[发明专利]具有高光束质量的皮秒激光脉冲串光纤放大器

说明书

本发明公开了一种具有高光束质量的皮秒激光脉冲串光纤放大器，包括可将信号与泵浦结合的信号泵浦合成器，信号泵浦合成器设有信号输入端，信号泵浦合成器的输入端连接有泵浦激光，信号泵浦合成器的输出端与增益光纤的输入端连接，增益光纤的输出端与光束准直器连接，本发明可将泵浦激光与信号光结合放大，具有高质量的光束，此外光束准直器的结构确保了输出的光束质量。

技术领域

本发明涉及光纤放大器领域，特别涉及一种具有高光束质量的皮秒激光脉冲串光纤放大器。

背景技术

超短脉冲激光器可以产生皮秒到亚皮秒的激光脉冲，在工业加工、医疗、和许多其他领域有广泛的应用。其中，光纤型超快激光器具有可靠、稳定、体积小等优点，所以其发展尤其受到重视。到目前为止，人们对这类激光器产品的研发力量主要集中在单脉冲能量很大(几十微焦到上百微焦)、重复频率不是很高(数十万赫兹)的飞秒或皮秒激光单脉冲。虽然，这种脉冲激光的“加工”性能极为优越，但由于受到各种非线性效应的限制，超短脉冲信号的放大难度是很大的。如果使用光纤来放大，这些限制尤为突出。譬如，超短激光脉冲从种子激光源产生时，其脉冲宽度多在一皮秒到十皮秒的范围。直接用光纤放大这种脉冲时，光纤的激光损伤与各种非线性效应会把单个脉冲的能量限制在相当低的水平。脉冲的最高能量水平可以通过增加放大器光纤的纤芯直径来加以提高，但提高的程度不会很可观。以石英光纤在1微米波长的放大器为例，用纤芯直径为10微米的光纤可以把脉冲宽度为10皮秒的脉冲的能量放大至几到几十纳焦的水平；用纤芯直径为25微米的光纤可以把最高脉冲能量提高到微焦水平。如果想把脉冲能量继续提高，需要采用一些特别的技术。例如，CPA就是为了解决放大飞秒脉冲时这些非线性效应的限制而采用的技术。它的基本思想是：先把可以压缩到飞秒级的激光脉冲的脉宽扩展到纳秒或接近纳秒，然后再把脉冲的能量放大。由于脉冲宽度变长后在相同能量时的峰值功率大为降低，就可以尽可能地减小非线性效应的影响。脉冲能量放大后再用脉冲压缩装置把脉冲宽度压缩到亚皮秒的量级。但是，这些还不能完全解决超短脉冲能量放大的所有困难。用模场直径一定的LMA光纤，把脉冲宽度扩展到纳米量级后的脉冲能量放大的能力仍然是很有限的。目前，解决这一困难的主要方法是继续增加光纤的纤芯模场直径。如果用传统的阶梯式折射率分布的LMA光纤，当纤芯直径超过15微米时，就会有一个或数个高阶模式可以在光纤中传播和放大，随着纤芯直径越增越大，允许的高阶模式就会越来越多，产生的激光的光束质量就会不断下降。按目前的技术现状，这类光纤实际上能达到的最大纤芯直径约为25至30微米。因此，超短脉冲能取得的最大脉冲能量约在50微焦以下。要取得更大的脉冲能量，需要使用芯径更大的LMA光纤。用常规的光纤设计方法很难得到这样的光纤，所以现在都是用光纤晶体光纤的技术来制作芯径达到40微米以上的LMA增益光纤。几乎所有大脉冲能量的CPA光纤激光系统都用这样的光纤技术。

但是，尽管这种技术确实很好地减小了对超短激光脉冲影响极大的非线性效应，采用这种光纤来制作超短脉冲光纤激光系统时也发现了一些很严峻的问题。其中，最为重大的潜在问题有两个。一是由于这类光纤结构特殊，到目前为止不无法用传统的设备把这种光纤与传统光纤直接连接。譬如，还没有直接焊接机，也没有类似于传统光纤激光系统用的配套光纤器件如光纤隔离器、光纤型泵浦合成器等。这给产品的制造带来了困难及成本的压力。第二，一般来说，放大器的泵浦光需要从放大器的输出端用自由空间的方法耦合入放大器，放大器的输出端需要直接水冷。这对产品的可靠性是一个非常大的隐患。

由于这些无法忽略的问题或困难，人们开始探索制作超短脉冲激光器的更为可靠的方法。已经证实，用时间上相距很近的一系列超短激光脉冲组成的脉冲串在与许多物质作用时，其效果可以与能量和该脉冲串总能量相同单个超短脉冲相近。这就为超短脉冲光纤激光器的发展开辟了一条新的道路。尤其重要的是，原来被认为不太好的传统LMA光纤可以重新用于大功率光纤激光系统。而且，它在配套器件、制作方便、可靠性等方面的优点现在都可以充分发挥。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于LMA光纤放大器放大皮秒激光脉冲串信号，放大器可以有效地提高超短激光脉冲串的能量，并能较好地保持放大后的光束质量。