CN101303452B - 集束光纤脉冲延迟叠加整形器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集束光纤脉冲延迟叠加整形器，属于激光技术领域。该装置包括单台高功率脉冲激光器，非球面准直扩束器或微透镜列阵，集束型单模光纤延迟器，非球面聚焦透镜或微透镜列阵和多头单模光纤构成，激光器输出的平顶型的大模场激光束经准直扩束整形后耦合进入集束型单模光纤延迟器，分束脉冲形成具有固定时间延迟、脉冲能量相同的脉冲序列，脉冲序列经过会聚透镜非球面聚焦透镜耦合到一根单模光纤中，叠加整形成纳秒量级的矩形脉冲输出。本发明的优点在于：该脉冲叠加整形器具有体积小、造价低、稳定性高、分束多、脉冲能量均匀等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种集束光纤脉冲延迟叠加整形器，属于激光技术领域。
背景技术
在光通信领域和激光惯性约束核聚变领域对种子激光脉冲的形状有特殊的要求，往往需要具有较长持续时间(ns量级)的矩形脉冲。采用的方法主要有：频域滤波法，时域延迟叠加法。
目前时域延迟叠加法中比较成熟的技术有两种：一是将多台光纤激光器并行输出的皮秒量级脉冲分别经过不同的时间延迟线引入时间延迟，然后再叠加起来形成的纳秒量级的矩形脉冲；二是采用单台激光器输出进行串行多次分束后再叠加起来形成的纳秒量级的矩形脉冲。
以上技术存在明显的缺点，即不可能分离出较多的脉冲(一般＜10)。这是因为：方法1中采用多台光纤激光器并行输出技术每增加一个叠加脉冲就要增加一台激光器，因此导致整个***的费用、功耗、复杂性、体积都快速增加；方法2中虽然激光器的数量不增加，但是串行分束后的脉冲能量是衰减的，即分束脉冲能量逐级减小，并对叠加合成过程带来困难。
发明内容
本发明旨在提出一种集束光纤脉冲延迟叠加整形器，该脉冲叠加整形器具有体积小、造价低、稳定性高、分束多、脉冲能量均匀等优点，因此叠加合成整形后的脉冲具有更高的脉冲质量。
本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种集束光纤脉冲延迟叠加整形器，其特征在于，该整形器包括单台高功率大模场光子晶体光纤锁模激光器或单台高功率固体脉冲激光器或单台高功率半导体脉冲激光器1，非球面镜准直扩束器或微透镜列阵I2，集束单模光纤延迟器3，非球面聚焦透镜或微透镜列阵II4和单根单模光纤5，装置中各部件的连接关系为，激光器输出的空间分布为平顶型的大模场激光束被非球面镜准直扩束器准直扩束整形后耦合进入集束单模光纤延迟器，经过集束单模光纤延迟器后的分束脉冲形成具有固定时间延迟、脉冲能量相同的脉冲序列，然后将所有脉冲序列经过非球面聚焦透镜耦合到一根单模光纤中，叠加整形成纳秒量级的矩形脉冲输出。
上述的高功率大模场光子晶体光纤锁模激光器由振荡级和放大级及振荡级和放大级之间的偏振法拉第隔离器构成，振荡级由大模场的掺镱离子或掺铒离子的双包覆光子晶体增益光纤、半导体可饱和吸收镜和偏振旋转(NPE)混合锁模器、振荡级光栅对或大负色散光纤色散补偿器构成，其中，光子晶体增益光纤的芯径为10-50微米，数值孔径(NA)为0.02-0.06，外包层直径200-400微米，数值孔径(NA)为0.4-0.8，长度为1-10m，包层泵浦源为5-30W的高功率激光二极管；放大级由大模场的掺镱离子或掺铒离子的双包覆光子晶体增益光纤、放大级光栅对或大负色散光纤色散补偿器构成，其中，光子晶体增益光纤的芯径为20-70微米，数值孔径(NA)为0.02-0.06，外包层直径200-400微米，数值孔径(NA)为0.4-0.8，长度为1-10m，包层泵浦源为20-100W高功率激光二极管。
上述的非球面镜准直扩束器是伽利略望远镜***，扩束比是相对于集束单模光纤延迟器有效模场直径的1∶2-10，或者焦距为毫米量级的为微透镜列阵。
上述的集束单模光纤延迟器为不同长度的普通单模光纤(SMF)或者其他类型的传输光纤的集束，集束光纤一端并齐后固定，集束光纤另一端长度根据需要的时间延迟选择长短，并按着光纤束的中心光纤至外侧光纤长度逐级递减排列构成。
上述的非球面会聚透镜为焦距为5-20mm的显微物镜，或者焦距为毫米量级的微透镜列阵。
本发明的优点在于：(1)采用单台高功率大模场光子晶体光纤锁激光器作为种子脉冲源，这比目前采用多台低功率的普通单模光纤激光器并行输出的方式不论在运行费用、功耗、复杂性和体积上都明显降低；(2)采用集束式的光纤脉冲延迟器，对入射脉冲进行并行延迟，比原有技术结构简单和脉冲衰变小；(3)采用将长光纤置于集束的中间部位，由内向外逐渐变短的方式构造集束光纤式的脉冲延迟线，可以方便地修正种子脉冲空间光强一般中间分布较强所引入的脉冲分束的能量不同；(4)可以重复采用集束光纤式脉冲延迟线，即将一级集束光纤式脉冲延迟线中每根光纤的输出脉冲再次耦合到二级集束光纤式脉冲延迟线中，形成并行级联的枝状结构，快速增加分束数量而没有增加复杂性。
附图说明
图1为本发明的集束光纤脉冲延迟叠加整形器的结构框图。
图中：1为高功率脉冲激光器；2为非球面准直扩束整形器或微透镜列阵I；3为集束型单模光纤延迟器；4非球面聚焦透镜或微透镜列阵II；5多头单模光纤。
图2为图1中集束型单模光纤延迟器3的结构示意图。
图3为图1中高功率脉冲激光器采用的高功率大模场光子晶体光纤锁模激光器结构示意图。
图中：1-1为振荡级泵浦源；1-2为振荡级大模场光子晶体增益光纤；1-3为半导体可饱和吸收镜和偏振旋转(NPE)混合锁模器；1-4为振荡级光栅对或大负色散光纤色散补偿器；1-5为偏振法拉第隔离器；1-6为放大级大模场光子晶体增益光纤；1-7为放大级光栅对或大负色散光纤色散补偿器；1-8为放大级的泵浦源。
具体实施方式
本发明的集成光纤脉冲延迟叠加整形器如附图1所示，具体实施例如下：
高功率脉冲激光器采用图3所示的高功率大模场光子晶体光纤锁模激光器，其中的振荡级的增益介质采用掺Yb的大模场双包覆保偏光子晶体光纤1-2，芯径25微米，NA为0.03，外包层直径250微米，NA为0.5，长度为3.5m，两端经过塌陷和打磨出斜角直接进行包层泵浦，或焊接上适当长度的SMF，由WDM方式泵浦；振荡级采用10W的LD1-1进行单面或双面包层泵浦形式，谐振腔的一端采取半导体可饱和吸收镜和偏振旋转混合器锁模1-3以及作为输出端口，在谐振腔的另一端采用光栅对或大负色散光纤色散补偿器1-4进行色散补偿和脉冲压缩；放大级的增益介质采用掺Yb的大模场双包覆保偏光子晶体光纤1-6，芯径40微米，NA为0.03，外包层直径270微米，NA为0.6，长度为1.5m，两端经过塌陷和打磨出斜角直接进行包层泵浦，或焊接上适当长度的SMF，由WDM方式泵浦；采用高功率30W的LD1-8进行单面或双面包层泵浦形式，在该谐振腔的输入端放置偏振法拉第隔离器1-5以防止激光返回振荡级，在谐振腔的输出端采用光栅对或大负色散光纤色散补偿器1-7进行色散补偿和脉冲压缩；高功率脉冲激光器1也可以是任何其他高功率脉冲激光器。非球面准直扩束器或微透镜列阵I2中选用非球面透镜构成扩束比为1∶5的伽利略望远镜***；或者采用微透镜列阵将1的输出直接聚焦进集束型单模光纤延迟器的每个纤芯中。集束型单模光纤延迟器3如图2所示，19根SMF集成一束，最短单根SMF取20mm，其余SMF每根依次增加11mm，单端并行集束，将入射的1550nm波段的超短脉冲分成19个时间延迟间隔约为56ps的脉冲序列；并采用将长光纤置于集束的中间部位，由内向外逐渐变短的方式构造成集束式光纤脉冲延迟器。非球面聚焦透镜II4为焦距为10-20mm的非球面透镜构成的显微物镜，或者采用与集束型单模光纤延迟器的纤芯对应的焦距为毫米量级的微透镜列阵。多头单模光纤5采用多分头(与3输出端对应)的普通单模光纤进行并束，光纤长度0.2m，输出脉冲为19个超短脉冲合成的ns量级的矩形脉冲。如果对经过集束型单模光纤延迟器3后的每根光纤的输出脉冲再重复集束型单模光纤延迟器3过程，则可以快速枝杈型增加脉冲分束的数量。
Claims (4)
1.一种集束光纤脉冲延迟叠加整形器，其特征在于，该整形器包括单台高功率大模场光子晶体光纤锁模激光器或单台高功率固体脉冲激光器或单台高功率半导体脉冲激光器(1)，非球面镜准直扩束器(2)，集束单模光纤延迟器(3)，非球面聚焦透镜(4)和单根单模光纤(5)，其中，所述的高功率大模场光子晶体光纤锁模激光器由振荡级和放大级及振荡级和放大级之间的偏振法拉第隔离器构成，振荡级由大模场的掺钇离子或掺铒离子的双包覆光子晶体增益光纤、半导体可饱和吸收镜和偏振旋转混合锁模器、振荡级光栅对或大负色散光纤色散补偿器构成，其中，光子晶体增益光纤的芯径为10-50微米，数值孔径为0.02-0.06，外包层直径200-400微米，数值孔径为0.4-0.8，长度为1-10m，包层泵浦为5-30W的高功率激光二极管；放大级由大模场的掺镱离子或掺铒离子的双包覆光子晶体增益光纤、放大级光栅对或大负色散光纤色散补偿器构成，其中，光子晶体增益光纤的芯径为20-70微米，数值孔径为0.02-0.06，外包层直径200-400微米，数值孔径为0.4-0.8，长度为1-10m，包层泵浦为20-100W高功率激光二极管；该整形器中各部件的连接关系为，激光器输出的空间分布为平顶型的大模场激光束被非球面镜准直扩束器准直扩束后耦合进入集束单模光纤延迟器，经过集束单模光纤延迟器后的分束脉冲形成具有固定时间延迟、脉冲能量相同的脉冲序列，然后将所有脉冲序列经过非球面聚焦透镜耦合到一根单模光纤中，叠加整形成纳秒量级的矩形脉冲输出。
2.按权利要求1所述的集束光纤脉冲延迟叠加整形器，其特征在于，非球面镜准直扩器是伽利略望远镜，扩束比是相对于集束单模光纤延迟器有效模场直径的1∶2-10。
3.按权利要求1所述的集束光纤脉冲延迟叠加整形器，其特征在于，集束单模光纤延迟器为不同长度的普通单模光纤的集束，集束光纤一端并齐后固定，集束光纤另一端长度根据需要的时间延迟选择长短，并按着光纤束的中心光纤至外侧光纤长度逐级递减排列构成。
4.按权利要求1所述的集束光纤脉冲延迟叠加整形器，其特征在于，非球面聚焦透镜为焦距为5-20mm的显微物镜。
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