[发明专利]一种产生皮秒激光脉冲的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种脉冲信号产生的方法，特别涉及皮秒激光脉冲产生的方法。

背景技术

高功率皮秒脉冲激光在物理学、化学、材料学、生物学、国防等领域发挥了重要作用，例如，高功率皮秒光纤激光器在微加工和激光投影等方面有着重要应用，并有可能成为未来高速自由空间系统的中心组件，用于卫星间甚至行星间的通信，其在超连续产生、THz波产生等领域也具有重要应用前景。激光光源的平均功率，是皮秒激光的薄弱环节。脉冲激光的平均功率取决于单脉冲能量和重复频率，而单脉冲峰值功率受到非线性效应、光损伤等因素的限制难以提高。如光纤中非线性自相位调制和受激拉曼散射的产生，限制了目前的光纤放大器输出平均功率难以超越100W。通过使用大模场光纤等方法，可以有效降低非线性效应阈值，但是光束质量又难以保证。所以增加皮秒脉冲的重复频率是实现高平均功率皮秒激光的一条有效途径。常规皮秒激光一般是通过锁模方法实现的。由于受到腔长的制约，重复频率一般在几十MHz至百MHz量级，难以再提高，而且环境的变化会导致锁模状态的破坏，使得激光器不能有效工作^[2]。所以如何增加重复频率是获得高平均功率皮秒激光的关键。除此之外，如何保证高功率皮秒激光的输出稳定、高光束质量、器件结构紧凑、易维护等亦决定了其应用的可行性。

近年来，许多研究者力求通过增加重复频率获得高平均功率皮秒激光。2006年，南安普顿大学P.Dupriez等人基于1GHz重复率的增益开关激光二极管和主振荡器功率放大（MOPA）方法，实现了1060nm、20ps、321W的多模激光输出，但该高功率皮秒激光器含有体空间元件，未做成全光纤化。2009年，该小组的K.K.Chen使用同样的种子源，得到了1060nm、20ps、100W的单模、单偏振激光输出。2010年K.K.Chen通过对原有系统进行改进，得到了重复率56MHz～198MHz可调的1060nm、21ps、100W的单模、单偏振激光输出；并探讨了提高泵浦二极管有效功率，可望进一步提高输出平均功率，但未予做出尝试。2008年，西安光机所的刘红军等人使用1MHz重频的增益开关激光二极管，实现了1060nm、90ps、3.5W的紧凑全光纤化输出，2010年在原有系统上予以改善，得到了1053～1073nm可调、150ps、10W的高光束质量的激光输出。2009年，国防科学技术大学的陈胜平等人采用掺镱光纤激光器作为注入源，引入重复频率增加单元，将重复频率增加八倍至478MHz，得到平均功率97W的输出，首次采用此种方法获得了输出功率大幅提高的全光纤化皮秒光源。通过缩短腔长，台湾国立交通大学的H.C.Liang等人通过3mm×3mm×10mm的Nd:YVO₄晶体，实现了1342nm、2～6GHz重复频率的11.5～37ps的脉冲输出。2011年吴闻迪等人采用对掺镱光纤激光器的注入激光直接泵浦放大的方法，得到了平均功率102W、76ps、18.6MHz的大功率、但线宽很窄的皮秒激光输出。

发明内容

本发明旨在提供一种可产生高重复频率、高功率且线宽较宽的皮秒激光脉冲的方法。本发明通过以下方案实现：

一种产生皮秒激光脉冲的方法，将稀土类掺杂光纤激光器产生的定波长的连续激光，经过高重频调制装置处理后，生成20～100GHz的多阶倍频信号；信号被放大后再经反常色散的高非线性光纤，形成皮秒激光脉冲。所述稀土类掺杂光纤激光器的稀土类元素选择Er、Yb或Tm，选择不同的掺杂稀土可获得不同波长的连续激光。

所述高重频调制装置选择20GHz的射频信号驱动的马赫-曾德尔强度调制器和马赫－曾德尔干涉型光纤交错复用器，产生20GHz的调幅波。

所述信号放大步骤包括预放阶段和功放阶段。其中预放阶段可采用（2+1）×1合束器，将待放大的信号和泵浦光耦合入掺杂有源双包层光纤中。有源双包层光纤选择芯径为15μm、内包层直径为130μm、数值孔径分别为0.08和0.46的光纤，光纤中掺杂可采用稀土类元素离子，进一步可选择Er³⁺、Yb³⁺、Tm³⁺等。采用的泵浦光功率为50W。