CN207910231U - 单块啁啾体光栅进行啁啾脉冲展宽与压缩的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及单块啁啾体光栅进行啁啾脉冲展宽与压缩的装置，包括体光栅、两个带尾纤的准直器、校准器，其特征在于：两个带尾纤的准直器分别置于体光栅两端，且校准器置于体光栅一端，并装配为一个整体的结构，且种子入射光以0°入射体光栅，展宽出射光经体光栅展宽以0°反射角反射耦合进一端准直器，后进入环形器；放大入射光以小于1.43°入射角从体光栅另一端面入射，压缩出射光在体光栅另一端面射出，种子入射光的透射光在校准器的位置作为校准标准。本实用新型实现单个体光栅同时作为展宽器与压缩器的功能，需要压缩的放大脉冲的透射光经由置于体光栅后端的校准器校准，可快速方便实现空间耦合，从而实现功率稳定、窄脉宽的脉冲激光输出。

Description

单块啁啾体光栅进行啁啾脉冲展宽与压缩的装置

技术领域

本实用新型涉及在超短脉冲激光中的啁啾脉冲放大中，用啁啾体光栅进行脉冲展宽和压缩调控系统，具体涉及一种单块啁啾体光栅进行啁啾脉冲展宽与压缩的装置。

背景技术

超短脉冲一般指的脉冲宽度小于10^-11秒,即10皮秒以内的脉冲由于脉冲宽度极短,因此不需要太高单脉冲能量即可获得极高的峰值功率，例如10uJ、1ps的脉冲峰值功率高达10MW,这样的高峰值功率使得原先对目标激光透明的物质对超短脉冲产生非线性吸收。这样的特性使得超短脉冲激光在科研和工业领域有着广泛应用。在科研方面，超快激光技术推动了前沿非线性光学、量子物理、超强场物理等科学技术的发展。在工业方面，由于物质对超短脉冲激光的吸收不再是传统的产生热效应的线性吸收，因此超短脉冲激光可用于精密加工，获得更加精细的加工效果。同时，对于玻璃、蓝宝石等硬脆透明材料的加工，传统机械加工受限于加工方式在精度和效率上已经远远达不到目前消费电子市场对于这些材料的需求，而使用超短脉冲激光可有效加工硬脆透明材料，市场潜力很大。

目前主要通过对种子脉冲进行啁啾脉冲放大(CPA)，然后对放大后的展宽脉冲进行时域压缩来获得高功率超短脉冲飞秒激光。基于各类激光器所用原理、材料的不同，在展宽、放大中所用的方式各不相同，在此不做论述。但基本思路都是对一个超短脉冲种子源产生的皮秒、飞秒超短脉冲先利用色散介质进行时域展宽，然后再进入后端级联放大系统，最后再由相反色散介质对脉冲色散补偿，压缩回皮秒、飞秒脉宽。

在啁啾脉冲脉冲放大中，超短脉冲的展宽与压缩常采用的色散介质是衍射光栅对。基于衍射光栅对的色散补偿结构有以下缺点：(1)需要复杂且精细的空间控制，(2)光栅压缩所要求的特定距离与入射角度导致空间占地太大，(3)系统不稳定，容易受外界震荡的影响，(4)能承受的极限功率常在十几瓦特左右，如G.Q.Chang et al,“50-W Chirped-Volume-Bragg-Grating Based Fiber CPA at 1055-nm,”paper CMEE4,CLEO/QELS,Baltimore,2007，(5)衍射效率低，导致能量损耗大。目前，一种啁啾体光栅(CVBG)技术可用于脉冲的展宽和压缩。利用脉冲中波长的低频成分和高频成分在体光栅不同深度处的反射可对脉冲时域引入啁啾，从而实现脉冲的展宽与压缩。相比于传统的衍射光栅，体光栅具有结构紧凑，损耗低，空间耦合相对稳定的优点。在目前使用啁啾体光栅作超快飞秒激光CPA系统中，常用的放置结构为：一块体光栅作用于脉冲的展宽，另一块用于脉冲的压缩，如Ming-Yuan Cheng,et al,“High average power and energy scalable fiber CPA at1558-nm using chirped volume Bragg grating pulse stretchers and compressors,”6102-37,presented at PhotonicsWest,2006，这也造成了成本提高，系统空间体积大的问题。另外，空间光路耦合前期一般需要专业人员进行调试校准，后期也需要专业人员定时维护，这也产生耗费人力的新问题。另外也有使用啁啾光纤光栅(CFBG)和啁啾体光栅配套进行脉冲压缩和展宽，如专利申请201580007015.3名称为：高功率超短脉冲光纤激光器。种子光输出的超短脉冲进入啁啾光纤光栅，由啁啾光纤光栅提供与啁啾体光栅相反的色散量，将脉冲展宽，然后展宽后的脉冲进入后端光纤级联放大器，最终进入啁啾体光栅将脉冲压缩。但是这种方式需要啁啾光纤光栅和啁啾体光栅的色散参数相互匹配，而实际中两光栅存在着啁啾差异，导致展宽和压缩时的色散量不一致，因此无法获得理想的脉冲压缩。

对于啁啾体光栅，当脉冲从体光栅两端射入时，获得的完全相反的色散啁啾量，若使用同一块啁啾体光栅做脉冲展宽和压缩，则可避免不同啁啾光栅之间的匹配问题。而且使用一块啁啾体光栅，相较双啁啾体光栅和啁啾体光栅加啁啾光纤光栅系统成本更低，结构更简单。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种新型单块啁啾体光栅进行啁啾脉冲展宽与压缩的装置，根据啁啾体光栅的特性，脉冲从正反光路入射时色散啁啾量相反，可实现脉冲正面入射，脉冲展宽；反面入射，脉冲压缩。因此可利用单一体光栅同时作为展宽器与压缩器，解决了不同光栅之间的啁啾匹配问题，并减小了成本和系统结构。同时，该结构使体光栅校准方法更为简单快捷，节约了人力成本，提供生产效率。

本实用新型的技术方案为：

单块啁啾体光栅进行啁啾脉冲展宽与压缩的装置，包括体光栅、两个带尾纤的准直器、校准器，其特征在于：两个带尾纤的准直器分别置于体光栅两端，且校准器置于体光栅一端，并装配为一个整体的结构，且种子入射光以0°入射体光栅，展宽出射光经体光栅展宽以0°反射角反射耦合进一端准直器，后进入环形器；放大入射光以小于1.43°入射角从体光栅另一端面入射，压缩出射光在体光栅另一端面射出，种子入射光的透射光在校准器的位置作为校准标准。

种子入射光和放大入射光错开入射高度。

单块啁啾体光栅进行啁啾脉冲展宽与压缩的装置，包括体光栅、两个带尾纤的准直器、光阑，其特征在于：两个带尾纤的准直器分别置于体光栅两端，且光阑置于体光栅一端，一个带尾纤的准直器固定在光阑上，并装配为一个整体的结构，且光阑阻挡种子入射光的透射光，种子入射光以0°入射体光栅，展宽出射光经体光栅展宽以0°反射角反射耦合进一端准直器，后进入环形器；放大入射光以小于1.43°入射角从体光栅另一端面入射，压缩出射光在体光栅另一端面射出，种子入射光的透射光在光阑上的位置作为校准标准。

单块啁啾体光栅进行啁啾脉冲展宽与压缩的装置，包括包括体光栅、带尾纤的准直器、光阑、二分之一玻片，四分之一玻片、偏振分束器，其特征在于：带尾纤的准直器、光阑分别置于体光栅一端，且带尾纤的准直器固定在光阑上，二分之一玻片、四分之一玻片、偏振分束器置于体光栅另一端，并装配为一个整体的结构，且光阑阻挡种子入射光的透射光，种子入射光以0°入射体光栅，展宽出射光经体光栅展宽以0°反射角反射耦合进一端准直器，后进入环形器；放大入射光以垂直于光栅入射，放大入射光和压缩输出光经过两次四分之一玻片，压缩输出光与原放大入射光偏振态成90°夹角由偏振分束器反射出，种子入射光的透射光在光阑上的位置作为校准标准。

种子入射光102、展宽出射光103、放大入射光104、压缩输出光105、透射光109、体光栅101、两个带尾纤的准直器(106、107)和校准器108设计为一个整体100，为了保证光进入体光栅的反射质量，种子入射光102与体光栅101水平，与体光栅侧壁的入射角为0°，展宽出射光103经体光栅101展宽，以0°反射角反射进第一准直器106，进入环形器402，经过放大器403进行下一步放大。经过放大器403放大后的入射光104以一个小的入射角度，在体光栅101另一侧平行入射，种子入射光102与放大入射光104高度差为3mm,长度大于50mm的体光栅101，设计入射角度为小于1.43°，此时，放大入射光104和压缩输出光105不重合，压缩输出光105即为获得的超短脉冲光。通过在空间上将低功率的光102和103的光路与放大后的高功率光104和105的光路分开，根据光路可逆性原理，可避免未被完全反射的光进入准直器106，打坏前置光学系统。

体光栅101对于有效反射光谱范围内的反射率一般大于80％，超出此有效光谱范围成分的光将透射出光栅，利用此特性，根据放大入射光104的入射角与校准器108和体光栅101之间的距离，标记透射光109到校准器108的理论位置，可有效校准放大入射光104的入射角度。

本实用新型的体光栅空间光路耦合方法一旦校准准确，之后内部免调节，大大提高了整个系统的机械稳定性，此校准方法快速方便，可为工业级超短脉冲激光器批量生产提供可能。

另一种利用单一体光栅作为展宽器与压缩器的空间耦合方法如图2所示，将图1校准器108替换为光阑110，可阻挡因放大入射光104产生的透射光109进入准直器106中，避免打坏前置光学系统。此方法适用于不需要批量调控的体光栅压缩系统，可用于实验室测试，科研等方面，只需保证放大入射光104与压缩输出光105在体光栅101端面出入射即可。并可根据需要自我调节体光栅空间光路体积。

另一种利用单一体光栅作为展宽器与压缩器的空间耦合方法如图4所示，其展宽光路与前两种方法无异，在压缩光路中，为了避免未被反射的光进入前置光路，也需要与前两种方法一样在展宽光路和压缩光路在空间上错位。可对需压缩的入射光104做如图4中的偏振态处理，将带尾纤的准直器107替换为二分之一玻片111，四分之一玻片112，偏振分束器(PBS)113。不需要将展宽后的入射104成角度入射，使得光路调整更加便捷。

入射光104通过半波片使得可以透过PBS113，入射光104和反射光105经过两次四分之一波片后，压缩后的出射光105偏振态与初始入射光104成90°夹角，被PBS113成90°反射出。

本实用新型的体光栅空间光路耦合方法无需特定角度调节，不需要复杂的空间校准，并且内部免调节，大大提高了整个系统的机械稳定性，此方法十分便捷，可为工业级超短脉冲激光器批量生产提供可能。

本实用新型的利用单个体光栅空间光路耦合方法，减小了CPA系统的空间体积同时减少了成本。

附图说明

图1为一种典型的体光栅实现展宽与压缩功能示意图。

图2为本实用新型的实施例一结构示意图。

图3本实用新型的实施例二结构示意图。

图4本实用新型的实施例三结构示意图。

图5为本实用新型具体使用的示意图。

图6为本实用新型另一具体使用的示意图。

具体实施方式

结合附图对本实用新型作进一步描述。

如图1所示，是一种典型的体光栅示意图，包括体光栅101、种子入射光102、展宽出射光103、放大入射光104、压缩输出光105，两端的光路表示利用正反光路啁啾量不同实现的脉冲展宽和压缩。

如图2所示，本实用新型包括体光栅101、两个带尾纤的准直器106、107、校准器108，其特征在于：两个带尾纤的准直器106、107分别置于体光栅101两端，且校准器108置于体光栅101一端，并装配为一个整体的结构100，且种子入射光102以0°入射体光栅101，展宽出射光103经体光栅101展宽以0°反射角反射耦合进一端准直器106，后进入环形器402；放大入射光104以小于1.43°入射角从体光栅101另一端面入射，压缩出射光105在体光栅101另一端面射出，种子入射光102的透射光109在校准器108的位置作为校准标准。种子入射光102和放大入射光104错开入射高度。

如图3所示，本实用新型包括体光栅101、两个带尾纤的准直器106、107、光阑110，其特征在于：两个带尾纤的准直器106、107分别置于体光栅101两端，且光阑110置于体光栅101一端，一个带尾纤的准直器106固定在光阑110上，并装配为一个整体的结构100，且光阑110阻挡种子入射光102的透射光109，种子入射光102以0°入射体光栅101，展宽出射光103经体光栅101展宽以0°反射角反射耦合进一端准直器106，后进入环形器402；放大入射光104以小于1.43°入射角从体光栅101另一端面入射，压缩出射光105在体光栅101另一端面射出，种子入射光102的透射光109在光阑110上的位置作为校准标准。

如图4所示，本实用新型包括包括体光栅101、带尾纤的准直器106、光阑110、二分之一玻片111，四分之一玻片112、偏振分束器113，其特征在于：带尾纤的准直器106、光阑110分别置于体光栅101一端，且带尾纤的准直器106固定在光阑110上，二分之一玻片111、四分之一玻片112、偏振分束器113置于体光栅101另一端，并装配为一个整体的结构100，且光阑110阻挡种子入射光102的透射光109，种子入射光102以0°入射体光栅101，展宽出射光103经体光栅101展宽以0°反射角反射耦合进一端准直器106，后进入环形器402；放大入射光104以垂直于光栅101入射，放大入射光104和压缩输出光105经过两次四分之一玻片112，压缩输出光105与原放大入射光104偏振态成90°夹角由偏振分束器113反射出，种子入射光102的透射光109在光阑110上的位置作为校准标准。

如图5所示，利用本实用新型的具体应用，种子源401发出的种子入射光102经过环形器402，种子入射光102以0°入射体光栅101，反射光经环形器402后，进入放大器403进行脉冲放大。利用本实用新型如图2所示结构，另一端的准直器107与体光栅101之间距离大于150mm，以便入射角度的调节与对准，放大入射光104以角度小于1.43°入射，调节直至初涉光校准器108标记点上，标记点为种子入射光102的透射光109在校准器108的位置，压缩出射光105在体光栅101另一端面射出，种子入射光102和放大入射光104错开入射高度。

如图5所示，利用本实用新型如图3所示结构的具体应用，种子入射光102和放大入射光104不用特意要求错开入射高度。种子源401发出的种子入射光102经过环形器402，种子入射光102以0°入射体光栅101，反射光经环形器402后，进入放大器403进行脉冲放大。放大入射光104以角度小于1.43°入射，光阑110阻挡种子入射光102的透射光109，种子入射光102的透射光109在光阑110上的位置作为校准标准，压缩出射光105在体光栅101另一端面射出，种子入射光102和放大入射光104不需要错开入射高度。

如图6所示，利用本实用新型如图4所示结构的具体应用，种子源401发出的种子入射光102经过环形器402，种子入射光1020°入射进入体光栅101，反射光经环形器402后，进入放大器403进行脉冲的放大，光阑110阻挡种子入射光102的透射光109，种子入射光102的透射光109在光阑110上的位置作为校准标准，利用本实用新型如图4所示结构，展宽后的放大入射光104垂直入射进入体光栅101，放大入射光104通过二分之一波片111改变偏振态，使得可以透过偏振分束器PBS113，放大入射光104和压缩输出光105经过两次四分之一波片112后，压缩后的压缩输出光105偏振态与初始放大入射光104偏振态成90°夹角，被PBS113成90°反射出。

Claims (4)

1.单块啁啾体光栅进行啁啾脉冲展宽与压缩的装置，包括体光栅(101)、两个带尾纤的准直器(106、107)、校准器(108)，其特征在于：两个带尾纤的准直器(106、107)分别置于体光栅(101)两端，且校准器(108)置于体光栅(101)一端，并装配为一个整体的结构(100)，且种子入射光(102)以0°入射体光栅(101)，展宽出射光(103)经体光栅(101)展宽以0°反射角反射耦合进一端准直器(106)，后进入环形器(402)；放大入射光(104)以小于1.43°入射角从体光栅(101)另一端面入射，压缩出射光(105)在体光栅(101)另一端面射出，种子入射光(102)的透射光(109)在校准器(108)的位置作为校准标准。

2.根据权利要求1所述的单块啁啾体光栅进行啁啾脉冲展宽与压缩的装置，其特征在于：种子入射光(102)和放大入射光(104)错开入射高度。

3.单块啁啾体光栅进行啁啾脉冲展宽与压缩的装置，包括体光栅(101)、两个带尾纤的准直器(106、107)、光阑(110)，其特征在于：两个带尾纤的准直器(106、107)分别置于体光栅(101)两端，且光阑(110)置于体光栅(101)一端，一个带尾纤的准直器(106)固定在光阑(110)上，并装配为一个整体的结构(100)，且光阑(110)阻挡种子入射光(102)的透射光(109)，种子入射光(102)以0°入射体光栅(101)，展宽出射光(103)经体光栅(101)展宽以0°反射角反射耦合进一端准直器(106)，后进入环形器(402)；放大入射光(104)以小于1.43°入射角从体光栅(101)另一端面入射，压缩出射光(105)在体光栅(101)另一端面射出，种子入射光(102)的透射光(109)在光阑(110)上的位置作为校准标准。

4.单块啁啾体光栅进行啁啾脉冲展宽与压缩的装置，包括包括体光栅(101)、带尾纤的准直器(106)、光阑(110)、二分之一玻片(111)，四分之一玻片(112)、偏振分束器(113)，其特征在于：带尾纤的准直器(106)、光阑(110)分别置于体光栅(101)一端，且带尾纤的准直器(106)固定在光阑(110)上，二分之一玻片(111)、四分之一玻片(112)、偏振分束器(113)置于体光栅(101)另一端，并装配为一个整体的结构(100)，且光阑(110)阻挡种子入射光(102)的透射光(109)，种子入射光(102)以0°入射体光栅(101)，展宽出射光(103)经体光栅(101)展宽以0°反射角反射耦合进一端准直器(106)，后进入环形器(402)；放大入射光(104)以垂直于光栅(101)入射，放大入射光(104)和压缩输出光(105)经过两次四分之一玻片(112)，压缩输出光(105)与原放大入射光(104)偏振态成90°夹角由偏振分束器(113)反射出，种子入射光(102)的透射光(109)在光阑(110)上的位置作为校准标准。