一种mJ量级高重频全光纤飞秒激光器及方法与流程

一种mj量级高重频全光纤飞秒激光器及方法
技术领域
1.本发明属于激光器技术领域，更具体地，涉及一种mj量级高重频全光纤飞秒激光器及方法。


背景技术：

2.光纤激光器具有光束质量好、效率高、散热特性好、便于集成等优势，向来颇受关注。但受限于微米量级的光纤芯径，高能飞秒脉冲激光在光纤中传输或放大过程中，强烈的非线性效应会导致脉冲发生畸变，极大的限制了脉冲峰值功率和脉冲能量的进一步提升。
3.啁啾脉冲放大技术（cpa）与大模场光子晶体光纤结合分别从时域与空域上降低脉冲峰值功率密度，降低非线性积累的同时保证高光束质量输出，适用于高能飞秒脉冲放大。目前，商用光子晶体光纤最大模场面积～3300um2，是由丹麦nkt photonics 公司生产的aerogain-rod module。2019年加拿大多伦多大学c.p.k. manchee等人，采用棒状光子晶体光纤（aerogain-rod module）进行放大，单路输出400uj、脉宽800ps、压缩后脉宽330fs，这也是aerogain-rod module单路脉冲能量的最高水平。
4.单晶光纤作为一种新型增益介质，直径从400μm到1mm不等，长度只有几个厘米。与光子晶体光纤相比，其模场面积有了极大提高。且单晶光纤的受激拉曼阈值比传统石英玻璃光纤高五倍有余，可以有效降低系统非线性，能够达到光纤难以达到的峰值功率和脉冲能量。
5.综上，采用啁啾脉冲放大技术，结合棒状光子晶体光纤与单晶光纤级联放大器，是实现高能飞秒脉冲输出的一种有效手段。
6.棒状光子晶体光纤输出能量的限制在于系统的非线性积累。用b积分来定义非线性相移的大小，它与非线性折射系数成正比：。其中， i(z)是光纤中的脉冲峰值功率强度，l是光纤长度。通常认为，当b积分小于π时，整个系统近似一个线性放大，而当大于π时，表明脉冲处于非线性放大过程。由此可见，随着非线性折射系数减小，相应的b积分也会减小。
7.单晶光纤输出能量的限制在于单晶光纤输出端抗反射涂层的击穿，击穿主要原因有两个方面：（1）反射涂层有缺陷或表面有污染，击穿阈值功率密度将会降低，从而限制输出能量；（2）由于热透镜效应，随着脉冲在单晶光纤中传输的光斑直径减小，激光峰值功率密度增大，从而击穿输出表面。前者可以人为避免，后者仅能想办法补偿热透镜效应的影响。


技术实现要素：

8.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种mj量级高重频全光纤飞秒激光器及方法，其中结合激光器自身的特征及其脉冲激光放大工艺特点，相应设计了mj
量级高重频全光纤飞秒激光器，并对其关键组件如纳秒种子源、棒状光子晶体光纤放大器、脉冲选择器、单晶光纤放大器和脉冲压缩器的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可采用棒状光子晶体光纤、单晶光纤两种新型增益介质进行级联放大，并在棒状光子晶体光纤与单晶光纤中分别采用圆偏振信号光与发散信号光入射，在单链路全光纤系统中实现mj量级飞秒脉冲输出。整个放大系统结构紧凑、操作与维护简单。
9.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种mj量级高重频全光纤飞秒激光器，包括沿光路依次布置的纳秒种子源、棒状光子晶体光纤放大器、脉冲选择器、单晶光纤放大器和脉冲压缩器，其中，所述纳秒种子源用于输出可压缩至飞秒量级的纳秒脉冲；所述棒状光子晶体光纤放大器用于对圆偏振信号光进行单通放大；所述脉冲选择器用于改变单通放大后信号光的偏振方向；所述单晶光纤放大器，用于对发散信号光进行双通放大，选择合适的入射信号光光束发散度，以补偿单晶光纤的热透镜效应对光斑尺寸的影响，使单晶光纤的输入端与输出端光斑直径相同，以降低激光峰值功率密度，进一步提高单脉冲放大能力；脉冲压缩器，用于补偿整个激光器的二阶色散与三阶色散，以输出mj量级高重频飞秒脉冲激光。
10.作为进一步优选的，所述纳秒种子源由振荡器经过大色散量的啁啾光纤布拉格光栅展宽后，再经过多级柔性光纤放大获得。
11.作为进一步优选的，所述棒状光子晶体光纤放大器包括第一信号光耦合模块、棒状光子晶体光纤模块以及第一泵浦光源模块，所述第一信号光耦合模块用于将纳秒种子源的纳秒脉冲耦合后输入棒状光子晶体光纤模块，所述第一泵浦光源模块用于向所述棒状光子晶体光纤模块注入泵浦光。
12.作为进一步优选的，所述第一信号光耦合模块包括沿光路依次布置的第一隔离器、第一二向色镜、第一信号光耦合镜组以及第二二向色镜；所述棒状光子晶体光纤模块包括沿光路依次布置的第一四分之一波片、棒状光子晶体光纤、第二四分之一波片、第二隔离器，所述第二二向色镜的输出光进入第一四分之一波片；所述第一泵浦光源模块包括依沿光路依次布置的第一泵浦源、第一泵浦光耦合镜组以及第三二向色镜，所述第三二向色镜的输出泵浦光进入棒状光子晶体光纤；所述信号光经过棒状光子晶体光纤进行单通放大后输出圆偏振光，再经过第二四分之一波片，由圆偏振变为水平偏振。
13.作为进一步优选的，所述脉冲选择器包括电光调制器以及电光调制器的驱动、选单器，采用大口径bbo晶体作为所述电光调制器的晶体，通过调控应用到bbo晶体上的电压来改变信号光的偏振方向，使重复频率由200khz降至20khz，输出单脉冲能量＞350uj。
14.作为进一步优选的，所述单晶光纤放大器包括第二信号光耦合模块、单晶光纤模块、第二泵浦光源模块以及高功率偏振分束器，所述第二信号光耦合模块用于对脉冲选择器输出的信号光进行耦合，信号光在单晶光纤模块输入端前面聚焦后输入单晶光纤模块，所述第二泵浦光源模块输出的泵浦光进入单晶光纤模块中，和信号光进行双通放大后反射至高功率偏振分束器后输出。
15.作为进一步优选的，所述单晶光纤模块包括沿光路依次布置的单晶光纤、第三四分之一半波片以及0
°
入射反射镜；所述第二信号光耦合模块包括沿光路依次布置的第四二向色镜、第二信号光耦合镜组以及第五二向色镜；所述第二泵浦光源模块包括依次设置的第二泵浦源、第二泵浦光耦合镜组以及第六二向色镜。
16.作为进一步优选的，所述脉冲压缩器包括啁啾体布拉格光栅和透射式光栅对，其中，所述啁啾体布拉格光栅用于对脉冲激光进行粗略色散匹配，所述透射式光栅对用于对脉冲激光进行精细色散匹配。
17.按照本发明的另一个方面，还提供了一种mj量级高重频全光纤飞秒激光输出方法，采用上述的mj量级高重频全光纤飞秒激光器实现，包括：采用纳秒种子源输出可压缩至飞秒量级的纳秒脉冲；采用棒状光子晶体光纤放大器对圆偏振信号光进行单通放大；采用所述脉冲选择器改变单通放大后信号光的偏振方向；采用单晶光纤放大器对发散信号光进行双通放大，选择合适的入射信号光光束发散度，以补偿单晶光纤的热透镜效应对光斑尺寸的影响，使单晶光纤的输入端与输出端光斑直径相同，以降低激光峰值功率密度，进一步提高单脉冲放大能力；采用脉冲压缩器补偿整个激光器的二阶色散与三阶色散，以输出mj量级高重频飞秒脉冲激光。
18.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1．本发明采用棒状光子晶体光纤、单晶光纤两种新型增益介质进行级联放大，并在棒状光子晶体光纤与单晶光纤中分别采用圆偏振信号光与发散信号光入射，在单链路全光纤系统中实现mj量级飞秒脉冲输出。整个放大系统结构紧凑、操作与维护简单。
19.2．本发明在棒状光子晶体光纤放大器中，采用圆偏振信号光代替线偏振光进行单通放大，引入的非线性是线偏振光放大的2/3，脉冲的能量提高1.5 倍。3．本发明在单晶光纤放大器中，采用发散的线偏振信号光代替准直光进行双通放大，以补偿单晶光纤热透镜效应对光斑尺寸的影响，有效降低激光峰值功率密度，进一步提高单脉冲放大能力。
20.4．本发明采用啁啾脉冲放大技术，合理地控制放大系统中各级光纤放大器的增益，有效降低高能脉冲放大过程中的非线性积累，在单链路全光纤系统中实现mj量级飞秒脉冲输出。
附图说明
21.图1是本发明实施例涉及的一种mj量级高重频全光纤飞秒激光器的结构示意图；图2是本发明中根据瑞利一索末菲衍射方程，模拟准直光或发散光入射单晶光纤后的光斑分布情况。
22.在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1—纳秒种子源，2—棒状光子晶体光纤放大器，3—脉冲选择器，4—单晶光纤放大器，5—脉冲压缩器，001—
第一隔离器，0021—第一二向色镜,0022-第二二向色镜，0023-第三二向色镜，003—第一泵浦光耦合镜组，005—第一泵浦源，0061—第一四分之一波片，0062-第二四分之一波片，007—第一信号光耦合镜组，008—棒状光子晶体光纤，0091—第四二向色镜，0092—第五二向色镜，0093—第六二向色镜，010—第二信号光耦合镜组，012—第二泵浦光耦合镜组，014—第二泵浦源，015—高功率偏振分束器，016—单晶光纤，017—0
°
入射反射镜。
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
24.如图1所示，本发明实施例提供的一种mj量级高重频全光纤飞秒激光器，包括沿光路依次布置的纳秒种子源1、棒状光子晶体光纤放大器2、脉冲选择器3、单晶光纤放大器4和脉冲压缩器5，其中，所述纳秒种子源1用于输出可压缩至飞秒量级的纳秒脉冲；所述棒状光子晶体光纤放大器2用于对圆偏振信号光进行单通放大；所述脉冲选择器3用于改变单通放大后信号光的偏振方向；所述单晶光纤放大器4，用于对发散信号光进行双通放大，选择合适的入射信号光光束发散度，以补偿单晶光纤的热透镜效应对光斑尺寸的影响，使单晶光纤的输入端与输出端光斑直径相同，以降低激光峰值功率密度，进一步提高单脉冲放大能力；脉冲压缩器5，用于补偿整个激光器的二阶色散与三阶色散，以输出mj量级高重频飞秒脉冲激光。
25.可选择的，所述纳秒种子源1由振荡器经过大色散量的啁啾光纤布拉格光栅展宽后，再经过多级柔性光纤放大获得。
26.可选择的，所述棒状光子晶体光纤放大器2包括第一信号光耦合模块、棒状光子晶体光纤模块以及第一泵浦光源模块，所述第一信号光耦合模块用于将纳秒种子源1的纳秒脉冲耦合后输入棒状光子晶体光纤模块，所述第一泵浦光源模块用于向所述棒状光子晶体光纤模块注入泵浦光。所述第一信号光耦合模块包括沿光路依次布置的第一隔离器0011、第一二向色镜0021、第一信号光耦合镜组以及第二二向色镜0022；所述棒状光子晶体光纤模块包括沿光路依次布置的第一四分之一波片0061、棒状光子晶体光纤008、第二四分之一波片0062、第二隔离器0012，所述第二二向色镜0022的输出光进入第一四分之一波片0061；所述第一泵浦光源模块包括依沿光路依次布置的第一泵浦源005、第一泵浦光耦合镜组以及第三二向色镜0023，所述第三二向色镜0023的输出泵浦光进入棒状光子晶体光纤008；所述信号光经过棒状光子晶体光纤008进行单通放大后输出圆偏振光，再经过第二四分之一波片0062，由圆偏振变为水平偏振。
27.可选择的，所述脉冲选择器3包括电光调制器以及电光调制器的驱动、选单器，采用大口径bbo晶体作为所述电光调制器的晶体，通过调控应用到bbo晶体上的电压来改变脉冲激光的偏振方向，使重复频率由200khz降至20khz，输出单脉冲能量＞350uj。
28.可选择的，所述单晶光纤放大器4包括第二信号光耦合模块、单晶光纤模块、第二泵浦光源模块以及高功率偏振分束器015，所述第二信号光耦合模块用于对脉冲选择器3输出的信号光进行耦合，耦合后的信号光在单晶光纤模块输入端前面聚焦后输入单晶光纤模
块，所述第二泵浦光源模块输出的泵浦光进入单晶光纤模块中，和信号光进行双通放大后反射至高功率偏振分束器015后输出。所述单晶光纤模块包括沿光路依次布置的单晶光纤016、第三四分之一半波片0063以及0
°
入射反射镜017；所述第二信号光耦合模块包括沿光路依次布置的第四二向色镜0091、第二信号光耦合镜组以及第五二向色镜0092；所述第二泵浦光源模块包括依次设置的第二泵浦源014、第二泵浦光耦合镜组以及第六二向色镜0093。
29.可选择的，所述脉冲压缩器5包括啁啾体布拉格光栅和透射式光栅对，其中，所述啁啾体布拉格光栅用于对脉冲激光进行粗略色散匹配，所述透射式光栅对用于对脉冲激光进行精细色散匹配。
30.基于上述实施例的内容，本发明还提供一种mj量级高重频全光纤飞秒激光输出方法，包括：采用纳秒种子源1输出可压缩至飞秒量级的纳秒脉冲；采用棒状光子晶体光纤放大器2对圆偏振信号光进行单通放大；采用所述脉冲选择器3改变单通放大后信号光的偏振方向；采用单晶光纤放大器4对发散信号光进行双通放大，选择合适的入射信号光光束发散度，以补偿单晶光纤的热透镜效应对光斑尺寸的影响，使单晶光纤的输入端与输出端光斑直径相同，以降低激光峰值功率密度，进一步提高单脉冲放大能力；采用脉冲压缩器5补偿整个激光器的二阶色散与三阶色散，以输出mj量级高重频飞秒脉冲激光。
31.基于上述实施例的内容，作为一种可选的实施例，本实施例中mj量级高重频全光纤飞秒激光器，其高能飞秒激光系统包括纳秒种子源1、棒状光子晶体光纤放大器2、脉冲选择器3、单晶光纤放大器4和脉冲压缩器5。所述棒状光子晶体光纤放大器2中，采用圆偏振信号光进行单通放大。所述单晶光纤放大器4中，采用发散的线偏振信号光进行双通放大。
32.进一步地，所述纳秒种子源1是由基于sesam锁模的振荡器经过大色散量的啁啾光纤布拉格光栅展宽后，再经过多级柔性光纤放大获得。
33.进一步地，所述棒状光子晶体光纤放大器2中，采用aerogain-rod module作为增益介质，采用圆偏振信号光代替线偏振信号光进行单通放大，引入的非线性降低至原来的2/3，使放大输出的脉冲能量提升1.5倍。
34.棒状光子晶体光纤aerogain-rod module保持各向同性，光纤结构中无应力轴。且此光纤直径较大，在水冷结构中保持笔直无弯曲，有效避免了外界的应力影响。原则上可忽略光纤模式双折射的影响。
35.而对于各向同性增益介质，无论是线偏振光还是圆偏振光，在光纤中进行非线性传输都不会改变脉冲的偏振状态。对于圆偏振光，非线性折射率为，是线偏振光的2/3，其中为真空中介电常数，c为光在真空中速度，为三阶非线性极化率张量。b积分来定义非线性相移的大小，它与非线性折射系数成正比，则针对同一段光纤，圆偏振光放大产生的非线性是线偏振光放大的2/3。
36.因此，通过使用圆偏振光替换线偏振光可以有效降低棒状光子晶体光纤的折射率，在承受相同的非线性作用下，脉冲的能量可以提高至 1.5 倍，且把光纤放大的自聚焦阈值从 4mw 提升到 6mw。
37.进一步地，所述脉冲选择器3由基于大口径bbo晶体的电光调制器、驱动器及选单器组成。
38.进一步地，所述单晶光纤放大器4中，采用发散信号光代替准直信号光进行双通放大，选择合适的入射信号光光束发散度，以补偿单晶光纤的热透镜效应对光斑尺寸的影响，使单晶光纤的输入端与输出端光斑直径相同，有效降低激光峰值功率密度，从而进一步提高单脉冲放大能力。
39.进一步地，所述脉冲压缩器5由啁啾体布拉格光栅（cvbg）与透射式光栅对共同组成，前者进行粗略色散匹配，后者进行精细色散匹配。还可以通过一对大尺寸的透射式或反射式光栅进行色散匹配，同时兼顾大色散量、结构紧凑、精细可调。
40.基于上述实施例的内容，作为一种可选的实施例，本实施例中mj量级高重频全光纤飞秒激光器，在棒状光子晶体光纤放大器中，采用圆偏振信号光代替线偏振光进行单通放大。在单晶光纤放大器中，采用发散的线偏振信号光代替准直光进行双通放大。采用啁啾脉冲放大技术，合理地控制放大系统中各级光纤放大器的增益，有效降低高能脉冲放大过程中的非线性积累，在单链路全光纤系统中实现mj量级飞秒脉冲输出。本实施例中，纳秒种子源1是由基于sesam锁模的全光纤振荡器经过大色散量的啁啾光纤布拉格光栅展宽后，再经过多级柔性光纤放大获得。纳秒种子源1输出端尾纤yb-30/250um，熔接有准直端帽。输出脉冲重复频率200khz、单脉冲能量＞8uj、脉宽约为1ns、光束质量m2《1.3。
41.棒状光子晶体光纤放大器2中，棒状光子晶体光纤的增益介质采用芯径85um的棒状光子晶体光纤。第一泵浦源005采用中心波长976nm的稳波长泵浦源进行正向泵浦，其输出功率130w，芯径105um，包层直径125um，na=0.15。纳秒种子源1的纳秒脉冲经过第一四分之一波片0061，由水平偏振变为圆偏振，经过第一信号光耦合镜组007耦合后（耦合光斑直径约为65um，与棒状光子晶体光纤008模场直径相当），再经过第二二向色镜（t1030nm/r976nm）0022透射，进入棒状光子晶体光纤008中进行单通放大。第一泵浦源005经过泵浦光耦合镜组003耦合后，再经过第三二向色镜（t1030nm/r976nm）0023反射，进入棒状光子晶体光纤008。棒状光子晶体光纤放大器2经过单通放大后输出圆偏振光，再经过第二四分之一波片0062，由圆偏振变为水平偏振。
42.脉冲选择器3由电光调制器及其驱动、选单器组成，1030nm激光透过率》90%。采用大口径bbo晶体作为电光调制器的晶体，通过调控应用到bbo晶体上的电压来改变光的偏振方向，使重复频率由200khz降至20khz，输出单脉冲能量＞350uj。
43.单晶光纤放大器4中，单晶光纤016采用直径1mm、长度40mm、掺杂浓度1at.%的单晶光纤。第二泵浦源014采用中心波长940nm的泵浦源进行正向泵浦，其输出功率140w，芯径105um，包层直径125um，na=0.15。脉冲选择器3的信号光经过第二信号光耦合镜组010耦合后，在单晶光纤016输入端前面约为5cm处聚焦（选择合适的入射信号光光束发散度，使单晶光纤016的输入端与输出端光斑直径相同，以削减热透镜效应对单晶光纤两端涂层击穿阈值的影响），在单晶光纤016内部的耦合光斑直径约为400um基本保持不变。采用较为发散的信号光经过第五二向色镜（t940nm/r1030nm）0092反射进入单晶光纤016中进行双通放大。
第二泵浦源014经过泵浦光耦合镜组012耦合后，再经过第六二向色镜（t940nm/r1030nm）0093透射，进入单晶光纤016。单晶光纤放大器4输出线偏振光，偏振消光比高达29db。泵浦功率125w时，实现平均功率26w、重复频率20khz、单脉冲能量》1.3mj的激光输出。
44.脉冲压缩器5由啁啾体布拉格光栅（cvbg）与透射式光栅对共同组成，前者进行粗略色散匹配，后者进行精细色散匹配。啁啾体布拉格光栅单程衍射效率η1≈0.92，透射式光栅单程衍射效率η2≈0.98。总压缩效率η≈η1*η
24
≈85%。压缩后单脉冲能量》1mj。
45.图2中，当yb：yag单晶光纤直径1mm，长度40mm，掺杂浓度1at.%，泵浦功率140w时，分别考虑准直光或发散光入射yb：yag细棒，理论上研究了热透镜效应对yb：yag细棒中光束尺寸的影响，如图2所示。若准直光入射，增益介质输出端的半径比输入端小25%，导致放大后的能量密度增加了77%，大大降低了击穿能量。若发散光（高斯光束，束腰直径400um）入射，束腰位于单晶光纤前表面5cm处时，则输入端和输出端的光束直径相等，有效补偿了单晶光纤热透镜效应对光斑尺寸的影响。
46.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。