一种1030nm光纤激光器中高能量飞秒脉冲产生方法

本发明涉及脉冲产生，特别是一种1030nm光纤激光器中高能量飞秒脉冲产生方法。

背景技术：

1、高能量飞秒激光器在高精度工业加工、临床手术和高次谐波产生等领域有着广泛的应用。锁模技术是产生超快激光的根本手段，放大技术是实现高能量脉冲激光输出的直接途径。为了满足不同场景和应用对脉冲激光参数的需要，通过激光放大技术对光纤激光器输出的超快激光进行放大，从而实现高能量飞秒脉冲激光输出成为一种迫切需求。

2、现有的激光脉冲放大方案主要有啁啾脉冲放大、非线性放大、相干光束组合、分脉冲放大等。啁啾脉冲放大技术是在脉冲输入放大器之前先引入一定的色散对其进行展宽，使得脉冲的时域宽度达到百皮秒或纳秒量级，进而大大降低了脉冲的峰值功率，并保证了单位面积上的能量密度，这样在放大器放大的过程中就能够降低相关元件的损伤风险、避免增益饱和等非线性效应，待脉冲能量足够高之后，再利用脉冲压缩器对色散进行补偿，使脉冲宽度回到飞秒量级。啁啾脉冲放大具有很高的放大效率，但是其放大后的脉冲宽度受限于种子振荡器的输出脉冲，并且容易引入无法完全补偿的非线性相位进而导致脉冲畸变。目前利用啁啾脉冲放大实现的百微焦量级脉冲的脉宽通常在500fs以上。非线性放大技术通常利用一段较长的低增益光纤对脉冲进行预整形，使其演化成抛物线形脉冲，抛物线脉冲在放大过程中积累的线性啁啾能够直接使用标准光栅对压缩器或啁啾镜进行压缩，同时，抛物线脉冲能够承受更大的非线性容差，使得脉冲能够更好的利用自相位调制展宽光谱，得到远大于种子振荡器光谱的脉冲，进而在脉冲压缩后得到远小于种子振荡器的脉冲宽度。非线性放大具备获得几十甚至几飞秒脉冲的潜能，但是其直接放大的脉冲能量不高。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种1030nm光纤激光器中高能量飞秒脉冲产生方法，通过结合非线性放大技术和啁啾脉冲放大技术，实现了高能量飞秒脉冲激光输出，输出脉冲宽度远低于种子振荡器直接输出脉冲宽度，且脉冲能量可达到百微焦量级。

2、本发明采用以下技术方案实现：一种1030nm光纤激光器中高能量飞秒脉冲产生方法，包括种子激光器、放大系统和压缩系统；

3、所述种子激光器包括掺镱光纤振荡器；

4、放大系统包括非线性放大系统和啁啾脉冲放大系统；

5、掺镱光纤振荡器输出的中心波长为1030nm的超快脉冲进入非线性放大系统，通过非线性放大系统对超快脉冲进行放大和整形，提升脉冲能量和展宽光谱的同时，还将非线性啁啾转化为了线性啁啾，然后进入啁啾脉冲放大系统，通过啁啾脉冲放大系统对超快脉冲进行多次放大，能够不断提升脉冲能量，得到高能量脉冲；然后进入压缩系统，通过压缩系统对超快脉冲进行脉冲压缩，压缩完成后输出得到高能量飞秒脉冲。

6、优选的，所述非线性放大系统包括第一三端口环形器、压缩光纤光栅、第一多模泵浦源、第一合束器、第一双包层掺镱增益光纤、第一单模光纤；

7、掺镱光纤振荡器输出的中心波长为1030nm的超快脉冲进入非线性放大系统，通过第一三端口环形器的a端传播到b端，进入到压缩光纤光栅进行脉冲的负色散补偿；然后超快脉冲经由第一三端口环形器的b端传播到c端并继续传播，经过第一合束器的d端传播到f端，然后进入第一双包层掺镱增益光纤，此时第一多模泵浦源产生的976nm连续激光经由第一合束器的e端传播到f端并泵浦双包层掺镱增益光纤内的超快脉冲，实现对超快脉冲的放大；放大后的超快脉冲经过第一单模光纤进行非线性演化，并将非线性啁啾转化为了线性啁啾，然后进入啁啾脉冲放大系统。

8、优选的，所述啁啾脉冲放大系统包括第二三端口环形器、展宽光纤光栅、第二多模泵浦源、第二合束器、第二双包层掺镱增益光纤、单模泵浦源、波分复用器、单模掺镱增益光纤、掺镱光子晶体光纤、高功率多模泵浦源、两个聚焦透镜；

9、非线性放大系统输出的超快脉冲经由第二三端口环形器的a端传播到b端，进入到展宽光纤光栅进行脉冲的正色散补偿；然后超快脉冲经由第二三端口环形器的b端传播到c端并继续传播，经过第二合束器后进入第二双包层掺镱增益光纤，此时第二多模泵浦源产生的976nm连续激光经由第二合束器泵浦第二双包层掺镱增益光纤内的超快脉冲，实现对超快脉冲的二次放大；二次放大后的超快脉冲经过波分复用器的j端传播到l端后进入单模掺镱增益光纤，此时单模泵浦源产生的976nm连续激光经由波分复用器的k端传播到l端并泵浦单模掺镱增益光纤内的超快脉冲，实现对超快脉冲的三次放大；三次放大后的超快脉冲经过第三复合功能器件继续传播进入掺镱光子晶体光纤，此时高功率多模泵浦源产生的高功率976nm连续激光通过两个聚焦透镜耦合进掺镱光子晶体光纤中，对超快脉冲进行第四次脉冲激光放大，然后进入压缩系统。

10、优选的，所述压缩系统包括第一高反射镜、第二高反射镜、光栅对、面反射镜；

11、啁啾脉冲放大系统输出的超快脉冲经过第一高反射镜反射，并透过第二高反射镜进入光栅对，光栅对与面反射镜一起构成了双通结构压缩器对超快脉冲进行压缩，压缩后的超快脉冲反射回第二高反射镜并输出得到高能量飞秒脉冲。

12、优选的，掺镱光纤振荡器输出的中心波长为1030nm的超快脉冲经一隔离器进入非线性放大系统。

13、优选的，所述压缩光纤光栅上设置有温控装置。

14、优选的，经非线性放大系统放大后的超快脉冲通过第一复合功能器件的g端传播到h端，然后进入啁啾脉冲放大系统；二次放大后的超快脉冲经第二复合功能器件以及声光调制器进入波分复用器；所述第一复合功能器件、第二复合功能器件以及第三复合功能器件均复合了隔离器件和耦合器件的功能。

15、优选的，超快脉冲进行第四次脉冲激光放大后的超快脉冲经分色镜进入压缩系统。

16、本发明的有益效果：

17、(1)脉冲能量大幅提升：本发明通过级联非线性放大器和啁啾脉冲放大器，实现了对种子脉冲光谱和时域脉冲的展宽再放大，最终输出脉冲能量可达到百微焦量级，显著提升了脉冲能量水平，满足了高能量脉冲激光在科研和工业应用中的需求。

18、(2)脉冲宽度显著压缩：本发明通过精心设计的线性压缩过程，将高能量脉冲压缩到百飞秒量级，输出脉冲宽度远低于种子振荡器直接输出的脉冲宽度。这一突破性的成果为需要超短脉冲的应用领域提供了强有力的技术支持。

19、(3)优化光谱特性与脉冲质量：本发明在非线性放大阶段，通过负色散光纤光栅和正色散单模光纤的配合使用，实现了对种子脉冲的色散管理，使得整形后的脉冲激光具有极宽的光谱带宽。此外，通过实时监测并调控光纤光栅补偿的色散量以及放大器的泵浦功率，确保了脉冲激光的高质量输出。

20、(4)增强系统稳定性与可靠性：本发明通过多级放大器的设计以及声光调制器的嵌入，实现了对脉冲激光能量的逐步提升，同时降低了脉冲的重复频率，从而提高了系统的稳定性和可靠性。

21、(5)拓宽应用领域与前景：本发明实现的高能量飞秒脉冲激光输出，在激光技术、材料加工、生物医学等众多领域具有广泛的应用前景。其高能量、超短脉冲的特性使得本发明在精密加工、高速通信、非线性光学研究等领域具有巨大的应用潜力。

22、本发明通过结合非线性放大技术和啁啾脉冲放大技术，实现了高能量飞秒脉冲激光输出，输出脉冲宽度远低于种子振荡器直接输出脉冲宽度，且脉冲能量可达到百微焦量级。