CN109510057B - 1μm波段高峰值功率纳秒脉冲激光的产生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高能量短脉冲激光的输出。1μm波段高峰值功率纳秒脉冲激光的产生方法，在普通光纤的芯径中掺入镱元素，以镱元素的特征吸收和发射光谱为基础，950nm波长的激光作为泵浦源，将利用光纤式强度电光调制器调制的种子脉冲光进行放大，并利用光纤布拉格光栅进行波长选择和自发辐射放大抑制，以及利用声光调制器进行脉冲选择。最终获得波长为1010±10nm，脉宽为1~5 ns，重复频率>1kHz，单脉冲能量>100 nJ的强脉冲激光。该技术方法将目前常用的1064 nm脉冲激光的波长下限拓展到了接近1μm的位置，为譬如铷原子6p→nS里德堡态等特定原子能级结构的相干激发提供了有效的工具。
Description
技术领域
本发明涉及高能量短脉冲激光的输出，是以掺镱光纤作为基本放大介质，并 且以光纤式强度电光调制器以及声光调制器作为脉冲整形器件，光纤布拉格光栅 作为滤波器的光纤放大器。
背景技术
光纤激光器相比于常用的半导体激光器，由于其光纤输出的特点，输出激光 的光斑质量非常好，光束质量因子M2值接近于1，且由于所掺杂稀土元素的能 级结构丰富，可选择波长非常多，而且对于同一种掺杂元素，波长调谐带宽很宽。 由于内部的谐振腔结构没有光学镜片或者光栅，因此其稳定性非常高。在大功率 激光放大器领域，由于光纤技术的不断发展，比如双包层大数值孔径光纤的出现， 利用掺杂稀土元素的光纤放大器具有功率高、泵浦波长范围广、泵浦利用效率高 等优点，使得光纤激光器/放大器得到了越来越广泛的关注和应用。
发明内容
本发明提供一种1μm波段高峰值功率纳秒脉冲激光的产生方法。利用镱元 素较广的吸收与发射光谱，掺镱光纤吸收950nm波长的泵浦激光，将利用iEOM 整形的脉冲种子激光在1010nm波段放大，最终获得脉宽～1ns、单脉冲能量～100 nJ以及重复频率为1kHz的脉冲激光。
本发明所采用的技术方案是：1μm波段高峰值功率纳秒脉冲激光的产生方法， 其特征在于：安装如下的步骤进行
步骤一、半导体激光发出连续型种子激光，其波长范围1000～1085nm，功率为100mW，调节连续型种子激光的光束质量和偏振，使其呈现良好的基模高斯特 性以及稳定的线偏振态；
步骤二、将连续型种子激光作为入射光耦合入光纤式强度电光调制器iEOM，经 过调制将连续的种子光源整形为脉冲激光输出；
步骤三、将从iEOM输出的脉冲激光依次进入第一级预放大掺镱光纤和第一级光纤布拉格光栅，进行第一次波长选择和第一次自发辐射放大抑制，使波长为1010 ±0.5nm，信噪比>60dB；
步骤四、将经过第一次波长选择和第一次自发辐射放大抑制的脉冲激光输入第一级声光调制器AOM1进行脉冲选择，将重复频率降至100kHz，选择声光调制器 的负一级衍射光，脉冲激光频率减小Δf＝250MHz；
步骤五、将经过一级声光调制器AOM1脉冲选择的脉冲激光依次输入第二级预 放大掺镱光纤和第二级光纤布拉格光栅进行第二次波长选择和第二次自发辐射 放大抑制，使波长为1010±0.5nm，信噪比>60dB；
步骤六、将经过第二次波长选择和第二次自发辐射放大抑制的脉冲激光输入主放大掺镱光纤，利用功率可调的泵浦源激励，得到脉宽1ns、单脉冲能量100nJ、 重复频率100kHz的脉冲激光；
步骤七、将经过泵浦源激励后的脉冲激光输入第二级声光调制器AOM2,进行脉 冲选择，将重复频率降至1kHz，选择声光调制器的正一级衍射光，脉冲激光频 率补偿Δf＝250MHz，输出波长1010nm、脉宽1ns、单脉冲能量100nJ、重复 频率1kHz的脉冲激光。
作为一种优选方式：光纤式强度电光调制器iEOM将连续的种子光源斩成脉冲光信号，利用信号源和射频放大器，将脉冲上升沿<100ps、脉宽1ns、脉宽抖动< 10ps、重复频率>1MHz、脉冲幅度为EOM半波电压的电脉冲信号加载至光纤 式强度电光调制器iEOM的射频输入，在其输出端口获得与种子光源整形为脉冲 激光的相同的脉冲光信号；
作为一种优选方式：通过光纤式强度电光调制器iEOM进行脉冲调制时需要保证脉冲光输出的幅度以及相位稳定，利用偏置直流控制器，将直流偏置电压附加频 率为1kHz，幅度～100mVpp的小调制信号，然后加载在光纤式强度电光调制器 iEOM的偏置直流输入端口，光纤式强度电光调制器iEOM的输出端分出1％的 光信号利用光二极管探测，并将探测信号反馈至偏置直流控制器进行解调，对控 制器的直流输出电压进行补偿，使光纤式强度电光调制器iEOM的工作点设置在 传输函数的MIN模式，达到稳定iEOM的直流偏置电压从而获得幅度以及相位 稳定的光脉冲输出。
作为一种优选方式：光脉冲在通过第一级预放大掺镱光纤和第一级光纤布拉格光栅后再次通过第一级预放大掺镱光纤和第一级光纤布拉格光栅，提高泵浦激光的 利用效率。
作为一种优选方式：二级预放大掺镱光纤放大阶段的泵浦源都采用固定功率输出。
作为一种优选方式：两级的声光调制器的载频相同都是250MHz，在脉冲光通过 声光调制器时，由于衍射带来的种子光频率偏移将会被抵消。
作为一种优选方式：两级光纤布拉格光栅都具有0.5nm的带宽，因此通过更换 不同中心波长的布拉格光栅，就可以达到波长选择的目的。
作为一种优选方式：由光纤布拉格光栅的色散效应所引起的种子激光频率的变化在脉冲100fs范围的变化，这对脉冲宽度的影响可以忽略不计。
作为一种优选方式：，所有的基于光纤的器件，包括光纤式强度电光调制器、两 级预放大掺镱光纤、光纤布拉格光栅以及主放大掺镱光纤之间，都是利用光纤拼 接技术将上一级器件的输出与下一级的输入端口相连接，以减小光纤耦合造成的 衰减。
本发明所述方法的工作原理主要包括了脉冲生成与激光放大两个主要过程：
图1所示为脉冲光产生以及稳定的实验原理。脉冲光的生成是利用光纤式强 度电光调制器实现的。与常用的相位电光调制器不同，强度型电光调制器(iEOM) 的工作原理是基于Mach-Zehnder干涉效应。即iEOM内部包括两路光波导a和 b，其中一路b与电极相连，当输入激光时，经过分束，一束分光经过波导a到 达输出端，而另一束分光经过波导b到达输出端，当b波导加载电压时，其折射 率发生变化，经过该波导的激光相位发生改变，当两路激光在输出端口重合时， 将发生干涉。如果加载的电压数值使得通过b波导的激光相位变化半个周期即其 相位发生π的变化，两路光重合时将发生相消干涉，这时的电压值称为半波电压。 因此如果iEOM的射频输入端口输入幅度为半波电压的脉冲信号，在iEOM的输出端将输出相应的脉冲激光。
激光的能量放大过程是稀土元素的吸收和发射光谱为基础的，对于镱元素的 吸收以及发射光谱来说，其中吸收光谱的波长范围从850nm～1050nm,并且在 970nm左右具有宽度很窄的吸收极大值；其发射光谱的波长范围从900nm～1150 nm在1030nm附近出现吸收极大值，由于吸收光谱与发射光谱有一部分重叠， 所以一般小于1030nm的种子激光在放大的同时也会有很大程度的再吸收，因此 这一波段的绝大部分商用光纤激光器的工作波长都在1060nm左右。光纤对泵浦 激光的吸收消耗以及种子激光的放大可以通过速率方程表示：
其中+表示泵浦光和种子光同向传输，-表示二者反向传输
表示泵浦光和种子光同向和反向传输时的功率，
和
分别表示发射和吸收截面，n1和n2表示 下能级和上能级的原子布居数，Γp/s表示泵浦光与种子光的截面重叠大小，即光 纤芯径与泵浦光传播区域的面积之比。
由于镱元素较广的发射光谱，在光纤放大的过程中,除了波长1010nm的信 号光是基于受激辐射形式放大之外，还有波长大于1020nm的其他波段的自发辐 射放大光信号，因此需要抑制这一部分放大的自发辐射光(Amplified Spontaneous Emission,ASE)。这里利用光纤布拉格光栅抑制自发辐射光实现波长选择的目的。 如图4所示为所使用光纤布拉格光栅的透射谱。可见在0.5nm的波长范围内， 其反射率达到了98.5％，其他波段波长基本全部通过，因此选定波长的激光在通 过该光栅时被反射，其他波段特别是波长大于1020nm的自发辐射放大光被光栅 透射滤除。
对于本发明所涉及的1010nm激光放大，还可以通过限制光纤长度减小光纤 对该波长激光的再吸收并且抑制受激布里渊散射效应以及自发辐射的放大效应。
附图说明
图1是利用光纤式强度电光调制器实现稳定脉冲光输出的结构原理图；
图2是本发明方法的设计原理图，其中包括了以光纤式强度电光调制器为 核心的脉冲整形和以声光调制器为核心的脉冲选择模块；两级光纤预放大模块； 两级光纤布拉格光栅波长选择模块；主光纤放大模块；分别激励预放大掺镱光纤 以及主放大掺镱光纤的的泵浦激光源；
图3是光纤布拉格光栅反射和透射的计算机模拟结果。该模拟是以光纤放 大器的下限波长1008nm为例，在反射信号半高全宽为0.5nm的范围内，光栅 的反射率达到了98.5％，而其他波长的光信号具有接近100％的透射；
图4是基于速率方程的光纤放大计算模拟结果，该模拟是以光纤放大器的下限波长1008nm为例，表示了脉冲光的峰值功率依次通过光纤放大器各器件时的变化 情况，横坐标表示器件的序数，其中的阴影表示两级预放大掺镱光纤和主放大掺 镱光纤部分。
具体实施方式
1μm波段高峰值功率纳秒脉冲激光的产生方法，包括如下步骤：①.半导体 激光发出连续型种子激光，其波长范围1000～1085nm，功率约100mW。调节 光束质量和偏振，使其呈现良好的基模高斯特性以及稳定的线偏振态；②.将入 射光耦合入光纤式强度电光调制器(iEOM)，经过调制将连续的种子光源在时域 空间整形为脉冲激光输出；③.从iEOM输出的激光脉冲依次进入一级预放大光 纤以及第一级光纤布拉格光栅，进行波长选择以及自发辐射放大抑制；④.通过 一级预放大光纤的脉冲光经过一级声光调制器(AOM1)进行脉冲选择，重复频率 降至100kHz，选择声光调制器的负一级衍射光，脉冲激光频率减小Δf；⑤.脉冲 激光进入二级预放大掺镱光纤以及第二级光纤布拉格光栅，进一步抑制自发辐射 放大，提高1010nm波段脉冲光的信噪比；⑥.经过二次预放大的脉冲光进入主 放大掺镱光纤，利用功率可调的泵浦源激励，得到脉宽～1ns、单脉冲能量～100 nJ、重复频率～100kHz的脉冲激光；⑦.脉冲光经过二级声光调制器(AOM2), 进行脉冲选择，脉冲光重复频率降至～1kHz，并且选择声光调制器的正一级衍 射光，脉冲激光频率补偿Δf，回复到与种子激光频率一致，最后利用光纤输出 波长～1010nm、脉宽～1ns、单脉冲能量～100nJ、重复频率～1kHz的脉冲激光。
本发明的主要仪器装置包括，a.脉冲整形模块。以光纤式强度电光调制器 为核心，包括了以光纤作为输入\输出端口的电光调制器晶体；高带宽信号源以 及射频信号放大器用来提供快速上升沿(<100ps)的电脉冲信号；直流偏置电压 控制器用以提供直流偏置设定电光调制器工作点以及反馈信号稳定工作点位置。 b.长度分别为3m、2.5m和2.2m的单包层掺镱光纤作为一级和二级预放大掺 镱光纤以及主放大掺镱光纤，它们分别通过光纤拼接技术与前级器件连接。c.两 级快速声光调制器(载频250MHz)作为脉冲选择器件，将脉冲光的重复频率从3 MHz分别降至100kHz以及1kHz。d.两级光纤布拉格光栅作为滤波器件，对 自发辐射放大进行抑制，提高放大信号光的信噪比。e.两级泵浦激光源，分别 是功率恒定的泵浦源1用来激励两级预放大掺镱光纤，以及功率可调的泵浦源2 用来激励主放大掺镱光纤。
Claims (9)
1.1μm波段高峰值功率纳秒脉冲激光的产生方法，其特征在于：安装如下的步骤进行
步骤一、半导体激光发出连续型种子激光，其波长范围1000 ~ 1085 nm，功率为100mW，调节连续型种子激光的光束质量和偏振，使其呈现良好的基模高斯特性以及稳定的线偏振态； 步骤二、将连续型种子激光作为入射光耦合入光纤式强度电光调制器iEOM，经过调制将连续的种子光源整形为脉冲激光输出；
步骤三、将从iEOM输出的脉冲激光依次进入第一级预放大掺镱光纤和第一级光纤布拉格光栅，进行第一次波长选择和第一次自发辐射放大抑制，使波长为1010 ± 0.5 nm，信噪比> 60 dB；
步骤四、将经过第一次波长选择和第一次自发辐射放大抑制的脉冲激光输入第一级声光调制器AOM1进行脉冲选择，将重复频率降至100 kHz，选择第一声光调制器的负一级衍射光，脉冲激光频率减小Δf = 250 MHz；
步骤五、将经过一级声光调制器AOM1脉冲选择的脉冲激光依次输入第二级预放大掺镱光纤和第二级光纤布拉格光栅进行第二次波长选择和第二次自发辐射放大抑制，使波长为1010 ± 0.5 nm，信噪比> 60 dB；
步骤六、将经过第二次波长选择和第二次自发辐射放大抑制的脉冲激光输入主放大掺镱光纤，利用功率可调的泵浦源激励，得到脉宽1 ns、单脉冲能量100 nJ、重复频率 100kHz的脉冲激光；
步骤七、将经过泵浦源激励后的脉冲激光输入第二级声光调制器AOM2,进行脉冲选择，将重复频率降至1 kHz，选择第二声光调制器的正一级衍射光，脉冲激光频率补偿Δf= 250MHz，输出波长1010 nm、脉宽1 ns、单脉冲能量 100 nJ、重复频率1 kHz的脉冲激光。
2.如权利要求1所述的1μm波段高峰值功率纳秒脉冲激光的产生方法，其特征在于：光纤式强度电光调制器iEOM将连续的种子光源斩成脉冲光信号，利用信号源和射频放大器，将脉冲上升沿< 100 ps、脉宽1 ns、脉宽抖动< 10 ps、重复频率> 1 MHz、脉冲幅度为EOM半波电压的电脉冲信号加载至光纤式强度电光调制器iEOM的射频输入，在其输出端口获得与种子光源整形为脉冲激光的相同的脉冲光信号。
3.如权利要求1或权利要求2所述的1μm波段高峰值功率纳秒脉冲激光的产生方法，其特征在于：通过光纤式强度电光调制器iEOM进行脉冲调制时需要保证脉冲光输出的幅度以及相位稳定，利用偏置直流控制器，将直流偏置电压附加频率为1 kHz，幅度~ 100 mVpp的小调制信号，然后加载在光纤式强度电光调制器iEOM的偏置直流输入端口，光纤式强度电光调制器iEOM的输出端分出1%的光信号利用光二极管探测，并将探测信号反馈至偏置直流控制器进行解调，对控制器的直流输出电压进行补偿，使光纤式强度电光调制器iEOM的工作点设置在传输函数的MIN模式，达到稳定iEOM的直流偏置电压从而获得幅度以及相位稳定的光脉冲输出。
4.如权利要求1所述的1μm波段高峰值功率纳秒脉冲激光的产生方法，其特征在于：光脉冲在通过第一级预放大掺镱光纤和第一级光纤布拉格光栅后再次通过第一级预放大掺镱光纤和第一级光纤布拉格光栅，提高泵浦激光的利用效率。
5.如权利要求1所述的1μm波段高峰值功率纳秒脉冲激光的产生方法，其特征在于：二级预放大掺镱光纤放大阶段的泵浦源都采用固定功率输出。
6.如权利要求1所述的1μm波段高峰值功率纳秒脉冲激光的产生方法，其特征在于：两级的声光调制器的载频相同都是250 MHz，在脉冲光通过声光调制器时，由于衍射带来的种子光频率偏移将会被抵消。
7.如权利要求1所述的1μm波段高峰值功率纳秒脉冲激光的产生方法，其特征在于：两级光纤布拉格光栅都具有0.5 nm的带宽，因此通过更换不同中心波长的布拉格光栅，就可以达到波长选择的目的。
8.如权利要求1所述的1μm波段高峰值功率纳秒脉冲激光的产生方法，其特征在于：由光纤布拉格光栅的色散效应所引起的种子激光频率的变化在脉冲 100 fs范围的变化，这对脉冲宽度的影响可以忽略不计。
9.如权利要求1所述的1μm波段高峰值功率纳秒脉冲激光的产生方法，其特征在于：所有的基于光纤的器件，包括光纤式强度电光调制器、两级预放大掺镱光纤、光纤布拉格光栅以及主放大掺镱光纤之间，都是利用光纤拼接技术将上一级器件的输出与下一级的输入端口相连接，以减小光纤耦合造成的衰减。
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