CN117254334A - 基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于飞秒激光技术领域，涉及一种基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成系统及方法，生成系统包括：种子激光源，基于全保偏掺铒光纤形成，用于产生种子脉冲；脉冲啁啾放大器，基于全保偏光纤和全保偏掺铒光纤形成，与种子激光源连接，用于对种子脉冲进行啁啾和放大处理，以获取放大脉冲；色散补偿器，基于具有负色散的全保偏光纤形成，与脉冲啁啾放大器连接，用于对放大脉冲中的正色散进行补偿，以获取补偿脉冲；脉冲压缩器，基于全保偏高非线性光纤形成，与色散补偿器连接，用于对补偿脉冲进行压缩，以获取单周期飞秒激光。本申请能够提高单周期飞秒激光生成系统的鲁棒性和转换效率，并生成飞秒级且具有高重复频率的单周期飞秒激光。

Description

基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成系统及方法

技术领域

本申请涉及飞秒激光技术领域，具体而言，涉及一种基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成系统以及一种基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成方法。

背景技术

单周期飞秒激光器能够输出超短脉冲，是探索光与物质相互作用（例如探测价带电子运动、研究电子动力学）的重要工具。同时，单周期飞秒激光器作为飞秒光梳的激光源，促进了阿秒激光技术和任意波形产生等超快科学的飞跃式发展，因此，发展单周期飞秒激光器具有重要的科学研究和应用价值。

目前，获取单周期飞秒激光源的方法包括基于钛宝石激光器的色散补偿技术、激光成丝、参量放大、基于硅块状光纤传导技术和相干脉冲合成等，但该些方法均存在需要耗费大量的空间光路、需进行精细调节和系统维护、系统鲁棒性低等问题，严重限制了单周期飞秒激光的生成系统的使用范围，另外上述这些方法主要针对低重复频率（小于50MHz）的激光器，不适用于高精密飞秒光梳系统的应用。针对系统鲁棒性低的问题，现有技术尝试采用全光纤结构将掺铒光纤飞秒激光的波长从1.5μm拓展到2μm附近，获得了1.4周期的脉冲，该方案虽然解决了系统鲁棒性低的问题，但是又引入了功耗高、散热效果差的问题。

因此，需要提供一种新的基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成系统及方法。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本申请的目的在于提供一种基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成系统及一种基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的系统结构复杂、鲁棒性差、功耗高、散热差、转换效率低等问题。

根据本申请的一个方面，提供一种基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成系统，包括：

种子激光源，所述种子激光源基于全保偏掺铒光纤形成，用于产生种子脉冲；

脉冲啁啾放大器，所述脉冲啁啾放大器基于全保偏光纤和全保偏掺铒光纤形成，与所述种子激光源连接，用于对所述种子脉冲进行啁啾和放大处理，以获取放大脉冲；

色散补偿器，所述色散补偿器基于具有负色散特性的全保偏光纤形成，与所述脉冲啁啾放大器连接，用于对所述放大脉冲中的正色散进行补偿，以获取补偿脉冲；

脉冲压缩器，所述脉冲压缩器基于全保偏高非线性光纤形成，与所述色散补偿器连接，用于对所述补偿脉冲进行压缩，以获取单周期飞秒激光。

在本申请的示例性实施例中，所述脉冲啁啾放大器包括脉冲啁啾器和脉冲放大器，其中，所述脉冲啁啾器用于对所述种子脉冲进行展宽处理，以获取展宽脉冲，所述脉冲放大器用于对所述展宽脉冲进行放大处理，以获取所述放大脉冲。

在本申请的示例性实施例中，所述脉冲放大器包括依次连接的前置泵浦激光源、第一波分复用器、增益光纤、第二波分复用器和后置泵浦激光源；或者，所述脉冲放大器包括依次连接的第一波分复用器、增益光纤、第二波分复用器和两个后置泵浦激光源。

在本申请的示例性实施例中，所述脉冲啁啾器由中心波长为1550nm的全保偏光纤形成，所述第一波分复用器和所述第二波分复用器由具有负色散特性且中心波长为1550nm的全保偏光纤形成，所述增益光纤由具有正色散特性的全保偏掺铒光纤形成。

在本申请的示例性实施例中，所述种子激光源为9字形全保偏掺铒光纤激光器，重复频率大于或等于100MHz；所述色散补偿器由具有负色散特性且中心波长为1550nm的全保偏光纤形成，所述补偿脉冲的色散为零。

在本申请的示例性实施例中，所述脉冲压缩器为脉冲自压缩器，形成所述脉冲压缩器的全保偏高非线性光纤的纤芯为椭圆形或者圆形；所述全保偏高非线性光纤的非线性系数与群速度色散的比值大于1000，所述全保偏高非线性光纤中传输的孤子数小于1.5；所述单周期飞秒激光的脉冲宽度大于或等于5fs且小于10fs。

根据本申请的一个方面，提供了一种基于全保偏光纤的单周期飞秒激光信号的生成方法，应用于上述实施例中的基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成系统，包括：

通过所述种子激光源产生种子脉冲；

通过所述脉冲啁啾放大器对所述种子脉冲进行啁啾和放大处理，以获取放大脉冲；

通过所述色散补偿器对所述放大脉冲中的正色散进行补偿，以获取补偿脉冲；

通过所述脉冲压缩器对所述补偿脉冲进行自压缩，以获取所述单周期飞秒激光。

在本申请的示例性实施例中，所述脉冲啁啾放大器包括脉冲啁啾器和脉冲放大器，所述脉冲放大器包括依次连接的前置泵浦激光源、第一波分复用器、增益光纤、第二波分复用器和后置泵浦激光源；

所述通过所述脉冲啁啾放大器对所述种子脉冲进行啁啾和放大处理，以获取放大脉冲，包括：

通过所述脉冲啁啾器对接收到的所述种子脉冲进行展宽，以获取展宽脉冲；

通过所述第一波分复用器接收所述展宽脉冲和所述前置泵浦激光源生成的第一泵浦光，并将所述展宽脉冲和所述第一泵浦光发送至所述增益光纤；

通过所述第二波分复用器接收所述后置泵浦激光源生成的第二泵浦光，并将所述第二泵浦光发送至所述增益光纤；

通过所述增益光纤在所述第一泵浦光和所述第二泵浦光的作用下对所述展宽脉冲进行功率放大，以获取所述放大脉冲。

在本申请的示例性实施例中，所述脉冲啁啾放大器包括脉冲啁啾器和脉冲放大器，所述脉冲放大器包括依次连接的第一波分复用器、增益光纤、第二波分复用器和两个后置泵浦激光源；

所述通过所述脉冲啁啾放大器对所述种子脉冲进行啁啾和放大处理，以获取放大脉冲，包括：

通过所述脉冲啁啾器对接收到的所述种子脉冲进行展宽，以获取展宽脉冲；

通过所述第一波分复用器接收所述展宽脉冲，并将所述展宽脉冲发送至所述增益光纤；

通过所述第二波分复用器接收所述两个后置泵浦激光源生成的第一泵浦光和第二泵浦光，并将所述第一泵浦光和所述第二泵浦光发送至所述增益光纤；

通过所述增益光纤在所述第一泵浦光和所述第二泵浦光的作用下对所述展宽脉冲进行功率放大，以获取所述放大脉冲。

在本申请的示例性实施例中，所述通过所述色散补偿器对所述放大脉冲中的正色散进行补偿，以获取补偿脉冲，包括：

通过所述色散补偿器中具有负色散特性的全保偏光纤对所述放大脉冲中的正色散进行补偿直至色散为零，以获取脉冲宽度达到傅里叶变换极限的所述补偿脉冲。

本申请中的基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成系统包括种子激光源、脉冲啁啾放大器、色散补偿器和脉冲压缩器，种子激光源基于全保偏掺铒光纤形成，用于产生种子脉冲；与种子激光源连接的脉冲啁啾放大器基于全保偏光纤和全保偏掺铒光纤形成，用于对种子脉冲进行啁啾和放大处理，以获取放大脉冲；与脉冲啁啾放大器连接的色散补偿器基于具有负色散特性的全保偏光纤形成，用于对放大脉冲中的正色散进行补偿，以获取补偿脉冲；与色散补偿器连接的脉冲压缩器基于全保偏高非线性光纤形成，用于对补偿脉冲进行压缩，以获取单周期飞秒激光。本申请中的单周期飞秒激光的生成系统一方面具有简单的光路结构，因而具有较好的散热性能，并且不需要进行精细调节和维护；另一方面由于系统是由全保偏光纤形成的，因此具有优异的鲁棒性，并且在生成单周期飞秒激光时，无需对波长进行拓展，进而能够避免功率损耗、提高功率转换效率，生成高能量单周期飞秒激光。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本说明书的实施例，并与说明书一起用于解释本说明书的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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示意性示出本申请中基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成系统的结构示意图；

图2示意性示出本申请中基于全保偏掺铒光纤的种子激光源的结构示意图；

图3示意性示出本申请中基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成方法的流程示意图；

图4示出了本申请中色散补偿器输出的补偿脉冲的自相关图；

图5示出了本申请中脉冲压缩器输出的单周期飞秒激光的自相关图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本申请将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本申请的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本申请的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本申请的各方面变得模糊。

此外，附图仅为本申请的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

本申请提供了一种基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成系统，图1示出了基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成系统的结构示意图，如图1所示，基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成系统包括种子激光源101、脉冲啁啾放大器102、色散补偿器103和脉冲压缩器104，具体地，种子激光源101用于产生种子脉冲S1；脉冲啁啾放大器102与种子激光源101连接，用于对种子脉冲S1进行啁啾和放大处理，以获取放大脉冲S2；色散补偿器103与脉冲啁啾放大器102连接，用于对放大脉冲S2中的正色散进行中和，以获取补偿脉冲S3；脉冲压缩器104与色散补偿器103连接，用于对补偿脉冲S3进行压缩，以获取单周期飞秒激光S4。

在本申请的示例性实施例中，种子激光源101为基于全保偏掺铒光纤形成的全保偏光纤激光器，种子激光源101产生的激光脉冲的重复频率大于或等于100MHz，例如可以为200MHz，等等。从结构上而言，种子激光源101可以为基于全保偏掺铒光纤形成的环形锁模全保偏光纤激光器，例如为基于全保偏掺铒光纤构成的“9”字形全保偏光纤激光器、“8”字形全保偏光纤激光器等等，本申请实施例对此不作具体限定。

图2示意性示出了基于全保偏掺铒光纤的种子激光源的结构示意图，如图2所示，种子激光源101包括全保偏掺铒光纤201、前置泵浦激光源202、波分复用器203、分束器204、反射镜205和隔离器206，前置泵浦激光源202产生泵浦光，该泵浦光经波分复用器203输入到全保偏掺铒光纤201中，产生信号光，信号光经分束器204进入到反射镜205后产生反射光，反射光再经分束器204进入由全保偏掺铒光纤201和波分复用器203组成的环形腔中，在泵浦光的作用下生成种子脉冲，该种子脉冲经隔离器206输入到脉冲啁啾放大器102中。

在本申请的示例性实施例中，脉冲啁啾放大器102包括脉冲啁啾器102-1和脉冲放大器102-2，脉冲啁啾器102-1用于对种子脉冲S1进行展宽处理，生成展宽脉冲S5，脉冲放大器102-2用于对展宽脉冲S5进行放大处理，生成放大脉冲S2。

进一步地，脉冲放大器102-2根据对展宽脉冲S5不同的泵浦方式具有不同的组成。通常采用前向泵浦、后向泵浦、前向泵浦结合后向泵浦，等方式对脉冲进行泵浦放大，其中前向泵浦具有效率高、噪声高的特点，后向泵浦具有效率低、噪声低的特点，而放大脉冲时，噪声是最主要的影响因素，因此在本申请的实施例中，优选采用前向泵浦结合后向泵浦，以及后向泵浦的方式对展宽脉冲S5进行脉冲放大。当采用前向泵浦结合后向泵浦的方式进行脉冲放大时，如图1所示，脉冲放大器102-2包括依次连接的前置泵浦激光源FL、第一波分复用器WDM1、增益光纤AF、第二波分复用器WDM2和后置泵浦激光源BL；当采用后向泵浦的方式进行脉冲放大时，脉冲放大器102-2包括依次连接的第一波分复用器WDM1、增益光纤AF、第二波分复用器WDM2和两个并行设置的后置泵浦激光源BL。

在本申请的示例性实施例中，脉冲啁啾放大器102是基于全保偏光纤和全保偏掺铒光纤形成的，具体地，增益光纤AF采用全保偏掺铒光纤形成，同时，脉冲啁啾器102-1、第一波分复用器WDM1和第二波分复用器WDM2均采用中心波长为1550nm的全保偏光纤形成。进一步地，由于全保偏掺铒光纤形成的增益光纤AF具有正色散特性，为了保证系统内的色散稳定性，第一波分复用器WDM1和第二波分复用器WDM2可以由具有负色散特性且中心波长为1550nm的全保偏光纤形成。另外，在本申请的实施例中，前置泵浦激光源FL和后置泵浦激光源BL生成的泵浦光的中心波长为980nm，功率为1W，相应地，可以采用980nm/1550nm的波分复用器作为第一波分复用器WDM1和第二波分复用器WDM2。

当采用不同的泵浦方式对展宽脉冲S5进行放大时，放大逻辑存在些许不同，具体而言：

当采用前向泵浦结合后向泵浦的方式进行脉冲放大时，脉冲啁啾器102-1将展宽脉冲S5发送至第一波分复用器WDM1的第一端口P11，同时前置泵浦激光源FL将生成的第一泵浦光发送至第一波分复用器WDM1的第二端口P12，然后通过第一波分复用器WDM1传输展宽脉冲S5和第一泵浦光，并通过第三端口P13输出至增益光纤AF，后置泵浦激光源BL将生成的第二泵浦光通过第二波分复用器WDM2的第二端口P22输入至第二波分复用器WDM2，并通过第二波分复用器WDM2的第一端口P21输出至增益光纤AF，增益光纤AF接收第一泵浦光、第二泵浦光和展宽脉冲S5，在第一泵浦光和第二泵浦光的作用下，增益光纤发生粒子数反转，展宽脉冲S5诱导受激辐射发生，展宽脉冲被放大生成中心波长位于增益光纤增益带宽内的放大脉冲S2，进一步地，放大脉冲S2通过第二波分复用器WDM2的第一端口P21输入至第二波分复用器WDM2，并通过第三端口P23输出至色散补偿器103。

当采用后向泵浦的方式进行脉冲放大时，脉冲啁啾器102-1将展宽脉冲S5直接发送至增益光纤AF，两个后置泵浦激光源BL将生成的第一泵浦光和第二泵浦光通过第二波分复用器WDM2的第二端口P22和第三端口P23输入至第二波分复用器WDM2，并通过第二波分复用器WDM2的第一端口P21输出至增益光纤AF，增益光纤AF接收第一泵浦光、第二泵浦光和展宽脉冲S5，在第一泵浦光和第二泵浦光的作用下，增益光纤发生粒子数反转，展宽脉冲S5诱导受激辐射发生，展宽脉冲被放大生成中心波长位于增益光纤增益带宽内的放大脉冲S2，进一步地，放大脉冲S2通过第二波分复用器WDM2的第一端口P21输入至第二波分复用器WDM2，并通过第三端口P23输出至色散补偿器103。

值得注意的是，脉冲放大过程中的高阶色散量，例如三阶色散、四阶色散等，是抑制脉冲压缩器获取单周期脉冲的主要因素，因此为了保证脉冲压缩器输出单周期飞秒脉冲激光，可以对增益光纤AF的长度进行优化，以降低高阶色散的影响。通常，在保证放大功率的条件下，通过缩短增益光纤AF的长度以降低高阶色散的影响，但想要实现对脉冲进行放大的效果，脉冲放大器102-2需要具有较高的能量，因此在缩短增益光纤AF长度的同时需要提高增益光纤AF的吸收系数，以保证脉冲放大器102-2既能对展宽脉冲进行放大又能降低高阶色散，鉴于此，在本申请的实施例中，可以采用吸收系数为80dB/m或者更高的具有正色散特性的全保偏掺铒光纤形成增益光纤AF。

在本申请的示例性实施例中，色散补偿器103可以是采用具有负色散特性的全保偏光纤形成的，具体地，可以由具有负色散特性且中心波长为1550nm的全保偏光纤形成。由于脉冲啁啾放大器102输送至色散补偿器103的放大脉冲S2中携带有正色散，而色散补偿器103具有负色散，因此可以通过色散补偿器103对放大脉冲携带的正色散进行中和，将放大脉冲携带的色散中和至零或者接近零，以获得具有高功率、脉冲宽度达到傅里叶变换极限的补偿脉冲S3，为通过脉冲压缩器104压缩脉冲形成单周期飞秒脉冲奠定基础。

在本申请的示例性实施例中，脉冲压缩器104可以是由全保偏高非线性光纤形成的脉冲自压缩器，用于将色散补偿器103输出的补偿脉冲压缩为单周期脉冲。在本申请的实施例中，可以通过控制脉冲压缩器中传输的孤子数保证单周期飞秒脉冲的生成，考虑到孤子数除了与初始输入的种子脉冲的脉冲宽度和峰值功率相关，还要求全保偏高非线性光纤的非线性系数与群速度色散之比足够大，例如对于初始输入的脉冲宽度为49fs、峰值功率为50kW的种子脉冲来说，要想保证单周期的脉冲输出，全保偏高非线性光纤的非线性系数与群速度色散之比需要大于1.5×10^-24，因此在本申请的实施例中，可以将形成脉冲压缩器104的全保偏高非线性光纤中非线性系数与群速度色散的比值可以设置为大于1000，传输的孤子数设置为小于1.5，以提高生成单周期飞秒激光的效果。进一步地，本申请实施例中形成脉冲压缩器的全保偏高非线性光纤的纤芯可以是椭圆形或者圆形，以提高非线性效应，当纤芯为圆形时，纤芯直径约为3.6~4.2μm，当纤芯为椭圆形时，其纤芯形状接近圆形，因此也可以采用直径约为3.6~4.2μm的椭圆形纤芯作为该全保偏高非线性光纤的纤芯，当然还可以采用其它直径或者其它形状的纤芯作为全保偏高非线性光纤的纤芯，本申请实施例对此不作具体限定。

在本申请的示例性实施例中，通过脉冲压缩器104对补偿脉冲S3进行压缩形成的单周期飞秒激光的脉冲宽度大于或等于5fs且小于10fs。

在本申请的示例性实施例中，种子激光源101中的全保偏掺铒光纤、前置泵浦激光源、波分复用器、分束器、隔离器和反射镜之间可以通过光纤熔接的方式实现连接，脉冲啁啾放大器102中的脉冲啁啾器、第一波分复用器、增益光纤、第二波分复用器和泵浦激光源之间也可以通过光纤熔接的方式实现连接，进一步地，种子激光源101中的隔离器与脉冲啁啾放大器102中的脉冲啁啾器之间、脉冲啁啾放大器102中的第二波分复用器和色散补偿器103之间，以及色散补偿器103和脉冲压缩器104之间也可以通过光纤熔接的方式实现连接，这样可以保证用于生成单周期飞秒激光的系统是一个全保偏光纤系统，进一步提高了系统性能。

本申请实施例中的基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成系统，一方面，由于系统是采用全保偏光纤搭建而成的，并且整个系统的结构简单，因此系统的鲁棒性高，维护成本低，可以广泛应用于不同的使用场景中；另一方面，系统中所采用的光纤都是中心波长为1550nm的全保偏光纤或者全保偏掺铒光纤，因此在进行脉冲变换时，无需将全保偏掺铒光纤的波长先扩展至2000nm然后再缩小至1550nm，而是直接在掺铒光纤的增益峰1550nm附近进行脉冲变换，功率转换效率达到12%，避免了能量损失，相较于现有方法中的功率转换效率，本申请实施例中基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成系统的功率转换效率提高了百倍以上。

本申请还提供了一种基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成方法，该方法是基于上述实施例中的基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成系统实现的，图3示出了该方法的流程示意图，如图3所示：

步骤S310，通过种子激光源产生种子脉冲；

步骤S320，通过脉冲啁啾放大器对所述种子脉冲进行啁啾和放大处理，以获取放大脉冲；

步骤S330，通过色散补偿器对所述放大脉冲中的正色散进行补偿，以获取补偿脉冲；

步骤S340，通过脉冲压缩器对所述补偿脉冲进行压缩，以获取所述单周期飞秒激光。

接下来，基于图1所示的基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成系统的架构示意图，对本申请实施例中基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成方法进行详细说明。

在步骤S310中，通过种子激光源产生种子脉冲。

在本申请的示例性实施例中，种子激光源101具体为基于全保偏掺铒光纤构成的环形锁模全保偏光纤激光器，其可以基于非线性放大环形镜锁模机制实现种子脉冲输出，该锁模机制能够保证全保偏光纤条件下的自动锁模。

在步骤S320中，通过脉冲啁啾放大器对所述种子脉冲进行啁啾和放大处理，以获取放大脉冲。

在本申请的示例性实施例中，脉冲啁啾放大器接收到种子脉冲后，首先通过脉冲啁啾器对种子脉冲进行展宽，生成展宽脉冲，以降低种子脉冲的脉冲峰值功率，接着通过脉冲放大器对展宽脉冲进行放大，生成放大脉冲，以放大展宽脉冲的脉冲能量。在生成放大脉冲时，可以通过前向泵浦结合后向泵浦的方式进行放大，也可以通过后向泵浦的方式进行放大。

当采用前向泵浦结合后向泵浦的方式进行放大时，首先通过第一波分复用器接收脉冲啁啾器输出的展宽脉冲和前置泵浦激光源输出的第一泵浦光，并将展宽脉冲和第一泵浦光传输至增益光纤，接着通过第二波分复用器接收后置泵浦激光源输出的第二泵浦光，并将第二泵浦光传输至增益光纤，然后在第一泵浦光和第二泵浦光作用下对展宽脉冲进行功率放大，生成放大脉冲。

当采用后向泵浦的方式进行放大时，首先通过第一波分复用器接收脉冲啁啾器输出的展宽脉冲，并将展宽脉冲传输至增益光纤，接着通过第二波分复用器接收两个后置泵浦激光源输出的第一泵浦光和第二泵浦光，并将第一泵浦光和第二泵浦光传输至增益光纤，然后在第一泵浦光和第二泵浦光的作用下对展宽脉冲进行功率放大，生成放大脉冲。

在步骤S330中，通过色散补偿器对所述放大脉冲中的正色散进行补偿，以获取补偿脉冲。

在本申请的示例性实施例中，脉冲放大器中的增益光纤由具有正色散特性的全保偏掺铒光纤组成，虽然波分复用器由具有负色散特性的全保偏光纤组成，但是脉冲放大器输出的放大脉冲仍携带有正色散，为了保证后续对脉冲进行压缩得到单周期飞秒激光，需要对放大脉冲中的正色散进行补偿，因此本申请实施例中采用具有负色散特性的全保偏光纤形成色散补偿器，对放大脉冲中的正色散进行补偿，以获取补偿脉冲，该补偿脉冲的色散为零或者接近零，并且其脉冲宽度达到傅里叶变换极限。

在步骤S340中，通过脉冲压缩器对所述补偿脉冲进行压缩，以获取所述单周期飞秒激光。

在本申请的示例性实施例中，色散补偿器对放大脉冲中的正色散进行中和补偿，得到色散为零或者接近零的脉冲，是实现将脉冲压缩为单周期脉冲的条件，进一步地，还需要对中和得到的补偿脉冲进行压缩，才能够得到单周期飞秒激光。在本申请的实施例中，可以通过脉冲压缩器对补偿脉冲进行压缩，以获取单周期飞秒激光，该脉冲压缩器由全保偏高非线性光纤形成，并且该全保偏高非线性光纤具体可以是非线性系数与群速度色散的比值大于1000且传输的孤子数小于1.5的全保偏高非线性光纤。在本申请实施例中，所生成的单周期飞秒激光的脉冲宽度大于或等于5fs且小于10fs。

在本申请的示例性实施例中，种子激光源生成种子脉冲后，首先通过脉冲啁啾器进行展宽，能够降低种子脉冲的脉冲峰值功率，防止后续采用脉冲放大器对脉冲进行放大时引入更多的非线性效应，导致脉冲变形，影响单周期飞秒激光的生成，接着通过脉冲放大器对展宽脉冲进行功率放大，以提高放大脉冲的脉冲能量，进而提高经色散中和后的补偿脉冲的脉冲能量、增加补偿脉冲在高非线性光纤形成的脉冲压缩器中的非线性效应，并提高脉冲在高非线性光纤中的峰值功率，为单周期飞秒激光的生成提供保障。

为了使本申请的技术方案更清晰，接下来以一具体实施例对本申请中基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成方法进行说明。

首先，采用以中心波长在1550nm的全保偏掺铒光纤所构成的“9”字形激光器作为种子激光源，该种子激光源的激光脉冲重复频率为200MHz，当泵浦激光功率为1800mW时，输出的种子脉冲的脉冲宽度为83fs。

接着，当种子脉冲进入脉冲啁啾放大器后，首先通过由中心波长为1550nm的全保偏光纤形成的脉冲啁啾器对种子脉冲进行展宽，形成展宽脉冲，接着通过由前置泵浦激光源、第一波分复用器、增益光纤、第二波分复用器和后置泵浦激光源构成的脉冲放大器对展宽脉冲进行放大，生成放大脉冲，其中前置泵浦激光源和后置泵浦激光源为脉冲功率为1W、脉冲波长为980nm的泵浦激光源，增益光纤采用吸收系数为80dB/m的全保偏掺铒光纤，通过脉冲放大器可以将展宽脉冲的功率由初始的10mW放大至400mW。

然后，将放大脉冲输入至由具有负色散特性且中心波长为1550nm的全保偏光纤形成的色散补偿器，进行色散中和，以获取补偿脉冲，该补偿脉冲的脉冲宽度为25fs，如图4所示。

最后，将补偿脉冲输入至由全保偏高非线性光纤形成的脉冲压缩器，进行脉冲压缩，以生成单周期飞秒激光，该单周期飞秒激光的脉冲宽度为7.4fs，如图5所示，并且该单周期飞秒激光具有高脉冲能量（大于2nJ）和高重复频率（200MHz）。

本申请的基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成系统，具有较强的鲁棒性，可以适用于较恶劣的工作环境中，并且系统架构简单，因此系统具有较高的散热效率和较低的系统功耗。另外，本申请的基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成方法，可以利用中心波长在1550nm附近的全保偏掺铒光纤所构建的种子激光源直接产生中心波长在1550nm附近的单周期飞秒脉冲激光，无需进行波长转换，因此具有较高的转换效率，并且能够输出高能量单周期飞秒激光，同时种子激光源是具有高重复频率的激光源，因此本申请中基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成方法适用于高重复频率激光器，是优良的飞秒光梳激光源，可以应用于任意需要单脉冲周期特性的应用场景中。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其他实施例。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求指出。

Claims (10)

1.一种基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成系统，其特征在于，包括：

种子激光源，所述种子激光源基于全保偏掺铒光纤形成，用于产生种子脉冲；

脉冲啁啾放大器，所述脉冲啁啾放大器基于全保偏光纤和全保偏掺铒光纤形成，与所述种子激光源连接，用于对所述种子脉冲进行啁啾和放大处理，以获取放大脉冲；

色散补偿器，所述色散补偿器基于具有负色散特性的全保偏光纤形成，与所述脉冲啁啾放大器连接，用于对所述放大脉冲中的正色散进行补偿，以获取补偿脉冲；

脉冲压缩器，所述脉冲压缩器基于全保偏高非线性光纤形成，与所述色散补偿器连接，用于对所述补偿脉冲进行压缩，以获取单周期飞秒激光。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脉冲啁啾放大器包括脉冲啁啾器和脉冲放大器，其中，所述脉冲啁啾器用于对所述种子脉冲进行展宽处理，以获取展宽脉冲，所述脉冲放大器用于对所述展宽脉冲进行放大处理，以获取所述放大脉冲。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述脉冲放大器包括依次连接的前置泵浦激光源、第一波分复用器、增益光纤、第二波分复用器和后置泵浦激光源；或者，所述脉冲放大器包括依次连接的第一波分复用器、增益光纤、第二波分复用器和两个后置泵浦激光源。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述脉冲啁啾器由中心波长为1550nm的全保偏光纤形成，所述第一波分复用器和所述第二波分复用器由具有负色散特性且中心波长为1550nm的全保偏光纤形成，所述增益光纤由具有正色散特性的全保偏掺铒光纤形成。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述种子激光源为9字形全保偏掺铒光纤激光器，重复频率大于或等于100MHz；所述色散补偿器由具有负色散特性且中心波长为1550nm的全保偏光纤形成，所述补偿脉冲的色散为零。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脉冲压缩器为脉冲自压缩器，形成所述脉冲压缩器的全保偏高非线性光纤的纤芯为椭圆形或者圆形；所述全保偏高非线性光纤的非线性系数与群速度色散的比值大于1000，所述全保偏高非线性光纤中传输的孤子数小于1.5；所述单周期飞秒激光的脉冲宽度大于或等于5fs且小于10fs。

7.一种基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成方法，应用于如权利要求1-6任一项所述的基于全保偏光纤的单周期飞秒激光的生成系统，其特征在于，包括：

通过所述种子激光源产生种子脉冲；

通过所述脉冲啁啾放大器对所述种子脉冲进行啁啾和放大处理，以获取放大脉冲；

通过所述色散补偿器对所述放大脉冲中的正色散进行补偿，以获取补偿脉冲；

通过所述脉冲压缩器对所述补偿脉冲进行压缩，以获取所述单周期飞秒激光。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述脉冲啁啾放大器包括脉冲啁啾器和脉冲放大器，所述脉冲放大器包括依次连接的前置泵浦激光源、第一波分复用器、增益光纤、第二波分复用器和后置泵浦激光源；

所述通过所述脉冲啁啾放大器对所述种子脉冲进行啁啾和放大处理，以获取放大脉冲，包括：

通过所述脉冲啁啾器对接收到的所述种子脉冲进行展宽，以获取展宽脉冲；

通过所述第一波分复用器接收所述展宽脉冲和所述前置泵浦激光源生成的第一泵浦光，并将所述展宽脉冲和所述第一泵浦光发送至所述增益光纤；

通过所述第二波分复用器接收所述后置泵浦激光源生成的第二泵浦光，并将所述第二泵浦光发送至所述增益光纤；

通过所述增益光纤在所述第一泵浦光和所述第二泵浦光的作用下对所述展宽脉冲进行功率放大，以获取所述放大脉冲。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述脉冲啁啾放大器包括脉冲啁啾器和脉冲放大器，所述脉冲放大器包括依次连接的第一波分复用器、增益光纤、第二波分复用器和两个后置泵浦激光源；

所述通过所述脉冲啁啾放大器对所述种子脉冲进行啁啾和放大处理，以获取放大脉冲，包括：

通过所述脉冲啁啾器对接收到的所述种子脉冲进行展宽，以获取展宽脉冲；

通过所述第一波分复用器接收所述展宽脉冲，并将所述展宽脉冲发送至所述增益光纤；

通过所述第二波分复用器接收所述两个后置泵浦激光源生成的第一泵浦光和第二泵浦光，并将所述第一泵浦光和所述第二泵浦光发送至所述增益光纤；

通过所述增益光纤在所述第一泵浦光和所述第二泵浦光的作用下对所述展宽脉冲进行功率放大，以获取所述放大脉冲。

10.根据权利要求7-9任一项所述的方法，其特征在于，所述通过所述色散补偿器对所述放大脉冲中的正色散进行补偿，以获取补偿脉冲，包括：

通过所述色散补偿器中具有负色散特性的全保偏光纤对所述放大脉冲中的正色散进行补偿直至色散为零，以获取脉冲宽度达到傅里叶变换极限的所述补偿脉冲。