一种mJ量级高重频全光纤飞秒激光器及方法技术

本发明专利技术属于激光器技术领域，并具体公开了一种mJ量级高重频全光纤飞秒激光器及方法。该高能飞秒激光系统包括纳秒种子源1、棒状光子晶体光纤放大器2、脉冲选择器3、单晶光纤放大器4和脉冲压缩器5，该激光器采用棒状光子晶体光纤、单晶光纤两种新型增益介质进行级联放大，并在棒状光子晶体光纤与单晶光纤中分别采用圆偏振信号光与发散信号光入射，在单链路全光纤系统中实现mJ量级飞秒脉冲输出。本发明专利技术在单链路全光纤系统中实现mJ量级飞秒脉冲输出，具有结构紧凑、操作与维护简单等特点。操作与维护简单等特点。操作与维护简单等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种mJ量级高重频全光纤飞秒激光器及方法


[0001]本专利技术属于激光器
，更具体地，涉及一种mJ量级高重频全光纤飞秒激光器及方法。

技术介绍

[0002]光纤激光器具有光束质量好、效率高、散热特性好、便于集成等优势，向来颇受关注。但受限于微米量级的光纤芯径，高能飞秒脉冲激光在光纤中传输或放大过程中，强烈的非线性效应会导致脉冲发生畸变，极大的限制了脉冲峰值功率和脉冲能量的进一步提升。
[0003]啁啾脉冲放大技术（CPA）与大模场光子晶体光纤结合分别从时域与空域上降低脉冲峰值功率密度，降低非线性积累的同时保证高光束质量输出，适用于高能飞秒脉冲放大。目前，商用光子晶体光纤最大模场面积～3300um2，是由丹麦NKT photonics 公司生产的aeroGAIN
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ROD module。2019年加拿大多伦多大学C.P.K. Manchee等人，采用棒状光子晶体光纤（aeroGAIN
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ROD module）进行放大，单路输出400uJ、脉宽800ps、压缩后脉宽330fs，这也是aeroGAIN
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ROD module单路脉冲能量的最高水平。
[0004]单晶光纤作为一种新型增益介质，直径从400μm到1mm不等，长度只有几个厘米。与光子晶体光纤相比，其模场面积有了极大提高。且单晶光纤的受激拉曼阈值比传统石英玻璃光纤高五倍有余，可以有效降低系统非线性，能够达到光纤难以达到的峰值功率和脉冲能量。
[0005]综上，采用啁啾脉冲放大技术，结合棒状光子晶体光纤与单晶光纤级联放大器，是实现高能飞秒脉冲输出的一种有效手段。
[0006]棒状光子晶体光纤输出能量的限制在于系统的非线性积累。用B积分来定义非线性相移的大小，它与非线性折射系数成正比：。其中， I(z)是光纤中的脉冲峰值功率强度，L是光纤长度。通常认为，当B积分小于π时，整个系统近似一个线性放大，而当大于π时，表明脉冲处于非线性放大过程。由此可见，随着非线性折射系数减小，相应的B积分也会减小。
[0007]单晶光纤输出能量的限制在于单晶光纤输出端抗反射涂层的击穿，击穿主要原因有两个方面：（1）反射涂层有缺陷或表面有污染，击穿阈值功率密度将会降低，从而限制输出能量；（2）由于热透镜效应，随着脉冲在单晶光纤中传输的光斑直径减小，激光峰值功率密度增大，从而击穿输出表面。前者可以人为避免，后者仅能想办法补偿热透镜效应的影响。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种mJ量级高重频全光纤飞秒激光器及方法，其中结合激光器自身的特征及其脉冲激光放大工艺特点，相应设计了mJ
量级高重频全光纤飞秒激光器，并对其关键组件如纳秒种子源、棒状光子晶体光纤放大器、脉冲选择器、单晶光纤放大器和脉冲压缩器的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可采用棒状光子晶体光纤、单晶光纤两种新型增益介质进行级联放大，并在棒状光子晶体光纤与单晶光纤中分别采用圆偏振信号光与发散信号光入射，在单链路全光纤系统中实现mJ量级飞秒脉冲输出。整个放大系统结构紧凑、操作与维护简单。
[0009]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提出了一种mJ量级高重频全光纤飞秒激光器，包括沿光路依次布置的纳秒种子源、棒状光子晶体光纤放大器、脉冲选择器、单晶光纤放大器和脉冲压缩器，其中，所述纳秒种子源用于输出可压缩至飞秒量级的纳秒脉冲；所述棒状光子晶体光纤放大器用于对圆偏振信号光进行单通放大；所述脉冲选择器用于改变单通放大后信号光的偏振方向；所述单晶光纤放大器，用于对发散信号光进行双通放大，选择合适的入射信号光光束发散度，以补偿单晶光纤的热透镜效应对光斑尺寸的影响，使单晶光纤的输入端与输出端光斑直径相同，以降低激光峰值功率密度，进一步提高单脉冲放大能力；脉冲压缩器，用于补偿整个激光器的二阶色散与三阶色散，以输出mJ量级高重频飞秒脉冲激光。
[0010]作为进一步优选的，所述纳秒种子源由振荡器经过大色散量的啁啾光纤布拉格光栅展宽后，再经过多级柔性光纤放大获得。
[0011]作为进一步优选的，所述棒状光子晶体光纤放大器包括第一信号光耦合模块、棒状光子晶体光纤模块以及第一泵浦光源模块，所述第一信号光耦合模块用于将纳秒种子源的纳秒脉冲耦合后输入棒状光子晶体光纤模块，所述第一泵浦光源模块用于向所述棒状光子晶体光纤模块注入泵浦光。
[0012]作为进一步优选的，所述第一信号光耦合模块包括沿光路依次布置的第一隔离器、第一二向色镜、第一信号光耦合镜组以及第二二向色镜；所述棒状光子晶体光纤模块包括沿光路依次布置的第一四分之一波片、棒状光子晶体光纤、第二四分之一波片、第二隔离器，所述第二二向色镜的输出光进入第一四分之一波片；所述第一泵浦光源模块包括依沿光路依次布置的第一泵浦源、第一泵浦光耦合镜组以及第三二向色镜，所述第三二向色镜的输出泵浦光进入棒状光子晶体光纤；所述信号光经过棒状光子晶体光纤进行单通放大后输出圆偏振光，再经过第二四分之一波片，由圆偏振变为水平偏振。
[0013]作为进一步优选的，所述脉冲选择器包括电光调制器以及电光调制器的驱动、选单器，采用大口径BBO晶体作为所述电光调制器的晶体，通过调控应用到BBO晶体上的电压来改变信号光的偏振方向，使重复频率由200kHz降至20kHz，输出单脉冲能量＞350uJ。
[0014]作为进一步优选的，所述单晶光纤放大器包括第二信号光耦合模块、单晶光纤模块、第二泵浦光源模块以及高功率偏振分束器，所述第二信号光耦合模块用于对脉冲选择器输出的信号光进行耦合，信号光在单晶光纤模块输入端前面聚焦后输入单晶光纤模块，所述第二泵浦光源模块输出的泵浦光进入单晶光纤模块中，和信号光进行双通放大后反射至高功率偏振分束器后输出。
[0015]作为进一步优选的，所述单晶光纤模块包括沿光路依次布置的单晶光纤、第三四分之一半波片以及0
°
入射反射镜；所述第二信号光耦合模块包括沿光路依次布置的第四二向色镜、第二信号光耦合镜组以及第五二向色镜；所述第二泵浦光源模块包括依次设置的第二泵浦源、第二泵浦光耦合镜组以及第六二向色镜。
[0016]作为进一步优选的，所述脉冲压缩器包括啁啾体布拉格光栅和透射式光栅对，其中，所述啁啾体布拉格光栅用于对脉冲激光进行粗略色散匹配，所述透射式光栅对用于对脉冲激光进行精细色散匹配。
[0017]按照本专利技术的另一个方面，还提供了一种mJ量级高重频全光纤飞秒激光输出方法，采用上述的mJ量级高重频全光纤飞秒激光器实现，包括：采用纳秒种子源输出可压缩至飞秒量级的纳秒脉冲；采用棒状光子晶体光纤放大器对圆偏振信号光进行单通放大；采用所述脉冲选择器改变单通放大后信号光的偏振方向；采用单晶光纤放大器对发散信号光进行双通放大，选择合适的入射信号光光束发散度，以补偿单晶光纤的热透镜效应对光斑尺寸的影响，使单晶光纤的输入端与输出端光斑直径相同，以降低激光峰值功率密度，进一步提高单脉冲放大能力；采用脉冲压缩器补偿整个激本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种mJ量级高重频全光纤飞秒激光器，其特征在于，包括沿光路依次布置的纳秒种子源（1）、棒状光子晶体光纤放大器（2）、脉冲选择器（3）、单晶光纤放大器（4）和脉冲压缩器（5），其中，所述纳秒种子源（1）用于输出可压缩至飞秒量级的纳秒脉冲；所述棒状光子晶体光纤放大器（2）用于对圆偏振信号光进行单通放大；所述脉冲选择器（3）用于改变单通放大后信号光的偏振方向；所述单晶光纤放大器（4），用于对发散信号光进行双通放大，选择合适的入射信号光光束发散度，以补偿单晶光纤的热透镜效应对光斑尺寸的影响，使单晶光纤的输入端与输出端光斑直径相同，以降低激光峰值功率密度，进一步提高单脉冲放大能力；脉冲压缩器（5），用于补偿整个激光器的二阶色散与三阶色散，以输出mJ量级高重频飞秒脉冲激光。2.根据权利要求1所述的一种mJ量级高重频全光纤飞秒激光器，其特征在于，所述纳秒种子源（1）由振荡器经过大色散量的啁啾光纤布拉格光栅展宽后，再经过多级柔性光纤放大获得。3.根据权利要求1所述的一种mJ量级高重频全光纤飞秒激光器，其特征在于，所述棒状光子晶体光纤放大器（2）包括第一信号光耦合模块、棒状光子晶体光纤模块以及第一泵浦光源模块，所述第一信号光耦合模块用于将纳秒种子源（1）的纳秒脉冲耦合后输入棒状光子晶体光纤模块，所述第一泵浦光源模块用于向所述棒状光子晶体光纤模块注入泵浦光。4.根据权利要求2所述的一种mJ量级高重频全光纤飞秒激光器，其特征在于，所述第一信号光耦合模块包括沿光路依次布置的第一隔离器（0011）、第一二向色镜（0021）、第一信号光耦合镜组以及第二二向色镜（0022）；所述棒状光子晶体光纤模块包括沿光路依次布置的第一四分之一波片（0061）、棒状光子晶体光纤（008）、第二四分之一波片（0062）、第二隔离器（0012），所述第二二向色镜（0022）的输出光进入第一四分之一波片（0061）；所述第一泵浦光源模块包括依沿光路依次布置的第一泵浦源（005）、第一泵浦光耦合镜组以及第三二向色镜（0023），所述第三二向色镜（0023）的输出泵浦光进入棒状光子晶体光纤（008）；所述信号光经过棒状光子晶体光纤（008）进行单通放大后输出圆偏振光，再经过第二四分之一波片（0062），由圆偏振变为水平偏振。5.根据权利要求1所述的一种mJ量级高重频全光纤飞秒激光器，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：石文静，崔庆哲，刘示林，胡阿健，武春风，李强，姜永亮，宋祥，刘厚康，胡金萌，
申请(专利权)人：武汉光谷航天三江激光产业技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：