[发明专利]一种产生高能量飞秒脉冲的全光纤结构激光系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤激光系统，具体涉及一种产生高能量飞秒脉冲的全光纤结构激光系统。

背景技术

全光纤激光器由于其结构简单、成本低廉、稳定性高且无需进行光路对准等优点，在光通信、超连续谱产生、医疗等领域得到了深入研究和广泛应用。光纤激光器可以工作在不同的状态，包括连续光输出和脉冲输出。根据锁模后输出脉冲特性的不同，目前研究的光脉冲主要分为四类。第一种是工作在负色散区的传统孤子(conventional soliton)。通过光纤激光器腔内光纤反常色散和克尔非线性效应的相互作用达到平衡状态，实现了自启动锁模脉冲输出。然而由于孤子的能量量子化效应，这种脉冲的能量被限制在0.1纳焦(nJ)内。第二种是展宽脉冲(stretched-pulse)。展宽脉冲激光器通过在腔内加入色散延迟线，腔内净色散接近于0。脉冲在腔内传输过程中周期性的压缩和展宽，由于增大了平均脉宽，减弱了非线性效应，单脉冲能量可以达到1nJ左右，峰值功率可以达到千瓦量级。第三种是腔内净色散为微正色散的自相似脉冲(self-similar pulse)。自相似脉冲激光器通过在腔内加上负色散器件以实现脉冲自洽演化，脉冲在腔内传播过程中形状基本保持不变，具有一定的抵抗光波分裂的能力。第四种是耗散型孤子(dissipative soliton)。它是最近几年来发现的一种新型孤子脉冲，产生于具有大的正色散的光纤激光器内。这种孤子的形成是增益色散、增益饱和与正色散效应、非线性损耗等的综合效果，其中增益和损耗起了主导作用，故称之为耗散型孤子。与传统孤子相比，其脉宽增大了二、三个数量级，非线性效应得到明显的抑制，光脉冲具有极强的抵御光波分裂能力，单脉冲能量可达几十nJ的水平。

虽然耗散型孤子具有较高的脉冲能量，但是这种脉冲宽度一般比较大，达到几十皮秒(ps)，脉冲带有极大的频率啁啾。这就需要对脉冲进行去啁啾，实现脉冲在时域上的压缩，从而得到高的峰值功率。一般的压缩方法包括使用棱镜对、光栅对、布拉格光栅等负色散器件对脉冲进行啁啾补偿。但是这些器件都是非光纤结构，不易调节，且在与光纤激光器耦合时不方便。同时，这些光学器件制作难度大，价格也较高，不利于光纤激光器在工程上的推广和使用。

为了得到更高能量的超短脉冲，可以通过光纤放大器来放大传统的飞秒脉冲，但是这使激光系统变得复杂，不利于工程使用，而且放大后的脉冲可能发生畸变。其它获得高能量脉冲的方法是在激光腔内加入特殊器件等，例如使用大模场的光子晶体光纤(PCF)，通过增大模场面积，降低光脉冲的能量密度，从而提高光脉冲的能量。但是PCF和单模光纤的芯径不统一，无法直接进行耦合，需要空间光学器件进行连接，光纤激光系统就不再是全光纤结构，导致调节繁琐、成本增高、稳定性降低。目前国内还没有一种结构简单、工作在通信波长，可以产生高能量飞秒脉冲的光纤激光器。

发明内容

本发明提供一种产生高能量飞秒脉冲的全光纤结构激光系统，旨在解决目前掺铒(Er³⁺)光纤激光器脉冲能量低、稳定性差等技术问题，使其在光通信、光学传感、光学检测领域得到广泛应用。

本发明的技术方案如下：

该全光纤结构激光系统包括用于产生高能量脉冲的环形激光器和单模光纤，所述单模光纤分为两部分，一部分位于环形激光器腔内，另一部分位于环形激光器腔外用于脉冲压缩；所述环形激光器包括依次通过腔内单模光纤连接的波分复用器、掺铒光纤、第一偏振控制器、偏振相关隔离器、第二偏振控制器和输出耦合器，其中波分复用器的输入端设置有泵浦光源；所述掺铒光纤的长度为3至50m，其在1550nm附近具有正色散；所述输出耦合器的输出端连接有位于腔外的单模光纤，此单模光纤在1550nm附近具有负色散，长度为50至500m。

上述波分复用器的波分范围为980nm/1550nm。

上述输出耦合器的输出比率为10％-80％，选择较佳的输出比率为70％。

上述泵浦光源输出功率为100-200mW。

上述泵浦光源为工作波长为980nm附近的单模半导体激光器，该单模半导体激光器工作参数与掺铒光纤匹配。上述泵浦光源较适宜的输出功率为125mW，所述掺铒光纤的长度为18m左右。

本发明的优点如下：

该光纤激光器所用器件皆为普通光纤激光器所用的普通器件，都已经商用化，故成本非常低廉。

该光激光器采用了全光纤结构，不用空间光调整器件，故其结构简单、易于调节、稳定性好。

该光纤激光器采用单模光纤压缩光脉冲，与光栅对等其他压缩器件相比，极大地降低了成本。