CN203690694U - 超短脉冲光纤激光系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种超短脉冲光纤激光系统，超短脉冲光纤激光系统包括光纤激光器、光纤环形器、啁啾光纤光栅、单模光纤放大器、准直透镜以及啁啾体布拉格光栅；光纤激光器依次通过光纤环形器接入单模光纤放大器；单模光纤放大器、准直透镜以及啁啾体布拉格光栅依次设置在同一光路上；光纤环形器接入啁啾光纤光栅。本实用新型提供了一种高集成度的、完全固化的以及无须调节的超短脉冲光纤激光系统。

Description

超短脉冲光纤激光系统

技术领域

本实用新型属于激光技术领域，涉及一种超短脉冲光纤激光系统，尤其涉及一种基于啁啾光纤光栅展宽器和啁啾体布拉格光栅压缩器的超短脉冲光纤激光系统。 

背景技术

以光纤作为载体的激光器件具有体积小、集成度高、稳定性好、功耗低等优点，随着大模场双包层光纤工艺和技术的成熟，结合啁啾脉冲放大技术，超短脉冲激光的产生和放大得以在光纤中实现。以光纤器件为基本元器件的啁啾脉冲放大技术的基本路线依然是超短脉冲的产生、超短脉冲的展宽、脉冲能量放大和高能量脉冲的压缩。 

在脉冲的展宽和压缩阶段，需要具有较大色散量的衍射光学元件。光纤啁啾脉冲放大系统目前普遍采取的做法是采用啁啾光纤光栅作为脉冲展宽器，这种光栅为刻写在光纤内部的周期性折射率变化介质，它具有光纤的波导特性，但同时具有对不同波长的入射光场的衍射特征，这样的一种全光纤化衍射光学器件作为简单有效的色散介质，是光纤啁啾脉冲放大系统中最具集成度和兼容性的脉冲色散管理器件。与之对应的脉冲压缩器由于要承受放大后的高能激光，无法再采用光纤结构的光栅来实现，传统的做法是采用反射式衍射光栅或透射式衍射光栅来对激光束进行空间上的延迟，实现色散补偿。但是这种多个元器件组成的空间光路结构对光束入射角敏感、对振动敏感，且调节过程十分不易，因而不是一种适合工业界复杂环境使用的脉冲压缩装置。近年来发展起来了啁啾体布拉格光栅这种衍射光学元件，它是一种固体透明器件，可以有较大的通光孔径接受高能激光，同时具有色散补偿功能，且使用方法简单，容易装调。 

啁啾光纤光栅和啁啾体布拉格光栅都是固定色散量的器件，其能够提供的脉冲展宽和压缩量在光栅生产出来后就固定不变，所以在啁啾体布拉格光栅的使用中一般是采用一对相同参数的啁啾体布拉格光栅，一个作为脉冲展宽器， 另一个作为脉冲压缩器。然而，脉冲展宽器一旦采用啁啾体布拉格光栅，光纤激光放大系统的展宽阶段就失去了全光纤结构，增加的空间光路使系统变得复杂、不稳定。啁啾光纤光栅和体光栅的色散参数不完全相同，且在光纤放大器中，额外的各种光纤器件也会对脉冲引入额外的色散，使得脉冲总的展宽量难以和啁啾体布拉格光栅的压缩量完全匹配。 

实用新型内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种高集成度的、完全固化的以及无须调节的超短脉冲光纤激光系统。 

本实用新型的技术解决方案是：本实用新型提供了一种超短脉冲光纤激光系统，其特殊之处在于：所述超短脉冲光纤激光系统包括光纤激光器、光纤环形器、啁啾光纤光栅、单模光纤放大器、准直透镜以及啁啾体布拉格光栅；所述光纤激光器依次通过光纤环形器接入单模光纤放大器；所述单模光纤放大器、准直透镜以及啁啾体布拉格光栅依次设置在同一光路上；所述光纤环形器接入啁啾光纤光栅。 

上述光纤环形器包括光输入端、光输出端以及连接啁啾光纤光栅的连接端；所述光纤激光器通过光输入端接入光纤环形器；所述光纤环形器通过光输出端接入单模光纤放大器。 

上述超短脉冲光纤激光系统还包括双包层光纤放大器；所述单模光纤放大器通过展宽光纤接入双包层光纤放大器；所述双包层光纤放大器准直透镜以及啁啾体布拉格光栅依次设置在同一光路上。 

上述啁啾光纤光栅以及啁啾体布拉格光栅均是具有固定带宽以及固定色散系数的色散元件。 

上述啁啾光纤光栅是具有正色散特性的啁啾光纤光栅。 

上述光纤激光器是锁模光纤激光器。 

上述单模光纤放大器是由波分复用器以及掺镱单模光纤组成。 

上述双包层光纤放大器是由泵浦合束器及双包层掺镱光纤组成。 

上述准直透镜是平凸透镜。 

经准直透镜入射至啁啾体布拉格光栅的光束与经啁啾体布拉格光栅衍射出 来的光束之间有夹角；所述夹角的范围是4°～6°。 

本实用新型的优点是： 

本实用新型提供了一种超短脉冲光纤激光系统，该激光系统在设计脉冲压缩器的色散参数时，有意设计其色散总量大于啁啾光纤光栅展宽器所提供的色散总量，且这个差值所对应的色散量大于100米石英光纤的材料色散量。在光纤放大系统中，所有光纤的总长度是不会超过100米的，因而这种设计将使得压缩器给脉冲引入的负色散量大于啁啾光纤光栅和传输光纤所能提供的总正色散量，即压缩器过多补偿了展宽器的展宽量。这些多余补偿的负色散量将通过改变传导光纤长度的办法来抵消，本实用新型在脉冲的放大链路中加入额外的一定长度的光纤，这些光纤所提供的正色散量完全由其长度决定，所以这些额外加入的光纤所提供的正色散量可通过设定其长度而精确控制。当这段展宽光纤提供的正色散量正好抵消压缩器过多引入的负色散量，光脉冲就得到了色散抵消，脉冲成分在时间上就无延迟，脉冲宽度最窄。本实用新型以啁啾光纤光栅和啁啾体布拉格光栅来作为光纤啁啾脉冲放大系统中脉冲的展宽和压缩器件，并利用放大系统中光纤的长度调节来实现脉冲展宽器和压缩器之间的色散平衡，得到完全色散补偿的窄脉冲；从而提供了一种高集成度的、完全固化的、无须调节的超短脉冲光纤激光系统。 

附图说明

图1是本实用新型所提供的超短脉冲光纤激光系统的光路结构示意图； 

图2是基于本实用新型所提供的激光系统展宽后的脉冲自相关曲线； 

图3是基于本实用新型所提供的激光系统压缩后的激光脉冲自相关曲线； 

其中： 

1-超短脉冲光纤激光器；2-光纤环形器；3-啁啾光纤光栅；4-单模光纤放大器；5-展宽光纤；6-双包层光纤放大器；7-准直透镜；8-啁啾体布拉格光栅。 

具体实施方式

参见图1，本实用新型提供过了一种超短脉冲光纤激光系统，超短脉冲光纤激光系统包括光纤激光器、光纤环形器2、啁啾光纤光栅3、单模光纤放大器4、展宽光纤5、准直透镜7以及啁啾体布拉格光栅8；光纤激光器依次通过光纤环形 器2以及单模光纤放大器4接入展宽光纤5；展宽光纤5、准直透镜7以及啁啾体布拉格光栅8依次设置在同一光路上；光纤环形器2接入啁啾光纤光栅3。 

光纤环形器2包括光输入端、光输出端以及连接啁啾光纤光栅3的连接端；光纤激光器通过光输入端接入光纤环形器2；光纤环形器2通过光输出端接入单模光纤放大器4。 

超短脉冲光纤激光系统还包括双包层光纤放大器6；单模光纤放大器4通过展宽光纤5接入双包层光纤放大器6；双包层光纤放大器6准直透镜7以及啁啾体布拉格光栅8依次设置在同一光路上。 

啁啾光纤光栅3以及啁啾体布拉格光栅8均是具有固定带宽以及固定色散系数的色散元件。 

啁啾光纤光栅3是具有正色散特性的啁啾光纤光栅3。 

光纤激光器是锁模光纤激光器；锁模光纤激光器从输出端尾纤输出的激光重复频率是50MHz，脉宽约400fs，中心波长1053nm，平均功率1mw。 

单模光纤放大器4是由波分复用器以及掺镱单模光纤组成。 

双包层光纤放大器6是由泵浦合束器及双包层掺镱光纤组成 

准直透镜7是平凸透镜。 

经准直透镜7入射至啁啾体布拉格光栅8的光束与经啁啾体布拉格光栅8衍射出来的光束之间有夹角；夹角的范围是4°～6°。 

本实用新型的主要结构为光纤激光器和放大器组成的啁啾脉冲放大及压缩系统。超短脉冲光纤激光器1作为种子光源，为系统提供窄脉宽的原始脉冲；啁啾光纤光栅3作为脉冲展宽器把原始脉冲展宽；各级光纤放大器是脉冲能量提升部件；啁啾体布拉格光栅8作为脉冲压缩器将放大的脉冲宽度压缩到亚皮秒。 

处于光纤放大器之前的啁啾光纤光栅3是具有固定带宽和固定色散系数的器件，对于一定带宽的入射光脉冲，啁啾光纤光栅3所提供的展宽量是定值。一般采用具有正色散特性的啁啾光纤光栅3来展宽脉冲，这个展宽后的脉冲在光纤放大器链路中一边传输一边获得能量的放大，其脉宽在放大过程中由于光纤材料色散的影响，会有略微的变化，对于1微米波长附近的光场，普通石英光纤和掺镱光纤均为正色散特性的材料，这与啁啾光纤光栅3色散特征一致。因而光脉 冲经过的光纤越长，材料正色散对其展宽越大，所以在放大输出后，光脉冲的时间宽度为啁啾光纤光栅3展宽量与光纤材料色散提供的展宽量之和。 

经过展宽和放大后的脉冲如果再经过具有负色散特性的光学元件的作用，其展宽量将会得到抵消，使得脉冲在时间上受到压缩。这个压缩量的大小取决于脉冲经历的总正色散量和总负色散量的抵消程度，如果负色散量正好补偿完正色散量，脉冲中的各个光谱成分在时间上就不再具有延迟，即得到了最窄的脉冲。所以脉冲压缩器就是提供负色散的介质或元器件，其所能提供的色散量要正好补偿光脉冲具有的正色散展宽量。 

啁啾体布拉格光栅8类似啁啾光纤光栅3，也是具有固定带宽和固定色散系数的色散器件，它对于入射到其中的光脉冲只能提供固定的负色散量，难以完全抵消光脉冲经历的正色散展宽。 

该光纤激光系统的原始脉冲由锁模光纤激光器产生，这种锁模光纤激光器为全光纤结构，从输出端尾纤输出的激光重复频率50MHz，脉宽约400fs，中心波长1053nm，平均功率1mw。这种很窄的飞秒脉冲直接通过光纤熔接的方式被输送到啁啾光纤光栅3展宽器。 

啁啾光纤光栅3为反射式光栅，与光纤环形器熔接在一起使用，构成展宽器。光纤环形器2有三个端口，①端为输入端，接收来自锁模激光器的光信号；②端为连接啁啾光纤光栅3的端口，接收来自啁啾光纤光栅3的反射光；③端为反射光输出端，也就是将展宽后的脉冲输出。展宽后的光脉冲宽度达到数百皮秒，但能量较低，要经过多级光纤放大器进行能量的提升。第一级光纤放大器是单模光纤放大器4，由波分复用器和掺镱单模光纤组成。初步放大后的光脉冲经过数百米的Hi1060型单模石英光纤进行额外的展宽，展宽量取决于这卷石英光纤的长度，在实验中可进行裁剪光纤或弥补光纤以改变这卷光纤提供的色散量。展宽光纤5后连接第二级光纤放大器，由泵浦合束器及双包层掺镱光纤组成，将两次展宽后的脉冲进行进一步能量提升，在数瓦的泵浦功率下，放大输出平均光功率达到数百毫瓦。 

以上所有器件之间都是光纤熔接连接，实现稳定可靠且高集成度的系统结构。放大后的激光利用平凸透镜准直，准直光斑直径约3mm，入射到啁啾体布 拉格光栅8的入射面，该入射面的法线与入射光束的夹角约2°～3°，使得经啁啾体布拉格光栅8衍射出来的光束以不同于入射光光路的方向输出。使用自相关仪检测体光栅压缩后的光脉冲的宽度，同时增减前端光路中展宽光纤5的长度，直至在自相关仪上测得最短的脉宽(<1000fs)。至此，完成了具有紧凑结构的免调节的超短脉冲光纤激光系统的搭建。在本实验室进行的该装置搭建中，获得了平均功率560mw，脉宽606fs的超短脉冲激光输出，脉冲展宽后及压缩后的脉宽测量如图2以及图3的自相关曲线。 

Claims (10)

1.一种超短脉冲光纤激光系统，其特征在于：所述超短脉冲光纤激光系统包括光纤激光器、光纤环形器、啁啾光纤光栅、单模光纤放大器、准直透镜以及啁啾体布拉格光栅；所述光纤激光器依次通过光纤环形器接入单模光纤放大器；所述单模光纤放大器、准直透镜以及啁啾体布拉格光栅依次设置在同一光路上；所述光纤环形器接入啁啾光纤光栅。 

2.根据权利要求1所述的超短脉冲光纤激光系统，其特征在于：所述光纤环形器包括光输入端、光输出端以及连接啁啾光纤光栅的连接端；所述光纤激光器通过光输入端接入光纤环形器；所述光纤环形器通过光输出端接入单模光纤放大器。 

3.根据权利要求1或2所述的超短脉冲光纤激光系统，其特征在于：所述超短脉冲光纤激光系统还包括双包层光纤放大器；所述单模光纤放大器通过展宽光纤接入双包层光纤放大器；所述双包层光纤放大器准直透镜以及啁啾体布拉格光栅依次设置在同一光路上。 

4.根据权利要求3所述的超短脉冲光纤激光系统，其特征在于：所述啁啾光纤光栅以及啁啾体布拉格光栅均是具有固定带宽以及固定色散系数的色散元件。 

5.根据权利要求4所述的超短脉冲光纤激光系统，其特征在于：所述啁啾光纤光栅是具有正色散特性的啁啾光纤光栅。 

6.根据权利要求5所述的超短脉冲光纤激光系统，其特征在于：所述光纤激光器是锁模光纤激光器。 

7.根据权利要求6所述的超短脉冲光纤激光系统，其特征在于：所述单模光纤放大器是由波分复用器以及掺镱单模光纤组成。 

8.根据权利要求7所述的超短脉冲光纤激光系统，其特征在于：所述双包层光纤放大器是由泵浦合束器及双包层掺镱光纤组成。 

9.根据权利要求8所述的超短脉冲光纤激光系统，其特征在于：所述准直透镜是平凸透镜。 

10.根据权利要求9所述的超短脉冲光纤激光系统，其特征在于：经准直透 镜入射至啁啾体布拉格光栅的光束与经啁啾体布拉格光栅衍射出来的光束之间有夹角；所述夹角的范围是4°～6°。 

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