一种啁啾脉冲展宽压缩装置及放大系统的制作方法

1.本技术涉及激光技术领域，尤其涉及一种啁啾脉冲展宽压缩装置及放大系统。


背景技术：

2.飞秒激光器具有峰值功率高、脉宽极短的特点，可以实现对金属、各种脆性材料的低热影响、高质量的精确微细加工，近年来随着工艺技术的不断发展，在工业领域具有广阔的应用前景。当前的商业高功率飞秒激光器，通常通过啁啾脉冲放大技术(chirped pulse amplification，cpa)来实现，其基本结构及原理为：飞秒种子源产生固定重频的超短脉冲激光序列，通过具有较大二阶色散的脉冲展宽器在时域上展宽到几十皮秒到几纳秒，再由脉冲选单器降频或实现脉冲串输出，通过多级功率放大器提升平均功率及单脉冲能量，最后由脉冲压缩器补偿色散实现飞秒或皮秒量级的超短脉冲输出。
3.然而，当前的飞秒脉冲cpa激光器采用的脉冲展宽—压缩方案使用啁啾体光栅(chirped volume bragg grating,cvbg)作为展宽/压缩器，cvbg是在光折变晶体上刻出啁啾的光栅结构，通过使用一个cvbg同时作为展宽器及压缩器，让种子光和放大后的激光沿相反方向入射，那么它们在cvbg中经历的色散过程是正好相反的，可以互相补偿，但是该方案的色散无法调节，且无法补偿放大链路中额外的材料色散、不能优化压缩效果，使得最后输出的脉冲宽度不能达到最小值。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术的目的是为了克服现有技术中的不足，本技术提供了一种啁啾脉冲展宽压缩装置。
5.本技术提供了：
6.一种啁啾脉冲展宽压缩装置，包括：
7.第一偏振分光棱镜，具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；
8.脉冲展宽压缩器，具有相对设置的用于接收待展宽光脉冲的展宽端口和接收待压缩光脉冲的压缩端口，所述展宽端口设置于所述第四端口的一侧；
9.色散调节器，设置于所述第三端口的一侧，用于对经所述第三端口射出的光脉冲提供群延迟色散；
10.其中，种子脉冲经所述第一端口进入所述第一偏振分光棱镜后从所述第三端口射出，进入至所述色散调节器后沿原路反射回，再次经所述第三端口进入至所述第一偏振分光棱镜后从所述第四端口射入所述脉冲展宽压缩器，在所述脉冲展宽压缩器内进行时域展宽后依次经所述第四端口、所述第一偏振分光棱镜和所述第二端口射出。
11.另外，根据本技术的啁啾脉冲展宽压缩装置，还可具有如下附加的技术特征：
12.在本技术的一些实施方式中，所述色散调节器包括：
13.色散元件，所述色散元件为啁啾光栅对、啁啾反射镜、啁啾反射镜组或棱镜对中的一种；
14.反射镜，设置于所述色散元件背离所述第三端口的一侧。
15.在本技术的一些实施方式中，所述啁啾脉冲展宽压缩装置还包括电控位移台，当所述色散元件为光栅对或棱镜对时，所述色散元件安装于所述电控位移台上，所述电控位移台用于调整光栅对中两个光栅之间的距离或棱镜对中两个棱镜之间的距离。
16.在本技术的一些实施方式中，所述色散元件为啁啾光栅对，所述光栅对中两个光栅互相平行。
17.在本技术的一些实施方式中，所述反射镜使入射光再次通过光栅对或棱镜对，沿原路返回至所述第三端口。
18.在本技术的一些实施方式中，所述第一端口处设置有第一波片，所述第三端口与所述色散调节器之间设置有第二波片，所述第四端口与所述展宽端口之间设置有第三波片。
19.在本技术的一些实施方式中，所述第一波片为1/2波片，所述第二波片和所述第三波片均为1/4波片。
20.在本技术的一些实施方式中，所述啁啾脉冲展宽压缩装置还包括第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜具有第五端口、第六端口和第七端口，所述第六端口和所述第七端口位于所述第二偏振分光棱镜的两相对侧，所述第六端口与所述压缩端口相对应设置，且所述压缩端口与所述第六端口之间设置有第四波片，所述第五端口处设置有第五波片；
21.其中，经过放大的光束从压缩入射端入射，经所述第五波片和所述第二偏振分光棱镜后出射的光束与入射光束垂直，并从所述第六端口射入所述脉冲展宽压缩器内进行压缩后再次经所述第四波片及所述第二偏振分光棱镜，从所述第七端口射出。
22.在本技术的一些实施方式中，所述第四波片为1/4波片，所述第五波片为1/2波片。
23.在本技术的一些实施方式中，所述脉冲展宽压缩器为啁啾体光栅。
24.本技术还提供了一种放大系统，包括上述任一实施例中所述的啁啾脉冲展宽压缩装置。
25.相对于现有技术，本技术的有益效果是：本技术提出一种啁啾脉冲展宽压缩装置，通过色散调节器和第一偏振分光棱镜的设置，种子脉冲经所述第一端口进入所述第一偏振分光棱镜后从所述第三端口射出，进入至所述色散调节器后沿原路反射回，再次经所述第三端口进入至所述第一偏振分光棱镜后从所述第四端口射入所述脉冲展宽压缩器，在所述脉冲展宽压缩器内进行时域展宽后依次经所述第四端口、所述第一偏振分光棱镜和所述第二端口射出。本技术提供的展宽压缩装置，与现有的使用单一cvbg同时作为展宽器及压缩器的方案对比，本技术克服了色散无法调节、放大链路中附加色散无法补偿的缺点，使得最后输出的光脉冲宽度可以达到飞秒量级，并且还可以根据应用端需求调整脉宽。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
27.图1示出了本技术一些实施例中啁啾脉冲展宽压缩装置的示意图；
28.图2示出了本技术一些实施例中啁啾脉冲展宽压缩装置中色散元件为透射式光栅对的示意图；
29.图3示出了本技术一些实施例中啁啾脉冲展宽压缩装置中色散元件为反射式光栅对的示意图；
30.图4示出了本技术一些实施例中啁啾脉冲展宽压缩装置中脉冲展宽压缩器的一种实施方式示意图；
31.图5示出了本技术一些实施例中放大系统的示意图。
32.主要元件符号说明：
33.100-啁啾脉冲展宽压缩装置；110-第一偏振分光棱镜；111-第一端口；112-第二端口；113-第三端口；114-第四端口；120-第二偏振分光棱镜；121-第五端口；122-第六端口；123-第七端口；130-脉冲展宽压缩器；131-展宽端口；132-压缩端口；140-色散调节器；141-色散元件；1411-光栅对；14111-光栅；142-反射镜；150-第一波片；151-第二波片；152-第三波片；153-第四波片；154-第五波片；200-放大系统；210-预放大器；220-选频器；230-多级放大器；300-飞秒种子源激光器。
具体实施方式
34.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。
35.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
36.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
37.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
38.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
39.相关技术中，通过使用一个cvbg同时作为展宽器及压缩器，让种子光和放大后的
激光沿相反方向入射，那么它们在cvbg中经历的色散过程是正好相反的，可以互相补偿，但是该方案的色散无法调节，不能优化压缩效果，使得最后输出的脉冲宽度不能达到最小值。如应用于1um波段的高功率光纤飞秒放大系统中，对于此波长光纤的材料色散约为0.02ps2/m，假设光纤链路总长10m，激光的光谱带宽为10nm，则最后输出的脉冲宽度大约为3.5ps，而傅里叶变换受限脉冲的宽度约为160fs，脉宽增加了近20倍，脉冲的峰值功率大大降低了。
40.为了解决上述问题，如图1至图4所示，本技术的实施例提供了一种啁啾脉冲展宽压缩装置100，主要设置在放大系统200中，在激光器中实现展宽和压缩的功能。该啁啾脉冲展宽压缩装置100包括第一偏振分光棱镜110、脉冲展宽压缩器130和色散调节器140。
41.一并参阅图1，第一偏振分光棱镜110具有第一端口111、第二端口112、第三端口113和第四端口114。可选地，所述第一端口111和所述第三端口113位于所述第一偏振分光棱镜110的两相对侧，所述第二端口112和所述第四端口114位于所述第一偏振分光棱镜110的两相对侧，同时，第一端口111、第二端口112、第三端口113和第四端口114均不在第一偏振分光棱镜110的同一侧。
42.脉冲展宽压缩器130具有相对设置的用于接收待展宽光脉冲的展宽端口131和接收待压缩光脉冲的压缩端口132，所述展宽端口131设置于所述第四端口114的一侧。
43.色散调节器140设置于所述第三端口113的一侧，用于对经所述第三端口113射出的光脉冲提供群延迟色散。
44.其中，种子脉冲经所述第一端口111进入所述第一偏振分光棱镜110后从所述第三端口113射出，进入至所述色散调节器140后并沿原路反射回，再次经所述第三端口113进入至所述第一偏振分光棱镜110后从所述第四端口114射入所述脉冲展宽压缩器130，在所述脉冲展宽压缩器130内进行时域展宽后依次经所述第四端口114、所述第一偏振分光棱镜110和所述第二端口112射出。
45.需要说明的是，种子脉冲可以由飞秒种子源激光器300发射，如选择全光纤的锁模脉冲光纤激光器，可以获得稳定的飞秒激光脉冲信号，即种子脉冲。箭头方向为光脉冲的光路走向。
46.如图2所示，假设飞秒种子源激光器300发射的飞秒激光脉冲信号的激光中心波长为1030nm，带宽10nm，光纤放大链路总长10m，那么需要补偿的材料色散为0.2ps2。如色散调节器140中采用光栅常数为1000l/mm的透射光栅对，根据透射光栅对群延迟色散(group delay dispersion，gdd)计算公式：
[0047][0048]
其中，n为透射光栅对的通过次数，在本实例中n＝2，m为衍射级次，为-1，λ为激光中心波长，l为透射光栅对的垂直间距，d为光栅周期，c为光速，θi为入射角，通常以利特罗角入射，在本例中θi为31
°
。那么在该啁啾脉冲展宽压缩装置100中，只需要33mm光栅间距就可以预补偿放大链路的色散，使此结构中光路很短，光斑较小，且信号光功率比较低，可以使用小面积的衍射光栅，与采用啁啾光纤光栅(chirped fiber bragg grating，cfbg)作为展宽器相比成本更低，而且可以灵活调节、结构紧凑、可靠性较高。此外，在高功率光纤的放
大系统200中，色散调节器140还能一定程度上预补偿光脉冲在放大过程中有可能出现的非线性相位调制(self phase modulation，spm)引起的非线性相移，实现色散的调整，使输出脉冲质量更好。
[0049]
当然，在其他实施例中，上述公式中的参数还可以选择其他数值。
[0050]
本技术提供的啁啾脉冲展宽压缩装置100，与现有的使用单一cvbg同时作为展宽器及压缩器的方案对比，本技术克服了色散无法调节、放大链路中附加色散无法补偿的缺点，使得最后输出的脉冲宽度可以达到飞秒量级，并且还可以根据应用端需求调整脉宽，可以灵活适配不同的放大系统200，使输出光脉冲达到近零啁啾，实现超短脉宽。
[0051]
在本技术的一些实施方式中，可选地，所述色散调节器140包括色散元件141和反射镜142。
[0052]
所述色散元件141为光栅对1411、啁啾反射镜、啁啾反射镜组或棱镜对中的一种。
[0053]
光栅对1411可以采用反射式的光栅(如图3所示，)或者透射式的光栅(如图2所示，)，衍射光栅对于入射光不同波长分量衍射角不同，引入角色散，光通过光栅对1411后在其光谱带宽内具有渐变的群延迟。图2中示例为反射式光栅对。
[0054]
啁啾反射镜由于在结构中是空间变化的，因此不同波长的光进入反射镜结构的深度不同，因此具有不同的群时延。
[0055]
当然，在其他实施方式中，所述色散元件141还可以选为用于色散的棱镜对来实现群延迟色散。
[0056]
反射镜142设置于所述色散元件141背离所述第三端口的一侧。这样，进入到色散元件141上的光束经反射镜142反射后沿原路返回到第三端口113内。反射镜142优选为全反射镜。
[0057]
在本技术的一些实施方式中，可选地，所述啁啾脉冲展宽压缩装置100还包括电控位移台，当所述色散元件141为光栅对1411或棱镜对时，所述色散元件141安装于所述电控位移台上，所述电控位移台用于调整光栅对1411中两个光栅14111之间的距离或棱镜对中两个棱镜之间的距离。
[0058]
在本实施方式中，通过电控位移台的设置，两个光栅14111之间的距离、两个棱镜之间的距离来实现输出脉宽在线可调等功能。
[0059]
结合图2所示，在上述实施方式中，具体地，所述色散元件141为光栅对1411，所述光栅对1411中两个光栅14111互相平行。或者所述色散元件141为棱镜对。
[0060]
具体地，具有一定光谱带宽的入射光脉冲经过光栅衍射或者棱镜折射之后发生角色散，不同波长的光分量在空间上分开，往返经过光栅对或者棱镜对出射的时候，在空间上重新合到同一个方向上，但是由于不同波长分量的光脉冲走的光程不同，有的分量走的短在脉冲的前沿，有的分量走的长就落在后沿，组成的光脉冲形成了啁啾。
[0061]
当然，在其他实施方式中，所述色散元件141还可以使用啁啾反射镜组。
[0062]
如图1所示，在本技术的一些实施方式中，所述第一端口111处设置有第一波片150，所述第三端口113与所述色散调节器140之间设置有第二波片151，所述第四端口114与所述展宽端口131之间设置有第三波片152。
[0063]
具体地，所述第一波片150为1/2波片，所述第二波片151和所述第三波片152均为1/4波片。
[0064]
在本实施方式中，例如，线偏振的光脉冲沿第一端口111入射，通过1/2波片(第一波片150)后沿p方向偏振，入射到第一偏振分光棱镜110中透射，经过1/4波片(第二波片151)后变成圆偏振光，经由一对参数(光栅周期)相同的透射光栅衍射后形成空间色散的宽椭圆形光脉冲输出，垂直入射到反射镜142上。从而被反射镜142反射并沿原路返回，然后该光脉冲再次通过1/4波片(第二波片151)变成偏振方向与入射时相垂直的s光，因此再次入射到第一偏振分光棱镜110时被反射，通过另一个1/4波片(第三波片152)变为圆偏振光，然后沿光栅周期疏—密的方向入射到cvbg中，光脉冲中的长波分量在靠前的位置被反射，短波分量在靠后的位置被反射。所以使其输出的光脉冲带有正啁啾，在时域上被展宽了，再次通过第一偏振分光棱镜110后从第四端口114输出，即从展宽输出端输出。
[0065]
如图1所示，在本技术的一些实施方式中，所述啁啾脉冲展宽压缩装置100还包括第二偏振分光棱镜120，所述第二偏振分光棱镜120具有第五端口121、第六端口122和第七端口123，所述第六端口122和所述第七端口123位于所述第二偏振分光棱镜120的两相对侧，所述第六端口122与所述压缩端口132相对应设置，且所述压缩端口132与所述第六端口122之间设置有第四波片153，所述第五端口121处设置有第五波片154。
[0066]
其中，经过放大的光束从压缩入射端入射，经所述第五波片154后偏振方向与所述第二偏振分光棱镜120的透射偏振方向垂直，因此，被第二偏振分光棱镜120的分光面反射，出射光束与入射光束相互垂直，并从所述第六端口122经第四波片153射入所述脉冲展宽压缩器130压缩内进行压缩后再次经所述第四波片153，偏振方向变为与所述第二偏振分光棱镜120的透射偏振方向相同，从所述第七端口123射出。
[0067]
具体地，所述第四波片153为1/4波片，所述第五波片154为1/2波片。
[0068]
在本实施方式中，放大后的激光从压缩输入端(即第五端口121)入射，通过1/2波片(第五波片154)后沿s方向偏振，入射到第二偏振分光棱镜120被反射，经过1/4波片(第四波片153)后变成圆偏振光，然后沿光栅14111周期密—疏的方向入射到cvbg中，cvbg反射输出的光脉冲中原本带有的正啁啾被补偿了，在时域上被压缩，再次通过1/4波片(第四波片153)变为p偏振光，最后通过第二偏振分光棱镜120的第七端口123输出，即从压缩输出端输出。
[0069]
需要说明的是，当光入射到光学元件的表面时，使用的坐标系是用含有入射和反射光束的那个平面定义的，如果光线的偏振矢量在这个平面内，则称为p光偏振，如果偏振矢量垂直于该平面，则称为s光偏振。
[0070]
如图4所示，在本技术的上述实施方式中，所述脉冲展宽压缩器130为啁啾体光栅。本实施方式中，采用啁啾体光栅使结构简单，成本降低，且极大地减小了使用该产品的激光器的体积/占地面积。
[0071]
如图5所示，本技术的实施例还提供了一种放大系统200，包括上述任一实施例中所述的啁啾脉冲展宽压缩装置100。
[0072]
可选地，该放大系统200还包括预放大器210、选频器220和多级放大器230。本实施方式中，预放大器210和多级放大器230可以是采用激光晶体的固体激光放大器，也可以是采用参杂增益光纤的光纤放大器，或者混合使用两种形式。
[0073]
选频器220通常可以采用有声光调制器或者电光调制器。
[0074]
具体地，从飞秒种子源激光器300发射的飞秒激光脉冲信号，经过预放大器210放
大后通过所述啁啾脉冲展宽压缩装置100，被展宽至几十皮秒到纳秒量级，从展宽输出端输出进入到级联的多级放大器230，光脉冲被充分放大后从放大系统200输出，由压缩输入端再次入射到所述啁啾脉冲展宽压缩装置100中，时域脉宽被压缩至飞秒量级，最后从压缩输出端输出。
[0075]
本实施例提供的放大系统200，包括上述任一实施例中的所述啁啾脉冲展宽压缩装置100，因此具有上述任一实施例中所述啁啾脉冲展宽压缩装置100的全部有益效果，在此就不一一赘述。
[0076]
综上所述，本技术提出一种啁啾脉冲展宽压缩装置100，与现有的使用单一cvbg同时作为展宽器及压缩器的方案对比，本技术克服了色散无法调节、放大链路中附加色散无法补偿的缺点，使得最后输出的脉冲宽度可以达到飞秒量级，并且还可以根据应用端需求调整脉宽，灵活适配不同的放大系统200，使输出光脉冲达到近零啁啾，实现超短脉宽。
[0077]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0078]
尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。