CN212011590U - 无限啁啾脉冲放大系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及超快光纤激光器技术领域，尤其涉及一种无限啁啾脉冲放大系统。该系统中N倍程展宽器包括第一光学镜片和展宽模块，第一光学镜片上镀有非线性可饱和膜；N倍程压缩器包括第二光学镜片和压缩模块，所述第二光学镜片上镀有非线性不可饱和膜，该系统通过重复利用色散展宽和压缩装置将脉冲展宽更大，能够指数倍的提高超快激光器的单脉冲能量；实现了只要光脉冲的峰值功率未达到要求，光脉冲就不断被反射回脉冲展宽或压缩装置，就可以无限利用其提供的色散，相当于“一本万利”，反之当光脉冲的峰值功率达到要求，就会直接透射出系统，达到人们使用的要求。

Description

无限啁啾脉冲放大系统

技术领域

本实用新型涉及超快光纤激光器技术领域，尤其涉及一种无限啁啾脉冲放大系统。

背景技术

激光物理中定义的超短脉冲是指时间尺度小于皮秒量级(1ps＝10^-12s)的电磁脉冲，照相机所使用的闪光灯，闪一次的时间大约是百分之一秒(0.01s)，如今超短激光脉冲的闪亮时间早已达到飞秒(1fs＝10^-15s)，甚至阿秒(1as＝10^-18s＝0.000000000000000001s)量级。功率的单位是瓦特W，1W＝1J/1s，当激光脉冲的能量越大，激光脉冲的时间尺度越短，对应的峰值功率就越大(即增大分子，缩小分母)，为了获得极高的峰值功率，科学家不仅需要缩短激光脉冲的时间尺度，同时还需不断放大激光脉冲的能量。超强超短激光技术的革新时刻推动着高能物理、聚变能源、精密测量、化学、材料、信息、生物医学等一批基础与前沿交叉学科的开拓和发展。

在啁啾脉冲放大技术出现之前，科学家通过调Q(Q-switching)和锁模(Mode-locking)等超快激光技术已经可以将激光脉冲从毫秒(1ms＝10^-3s)量级提高到纳秒(1ns＝10^-9s)、皮秒(1ps＝10^-12s)量级。在啁啾脉冲放大技术之后出现的克尔透镜锁模(Kerr-LensMode-Locking，KLM)技术，甚至将激光脉冲的时间尺度直接压缩到了飞秒量级，所对应的峰值功率也得到了一定的提高；但是直接放大激光脉冲的能量进一步提高峰值功率遇到了难以逾越的瓶颈，因为直接放大过程中，激光脉冲的超高峰值功率密度(功率密度＝功率/聚焦光斑的面积)极易损坏放大器中增益介质和其他透射式光学元器件(其效果类似于用放大镜把太阳光聚焦到报纸上的一个小点，很容易就能将其点燃烧毁)，其次，直接放大的激光脉冲时间尺度太短，不利于高效吸收放大增益介质中的全部能量。

随着啁啾脉冲放大技术的出现，激光聚焦功率密度实现飞跃式的提升，从CPA的基本原理图(如图1)可见，整个系统大致分为振荡器、展宽器、放大器和压缩器。其关键是:在直接输入放大器之前，先利用展宽器对振荡器输出的超短飞秒(皮秒)脉冲引入一定的色散，将脉冲宽度在时域上展宽约百万倍，至百皮秒甚至纳秒量级；这样不仅极大降低了峰值功率，而且保证了单位面积上的能量密度；然后在放大器中进行放大，这样既降低了相关元件损伤的风险，还避免了增益饱和等许多不利的非线性效应，有利于高效吸收增益介质储存能量；等获得较高的能量以后，再通过压缩器补偿色散，将脉冲宽度压缩回飞秒(皮秒)量级。

受光纤纤芯影响，即使将脉冲展宽后，由于色散量的限制，脉冲的峰值功率还是会超过光纤的非线性承受能力，导致光脉冲畸变。故现在的理论解决方案是不断提高光纤芯径，但是不断提高光纤芯径会导致光纤弯曲性能消失和光斑劣化；如果不断提高色散展宽和压缩量，所需的成本会不断增加，使系统性价比无法面对竞争优势。

实用新型内容

本实用新型针对现有的啁啾脉冲放大技术存在的上述不足，提供了一种无限啁啾脉冲放大系统，该无限啁啾脉冲放大系统解决了现有啁啾脉冲放大技术方案存在不断提高光纤芯径，但会导致光纤弯曲性能消失和光斑劣化，如果不断提高色散展宽和压缩量，所需的成本会不断增加，使系统性价比无法面对竞争优势等问题的技术难题。

为了达到上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：

一种无限啁啾脉冲放大系统，包括：

振荡器和N倍程展宽器，所述N倍程展宽器设置在所述振荡器一侧，所述N倍程展宽器用于对振荡器输出的光脉冲引入一定的色散；

放大器，所述放大器设置在所述N倍程展宽器一侧，所述放大器用于对光脉冲进行放大；

N倍程压缩器，所述N倍程压缩器设置在所述放大器一侧，所述N倍程压缩器用于补偿色散；

所述N倍程展宽器包括第一光学镜片和展宽模块，所述第一光学镜片上镀有非线性可饱和膜，所述第一光学镜片用于选择性透射低脉冲能量的光脉冲，并选择性反射高脉冲能量的光脉冲；

所述N倍程压缩器包括第二光学镜片和压缩模块，所述第二光学镜片上镀有非线性不可饱和膜，所述第二光学镜片用于选择性透射高脉冲能量的光脉冲，并选择性反射低脉冲能量的光脉冲。

N为1、2、3等自然数。

进一步地，所述非线性可饱和膜由单层石墨烯或者单壁碳纳米管制成，用于让峰值功率低于某个阈值X1的光脉冲透射，否则反射。

进一步地，所述非线性不可饱和膜由单层石墨烯或者单壁碳纳米管来制成，用于让峰值功率高于阈值X2的光脉冲透射，否则反射。

进一步地，所述第一光学镜片和展宽模块之间还设置有增益模块。

进一步地，所述N倍程展宽器还包括第一偏振分光棱镜，所述第一偏振分光棱镜和所述第一光学镜片之间还设有第一λ/4玻片。

进一步地，所述N倍程压缩器还包括第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜和所述第二光学镜片之间还设有第二λ/4玻片。

进一步地，所述第一光学镜片和第二光学镜片为透明镜片。

上述无限啁啾脉冲放大系统的工作方法，过程如下:

水平偏振的光脉冲依次经过第一偏振分光棱镜、第一λ/4玻片后，变为圆偏振光，继续经过镀有非线性可饱和膜的第一光学镜片，在第一光学镜片和展宽模块之间来回反射，多次经过展宽模块，对光脉冲进行展宽，当光脉冲峰值功率低于阈值X1时，经镀有非线性可饱和膜的第一光学镜片透射，再依次经过第一λ/4玻片、第一偏振分光棱镜反射输出，所述第一光学镜片和展宽模块之间的增益模块同时对损耗的能量进行补偿；

经放大器出来的水平偏振光脉冲依次经过第二偏振分光棱镜、第二λ/4玻片,继续经过镀有非线性不可饱和膜的第二光学镜片，在第二光学镜片和压缩模块之间来回反射，多次经过压缩模块，对光脉冲进行压缩，当光脉冲峰值功率高于阈值X2时，经镀有非线性不可饱和膜的第二光学镜片透射，再依次经过第二λ/4玻片、第二偏振分光棱镜反射输出；

当光脉冲的峰值功率未达到要求，光脉冲就不断被反射回展宽器或压缩器，无限利用其提供的色散，当光脉冲的峰值功率达到要求，就会直接透射出系统进行使用。

进一步地，所述阈值X1和阈值X2分别通过非线性可饱和膜和非线性不可饱和膜中的分子结构梳密来进行调整。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供的无限啁啾脉冲放大系统通过重复利用色散展宽和压缩装置将脉冲展宽更大，使脉冲光的峰值功率趋近于连续光的平均功率，从而使用成熟的连续光源放大链路来完成脉冲光的放大，该方法能够指数倍的提高超快激光器的单脉冲能量；采用本实用新型提供的无限啁啾脉冲放大系统，实现了只要光脉冲的峰值功率无法达到要求，光脉冲就不断被反射回脉冲展宽或压缩装置，就可以无限利用其提供的色散，相当于“一本万利”，反之当光脉冲的峰值功率达到要求，就会直接透射出系统，达到人们使用的要求。

附图说明

图1为啁啾脉冲放大系统的基本结构原理图；

图2为N倍程展宽器结构原理图；

图3为N倍程压缩器结构原理图；

图4为采用本实用新型实施例提供的无限啁啾脉冲放大系统进行脉冲光放大的仿真结果示意图；

11-第一偏振分光棱镜、12-第一λ/4玻片、13-第一光学镜片、131-非线性可饱和膜、14-增益模块、15-展宽模块、21-第二偏振分光棱镜、22-第二λ/4玻片、23-第二光学镜片、231-非线性不可饱和膜、24-压缩模块。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本实用新型进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“内”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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实用新型中的具体含义。

为了更清楚详细地介绍本实用新型实施例所提供的无限啁啾脉冲放大系统，下面将结合具体实施例进行描述。

实施例1

如图1-3所示，本实施例提供了一种无限啁啾脉冲放大系统，包括：

振荡器和N倍程展宽器，所述N倍程展宽器设置在所述振荡器一侧，所述N倍程展宽器用于对振荡器输出的光脉冲引入一定的色散；

放大器，所述放大器设置在所述N倍程展宽器一侧，所述放大器用于对光脉冲进行放大；

N倍程压缩器，所述N倍程压缩器设置在所述放大器一侧，所述N倍程压缩器用于补偿色散；

所述N倍程展宽器包括第一光学镜片13和展宽模块15，所述第一光学镜片13上镀有非线性可饱和膜131，所述第一光学镜片13用于选择性透射低脉冲能量的光脉冲，并选择性反射高脉冲能量的光脉冲；

所述N倍程压缩器包括第二光学镜片23和压缩模块24，所述第二光学镜片23上镀有非线性不可饱和膜231，所述第二光学镜片23用于选择性透射高脉冲能量的光脉冲，并选择性反射低脉冲能量的光脉冲，本实用新型实施例中N指1、2、3等自然数。

本实施例中所述非线性可饱和膜131由单层石墨烯或者单壁碳纳米管制成，用于让峰值功率低于某个阈值X1的光脉冲透射，否则反射；本实施例中镀有非线性可饱和膜的第一光学镜片也可以由一些掺杂晶体和半导体来制成，达到选择性透射低脉冲能量的光脉冲，并选择性反射高脉冲能量的光脉冲。

本实施例中所述非线性不可饱和膜231由单层石墨烯或者单壁碳纳米管来制成，用于让峰值功率高于阈值X2的光脉冲透射，否则反射；本实施例中镀有非线性不可饱和膜的第二光学镜片也可以由一些掺杂晶体和半导体来制成，选择性透射高脉冲能量的光脉冲，并选择性反射低脉冲能量的光脉冲。

因为分子晶体制成的膜存在各向异性，在制备时通过调整分子结构的朝向就能得到截然相反的膜功能；同时所述阈值X1和阈值X2分别通过非线性可饱和膜131和非线性不可饱和膜231中的分子结构梳密来进行调整。

考虑到晶体的信号光的吸收导致能量衰减，本实施例中所述第一光学镜片13和展宽模块15之间还设置有增益模块14，用于对损耗的能量进行补偿。

本实施例中所述N倍程展宽器还包括第一偏振分光棱镜11，所述第一偏振分光棱镜11和所述第一光学镜片13之间还设有第一λ/4玻片12。

本实施例中所述N倍程压缩器还包括第二偏振分光棱镜21，所述第二偏振分光棱镜21和所述第二光学镜片23之间还设有第二λ/4玻片22。

本实施例中所述第一光学镜片13和第二光学镜片23为透明镜片。

本实施例中所述无限啁啾脉冲放大系统的工作方法，过程如下:

水平偏振的光脉冲依次经过第一偏振分光棱镜11、第一λ/4玻片12后，变为圆偏振光，继续经过镀有非线性可饱和膜131的第一光学镜片13，在第一光学镜片13和展宽模块15之间来回反射，多次经过展宽模块15，对光脉冲进行展宽，当光脉冲峰值功率低于阈值X1时，经镀有非线性可饱和膜131的第一光学镜片13透射，再依次经过第一λ/4玻片12、第一偏振分光棱镜11反射输出，所述第一光学镜片13和展宽模块15之间的增益模块14同时对损耗的能量进行补偿；

经放大器出来的水平偏振光脉冲依次经过第二偏振分光棱镜21、第二λ/4玻片22,继续经过镀有非线性不可饱和膜231的第二光学镜片23，在第二光学镜片23和压缩模块24之间来回反射，多次经过压缩模块24，对光脉冲进行压缩，当光脉冲峰值功率高于阈值X2时，经镀有非线性不可饱和膜231的第二光学镜片23透射，再依次经过第二λ/4玻片22、第二偏振分光棱镜21反射输出；

当光脉冲的峰值功率未达到要求，光脉冲就不断被反射回展宽器或压缩器，无限利用其提供的色散，相当于“一本万利”，当光脉冲的峰值功率达到要求，就会直接透射出系统进行使用，即只要合理设置X1和X2值，光脉冲就可以无限展宽和压缩，使光脉冲的峰值功率低于光纤可承受能力。

本实施例中所述阈值X1和阈值X2分别通过非线性可饱和膜131和非线性不可饱和膜231中的分子结构梳密来进行调整，所述阈值X1是根据后一级放大系统所能承受的最高峰值功率进行设置的，当后一级放大系统需要调整不同平均功率输出时而改变光纤的长度、粗细和放大倍率时，那么放大系统所能承受的最高峰值功率将发生变化，我们将修改X1值以适应放大系统的承受极限，通常当提高平均功率时需要降低阈值X1，所述阈值X2根据用户所需要的峰值功率来设置，在相同成本下用户一般需要更大的峰值功率，但前提是后续光学元件不至于被这种高峰值功率的光脉冲损坏。

如图4为采用本实用新型实施例提供的无限啁啾脉冲放大系统进行脉冲光放大的仿真结果示意图，500倍程展宽的峰值功率是1倍程的1/455，那么在相同放大链路条件下，能够承受的单脉冲能量将提高455倍，本实用新型实施例提供的无限啁啾脉冲放大系统通过重复利用色散展宽和压缩装置将脉冲展宽更大，使脉冲光的峰值功率趋近于连续光的平均功率，从而使用成熟的连续光源放大链路来完成脉冲光的放大，该方法能够指数倍的提高超快激光器的单脉冲能量；实现了只要光脉冲的峰值功率无法达到要求，光脉冲就不断被反射回脉冲展宽或压缩装置，就可以无限利用其提供的色散，相当于“一本万利”，反之当光脉冲的峰值功率达到要求，就会直接透射出系统，达到人们使用的要求。

Claims (7)

1.一种无限啁啾脉冲放大系统，其特征在于：所述无限啁啾脉冲放大系统包括：

振荡器和N倍程展宽器，所述N倍程展宽器设置在所述振荡器一侧，所述N倍程展宽器用于对振荡器输出的光脉冲引入一定的色散；

放大器，所述放大器设置在所述N倍程展宽器一侧，所述放大器用于对光脉冲进行放大；

N倍程压缩器，所述N倍程压缩器设置在所述放大器一侧，所述N倍程压缩器用于补偿色散；

所述N倍程展宽器包括第一光学镜片(13)和展宽模块(15)，所述第一光学镜片(13)上镀有非线性可饱和膜(131)，所述第一光学镜片(13)用于选择性透射低脉冲能量的光脉冲，并选择性反射高脉冲能量的光脉冲；

所述N倍程压缩器包括第二光学镜片(23)和压缩模块(24)，所述第二光学镜片(23)上镀有非线性不可饱和膜(231)，所述第二光学镜片(23)用于选择性透射高脉冲能量的光脉冲，并选择性反射低脉冲能量的光脉冲。

2.根据权利要求1所述无限啁啾脉冲放大系统，其特征在于：所述非线性可饱和膜(131)由单层石墨烯或者单壁碳纳米管制成，用于让峰值功率低于某个阈值X1的光脉冲透射，否则反射。

3.根据权利要求1所述无限啁啾脉冲放大系统，其特征在于：所述非线性不可饱和膜(231)由单层石墨烯或者单壁碳纳米管来制成，用于让峰值功率高于阈值X2的光脉冲透射，否则反射。

4.根据权利要求1所述无限啁啾脉冲放大系统，其特征在于：所述第一光学镜片(13)和展宽模块(15)之间还设置有增益模块(14)。

5.根据权利要求1所述无限啁啾脉冲放大系统，其特征在于：所述N倍程展宽器还包括第一偏振分光棱镜(11)，所述第一偏振分光棱镜(11)和所述第一光学镜片(13)之间还设有第一λ/4玻片(12)。

6.根据权利要求1所述无限啁啾脉冲放大系统，其特征在于：所述N倍程压缩器还包括第二偏振分光棱镜(21)，所述第二偏振分光棱镜(21)和所述第二光学镜片(23)之间还设有第二λ/4玻片(22)。

7.根据权利要求1所述无限啁啾脉冲放大系统，其特征在于：所述第一光学镜片(13)和第二光学镜片(23)为透明镜片。

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