CN215221259U - 一种亚百飞秒光纤激光脉冲产生装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种亚百飞秒光纤激光脉冲产生装置，包括振荡器、色散管理器、功率主放大器和脉冲压缩器，所述振荡器用于提供种子光，所述色散管理器包括光纤环形器、啁啾光纤光栅和单模光纤放大器，所述种子光由光纤环形器的输入端进入啁啾光纤光栅，经啁啾光纤光栅反射后由输出端进入单模光纤放大器，得到信号光；所述单模光纤放大器的输出端与功率主放大器输入端连接，用于对所述信号光进行功率放大，所述功率主放大器的输出端与脉冲压缩器连接；本实用新型能够解决现有技术中空间光路较多、体积较大、难以集成化处理等问题。

Description

一种亚百飞秒光纤激光脉冲产生装置

技术领域

本实用新型属于激光技术领域，具体涉及一种亚百飞秒光纤激光脉冲产生装置。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

光纤激光是一种区别于传统固体、半导体激光的新型激光技术，具有结构紧凑，稳定性高，光束质量好，易维护等优点。随着超快时间分辨、宽带太赫兹产生、飞秒光学频率梳、超快瞬态现象的研究发展需求，人们急需稳定可靠的飞秒激光光源，产生高质量的飞秒激光脉冲已迫在眉睫。

激光脉冲在纤芯为微米量级的光纤中传输时引起高非线性相位累积是导致脉冲畸变、时间宽度难以进一步变窄的主要原因。啁啾脉冲放大是一种从时间上解决脉冲传输过程中高非线性相位累积的技术，它的核心是在脉冲功率提升之前使用色散光纤或者空间光栅等色散元件将种子光脉冲宽度拓宽，以达到降低脉冲峰值功率的目的，在功率放大之后再使用反常色散元件进行补偿以获得超短脉冲输出。

与之相反的，利用光纤非线性效应直接进行功率放大的自相似脉冲放大技术和非线性放大技术也是获得飞秒激光脉冲输出的有效途径。自相似脉冲在放大过程中可以主动利用光纤的非线性效应展宽光谱，在脉冲峰值功率、时域宽度和频谱宽度指数增长的同时可保持抛物线形不变，引入线性啁啾，在功率放大后采用简单的反常色散元件进行去啁啾处理后即可获得高质量的亚百飞秒脉冲。在此基础上演化来的预啁啾管理自相似放大技术也是获得亚百飞秒脉冲的另一种方法。

现有技术的缺点及本申请提案要解决的技术问题

在啁啾脉冲放大技术研究中，受限于增益光纤的增益带宽以及其回避光纤非线性效应的特点，最终导致光谱展宽量受限，难以获得200fs以下的激光脉冲，展宽器与压缩器色散失配引起的残余高阶色散累积大大降低了压缩脉冲的质量。此外，为了尽可能拉伸种子光脉冲时间，通常需要大量的色散累积。单模光纤的色散系数比较低，为了达到拉伸脉冲的目的通常需要数百米至上千米长的光纤，这无疑增加了激光系统的复杂度，不利于整机集成。空间衍射光栅色散系数较大可以很好地展宽脉冲，但是过多的空间光路不仅降低了系统的稳定性还破坏了光纤激光器的紧凑性。

在自相似脉冲放大技术研究中通常采用空间型的偏转旋转锁模激光器作为振荡器，这种振荡器空间光路较多，结构复杂，稳定性不高，难以集成得到稳定紧凑的光纤激光整机设备。此外，为实现理想的抛物线形脉冲演化还需要足够长的低增益光纤来进行脉冲传输，较长的光纤会增加拉曼散射效应，限制自相似放大器能量的进一步提升。预啁啾管理自相似脉冲放大技术虽然可以通过预啁啾管理提高脉冲能量使脉冲在较短的光纤中实现抛物线形演化，但预啁啾管理器一般是空间光栅对或空间光栅与棱镜组成的棱栅结构，这种预啁啾管理器空间结构复杂，体积过大，对光路搭建的精度要求较高，通用性较差，同样不利于系统化集成。

发明内容

本实用新型提出了一种亚百飞秒光纤激光脉冲产生装置，本实用新型能够解决现有技术中空间光路较多、体积较大、难以集成化处理等问题。

根据一些实施例，本实用新型采用如下技术方案：

一种亚百飞秒光纤激光脉冲产生装置，包括振荡器、色散管理器、功率主放大器和脉冲压缩器，其中：

所述振荡器用于提供种子光，所述色散管理器包括光纤环形器、啁啾光纤光栅和单模光纤放大器，所述种子光由光纤环形器的输入端进入啁啾光纤光栅，经啁啾光纤光栅反射后由输出端进入单模光纤放大器，得到信号光；

所述单模光纤放大器的输出端与功率主放大器输入端连接，用于对所述信号光进行功率放大，所述功率主放大器的输出端与脉冲压缩器连接。

作为可选择的实施方式，所述振荡器包括半导体可饱和吸收体、第一单模激光二极管、第一增益光纤、保偏分束器和第一啁啾光纤光栅，所述半导体可饱和吸收体与第一增益光纤连接，且第一增益光纤在第一单模激光二极管的泵浦下激发出信号波长，所述第一增益光纤连接有保偏分束器，所述保偏分束器用于将一部分激光输出到腔外，另一部分激光输入到第一啁啾光纤光栅中，经第一啁啾光纤光栅反射后在腔内振荡。

作为进一步的限定，所述第一增益光纤是纤芯外设有包层的单模掺镱光纤。

作为进一步的限定，所述保偏分束器的分束比为9:1，其中10％的激光输出到腔外，90％的激光输入到第一啁啾光纤光栅中。

作为可选择的实施方式，所述色散管理器包括光纤环形器、第二啁啾光纤光栅、第二单模激光二极管、波分复用器和第二增益光纤，所述光纤环形器的尾纤为保偏结构，种子光由输入端进入第二啁啾光纤光栅，再经第二啁啾光纤光栅反射后由输出端进入单模光纤放大器；第二单模激光二极管输出的连续泵浦激光与光纤环形器输出的种子光经波分复用器合在一起，共同进入第二增益光纤中进行功率放大。

作为进一步的限定，所述第二啁啾光纤光栅与第一啁啾光纤光栅结构相同，为周期沿光纤的轴向不断变化的携带一定负色散量的光栅。

作为可选择的实施方式，所述功率主放大器为全光纤结构。

作为可选择的实施方式，所述功率主放大器包括保偏光纤隔离器、第一多模激光二极管、第二多模激光二极管、光纤合束器、光子晶体光纤和非球面透镜，所述保偏光纤隔离器接收携带预啁啾的种子光，对其进行单向传输并隔离回返光，光纤合束器的信号端口与保偏光纤隔离器连接，一个泵浦端与第一多模激光二极管连接、另一个泵浦端与第二多模激光二极管连接，输出端与光子晶体光纤熔接，光子晶体光纤输出的激光经非球面透镜准直成空间平行光束传输。

作为进一步的限定，所述光子晶体光纤沿慢轴水平方向盘绕放置，且光子晶体光纤输出端熔接无芯光纤，并进行一定切角处理，以增加光纤端面损伤阈值降低端面自聚焦。

作为进一步的限定，所述光子晶体光纤为双包层结构。

作为可选择的实施方式，所述脉冲压缩器包括第一半波片、空间隔离器、第二半波片、第一透射光栅和第二透射光栅，第一半波片接收所述功率主放大器的输出信号光，空间隔离器设置于第一半波片后方，经空间隔离器后信号光依次经过第二半波片、第一反射镜进入第一透射光栅和第二透射光栅进行脉冲压缩，脉冲压缩的光经过0°反射镜反射回原光路，进行第二次脉冲压缩。

作为可选择的实施方式，第一透射光栅和第二透射光栅之间的间距可调，通过调节所述间距，调节系统净色散量。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型使用啁啾光纤光栅与单模光纤放大器组成的全光纤化色散管理器引入预啁啾，与空间型的光栅对或棱栅结构的色散管理器相比较，结构紧凑，操作简便，有利于小型化集成；

本实用新型通过调整单模光纤放大器的放大量，或者与不同色散量的啁啾光纤光栅搭配，可实现不同啁啾量的精确调节与引入，通用性更好。

本实用新型的啁啾光纤光栅与单模光纤放大器组合成的全光纤色散管理器在精确调节预啁啾的同时兼具光脉冲功率预放大功能，可减少多级功率预放大结构的使用，简化光路。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1是本实用新型的亚百飞秒光纤激光脉冲产生装置；

图2是本实用新型的啁啾光纤光栅结构示意图；

图3是本实用新型的输出脉冲示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本实用新型中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本实用新型各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本实用新型中任一部件或元件，不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本实用新型中的具体含义，不能理解为对本实用新型的限制。

本实施例为解决背景技术提出的问题，提供了一种结构紧凑，操作简便，性能稳定，可集成化处理的亚百飞秒光纤激光脉冲产生装置。

该亚百飞秒光纤激光脉冲产生装置采用可饱和吸收体与啁啾光纤组成的全光纤化锁模振荡器作为种子源。在功率主放大之前使用啁啾光纤光栅与单模掺镱光纤放大器组成的全光纤化色散管理器进行预啁啾管理，预先引入一定啁啾量，增强功率主放大过程中的自相位调制和色散的相互作用，从而获得突破增益带宽限制的宽光谱脉冲输出。在空间光栅对高效色散补偿后得到高质量的亚百飞秒激光脉冲输出。通过调节色散管理器中的单模掺镱光纤放大器可实现预啁啾量调节，使功率主放大过程中的高阶色散得到部分补偿，有利于获得高质量的亚百飞秒脉冲输出。

本装置中的振荡器、预啁啾管理器、功率放大器均为全保偏光纤结构，大大提高了系统的稳定性、紧凑性与可集成性。

为使本领域技术人员更加清楚本装置的结构，利用实施例进行描述，但本领域技术人员应当知道，本实用新型的保护范围，并不仅限于本实施例。

如图1所示，亚百飞秒光纤激光脉冲产生装置结构主要包括振荡器100、色散管理器110、功率主放大器120、脉冲压缩器130。

全光纤结构的振荡器为亚百飞秒脉冲产生提供了稳定可靠的种子光。半导体可饱和吸收体1001和啁啾光纤光栅1005作为腔镜组成了激光谐振腔。半导体可饱和吸收体1001具有强度相关的损耗特性，通过吸收弱光，反射强光实现脉冲宽度不断窄化，促使振荡器达到稳定锁模状态。

在本实施例中，第一增益光纤1003是纤芯直径6um，包层直径125um的单模掺镱光纤，在最大输出功率360mW，中心波长976nm的第一单模激光二极管1002的泵浦下激发出信号波长；保偏分束器1004的分束比为9:1，其中10％的激光输出到腔外，90％的激光输入到第一啁啾光纤光栅1005中，经第一啁啾光纤光栅1005反射后在腔内振荡。啁啾光纤光栅是一种周期沿光纤的轴向不断变化的光栅，其结构示意图如图2所示。

在本实施例中，第一啁啾光纤光栅1005中心波长为1030nm，反射带宽为20nm，携带负色散总量为0.2ps/nm。由增益光纤激发的宽谱种子光进入啁啾光纤光栅后，不同频率成分的种子光在光栅不同位置被反射，从而达到补偿色散，窄化脉冲的目的。最终振荡器可在36MHz重频下输出平均功率10mW，光谱宽度15.6nm的稳定种子光。

色散管理器由光纤环形器1101、第二啁啾光纤光栅1102、第二单模激光二极管1103、波分复用器1104、第二增益光纤1105组成。

光纤环形器1101尾纤为保偏结构，具有3个端口，种子光由输入端进入第二啁啾光纤光栅1102，再经第二啁啾光纤光栅反射后由输出端进入单模光纤放大器。

在本实施例中，第二啁啾光纤光栅1102与第一啁啾光纤光栅结构相同，携带负色散量为0.42ps/nm。第二单模激光二极管1103的中心波长为976nm，最大输出功率为400mW。

第二单模激光二极管1103输出的连续泵浦激光与光纤环形器1101输出的种子光经波分复用器1104合在一起，共同进入第二增益光纤中进行功率放大。

在本实施例中，第二增益光纤1105同样是纤芯直径6um，包层直径125um的单模掺镱光纤，长度为1.3m。通过控制第二单模激光二极管1103的输出功率可以控制单模光纤放大器的功率放大量与色散累积量，从而改变整个色散管理器引入的预啁啾量。实现预啁啾量的简便调节与精准优化。全光纤化的色散管理器较棱栅压缩器性能更加稳定，通用性更好，结构紧凑更利于系统集成化处理。

功率主放大器也是全光纤结构，携带预啁啾的种子光经保偏光纤隔离器1201进入功率主放大器，保偏光纤隔离器1201中心波长为1030nm，隔离度>30dB，可实现光脉冲单向传输并隔离回返光。

在本实施例中，1202和1203分别为第一、第二多模激光二极管，中心波长976nm，最高输出功率9W，尾纤纤芯直径105um，包层直径125um。(2+1)*1光纤合束器1204具有四个端口，其中信号端接入种子光，两个泵浦端与第一、第二多模激光二极管相连，输出端与光子晶体光纤1205低损耗熔接。

在本实施例中，光子晶体光纤1205长度为1.5m，沿慢轴水平方向盘绕放置，能有效滤除高阶模，保证信号光单模传输。光子晶体光纤输出端熔接无芯光纤，并切8°角处理，用以增加光纤端面损伤阈值降低端面自聚焦。该光子晶体光纤型号为DC-135/14-PM-Yb，纤芯直径14um，内包层直径135um，与普通单模掺镱光纤相比，其优势在于独特的双包层结构使大功率泵浦激光在传输过程中来回穿越纤芯，增大了泵浦光与种子光的作用距离，提高了泵浦光转化效率。光子晶体光纤输出的高功率激光经非球面透镜1206准直成空间平行光束传输。非球面透镜1206焦距为8mm，表面具有增透膜结构可降低损耗。

功率主放大后的高功率光脉冲经第一半波片1301后进入空间隔离器1302，该空间隔离器具有单向通过性，可保护前一级光路不受回返光损伤。旋转第一半波片1301可改变脉冲激光偏振方向，提高通过率。经空间隔离器后光脉冲由第二半波片1303后的45°反射镜1304上方穿过，进入第一透射光栅1305和第二透射光栅1306进行脉冲压缩。其原理基于光栅的衍射效应，经光栅后脉冲中不同频率成分传输路径不同，各频率成分间具有光程差就可达到补偿色散，压缩脉冲宽度的目的。

在本实施例中，第一透射光栅1305和第二透射光栅1306刻线密度为1250line/mm，两光栅以利特罗角平行放置，旋转第二半波片1303改变光脉冲偏振方向，可以使光栅压缩器获得最大衍射效率。脉冲激光经第一透射光栅后，不同频率成分沿扇形分散传输，经第二透射光栅后不同频率成分重新合束成点光源，经0°反射镜1307反射回原光路，进行第二次脉冲压缩，这样可以增加光栅提供的色散量，减小光栅对间距，使结构更紧凑。

在本实施例中，将0°反射镜1307的角度略微下压可使压缩后的飞秒激光经45°反射镜1304反射后输出。通过调节透射光栅对之间的间距并优化色散管理器的预啁啾量，最终可获得平均功率4.1W，脉冲宽度58fs的稳定亚百飞秒激光脉冲。

本实施例利用预啁啾管理非线性放大技术在中低功率输出情况下获得高质量的亚百飞秒激光脉冲，脉冲宽度可低至58fs。使用啁啾光纤光栅与单模光纤放大器组成的全光纤化色散管理器引入预啁啾，通过调节单模光纤放大器的放大量实现预啁啾量的连续精确调节，有利于获得高质量亚百飞秒脉冲。

上述实施例的各元件的选型、相应参数都可以根据要求或具体场景进行更换，并不限定于上述实施例。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种亚百飞秒光纤激光脉冲产生装置，其特征是：包括振荡器、色散管理器、功率主放大器和脉冲压缩器，其中：

所述振荡器用于提供种子光，所述色散管理器包括光纤环形器、啁啾光纤光栅和单模光纤放大器，所述种子光由光纤环形器的输入端进入啁啾光纤光栅，经啁啾光纤光栅反射后由输出端进入单模光纤放大器，得到信号光；

所述单模光纤放大器的输出端与功率主放大器输入端连接，用于对所述信号光进行功率放大，所述功率主放大器的输出端与脉冲压缩器连接。

2.如权利要求1所述的一种亚百飞秒光纤激光脉冲产生装置，其特征是：所述振荡器包括半导体可饱和吸收体、第一单模激光二极管、第一增益光纤、保偏分束器和第一啁啾光纤光栅，所述半导体可饱和吸收体与第一增益光纤连接，且第一增益光纤在第一单模激光二极管的泵浦下激发出信号波长，所述第一增益光纤连接有保偏分束器，所述保偏分束器用于将一部分激光输出到腔外，另一部分激光输入到第一啁啾光纤光栅中，经第一啁啾光纤光栅反射后在腔内振荡。

3.如权利要求2所述的一种亚百飞秒光纤激光脉冲产生装置，其特征是：所述第一增益光纤是纤芯外设有包层的单模掺镱光纤；

或，所述保偏分束器的分束比为9:1，其中10％的激光输出到腔外，90％的激光输入到第一啁啾光纤光栅中。

4.如权利要求1所述的一种亚百飞秒光纤激光脉冲产生装置，其特征是：所述色散管理器包括光纤环形器、第二啁啾光纤光栅、第二单模激光二极管、波分复用器和第二增益光纤，所述光纤环形器的尾纤为保偏结构，种子光由输入端进入第二啁啾光纤光栅，再经第二啁啾光纤光栅反射后由输出端进入单模光纤放大器；第二单模激光二极管输出的连续泵浦激光与光纤环形器输出的种子光经波分复用器合在一起，共同进入第二增益光纤中进行功率放大。

5.如权利要求4所述的一种亚百飞秒光纤激光脉冲产生装置，其特征是：所述第二啁啾光纤光栅与第一啁啾光纤光栅结构相同，为周期沿光纤的轴向不断变化的携带一定负色散量的光栅。

6.如权利要求1所述的一种亚百飞秒光纤激光脉冲产生装置，其特征是：所述功率主放大器为全光纤结构；

或，所述功率主放大器包括保偏光纤隔离器、第一多模激光二极管、第二多模激光二极管、光纤合束器、光子晶体光纤和非球面透镜，所述保偏光纤隔离器接收携带预啁啾的种子光，对其进行单向传输并隔离回返光，光纤合束器的信号端口与保偏光纤隔离器连接，一个泵浦端与第一多模激光二极管连接、另一个泵浦端与第二多模激光二极管连接，输出端与光子晶体光纤熔接，光子晶体光纤输出的激光经非球面透镜准直成空间平行光束传输。

7.如权利要求6所述的一种亚百飞秒光纤激光脉冲产生装置，其特征是：所述光子晶体光纤沿慢轴水平方向盘绕放置，且光子晶体光纤输出端熔接无芯光纤，并进行一定切角处理，以增加光纤端面损伤阈值降低端面自聚焦。

8.如权利要求6所述的一种亚百飞秒光纤激光脉冲产生装置，其特征是：所述光子晶体光纤为双包层结构。

9.如权利要求1所述的一种亚百飞秒光纤激光脉冲产生装置，其特征是：所述脉冲压缩器包括第一半波片、空间隔离器、第二半波片、第一透射光栅和第二透射光栅，第一半波片接收所述功率主放大器的输出光脉冲，空间隔离器设置于第一半波片后方，经空间隔离器后光脉冲依次经过第二半波片、一反射镜进入第一透射光栅和第二透射光栅进行脉冲压缩，脉冲压缩的光经过0°反射镜反射回原光路，进行第二次脉冲压缩。

10.如权利要求1所述的一种亚百飞秒光纤激光脉冲产生装置，其特征是：第一透射光栅和第二透射光栅之间的间距可调，通过调节所述间距，调节系统净色散量。

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