时域展宽器及激光器的制作方法

1.本技术涉及激光技术领域，尤其是涉及一种时域展宽器及激光器。


背景技术：

2.随着工业领域对微纳米加工需求的不断提升，超短脉冲激光器的应用越来越广泛。通常采用啁啾脉冲放大技术获取超短脉冲激光，啁啾脉冲放大技术利用色散技术，先将激光脉冲展宽后，再通过脉冲放大器放大，最后进行压缩，从而获得超短脉冲激光。
3.为了实现激光器的全光纤化，激光脉冲的展宽往往使用的是啁啾光纤光栅或者普通单模光纤，然而展宽后的脉冲输出稳定性不好，或者获得的压缩后的激光光束脉冲质量差。


技术实现要素：

4.本技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本技术提出一种时域展宽器，能够提高展宽后脉冲的稳定性，同时可以优化压缩后的激光光束的脉冲质量。
5.本技术还提出一种具有上述时域展宽器的激光器。
6.根据本技术的第一方面实施例的时域展宽器，包括：预展宽模块，用于将入射光束进行第一次展宽；二次展宽模块，与所述预展宽模块耦合连接，用于对经过第一次展宽处理后的所述入射光束进行第二次展宽；偏振控制模块，与所述二次展宽模块耦合连接，用于对所述入射光束进行调制以获得输出偏振光束，其中，所述二次展宽模块为负三阶色散光纤。
7.根据本技术实施例的时域展宽器，至少具有如下有益效果：通过设置负三阶色散光纤，在保持全光纤结构的同时能够减少温度、震动对脉冲展宽的影响，提高展宽后脉冲的稳定性；负三阶色散光纤能够对压缩器的正三阶色散进行补偿，从而提高激光光束脉冲的质量。此外，通过预展宽模块、二次展宽模块进行混合模块，能够避免超短脉冲在二次展宽模块中的非线性效应积累；偏振控制模块能够获得高消光比的偏振光束，有利于激光光束的后续调制。
8.根据本技术的一些实施例，所述负三阶色散光纤的二阶色散的范围为0.098～0.104ps2/m，三阶色散与二阶色散的比值范围为4.9～5.9fs。
9.根据本技术的一些实施例，所述负三阶色散光纤的纤芯直径范围为2～6μm，包层直径范围为80～150μm。
10.根据本技术的一些实施例，所述预展宽模块为普通单模光纤。
11.根据本技术的一些实施例，所述普通单模光纤为保偏单模光纤、非保偏单模光纤中的一种。
12.根据本技术的一些实施例，所述偏振控制模块包括：偏振态控制器，所述偏振态控制器与所述二次展宽模块耦合连接，用于对第二次展宽后的所述入射光束的偏振态进行调制；在线式偏振分光棱镜，所述在线式偏振分光棱镜与所述偏振态控制器耦合连接，用于对所述偏振态调制器调制后的所述入射光束分光并获得所述输出偏振光束。
13.根据本技术的一些实施例，所述在线式偏振分光棱镜包括：第一端口，所述第一端口与所述偏振态控制器连接，用于将经过所述偏振态控制器调制后的所述入射光束输入至所述在线式偏振分光棱镜内部；第二端口，所述第二端口用于输出经过所述在线式偏振分光棱镜分光后获得的水平偏振光束；第三端口，所述第三端口用于输出经过所述在线式偏振分光棱镜分光后获得的垂直偏振光束。
14.根据本技术的一些实施例，还包括：处理器，与所述第三端口耦合连接，用于监测所述垂直偏振光束的光学参数。
15.根据本技术的第二方面实施例的激光器，包括根据本技术上述第一方面实施例的时域展宽器；脉冲放大器，所述脉冲放大器与所述时域展宽器耦合连接，用于将所述输出偏振光束进行放大；脉冲压缩器，与所述脉冲放大器耦合连接，用于对放大后的所述输出偏振光束进行压缩以获得飞秒脉冲；其中，所述预展宽模块、所述二次展宽模块的参数与所述脉冲压缩器的参数相匹配。
16.根据本技术实施例的激光器，至少具有如下有益效果：通过设置上述的时域展宽器，能够对脉冲压缩器引入的正三阶色散进行补偿，达到最佳的色散匹配，从而提高脉冲压缩质量、输出高质量的超短脉冲激光束。
17.本技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
18.下面结合附图和实施例对本技术做进一步的说明，其中：
19.图1为本技术实施例时域展宽器的结构示意图；
20.图2为本技术实施例时域展宽器的又一结构示意图；
21.图3为本技术实施例激光器的框架示意图。
22.附图标记：
23.时域展宽器1000、预展宽模块1100、二次展宽模块1200、偏振控制模块1300、偏振态控制器1310、在线式偏振分光棱镜1320、第一端口1321、第二端口1322、第三端口1323、处理器1400、脉冲放大器2000、脉冲压缩器3000。
具体实施方式
24.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
25.在本技术的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
26.在本技术的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的
技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
27.本技术的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本技术中的具体含义。
28.本技术的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
29.下面参考图1描述根据本技术实施例的预展宽模块1100。
30.如图1所示，根据本技术实施例的预展宽模块1100，包括预展宽模块1100、二次展宽模块1200和偏振控制模块1300。
31.预展宽模块1100用于将入射光束进行第一次展宽；二次展宽模块1200与预展宽模块1100耦合连接，用于对经过第一次展宽处理后的入射光束进行第二次展宽；偏振控制模块1300与二次展宽模块1200耦合连接，用于对入射光束进行调制以获得输出偏振光束；其中，二次展宽模块1200为负三阶色散光纤。
32.例如，入射光束先进入预展宽模块1100中进行预展宽，即第一次展宽，预展宽后的入射光束进入二次展宽模块1200中，进行二次展宽。由于二次展宽模块1200为负三阶色散光纤，因此二次展宽后的入射光束会引入负三阶色散，负三阶色散能够对正三阶色散进行补偿，从而提高激光光束脉冲的质量。通过预展宽模块1100、二次展宽模块1200的混合展宽，在保持全光纤展宽结构的同时，降低了展宽过程中对温度、震动等外界因素的敏感度。混合展宽后的入射光束进入偏振控制模块1300中进行调制，偏振控制模块1300对入射光束的偏振态进行调制，以获得线偏振光，以便于后续光束的调制。
33.根据本技术实施例的时域展宽器1000，通过设置负三阶色散光纤，在保持全光纤结构的同时能够减少温度、震动对脉冲展宽的影响，提高展宽后脉冲的稳定性；负三阶色散光纤能够对激光器系统的正三阶色散进行补偿，从而提高激光光束脉冲的质量。此外，通过预展宽模块1100、二次展宽模块1200进行混合模块，能够避免超短脉冲在二次展宽模块1200中的非线性效应积累；偏振控制模块1300能够获得高消光比的偏振光束，有利于激光光束的后续调制。
34.在本技术的一些具体实施例中，负三阶色散光纤的二阶色散的范围为0.098～0.104ps2/m，三阶色散与二阶色散的比值范围为4.9～5.9fs。负三阶色散光纤由纤芯、包层和涂覆层构成，能够提供负三阶色散。通常使用的负三阶色散光纤的纤芯直径大小为3μm、包层直径大小为125μm、涂覆层直径大小为250μm。当入射光束波长为1030nm时，二阶色散的范围为0.098～0.104ps2/m，三阶色散与二阶色散的比值范围为4.9～5.9fs。在其他一些实施例中，负三阶色散光纤的结构参数可以根据需求进行选择，从而能够使得负三阶色散光纤引入的负三阶色散与正三阶色散相匹配进行补偿。
35.在本技术的一些具体实施例中，负三阶色散光纤的纤芯直径范围为2～6μm，包层直径范围为80～150μm。
36.在本技术的一些具体实施例中，预展宽模块1100为普通单模光纤。普通单模光纤
成本较为低廉，使用普通单模光纤作为预展宽模块1100在达到展宽目的的同时，能够有效降低时域展宽器1000的生产成本，便于规模化应用。同时，配合负三阶色散光纤能够在一定程度上避免超短脉冲在负三阶色散光纤中的非线性效应积累，提高展宽后激光光束的质量。
37.在本技术的一些具体实施例中，普通单模光纤的纤芯直径范围为6～10μm，包层直径范围为100～150μm。例如，预展宽模块1100所用的普通单模光纤的纤芯直径可以为6μm、8μm或者10μm，包层的直径范围可以为100μm、125μm或150μm，普通单模光纤的长度根据啁啾脉冲放大的系统进行确定。可以理解的是，普通单模光纤纤芯直径、包层直径可以根据需求进行选择。
38.在本技术的一些具体实施例中，普通单模光纤为保偏单模光纤、非保偏单模光纤中的一种。普通单模光纤可以选择保偏单模光纤，也可以选择非保偏单模光纤，两种普通单模光纤提供色散量的差异较小，均可以对入射光束进行第一次展宽。为了提高激光脉冲质量，优选保偏单模光纤作为预展宽模块1100，因为保偏单模光纤结构中含有应力区域，能够使得偏振光保持较好的偏振态传输。
39.在本技术的一些具体实施例中，如图1所示，偏振控制模块1300包括偏振态控制器1310和在线式偏振分光棱镜1320，偏振态控制器1310与二次展宽模块1200耦合连接，用于对第二次展宽后的入射光束的偏振态进行调制；在线式偏振分光棱镜1320与偏振态控制器1310耦合连接，用于对偏振态控制器1310调制后的入射光束分光并获得输出偏振光束。例如，二次展宽模块1200为负三阶色散光纤，偏振态控制器1310与负三阶色散光纤的尾端光纤部分熔接，在线式偏振分光棱镜1320与偏振态控制器1310的输出端耦合连接。偏振态控制器1310通过对负三阶色散光纤施加应力从而对展宽后入射光束的偏振态进行调制，从而获得线偏振光，使得入射光束的大部分能量能够进入在线式偏振分光棱镜1320中。其中，偏振态控制器1310可以是光纤偏振态控制器1310、机械式应力产生装置或压电陶瓷式应力产生装置，具体使用哪一种偏振态控制器1310可以根据用户需求进行设置。
40.在本技术的一些具体实施例中，如图1所示，在线式偏振分光棱镜1320包括第一端口1321、第二端口1322和第三端口1323，第一端口1321与偏振态控制器1310连接，用于将经过偏振态控制器1310调制后的入射光束输入至在线式偏振分光棱镜1320内部；第二端口1322用于输出经过在线式偏振分光棱镜1320分光后获得的水平偏振光束；第三端口1323用于输出经过在线式偏振分光棱镜1320分光后获得的垂直偏振光束。
41.例如，在线式偏振分光棱镜1320的第一端口1321与偏振态控制器1310的输出端连接，用于接收经过偏振态控制器1310调制后的入射光束，并将该入射光束输入至在线式偏振分光棱镜1320内部。在线式偏振分光棱镜1320对入射光束进行分光，以获得水平偏振光束和垂直偏振光束，水平偏振光束由在线式偏振分光棱镜1320的第二端口1322输出，用于进行后续的光束放大、光束压缩；垂直偏振光束由在线式偏振分光棱镜1320的第三端口1323输出，用户可以根据第三端口1323的输出偏振光束监测展宽后光束的光学参数。
42.在本技术的一些具体实施例中，如图2所示，时域展宽器1000还包括处理器1400，处理器1400与第三端口1323耦合连接，用于监测垂直偏振光束的参数。例如，处理器1400与在线式偏振分光棱镜1320的第三端口1323耦合连接，通过第三端口1323的垂直偏振光束，能够对展宽后光束的光学参数进行检测，光学参数包括展宽后光束的脉冲宽度、功率大小、
光谱图像等。用户可以根据处理器1400对展宽后光束的脉冲质量进行实时监测，其中，处理器1400可以为与pc机、工业计算机等相互通讯的光电测量仪器等。
43.在本技术的一些实施例中，如图2和图3所示，还提供了一种激光器，包括本技术上述任一实施例中的时域展宽器1000、脉冲放大器2000和脉冲压缩器3000。脉冲放大器2000与时域展宽器1000耦合连接，用于将输出偏振光束进行放大；脉冲压缩器3000与脉冲放大器2000耦合连接，用于对放大后的输出偏振光束进行压缩以获得飞秒脉冲；其中，预展宽模块1100、二次展宽模块1200的参数与脉冲压缩器3000的参数相匹配。
44.例如，预展宽模块1100为保偏单模光纤、二次展宽模块1200为负三阶色散光纤，其中时域展宽器1000对入射光束脉冲的展宽程度由保偏单模光纤、负三阶色散光纤的长度共同决定。脉冲放大器2000与时域展宽器1000中的在线式偏振分光棱镜1320的第二端口1322耦合连接，用于时域展宽器1000的输出偏振光束进行放大，放大后的光束进入脉冲压缩器3000中进行压缩，脉冲压缩器将光束的脉冲宽度压缩至飞秒量级，从而得到超短脉冲激光。
45.保偏单模光纤、负三阶色散光纤的长度根据脉冲压缩器3000的参数进行设置，光纤长度越长提供的二阶色散量、三阶色散量越大。通过调节保偏单模光纤、负三阶色散光纤的长度，能够获得与脉冲压缩器3000的参数相匹配的二阶色散量、三阶色散量，从而达到最佳的色散匹配，降低色散对激光脉冲质量的影响。
46.具体地，以二阶色散为例，中心波长为1030nm，光谱宽度为10nm的信号光进入负三阶色散光纤时，对应的光纤二阶色散参数约为0.101ps2/m。要将脉冲宽度从1ps展宽至500ps，为了补偿脉冲压缩器3000引入的正色散，大约需要的色散参量约为-50ps/nm。根据公式β2＝-(λ^2*d)/(2πc)，计算得到二阶色散量β2＝28.2ps2，如果只考虑负三阶色散光纤提供二阶色散，则需要的光纤长度约为l＝28.2
÷
0.101＝279.2m。
47.根据本技术实施例的激光器，通过设置上述的时域展宽器1000，能够对脉冲压缩器3000引入的正三阶色散进行补偿，达到最佳的色散匹配，从而提高脉冲压缩质量，输出高质量的超短脉冲激光束。
48.上面结合附图对本技术实施例作了详细说明，但是本技术不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本技术宗旨的前提下做出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。