CN115064931A - 一种高能量超短脉冲激光器 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光器技术领域，涉及一种高能量超短脉冲激光器。本发明激光器包括锁模光纤激光振荡器、非线性放大器、展宽器、脉冲选单模块、预放大级、主放大级和压缩器。其中锁模光纤激光振荡器的腔内色散为优化设计的负色散，输出脉冲经过预啁啾管理注入非线性放大器能够获得平坦宽光谱；展宽器、脉冲选单模块、预放大级、主放大级和压缩器组合实现对注入脉冲的进一步高效放大。本发明可采用具有高稳定性和可靠性的全保偏结构，并且实现了非线性放大和啁啾脉冲放大技术共用，能够在克服传统啁啾脉冲放大过程中增益窄化问题的同时突破非线性放大技术的单脉冲能量放大极限，最终实现高能量超短激光脉冲的输出。

Description

一种高能量超短脉冲激光器

技术领域

本发明属于激光器技术领域，涉及一种高能量超短脉冲激光器，更具体地，是一种基于非线性放大和啁啾脉冲放大共用的高能量超短脉冲激光器。

背景技术

超快激光凭借其极短的脉冲持续时间、高峰值功率以及宽光谱范围等独特优势，在强场激光物理、工业加工以及军事国防等诸多领域有着极佳的应用价值与广阔的应用前景。飞秒光纤激光器作为超快激光的重要分支，是当前工业领域的主流激光器。由于光纤拥有极大的表面积体积比，因而具有良好的散热能力，并且在输出功率小于100W时无需额外的散热模块，这为其结构的集成化提供了有力支撑。除此以外，拥有全保偏光纤结构的飞秒激光器还具有良好的抗环境干扰能力，能够保证其运行的长期稳定性，同时，此类激光器能量转换效率高并且光束质量高，在实际应用中的表现更具优势。

然而，由于受到光纤的材料和结构固有特性以及器件的抗损伤阈值等因素的限制，光纤激光器的单脉冲能量和平均功率难以进一步提高，逐渐无法满足当前应用场景的实际需求。在这种背景下，激光放大技术开始得到更多的关注与发展。众所周知，超短激光脉冲在光纤放大器中面临的主要阻碍是光纤中由于脉冲的高峰值功率引起的非线性效应，其积累的难以补偿的非线性相移会导致脉冲质量下降等一系列问题。因此，高稳定性的基于全保偏光纤结构的高能量超短激光脉冲产生技术已成为基础科学研究和工业应用领域的研究热点。

为了解决上述问题，目前主要有两种思路，一种是避免非线性效应的影响，另一种则是主动利用非线性效应。其中，避免强非线性效应影响的方案主要通过啁啾脉冲放大技术实现，即首先在时域上对脉冲进行拉伸来降低峰值功率，从而避免其在放大过程中导致强非线性效应，在充分放大后再利用光栅对等色散补偿器件压缩脉冲，最终使得输出脉冲的脉宽接近于注入的种子脉冲。然而，在实际应用过程中展宽器与压缩器之间的高阶色散失配往往会导致脉冲经过放大后难以被压缩回原本的脉冲宽度，并且展宽后脉冲的峰值功率也无法支撑较强的自相位调制来对抗有限增益带宽带来的光谱变窄问题，一般地，此方案难以将脉冲压缩至200fs以下，并且不可避免地伴随着脉冲质量下降。为了克服该技术存在的增益窄化效应，通常会利用光谱滤波方法，但是光谱滤波需要引入额外的光学元件，其调节复杂，并且会造成激光脉冲的损耗。

另一方面，非线性放大技术则是以其主动利用非线性效应来改善放大系统性能而得名，自相似放大是其中效果最为显著的方案之一。自相似放大的最大特点是输出脉冲具有良好的线性啁啾特性，可以通过光栅对压缩至变换极限附近，并且光谱能够被非线性展宽至原光谱的数倍以上而不至于分裂，因此甚至可以将脉冲压缩的比种子脉冲更窄，从而为脉冲压缩至100fs以下提供了可能，同时，此方案能够有效抑制脉冲分裂，非常适合用于获取高能量的输出，这些都很难通过传统的啁啾脉冲放大技术实现，即便一些放大系统具有与之相近的输出性能，但该类放大系统在系统的复杂性上远远超过了自相似放大系统，因此并不利于推广应用。

虽然自相似放大技术的独特优势吸引了众多目光，但不可否认的是自相似放大技术仍具有较大的局限性，比如利用自相似放大技术难以获得微焦量级以上的高能量激光脉冲。因此，如何对激光器结构进行改进以获得更高能量的激光脉冲输出已成为本领域研究的新方向。

发明内容

为了克服上述啁啾脉冲放大技术的缺陷，以满足科学研究和工业应用的实际需求，本课题组在长期深入研究的基础上，通过对激光器结构进行巧妙改进，成功地将非线性放大技术与啁啾脉冲放大技术进行了技术结合，提供了一种基于非线性放大和啁啾脉冲放大共用的全保偏高能量超短脉冲激光器，本激光器可以在克服增益窄化效应的过程中突破自相似放大的微焦量级的单脉冲能量放大极限，从而很好地解决了超短激光脉冲在高能量脉冲放大过程中由于增益窄化效应带来的无法进一步获得更窄脉宽的问题，为利用啁啾脉冲放大技术获取更高能量激光脉冲输出提供了有力的技术支撑。

为达到上述目的，本发明提供了一种高能量超短脉冲激光器，用于输出能够克服增益窄化效应的高能量宽带超短激光脉冲，本发明激光器包括宽带种子激光源、展宽器、脉冲选单模块、预放大级、主放大级和压缩器；其中：

宽带种子激光源由锁模光纤激光振荡器和非线性放大器组成，用于输出能够在啁啾脉冲放大过程中克服增益窄化效应的宽带飞秒激光；

展宽器与非线性放大器的输出相连，用于对从非线性放大器输出的宽带脉冲在时域上进行充分展宽；

脉冲选单模块与展宽器的输出相连，用于对注入后续放大级的激光脉冲的重复频率进行可调谐的降低操作，以便在有限的泵浦条件下，尽可能地提高单脉冲能量；

预放大级和主放大级依次与脉冲选单模块的输出相连，用于对注入的激光脉冲实现啁啾脉冲放大；

压缩器与主放大级的输出相连，用于对放大后的激光脉冲进行色散补偿从而将其在时域上进行压缩，以得到高能量和高峰值功率的超短(飞秒)激光脉冲。

进一步地，根据本发明的一些实施例，本发明高能量超短脉冲激光器中所述的锁模光纤激光振荡器包括可饱和吸收体、透镜组、保偏单模光纤、增益光纤、波分复用器、半导体激光器、色散控制模块；

锁模光纤激光振荡器的腔内色散分布为可调节式设计，用于输出与最佳非线性放大效果相匹配的种子激光脉冲；

非线性放大器与锁模光纤激光振荡器的输出相连，用于实现高效的非线性放大，非线性放大器与锁模光纤激光振荡器之间是一段为锁模光纤激光振荡器的输出提供预啁啾管理的单模光纤。

进一步地，根据本发明的一些实施例，上述高能量超短脉冲激光器中所述的锁模光纤激光振荡器的腔内净色散量为可根据应用需求调节和控制的负色散，其色散控制方式为多种色散种类光纤的搭配、啁啾光纤光栅和基于衍射光栅的色散可调空间结构中的一种或多种的组合；

所述锁模光纤激光振荡器的自启动锁模方式为可饱和吸收体锁模、非线性环路反射镜锁模和非线性偏振旋转锁模中的一种或多种的组合。

优选地，所述锁模光纤激光振荡器可以选用可饱和吸收体反射镜来实现稳定的快速自启动锁模，可饱和吸收体反射镜同时起到了锁模器件和谐振腔端镜的作用，可以提高锁模光纤激光振荡器的集成度。此外，此类锁模光纤激光振荡器中还包括一透镜组，该透镜组设置于光纤端与可饱和吸收体反射镜之间，用于将光纤腔结构输出的激光脉冲聚焦到可饱和吸收体反射镜上。

进一步地，所述可饱和吸收体反射镜和透镜组是优化设计的固定集成化结构和相对位置可编程电控的活动结构中的一种或两种的组合，前者可以减小外界抖动对振荡器输出的干扰，后者可以实现锁模反馈以及调谐振荡器输出的重复频率，进一步优化非线性放大效果。

优选地，所述锁模光纤激光振荡器还可以同时选用非线性环路反射镜和可饱和吸收体反射镜实现混合调制锁模。可饱和吸收体反射镜用于激光器的自启动锁模，并作为反射镜与环状激光传输结构共同构成谐振腔实现激光脉冲的稳定振荡。

进一步地，上述环状激光传输结构为非线性光学环镜、带有可编程相移元件的非线性光学环镜和非线性放大环镜、带有高非线性光纤的非线性放大环镜等利用两路相向传输激光脉冲在输出端干涉实现锁模调制的环形激光传输结构中的一种或多种的组合。

进一步优选地，所述可饱和吸收体反射镜中的可饱和吸收体为半导体可饱和吸收体、石墨烯、碳纳米管和其他可引入相位抖动的功能性光学元件中的一种或多种的组合。

作为另一种选择，直接通过对增益介质的泵浦激光器进行编程使其在启动时有足够大的瞬时冲击电流、利用压电陶瓷等机械方法引入扰动，以及通过计算环镜内的非线性相移仅利用环镜内的非线性(可增加高非线性光纤)的方式，此时可饱和吸收体反射镜可用普通的反射镜代替，进一步降低系统的复杂度。

进一步地，根据本发明的一些实施例，本发明高能量超短脉冲激光器中所述的非线性放大器使用的增益光纤为正色散分布的主动单模光纤，能够利用脉冲的自相似演化理论使得激光脉冲在高效放大过程中保持其振幅形状不发生改变并且能够带有线性啁啾；更进一步地，能够得到可以抵御光波分裂的并且具有平滑展宽光谱的超短脉冲，能够在后续的啁啾脉冲放大过程中克服增益窄化效应，使得最终能够将其输出脉冲压缩的更窄，获得具有更高峰值功率的超短脉冲。

进一步地，根据本发明的一些实施例，本发明高能量超短脉冲激光器中所述的展宽器为单模光纤展宽器、环形器配合啁啾光纤光栅展宽器、衍射光栅对展宽器和啁啾体布拉格光栅展宽器中的一种或多种的组合，其中单模光纤展宽器能够进一步推进系统的全光纤集成化。

进一步地，根据本发明的一些实施例，本发明高能量超短脉冲激光器中所述的脉冲选单模块由光纤耦合器、光电探测器、脉冲选单同步控制电路、声光调制器和光纤隔离器组成，所述脉冲选单同步控制电路中包括用于改变时序的可编程FPGA板。

优选地，所述脉冲选单模块由光纤耦合输入输出端的声光调制器和产生同步驱动信号的电路组成，电路中包括用于改变时序的可编程FPGA板。

进一步地，根据本发明的一些实施例，本发明高能量超短脉冲激光器中所述的预放大级使用的增益光纤为主动光纤。

进一步优选地，所述预放大级使用的增益光纤为主动双包层大模场光纤。

进一步地，根据本发明的一些实施例，本发明高能量超短脉冲激光器中所述的主放大级使用的增益光纤为盘状主动光子晶体光纤、棒状主动光子晶体光纤和固体激光放大模块中的一种或多种的组合。

进一步地，根据本发明的一些实施例，本发明高能量超短脉冲激光器中所述的压缩器为衍射光栅对压缩器、啁啾体布拉格光栅压缩器和用于非线性脉冲压缩的特种光纤中的一种或多种的组合。

进一步地，根据本发明的一些实施例，本发明高能量超短脉冲激光器中使用的增益光纤根据所需波长的不同，其中的掺杂元素为稀土元素中的一种或多种的组合，优选镱、铥、铒中的一种或多种的组合。

进一步地，根据本发明的一些实施例，本发明高能量超短脉冲激光器中包含的光纤和光纤器件选用全保偏型光纤和光纤器件，能够进一步提高系统的稳定性和可靠性。

另一方面，本发明还提供了一种宽带种子激光源，所述宽带种子激光源输出平坦宽光谱，采用光谱分束方法将该平坦宽光谱在频域进行分割，分割为多个不同中心波长的分光谱，对不同中心波长的各分光谱分别进行放大，最后再通过光谱合束方法实现高能量超短激光脉冲的输出，所述宽带种子激光源由锁模光纤激光振荡器和非线性放大器组成，其中：

锁模光纤激光振荡器包括可饱和吸收体、透镜组、保偏单模光纤、增益光纤、波分复用器、半导体激光器、色散控制模块；

锁模光纤激光振荡器的腔内色散分布为可调节式设计，用于输出与非线性放大效果相匹配的种子激光脉冲；

非线性放大器与锁模光纤激光振荡器的输出相连，用于实现非线性放大，非线性放大器与锁模光纤激光振荡器之间是一段为锁模光纤激光振荡器的输出提供预啁啾管理的单模光纤。

进一步地，根据本发明的一些实施例，本发明宽带种子激光源中所述锁模光纤激光振荡器的腔内净色散量为可根据应用需求调节和控制的负色散，其色散控制方式为多种色散种类光纤的搭配、啁啾光纤光栅和基于衍射光栅的色散可调空间结构中的一种或多种的组合；

锁模光纤激光振荡器的自启动锁模方式为可饱和吸收体锁模、非线性环路反射镜锁模和非线性偏振旋转锁模中的一种或多种的组合；

非线性放大器使用的增益光纤为正色散分布的主动单模光纤。

此外，上述宽带种子激光源除了能够作为光纤激光器的高质量种子源，还能够作为其他固体激光器的种子源。

具体来说，与现有技术相比，本发明高能量超短脉冲激光器能够取得以下有益效果：

(1)本发明激光器中采用的锁模光纤激光振荡器为本发明人自行研发的腔内色散分布可调节式设计的全保偏飞秒激光器，该锁模光纤激光振荡器可以采用啁啾光纤光栅耦合输出，不仅能够推进系统的全光纤化，还能够同时利用该啁啾光纤光栅辅助腔内色散设计。

(2)本发明激光器在锁模光纤激光振荡器和非线性放大器之间，采用长度可精细调节的单模光纤进行预啁啾管理，可以为锁模光纤激光振荡器的输出脉冲引入一定初始啁啾，从而能够支撑脉冲在非线性放大过程中超出增益带宽限制的同时输出一个高质量的无底座脉冲。

(3)本发明激光器采用的非线性放大器中的主动单模光纤长度通过数值模拟结合实验共同优化，能够匹配注入脉冲情况，经过非线性放大后能够获得具有良好线性啁啾特性的脉冲输出，积累的非线性啁啾极小，从而可以通过压缩得到接近变换极限的脉冲。

(4)本发明激光器采用的锁模光纤激光振荡器的腔内净色散量为可根据应用需求调节和控制的负色散，能够输出匹配最佳非线性放大效果的种子激光脉冲。众所周知，正色散腔对应输出带有大量正啁啾的耗散孤子脉冲，而未经优化的常规负色散腔对应输出光谱顶部带有明显结构的脉冲，均不利于直接进入放大级进行非线性放大，相比之下，本发明优化设计的负色散腔输出的激光脉冲在非线性放大后，其光谱得到了极大地展宽，光谱结构表现得非常光滑平坦干净，并且没有明显的Kelly边带，非常适合作为后续激光啁啾脉冲放大系统的种子源。

(5)本发明激光器主动利用超短脉冲放大过程中积累的非线性效应搭建了宽带种子激光源，能够克服传统啁啾脉冲放大过程中由于增益窄化效应带来的不利影响，最终可以实现小于100fs甚至更短的输出激光脉冲。

(6)针对本发明激光器设计的宽带种子激光源，还能够利用光谱分束的方法将其输出的高质量平坦宽光谱在频域进行分割，对不同中心波长的若干光谱成分分别进行放大后，再通过光谱合束能够实现高能量超短激光脉冲的最终输出。

(7)本发明设计的宽带种子激光源除了能够作为光纤激光器的高质量种子源，还能够作为其他固体激光器的种子源。

(8)本发明提供的高能量超短脉冲激光器具有很强的科学研究价值和社会经济意义，相应的科研成果可参见光学期刊《APPLIED OPTICS》。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面对实施例描述中需要使用的附图作简要介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明中记载的一些实施例，而不是全部实施例，对于本领域技术人员来讲，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为本发明高能量超短脉冲激光器的整体结构示意图。

图2为本发明高能量超短脉冲激光器中锁模光纤激光振荡器结构示意图，其中：图2(a)为基于啁啾光纤光栅的锁模光纤激光振荡器，图2(b)为基于衍射光栅的色散可调空间结构的锁模光纤激光振荡器。

图3为本发明提供的各类基于混合锁模调制的锁模光纤激光振荡器结构示意图，其中：图3(a)为一种基于混合锁模调制的激光器的结构示意图，图3(b)为自适应调节输出功率的激光器结构示意图，图3(c)为在非线性放大环镜中增加调节自由度的激光器示意图，图3(d)为在线形臂中增加调节自由度的激光器示意图。

图4为本发明高能量超短脉冲激光器中非线性放大器结构示意图。

图5为本发明高能量超短脉冲激光器中锁模光纤激光振荡器不同腔内净色散量对应放大器输出脉冲的光谱图。

图6为本发明高能量超短脉冲激光器中展宽器结构示意图，其中：图6(a)为单模光纤展宽器，图6(b)为环形器配合啁啾光纤光栅展宽器，图6(c)为衍射光栅对展宽器，图6(d)为啁啾体布拉格光栅展宽器。

图7为本发明高能量超短脉冲激光器中脉冲选单模块结构示意图。

图8为本发明高能量超短脉冲激光器中预放大级结构示意图。

图9为本发明高能量超短脉冲激光器中主放大级结构示意图，其中：图9(a)为基于盘状主动光子晶体光纤主放大级，图9(b)为基于棒状主动光子晶体光纤主放大级。

图10为本发明高能量超短脉冲激光器中压缩器结构示意图，其中：图10(a)为透射式Treacy光栅对压缩器，图10(b)为反射式Treacy光栅对压缩器，图10(c)为啁啾体布拉格光栅压缩器，图10(d)为空心光纤压缩器。

附图标记：1：锁模光纤激光振荡器、2：非线性放大器、3：展宽器、4：脉冲选单模块、5：预放大级、6：主放大级、7：压缩器、8：第一可饱和吸收体反射镜、9：第一聚焦透镜、10：第一准直透镜、11：第一透镜组、12：第一保偏单模光纤、13：第一保偏增益光纤、14：第一波分复用器、15：第一半导体激光器、16：啁啾光纤光栅、17：第一光纤隔离器、18：第一光纤耦合器、19：耦合透镜、20：衍射光栅、21：耦合准直透镜、22：第一反射镜、23：线形腔输出端、24：第二光纤耦合器、25：非线性放大环镜、26：线形臂、27：第二保偏单模光纤、28：环镜输出端、29：高非线性光纤、30：第四半导体激光器、31：第四保偏增益光纤、32：第五波分复用器、33：第五保偏增益光纤、34：第五半导体激光器、35：第二光纤隔离器、36：第一单模光纤、37、光环形器、38：啁啾光纤光栅、39：前光栅、40：第三透镜组、41：后光栅、42：第二反射镜、43：λ/2波片、44：偏振分光镜、45：λ/4波片、46：啁啾体布拉格光栅、47：光纤耦合器、48：光电探测器、49：脉冲选单同步控制电路可编程FPGA板、50：声光调制器、51：第三光纤隔离器、52：第六半导体激光器、53：第六波分复用器、54：主动双包层大模场光纤、55：第四光纤隔离器、56：盘状主动双包层大模场光子晶体光纤、57：泵浦耦合透镜、58：二向色镜、59：高功率半导体激光器、60：第三反射镜、61：空间光隔离器、62：第一输入耦合透镜、63：棒状主动双包层大模场光子晶体光纤、64：第一输出耦合透镜、65：第二λ/2波片、66：第四反射镜、67和68：透射光栅、69：透射式Treacy光栅对、70：高反镜、71和72：反射光栅、73：反射式Treacy光栅对、74：第二啁啾体布拉格光栅、75：第二输入耦合透镜、76：空心光纤、77：稀有气体泵、78：稀有气体池、79：第二输出耦合透镜、80：啁啾反射镜组；

8’：第二可饱和吸收体反射镜、9’：第二聚焦透镜、10’：第二准直透镜、11’：第二透镜组、13’：第二保偏增益光纤、14’：第二波分复用器、15’：第二半导体激光器、29’：第四波分复用器；

13”：第三保偏增益光纤、14”：第三波分复用器、15”：第三半导体激光器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，本发明还可通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

同时，应理解，本发明的保护范围并不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。本发明中，“第一”、“第二”等(如果存在)术语仅用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。

除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、装置、材料外，根据本领域技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、装置、材料相似或等同的现有技术的任何方法、装置和材料来实现本发明。

在本发明中，若无特别说明，所有涉及到的部件、装置和材料均可从商业途径得到或是采用本领域常规方法制造获得的。

实施例：一种高能量超短脉冲激光器

图1为本发明实施例提供的一种高能量超短脉冲激光器的结构示意图，锁模光纤激光振荡器1产生的飞秒激光从腔内输出后，经过一段长度可精细调节的单模光纤进行预啁啾管理，然后注入到非线性放大器2中进行高效的非线性放大，同时锁模光纤激光振荡器1和非线性放大器2构成了能够克服后续啁啾脉冲放大系统中增益窄化效应的宽带种子激光源；输出的种子激光脉冲注入到展宽器3，利用色散效应将其在时域上进行充分展宽；随后，通过脉冲选单模块4降低激光脉冲的重复频率，继而将其依次注入到预放大级5和主放大级6进行进一步放大，最后将脉冲注入到压缩器7中进行压缩，从而实现最终的高能量超短激光脉冲输出。

图2为本发明高能量超短脉冲激光器中锁模光纤激光振荡器结构示意图。图2(a)所示为基于啁啾光纤光栅的锁模光纤激光振荡器的结构示意图。锁模光纤激光振荡器1由第一可饱和吸收体反射镜8、第一透镜组11、第一保偏单模光纤12、第一保偏增益光纤13、第一波分复用器14、第一半导体激光器15、啁啾光纤光栅16和第一光纤隔离器17构成。第一半导体激光器15通过第一波分复用器14为第一保偏增益光纤13提供泵浦使其产生粒子数反转从而为腔内振荡的脉冲提供增益；激光从第一保偏单模光纤12发散输出后经由第一透镜组11重新准直聚焦到第一可饱和吸收体反射镜8上，第一可饱和吸收体反射镜8提供快速的振幅调制使得锁模光纤激光振荡器1能够实现自启动锁模，并且可饱和吸收体反射镜8与啁啾光纤光栅16构成锁模光纤激光振荡器1的一对反射腔镜；啁啾光纤光栅16同时起到锁模光纤激光振荡器腔内色散补偿器件、端镜以及输出端的作用，为锁模光纤激光振荡器1全保偏光纤化的关键元件。第一光纤隔离器17能够防止背向传输的光对锁模光纤激光振荡器1造成损坏。通过对腔内色散进行优化设计，能够使其输出适合于非线性放大的激光脉冲，腔内为负色散，可以输出色散管理孤子脉冲，光谱结构表现得非常光滑干净，并未有明显的Kelly边带。

具体地，锁模光纤激光振荡器1中的第一透镜组11用于将输出的激光脉冲经过光斑大小变换进而聚焦到所述第一可饱和吸收体反射镜8上。第一透镜组11包括第一准直透镜10和第一聚焦透镜9，第一透镜组11与第一可饱和吸收体反射镜8可以采用一体式集成结构以实现减小系统空间抖动性的目的，并且第一透镜组11输出的激光经过光束扩束后传输到第一可饱和吸收体反射镜8上，能够起到避免可饱和吸收体损伤的作用。同时，松聚焦的聚焦方式使得焦斑处的激光脉冲强度远低于可饱和吸收体的损伤阈值，从而保证激光器长时间稳定运转。

图2(b)为基于衍射光栅的色散可调空间结构的锁模光纤激光振荡器的结构示意图。该结构由第一可饱和吸收体反射镜8、第一透镜组11、第一保偏单模光纤12、第一保偏增益光纤13、第一波分复用器14、第一半导体激光器15、第一光纤耦合器18、耦合透镜19、衍射光栅20、耦合准直透镜21和第一反射镜22构成。第一半导体激光器15通过第一波分复用器14为第一保偏增益光纤13提供泵浦使其为腔内振荡的脉冲提供增益；激光从第一保偏单模光纤12发散输出后经由第一透镜组11重新准直聚焦到第一可饱和吸收体反射镜8上，第一可饱和吸收体反射镜8作为腔镜的同时提供快速的振幅调制使得锁模光纤激光振荡器1能够实现自启动锁模；第一反射镜22作为谐振腔的另一个端镜，与耦合准直透镜21和衍射光栅20构成等效光栅对，通过改变衍射光栅20与耦合准直透镜21之间的相对距离，能够达到改变腔内净色散量的目的；最后通过第一光纤耦合器18的线形腔输出端23实现激光脉冲输出。该腔内色散可调结构具有很高的设计灵活性，利于在理论上研究不同种类的注入种子激光脉冲对非线性放大效果的影响，可以根据不同的非线性放大情况输出匹配效果最佳的注入脉冲。

图3为本发明提供的各类基于混合锁模调制的锁模光纤激光振荡器结构示意图。图3(a)为一种基于混合锁模调制的激光器的结构示意图，由第二可饱和吸收体反射镜8’、第二透镜组11’、第二光纤耦合器24、非线性放大环镜25和线形臂26构成。

非线性放大环镜25作为锁模元件提供振幅调制从而产生超短脉冲序列，这是利用光纤克尔效应的新型锁模方式，响应速度快，结构简单稳定，信噪比高。激光脉冲在第二光纤耦合器24处按其分光比分成两路强度相等的脉冲分别沿顺时针和逆时针方向在非线性放大环镜25中相向传输，相等的分光比可以为所述非线性放大环镜25提供最大的调制深度。第二保偏增益光纤13’在非线性放大环镜25中位置不对称，第二半导体激光器15’发出的泵浦光通过第二波分复用器14’注入到第一保偏增益光纤13中产生粒子数反转为传输的激光脉冲提供一定的幅值增益。第二保偏增益光纤13’、第二半导体激光器15’和第二波分复用器14’可以用一个可编辑的相移元件替代，起到的作用相同。此外，在第二保偏增益光纤13’远离第二光纤耦合器24的一端可连接一段非线性系数较高的光纤，能够起到增大环内相向传输激光脉冲间相移差的作用。

同时，经过非线性放大环镜25进行锁模调制的激光脉冲一部分通过第二光纤耦合器24输出到线形臂26中继续传输，一部分在第二光纤耦合器24处的环镜输出端28输出，线形臂26结构大大增强了系统的调节及检测自由度，便于实时监测腔内激光脉冲演化的动力学行为，探索谐振腔内物理参数对激光脉冲输出、锁模调制等关键特性的影响，对激光器的设计和优化具有重要的指导意义。线形臂26的一端与非线性放大环镜25的输出端相连接，一端通过第二透镜组11’将激光脉冲进行光斑尺寸变换后传输到第二可饱和吸收体反射镜8’上，使激光脉冲在谐振腔内往复振荡，第二可饱和吸收体反射镜8’一方面引入振幅调制完成激光器自启动锁模，另一方面充当反射端镜使从所述第二透镜组11’输出的激光脉冲在谐振腔内得以振荡传输。第二透镜组11’包括第二准直透镜10’和第二聚焦透镜9’，第二透镜组11’与第二可饱和吸收体反射镜8’可以采用一体式集成结构以实现减小系统空间抖动性的目的。在全负色散的工作区域下，所述激光脉冲在非线性放大环镜25演化成稳定的近孤子脉冲，再经由非线性放大环镜25的滤波作用在激光器的输出端28得到稳定的、光谱光滑无边带的近抛物线激光脉冲。

所述基于混合调制锁模的锁模光纤激光振荡器充分结合了非线性放大环镜25和第二可饱和吸收体反射镜8’的优势和特点，能够在增强激光器稳定性的同时提高系统的自启动锁模特性。

图3(b)、(c)、(d)为增加调节自由度后激光器的结构示意图。图3(b)为自适应调节输出功率的激光器结构示意图。在非线性放大环镜25中第二保偏增益光纤13’远离所述第二光纤耦合器24的一端连接一段非线性系数极高的高非线性光纤29，高非线性光纤29的输出端通过第二保偏单模光纤27与第二光纤耦合器24相连，构成闭合的环形结构，使在非线性放大环镜25中逆时针传输的激光脉冲经由第二保偏增益光纤13’放大后输入到高非线性光纤29中积累更大的非线性相移，这一机制大大增加了非线性放大环镜25中相向传输激光脉冲的相位差，借助孤子的耗散机制被动调节激光器输出功率的大小，保证激光器单脉冲运转，能够获得输出功率连续可调谐的激光脉冲序列。

图3(c)为在非线性放大环镜25中增加调节自由度的激光器结构示意图。在第二波分复用器14’的输出端与第三波分复用器14”的输入端相连，第三半导体激光器15”通过所述第三波分复用器14”为第三保偏增益光纤13”提供泵浦，第三保偏增益光纤13”再与第二光纤耦合器24进行连接从而构成完整的非线性放大环镜25，对传输的激光脉冲序列进行放大。从线形臂26中输入到非线性放大环镜25中的激光脉冲经由第二光纤耦合器24分成两路激光脉冲依次通过非线性放大环镜25中的第二保偏增益光纤13’和第三保偏增益光纤13”，为相向传输的激光脉冲提供幅值增益，通过独立调控第二半导体激光器15’和第三半导体激光器15”的泵浦功率大小和调节路径可以控制相向传输激光脉冲的非线性相移差，能够极大地提高激光器输出激光脉冲的参数调节范围，增加激光器的可调节性。同时，可以利用非线性放大环镜25中第二半导体激光器15’和第三半导体激光器15”泵浦功率的瞬时响应特性，引入足够的扰动，并将所述激光器中的第二可饱和吸收体反射镜8’用普通反射镜代替，实现自启动锁模，起到进一步提高激光器运转稳定性、降低成本的目的。

图3(d)为在线形臂中增加调节自由度的激光器结构示意图。第四半导体激光器30通过第四波分复用器29’泵浦第四保偏增益光纤31，能够为从第二光纤耦合器24输入到线形臂26中的激光脉冲提供幅值增益，进一步提高激光脉冲能量。从所述第四保偏增益光纤31中输出的激光脉冲经由第二透镜组11’扩束后聚焦到第二可饱和吸收体反射镜8’上，再反射耦合回线形臂26中，在激光器谐振腔内往复振荡。通过独立调控第二半导体激光器15’和第四半导体激光器30的泵浦功率大小和调节方式可以极大地提高激光器输出激光脉冲的参数调节范围，提高激光脉冲能量，增加激光器的可调节性。

图4为本发明高能量超短脉冲激光器中非线性放大器2的结构示意图，锁模光纤激光振荡器1的输出脉冲注入到非线性放大器2中进行非线性放大。非线性放大器2由第五波分复用器32、第五保偏增益光纤33、第五半导体激光器34和第二光纤隔离器35构成。第五半导体激光器34通过第五波分复用器32注入到第五保偏增益光纤33中使其产生粒子数反转从而为锁模光纤激光振荡器1输出的脉冲提供幅值增益。第二光纤隔离器35能够防止背向传输的光对前级造成损坏。同时通过优化设计锁模光纤激光振荡器1和非线性放大器2之间的光纤长度为注入非线性放大器2的脉冲进行一定的预啁啾管理，可以在提高非线性放大效率的同时保证脉宽。当第五保偏增益光纤33采用正常色散光纤时，由于正常色散和非线性、增益的相互作用，经由锁模光纤激光振荡器1输出的激光脉冲在所述非线性放大器2中呈自相似演化，即在放大过程中激光脉冲的形状不变，而脉冲宽度、振幅呈指数增长，这一放大机制提高了激光脉冲对非线性相移的容忍度，突破了传统孤子激光脉冲的功率限制，且输出激光脉冲的啁啾为严格线性，输出光谱的形状平坦且足够宽，使其能够克服啁啾脉冲放大过程中由于增益窄化效应带来的不利影响，为压缩脉冲宽度获得超短超强的激光脉冲奠定了基础。

图5为本发明高能量超短脉冲激光器中锁模光纤激光振荡器不同腔内净色散量对应放大器输出脉冲的光谱图，从图中数据可以看出，正色散腔对应的种子激光脉冲在注入非线性放大器后其光谱并没有发生展宽，是由于振荡器输出的脉冲为耗散孤子脉冲，带有大量的正啁啾；而未经优化的常规负色散腔对应的种子激光脉冲在放大后可以清晰地看到在脉冲光谱的顶部具有明显的结构，这两者都不利于直接进行非线性放大。相比之下，本发明优化设计的负色散腔输出的激光脉冲在非线性放大后，其光谱得到了极大地展宽，光谱结构表现得非常光滑平坦干净，并且没有明显的Kelly边带，非常适合作为后续激光啁啾脉冲放大系统的种子源。

图6为本发明高能量超短脉冲激光器中展宽器结构示意图。图6(a)为单模光纤展宽器，由一段第一单模光纤36构成，能够利用光纤中色散在长度方向上的积累将非线性放大后的脉冲在时域上展宽到百皮秒量级，从而可以在后续放大过程中充分利用啁啾脉冲放大技术的优势，同时，通过单模光纤作为展宽器的方式能够进一步推进系统的全光纤集成化。

图6(b)为环形器配合啁啾光纤光栅展宽器，激光脉冲通过光环形器37注入到啁啾光纤光栅38，光栅周期沿光传播方向逐渐变化，不同频率成分的光在不同的光栅周期处反射因此能够对应不同的传播路径，从而引入时延实现对激光脉冲的展宽，最终通过光环形器37再将展宽后的脉冲进行输出。

图6(c)为衍射光栅对展宽器，入射的激光脉冲首先被前光栅39衍射，在不同的角度方向上实现不同频率成分的色散，由前光栅39和后光栅41组成的光栅对的摆放结构造成激光脉冲中不同频率成分经历的光程不同，第三透镜组40配合光栅对形成4f系统，第二反射镜42使得激光脉冲两次经过展宽器3，最终不同频率成分离开展宽器3的时间间隔有所增加，从而实现激光脉冲在时域上的展宽。

图6(d)为啁啾体布拉格光栅展宽器，先利用λ/2波片43将入射激光脉冲的偏振方向旋转成S偏振，脉冲因而会在偏振分光镜44处被反射注入啁啾体布拉格光栅46，不同频率成分的光在不同的位置反射因此对应不同的传播路径，从而引入时延实现对激光脉冲的展宽，同时，λ/4波片45的光轴方向和垂直方向成45°，激光脉冲经啁啾体布拉格光栅46反射两次经过λ/4波片45，相当于经过一个λ/2波片，偏振方向由S偏振变为P偏振，因此能够在偏振分光镜44处透射，实现展宽脉冲的输出。

图7为本发明高能量超短脉冲激光器中脉冲选单模块4的结构示意图，脉冲选单模块4由光纤耦合器47、光电探测器48、脉冲选单同步控制电路可编程FPGA板49、声光调制器50和第三光纤隔离器51构成。由于种子脉冲在展宽前就已经对其能量进行了放大，足以使脉冲在经过脉冲选单模块4后仍有足够的单脉冲能量进入下一放大级，故无需额外设置放大级预先补偿其能量损失。并且，为了在保证其单脉冲能量的同时避免过低的重复频率导致的拉曼散射效应，需要通过脉冲选单模块4调谐激光系统重复频率。脉冲选单模块4能够控制锁模光纤激光振荡器输出脉冲的重复频率，将其降低到数百kHz至1MHz，进而可以保证其在有限的泵浦条件下尽可能提高单脉冲能量。脉冲注入脉冲选单模块4后从光纤耦合器47的Tap端输出，利用光电探测器48将其转换为电信号从而能够得到脉冲的时间特性，再将信号通过脉冲选单同步控制电路可编程FPGA板49进行处理来将需要的目标重频信息传输到声光调制器50上，最终能够实现对输出脉冲的重复频率进行控制的功能。第三光纤隔离器51能够防止背向传输的光对前级造成损坏。

图8为本发明高能量超短脉冲激光器中预放大级5的结构示意图，预放大级5由第六半导体激光器52、第六波分复用器53、主动双包层大模场光纤54和第四光纤隔离器55构成。第六半导体激光器52通过第六波分复用器53为主动双包层大模场光纤54提供泵浦使其产生粒子数反转从而为经过降重频的脉冲提供足够的增益，该增益光纤采用拥有更大芯径的双包层光纤，不仅能够获得更高的稀土离子掺杂用以提供更高的增益，还能够抑制更高峰值功率造成非线性效应的过度积累所导致的性能劣化问题。预放大级5能够保证脉冲在注入主放大级6之前尽可能提高单脉冲能量从而减少主放大过程对于增益的需求，该做法亦能够保证在减小自发辐射噪声的同时还不会导致明显的受激拉曼散射噪声，大大提高了输出脉冲的质量。第四光纤隔离器55能够防止背向传输的光对前级造成损坏。

图(9)为本发明高能量超短脉冲激光器中主放大级结构示意图。图9(a)为基于盘状主动光子晶体光纤的主放大级结构示意图，该结构由盘状主动双包层大模场光子晶体光纤56、泵浦耦合透镜57、二向色镜58、高功率半导体激光器59、第三反射镜60和空间光隔离器61构成。高功率半导体激光器59通过泵浦耦合透镜57反向注入盘状主动双包层大模场光子晶体光纤56为其提供泵浦，使其产生粒子数反转，从而为预放大级5的输出光脉冲进一步提高增益。盘状主动双包层大模场光子晶体光纤56的输出光脉冲经由与泵浦共用的二向色镜58和第三反射镜60最后从空间光隔离器61输入压缩器7，空间光隔离器61能够防止背向传输的光对前级造成损坏。

图9(b)为基于棒状主动光子晶体光纤的主放大级结构示意图，该结构由第一输入耦合透镜62、棒状主动双包层大模场光子晶体光纤63、第一输出耦合透镜64、高功率半导体激光器59和空间光隔离器61构成。高功率半导体激光器59通过其输出尾纤直接连接棒状主动双包层大模场光子晶体光纤63为其提供泵浦，使其产生粒子数反转，从而为预放大级5通过第一输入耦合透镜62注入的激光脉冲进一步提高增益。棒状主动双包层大模场光子晶体光纤63的输出光脉冲经由第一输出耦合透镜64准直输出，通过空间光隔离器61注入压缩器7，空间光隔离器61能够防止背向传输的光对前级造成损坏。

图(10)为本发明高能量超短脉冲激光器中压缩器结构示意图。图10(a)为透射式Treacy光栅对压缩器，由第二λ/2波片65、第四反射镜66、透射式Treacy光栅对69和高反镜70构成。主放大级6的输出光脉冲通过第二λ/2波片65进行偏振调控匹配透射式Treacy光栅对69的偏振要求，通过调节透射式Treacy光栅对69中两个平行的透射光栅67和68之间的距离来控制引入的色散量，同时利用高反镜70使得光脉冲能够两次经过透射式Treacy光栅对69，提高了色散补偿效率，可以通过进一步的色散精细控制将脉宽压缩到变换极限的百飞秒量级，并且其光谱宽度能保持数十纳米，其脉冲能量能达到数微焦，这已经突破了传统啁啾脉冲放大技术对输出光谱宽度的限制，同时能够跨越自相似放大技术的微焦量级输出门槛，最终获得高能量超短激光脉冲。

图10(b)为反射式Treacy光栅对压缩器，由第二λ/2波片65、第四反射镜66、反射式Treacy光栅对73和高反镜70构成。主放大级6的输出光脉冲通过第二λ/2波片65进行偏振调控匹配反射式Treacy光栅对73的偏振要求，能够通过调节反射式Treacy光栅对73中两个平行的反射光栅71和72之间的距离来控制引入的色散量从而对激光脉冲实现可控的高效压缩。

图10(c)为啁啾体布拉格光栅压缩器，激光脉冲直接注入第二啁啾体布拉格光栅74，不同频率成分的光在不同的位置反射因此对应不同的传播路径，从而能够引入时延实现对脉冲的压缩，最终通过第四反射镜66输出。

图10(d)为空心光纤压缩器，由第二输入耦合透镜75、空心光纤76，稀有气体泵77，稀有气体池78、第二输出耦合透镜79、啁啾反射镜组80和第四反射镜66构成。稀有气体泵77将稀有气体灌注稀有气体池78，使得空心光纤中充满稀有气体，稀有气体包括但不限于氖气、氪气和氩气，空心光纤76中的气压可以根据入射激光脉冲的参数进行优化调节，激光脉冲通过第二输入耦合透镜75注入空心光纤76，在传输过程中会与稀有气体进行强非线性作用，通过自相位调制效应产生新的频率成分将其频谱充分展宽，并且带有良好的线性啁啾，经由第二输出耦合透镜79输出后再利用啁啾反射镜组80进行色散补偿，根据需要的啁啾补偿量选择合适的啁啾反射镜型号以及反射程数，最终能够实现超高效率的压缩。

在本发明提供的实例中，各光纤元件可相互集成从而增加整体系统结构的紧凑性，并不会影响所述系统性能的实现，并且用到的所有光纤和光纤器件都拥有保偏特性，能够保证系统的稳定性和可靠性。

以上对本发明优选的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明构思的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种高能量超短脉冲激光器，用于输出能够克服增益窄化效应的高能量宽带超短激光脉冲，其特征在于，所述高能量超短脉冲激光器包括宽带种子激光源、展宽器、脉冲选单模块、预放大级、主放大级和压缩器；其中：

所述宽带种子激光源由锁模光纤激光振荡器和非线性放大器组成，用于输出能够在啁啾脉冲放大过程中克服增益窄化效应的宽带飞秒激光；

所述展宽器与非线性放大器的输出相连，用于对从非线性放大器输出的宽带脉冲在时域上进行展宽；

所述脉冲选单模块与展宽器的输出相连，用于对注入后续放大级的激光脉冲的重复频率进行可调谐的降低操作；

所述预放大级和主放大级依次与脉冲选单模块的输出相连，用于对注入的激光脉冲实现啁啾脉冲放大；

所述压缩器与主放大级的输出相连，用于对放大后的激光脉冲进行色散补偿从而将其在时域上进行压缩，以得到高能量和高峰值功率的超短激光脉冲。

2.根据权利要求1所述的高能量超短脉冲激光器，其特征在于，所述锁模光纤激光振荡器包括可饱和吸收体、透镜组、保偏单模光纤、增益光纤、波分复用器、半导体激光器、色散控制模块；

所述锁模光纤激光振荡器的腔内色散分布为可调节式设计，用于输出与非线性放大效果相匹配的种子激光脉冲；

所述非线性放大器与锁模光纤激光振荡器的输出相连，用于实现非线性放大，所述非线性放大器与锁模光纤激光振荡器之间是一段为锁模光纤激光振荡器的输出提供预啁啾管理的单模光纤。

3.根据权利要求2所述的高能量超短脉冲激光器，其特征在于，所述锁模光纤激光振荡器的腔内净色散量为可根据应用需求调节和控制的负色散，其色散控制方式为多种色散种类光纤的搭配、啁啾光纤光栅和基于衍射光栅的色散可调空间结构中的一种或多种的组合；

所述锁模光纤激光振荡器的自启动锁模方式为可饱和吸收体锁模、非线性环路反射镜锁模和非线性偏振旋转锁模中的一种或多种的组合。

4.根据权利要求1所述的高能量超短脉冲激光器，其特征在于，所述非线性放大器使用的增益光纤为正色散分布的主动单模光纤。

5.根据权利要求1所述的高能量超短脉冲激光器，其特征在于，所述展宽器为单模光纤展宽器、环形器配合啁啾光纤光栅展宽器、衍射光栅对展宽器和啁啾体布拉格光栅展宽器中的一种或多种的组合；

所述主放大级使用的增益光纤为盘状主动光子晶体光纤、棒状主动光子晶体光纤和固体激光放大模块中的一种或多种的组合；

所述压缩器为衍射光栅对压缩器、啁啾体布拉格光栅压缩器和用于非线性脉冲压缩的特种光纤中的一种或多种的组合。

6.根据权利要求1所述的高能量超短脉冲激光器，其特征在于，所述脉冲选单模块由光纤耦合器、光电探测器、脉冲选单同步控制电路、声光调制器和光纤隔离器组成，所述脉冲选单同步控制电路中包括用于改变时序的可编程FPGA板。

7.根据权利要求1所述的高能量超短脉冲激光器，其特征在于，所述高能量超短脉冲激光器中使用的增益光纤根据所需波长的不同，其中的掺杂元素为稀土元素中的一种或多种的组合。

8.根据权利要求1-7任一项所述的高能量超短脉冲激光器，其特征在于，所述高能量超短脉冲激光器中包含的光纤和光纤器件为全保偏型光纤和光纤器件。

9.根据权利要求1所述的宽带种子激光源，所述宽带种子激光源输出平坦宽光谱，采用光谱分束方法将该平坦宽光谱在频域进行分割，分割为多个不同中心波长的分光谱，对不同中心波长的各分光谱分别进行放大，最后再通过光谱合束方法实现高能量超短激光脉冲的输出，其特征在于，所述宽带种子激光源由锁模光纤激光振荡器和非线性放大器组成，其中：

所述锁模光纤激光振荡器包括可饱和吸收体、透镜组、保偏单模光纤、增益光纤、波分复用器、半导体激光器、色散控制模块；

所述锁模光纤激光振荡器的腔内色散分布为可调节式设计，用于输出与非线性放大效果相匹配的种子激光脉冲；

所述非线性放大器与锁模光纤激光振荡器的输出相连，用于实现非线性放大，所述非线性放大器与锁模光纤激光振荡器之间是一段为锁模光纤激光振荡器的输出提供预啁啾管理的单模光纤。

10.根据权利要求9所述的宽带种子激光源，其特征在于，

所述锁模光纤激光振荡器的腔内净色散量为可根据应用需求调节和控制的负色散，其色散控制方式为多种色散种类光纤的搭配、啁啾光纤光栅和基于衍射光栅的色散可调空间结构中的一种或多种的组合；

所述锁模光纤激光振荡器的自启动锁模方式为可饱和吸收体锁模、非线性环路反射镜锁模和非线性偏振旋转锁模中的一种或多种的组合；

所述非线性放大器使用的增益光纤为正色散分布的主动单模光纤。

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