[发明专利]一种全光纤飞秒啁啾脉冲放大系统

说明书

本发明提供一种基于频域‑时域映射脉冲整形的全光纤飞秒啁啾脉冲放大系统包括：飞秒脉冲种子源、全光纤脉冲整形器、光纤放大器和脉冲压缩器。所述的全光纤脉冲整形器包括第一泵浦源、波分复用器、第一增益光纤、第一环形器、光纤啁啾布拉格光栅压缩器、第二泵浦源、光纤合束器、第二增益光纤、第二环形器和光纤啁啾布拉格光栅展宽器。本发明的啁啾脉冲放大系统中引入了全光纤化脉冲整形器，抛物线脉冲整形过程可在全光纤化的结构中完成，无需额外引入空间元器件。在保证较高能量和峰值功率飞秒脉冲输出的同时、兼顾了系统的稳定性和可集成性。

技术领域

本发明属于激光技术与非线性光学领域，尤其涉及一种基于频域-时域映射脉冲整形的全光纤飞秒啁啾脉冲放大系统。

背景技术

飞秒激光脉冲在超快微纳加工、超快非线性光学、太赫兹产生、时间分辨光谱学等领域有重要应用。飞秒激光可通过固体激光器和光纤激光器其产生，其中飞秒光纤激光器，可工作在兆赫兹的脉冲频率，还具有光束质量好、效率高、散热性好、结构紧凑等突出优点，已经逐步在激光增材制造、雷达遥感、生物医疗等方面展现出独特优势。

由于光纤的纤芯尺寸小，能量相对集中，脉冲在光纤中传输的距离较长，非线性效应成为阻碍光纤飞秒激光器性能提升的最主要因素，大量的非线性效应积累会使得压缩后的脉冲出现分裂和畸变。所以传统的技术难以在光纤中直接获得高平均功率、高峰值功率的飞秒激光输出。得益于啁啾脉冲放大技术(CPA，Chirped pulse amplification)的发明，飞秒光纤激光器技术快速发展。啁啾脉冲放大技术主要由四个部分组成：激光振荡器(种子源)、脉冲展宽器、激光放大器和脉冲压缩器。其基本原理为：种子激光脉冲被放大之前通过色散器件，时域上展宽至百皮秒或纳秒量级，随后展宽脉冲在激光放大器中功率得到提升，最后再通过脉冲压缩器补偿前级引入的色散，将脉冲压缩至飞秒量级。展宽脉冲的目的在于降低放大过程中激光脉冲的强度,使脉冲峰值功率在系统元件的损伤阈值以下，从而避免超短脉冲在放大后由于功率过高而给放大器光学元件带来损伤，并减弱或克服由于高强度激光在放大过程中可能引起的各种非线性效应，令光纤内脉冲能量可提高数个数量级。尤其在高平均功率飞秒光纤激光器方面，通过CPA技术已可以实现全光纤化平均功率百瓦级、脉冲能量微焦量级的飞秒脉冲输出，峰值功率可达十兆瓦量级。

随着超快激光应用领域的不断拓展，高能量、高峰值功率的飞秒激光的需求也逐渐提升。如何在光纤飞秒激光系统中实现高峰值功率的激光输出一直是科学研究的热点及难点。目前在光纤激光系统中实现高峰值功率飞秒脉冲输出的方法主要由三种：第一种是线性啁啾脉冲放大法，将振荡器输出的激光用空间光结构的大色散量光栅展宽器进行展宽，随后将展宽后的激光重新耦合入双包层增益光纤和大模场面积的有源光子晶体光纤棒进行放大，最后再利用光栅对进行压缩。该方法中，展宽器和压缩器的高阶色散可以相互匹配且放大过程中引入的非线性效应较小，可以实现高能量和高峰值功率的飞秒脉冲输出，但是系统中引入了大量的自由空间器件，造成系统整体比较复杂，稳定性降低，难以集成。此外，线性放大过程还有受到增益窄化效应的影响，导致压缩前的光谱明显窄化，压缩后无法得到较短的飞秒脉冲，限制了其峰值功率的提升。第二种方法是非线性放大，这种方法可以使用正色散传输光纤进行脉冲展宽，放大过程中产生的非线性可以和系统引入的三阶色散相互补偿，得到较高质量的飞秒脉冲。这种方法的缺点在于需要精确调节光栅的角度来保证三阶色散和非线性的匹配，对光栅调节的精度要求很高。第三种方法是自相似放大，该方法的原理是脉冲在光纤放大器中传输的过程中，增益、色散和非线性达到一定条件时，脉冲的形状会向抛物线型演化，这种抛物线型的脉冲在放大过程中积累的频率啁啾是线性的，可用光栅压缩器进行压缩，从而避免了放大器中的非线性积累导致压缩脉冲畸变的问题。该方法由于利用了光纤中的非线性效应，光谱得到了展宽，压缩后可获得小于百飞秒的激光脉冲。但其缺点在于维持自相似放大的条件较为苛刻，需预先将脉冲压缩至近飞秒量级，所以必须在放大器之前引入脉冲压缩器，这将增加系统的复杂性。此外，这种自相似放大系统受到了受激拉曼散射效应和光纤增益带宽的限制，输出能量一般维持在微焦量级，无法实现更高能量的输出。除此之外，产生抛物线脉冲还可以对脉冲时域整形的方式来实现，但这种方式需要引入空间光调制器，同样会增加系统的成本和复杂性。