本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種全光纖高能量超短脈沖激光系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

基于全光纖結(jié)構(gòu)的激光器由于具有體積小、集成度高、穩(wěn)定性好、免維護(hù)和光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛的研究。加之此類激光器具有大的表面體積比，散熱性能好，熱光效應(yīng)引起的光束畸變小，尤其適合高功率激光的輸出，因此采用此種結(jié)構(gòu)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了萬(wàn)瓦級(jí)的連續(xù)激光輸出。但是，在超快激光放大中，由于光纖的有限模場(chǎng)面積限制，使得超短激光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性效應(yīng)，導(dǎo)致脈沖的時(shí)域畸變，很難獲得超短脈沖輸出，因此在光纖中通常情況下很難實(shí)現(xiàn)高能量的超短脈沖輸出。

但是隨著大模場(chǎng)面積雙包層光纖以及光子晶體光纖的出現(xiàn)，采用啁啾脈沖放大技術(shù)，可以在光纖中實(shí)現(xiàn)高能量超短脈沖輸出。目前國(guó)際上獲得最高輸出能量為2.2mJ，脈寬為500fs的超短脈沖輸出。盡管其獲得了高能量的飛秒激光輸出，但是由于其在啁啾脈沖放大過(guò)程中，將脈沖展寬到2ns，并引入了兩級(jí)光子晶體增益光纖進(jìn)行放大，尤其第二級(jí)的光子晶體光纖為棒狀光子晶體光纖，不可以彎折，需要嚴(yán)密的空間耦合，因而其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性差，成本高，且激光器尺寸很大。與剛性結(jié)構(gòu)的棒狀光子晶體光纖相對(duì)應(yīng)，目前國(guó)際上采用單級(jí)柔性光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)的超短脈沖啁啾脈沖放大系統(tǒng)最高的輸出能量為100μJ，所獲得的最短脈寬為650fs。但是，其采用的柔性光子晶體光纖放大級(jí)也是采用空間耦合技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而且其在放大過(guò)程中利用了光柵的三階色散來(lái)補(bǔ)償光纖中的非線性，因此需要嚴(yán)格的控制，實(shí)現(xiàn)難度大。

盡管國(guó)外在高能量飛秒光纖激光器方面取得了顯著的進(jìn)展，但是在國(guó)內(nèi)，目前尚無(wú)數(shù)十微焦級(jí)別的全光纖結(jié)構(gòu)的超短脈沖飛秒激光放大系統(tǒng)，而該能量級(jí)別的超短脈沖激光已經(jīng)可以滿足包括精密切割，打孔等大多數(shù)的工業(yè)應(yīng)用需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和問(wèn)題，本發(fā)明提供一種全光纖高能量超短脈沖激光系統(tǒng)。

一種全光纖高能量超短脈沖激光系統(tǒng)，其包括啁啾光纖光柵3及依次順序連接的光纖激光器1、光纖環(huán)形器2、第一單模光纖放大器4、第一雙包層光纖放大器5、降頻器6、第二單模光纖放大器7、第二雙包層光纖放大器8、柔性光子晶體光纖放大器9和脈沖壓縮器10，所述啁啾光纖光柵3連接于所述光纖環(huán)形器2，所述光纖激光器1、所述光纖環(huán)形器2、所述啁啾光纖光柵3、所述第一單模光纖放大器4、所述第一雙包層光纖放大器5、所述降頻器6、所述第二單模光纖放大器7、所述第二雙包層光纖放大器8、所述柔性光子晶體光纖放大器9及所述脈沖壓縮器10均采用保偏全光纖結(jié)構(gòu)的熔融拼接實(shí)現(xiàn)連接。

本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述光纖環(huán)形器2包括光輸入端、光輸出端以及連接端，所述光纖激光器1通過(guò)所述光輸入端接入所述光纖環(huán)形器2，所述光纖環(huán)形器2通過(guò)所述光輸出端接入所述第一單模光纖放大器4，所述啁啾光纖光柵3通過(guò)所述連接端接入所述光纖環(huán)形器2。

本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述光纖激光器1為全保偏結(jié)構(gòu)的鎖模激光器，其輸出激光脈沖的重復(fù)頻率是40MHz，脈寬為15ps，中心波長(zhǎng)1030nm，平均功率18mw。

本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述啁啾光纖光柵3具有固定色散系數(shù)的正色散特性。

本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述第一單模光纖放大器4由由單模抽運(yùn)半導(dǎo)體激光器、光纖波分復(fù)用器和保偏的摻鐿單模光纖組成。

本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述第一雙包層光纖放大器5由泵浦合束器、LD泵浦源以及雙包層摻鐿光纖組成。

本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述雙包層摻鐿光纖為芯徑10μm、內(nèi)包層直徑125μm的保偏雙包層光纖。

本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述降頻器6是基于保偏光纖耦合輸入輸出的聲光調(diào)制器，其主要由聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)和聲光晶體組成。

本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述第二單模光纖放大器7由波分復(fù)用器以及摻鐿單模增益光纖組成。

本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述第二雙包層光纖放大器8由泵浦合束器、LD泵浦源以及雙包層摻鐿光纖組成。

本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述雙包層摻鐿光纖為芯徑10μm，內(nèi)包層直徑為125μm的保偏雙包層光纖。

本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述柔性光子晶體光纖放大器9由泵浦合束器、LD泵浦源以及柔性光子晶體光纖組成。

本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述柔性光子晶體光纖按照光子晶體光纖的保偏軸進(jìn)行盤繞。

本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述脈沖壓縮器10采用透射式光柵對(duì)，光柵刻線密度1600line/mm。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的所述全光纖高能量超短脈沖激光系統(tǒng)中，所述光纖激光器、所述光纖環(huán)形器、所述啁啾光纖光柵、所述第一單模光纖放大器、所述第一雙包層光纖放大器、所述降頻器、所述第二單模光纖放大器、所述第二雙包層光纖放大器、所述柔性光子晶體光纖放大器及所述脈沖壓縮器均采用保偏全光纖結(jié)構(gòu)的熔融拼接實(shí)現(xiàn)連接，使得整個(gè)系統(tǒng)具有較佳的穩(wěn)定性、緊湊性以及免維護(hù)等特點(diǎn)，成為一種高集成、免調(diào)試的超短脈沖激光系統(tǒng)。同時(shí)，通過(guò)引入大模場(chǎng)面積光子晶體光纖，有效地降低了超短脈沖放大過(guò)程中的非線性積累，實(shí)現(xiàn)了在全光纖結(jié)構(gòu)中輸出高能超短脈沖，且由于是全光纖結(jié)構(gòu)，所以輸出光束質(zhì)量高。此外，采用全保偏光纖，可確保光纖系統(tǒng)的穩(wěn)定性和外部干擾的不敏感特性，并使得輸出激光為線偏振。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所提供的全光纖高能量超短脈沖激光系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是基于圖1所示的全光纖高能量超短脈沖激光系統(tǒng)壓縮后的激光脈沖自相關(guān)曲線圖。

具體實(shí)施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實(shí)施方式。以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說(shuō)明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說(shuō)明書中所使用的術(shù)語(yǔ)只是為了描述具體的實(shí)施方式的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語(yǔ)“及/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的所列項(xiàng)目的任意的和所有的組合。

請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明一較佳實(shí)施例提供一種全光纖高能量超短脈沖激光系統(tǒng)，其包括啁啾光纖光柵3及依次順序連接的光纖激光器1、光纖環(huán)形器2、第一單模光纖放大器4、第一雙包層光纖放大器5、降頻器6、第二單模光纖放大器7、第二雙包層光纖放大器8、柔性光子晶體光纖放大器9和脈沖壓縮器10，所述啁啾光纖光柵3連接于所述光纖環(huán)形器2，所述光纖激光器1、所述光纖環(huán)形器2、所述啁啾光纖光柵3、所述第一單模光纖放大器4、所述第一雙包層光纖放大器5、所述降頻器6、所述第二單模光纖放大器7、所述第二雙包層光纖放大器8、所述柔性光子晶體光纖放大器9及所述脈沖壓縮器10均采用保偏全光纖結(jié)構(gòu)的熔融拼接實(shí)現(xiàn)連接。

優(yōu)選地，所述光纖激光器1為全保偏結(jié)構(gòu)的鎖模激光器，其輸出激光脈沖的重復(fù)頻率是40MHz，脈寬為15ps，中心波長(zhǎng)1030nm，平均功率18mw。

本實(shí)施例中，所述光纖環(huán)形器2包括光輸入端21、光輸出端23以及連接端25，所述光纖激光器1通過(guò)所述光輸入端21接入所述光纖環(huán)形器2，所述光纖環(huán)形器2通過(guò)所述光輸出端23接入所述第一單模光纖放大器4，所述啁啾光纖光柵3通過(guò)所述連接端25接入所述光纖環(huán)形器2。

本實(shí)施例中，所述啁啾光纖光柵3具有固定色散系數(shù)的正色散特性。可以理解的是，由于所述啁啾光纖光柵3的折射率間隔不同，導(dǎo)致不同波長(zhǎng)的光在其中的不同位置滿足布拉格條件得以反射，比如，紅光在其入口處反射，藍(lán)光在其尾部反射。

可以理解的是，所述光纖環(huán)形器2和所述啁啾光纖光柵3共同組成了光纖展寬器。

本實(shí)施例中，所述第一單模光纖放大器4由單模抽運(yùn)半導(dǎo)體激光器、光纖波分復(fù)用器和保偏的摻鐿單模光纖組成。

本實(shí)施例中，所述第一雙包層光纖放大器5由泵浦合束器、LD泵浦源以及雙包層摻鐿光纖組成。其中，所述雙包層摻鐿光纖為芯徑10μm、內(nèi)包層直徑125μm的保偏雙包層光纖。

本實(shí)施例中，所述降頻器6是基于保偏光纖耦合輸入輸出的聲光調(diào)制器，其主要由聲光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)和聲光晶體組成。

本實(shí)施例中，所述第二單模光纖放大器7由單模抽運(yùn)半導(dǎo)體激光器、光纖波分復(fù)用器和保偏的摻鐿單模光纖組成。

本實(shí)施例中，所述第二雙包層光纖放大器8由泵浦合束器、LD泵浦源以及雙包層摻鐿光纖組成。其中，所述雙包層摻鐿光纖為芯徑10μm，內(nèi)包層直徑為125μm的保偏雙包層光纖。當(dāng)然，并不局限于本實(shí)施例，所述第二雙包層光纖放大器8也可以采用不同芯徑的雙包層光纖，比如10um或者25um芯徑的。

本實(shí)施例中，所述柔性光子晶體光纖放大器9由泵浦合束器、LD泵浦源以及柔性光子晶體光纖組成。雙包層摻鐿光纖為芯徑40μm，包層直徑為200μm的保偏光子晶體光纖。其中，所述柔性光子晶體光纖按照光子晶體光纖的保偏軸進(jìn)行盤繞，且其為大模場(chǎng)面積光子晶體光纖。

優(yōu)選地，所述柔性光子晶體光纖放大器9和所述第二雙包層光纖放大器8之間采用光纖熔接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同模場(chǎng)面積的特種光纖的熔接。由此，通過(guò)放大，在保證無(wú)拉曼頻移的情況下，可以將輸出信號(hào)放大。

本實(shí)施例中，所述脈沖壓縮器10采用透射式光柵對(duì)，光柵刻線密度1600line/mm。

以下，本發(fā)明通過(guò)具體實(shí)施例來(lái)說(shuō)明所述全光纖高能量超短脈沖激光系統(tǒng)。

光纖激光器1為全光纖鎖模激光器，其輸出激光脈沖的重復(fù)頻率為40MHz，光譜寬度為9nm，脈沖寬度為15ps，平均功率為18mW。

基于單模光纖的光纖環(huán)形器2和啁啾光纖光柵3組成脈沖展寬器，將輸入的脈沖由初始的15ps展寬到大于600ps，同時(shí)由于損耗導(dǎo)致輸出功率為1.5mW。

第一單模光纖放大器4由單模抽運(yùn)半導(dǎo)體激光器、光纖波分復(fù)用器和保偏的摻鐿單模光纖(纖芯直徑6μm，包層直徑125um)組成，將1.5mW的信號(hào)光放大到約60mW。

然后進(jìn)入第一雙包層光纖放大器5，第一雙包層光纖放大器5由泵浦合束器，LD泵浦源及雙包層摻鐿光纖組成。其中，雙包層摻鐿光纖為芯徑10μm，內(nèi)包層直徑125μm的保偏雙包層光纖。第一雙包層光纖放大器5將60mW的信號(hào)光放大到約1.8W。

1.8W的信號(hào)光經(jīng)過(guò)光纖耦合的聲光調(diào)制器，即降頻器6進(jìn)行降頻，把種子源的40MHz的重復(fù)頻率降低到200KHz，降頻之后輸出功率變?yōu)?mW。

降頻后的信號(hào)光再進(jìn)入第二單模光纖放大器7，第二單模光纖放大器7由單模抽運(yùn)半導(dǎo)體激光器、光纖波分復(fù)用器和保偏的摻鐿單模光纖(纖芯直徑6μm，包層直徑125um)組成，將1.5mW的信號(hào)光放大到約20mW。

然后進(jìn)入第二雙包層光纖放大器8進(jìn)行能量放大，第二雙包層光纖放大器8由泵浦合束器、LD泵浦源及雙包層摻鐿光纖組成。其中，雙包層摻鐿光纖為芯徑10μm，內(nèi)包層直徑125μm的保偏雙包層增益光纖，其將20mW的信號(hào)光進(jìn)行放大，可以獲得最高2W的輸出。但是，由于在放大過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的非線性，包括拉曼頻移，因此為了保證最后一級(jí)的放大輸出以及控制整個(gè)全光纖高能量超短脈沖激光系統(tǒng)的非線性有效控制，該級(jí)將信號(hào)只放大到300mW。

然后將300mW的信號(hào)通過(guò)光纖熔接，導(dǎo)入到柔性光子晶體光纖放大器9中，柔性光子晶體光纖放大器9由泵浦合束器、LD泵浦源及柔性光子晶體光纖組成。雙包層摻鐿光纖為芯徑40μm，包層200μm的保偏光子晶體光纖。柔性光子晶體光纖按照光子晶體光纖的保偏軸進(jìn)行盤繞。柔性光子晶體光纖與雙包層光纖之間采用光纖熔接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同模場(chǎng)面積的特種光纖的熔接。通過(guò)放大，在保證無(wú)拉曼頻移的情況下，可以將輸出信號(hào)放大到20W。

放大之后的光通過(guò)1600lines/mm的透射光柵(即脈沖壓縮器10)對(duì)進(jìn)行壓縮，獲得壓縮輸出功率10W，脈沖重復(fù)頻率為200KHz的激光輸出，于此相對(duì)應(yīng)的單脈沖能量高達(dá)50μJ，壓縮后脈沖寬度為933fs。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的所述全光纖高能量超短脈沖激光系統(tǒng)中，所述光纖激光器1、所述光纖環(huán)形器2、所述啁啾光纖光柵3、所述第一單模光纖放大器4、所述第一雙包層光纖放大器5、所述降頻器6、所述第二單模光纖放大器7、所述第二雙包層光纖放大器8、所述柔性光子晶體光纖放大器9及所述脈沖壓縮器10均采用保偏全光纖結(jié)構(gòu)的熔融拼接實(shí)現(xiàn)連接，使得整個(gè)系統(tǒng)具有較佳的穩(wěn)定性、緊湊性以及免維護(hù)等特點(diǎn)，成為一種高集成、免調(diào)試的超短脈沖激光系統(tǒng)。同時(shí)，通過(guò)引入大模場(chǎng)面積光子晶體光纖，有效地降低了超短脈沖放大過(guò)程中的非線性積累，實(shí)現(xiàn)了在全光纖結(jié)構(gòu)中輸出高能超短脈沖，且由于是全光纖結(jié)構(gòu)，所以輸出光束質(zhì)量高。此外，采用全保偏光纖，可確保光纖系統(tǒng)的穩(wěn)定性和外部干擾的不敏感特性，并使得輸出激光為線偏振。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。