[發明專利]一種全光纖飛秒啁啾脈沖放大系統

在審

• 申請號: 201911386045.6
• 申請日: 2019-12-29
• 公開（公告）號: CN111064069A
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發明（設計）人: 王璞;洪暢;程昭晨
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H01S3/067
• 分類號: H01S3/067;H01S3/10;H01S3/11;G02F1/39
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 吳蔭芳

本發明提供一種基于頻域?時域映射脈沖整形的全光纖飛秒啁啾脈沖放大系統包括：飛秒脈沖種子源、全光纖脈沖整形器、光纖放大器和脈沖壓縮器。所述的全光纖脈沖整形器包括第一泵浦源、波分復用器、第一增益光纖、第一環形器、光纖啁啾布拉格光柵壓縮器、第二泵浦源、光纖合束器、第二增益光纖、第二環形器和光纖啁啾布拉格光柵展寬器。本發明的啁啾脈沖放大系統中引入了全光纖化脈沖整形器，拋物線脈沖整形過程可在全光纖化的結構中完成，無需額外引入空間元器件。在保證較高能量和峰值功率飛秒脈沖輸出的同時、兼顧了系統的穩定性和可集成性。

技術領域

本發明屬于激光技術與非線性光學領域，尤其涉及一種基于頻域-時域映射脈沖整形的全光纖飛秒啁啾脈沖放大系統。

背景技術

飛秒激光脈沖在超快微納加工、超快非線性光學、太赫茲產生、時間分辨光譜學等領域有重要應用。飛秒激光可通過固體激光器和光纖激光器其產生，其中飛秒光纖激光器，可工作在兆赫茲的脈沖頻率，還具有光束質量好、效率高、散熱性好、結構緊湊等突出優點，已經逐步在激光增材制造、雷達遙感、生物醫療等方面展現出獨特優勢。

由于光纖的纖芯尺寸小，能量相對集中，脈沖在光纖中傳輸的距離較長，非線性效應成為阻礙光纖飛秒激光器性能提升的最主要因素，大量的非線性效應積累會使得壓縮后的脈沖出現分裂和畸變。所以傳統的技術難以在光纖中直接獲得高平均功率、高峰值功率的飛秒激光輸出。得益于啁啾脈沖放大技術(CPA，Chirped pulse amplification)的發明，飛秒光纖激光器技術快速發展。啁啾脈沖放大技術主要由四個部分組成：激光振蕩器(種子源)、脈沖展寬器、激光放大器和脈沖壓縮器。其基本原理為：種子激光脈沖被放大之前通過色散器件，時域上展寬至百皮秒或納秒量級，隨后展寬脈沖在激光放大器中功率得到提升，最后再通過脈沖壓縮器補償前級引入的色散，將脈沖壓縮至飛秒量級。展寬脈沖的目的在于降低放大過程中激光脈沖的強度,使脈沖峰值功率在系統元件的損傷閾值以下，從而避免超短脈沖在放大后由于功率過高而給放大器光學元件帶來損傷，并減弱或克服由于高強度激光在放大過程中可能引起的各種非線性效應，令光纖內脈沖能量可提高數個數量級。尤其在高平均功率飛秒光纖激光器方面，通過CPA技術已可以實現全光纖化平均功率百瓦級、脈沖能量微焦量級的飛秒脈沖輸出，峰值功率可達十兆瓦量級。

隨著超快激光應用領域的不斷拓展，高能量、高峰值功率的飛秒激光的需求也逐漸提升。如何在光纖飛秒激光系統中實現高峰值功率的激光輸出一直是科學研究的熱點及難點。目前在光纖激光系統中實現高峰值功率飛秒脈沖輸出的方法主要由三種：第一種是線性啁啾脈沖放大法，將振蕩器輸出的激光用空間光結構的大色散量光柵展寬器進行展寬，隨后將展寬后的激光重新耦合入雙包層增益光纖和大模場面積的有源光子晶體光纖棒進行放大，最后再利用光柵對進行壓縮。該方法中，展寬器和壓縮器的高階色散可以相互匹配且放大過程中引入的非線性效應較小，可以實現高能量和高峰值功率的飛秒脈沖輸出，但是系統中引入了大量的自由空間器件，造成系統整體比較復雜，穩定性降低，難以集成。此外，線性放大過程還有受到增益窄化效應的影響，導致壓縮前的光譜明顯窄化，壓縮后無法得到較短的飛秒脈沖，限制了其峰值功率的提升。第二種方法是非線性放大，這種方法可以使用正色散傳輸光纖進行脈沖展寬，放大過程中產生的非線性可以和系統引入的三階色散相互補償，得到較高質量的飛秒脈沖。這種方法的缺點在于需要精確調節光柵的角度來保證三階色散和非線性的匹配，對光柵調節的精度要求很高。第三種方法是自相似放大，該方法的原理是脈沖在光纖放大器中傳輸的過程中，增益、色散和非線性達到一定條件時，脈沖的形狀會向拋物線型演化，這種拋物線型的脈沖在放大過程中積累的頻率啁啾是線性的，可用光柵壓縮器進行壓縮，從而避免了放大器中的非線性積累導致壓縮脈沖畸變的問題。該方法由于利用了光纖中的非線性效應，光譜得到了展寬，壓縮后可獲得小于百飛秒的激光脈沖。但其缺點在于維持自相似放大的條件較為苛刻，需預先將脈沖壓縮至近飛秒量級，所以必須在放大器之前引入脈沖壓縮器，這將增加系統的復雜性。此外，這種自相似放大系統受到了受激拉曼散射效應和光纖增益帶寬的限制，輸出能量一般維持在微焦量級，無法實現更高能量的輸出。除此之外，產生拋物線脈沖還可以對脈沖時域整形的方式來實現，但這種方式需要引入空間光調制器，同樣會增加系統的成本和復雜性。