[發明專利]一種基于光譜壓縮放大的自相似鎖模光纖飛秒激光器

有效

• 申請號: 201410429493.0
• 申請日: 2014-08-27
• 公開（公告）號: CN104242025B
• 公開（公告）日: 2017-07-07
• 發明（設計）人: 王思佳
• 申請（專利權）人: 中國空間技術研究院
• 主分類號: H01S3/067
• 分類號: H01S3/067;H01S3/098;H01S3/081
• 代理公司: 中國航天科技專利中心11009
• 代理人: 安麗

技術領域

本發明屬于超快激光技術領域，特別涉及一種基于光譜壓縮放大的自相似鎖模光纖飛秒激光器。

背景技術

被動鎖模光纖飛秒激光器具有成本低廉、結構緊湊、操作簡單、可自啟動、光束質量好和穩定性強等突出優勢，在光學頻率計量、高精高速材料加工、太赫茲產生、高精度大尺度距離測量、生物醫學成像、組織處理以及納米診斷等領域有著廣泛的應用。飛秒激光脈沖在被動鎖模光纖激光器中的形成過程主要是增益、群速度色散和自相位調制三者的演變平衡過程。可飽和吸收體在其中起到啟動和穩定鎖模的作用，目前最常用的是非線性偏振旋轉方式。在光纖激光器腔內呈負色散的情況下，群速度色散與自相位調制效應的平衡支持光孤子的產生，稱為孤子鎖模，是最早發展起來的光纖鎖模技術。然而，這種孤子鎖模光纖激光器一般情況下只能獲得脈沖能量幾十皮焦耳(pJ，10^-12 J)、脈沖寬度數百飛秒的激光脈沖，過高的能量會引入過大的非線性相位積累，破壞穩定的鎖模運轉。為提高光纖飛秒激光器的輸出指標，獲得更高的脈沖能量和更短的脈沖寬度，在腔內引入大小相同、符號相反的色散分布，使脈沖在腔內周期性地展寬和壓縮的鎖模機制稱為呼吸孤子鎖模或色散管理孤子鎖模。利用這種方式可以有效地降低腔內脈沖峰值功率，將鎖模光纖激光器的輸出脈沖能量提高到納焦耳(nJ，10^-9 J)量級。但是，呼吸孤子脈沖能量的進一步提高依然會引發脈沖分裂等不穩定現象。帶有線性啁啾的拋物線形脈沖可以在正色散增益光纖中產生并自相似地放大而不發生分裂，從而支持更高能量的脈沖輸出，當光纖激光器腔內呈較大的凈正色散時，也可以在光纖激光器內實現脈沖自相似演化，稱為自相似鎖模。由于自相似脈沖具有拋物線脈沖形狀和線性啁啾，可以承受更高的非線性擾動而不發生光波分裂，避免脈沖裂變，因此自相似鎖模方式可以將呼吸孤子鎖模光纖飛秒激光器輸出脈沖能量提高2個數量級，同時由于自相似脈沖只帶有線性啁啾，只需采用簡單的腔外色散補償就可以獲得高質量的傅里葉變換極限飛秒激光脈沖。除此之外，自相似鎖模光纖激光器的時間抖動小，噪聲小，非常適合諸如光學頻率梳之類的精密科學研究。

鎖模光纖激光器腔內的脈沖自相似演化最早是在一段正色散的長普通單模光纖中實現的，這種自相似鎖模激光器采用的增益光纖很短，使得脈沖放大過程中幾乎沒有色散和非線性作用，避免破壞單模光纖中的脈沖自相似演化過程，腔內采用光柵對補償脈沖在單模光纖中自相似演化累積的啁啾，實現激光器自洽。但是在這種腔型結構中光纖放大器的有限增益帶寬最終會破壞脈沖的自相似演化，從而限制輸出飛秒激光脈沖能量和脈沖寬度指標的進一步提高。現有的另一類自相似鎖模光纖激光器其腔內的脈沖自相似演化過程是在正色散的長增益光纖中完成的，并通過在負色散光纖中的孤子脈沖演化或引入窄帶頻譜濾波環節來平衡非線性相位積累和穩定脈沖成形，實現激光器自洽。其中，第一種自相似-孤子鎖模方式中，脈沖能量放大和光譜展寬最終受限于負色散光纖中的脈沖孤子裂變；而第二種耗散自相似鎖模方式，通常采用衍射光柵結合光纖準直器形成高斯形窄帶濾波器，實現強烈的光譜濾波以完成增益光纖中的脈沖自相似放大演化，這種腔型結構不僅引入了過多的空間分立元件，占用空間大、光路調節困難、喪失了光纖激光器最重要的緊湊性和易操作優勢，而且這種直接采用附加頻譜濾波裝置窄化放大脈沖光譜的方式，損失了大部分的腔內脈沖能量，不利于高能量和窄脈寬的飛秒激光脈沖輸出。

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，本發明提出一種基于光譜壓縮放大的自相似鎖模光纖飛秒激光器。該飛秒激光器不受增益帶寬限制，不依賴附加分立元件的強制光譜濾波，能量損耗小，能夠獲得高能量、窄脈寬的傅里葉變換極限飛秒激光脈沖。

本發明的技術解決方案是：

一種基于光譜壓縮放大的自相似鎖模光纖飛秒激光器，包括：光纖耦合輸出激光二極管、波分復用耦合器、摻鐿單模光纖、光纖頻譜濾波器、單模光纖、第一光纖準直器、第一四分之一波片、第一二分之一波片、偏振分光棱鏡、第一45°反射鏡、第二二分之一波片；第一光柵、第二光柵、爬高鏡、第二四分之一波片、第二光纖準直器、光纖隔離器和第二45°反射鏡；

光纖耦合輸出激光二極管作為所述飛秒激光器的泵浦光源，輸出泵浦光經由波分復用耦合器的泵浦端耦合入摻鐿單模光纖產生激光，波分復用耦合器的輸出端直接與摻鐿單模光纖熔接；