CN118099904A - 基于双通型全光纤啁啾脉冲增幅方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双通型全光纤啁啾脉冲增幅方法及系统，涉及飞秒激光放大技术领域，包括将小信号光脉冲经双向泵浦高掺杂Yb增益光纤进行第一通放大得到一通光脉冲；再经第一保偏光纤耦合器进入光纤环路得到具有不同时间间隔的脉冲序列或者簇式脉冲序列后；经第一保偏光纤耦合器输入双向泵浦高掺杂Yb增益光纤进行第二通放大，得到二通光脉冲；将二通光脉冲输入大模场面积双包层掺镱光纤进行主放大，得到主放大光脉冲；将主放大光脉冲经高功率准直器输出光信号；光信号通过光学反射镜组进行脉宽压缩，反射回的光经介质镜输出，能够减小非线性效应，降低系统复杂程度和参数调控难度，并提升光束输出功率和质量。

Description

基于双通型全光纤啁啾脉冲增幅方法及系统
技术领域
本发明涉及飞秒激光放大技术领域，特别是涉及一种基于双通型全光纤啁啾脉冲增幅方法及系统。
背景技术
高功率超快光纤激光器具有光束质量好、散热性能佳、转换效率高、体积尺寸小等优势，在工业制造、国防军事及医疗检测等领域具有重要应用。
当前，高功率、大能量的飞秒激光可以由放大器对锁模振荡器直接输出的小信号光脉冲进行功率放大来实现，其中啁啾脉冲放大是提升脉冲激光峰值功率的最常用技术，其放大过程是先将飞秒脉冲展宽，然后放大，最后压缩回飞秒脉冲，从而获得极高的脉冲峰值功率，放大过程需要综合考虑放大效率、放大器的增益波长与信号光发射波长的匹配、放大过程中的非线性效应与ASE等问题，一般而言，啁啾脉冲放大系统需要依赖各级放大系统、脉冲展宽\压缩系统来获得高平均功率和高单脉冲能量，这会导致系统及其庞大和复杂复杂，降低了鲁棒性和抗环境干扰性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于双通型全光纤啁啾脉冲增幅方法及系统，以解决上述现有技术存在的问题，能够减小非线性效应，降低系统复杂程度和参数调控难度，并提升光束输出功率和质量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种基于双通型全光纤啁啾脉冲增幅方法，包括步骤：
S1：将小信号光脉冲经双向泵浦高掺杂Yb增益光纤进行第一通放大，得到一通光脉冲；
S2：将一通光脉冲经第一保偏光纤耦合器进入光纤环路得到具有不同时间间隔的脉冲序列或者簇式脉冲序列；
S3：将具有不同时间间隔的脉冲序列或者簇式脉冲序列经第一保偏光纤耦合器输入所述双向泵浦高掺杂Yb增益光纤进行第二通放大，得到二通光脉冲；
S4：将二通光脉冲输入大模场面积双包层掺镱光纤进行主放大，得到主放大光脉冲；
S5：将主放大光脉冲经高功率准直器输出光信号；
S6：光信号通过光学反射镜组进行脉宽压缩，反射回的光经介质镜输出。
优选的，步骤S2中，所述光纤环路内，一通光脉冲依次经过第一保偏光纤隔离器、第一保偏光纤带通滤波器和第一保偏单模光纤处理后，通过第二保偏光纤耦合器分为两部分光脉冲，一部分光脉冲输入脉冲选单控制器输出不同周期和占空比的近方波信号来控制声光调制器的通断，另一部分光脉冲输入声光调制器通过脉冲选单控制器的控制输出具有不同时间间隔的脉冲序列或者簇式脉冲序列。
优选的，所述第二保偏光纤耦合器的分束比为10:90，10％的部分输入所述脉冲选单控制器内，90％的部分输入所述声光调制器内。
优选的，步骤S4中，二通光脉冲在输入大模场面积双包层掺镱光纤主放大前，需经过第二保偏光纤隔离器和第二保偏光纤带通滤波器。
优选的，步骤S4中，所述大模场面积双包层掺镱光纤由双路多模泵浦源和保偏光纤合束器进行驱动。
优选的，步骤S5中，主放大光脉冲在输入高功率准直器之前需经过包层功率剥离器和高功率隔离器。
优选的，步骤S6中，所述光学反射镜组内，光信号经一对反射光栅和反射镜进行脉宽压缩。
优选的，所述第一保偏单模光纤的长度为0.9～1.2km。
本发明还提供了一种基于双通型全光纤啁啾脉冲增幅系统，包括：
保偏光纤环形器，所述保偏光纤环形器的第一端口用于接收振动器经保偏光纤衰减器产生的小信号光脉冲，并从所述保偏光纤环形器的第二端口输出；
双向泵浦高掺杂Yb增益光纤，所述双向泵浦高掺杂Yb增益光纤的一端与所述保偏光纤环形器的第二端口连通；
保偏光纤耦合器，所述保偏光纤耦合器的一端与所述双向泵浦高掺杂Yb增益光纤的一端连通；
光纤环路，包括依次连通的第一保偏光纤隔离器、第一保偏光纤带通滤波器、第一保偏单模光纤和第二保偏光纤耦合器以及脉冲选单控制器、声光调制器，所述第二保偏光纤耦合器的输出端分别与所述脉冲选单控制器和声光调制器连通，所述脉冲选单控制器的输出端与所述声光调制器连通，所述声光调制器的输出端与所述第一保偏光纤隔离器的输出端和所述保偏光纤耦合器的另一端均连通；
第二保偏光纤带通滤波器，所述第二保偏光纤带通滤波器的输入端与所述保偏光纤环形器的第三端口连通，用于接收所述第二端口输入的二通光脉冲；
第二保偏光纤隔离器，所述第二保偏光纤隔离器的输入端与所述第二保偏光纤带通滤波器的输出端依次连通有大模场面积双包层掺镱光纤、包层功率剥离器、高功率隔离器和高功率准直器；
以及，光学反射镜组和介质镜，所述高功率准直器输出的光经光学反射镜组进行脉宽压缩，反射回的光经介质镜输出。
优选的，所述第二保偏光纤耦合器的分束比为10:90，10％的部分输入所述脉冲选单控制器内，90％的部分输入所述声光调制器内；所述大模场面积双包层掺镱光纤由双路多模泵浦源和保偏光纤合束器进行驱动；所述第一保偏单模光纤的长度为0.9～1.2km，所述光学反射镜组包括一对反射光栅和反射镜。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供了一种基于双通型全光纤啁啾脉冲增幅方法及系统，将光纤预放大级进行复用以进行双通放大，再结合光纤耦合器构成的光纤环路将脉冲展宽级进行折叠，并结合FPGA进行预啁啾管理和非线性控制，最后经大模场面积增益光纤实现高功率放大，从而获得高质量的飞秒脉冲输出，且其基于双通结构和自动控制，能有效减小由于长光纤链路引入的非线性效应，并降低系统复杂程度和参数调控难度，大幅度提升输出功率和输出光束质量。
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为本发明提供的基于双通型全光纤啁啾脉冲增幅方法的结构示意图；
图中：1-振荡器，2-保偏光纤衰减器，3-保偏光纤环形器，4-双向泵浦高掺杂Yb增益光纤，5-第一保偏光纤耦合器，6-光纤环路，7-第一保偏光纤隔离器，8-第一保偏光纤带通滤波器，9-第一保偏单模光纤，10-第二保偏光纤耦合器，11-脉冲选单控制器，12-声光调制器，13-第二保偏光纤带通滤波器，14-第二保偏光纤隔离器，15-大模场面积双包层掺镱光纤，16-包层功率剥离器16，17-高功率隔离器，18-高功率准直器，19-一对反射光栅，20-反射镜，21-介质镜。
具体实施方式
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，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。
本发明的目的是提供一种基于双通型全光纤啁啾脉冲增幅方法及系统，以解决上述现有技术存在的问题，能够减小非线性效应，降低系统复杂程度和参数调控难度，并提升光束输出功率和质量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
本实施例提供一种基于双通型全光纤啁啾脉冲增幅方法，如图1所示，基于双通型全光纤啁啾脉冲增幅方法包括如下步骤：
S1：将小信号光脉冲经双向泵浦高掺杂Yb增益光纤4进行第一通放大，得到一通光脉冲；
S2：将一通光脉冲经分束比为99:1的第一保偏光纤耦合器5进入光纤环路6得到具有不同时间间隔的脉冲序列或者簇式脉冲序列；
具体的，光纤环路6内，一通光脉冲依次经过第一保偏光纤隔离器7、第一保偏光纤带通滤波器8和第一保偏单模光纤9处理后，通过分束比为10:90的第二保偏光纤耦合器10分为两部分光脉冲，10％的部分光脉冲输入脉冲选单控制器11输出不同周期和占空比的近方波信号来控制声光调制器12的通断，90％的部分光脉冲输入声光调制器12通过脉冲选单控制器11的控制输出具有不同时间间隔的脉冲序列或者簇式脉冲序列；具体的，第一保偏单模光纤9能够实现脉冲展宽以降低非线性效应，其长度为0.9～1.2km，优选为1km；其中，第一保偏光纤隔离器7保证了光纤环路6内的光为单向传输，第一保偏光纤带通滤波器8能有效滤掉第一通放大引入的ASE噪声和残余泵浦光，一通光脉冲在1km长的第一保偏单模光纤9内进行脉冲展宽；
S3：将具有不同时间间隔的脉冲序列或者簇式脉冲序列经第一保偏光纤耦合器5输入双向泵浦高掺杂Yb增益光纤4进行第二通放大，得到二通光脉冲；
S4：将二通光脉冲经第二保偏光纤隔离器14和第二保偏光纤带通滤波器13处理后输入由双路多模泵浦源和保偏光纤合束器驱动的大模场面积双包层掺镱光纤15进行主放大，得到主放大光脉冲；其中，第二保偏光纤隔离器14和第二保偏光纤带通滤波器13防止背向散射光对前级放大的干扰和滤除ASE噪声；
S5：将主放大光脉冲经包层功率剥离器和高功率隔离器17处理后滤掉多余的泵浦光和防止背向散射光，再经高功率准直器18输出光信号；
S6：光信号通过光学反射镜20组进行脉宽压缩，反射回的光经介质镜21输出；
具体的，光信号经反射镜20组内的一对反射光栅19和反射镜20进行脉宽压缩。
上述基于双通型全光纤啁啾脉冲增幅方法，将光纤预放大级进行复用以进行双通放大，再结合光纤耦合器构成的光纤环路6将脉冲展宽级进行折叠，并结合FPGA进行预啁啾管理和非线性控制，最后经大模场面积增益光纤实现高功率放大，从而获得高质量的飞秒脉冲输出，且其基于双通结构和自动控制，能有效减小由于长光纤链路引入的非线性效应，并降低系统复杂程度和参数调控难度，大幅度提升输出功率和输出光束质量。
实施例二
本实施例提供了一种基于双通型全光纤啁啾脉冲增幅系统，如图1所示，包括：
保偏光纤环形器3，保偏光纤环形器3的第一端口用于接收振动器经保偏光纤衰减器2产生的小信号光脉冲，并从保偏光纤环形器3的第二端口输出；
双向泵浦高掺杂Yb增益光纤4，双向泵浦高掺杂Yb增益光纤4的一端与保偏光纤环形器3的第二端口连通；
保偏光纤耦合器，保偏光纤耦合器的一端与双向泵浦高掺杂Yb增益光纤4的一端连通；
光纤环路6，包括依次连通的第一保偏光纤隔离器7、第一保偏光纤带通滤波器8、长度为0.9～1.2km的第一保偏单模光纤9和分束比为10:90为第二保偏光纤耦合器10以及脉冲选单控制器11、声光调制器12，第二保偏光纤耦合器10的输出端分别与脉冲选单控制器11和声光调制器12连通，10％的部分输入脉冲选单控制器11内，90％的部分输入声光调制器12内；脉冲选单控制器11的输出端与声光调制器12连通，声光调制器12的输出端与第一保偏光纤隔离器7的输出端和保偏光纤耦合器的另一端均连通；
第二保偏光纤带通滤波器13，第二保偏光纤带通滤波器13的输入端与保偏光纤环形器3的第三端口连通，用于接收第二端口输入的二通光脉冲；
第二保偏光纤隔离器14，第二保偏光纤隔离器14的输入端与第二保偏光纤带通滤波器13的输出端依次连通有由双路多模泵浦源和保偏光纤合束器进行驱动的大模场面积双包层掺镱光纤15、包层功率剥离器、高功率隔离器17和高功率准直器18；
以及，光学反射镜20组和介质镜21，高功率准直器18输出的光经包括一对反射光栅19和反射镜20的光学反射镜20组进行脉宽压缩，反射回的光经介质镜21输出。
具体实施过程中，由振荡器1经保偏光纤衰减器2产生的小信号光脉冲，经保偏光纤环形器3的第一端口输入，从其第二端口输入双向泵浦高掺杂Yb增益光纤4进行第一通放大，得到一通光脉冲，一通光脉冲通过分束比为99:1的第一保偏光纤耦合器5进入光纤环路6，一通光脉冲在光纤环路6内依次经过第一保偏光纤隔离器7、第一保偏光纤带通滤波器8和第一保偏单模光纤9处理后，通过分束比为10:90的第二保偏光纤耦合器10分为两部分光脉冲，10％的部分光脉冲输入脉冲选单控制器11输出不同周期和占空比的近方波信号来控制声光调制器12的通断，90％的部分光脉冲输入声光调制器12通过脉冲选单控制器11的控制输出具有不同时间间隔的脉冲序列或者簇式脉冲序列；具有不同时间间隔的脉冲序列或者簇式脉冲序列经第一保偏光纤耦合器5输入双向泵浦高掺杂Yb增益光纤4进行第二通放大，得到二通光脉冲，二通光脉冲从保偏光纤环形器3的第二端口输入，通过第三端口输入第二保偏光纤带通滤波器13、第二保偏光纤隔离器14、由双路多模泵浦源和保偏光纤合束器进行驱动的大模场面积双包层掺镱光纤15、包层功率剥离器、高功率隔离器17和高功率准直器18，高功率准直器18输出的光经包括一对反射光栅19和反射镜20的光学反射镜20组进行脉宽压缩，反射回的光经介质镜21输出。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于双通型全光纤啁啾脉冲增幅方法，其特征在于：包括步骤：
S1：将小信号光脉冲经双向泵浦高掺杂Yb增益光纤进行第一通放大，得到一通光脉冲；
S2：将一通光脉冲经第一保偏光纤耦合器进入光纤环路得到具有不同时间间隔的脉冲序列或者簇式脉冲序列；
S3：将具有不同时间间隔的脉冲序列或者簇式脉冲序列经第一保偏光纤耦合器输入所述双向泵浦高掺杂Yb增益光纤进行第二通放大，得到二通光脉冲；
S4：将二通光脉冲输入大模场面积双包层掺镱光纤进行主放大，得到主放大光脉冲；
S5：将主放大光脉冲经高功率准直器输出光信号；
S6：光信号通过光学反射镜组进行脉宽压缩，反射回的光经介质镜输出。
2.根据权利要求1所述的基于双通型全光纤啁啾脉冲增幅方法，其特征在于：步骤S2中，所述光纤环路内，一通光脉冲依次经过第一保偏光纤隔离器、第一保偏光纤带通滤波器和第一保偏单模光纤处理后，通过第二保偏光纤耦合器分为两部分光脉冲，一部分光脉冲输入脉冲选单控制器输出不同周期和占空比的近方波信号来控制声光调制器的通断，另一部分光脉冲输入声光调制器通过脉冲选单控制器的控制输出具有不同时间间隔的脉冲序列或者簇式脉冲序列。
3.根据权利要求2所述的基于双通型全光纤啁啾脉冲增幅方法，其特征在于：所述第二保偏光纤耦合器的分束比为10:90，10％的部分输入所述脉冲选单控制器内，90％的部分输入所述声光调制器内。
4.根据权利要求1所述的基于双通型全光纤啁啾脉冲增幅方法，其特征在于：步骤S4中，二通光脉冲在输入大模场面积双包层掺镱光纤主放大前，需经过第二保偏光纤隔离器和第二保偏光纤带通滤波器。
5.根据权利要求1所述的基于双通型全光纤啁啾脉冲增幅方法，其特征在于：步骤S4中，所述大模场面积双包层掺镱光纤由双路多模泵浦源和保偏光纤合束器进行驱动。
6.根据权利要求1所述的基于双通型全光纤啁啾脉冲增幅方法，其特征在于：步骤S5中，主放大光脉冲在输入高功率准直器之前需经过包层功率剥离器和高功率隔离器。
7.根据权利要求1所述的基于双通型全光纤啁啾脉冲增幅方法，其特征在于：步骤S6中，所述光学反射镜组内，光信号经一对反射光栅和反射镜进行脉宽压缩。
8.根据权利要求2所述的基于双通型全光纤啁啾脉冲增幅方法，其特征在于：所述第一保偏单模光纤的长度为0.9～1.2km。
9.一种基于双通型全光纤啁啾脉冲增幅系统，其特征在于：包括：
保偏光纤环形器，所述保偏光纤环形器的第一端口用于接收振动器经保偏光纤衰减器产生的小信号光脉冲，并从所述保偏光纤环形器的第二端口输出；
双向泵浦高掺杂Yb增益光纤，所述双向泵浦高掺杂Yb增益光纤的一端与所述保偏光纤环形器的第二端口连通；
保偏光纤耦合器，所述保偏光纤耦合器的一端与所述双向泵浦高掺杂Yb增益光纤的一端连通；
光纤环路，包括依次连通的第一保偏光纤隔离器、第一保偏光纤带通滤波器、第一保偏单模光纤和第二保偏光纤耦合器以及脉冲选单控制器、声光调制器，所述第二保偏光纤耦合器的输出端分别与所述脉冲选单控制器和声光调制器连通，所述脉冲选单控制器的输出端与所述声光调制器连通，所述声光调制器的输出端与所述第一保偏光纤隔离器的输出端和所述保偏光纤耦合器的另一端均连通；
第二保偏光纤带通滤波器，所述第二保偏光纤带通滤波器的输入端与所述保偏光纤环形器的第三端口连通，用于接收所述第二端口输入的二通光脉冲；
第二保偏光纤隔离器，所述第二保偏光纤隔离器的输入端与所述第二保偏光纤带通滤波器的输出端依次连通有大模场面积双包层掺镱光纤、包层功率剥离器、高功率隔离器和高功率准直器；
以及，光学反射镜组和介质镜，所述高功率准直器输出的光经光学反射镜组进行脉宽压缩，反射回的光经介质镜输出。
10.根据权利要求9所述的基于双通型全光纤啁啾脉冲增幅系统，其特征在于：所述第二保偏光纤耦合器的分束比为10:90，10％的部分输入所述脉冲选单控制器内，90％的部分输入所述声光调制器内；所述大模场面积双包层掺镱光纤由双路多模泵浦源和保偏光纤合束器进行驱动；所述第一保偏单模光纤的长度为0.9～1.2km，所述光学反射镜组包括一对反射光栅和反射镜。
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