一种以光纤传导输出的高功率飞秒啁啾放大激光器的制作方法

本发明属于飞秒放大激光器技术领域，更具体地，涉及一种以光纤传导输出的高功率飞秒啁啾放大激光器。

背景技术

高功率飞秒光脉冲一般通过振荡器加放大器(mopa)的结构来实现。啁啾放大是实现高功率，高能量飞秒脉冲的一种常用放大方式，尤其适用于光纤放大器。啁啾脉冲放大技术是目前获取超短强激光脉冲的经典技术，啁啾放大器由种子源，展宽器，放大器和压缩器组成。

啁啾放大器首先利用脉冲展宽器对飞秒种子脉冲引入一定的啁啾量，使脉冲展宽，再通过放大后，利用压缩器引入与展宽器相反的啁啾量，使脉冲宽度复原。经过展宽后，脉冲的峰值功率被大大降低。相对于未经过展宽的短脉冲，啁啾激光脉冲在放大过程中由于非线性效应引起脉冲畸变的阈值可以增加1-2个量级，从而能够取得更高的能量与功率。

啁啾脉冲放大的关键器件之一是压缩器，压缩器的激光诱导损伤阈值直接决定了系统的输出功率密度，压缩器的均匀性与输出激光波前畸变息息相关。常用的压缩器包括棱镜对、啁啾镜以及衍射光栅对，棱镜对结构简单但是带宽小，存在较大的高阶色散；啁啾镜色散量小，衍射光栅对主要通过增大光栅间距获得大色散量，需要的空间体积大。棱镜对、啁啾镜以及衍射光栅对均为空间压缩器，高功率飞秒啁啾放大激光器通常使用空间光压缩器来进行脉冲压缩，输出光形式为空间光输出，为保证输出光的质量，激光器主体部分以及空间光路都需要工作在稳定的环境中，因此不能移动；另外，空间压缩器主要缺点是体积大，且至应用端的输出光路需要调节和维护。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种包括种子源、脉冲展宽器、脉冲放大器、空间光耦合器和空芯光子晶体光纤，其中空芯光子晶体光纤既作为传导，又作为压缩器，其尾部为传导尾纤，相比较于传统的空间光输出稳定性限制激光器移动，其提供的光纤传导输出可以将激光器主体部分与输出段都的工作环境的相对位置分离，使激光器主体部分可以工作在相对稳定的环境中；作为压缩器的空芯光子晶体光纤内部设有空芯结构，实现脉冲压缩，且空芯传输一方面具有针对高能量激光传输的高损伤阈值，另一方面通过空芯附近的光子晶体结构提供了传导带宽内独特的色散特性，这对光脉冲的压缩将起到关键作用。使得空芯光子晶体光纤具有很大的色散值，实现脉冲压缩。

为了实现上述目的，本发明提供一种以光纤传导输出的高功率飞秒啁啾放大激光器，包括依次连接的种子源、脉冲展宽器和脉冲放大器，还包括空芯光子晶体光纤和空间光耦合器，所述空间光耦合器设于所述脉冲放大器的输出端和所述空芯光子晶体光纤之间，用于将经过展宽和放大之后的脉冲耦合进入所述空芯光子晶体光纤中；

所述空芯光子晶体光纤的一部分所述种子源、脉冲展宽器和脉冲放大器共同形成放大激光器的主体部分，其尾部设有可随意移动的传导尾纤，且所述传导尾纤移动对所述主体部分不会产生影响，所述空芯光子晶体光纤的内部设有若干用于脉冲压缩的光子晶体结构，用于将放大后的脉冲压缩回飞秒脉冲。

进一步地，所述脉冲放大器为组合脉冲放大器，包括多级放大结构。

进一步地，所述多级放大结构中设有脉冲展宽器，且所述脉冲展宽器设于两个所述脉冲放大器之间。

进一步地，所述脉冲放大器包括前向、后向和双向泵浦。

进一步地，所述种子源、脉冲展宽器、脉冲放大器和空芯光子晶体光纤之间均采用相互熔接的方式连接。

进一步地，所述传导尾纤以光纤为媒介与应用端自由匹配。

进一步地，所述空间光耦合器由一个或者多个透镜组成。

进一步地，所述种子源为光纤锁模激光器或者固体锁模激光器。

进一步地，所述放大器为光纤放大器或固体放大器，所述展宽器为光纤展宽器或固体展宽器。

进一步地，所述脉冲放大器由不同芯径的掺稀土光纤混合而成。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明的以光纤传导输出的高功率飞秒啁啾放大激光器，包括种子源、脉冲展宽器、脉冲放大器、空间光耦合器和空芯光子晶体光纤，其中空芯光子晶体光纤既作为传导，又作为压缩器，其尾部为传导尾纤，相比较于传统的空间光输出稳定性限制激光器移动，其提供的光纤传导输出可以将激光器主体部分与输出段都的工作环境的相对位置分离，使激光器主体部分可以工作在相对稳定的环境中；作为压缩器的空芯光子晶体光纤内部设有空芯结构，实现脉冲压缩，且空芯传输一方面具有针对高能量激光传输的高损伤阈值，另一方面通过空芯附近的光子晶体结构提供了传导带宽内独特的色散特性，这对光脉冲的压缩将起到关键作用。使得空芯光子晶体光纤具有很大的色散值，实现脉冲压缩。

(2)本发明的以光纤传导输出的高功率飞秒啁啾放大激光器，传导部分的尾部为传导尾纤，传导尾纤可以随意移动实现与应用端的自由匹配；脉冲放大器包括多级放大器，脉冲展宽器设于多级放大器内，形成组合脉冲放大器。

(3)本发明的以光纤传导输出的高功率飞秒啁啾放大激光器，种子源、脉冲展宽器、脉冲放大器、空间光耦合器和空芯光子晶体光纤之间均采用光纤熔接的方式实现连接，实现从泵浦光源到最后的输出端面全光纤设计，提高放大器激光器的整体效果。

附图说明

图1为本发明实施例一种以光纤传导输出的高功率飞秒放大激光器的结构示意图；

图2为本发明实施例中激光器与目标之间连接示意图；

图3为本发明实施例中空芯光子晶体的结构示意图；

图4为本发明实施例中空芯光子晶体不同波长对应的色散值。

所有附图中，同一个附图标记表示相同的结构与零件，其中：1-种子源、2-脉冲展宽器、3-脉冲放大器、4-空间光耦合器、5-空芯光子晶体光纤。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明实施例一种以光纤传导输出的高功率飞秒放大激光器的结构示意图。如图1所示，高功率飞秒放大激光器包括种子源1、展宽器2、脉冲放大器3、空间耦合器4和空芯光子晶体光纤5，种子源1优选为锁模种子源，用于产生稳定可靠的超短脉冲，进一步地，锁模种子源具体为光纤锁模激光器或者固体锁模激光器，用于产生低功率、低脉冲能量、光谱带宽宽、脉冲宽度短(飞秒或皮秒)、脉冲重复率高的脉冲，并作为空间光或者光纤输出。

脉冲展宽器2与种子源1的输出端连接，脉冲展宽器2用于将种子源1产生的超短脉冲从时域展宽至皮秒或者纳秒量级，以降低脉冲峰值功率，其具有的高色散量用于保证通过脉冲展宽器2的脉冲能够产生很高的啁啾，并作为空间光或者光纤输出。作为优选，脉冲展宽器2可以基于空间光的光栅展宽器、体光栅展宽器、基于光纤的光纤展宽器和光栅展宽器中的一种形式用于脉冲展宽。

脉冲放大器3与脉冲展宽器2的输出端连接，用于将脉冲展宽器2输出的脉冲进行放大，脉冲放大器3包括前向、后向和双向泵浦，能够完成很高增益的放大，实现高功率、高能量的脉冲输出。优选地，脉冲放大器3包括多级放大结构，进一步地，脉冲展宽器2设于多级放大器内，形成组合脉冲放大器，例如脉冲放大器-脉冲展宽器-脉冲放大器的组合形式，在组合脉冲放大器中进行多级放大。作为优选，脉冲放大器由不同芯径的掺稀土光纤混合而成。其中，脉冲放大器3输出的形式为空间光输出或光纤输出。

空间光耦合器4设于脉冲放大器3和空芯光子晶体5之间，用于对脉冲放大器3输出的空间光进行光耦合，使其集中进入空芯光子晶体5中。优选地，空间光耦合器4由一个或者多个透镜组成。

空芯光子晶体光纤5用于传导脉冲，同时作为放大激光器的压缩器，空芯光子晶体5的一部分与种子源1、展宽器2、脉冲放大器3和空间耦合器4一起形成激光器的主体部分，此部分的空芯光子晶体光纤5作为传导光纤同时还作为压缩器，将脉冲压缩回飞秒脉冲。光子晶体光纤具体地被设计为空芯传导，借助所谓的反谐振原理来保证激光在光纤中心的空气纤芯中传输，这完全有别于常规全内反射型光纤的导光机制。其中，空芯传输一方面具有针对高能量激光传输的高损伤阈值，另一方面通过空芯附近的光子晶体结构提供了传导带宽内独特的色散特性，这对光脉冲的压缩将起到关键作用。

如图3所示，空芯光子晶体光纤5中设有光子晶体结构，使得色散值不为零。当光子晶体光纤具有反常色散时(群速度随着光频率的增加而增加)，脉冲在其中传导时波长长的部分群速度较慢，波长短的部分群速度较快。当种子源1产生的脉冲经过具有正常色散(群速度随着光频率的增加而减小)的展宽器2后，展宽后的脉冲波长长的部分处于脉冲前沿，波长短的部分处于脉冲后沿。当上述展宽脉冲在该空芯光子晶体光纤中传导时，处于脉冲前沿的波长长的部分群速度较慢，处于脉冲后沿的波长短的部分群速度较快，从而脉冲前后沿的部分分别向中间集中，实现脉冲压缩。

反之亦然，展宽器可以有反常色散，压缩器可以有正常色散。

本发明通过设计优化空芯光子晶体光纤5中的微结构参数，例如纤芯直径，包层气孔直径与曲率，气孔壁厚，气孔间距等参数，来改变光子晶体光纤的色散值，并平衡光纤的传输损耗水平，使之便于用作脉冲压缩的目的。

如图2所示，空芯光子晶体光纤5的尾部为传导尾纤，可以将激光器主体部分与输出端口的工作环境和相对位置分离，使得激光器主体部分可以工作在相对稳定的环境中；进一步地，传导尾纤可以随意移动，以实现与应用端的自由匹配，实现以光纤(非空间光方式)为媒介将脉冲传导至样品(应用端)。

作为优选实施例，空芯光子晶体光纤5内部间隔均匀设有8个单元的空芯结构，该具体实施例中波长对应色散值，如图4所示，该光子晶体光纤在波长大于600nm时色散值均大于零，当波长为1000nm时单位长度的色散值约为120ps/nm/km。其中，通过对光子晶体光纤内部的结构进行改变，可以获得约1200ps/nm/km等更高的单位长度的色散值。

色散值大于零，色散值越大，光纤压缩效果越明显，作为优选实施例，比如将100fs,带宽20nm的脉冲，经过色散量为-5ps/nm的脉冲展宽器展宽至约为100ps。使用约为42m的如图3中的空芯光子晶体光纤5可以产生约为5ps/nm的色散量，将上述100ps的展宽脉冲压缩至100fs。进一步地，当空芯光子晶体光纤5色散值为1200ps/nm/km时，需要约为4.2m的光纤，就可以将上述100ps的展宽脉冲压缩回100fs。

优选地，激光器内所有器件都以光纤器件相互熔接的方式实现，实现从泵浦光源到最后的输出端面的全光纤化设计。

放大激光器的具体工作过程如下：种子源1通过锁模产生低功率飞秒脉冲，然后输入到脉冲展宽器2中。脉冲展宽器2将种子源1产生的脉冲从时域展宽至皮秒或纳秒量级，降低脉冲的峰值功率。然后输入至脉冲放大器3。脉冲放大器3将展宽后的脉冲放大。由于脉冲展宽器2展宽后的脉冲峰值功率降低，脉冲放大器3可以将脉冲放大到更高(相对于不展宽)的能量。这种啁啾放大尤其适用于对峰值功率有限制的光纤放大器中。放大后的脉冲经由空间耦合器4耦合至空芯光子晶体5中，空芯光子晶体5因为是空芯光子晶体光纤。完全可以作为传导光纤传输经过放大的高能量脉冲激光，同时由于其极大的波导色散特性而起到脉冲压缩的作用。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。