CN116345284A - 一种高能量激光产生系统、方法及成像系统 - Google Patents

一种高能量激光产生系统、方法及成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种高能量激光产生系统、方法及成像系统。高能量激光产生系统设置有激光脉冲产生器、展宽组件、第一放大组件、第一半波片、隔离器、双色镜、压缩组件、第二半波片、偏振分束器、多通腔和滤光片；激光脉冲产生器产生的光脉冲射入展宽组件进行时域展宽后，射入第一放大组件进行功率放大，提高光脉冲的能量，然后依次经过第一半波片、隔离器和双色镜后射入压缩组件进行时域压缩，然后经第二半波片和偏振分束器调节功率后射入多通腔进行频谱展宽，最后经滤光片滤出1700nm波段附近的高能量光脉冲。整个系统产生的能量损耗处于较低水平，从而可实现1700nm波段附近的高能量光脉冲的高效产出。

Description

一种高能量激光产生系统、方法及成像系统
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种高能量激光产生系统、方法及成像系统。
背景技术
自激光诞生以来，研究者们通过研发出各种各样的技术，将激光推向更高的功率、更短的脉宽、覆盖更宽的光谱范围，以满足不同领域对不同参数的激光光源的需求。
在生物医疗领域，多光子显微成像(MPM)具有光学层切能力强、成像深度深、光学损伤小，空间分辨率高等独特优势，在动物组织的成像研究中有着广泛的应用场景。据研究表明，深层生物组织的最优透射波段在1700nm波段附近(透射窗口为1600-1840nm)，但由于激光脉冲在生物组织中散射、吸收等现象的存在，随着成像深度的增加，入射光脉冲能量会逐渐衰减，进而无法对更深层次的生物组织做进一步探测与成像，同时，受限于增益介质的增益带宽和滤波元件的性能，常见的琐模超快激光器(可分为钛宝石(800nm)、掺镱(1μm)、掺铒(1.5μm)和掺铥/钬(2μm)等)无法直接产生波长为1700nm的高能量飞秒脉冲，较低的光脉冲能量成为了限制超快激光光源在MPM中应用的主要因素之一。
2018年，CHUNG等人【Chung H Y,Liu W,Cao Q,et al.Megawatt peak powertunable femtosecond source based on self-phase modulation enabled spectralselection[J].Optics express,2018,26(3):3684-3695.】利用基于自相位调制的光谱旁瓣滤波技术(SESS)获得了波长为1.7μm的飞秒脉冲，具体过程可分为理论仿真和实验验证两部分。从仿真上看，当把超快脉冲耦合进具有一定长度的光子晶体光纤(PCF)中，且脉冲参数波长λ＝1.55μm、光纤长度L＝2.3cm、能量E＝380nJ时，可以获得波长为1700nm、能量为121nJ、脉宽为102fs的脉冲。同样地，实验上也获得了150fs、110nJ的光脉冲。使用基于光纤的自相位调制光谱旁瓣滤波技术(SESS)可通过调节入射光脉冲的光功率和光纤长度来灵活调谐输出脉冲的波长和能量，但是所用光纤的模场直径(MFD)仅在10μm量级，且因入射光脉冲的自由空间耦合使装置整体较难保存长期稳定性，同时，能量转换效率不高(理论模拟20～30％，具体实验还要略低于该值)，受限于自聚焦效应，如果光脉冲能量较大，容易超过波导结构的自聚焦阈值而导致波导结构受损，同时为了规避光波分裂和孤子分裂效应，SESS的单脉冲能量较低难以突破微焦量级。
2019年，Gan等人【Gan M,He C,Liu H,et al.Air-core fiber or photonic-crystal rod,which is more suitable for energetic femtosecond pulse generationand three-photon microscopy at the 1700nm window？[J].Journal of Biophotonics,2019,12(10):e201900069.】利用SSFS效应将波长为1550nm、脉宽为500fs、能量为1452nJ的脉冲入射至空心光纤中，产生了能量为503nJ、脉宽为428fs、波长在1700nm附近的孤子脉冲。利用SSFS效应在空心光纤中将入射脉冲进行展宽，也可在获得高能量的同时并将中心波长调谐至1700nm波段附近，但是其输出脉冲宽度较大且效率不高(34％)。
发明内容
本发明提供了一种高能量激光产生系统、方法及成像系统，用于解决现有技术难以高效产出适用于MPM的、1700nm波段附近的高能量激光脉冲的技术问题。
本发明第一方面提供的一种高能量激光产生系统，包括：
激光脉冲产生器、展宽组件、第一放大组件、第一半波片、隔离器、双色镜、压缩组件、第二半波片、偏振分束器、多通腔和滤光片；
该展宽组件用于对光脉冲进行时域展宽；
该压缩组件用于对该光脉冲进行时域压缩；
该第一放大组件用于对该光脉冲进行功率放大；
该激光脉冲产生器的输出端与该展宽组件的输入端对应，该展宽组件的输出端与该第一放大组件的输入端对应，该第一放大组件的输出端与该第一半波片的输入端对应，该第一半波片的输出端与该隔离器的输入端对应，该隔离器的输出端与该双色镜的输入端对应，该双色镜的第一输出端与该压缩组件的输入端对应，该双色镜的第二输出端与该第二半波片的输入端对应，该第二半波片的输出端与该偏振分束器的输入端对应，该偏振分束器的输出端与该多通腔的输入端对应；该多通腔的输出端与该滤光片的输入端对应。
在第一方面的第一种可能实现的系统中，还包括：用于调制该光脉冲的相位和振幅的调制器；
该调制器的输入端与该展宽组件的输出端对应，输出端与该第一放大组件的输入端对应。
在第一方面的第二种可能实现的系统中，还包括：激光脉冲选择器和第二放大组件；
该第二放大组件用于对该光脉冲进行功率放大；
该激光脉冲选择器的输入端与该第一放大组件的输出端对应，输出端与该第二放大组件的输入端对应；
该第二放大组件的输出端与该第一半波片的输出端对应。
结合第一方面的第二种可能实现的系统，在第一方面的第三种可能实现的系统中，该第二放大组件包括第一半导体泵浦源、耦合器和第一掺铒增益光纤；
该耦合器的第一输入端与该第一半导体泵浦源的输出端连接，第二输入端与该激光脉冲选择器的输出端对应，输出端与该第一掺铒增益光纤的输入端对应；
该第一掺铒增益光纤的输出端与该第一半波片的输入端对应。
结合第一方面的第二种可能实现的系统，在第一方面的第四种可能实现的系统中，还包括：第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜；
该第一反射镜的输入端与该第二放大组件的输出端对应，输出端与该第一半波片的输入端对应；
该第二反射镜的输入端与该隔离器的输出端对应，输出端与该双色镜的输入端对应；
该第三反射镜的输入端与该双色镜的第二输出端对应，输出端与该第二半波片的输入端对应。
结合第一方面、第一方面的第一种可能实现的系统、第一方面的第二种可能实现的系统、第一方面的第三种可能实现的系统或第一方面的第四种可能实现的系统，在第一方面的第五种可能实现的系统中，该第一放大组件包括第二半导体浦源、波分复用器和第二掺铒增益光纤；
该波分复用器的第一输入端与该第二半导体泵浦源的输出端连接，第二输入端与该展宽组件的输出端对应，输出端与该第二掺铒增益光纤的输入端对应；
该第二掺铒增益光纤的输出端与该第一半波片的输入端对应。
结合第一方面、第一方面的第一种可能实现的系统、第一方面的第二种可能实现的系统、第一方面的第三种可能实现的系统或第一方面的第四种可能实现的系统，在第一方面的第六种可能实现的系统中，还包括：输入端与该滤光片的输出端对应的第一熔融石英。
结合第一方面、第一方面的第一种可能实现的系统、第一方面的第二种可能实现的系统、第一方面的第三种可能实现的系统或第一方面的第四种可能实现的系统，在第一方面的第七种可能实现的系统中，该多通腔包括第一凹面镜、第二凹面镜、第四反射镜和第五反射镜；
该第一凹面镜和该第二凹面镜的曲率半径R相同且平行共焦放置；
该第一凹面镜和该第二凹面镜的间距为L，R＜L＜2R；
该第四反射镜用于将该光脉冲耦合进入；
该第五反射镜用于将该光脉冲耦合输出。
结合第一方面的第七种可能实现的系统，在第一方面的第八种可能实现的系统中，该多通腔还包括设于该第一凹面镜和该第二凹面镜之间的第二熔融石英。
结合第一方面、第一方面的第一种可能实现的系统、第一方面的第二种可能实现的系统、第一方面的第三种可能实现的系统或第一方面的第四种可能实现的系统，在第一方面的第九种可能实现的系统中，该压缩组件为光栅对或棱栅。
结合第一方面、第一方面的第一种可能实现的系统、第一方面的第二种可能实现的系统、第一方面的第三种可能实现的系统或第一方面的第四种可能实现的系统，在第一方面的第十种可能实现的系统中，该展宽组件为色散位移光纤或光栅对展宽器。
本发明第二方面提供的一种高能量激光产生方法，包括：
对光脉冲进行时域展宽，得到第一光脉冲；
对该第一光脉冲进行功率放大，得到第二光脉冲；
对该第二光脉冲进行时域压缩，得到第三光脉冲；
对该第三光脉冲进行功率调节后再进行频谱展宽，得到第四光脉冲；
对该第四光脉冲进行过滤，得到第五光脉冲。
在第二方面的第一种可能实现的方法中，对光脉冲进行时域展宽之后，对该第一光脉冲进行功率放大之前，还包括：
对该第一光脉冲进行相位和振幅的调制。
在第二方面的第二种可能实现的方法中，对该第一光脉冲进行功率放大之后，对该第二光脉冲进行时域压缩之前，还包括：
对该第二光脉冲进行降频处理，然后进行功率放大。
本发明第三方面提供的一种成像系统，包括：
第一方面提供的任一种可能实现的高能量激光产生系统。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提供的高能量激光产生系统设置有激光脉冲产生器、展宽组件、第一放大组件、第一半波片、隔离器、双色镜、压缩组件、第二半波片、偏振分束器、多通腔和滤光片；激光脉冲产生器产生的光脉冲射入展宽组件进行时域展宽后，射入第一放大组件进行功率放大，提高光脉冲的能量，然后依次经过第一半波片、隔离器和双色镜后射入压缩组件进行时域压缩，然后经第二半波片和偏振分束器调节功率后射入多通腔进行频谱展宽，最后经滤光片滤出1700nm波段附近的高能量光脉冲。本系统先通过啁啾放大技术提高光脉冲的能量，使光脉冲能量达到所需，然后通过多通腔进行频谱展宽，最后滤出所需波段的光脉冲。过程中，光脉冲的能量损耗主要是发生在多通腔中的低吸收、散射和透射，整个系统产生的能量损耗处于较低水平，从而实现1700nm波段附近的高能量光脉冲的高效产出。
高能量激光产生系统通过多通腔对光脉冲进行频谱展宽，突破了传统的波导结构，可在自由空间上传输，同时可以改变介质材料的厚度使其小于自聚焦长度，从而避免自聚焦效应的产生，容易获得微焦量级以上的光脉冲输出。
高能量激光产生系统由啁啾脉冲放大系统和基于多通腔的滤波系统组成，并无复杂的光学元件，结构简单，占用空间较小，结构紧凑。
高能量激光产生系统采用的多通腔具有比较大的通光孔径，使得其对入射光脉冲的指向稳定性和光束质量等参数要求不高。
通过调节多通腔的结构，可以在较高的能量下保证近基模的输出，实现高光束质量的输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种高能量激光产生系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种高能量激光产生方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的光脉冲进行时域展宽的演化图；
图4为本发明实施例提供的光脉冲进行相位和振幅调制的演化图；
图5为本发明实施例提供的光脉冲进行降频处理的演化图；
图6为本发明实施例提供的光脉冲进行时域压缩的演化图；
图7为本发明实施例提供的光脉冲进行频谱展宽的演化图；
其中：
1、激光脉冲产生器 2、展宽组件 3、调制器
41、第二半导体泵浦源42、波分复用器 43、第二掺铒增益光纤
5、激光脉冲选择器 61、第一半导体泵浦源 62、耦合器
63、第一掺铒增益光纤7、第一反射镜 8、第一半波片
9、隔离器 10、第二反射镜 11、双色镜
12、压缩组件 13、第三反射镜 14、第二半波片
15、偏振分束器 161、第四反射镜 162、第一凹面镜
163、第二凹面镜 164、第一熔融石英 165、第五反射镜
17、滤光片 18、第二熔融石英。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种高能量激光产生系统、方法及成像系统，用于解决的技术问题是现有技术难以高效产出适用于MPM的、1700nm波段附近的高能量激光脉冲。
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可更换连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。
使用基于光纤的自相位调制光谱旁瓣滤波技术(SESS)可通过调节入射光脉冲的光功率和光纤长度来灵活调谐输出脉冲的波长和能量，但是所用光纤的模场直径(MFD)仅在10μm量级，且因入射光脉冲的自由空间耦合使装置整体较难保存长期稳定性，同时，能量转换效率不高(理论模拟20～30％，具体实验还要略低于该值)，最重要的是受限于自聚焦效应、孤子分裂效应等影响，输出的单脉冲能量很难突破微焦量级。利用SSFS效应在空心光纤中将入射脉冲进行展宽，也可在获得高能量的同时并将中心波长调谐至1700nm波段附近，但是其输出脉冲宽度较大且效率不高(34％)。
实施例一
请参阅图1，本发明实施例提供的一种高能量激光产生系统，包括：
激光脉冲产生器1、展宽组件2、第一放大组件、第一半波片8、隔离器9、双色镜11、压缩组件12、第二半波片14、偏振分束器15、多通腔和滤光片17；展宽组件2用于对光脉冲进行时域展宽；压缩组件12用于对光脉冲进行时域压缩；第一放大组件用于对光脉冲进行功率放大；激光脉冲产生器1的输出端与展宽组件2的输入端对应，展宽组件2的输出端与第一放大组件的输入端对应，第一放大组件的输出端与第一半波片8的输入端对应，第一半波片8的输出端与隔离器9的输入端对应，隔离器9的输出端与双色镜11的输入端对应，双色镜11的第一输出端与压缩组件12的输入端对应，双色镜11的第二输出端与第二半波片14的输入端对应，第二半波片14的输出端与偏振分束器15的输入端对应，偏振分束器15的输出端与多通腔的输入端对应；多通腔的输出端与滤光片17的输入端对应。
需要说明的是：
激光脉冲产生器1用于生成光脉冲，可根据实际所需选用市面上的任一款脉冲激光器，如钇铝石榴石(YAG)激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器、掺铒锁模振荡器等，优选掺铒锁模振荡器。
展宽组件2用于对激光脉冲产生器1产出的光脉冲进行时域展宽，展宽原理为：光脉冲中不同波长的光束被分散开，光脉冲低频成分在展宽组件2中走的路径要比高频成分所走路径短，光脉冲在时间上被拉宽，峰值功率得到降低，展宽组件2的色散量越大，光脉冲被拉宽的程度越高，峰值功率降低越多。展宽组件2可以为色散位移光纤、光栅对展宽器等。
第一放大组件用于对时域展宽后的光脉冲进行功率放大，时域展宽后的光脉冲脉宽较长，并且峰值功率较低，此时，通过第一放大组件对其进行功率放大，将光脉冲的能量提高至所需程度，而不会致使增益介质发生损伤。任何可将光脉冲的能量提高至所需程度的器件或器件组合均可采用。
第一半波片8用于调节光脉冲的传播角度，以让光脉冲准确射入隔离器9。
隔离器9即光隔离器9，光隔离器9是允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的无源器件，其工作原理是基于磁光晶体的法拉第旋转的非互易性，通过光纤回波反射的光能够被光隔离器9很好的隔离。光隔离器9的特性是：正向插入损耗低，反向隔离度高，回波损耗高，作用是对光的方向进行限制，使光只能单方向传输，通过光纤回波反射的光能够被光隔离器9很好的隔离，提高光波传输效率
双色镜11主要用于耦合经压缩组件12压缩后的光脉冲。
压缩组件12用于对功率放大后的光脉冲进行时域压缩，光脉冲经展宽组件2和第一放大组件作用后具有较宽的频谱和较大的能量，此时，让光脉冲经过压缩组件12进行色散，压缩组件12的色散与展宽组件2的色散极性相反，即光程差与通过展宽组件2分光时正好相反，光脉冲中的啁啾可被部分或全部补偿，光脉冲被压缩至所需脉宽，光脉冲峰值功率得到极大的提高。压缩组件12可以为光栅对、由棱镜和光栅组合而成的棱栅等。
第二半波片14主要用于调节耦合输入多通腔中的脉冲功率，通过旋转第二半波片14即可调节实际耦合到多通腔的输入功率。
多通腔(MPC)用于对时域压缩后的光脉冲进行频谱展宽(光谱展宽)其主要由两块凹面镜组成，应用最广泛的多通腔为由两块凹面镜加科尔介质组成的Herriott型多通腔，这种多通腔通过凹面镜聚焦，让光脉冲在内部多次经过科尔介质从而获得较大的B积分实现频谱展宽。由于光脉冲在内部多次往返，通过自相位调制展宽光谱，相比于空芯光纤等不用很长的系统，结构紧凑，且凹面镜的应用也使得光束有较好的光斑质量。
滤光片17用于从频谱展宽后的光脉冲中选取出所需波段的脉冲。
本实施例的有益效果包括：
①高能量激光产生系统先通过啁啾放大技术提高光脉冲的能量，使光脉冲能量达到所需，然后通过多通腔进行频谱展宽，最后滤出所需波段的光脉冲。过程中，光脉冲的能量损耗主要是发生在多通腔中的低吸收、散射和透射，整个系统产生的能量损耗处于较低水平，从而实现1700nm波段附近的高能量光脉冲的高效产出。
②高能量激光产生系统通过多通腔对光脉冲进行频谱展宽，突破了传统的波导结构，可在自由空间上传输，同时可以改变介质材料的厚度使其小于自聚焦长度，从而避免自聚焦效应的产生，容易获得微焦量级以上的光脉冲输出。
③高能量激光产生系统由啁啾脉冲放大系统和基于多通腔的滤波系统组成，并无复杂的光学元件，结构简单，占用空间较小，结构紧凑。
④高能量激光产生系统采用的多通腔具有比较大通光孔径，使得其对入射光脉冲的指向稳定性和光束质量等参数要求不高。
⑤通过调节多通腔的结构，可以在较高的能量下保证近基模的输出，实现高光束质量的输出。
⑥可通过旋转偏振分束器15前的第二半波片14，调节实际耦合到多通腔的输入功率，同时，可通过调节多通腔的参数(第一凹面镜162和第二凹面镜163之间的距离，第二熔融石英18的厚度、个数和所处位置等)来对耦合输出光脉冲的功率和波长范围进行一定调谐，即高能量激光产生系统可灵活调节以满足不同的需求，通用性和实用性高。
优化的：高能量激光产生系统还设置有用于调制光脉冲的相位和振幅的调制器3；调制器3的输入端与展宽组件2的输出端对应，输出端与第一放大组件的输入端对应。因为自相位调制不仅与入射光脉冲的峰值密度有关，也与入射光脉冲的时域波形有关，通过增设调制器3对单个光脉冲进行相位和振幅的选择性调制，可以改变其脉冲的时域波形。根据文献调研和初步仿真，时域波形为三角波形和锯齿波形等，频谱展宽效果更好，即转化效率更高，支持更大范围的波长调谐。相较于没有设置调制器3的系统，滤出所需光谱的功率更高。
示例性的，调制器3为相位整形器，其输入端对准色散位移光纤的输出端，以让经色散位移光纤展宽后的光脉冲可准确射入相位整形器，其输出端对准波分复用器42的第二输入端，以让经相位整形器调制后的光脉冲准确射入波分复用器42。
优化的：高能量激光产生系统还设置有激光脉冲选择器5和第二放大组件；第二放大组件用于对光脉冲进行功率放大；激光脉冲选择器5的输入端与第一放大组件的输出端对应，输出端与第二放大组件的输入端对应；第二放大组件的输出端与第一半波片8的输出端对应。激光脉冲选择器5的作用是选频，可根据实际需要来决定是否降低脉冲重复频率和大小。受限于自聚焦效应，对于高重频脉冲而言，其单脉冲能量较低，而一些应用需要能量较高的单脉冲，又因脉冲平均功率等于脉冲重复频率和单脉冲能量的乘积，所以可通过激光脉冲选择器5来降低经第一放大组件一次放大后的高重频光脉冲的脉冲重复频率，从而提高单脉冲能量，以满足实际需求。由于进行了降频处理，脉冲功率会大幅度下降，因此需要对光脉冲进行再次放大，所以增设了第二放大组件对从激光脉冲选择器5射出的光脉冲进行二次放大，以让光脉冲具备所需功率。
示例性的：激光脉冲选择器5为声光调制器，其输入端与第二掺铒增益光纤43的输出端对准，以让从第二掺铒增益光纤43射出的光脉冲可准确射入，其输出端对准耦合器62的第二输入端，以让从激光脉冲选择器5射出的光脉冲可准确射入耦合器62。
第二放大组件的一种优选实施方式：第二放大组件包括第一半导体泵浦源61、耦合器62和第一掺铒增益光纤63；耦合器62的第一输入端与通过光纤与第一半导体泵浦源61的输出端连接，耦合器62的第二输入端与激光脉冲选择器5的输出端对应，输出端与第一掺铒增益光纤63的输入端对应；第一掺铒增益光纤63的输出端与第一半波片8的输入端对应。
优化的：高能量激光产生系统还设置有第一反射镜7、第二反射镜10和第三反射镜13；第一反射镜7的输入端与第二放大组件的输出端对应，输出端与第一半波片8的输入端对应，即从第二放大组件射出的光脉冲经第一反射镜7反射射入第一半波片8；第二反射镜10的输入端与隔离器9的输出端对应，输出端与双色镜11的输入端对应，即从隔离器9射出的光脉冲经第二反射镜10反射射入双色镜11；第三反射镜13的输入端与双色镜11的第二输出端对应，输出端与第二半波片14的输入端对应，即从压缩组件12射出的光脉冲经双色镜11后射入第三反射镜13被反射射入第二半波片14。如此，通过设置多个反射镜改变光脉冲的传播方向，从而可将系统的各个器件进行合理放置，提高空间利用率，减小系统的占用空间，使系统更紧凑。
示例性的：第一反射镜7的反射点同时与第一掺铒增益光纤63的输出端和第一半波片8的输入端对应，从而可将从第一掺铒增益光纤63射出的光脉冲反射进第一半波片8；第二反射镜10的反射点同时与隔离器9的输出端和双色镜11其中一个镜面的入射点对应，从而可将从隔离器9射出的光脉冲反射至双色镜11；第三反射镜13同时与双色镜11另一个镜面的入射点和第二半波片14的输入端对应，从而可将从光栅对射出后经双色镜11反射至第三反射镜13的光脉冲反射进第二半波片14。
第一放大组件的一种优选实施方式：第一放大组件包括第二半导体浦源、波分复用器42和第二掺铒增益光纤43；波分复用器42的第一输入端通过光纤与第二半导体泵浦源41的输出端连接，以让第二半导体泵浦源41产出的光脉冲通入波分复用器42，波分复用器42的第二输入端与展宽组件2的输出端对应，以让从展宽组件2射出的光脉冲通入波分复用器42与第二半导体泵浦源41产出的光脉冲进行合成，波分复用器42的输出端与第二掺铒增益光纤43的输入端对应，以让从波分复用器42射出的光脉冲射入第二掺铒增益光纤43进行功率放大；第二掺铒增益光纤43的输出端与第一半波片8的输入端对应，以让从第二掺铒增益光纤43射出的光脉冲射入第一半波片8。
示例性的：当高能量激光产生系统设置有相位整形器、激光脉冲选择器5、第二放大组件和第一反射镜7时，波分复用器42的第二输入端与相位整形器的输出端对应，即从色散位移光纤射出的光脉冲经相位整形器调制后再射入波分复用器42；第二掺铒增益光纤43的输出端与声光调制器的输入端对准，以让从第二掺铒增益光纤43射出的光脉冲射入声光调制器进行降频；第一半波片8的输入端与第一反射镜7的反射点对应；如此，从第二掺铒增益光纤43射出的光脉冲依次经过声光调制器、耦合器62和第一掺铒增益光纤63后经第一反射镜7反射进第一半波片8。
优化的：高能量激光产生系统还设置有输入端与滤光片17的输出端对应的第一熔融石英164，即第一熔融石英164的输入端与滤光片17的输出端对应，以让从滤光片17射出的光脉冲射入第一熔融石英164，以补偿多通腔存在的少量负色散。
多通腔的一种优选实施方式：多通腔包括第一凹面镜162、第二凹面镜163、第四反射镜161和第五反射镜165；第一凹面镜162和第二凹面镜163的曲率半径R相同且平行共焦放置；第一凹面镜162和第二凹面镜163的间距为L，R＜L＜2R，如此设置可确保多通腔的稳定性(指光脉冲在腔中可以进行一定次数的反射)和实用性(指光脉冲在腔内每进行一次往返反射均可以积累一定量的非线性相移来实现频谱的展宽，同时不超过腔镜材料的损伤阈值)；第四反射镜161用于将光脉冲耦合进入，即用于将从偏振分束器15射出的光脉冲反射进入第一凹面镜162或第二凹面镜163的反射面；第五反射镜165用于将光脉冲耦合输出，即用于将在第一凹面镜162和第二凹面镜163之间往复反射多次后的光脉冲反射至滤光片17。光脉冲经第一凹面镜162和第二凹面镜163反射多次通过焦点，焦点附近光强较大发生非线性相互作用，从而进行频谱展宽。
进一步优化的：多通腔还包括设于第一凹面镜162和第二凹面镜163之间的第二熔融石英18，第二熔融石英18一般放置在第一凹面镜162和第二凹面镜163之间的中间区域，第二熔融石英18的厚度、个数和所处位置可根据入射光脉冲的实际参数来调整。通过设置第二熔融石英18作为非线性介质，提高了多通腔所能承载的单脉冲能量和脉冲峰值功率。需要说明的是，为了保证光脉冲在多通腔中受色散影响较小，需要每次光程中积累的净色散量为零，这就需要调节第一凹面镜162和第二凹面镜163的色散和第二熔融石英18的色散值相平衡。
示例性的：激光脉冲产生器1为掺饵琐模振荡器；第一半导体泵浦源61和第二半导体泵浦源41均为980nm半导体泵浦源；压缩组件12为光栅对。
实施例二
请参阅图1-7，本发明实施例提供的一种高能量激光产生方法，包括：
10、对光脉冲进行时域展宽，得到第一光脉冲；
请参阅图3，该步骤即啁啾脉冲放大技术中“拆”的过程，具体来说，激光脉冲产生器1产生的光脉冲射入展宽组件2后进行色散—光脉冲中不同波长的光束被分散开，光脉冲中低频成分走的路径要比高频成分短，即低频成分和高频成分存在光程差，光脉冲在时间上被拉宽，峰值功率得到降低，形成第一光脉冲。
20、对第一光脉冲进行功率放大，得到第二光脉冲；
该步骤即啁啾脉冲放大技术中“放大”的过程，具体来说，第一光脉冲的脉宽较长，峰值功率较低，因此可以提取更多的能量而不致使增益介质发生损伤，从展宽组件2射出的第一光脉冲射入第一放大组件，第一放大组件中的增益介质对第一光脉冲进行功率放大，形成第二光脉冲。
30、对第二光脉冲进行时域压缩，得到第三光脉冲；
请参阅图6，该步骤即啁啾脉冲放大技术中“合”的过程，具体来说，第二光脉冲的能量较大，从第一放大组件射出的第二光脉冲依次经过第一半波片8、隔离器9和双色镜11后射入压缩组件12再次进行色散，压缩组件12的色散与展宽组件2的色散极性相反，即低频成分与高频成分的光程差与步骤10中的光程差正好相反，第二光脉冲中的啁啾可被部分或全部补偿，此时，第二光脉冲被压缩成设定脉宽，脉冲峰值功率得到极大的提高，形成第三光脉冲。
40、对第三光脉冲进行功率调节后再进行频谱展宽，得到第四光脉冲；
请参阅图7，图中具有一定时域形状且波长为1.55μm的飞秒脉冲耦合进多通腔，因自相位调制效应(SPM)光脉冲的频谱得到展宽，展宽至1.7μm附近。因第三光脉冲的波长不属于目标波长，该步骤通过多通腔对第三光脉冲进行频谱展宽，从压缩组件12射出的第三光脉冲依次经过第二半波片14和偏振分束器15后射入多通腔，被频谱展宽形成波长覆盖目标波长的第四光脉冲。
50、对第四光脉冲进行过滤，得到第五光脉冲。
该步骤的目的是从第四光脉冲中滤出目标波长的光脉冲，即从多通腔射出的第四光脉冲射入滤光片17，从滤光片17射出第五光脉冲，具体来说，从滤光片17射出的第五光脉冲为1700nm波段附近的光脉冲。
优化的：请参阅图4，在执行步骤10之后，执行步骤20之前还需对第一光脉冲进行相位和振幅的调制，即让从展宽组件2射出的第一光脉冲先射入调制器3进行相位和振幅调制，改变第一光脉冲的时域波形，以获得更好的频谱展宽效果和更大范围的波长调谐，然后再将时域波形被改变的第一光脉冲射入第一放大组件进行放大。
优化的：请参阅图5，在执行步骤20之后，执行步骤30之前还需对第二光脉冲进行降频处理，然后进行功率放大，即让从第一放大组件射出的第二光脉冲射入激光脉冲选择器5进行降频处理后再射入第二放大组件再次进行功率放大。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅对高能量激光产生方法作了简略说明，具体执行时可以参考实施例一中对高能量激光产生系统的详细描述。
实施例三
本发明实施例提供的一种成像系统包括高能量激光产生系统，该高能量激光产生系统的具体结构参照实施例一，由于成像系统采用了实施例一中的全部技术方案，因此至少具有实施例一的技术方案所带来的有益效果，在此不再一一赘述。
示例性：通过高能量激光产生系统生成波段为1700nm的高能量飞秒激光为多光子显微成像提供光子，即构成了基于高能量激光产生系统的多光子显微成像系统。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (15)

1.一种高能量激光产生系统，其特征在于，包括：
激光脉冲产生器、展宽组件、第一放大组件、第一半波片、隔离器、双色镜、压缩组件、第二半波片、偏振分束器、多通腔和滤光片；
所述展宽组件用于对光脉冲进行时域展宽；
所述压缩组件用于对所述光脉冲进行时域压缩；
所述第一放大组件用于对所述光脉冲进行功率放大；
所述激光脉冲产生器的输出端与所述展宽组件的输入端对应，所述展宽组件的输出端与所述第一放大组件的输入端对应，所述第一放大组件的输出端与所述第一半波片的输入端对应，所述第一半波片的输出端与所述隔离器的输入端对应，所述隔离器的输出端与所述双色镜的输入端对应，所述双色镜的第一输出端与所述压缩组件的输入端对应，所述双色镜的第二输出端与所述第二半波片的输入端对应，所述第二半波片的输出端与所述偏振分束器的输入端对应，所述偏振分束器的输出端与所述多通腔的输入端对应；所述多通腔的输出端与所述滤光片的输入端对应。
2.根据权利要求1所述的一种高能量激光产生系统，其特征在于，还包括：用于调制所述光脉冲的相位和振幅的调制器；
所述调制器的输入端与所述展宽组件的输出端对应，输出端与所述第一放大组件的输入端对应。
3.根据权利要求1所述的一种高能量激光产生系统，其特征在于，还包括：激光脉冲选择器和第二放大组件；
所述第二放大组件用于对所述光脉冲进行功率放大；
所述激光脉冲选择器的输入端与所述第一放大组件的输出端对应，输出端与所述第二放大组件的输入端对应；
所述第二放大组件的输出端与所述第一半波片的输出端对应。
4.根据权利要求3所述的一种高能量激光产生系统，其特征在于：
所述第二放大组件包括第一半导体泵浦源、耦合器和第一掺铒增益光纤；
所述耦合器的第一输入端与所述第一半导体泵浦源的输出端连接，第二输入端与所述激光脉冲选择器的输出端对应，输出端与所述第一掺铒增益光纤的输入端对应；
所述第一掺铒增益光纤的输出端与所述第一半波片的输入端对应。
5.根据权利要求3任一项所述的一种高能量激光产生系统，其特征在于，还包括：第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜；
所述第一反射镜的输入端与所述第二放大组件的输出端对应，输出端与所述第一半波片的输入端对应；
所述第二反射镜的输入端与所述隔离器的输出端对应，输出端与所述双色镜的输入端对应；
所述第三反射镜的输入端与所述双色镜的第二输出端对应，输出端与所述第二半波片的输入端对应。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种高能量激光产生系统，其特征在于：
所述第一放大组件包括第二半导体浦源、波分复用器和第二掺铒增益光纤；
所述波分复用器的第一输入端与所述第二半导体泵浦源的输出端连接，第二输入端与所述展宽组件的输出端对应，输出端与所述第二掺铒增益光纤的输入端对应；
所述第二掺铒增益光纤的输出端与所述第一半波片的输入端对应。
7.根据权利要求1至5任一项所述的一种高能量激光产生系统，其特征在于，还包括：输入端与所述滤光片的输出端对应的第一熔融石英。
8.根据权利要求1至5任一项所述的一种高能量激光产生系统，其特征在于：
所述多通腔包括第一凹面镜、第二凹面镜、第四反射镜和第五反射镜；
所述第一凹面镜和所述第二凹面镜的曲率半径R相同且平行共焦放置；
所述第一凹面镜和所述第二凹面镜的间距为L，R＜L＜2R；
所述第四反射镜用于将所述光脉冲耦合进入；
所述第五反射镜用于将所述光脉冲耦合输出。
9.根据权利要求8所述的一种高能量激光产生系统，其特征在于：
所述多通腔还包括设于所述第一凹面镜和所述第二凹面镜之间的第二熔融石英。
10.根据权利要求1至5任一项所述的一种高能量激光产生系统，其特征在于：
所述压缩组件为光栅对或棱栅。
11.根据权利要求1至5任一项所述的一种高能量激光产生系统，其特征在于：
所述展宽组件为色散位移光纤或光栅对展宽器。
12.一种高能量激光产生方法，其特征在于，包括：
对光脉冲进行时域展宽，得到第一光脉冲；
对所述第一光脉冲进行功率放大，得到第二光脉冲；
对所述第二光脉冲进行时域压缩，得到第三光脉冲；
对所述第三光脉冲进行功率调节后再进行频谱展宽，得到第四光脉冲；
对所述第四光脉冲进行过滤，得到第五光脉冲。
13.根据权利要求12所述的一种高能量激光产生方法，其特征在于，对光脉冲进行时域展宽之后，对所述第一光脉冲进行功率放大之前，还包括：
对所述第一光脉冲进行相位和振幅的调制。
14.根据权利要求12所述的一种高能量激光产生方法，其特征在于，对所述第一光脉冲进行功率放大之后，对所述第二光脉冲进行时域压缩之前，还包括：
对所述第二光脉冲进行降频处理，然后进行功率放大。
15.一种成像系统，其特征在于，包括：
如权利要求1至11任一项所述的一种高能量激光产生系统。
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