[发明专利]一种基于拉曼增益的自相似脉冲整形展宽器的全光纤啁啾脉冲放大系统

说明书

一种基于拉曼增益的自相似脉冲整形展宽器的全光纤啁啾脉冲放大系统，属于激光技术和非线性光学领域。依次包括皮秒种子源、全光纤脉冲整形展宽器、光纤放大器和脉冲压缩器。所述的全光纤脉冲整形展宽器为全光纤基于拉曼增益的自相似脉冲整形展宽器，依次包括泵浦源，第一波分复用器、拉曼光纤、第二波分复用器。脉冲整形和脉冲放大过程可在全光纤的结构中完成，在实现皮秒脉冲经基于拉曼增益的自相似脉冲演化的飞秒脉冲输出。

技术领域

本发明属于激光技术和非线性光学领域，尤其涉及一种基于拉曼增益的自相似脉冲整形展宽器。

背景技术

随着科技社会的发展，具有短脉冲宽度、高峰值功率和宽相干光谱等特点的飞秒激光被广泛应用于许多科学前沿领域，如:太赫兹产生、光学频率梳研究、拉曼光谱分析、超快时间分辨率研究等。

高功率飞秒脉冲在光纤传输过程中受到非线性相位累积及有限增益带宽的影响，易发生脉冲畸变，极大地限制了输出功率的提高和脉冲宽度的进一步窄化。但是因为啁啾脉冲放大技术的发明，一定程度上解决了脉冲放大过程中由于强烈的非线性积累限制脉冲功率的提升和脉宽的进一步窄化问题。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：受限利用色散将种子脉冲激光通过展宽器在时间上展宽几个量级，使脉冲宽度达到几百皮秒甚至纳秒，峰值功率也降低几个量级；展宽后的低功率脉冲在经过激光增益介质放大后，充分提取激光介质的储能；最后经过与展宽器具有相反色散的压缩器将脉冲宽度压缩至接近最初的脉宽值，得到峰值功率极大的飞秒脉冲。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。

在光纤飞秒啁啾脉冲激光系统中，种子源对整个系统的性能有显著的影响，尤其是在稳定性方面。一般采用锁模的飞秒光纤激光作为种子源，但是锁模产生的飞秒激光源既昂贵且含有自由空间器件，增加了系统的复杂性和成本。反之，相比较于飞秒种子源，皮秒光纤激光器固有的更简单，更便宜和更稳定的特点，皮秒激光发展至今已经有成熟稳定的商业化产品。

在啁啾脉冲放大技术中，常见的展宽方法主要包括：第一种是空间结构的大色散量光栅展宽器，将展宽后的激光进行放大，最后利用光栅对进行压缩。这种方法，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，但是整个系统中存在大量的自由空间器件，造成了系统的复杂性且稳定性降低，难以集成。第二种是正色散传输光纤进行脉冲展宽，随后在放大过程中引入的非线性可以和系统引入的三阶色散相互补偿。但是需要精确调节光栅的角度来保证三阶色散和非线性匹配，对光栅调节的精度要求很高。第三种是自相似放大，原理是脉冲在光纤放大器的传输过程中，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，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。但是维持自相似放大的条件较为苛刻，并且自相似放大系统受到受激拉曼散射效应和光纤增益带宽的限制，无法实现更高能量的输出。

发明内容