分离放大锁模激光器，其特征在于，所述时域光学分离放大锁模激光器实现锁模激光腔的直接超大能量脉冲激光输出。
7.根据权利要求1所述的时域光学分离放大锁模激光器，其特征在于，所述泵浦激光器波长为974nm。
8.根据权利要求1所述的时域光学分离放大锁模激光器，其特征在于，所述增益介质为掺铒光纤；所述隔离器为光纤型偏振相关隔离器；所述脉冲输出部件为分光棱镜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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