啁啾脉冲放大系统的制作方法

本实用新型涉及光纤激光器，特别涉及一种啁啾脉冲放大系统。

背景技术：

高功率光纤激光器在光束质量、体积、重量、效率、散热等方面均具有明显优势，现已广泛应用于光纤通讯、激光空间远距离通讯、工业造船、汽车制造、激光切割、金属焊接、军事国防安全、生物医疗、大型基础建设等民用工业和军事领域，被称之为“第三代激光器”。其中，高功率超短脉冲激光器集成了大能量脉冲激光器和高功率连续激光器的优点，在高精度激光切割、高精度激光深层焊接、材料表面特殊处理、特种合金加工、激光喷涂等方面具有无可替代的优势。

近年来，得益于低损耗高掺杂稀土离子光纤、高功率多模激光二极管(Laser diode,LD)、双包层光纤及包层泵浦技术的发展，掺镱光纤激光器输出功率获得极大提升，大模场双包层增益光纤的出现更是使得高平均功率、高脉冲能量、飞秒级脉冲宽度的光纤激光器成为现实。然而，除高平均功率之外，光纤激光器还不能满足某些对激光的偏振特性要求较高的应用场合，例如相干合成或高次谐波产生等。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种啁啾脉冲放大系统。

本实用新型实施方式的啁啾脉冲放大系统用于光纤激光器。啁啾脉冲放大系统包括脉冲种子源、脉冲展宽器、脉冲放大器及脉冲压缩器。所述脉冲种子源用于提供飞秒激光脉冲。所述脉冲展宽器用于展宽所述飞秒激光脉冲为展宽脉冲。所述脉冲放大器用于放大所述展宽脉冲的功率以产生展宽放大脉冲。所述脉冲压缩器用于压缩所述展宽放大脉冲为放大飞秒脉冲。

在某些实施方式中，所述脉冲种子源包括半导体激光器。

在某些实施方式中，所述半导体激光器包括脉冲驱动或直流驱动两种工作模式。

在某些实施方式中，所述半导体激光器包括激光二极管。

在某些实施方式中，所述激光二极管的波长范围为1030-1080纳米。

在某些实施方式中，所述半导体激光器还包括热敏电阻及半导体制冷器。所述热敏电阻用于检测所述半导体激光器的温度。所述半导体制冷器用于根据所述温度制冷或制热以使所述半导体激光器的工作温度维持在预定温度范围内。

在某些实施方式中，所述热敏电阻的阻值为10-50千欧姆。

在某些实施方式中，所述脉冲种子源包括全光纤的锁模脉冲光纤激光器。

在某些实施方式中，所述脉冲展宽器包括环形器和啁啾布拉格光栅。所述环形器用于改变所述飞秒激光脉冲的传播方向。所述啁啾布拉格光栅用于展宽经由所述环形器输出的所述飞秒激光脉冲。

在某些实施方式中，所述环形器包括第一端、第二端和第三端。所述第一端用于接收由所述保偏隔离器输出的所述飞秒激光脉冲。所述第二端用于输出所述飞秒激光脉冲至所述啁啾布拉格光栅并接收由所述啁啾布拉格光栅展宽的所述展宽脉冲。所述第三端用于将所述展宽脉冲输出至所述脉冲放大器。

在某些实施方式中，所述脉冲放大器包括三级预放大级和一级主放大级。

在某些实施方式中，所述三级预放大级包括泵浦LD、增益光纤、反向合束器、剥离器及带通滤波器。所述泵浦光源LD用于提供泵浦光。所述增益光纤用于提供增益介质。所述反向合束器用于将所述泵浦信号光和所述展宽激光脉冲合束进所述增益光纤中。所述剥离器用于去除包层剩余的泵浦光和包层传输信号光。所述带通滤波器用于滤除放大自发辐射。

在某些实施方式中，所述啁啾脉冲放大系统包括高功率隔离器和Tap耦合器。

在某些实施方式中，所述一级主放大级包括泵浦LD阵列、增益光纤、反向合束器、光剥离器及准直镜。所述泵浦LD阵列用于提供泵浦光。所述增益光纤用于提供增益介质。所述剥离器用于去除包层剩余的泵浦光和包层传输信号光。所述准直镜用于将所述展宽放大脉冲变为平行光束输出。

在某些实施方式中，所述三级预放大级和一级主放大级均采用后向泵浦的方式。

在某些实施方式中，所述脉冲压缩器包括高色散高密度的透射光栅。

在某些实施方式中，所述脉冲压缩器包括反射型闪耀衍射光栅对。

在某些实施方式中，所述脉冲压缩器包括多层介质膜光栅。

在某些实施方式中，所述脉冲压缩器包括棱镜对。

本实用新型实施方式的啁啾脉冲放大系统，将半导体激光器作为脉冲种子源提供飞秒激光脉冲信号，由于可以通过改变半导体激光器的驱动电流改变半导体激光器的输出功率，因而可以得到平均功率从一百到千瓦可调的线偏振啁啾脉冲放大系统。采用三级后向泵浦预放大级结构和一级后向泵浦主放大级结构，不仅可以实现激光脉冲能量的放大，还可以抑制非线性效应。此外，本实用新型实施方式的啁啾脉冲放大系统为全光纤结构，结构简单、平均功率高、稳定好、泵浦效率高、调节方便且易于光纤耦合。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型实施方式的啁啾脉冲放大系统的功能模块示意图。

图2是根据本实用新型实施方式的啁啾脉冲放大系统的脉冲展宽器的光路示意图。

图3是根据本实用新型实施方式的啁啾脉冲放大系统的三级预放大级的功能模块示意图。

图4是根据本实用新型实施方式的啁啾脉冲放大系统的第一级预放大级的结构示意图。

图5是根据本实用新型实施方式的啁啾脉冲放大系统的第二级预放大级的结构示意图。

图6是根据本实用新型实施方式的啁啾脉冲放大系统的第三级预放大级的结构示意图。

图7是根据本实用新型实施方式的啁啾脉冲放大系统的一级主放大级的结构示意图。

图8是根据本实用新型实施方式的啁啾脉冲放大系统的脉冲压缩器的光路示意图。

主要原件及符号说明：

啁啾脉冲放大系统100、脉冲种子源11、保偏隔离器12、脉冲展宽器13、环形器131、啁啾布拉格光栅132、脉冲放大器14、三级预放大级141、第一级预放大级1411、单模泵浦LD14111、单包层增益光纤14112、波分复用器(WDM)14113、剥离器14114、带通滤波器14115、隔离器14116、第二级预放大级1413、多模泵浦LD14131、大模场双包层增益光纤14132、(1+1)*1合束器14133、剥离器14134、带通滤波器14135、隔离器14136、第三级预放大级1415、多模泵浦LD14151、大模场双包层增益光纤14152、(2+1)*1合束器14153、剥离器14154、带通滤波器14155、隔离器14156、高功率隔离器15、Tap耦合器16、脉冲监控器17、一级主放大级143、大功率泵浦LD阵列1431、大模场双包层增益光纤1432、(6+1)*1合束器1433、剥离器1434、准直镜1435、脉冲压缩器18、二分之一玻片181、第一高反镜182、第一透射光栅183、第二透射光栅184、第二高反镜185。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

请参阅图1，本实用新型实施方式的啁啾脉冲放大系统100，用于光纤激光器。啁啾脉冲放大系统100包括脉冲种子源11、脉冲展宽器13、脉冲放大器14及脉冲压缩器18。脉冲种子源11用于产生飞秒激光脉冲，脉冲展宽器13用于展宽飞秒激光脉冲为展宽脉冲，脉冲放大器14用于放大展宽脉冲的功率以产生展宽放大脉冲，脉冲压缩器18用于压缩展宽放大脉冲为放大飞秒脉冲。

啁啾脉冲放大系统100是获得高能量脉冲的一种重要技术手段，在脉冲放大过程中，为了避免飞秒脉冲的高峰值功率打坏激光器，在对脉冲信号进行放大前要先将脉冲展宽到纳米级或亚纳米级，分散激光种子脉冲的能量，放大后再将能量进行集中。如此，啁啾脉冲放大系统100中的脉冲种子源11提供低能量的飞秒带宽种子脉冲信号，激光脉冲经脉冲展宽器13进行时域上的展宽，此时激光脉冲的强度大幅度降低，激光脉冲能量能够有效地被放大而有不会损坏光学元件。展宽后的激光脉冲进入脉冲放大器14后，与泵浦光进行耦合，实现能量的放大。经放大后的激光脉冲最后经由脉冲压缩器18，将带宽压缩回原来的值，由此获得极高峰值功率的飞秒激光脉冲。

在某些实施方式中，脉冲种子源11包括半导体激光器，半导体激光器提供飞秒激光脉冲。

半导体激光器利用半导体物质在能带间的跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。半导体激光器体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、高功率、驱动电源简单且不需要高电压，适合作为脉冲种子源11提供激光脉冲信号。

在某些实施方式中，半导体激光器包括脉冲驱动或直流驱动两种工作模式。

半导体激光器可采用脉冲驱动方式，让流过半导体激光器的电流脉冲化而实现脉冲驱动。半导体激光器的驱动方法也可采用电流注入式，当注入电流大于阈值电流时，辐射功率随电流的增加而迅速地增大。因此，可以通过改变半导体激光器的注入电流来调整其输出的光功率。半导体激光器的电流注入式驱动要求输入电流有较高的稳定性，才能使半导体激光器得到稳定的光脉冲信号输出，这就需要采用恒流源进行驱动。在恒流源控制驱动的工作方式中，通过电流采样反馈为电流驱动单元提供有源控制，从而使电流漂流最小且使半导体激光器的输出稳定性最大，与温度控制配合使用效果更好。如此，半导体激光器可以输出稳定性较好的飞秒激光脉冲。

在某些实施方式中，半导体激光器包括激光二极管。

激光二极管用于为半导体激光器提供光脉冲信号，其具有体积小、重量轻、耗电低、驱动电路简单、调制方便、耐机械冲击以及抗震动等优点。如此，使用激光二极管为半导体激光器提供激光脉冲信号，可以使半导体激光器有更稳定的性能。

在某些实施方式中，激光二极管的波长为1030-1080纳米。

波长为1030-1080纳米的激光二极管中，以波长1064nm的激光二极管为最佳。1064nm的激光二极管是Nd:YAG固体激光二极管，其发射的激光相干性及方向性好、亮度高，且制备周期短、生产成本低、质量可控性强、形状自由度大。

在某些实施方式中，半导体激光器包括热敏电阻和半导体制冷器。热敏电阻用于检测半导体激光器的温度。半导体制冷器用于根据检测到的温度制冷或制热以使所述半导体激光器的工作温度维持在预定温度范围内。

半导体激光器是一种温度敏感器件，微小的温度变化能使激光器输出波长产生明显的变化，而啁啾脉冲放大系统100要求半导体激光器工作在恒定的固定波长状态，这就要求对半导体激光器进行精密的温控。通常，半导体激光器要求工作在25℃状态及正负0.1℃的恒温精度。热敏电阻具有尺寸小、使用方便、稳定性好、灵敏度高等优点。如此，可作为半导体激光器的感温元件，对半导体激光器的温度进行监控。若半导体激光器的工作温度未处在预定温度范围内，则可以利用半导体制冷器对半导体激光器进行温度调节。

在某些实施方式中，所述热敏电阻的阻值为10-50千欧姆。

在实际运用中，热敏电阻常设的阻值范围为10-50千欧姆。其中，以阻值为25千欧姆的热敏电阻最为常用。

在某些实施方式中，脉冲种子源11包括全光纤的锁模脉冲光纤激光器。

锁模就是将多纵模激光器中各纵模的初相位关系固定,形成等时间间隔的光脉冲序列。使各纵模在时间上同步，频率间隔也保持一定，则激光器将输出脉宽极窄、峰值功率很高的超短脉冲。全光纤的锁模脉冲激光器转换效率高、散热性能好且结构紧凑，能够输出稳定的超短激光脉冲信号。如此，可以获得稳定的飞秒激光脉冲信号，且由于锁模脉冲光纤激光器为全光纤结构，具有结构简单且易于光纤耦合等优点。

请再参阅图1，本实用新型实施方式的啁啾脉冲放大系统100还包括保偏隔离器12。

光路中由于各种原因产生的后向传输光会对光源以及光路系统产生不良的影响。保偏隔离器12可以隔离通过光纤回波反射的光。如此，可以避免光路中的回波对光源、泵浦源及其他发光器件造成干扰和伤害。

请参阅图2，本实用新型实施方式的脉冲展宽器13包括环形器131和啁啾布拉格光栅132。环形器用于改变飞秒激光脉冲的传播方向。啁啾布拉格光栅用于将飞秒激光脉冲展宽为展宽脉冲。

环形器131是一个多端口器件，经由环形器131中电磁波只能沿着单方向环形。如此，利用环形器131可以改变经由保偏隔离进入到环形器131内的飞秒激光脉冲的传播方向，使飞秒激光脉冲进入到啁啾布拉格光栅132内。

啁啾布拉格光栅132是在光纤内部刻上不等间距的刻度，飞秒激光脉冲经啁啾布拉格光栅132后，脉冲中不同波长的光在光栅中的不同位置满足布拉格条件得以反射，并在不同波长间产生时延，红光会先于蓝光离开脉冲展宽器13，种子脉冲就得到了初始展宽。如此，利用啁啾布拉格光栅132实现飞秒激光脉冲的脉冲宽度的展宽，经过展宽后的脉冲峰值功率低，不会损伤光学元件且能避免脉冲光过强而产生的各种非线性效应。

在某些实施方式中，所述环形器131包括第一端、第二端和第三端。第一端用于接收由保偏隔离器12输出的飞秒激光脉冲。第二端用于将飞秒激光脉冲输出至啁啾布拉格光栅132并接收由啁啾布拉格光栅132展宽的展宽脉冲。第三端用于输出展宽脉冲。

在某些实施方式中，脉冲放大器14包括三级预放大级141和一级主放大级143。

由于飞秒激光脉冲的功率放大倍数是有限的，如此，采用三级预放大级14和一级主放大级18，既能够使飞秒激光脉冲的功率得到最大限度的放大，又可以避免采用更多放大级数带来的成本增加及结构复杂化的问题。

请参阅图3至图6，本实用新型实施方式的三级预放大级141包括第一级预放大级1411、第二级预放大级1413、第三级预放大级1415。每一级预放大级均包括用于提供泵浦光的泵浦LD、用于提供增益介质的增益光纤、用于将泵浦光和展宽激光脉冲合束进增益光纤中的反向合束器、用于去除包层剩余的泵浦光和包层传输信号光的剥离器以及用于滤除放大自发辐射的带通滤波器。

如此，在展宽激光脉冲经由环形器131第三端输出后，利用泵浦光反向合束器与泵浦LD提供的泵浦光进行合束，合束后的光信号进入到提供增益介质的增益光纤中。展宽激光脉冲在增益介质中传播时，增益介质因受激辐射的产生，会实现粒子的能级跃迁即粒子数反转，展宽激光脉冲可以吸收这些高能级的粒子而实现能量的放大。其中，由泵浦光提供激励来实现和维持粒子数的反转。

具体地，经由脉冲展宽器13输出的展宽激光脉冲进入第一级预放大级1411中，首先经由剥离器14114去除包层传输信号光，再利用波分复用器(WDM)14113将展宽激光脉冲与976纳米的单模泵浦LD1421提供的976纳米泵浦光反向合束进单包层增益光纤14112中，在增益光纤中实现功率的放大后，输出放大展宽激光脉冲进入带通滤波器14115滤除放大自发辐射，再经由隔离器14116隔离回波反射的光后进行输出。输出后的一级预放大展宽激光脉冲进入第二级预放大级1413，经由剥离器14134后，利用(1+1)*1合束器14133将一级预放大展宽激光脉冲与976纳米多模泵浦LD1441提供的976纳米泵浦光反向合束进大模场双包层增益光纤14132中，并进行功率放大，放大后的脉冲信号依次经过带通滤波器14135和隔离器14136后输出到第三级预放大级1415。输出后的二级预放大展宽激光脉冲经由剥离器14154后，利用(2+1)*1合束器14153将二级预放大展宽激光脉冲与两个976纳米多模泵浦LD14151提供的两束976纳米泵浦光反向合束进大模场双包层增益光纤14152中，再依次经过带通滤波器14155和隔离器14156后输出，实现展宽激光脉冲的三级预放大。

由于泵浦光在双包层光纤中沿光纤轴线呈指数衰减，对于有限长度的稀土掺杂光纤，泵浦光不可能被完全吸收而形成剩余泵浦光。另外由于光纤熔接效果不理想及熔接时模式匹配等问题也会导致信号光从纤芯泄露到包层，形成包层传输的信号光。对于千瓦级以上的高功率光纤激光器，剩余泵浦光和包层传输的信号光较大，若不加以处理，则会对激光器器件、激光输出模式及稳定性造成较大损害，甚至烧毁激光器。因此可利用包层光剥离器去除包层剩余的泵浦光和包层传输信号光。在放大过程中，由于增益介质的增益很高,介质内的自发辐射将会得到放大而产生放大自发辐射。由于放大自发辐射的存在，将在信号光到达之前消耗掉增益介质上能级的反转粒子，使信号光得不到有效地放大，这不仅严重降低了信号光的放大倍数，还会带来很强的背景噪声。因此，可利用窄带滤波器来滤除这些自发放大辐射后的光波信号。

请再参阅图1，本实用新型实施方式的啁啾脉冲放大系统100包括高功率隔离器15和Tap耦合器16。

如此，利用高功率隔离器15再一次隔离回波反射的光。而经由高功率隔离器15输出的激光脉冲进入1:99的Tap耦合器16。Tap耦合器16将激光脉冲进行分束，99％的展宽放大脉冲进入一级主放大级143，而1％的展宽放大脉冲分束到脉冲监控器17中用于监测。

请参阅图7，在本实用新型实施方式中，一级主放大级143包括泵浦LD阵列、增益光纤、反向合束器、剥离器及准直镜。泵浦LD阵列用于提供泵浦光。增益光纤用于提供增益介质。剥离器用于去除包层剩余的泵浦光和包层传输信号光。准直镜用于将展宽放大脉冲变为平行光束输出。

主放大级采用泵浦LD阵列可以对三级预放大展宽激光脉冲的功率进行进一步的放大，极大地提高放大倍数。准直镜可以将放大展宽激光脉冲变为平行光束进行输出，便于之后的脉冲压缩。

具体地，经由三级预放大141输出的三级预放大展宽激光脉冲进入一级主放大级143，经由剥离器1434后，利用(6+1)*1合束器1433将三级预放大展宽激光脉冲和由两个976纳米大功率泵浦LD阵列1431提供的976纳米泵浦光耦合进双包层增益光纤1432中进行功率放大，最后经由准直镜1435将放大后的展宽激光脉冲进行输出。其中，每个976纳米大功率泵浦LD阵列1431包括3个976纳米的多模泵浦LD。

在某些实施方式中，三级预放大级141和一级主放大级143采用后向泵浦方式。

后向泵浦方式具有噪声低、偏振依赖小等优点。而正向泵浦的泵浦光的波动能够在很大程度上转移给信号光，相当于引入了噪声，同时由于偏振模色散的存在使信号光和泵浦光的偏振态相对发生变化，与后向泵浦相比，增益较小，在很多情况不被采用。如此，利用后向泵浦方式，可以获得更高的增益、更低的噪声。

请参阅图8，本实用新型实施方式中的脉冲压缩器18包括高色散高密度的透射光栅。高色散高密度的透射光栅的结构具体包括二分之一玻片181、第一高反镜182、第一透射光栅183、第二透射光栅184及第二高反镜185。

经由脉冲放大器放大后的展宽放大脉冲先经由二分之一玻片181调整偏振态，再射入45°角倾斜放置的第一高反镜182。其中，倾斜45°角放置的第一高反镜182用于将一部分展宽放大脉冲分离至脉冲监控器17中。经由第一高反镜182后的展宽放大脉冲依次射入第一透射光栅183及第二透射光栅184。第一透射光栅183及第二透射光栅184构成的光栅对可以作为色散延迟线，提供一个群速度色散量。当光脉冲入射到第一透射光栅183时，脉冲的不同频率分量以稍有不同的角度衍射。脉冲的不同分量到达第二透射光栅184时，各自经历不同的时间延迟，蓝移分量比红移分量提前到达。对于正啁啾脉冲，脉冲的后沿产生蓝移分量，而前沿产生红移分量。如此，当脉冲通过光栅对时，后沿将赶上前沿，脉冲被压缩。最后由第二高反镜反射185，从原光路返回。高色散高密度的透射光栅对可以较小的光栅间距提供较大的群速度色散量。

在某些实施方式中，脉冲压缩器18可采用反射型闪耀衍射光栅对放大展宽脉冲进行压缩。

反射性闪耀衍射光栅对不仅可以实现脉冲的压缩，且其光栅的刻槽呈锯齿状，通过控制刻槽平面和光栅平面之间的夹角，可使每个刻槽平面能将光能进行集中，减少能量的损耗。

在某些实施方式中，脉冲压缩器18可采用多层介质膜光栅实现放大展宽脉冲的压缩。

由于展宽放大脉冲的功率很高，因此其脉冲压缩器18应该具有很高的损伤阈值。多层介质膜光栅是在多层介质高反射膜上制作浮雕光栅，充分利用了多层介质膜的高反射特性和光栅的衍射特性，具有衍射效率高、损伤阈值高及均匀性好等优点。如此，可防止大功率的放大展宽脉冲对光栅对造成损坏。

在某些实施方式中，脉冲压缩器18可采用棱镜对实现放大展宽脉冲的压缩。

当含有正啁啾的脉冲进入第一棱镜，不同波长的光有不同的折射角，光束色散后进入第二棱镜，由于蓝光的波长比红光小，利用负群速度色散，蓝光分量比红光分量的折射率小，所以红光光程大于蓝光光程，因此，补偿了色散效应，使得脉冲宽度被压缩。棱镜不仅可实现脉冲压缩，而且具有结构简单的特点。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变。