CN113991403B - 一种飞秒光纤放大*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光纤放大器技术领域，具体公开了一种飞秒光纤放大***，包括依次设置的飞秒光纤振荡器模块、振荡器压缩模块、带通滤波模块、掺镱光纤级联放大模块和放大器压缩模块，掺镱光纤级联放大模块内顺次设置熔接在一起且共用同一泵浦的第一掺镱光纤和第二掺镱光纤；第二掺镱光纤的镱离子掺杂浓度低于第一掺镱光纤，第二掺镱光纤的长度大于第一掺镱光纤。第一掺镱光纤用于将脉冲能量放大到自相似放大所需的能量水平，第二掺镱光纤用于实现飞秒激光脉冲的自相似放大。本发明公开的飞秒光纤放大***通过自相似放大可得到更短的压缩后脉宽。而且自相似放大后的激光脉冲形状为抛物线形，且带有线性啁啾，更适合用作光纤啁啾脉冲放大的种子源激光。

Description

一种飞秒光纤放大***
技术领域
本发明涉及光纤放大器技术领域，特别涉及一种飞秒光纤放大***。
背景技术
飞秒激光因具有短脉宽、高峰值功率、宽带相干光谱等特性，在生物医学成像、化学探测、极端物理环境产生、精密光学计量等前沿科学研究领域，以及精密加工等国民生产领域正得到广泛的应用。飞秒激光的脉冲宽度是一个重要的性能参数。例如，在超快探测应用领域，更短的脉宽会带来更高的探测时间分辨率，这意味着可以探测、操控更加短暂的物理和化学过程。在精密加工应用领域，具备更短脉宽的飞秒激光，往往会带来更高的材料加工精度和加工质量。
从激光增益介质角度来区分，飞秒激光器可分为飞秒固体激光器和飞秒光纤激光器两类。相较于飞秒固体激光器，飞秒光纤激光器因具有散热性能好、光束质量好、结构紧凑、长期稳定性高等优点，是实现飞秒激光大规模应用的有力途径。飞秒光纤激光器由飞秒光纤振荡器和飞秒光纤放大器两部分组成，飞秒光纤振荡器用于产生飞秒激光，飞秒光纤放大器用于对产生的飞秒激光进行放大。
目前，市场上常见的1µm波段飞秒光纤振荡器大多都是利用半导体可饱和吸收镜锁模产生飞秒激光，产生的飞秒激光的脉冲能量一般小于1nJ，光谱宽度10~20nm，压缩后脉宽宽度普遍大于100fs。由于飞秒光纤振荡器产生的飞秒激光脉冲能量较小，因此，飞秒光纤振荡器之后往往利用一级光纤放大器对其进行放大。目前，振荡器之后的第一级光纤放大器大多采用常规的光纤激光放大器，直接对飞秒激光脉冲进行线性放大。虽然飞秒激光脉冲能量可提升到几个纳焦，但光谱宽度和脉宽不会有较大改变，压缩后脉宽仍普遍大于100fs。即常规的光纤激光放大器虽然可以放大飞秒激光脉冲能量，但是难以实现飞秒激光脉冲宽度的进一步缩短。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种飞秒光纤放大***，以达到在放大飞秒激光脉冲能量的同时，拓宽激光光谱宽度，得到更短的脉冲宽度的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种飞秒光纤放大***，包括依次设置的飞秒光纤振荡器模块、振荡器压缩模块、带通滤波模块、掺镱光纤级联放大模块和放大器压缩模块，所述掺镱光纤级联放大模块内顺次设置熔接在一起的第一掺镱光纤和第二掺镱光纤，所述第一掺镱光纤和第二掺镱光纤共用同一个半导体激光器作为泵浦光源；所述第二掺镱光纤的镱离子掺杂浓度低于第一掺镱光纤的镱离子掺杂浓度，且第二掺镱光纤的长度大于第一掺镱光纤的长度，所述第一掺镱光纤用于将飞秒激光脉冲的能量放大到自相似放大所需要的能量水平，所述第二掺镱光纤用于实现飞秒激光脉冲的自相似放大。
上述方案中，所述第一掺镱光纤对975nm泵浦光的吸收系数为200-600dB/m，长度为0.1-1m；第二掺镱光纤对975nm泵浦光的吸收系数为10 -100dB/m，长度为5-15m。
上述方案中，所述飞秒光纤振荡器模块包括依次设置的飞秒光纤振荡器和隔离器。
上述方案中，所述振荡器压缩模块包括依次设置的第一透射光栅、第二透射光栅、第一屋脊镜、第一反射镜和第二反射镜，所述第一屋脊镜为两面上下放置的、呈45°夹角的反射镜。
上述方案中，所述带通滤波模块为带通滤波片。
上述方案中，所述掺镱光纤级联放大模块内还包括与第一掺镱光纤依次连接的波分复用器和第一准直器，与第二掺镱光纤连接的第二准直器，所述半导体激光器通过泵浦保护器连接波分复用器。
上述方案中，所述放大器压缩模块包括依次设置的第三透射光栅、第四透射光栅、第二屋脊镜和第三反射镜，所述第二屋脊镜为两面上下放置的、呈45°夹角的反射镜。
通过上述技术方案，本发明提供的飞秒光纤放大***具有如下有益效果：
1、本发明采用第一掺镱光纤和第二掺镱光纤进行级联，首先利用长度较短的高掺杂浓度的第一掺镱光纤适当放大脉冲能量，使飞秒激光脉冲能量达到自相似放大的所需要的能量水平；随后，飞秒激光脉冲可以在后续长度较长的低掺杂浓度的第二掺镱光纤中实现自相似放大。这种飞秒光纤放大器，在将飞秒激光脉冲能量提升到5nJ以上的同时，可以将脉冲光谱宽度拓宽至41.8nm，压缩后脉冲宽度短至72.3fs。另外，经过自相似放大后的激光脉冲的时域脉冲形状呈现抛物线形、带有线性啁啾，更加适合用作后续光纤啁啾脉冲放大***的种子源激光。
2、第一掺镱光纤和第二掺镱光纤共用同一个半导体激光器作为泵浦光源，在同一级光纤放大级中实现飞秒激光脉冲自相似放大，***结构简洁。
3、本发明采用振荡器压缩模块将飞秒光纤振荡器输出的带有正色散的飞秒激光脉冲压缩至最短，再用4nm带宽的带通滤波片窄化光谱，可减小飞秒激光脉冲在光纤中的色散展宽效应，使飞秒激光脉冲进入第二掺镱光纤放大之前，不会因在光纤中的色散效应而导致脉宽急剧展宽，从而保证了脉冲宽度可以达到自相似放大所需要的脉宽水平。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的一种飞秒光纤放大***示意图；
图2为本发明实施例所公开的振荡器压缩模块内部示意图；
图3为本发明实施例输出的激光光谱图；
图4为本发明实施例输出的激光经过压缩后的自相关测量脉冲宽度图。
图中，1、飞秒光纤振荡器模块；2、振荡器压缩模块；3、带通滤波模块；4、掺镱光纤级联放大模块；5、放大器压缩模块；11、飞秒光纤振荡器；12、隔离器；21、第一透射光栅；22、第二透射光栅；23、第一屋脊镜；24、第一反射镜；25、第二反射镜；41、第一准直器；42、波分复用器；43、半导体激光器；44、泵浦保护器；45、第一掺镱光纤；46、第二掺镱光纤；47、第二准直器；51、第三透射光栅；52、第四透射光栅；53、第二屋脊镜；54、第三反射镜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种飞秒光纤放大***，如图1所示，包括依次设置的飞秒光纤振荡器模块1、振荡器压缩模块2、带通滤波模块3、掺镱光纤级联放大模块4和放大器压缩模块5。其中，飞秒光纤振荡器模块1用于产生中心波长1030nm附近、带宽约20nm的飞秒激光脉冲。振荡器压缩模块2，用于将飞秒光纤振荡器模块产生的带有正色散的飞秒激光脉冲的脉宽压缩到最短。带通滤波模块3，对压缩后的带宽约20nm的飞秒激光脉冲进行光谱窄化，仅保留1030nm附近约4nm带宽的光谱，使飞秒激光脉冲在进入第二掺镱光纤之前，不会因在光纤中的色散效应而导致脉宽急剧展宽，从而保证了脉冲宽度可以达到自相似放大所需要的脉宽水平。掺镱光纤级联放大模块4，用于实现飞秒激光脉冲的自相似放大。放大器压缩模块5，用于将脉宽压缩到最短。
飞秒光纤振荡器模块1包括依次设置的飞秒光纤振荡器11和隔离器12。飞秒光纤振荡器11用于产生飞秒激光脉冲，隔离器12起隔离作用，用于保证飞秒光纤振荡器11不受干扰。
如图2所示，振荡器压缩模块2包括依次设置的第一透射光栅21、第二透射光栅22、第一屋脊镜23、第一反射镜24和第二反射镜25。第一透射光栅21、第二透射光栅22和第一屋脊镜23的组合用于提供负色散，将飞秒激光脉冲宽度压缩到最短。其中，从隔离器12出来的飞秒激光脉冲经过第一透射光栅21后一级衍射光发生角色散，经过第二透射光栅22后变为平行光。第一屋脊镜23为两面上下放置的、呈45°夹角的反射镜，飞秒激光脉冲入射到第一屋脊镜23上表面反射镜，再通过下表面反射镜平行折返。随后，飞秒激光脉冲再依次经过第二透射光栅22、第一透射光栅21，从下表面沿入射光方向出射。最后，飞秒激光脉冲经第一反射镜24和第二反射镜25的转向后输出。图1中的光路仅代表位置关系，具体光路见图2所示。
带通滤波模块3为带通滤波片，用于将飞秒激光脉冲进行光谱窄化，保留1030 nm附近约4 nm带宽的光谱。
掺镱光纤级联放大模块4包括依次通过光纤连接的第一准直器41、波分复用器42、第一掺镱光纤45、第二掺镱光纤46和第二准直器47。波分复用器42通过泵浦保护器44连接半导体激光器43。第一准直器41用于将飞秒激光脉冲收集进光纤，其附带的光纤为单模保偏光纤。波分复用器42用于将泵浦激光和飞秒激光脉冲导入第一掺镱光纤45和第二掺镱光纤46。半导体激光器43用于泵浦第一掺镱光纤45和第二掺镱光纤46。泵浦保护器44用于保证半导体激光器43不受干扰。第一掺镱光纤45为单模保偏掺镱光纤，镱离子掺杂浓度相对较高，对波长在975nm的泵浦光的吸收系数为200-600dB/m。第一掺镱光纤45长度较短，为0.1-1m，用于将飞秒激光脉冲能量放大，达到在后续第二掺镱光纤46中实现自相似放大所需的脉冲能量水平。第二掺镱光纤46为单模保偏掺镱光纤，镱离子掺杂浓度相对较低，对波长在975nm的泵浦光的吸收系数为10-100dB/m。第二掺镱光纤46长度较长，为5-15m，用于实现飞秒激光脉冲的自相似放大，在放大飞秒激光脉冲能量的同时，拓宽光谱宽度。第二准直器47用于准直输出，其附带的光纤为单模保偏光纤。
放大器压缩模块5包括依次设置的第三透射光栅51、第四透射光栅52、第二屋脊镜53和第三反射镜54，第二屋脊镜53为两面上下放置的、呈45°夹角的反射镜。第三透射光栅51、第四透射光栅52和第二屋脊镜53的组合用于提供负色散，将脉宽压缩到最短。第三反射镜54用于飞秒激光脉冲的转向。放大器压缩模块5的工作原理与图2中振荡器压缩模块2的工作原理相同。
本发明的一个具体实施例如下：
飞秒光纤振荡器11的输出飞秒激光脉冲的光谱宽度约20nm、重复频率37MHz、脉冲能量0.2nJ、脉宽5ps且脉冲未压缩带有正色散。飞秒激光脉冲经过隔离器12，脉冲特性几乎无变化。飞秒激光脉冲经过提供负色散的振荡器压缩模块2，脉冲宽度压缩至118fs。之后，飞秒激光脉冲经过带通滤波模块3，经光谱窄化后，光谱宽度变为4nm，脉冲宽度变为482fs。光谱窄化后，飞秒激光脉冲在进入光纤后不会因色散效应急剧展宽。
随后，飞秒激光脉冲经第一准直器41收集进入光纤，经过上述脉冲压缩、带通滤波和第一准直器收集后，飞秒激光脉冲能量减小为0.02nJ。飞秒激光脉冲和半导体激光器43输出的泵浦激光，通过波分复用器42进入高掺杂浓度的第一掺镱光纤45。经过长度为40cm的第一掺镱光纤45（对波长在975nm的泵浦光的吸收系数为250dB/m）放大后，脉冲能量变为0.5nJ。这个脉冲能量和脉宽水平，保证了飞秒激光脉冲可以在后续的低掺杂浓度的第二掺镱光纤46中实现自相似放大。随后，飞秒激光脉冲和剩余泵浦光进入第二掺镱光纤46（对波长在975nm的泵浦光的吸收系数为80dB/m），飞秒激光脉冲在长度为8m的第二掺镱光纤46中实现自相似放大，脉冲能量放大至5.6nJ，如图3所示，激光光谱宽度拓宽至41.8nm。提供负色散的放大器压缩模块5完成脉宽压缩，飞秒激光脉冲经第三反射镜54转向输出。如图4所示，脉冲宽度压缩至72.3fs。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的保护范围。

Claims (6)

1.一种飞秒光纤放大***，其特征在于，包括依次设置的飞秒光纤振荡器模块、振荡器压缩模块、带通滤波模块、掺镱光纤级联放大模块和放大器压缩模块；所述振荡器压缩模块用于将飞秒光纤振荡器输出的带有正色散的飞秒激光脉冲压缩至最短；所述带通滤波模块用于对压缩后的飞秒激光脉冲进行光谱窄化，使飞秒激光脉冲在进入第二掺镱光纤之前，不会因在光纤中的色散效应而导致脉宽急剧展宽，从而保证了脉冲宽度可以达到自相似放大所需要的脉宽水平；
所述掺镱光纤级联放大模块内顺次设置熔接在一起的第一掺镱光纤和第二掺镱光纤，所述第一掺镱光纤和第二掺镱光纤共用同一个半导体激光器作为泵浦光源；所述第二掺镱光纤的镱离子掺杂浓度低于第一掺镱光纤的镱离子掺杂浓度，且第二掺镱光纤的长度大于第一掺镱光纤的长度，所述第一掺镱光纤用于将飞秒激光脉冲的能量放大到自相似放大所需要的能量水平，所述第二掺镱光纤用于实现飞秒激光脉冲的自相似放大；所述第一掺镱光纤对975nm泵浦光的吸收系数为200-600dB/m，长度为0.1-1m；第二掺镱光纤对975nm泵浦光的吸收系数为10 -100dB/m，长度为5-15m。
2.根据权利要求1所述的一种飞秒光纤放大***，其特征在于，所述飞秒光纤振荡器模块包括依次设置的飞秒光纤振荡器和隔离器。
3.根据权利要求1所述的一种飞秒光纤放大***，其特征在于，所述振荡器压缩模块包括依次设置的第一透射光栅、第二透射光栅、第一屋脊镜、第一反射镜和第二反射镜，所述第一屋脊镜为两面上下放置的、呈45°夹角的反射镜。
4.根据权利要求1所述的一种飞秒光纤放大***，其特征在于，所述带通滤波模块为带通滤波片。
5.根据权利要求1所述的一种飞秒光纤放大***，其特征在于，所述掺镱光纤级联放大模块内还包括与第一掺镱光纤依次连接的波分复用器和第一准直器，与第二掺镱光纤连接的第二准直器，所述半导体激光器通过泵浦保护器连接波分复用器。
6.根据权利要求1所述的一种飞秒光纤放大***，其特征在于，所述放大器压缩模块包括依次设置的第三透射光栅、第四透射光栅、第二屋脊镜和第三反射镜，所述第二屋脊镜为两面上下放置的、呈45°夹角的反射镜。
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