240fs全光纖啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及激光技術領域，具體涉及一種240fs全光纖啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括沿光路依次設置的信號激光源、光纖放大器和光柵壓縮器。信號激光源為全光纖鎖模振蕩器；光纖放大器采用MOPA級聯(lián)放大結構，包括兩級以上纖芯直徑逐級遞增的增益光纖；光柵壓縮器包括沿光路依次設置的準直透鏡、分光棱鏡、二分之一波片、第一光柵、第二光柵、直角棱鏡和平面鏡。本實用新型采用全光纖啁啾脈沖放大技術，無需展寬，直接對振蕩級輸出的信號光進行放大，通過控制放大傳輸過程中積累的B積分總量，合理控制系統(tǒng)的非線性，并進行有效的色散管理，實現(xiàn)了系統(tǒng)結構簡化的脈寬窄、峰值功率高、光譜寬度大等特點的240飛秒窄脈沖激光輸出。
【專利說明】
240fs全光纖啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種激光技術領域，具體而言，涉及一種240fs全光纖啁嗽脈沖放大激光系統(tǒng)?！颈尘凹夹g】
[0002]飛秒激光具有脈寬窄、峰值功率高、光譜寬度大等特點，在超快非線性光學、太赫茲波產生、飛秒化學等基礎研究領域已經得到了廣泛的應用。特別是大能量高功率的飛秒激光，由于其與物質相互作用時，熱效應小，加工孔徑周圍沒有熔融區(qū)，對加工材料無選擇性等特點，在超精細加工、微光子器件制造、醫(yī)學精密手術、高密度三維光存儲、納米生物工程、納米醫(yī)學和國防激光武器等領域有著廣泛的應用。
[0003]目前獲得高單脈沖能量的光纖飛秒激光放大系統(tǒng)一般采用啁嗽脈沖放大(CPA)技術，該方案雖能獲得毫焦量級的單脈沖能量，但增加了激光系統(tǒng)的復雜性，提高了成本，弓丨入了額外的損耗，使得其實用性和性價比較低，不利于小型化。與上述技術相比于，在光纖 CPA技術中，采用沒有脈沖展寬器的“直接放大技術”具有更簡單的結構。直接對振蕩級輸出的信號光進行放大，在保證較高單脈沖能量的同時，簡化了系統(tǒng)的結構，且振蕩級的信號光在放大的過程中，光脈沖在得到增益的同時，利用自相位調制效應展寬光譜，并在相對較長增益光纖中正色散的作用下使脈沖中部的啁嗽逐漸線性化，經光柵對壓縮后的脈沖更窄， 峰值功率進一步提高。但是，由于光纖自身的結構特性，當高功率的超短脈沖在光纖中傳播時，極高的峰值功率必然會激起諸多的非線性效應，導致脈沖波形畸變，脈沖兩翼明顯地背離了拋物線，形成非線性啁嗽，經光柵壓縮后產生基底或旁瓣，所以即使脈沖光譜展寬得再寬，脈沖可壓縮得更窄，但非線性啁嗽的引入也會降低脈沖質量，減小有效能量，導致脈沖峰值功率下降。
【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種全光纖啁嗽脈沖放大技術，來解決高單脈沖能量輸出的光纖飛秒激光放大系統(tǒng)結構復雜性問題。
[0005]本發(fā)明實施例提供了一種240fs全光纖啁嗽脈沖放大激光系統(tǒng)，其包括沿光路依次設置的信號激光源(1)、光纖放大器(2)和光柵壓縮器(3);所述光纖放大器包括兩級以上纖芯直徑逐級遞增的增益光纖;所述光柵壓縮器(3)包括沿光路依次設置的準直透鏡(5)、 分光棱鏡(6)、二分之一波片(7)、第一光柵(8)、第二光柵(9)、直角棱鏡(10)和平面鏡(11)。
[0006]在一些實施例中，優(yōu)選為，所述信號激光源為基于SESAM鎖模的光纖振蕩器，呈線性腔結構。
[0007]在一些實施例中，優(yōu)選為，所述光纖振蕩器中，所述SESAM封裝于兩個FC/PC跳線之間，并通過法蘭連接。
[0008]在一些實施例中，優(yōu)選為，所述光纖放大器采用M0PA級聯(lián)放大結構，包括沿光路依次設置的第一級預放大級、第二級預放大級、第三級功率主放大級。
[0009]在一些實施例中，優(yōu)選為，所述第一級預放大級的摻鐿光纖為單包層。
[0010]在一些實施例中，優(yōu)選為，所述第二級預放大級的摻鐿光纖為大模場雙包層。
[0011]在一些實施例中，優(yōu)選為，所述第三級功率主放大級的摻鐿光纖為大模場雙包層。
[0012]在一些實施例中，優(yōu)選為，所述光纖放大器的輸出激光經過準直透鏡后進入壓縮器中，焦距為25mm;所述分光棱鏡為偏振分光棱鏡;所述平面鏡為lum波段激光高反鏡。 [〇〇13]在一些實施例中，優(yōu)選為，所述直角棱鏡為45°直角棱鏡，通過45°直角棱鏡的位置使經過光柵對的激光再次反向通過光柵對一次。
[0014]本發(fā)明實施例提供的240fs全光纖啁嗽脈沖放大激光系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術相比，有益效果為:
[0015]該系統(tǒng)采用采用非線性脈沖放大技術的光纖放大器，通過光纖熔接工藝實現(xiàn)全光纖化，無需展寬器，直接對振蕩級輸出的信號光進行放大，通過控制放大傳輸過程中積累的 B積分總量，合理控制系統(tǒng)的非線性，并進行有效的色散管理，來保證高單脈沖能量輸出的同時，簡化了系統(tǒng)結構。單脈沖能量高、系統(tǒng)結構簡單，利于集成化。而且，光柵壓縮器直接采用兩個平行設置的光柵進行壓縮，簡化了壓縮系統(tǒng)結構，提高了系統(tǒng)的實用性和性價比。
[0016]另外，采用基于SESAM鎖模的光纖振蕩器，結構簡單、脈沖寬度窄、開機即可實現(xiàn)穩(wěn)定的自啟動、運行數(shù)小時的過程中鎖模一直處于穩(wěn)定狀態(tài)?！靖綀D說明】

[0017]圖1為本發(fā)明一個實施例中整個系統(tǒng)的結構示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明一個實施例中光柵壓縮器的結構示意圖。
[0019]注:1、信號激光源;2、光纖放大器;3、光柵壓縮器;4、端帽；5、準直透鏡;6、分光棱鏡;7、二分之一波片;8、第一光柵;9、第二光柵、10直角棱鏡;11、平面鏡?！揪唧w實施方式】
[0020]下面通過具體的實施例結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細描述。[0021 ]考慮到高單脈沖能量輸出的飛秒啁嗽脈沖激光放大系統(tǒng)結構復雜性以及全光纖結構的飛秒激光放大系統(tǒng)輸出脈沖能量低等問題，本發(fā)明提供一種240fs全光纖啁嗽脈沖放大激光系統(tǒng)。
[0022]如圖1所示，具體包括:
[0023]沿光路依次設置的信號激光源1、光纖放大器2,光柵壓縮器3;其中光纖放大器包括兩級以上纖芯直徑逐級遞增的增益光纖;其中光柵壓縮器3包括沿光路依次設置的準直透鏡5、分光棱鏡6、二分之一波片7、第一光柵8、第二光柵9、直角棱鏡10、平面鏡11。
[0024]該系統(tǒng)采用非線性脈沖放大技術的光纖放大器，通過光纖熔接工藝實現(xiàn)全光纖化，無需展寬器，直接對振蕩級輸出的信號光進行放大，通過控制放大傳輸過程中積累的B 積分總量，合理控制系統(tǒng)的非線性，并進行有效的色散管理，來保證高單脈沖能量輸出的同時，簡化了系統(tǒng)結構。單脈沖能量高、系統(tǒng)結構簡單，利于集成化。而且，光柵壓縮器直接采用兩個平行設置的光柵進行壓縮，簡化了壓縮系統(tǒng)結構，提高了系統(tǒng)的實用性和性價比。
[0025]接下來，對該技術進行詳細描述:
[0026]本實施例中，光纖放大器的核心技術為M0PA級聯(lián)放大技術，光柵壓縮器的核心元件為平行設置的兩光柵。
[0027]M0PA(主振蕩功率放大)級聯(lián)放大技術實現(xiàn)了整個放大激光器的全纖化結構，通過合理的控制各級放大增益光纖的長度、芯徑的尺寸及種子注入與能量增益來控制放大器中的非線性積累。本發(fā)明中逐級遞增各放大級光纖的纖芯尺寸來合理的控制系統(tǒng)中的B積分總量，最后一級功率主放采用大芯徑的大模場雙包層摻鐿光纖。大芯徑光纖的熔接處理手藝難度也會加大，本發(fā)明中克服了大芯徑光纖的熔接問題。采用這種放大方式對種子光進行放大，保證了輸出光的高光束質量的同時又實現(xiàn)了高功率、高能量輸出。
[0028]—對平行放置的光柵可以作為色散延遲線，和棱鏡對一樣，平行兩光柵可以提供一個群速度色散(GVD)量，它能夠對正啁嗽的光脈沖提供一個反常的GVD量，從而對光脈沖起到壓縮作用。采用平行設置的兩光柵最大的優(yōu)點是能夠以較小的光柵間距提供較大的 GVD色散量，并且其色散補償量可以調節(jié)，平行兩光柵本身不產生物質彌散。[0〇29]本實施例中信號激光源1為基于SESAM(半導體可飽和吸收體)鎖模的光纖振蕩器， 構成線性腔結構，信號光在此諧振腔內來回振蕩，實現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)鎖模。SESAM封裝于兩個 FC/PC跳線之間，通過法蘭進行連接，該封裝方式是一種自主研制的封裝方式，此種封裝方式已經通過實驗驗證，將其熔接到諧振腔中可以實現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)鎖模。光纖放大器包括兩級以上纖芯直徑逐級遞增的增益光纖，本實施例中選擇三級M0PA級聯(lián)放大技術，包括沿光路依次設置的第一級預放大級、第二級預放大級、第三級功率主放大級。第一級預放大級的增益光纖為單包層摻鐿光纖，第二級預放大級的增益光纖為大模場雙包層摻鐿光纖;第三級功率主放大級的增益光纖為大芯徑大模場雙包層摻鐿光纖，經過兩級預放大后，信號激光在第三級功率主放大級最終可被放大到20W。如圖2所示，在光纖放大器2的輸出端帽4后搭建一個準直系統(tǒng)，考慮到第一光柵8和第二光柵9處的損傷閾值，光纖放大器2的輸出功率僅加到2W，在光柵壓縮器3中，脈沖激光首先經非球面準直透鏡5進行準直，再經過偏振分光棱鏡6,得到水平偏振光或垂直偏振光，水平或垂直偏振光的激光功率約為1W，之后水平或垂直偏振光通過二分之一波片7,得到更純凈的線偏振光，最后將純凈的線偏振光注入到平行設置的第一光柵8和第二光柵9壓縮系統(tǒng)中進行色散補償。經第二光柵輸出的激光入射到直角棱鏡10后，通過45°直角棱鏡的位置使經過光柵對的激光再次反向通過光柵對一次，激光依次反向平行經過第二光柵9和第一光柵8,達到兩次色散補償?shù)哪康?。最后經lum波段激光高反平面鏡11輸出壓縮后的激光。通過調節(jié)第一光柵處入射光的入射角度及第一光柵8 和第二光柵9之間的距離，調節(jié)壓縮效果。最終在入射角度為19°，兩光柵垂直距離為110mm 時，得到最佳的壓縮效果，脈沖寬度由3.5ps壓縮到240f s。
[0030]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種240fs全光纖啁嗽脈沖放大激光系統(tǒng)，其特征在于包括沿光路依次設置的信號 激光源(1)、光纖放大器(2)和光柵壓縮器(3);所述光纖放大器包括兩級以上纖芯直徑逐級 遞增的增益光纖;所述光柵壓縮器(3)包括沿光路依次設置的準直透鏡(5)、分光棱鏡(6)、 二分之一波片(7)、第一光柵(8)、第二光柵(9)、直角棱鏡(10)和平面鏡(11)。2.如權利要求1所述的240fs全光纖啁嗽脈沖放大激光系統(tǒng)，其特征在于，所述信號激 光源為基于SESAM鎖模的光纖振蕩器，呈線性腔結構。3.如權利要求2所述的240fs全光纖啁嗽脈沖放大激光系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖振 蕩器中，所述SESAM封裝于兩個FC/PC跳線之間，并通過法蘭連接。4.如權利要求1所述的240fs全光纖啁嗽脈沖放大激光系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖放 大器采用MOPA級聯(lián)放大結構，包括沿光路依次設置的第一級預放大級、第二級預放大級、第 三級功率主放大級。5.如權利要求4所述的240fs全光纖啁嗽脈沖放大激光系統(tǒng)，其特征在于，所述第一級 預放大級的摻鐿光纖為單包層。6.如權利要求4所述的240fs全光纖啁嗽脈沖放大激光系統(tǒng)，其特征在于，所述第二級 預放大級的摻鐿光纖為大模場雙包層。7.如權利要求4所述的240fs全光纖啁嗽脈沖放大激光系統(tǒng)，其特征在于，所述第三級 功率主放大級的摻鐿光纖為大模場雙包層。8.如權利要求1-7任一項所述的240fs全光纖啁嗽脈沖放大激光系統(tǒng)，其特征在于，所 述光纖放大器的輸出激光經過準直透鏡后進入光柵壓縮器中，焦距為25mm;所述分光棱鏡 為偏振分光棱鏡;所述平面鏡為lum波段激光高反鏡。9.如權利要求1-7任一項所述的240fs全光纖啁嗽脈沖放大激光系統(tǒng)，其特征在于，所 述直角棱鏡為45°直角棱鏡。
【文檔編號】G02F1/39GK205693131SQ201620615525
【公開日】2016年11月16日
【申請日】2016年6月21日 公開號201620615525.0, CN 201620615525, CN 205693131 U, CN 205693131U, CN-U-205693131, CN201620615525, CN201620615525.0, CN205693131 U, CN205693131U
【發(fā)明人】李平雪, 王曉曉
【申請人】北京工業(yè)大學