超短脈沖光纖激光系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種超短脈沖光纖激光系統(tǒng)，超短脈沖光纖激光系統(tǒng)包括光纖激光器、光纖環(huán)形器、啁啾光纖光柵、單模光纖放大器、準(zhǔn)直透鏡以及啁啾體布拉格光柵；光纖激光器依次通過光纖環(huán)形器接入單模光纖放大器；單模光纖放大器、準(zhǔn)直透鏡以及啁啾體布拉格光柵依次設(shè)置在同一光路上；光纖環(huán)形器接入啁啾光纖光柵。本實(shí)用新型提供了一種高集成度的、完全固化的以及無須調(diào)節(jié)的超短脈沖光纖激光系統(tǒng)。
【專利說明】超短脈沖光纖激光系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于激光【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種超短脈沖光纖激光系統(tǒng)，尤其涉及一種基于啁啾光纖光柵展寬器和啁啾體布拉格光柵壓縮器的超短脈沖光纖激光系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]以光纖作為載體的激光器件具有體積小、集成度高、穩(wěn)定性好、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，隨著大模場(chǎng)雙包層光纖工藝和技術(shù)的成熟，結(jié)合啁啾脈沖放大技術(shù)，超短脈沖激光的產(chǎn)生和放大得以在光纖中實(shí)現(xiàn)。以光纖器件為基本元器件的啁啾脈沖放大技術(shù)的基本路線依然是超短脈沖的產(chǎn)生、超短脈沖的展寬、脈沖能量放大和高能量脈沖的壓縮。
[0003]在脈沖的展寬和壓縮階段，需要具有較大色散量的衍射光學(xué)元件。光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)目前普遍采取的做法是采用啁啾光纖光柵作為脈沖展寬器，這種光柵為刻寫在光纖內(nèi)部的周期性折射率變化介質(zhì)，它具有光纖的波導(dǎo)特性，但同時(shí)具有對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光場(chǎng)的衍射特征，這樣的一種全光纖化衍射光學(xué)器件作為簡(jiǎn)單有效的色散介質(zhì)，是光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)中最具集成度和兼容性的脈沖色散管理器件。與之對(duì)應(yīng)的脈沖壓縮器由于要承受放大后的高能激光，無法再采用光纖結(jié)構(gòu)的光柵來實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)的做法是采用反射式衍射光柵或透射式衍射光柵來對(duì)激光束進(jìn)行空間上的延遲，實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償。但是這種多個(gè)元器件組成的空間光路結(jié)構(gòu)對(duì)光束入射角敏感、對(duì)振動(dòng)敏感，且調(diào)節(jié)過程十分不易，因而不是一種適合工業(yè)界復(fù)雜環(huán)境使用的脈沖壓縮裝置。近年來發(fā)展起來了啁啾體布拉格光柵這種衍射光學(xué)元件，它是一種固體透明器件，可以有較大的通光孔徑接受高能激光，同時(shí)具有色散補(bǔ)償功能，且使用方法簡(jiǎn)單，容易裝調(diào)。
[0004]啁啾光纖光柵和啁啾體布拉格光柵都是固定色散量的器件，其能夠提供的脈沖展寬和壓縮量在光柵生產(chǎn)出來后就固定不變，所以在啁啾體布拉格光柵的使用中一般是采用一對(duì)相同參數(shù)的啁啾體布拉格光柵，一個(gè)作為脈沖展寬器，另一個(gè)作為脈沖壓縮器。然而，脈沖展寬器一旦米用啁啾體布拉格光柵，光纖激光放大系統(tǒng)的展寬階段就失去了全光纖結(jié)構(gòu)，增加的空間光路使系統(tǒng)變得復(fù)雜、不穩(wěn)定。啁啾光纖光柵和體光柵的色散參數(shù)不完全相同，且在光纖放大器中，額外的各種光纖器件也會(huì)對(duì)脈沖引入額外的色散，使得脈沖總的展寬量難以和啁啾體布拉格光柵的壓縮量完全匹配。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]為了解決【背景技術(shù)】中存在的上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種高集成度的、完全固化的以及無須調(diào)節(jié)的超短脈沖光纖激光系統(tǒng)。
[0006]本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是:本實(shí)用新型提供了一種超短脈沖光纖激光系統(tǒng)，其特殊之處在于:所述超短脈沖光纖激光系統(tǒng)包括光纖激光器、光纖環(huán)形器、啁啾光纖光柵、單模光纖放大器、準(zhǔn)直透鏡以及啁啾體布拉格光柵；所述光纖激光器依次通過光纖環(huán)形器接入單模光纖放大器；所述單模光纖放大器、準(zhǔn)直透鏡以及啁啾體布拉格光柵依次設(shè)置在同一光路上；所述光纖環(huán)形器接入啁啾光纖光柵。[0007]上述光纖環(huán)形器包括光輸入端、光輸出端以及連接啁啾光纖光柵的連接端；所述光纖激光器通過光輸入端接入光纖環(huán)形器；所述光纖環(huán)形器通過光輸出端接入單模光纖放大器。
[0008]上述超短脈沖光纖激光系統(tǒng)還包括雙包層光纖放大器；所述單模光纖放大器通過展寬光纖接入雙包層光纖放大器；所述雙包層光纖放大器準(zhǔn)直透鏡以及啁啾體布拉格光柵依次設(shè)置在同一光路上。
[0009]上述啁啾光纖光柵以及啁啾體布拉格光柵均是具有固定帶寬以及固定色散系數(shù)的色散元件。
[0010]上述啁啾光纖光柵是具有正色散特性的啁啾光纖光柵。
[0011]上述光纖激光器是鎖模光纖激光器。
[0012]上述單模光纖放大器是由波分復(fù)用器以及摻鐿單模光纖組成。
[0013]上述雙包層光纖放大器是由泵浦合束器及雙包層摻鐿光纖組成。
[0014]上述準(zhǔn)直透鏡是平凸透鏡。
[0015]經(jīng)準(zhǔn)直透鏡入射至啁啾體布拉格光柵的光束與經(jīng)啁啾體布拉格光柵衍射出來的光束之間有夾角；所述夾角的范圍是4°?6°。
[0016]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是:
[0017]本實(shí)用新型提供了一種超短脈沖光纖激光系統(tǒng)，該激光系統(tǒng)在設(shè)計(jì)脈沖壓縮器的色散參數(shù)時(shí)，有意設(shè)計(jì)其色散總量大于啁啾光纖光柵展寬器所提供的色散總量，且這個(gè)差值所對(duì)應(yīng)的色散量大于100米石英光纖的材料色散量。在光纖放大系統(tǒng)中，所有光纖的總長(zhǎng)度是不會(huì)超過100米的，因而這種設(shè)計(jì)將使得壓縮器給脈沖引入的負(fù)色散量大于啁啾光纖光柵和傳輸光纖所能提供的總正色散量，即壓縮器過多補(bǔ)償了展寬器的展寬量。這些多余補(bǔ)償?shù)呢?fù)色散量將通過改變傳導(dǎo)光纖長(zhǎng)度的辦法來抵消，本實(shí)用新型在脈沖的放大鏈路中加入額外的一定長(zhǎng)度的光纖，這些光纖所提供的正色散量完全由其長(zhǎng)度決定，所以這些額外加入的光纖所提供的正色散量可通過設(shè)定其長(zhǎng)度而精確控制。當(dāng)這段展寬光纖提供的正色散量正好抵消壓縮器過多引入的負(fù)色散量，光脈沖就得到了色散抵消，脈沖成分在時(shí)間上就無延遲，脈沖寬度最窄。本實(shí)用新型以啁啾光纖光柵和啁啾體布拉格光柵來作為光纖啁啾脈沖放大系統(tǒng)中脈沖的展寬和壓縮器件，并利用放大系統(tǒng)中光纖的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)脈沖展寬器和壓縮器之間的色散平衡，得到完全色散補(bǔ)償?shù)恼}沖；從而提供了一種高集成度的、完全固化的、無須調(diào)節(jié)的超短脈沖光纖激光系統(tǒng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本實(shí)用新型所提供的超短脈沖光纖激光系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2是基于本實(shí)用新型所提供的激光系統(tǒng)展寬后的脈沖自相關(guān)曲線；
[0020]圖3是基于本實(shí)用新型所提供的激光系統(tǒng)壓縮后的激光脈沖自相關(guān)曲線；
[0021]其中:
[0022]1-超短脈沖光纖激光器；2_光纖環(huán)形器；3_啁啾光纖光柵；4_單模光纖放大器；5-展寬光纖；6_雙包層光纖放大器；7_準(zhǔn)直透鏡；8-啁啾體布拉格光柵。
【具體實(shí)施方式】[0023]參見圖1，本實(shí)用新型提供過了一種超短脈沖光纖激光系統(tǒng)，超短脈沖光纖激光系統(tǒng)包括光纖激光器、光纖環(huán)形器2、啁啾光纖光柵3、單模光纖放大器4、展寬光纖5、準(zhǔn)直透鏡7以及啁啾體布拉格光柵8 ;光纖激光器依次通過光纖環(huán)形器2以及單模光纖放大器4接入展寬光纖5 ;展寬光纖5、準(zhǔn)直透鏡7以及啁啾體布拉格光柵8依次設(shè)置在同一光路上；光纖環(huán)形器2接入啁啾光纖光柵3。
[0024]光纖環(huán)形器2包括光輸入端、光輸出端以及連接啁啾光纖光柵3的連接端；光纖激光器通過光輸入端接入光纖環(huán)形器2 ;光纖環(huán)形器2通過光輸出端接入單模光纖放大器4。
[0025]超短脈沖光纖激光系統(tǒng)還包括雙包層光纖放大器6 ;單模光纖放大器4通過展寬光纖5接入雙包層光纖放大器6 ;雙包層光纖放大器6準(zhǔn)直透鏡7以及啁啾體布拉格光柵8依次設(shè)置在同一光路上。
[0026]啁啾光纖光柵3以及啁啾體布拉格光柵8均是具有固定帶寬以及固定色散系數(shù)的色散元件。
[0027]啁啾光纖光柵3是具有正色散特性的啁啾光纖光柵3。
[0028]光纖激光器是鎖模光纖激光器；鎖模光纖激光器從輸出端尾纖輸出的激光重復(fù)頻率是50MHz，脈寬約400fs，中心波長(zhǎng)1053nm，平均功率lmw。
[0029]單模光纖放大器4是由波分復(fù)用器以及摻鐿單模光纖組成。
[0030]雙包層光纖放大器6是由泵浦合束器及雙包層摻鐿光纖組成
[0031]準(zhǔn)直透鏡7是平凸透鏡。
[0032]經(jīng)準(zhǔn)直透鏡7入射至啁啾體布拉格光柵8的光束與經(jīng)啁啾體布拉格光柵8衍射出來的光束之間有夾角；夾角的范圍是4°?6°。
[0033]本實(shí)用新型的主要結(jié)構(gòu)為光纖激光器和放大器組成的啁啾脈沖放大及壓縮系統(tǒng)。超短脈沖光纖激光器I作為種子光源，為系統(tǒng)提供窄脈寬的原始脈沖；啁啾光纖光柵3作為脈沖展寬器把原始脈沖展寬；各級(jí)光纖放大器是脈沖能量提升部件；啁啾體布拉格光柵8作為脈沖壓縮器將放大的脈沖寬度壓縮到亞皮秒。
[0034]處于光纖放大器之前的啁啾光纖光柵3是具有固定帶寬和固定色散系數(shù)的器件，對(duì)于一定帶寬的入射光脈沖，啁啾光纖光柵3所提供的展寬量是定值。一般采用具有正色散特性的啁啾光纖光柵3來展寬脈沖，這個(gè)展寬后的脈沖在光纖放大器鏈路中一邊傳輸一邊獲得能量的放大，其脈寬在放大過程中由于光纖材料色散的影響，會(huì)有略微的變化，對(duì)于I微米波長(zhǎng)附近的光場(chǎng)，普通石英光纖和摻鐿光纖均為正色散特性的材料，這與啁啾光纖光柵3色散特征一致。因而光脈沖經(jīng)過的光纖越長(zhǎng)，材料正色散對(duì)其展寬越大，所以在放大輸出后，光脈沖的時(shí)間寬度為啁啾光纖光柵3展寬量與光纖材料色散提供的展寬量之和。
[0035]經(jīng)過展寬和放大后的脈沖如果再經(jīng)過具有負(fù)色散特性的光學(xué)元件的作用，其展寬量將會(huì)得到抵消，使得脈沖在時(shí)間上受到壓縮。這個(gè)壓縮量的大小取決于脈沖經(jīng)歷的總正色散量和總負(fù)色散量的抵消程度，如果負(fù)色散量正好補(bǔ)償完正色散量，脈沖中的各個(gè)光譜成分在時(shí)間上就不再具有延遲，即得到了最窄的脈沖。所以脈沖壓縮器就是提供負(fù)色散的介質(zhì)或元器件，其所能提供的色散量要正好補(bǔ)償光脈沖具有的正色散展寬量。
[0036]啁啾體布拉格光柵8類似啁啾光纖光柵3，也是具有固定帶寬和固定色散系數(shù)的色散器件，它對(duì)于入射到其中的光脈沖只能提供固定的負(fù)色散量，難以完全抵消光脈沖經(jīng)歷的正色散展寬。[0037]該光纖激光系統(tǒng)的原始脈沖由鎖模光纖激光器產(chǎn)生，這種鎖模光纖激光器為全光纖結(jié)構(gòu)，從輸出端尾纖輸出的激光重復(fù)頻率50MHz，脈寬約400fs，中心波長(zhǎng)1053nm，平均功率lmw。這種很窄的飛秒脈沖直接通過光纖熔接的方式被輸送到啁啾光纖光柵3展寬器。
[0038]啁啾光纖光柵3為反射式光柵,與光纖環(huán)形器熔接在一起使用，構(gòu)成展寬器。光纖環(huán)形器2有三個(gè)端口，①端為輸入端，接收來自鎖模激光器的光信號(hào)；②端為連接啁啾光纖光柵3的端口，接收來自啁啾光纖光柵3的反射光；③端為反射光輸出端，也就是將展寬后的脈沖輸出。展寬后的光脈沖寬度達(dá)到數(shù)百皮秒，但能量較低，要經(jīng)過多級(jí)光纖放大器進(jìn)行能量的提升。第一級(jí)光纖放大器是單模光纖放大器4，由波分復(fù)用器和摻鐿單模光纖組成。初步放大后的光脈沖經(jīng)過數(shù)百米的Hil060型單模石英光纖進(jìn)行額外的展寬，展寬量取決于這卷石英光纖的長(zhǎng)度，在實(shí)驗(yàn)中可進(jìn)行裁剪光纖或彌補(bǔ)光纖以改變這卷光纖提供的色散量。展寬光纖5后連接第二級(jí)光纖放大器，由泵浦合束器及雙包層摻鐿光纖組成，將兩次展寬后的脈沖進(jìn)行進(jìn)一步能量提升，在數(shù)瓦的泵浦功率下，放大輸出平均光功率達(dá)到數(shù)百毫瓦。
[0039]以上所有器件之間都是光纖熔接連接，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠且高集成度的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。放大后的激光利用平凸透鏡準(zhǔn)直，準(zhǔn)直光斑直徑約3mm，入射到啁啾體布拉格光柵8的入射面，該入射面的法線與入射光束的夾角約2°?3°，使得經(jīng)啁啾體布拉格光柵8衍射出來的光束以不同于入射光光路的方向輸出。使用自相關(guān)儀檢測(cè)體光柵壓縮后的光脈沖的寬度，同時(shí)增減前端光路中展寬光纖5的長(zhǎng)度，直至在自相關(guān)儀上測(cè)得最短的脈寬(〈lOOOfs)。至此，完成了具有緊湊結(jié)構(gòu)的免調(diào)節(jié)的超短脈沖光纖激光系統(tǒng)的搭建。在本實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的該裝置搭建中，獲得了平均功率560mw，脈寬606fs的超短脈沖激光輸出，脈沖展寬后及壓縮后的脈寬測(cè)量如圖2以及圖3的自相關(guān)曲線。
【權(quán)利要求】
1.一種超短脈沖光纖激光系統(tǒng)，其特征在于:所述超短脈沖光纖激光系統(tǒng)包括光纖激光器、光纖環(huán)形器、啁啾光纖光柵、單模光纖放大器、準(zhǔn)直透鏡以及啁啾體布拉格光柵；所述光纖激光器依次通過光纖環(huán)形器接入單模光纖放大器；所述單模光纖放大器、準(zhǔn)直透鏡以及啁啾體布拉格光柵依次設(shè)置在同一光路上；所述光纖環(huán)形器接入啁啾光纖光柵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超短脈沖光纖激光系統(tǒng)，其特征在于:所述光纖環(huán)形器包括光輸入端、光輸出端以及連接啁啾光纖光柵的連接端；所述光纖激光器通過光輸入端接入光纖環(huán)形器；所述光纖環(huán)形器通過光輸出端接入單模光纖放大器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超短脈沖光纖激光系統(tǒng)，其特征在于:所述超短脈沖光纖激光系統(tǒng)還包括雙包層光纖放大器；所述單模光纖放大器通過展寬光纖接入雙包層光纖放大器；所述雙包層光纖放大器準(zhǔn)直透鏡以及啁啾體布拉格光柵依次設(shè)置在同一光路上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超短脈沖光纖激光系統(tǒng)，其特征在于:所述啁啾光纖光柵以及啁啾體布拉格光柵均是具有固定帶寬以及固定色散系數(shù)的色散元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超短脈沖光纖激光系統(tǒng)，其特征在于:所述啁啾光纖光柵是具有正色散特性的啁啾光纖光柵。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超短脈沖光纖激光系統(tǒng)，其特征在于:所述光纖激光器是鎖模光纖激光器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超短脈沖光纖激光系統(tǒng),其特征在于:所述單模光纖放大器是由波分復(fù)用器以及摻鐿單模光纖組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超短脈沖光纖激光系統(tǒng)，其特征在于:所述雙包層光纖放大器是由泵浦合束器及雙包層摻鐿光纖組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超短脈沖光纖激光系統(tǒng)，其特征在于:所述準(zhǔn)直透鏡是平凸透鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超短脈沖光纖激光系統(tǒng)，其特征在于:經(jīng)準(zhǔn)直透鏡入射至啁啾體布拉格光柵的光束與經(jīng)啁啾體布拉格光柵衍射出來的光束之間有夾角；所述夾角的范圍是4°?6°。
【文檔編號(hào)】H01S3/11GK203690694SQ201320843426
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月19日
【發(fā)明者】楊直, 張挺, 王屹山, 李峰, 楊小君, 趙衛(wèi) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所