[發(fā)明專利]一種高能量超短脈沖光纖激光器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410730115.6
• 申請日: 2014-12-04
• 公開（公告）號: CN104362500B
• 公開（公告）日: 2018-10-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曾和平;郝強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 南京朗研光電科技有限公司
• 主分類號: H01S3/067
• 分類號: H01S3/067;H01S3/10;H01S3/13
• 代理公司: 北京中濟(jì)緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 張曉霞

一種高能量超短脈沖光纖激光器，包括種子脈沖振蕩器(1)、啁啾脈沖展寬器(2)、光纖預(yù)放大器(3)、脈沖分離裝置(4)以及非線性放大壓縮器(5)；種子脈沖振蕩器(1)輸出的脈沖經(jīng)啁啾脈沖展寬器(2)展寬后，經(jīng)光纖預(yù)放大器(3)預(yù)放大，再由脈沖分離裝置(4)產(chǎn)生分離脈沖，分離脈沖注入非線性放大壓縮器(5)產(chǎn)生高能分離超短脈沖，再次進(jìn)入脈沖分離裝置(4)合束后輸出高能超短脈沖激光。本發(fā)明采用脈沖分離方法實(shí)現(xiàn)啁啾脈沖放大和非線性脈沖壓縮的有機(jī)融合，既有效避免在脈沖展寬過程中引入過量的高階色散，又有效控制了非線性放大過程中非線性效應(yīng)；本發(fā)明通過光學(xué)晶體數(shù)量控制脈沖分離，方法簡單易行；本發(fā)明可適用于多個波段的激光放大。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種高能量超短脈沖光纖激光器，具體的是采用分離脈沖結(jié)合非線性放大產(chǎn)生高能量超短脈沖激光的光纖激光器。

背景技術(shù)

高能超短脈沖在基礎(chǔ)科學(xué)研究、工業(yè)精密制造及空天衛(wèi)星通信方面有著極為重要的應(yīng)用需求。伴隨著激光技術(shù)的不斷革新及應(yīng)用需求的迅速拓展，光纖激光器以其小型化、便攜式、高能效、免維護(hù)的特性進(jìn)入了應(yīng)用領(lǐng)域的視野。在光纖激光器的沖擊下，傳統(tǒng)的激光光源，特別是固態(tài)激光器體積大、功耗高的劣勢愈加明顯。但是，固態(tài)激光器在高能量飛秒脈沖激光的產(chǎn)生和應(yīng)用方面仍然具有重要地位，其重要原因就是除固態(tài)激光器外罕有其它光源能提供單脈沖能量超過1mJ，脈沖寬度小于100fs的激光脈沖。

當(dāng)前，光纖激光器的輸出指標(biāo)已在逐步逼近固體激光器，采用啁啾脈沖放大技術(shù)，可以獲得較高單脈沖能量的脈沖輸出。如，單脈沖能量2μJ、脈沖寬度220fs的光纖激光在實(shí)驗(yàn)上獲得證實(shí)(131W 220fs fiber laser system.Optics Letters Vol.30,Iss.20,pp.2754-2756,2005)；基于光纖激光繼而實(shí)現(xiàn)了單脈沖能量2.2mJ、脈沖寬度為500fs的激光輸出(Fiber chirped-pulse amplification system emitting 3.8GW peakpower.Optics Express Vol.19,Iss.1,pp.255-260,2011)。但采用啁啾脈沖放大技術(shù)較難實(shí)現(xiàn)100fs以下的脈沖輸出，主要原因有以下兩點(diǎn)。其一，啁啾脈沖放大過程中為了降低高能量脈沖放大過程的非線性效應(yīng)，在引入大量二階色散的同時會產(chǎn)生過量的難以壓縮的高階色散，而在后續(xù)的脈沖壓縮過程中無法有效的實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償；其二，由于激光放大過程往往伴隨著增益窄化效應(yīng)，導(dǎo)致放大后的激光光譜相比種子光譜窄了很多，無法支持100fs的脈沖激光輸出。

為了產(chǎn)生支持100fs脈沖輸出的光譜寬度，克服啁啾脈沖放大過程的高階色散，有效的壓縮脈沖，科研人員又提出了光纖非線性脈沖放大方案。非線性脈沖放大過程與啁啾脈沖放大過程正好相反，不是預(yù)先展寬脈沖寬度而克服非線性，而是預(yù)先壓縮脈沖寬度并利用非線性。依靠提高進(jìn)入光纖放大器的注入脈沖的峰值功率，憑借非線性效應(yīng)(主要是自相位調(diào)制效應(yīng))極大的拓展放大脈沖的光譜，并采用與啁啾脈沖放大相類似的脈沖壓縮器，實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮。非線性放大方案在實(shí)驗(yàn)上獲得了單脈沖能量接近1μJ，脈沖寬度27fs的脈沖輸出(57W,27fs pulses from a fiber laser system using nonlinearcompression.Applied Physics B，Volume 92,Issue 1,pp 9-12,2008)。但是非線性脈沖放大方案也有其自身的弊端，較難實(shí)現(xiàn)單脈沖能量超過1mJ的激光輸出。主要原因在于高能超短脈沖放大過程中的高峰值功率脈沖會產(chǎn)生自聚焦、受激拉曼散射、交叉相位調(diào)制等除自相位調(diào)制效應(yīng)以外的非線性效應(yīng)，而這些效應(yīng)會使脈沖形狀和頻譜發(fā)生畸變，甚至破壞激光放大介質(zhì)，無法實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的脈沖壓縮。

綜上所述，目前高能超短脈沖的產(chǎn)生方案皆為啁啾脈沖放大技術(shù)或非線性脈沖放大技術(shù)，其輸出指標(biāo)仍需要在大能量或者是短脈沖這兩者之間進(jìn)行權(quán)衡。此外，無論是啁啾脈沖放大或者是非線性脈沖放大，在激光能量放大后都需要額外的空間光學(xué)元件(如光柵對、棱鏡對、或者是啁啾鏡)進(jìn)行色散補(bǔ)償，將脈沖壓縮至飛秒量級。所以，如何將脈沖壓縮器簡化也是光纖激光器技術(shù)革新的一個重要課題。