一种基于全保偏光纤系统的高能量飞秒780nm激光器

1.本发明属于激光器领域。


背景技术：

2.cpa：啁啾脉冲放大器。
3.cfbg：啁啾布拉格光纤光栅
4.mgo：ppln晶体：掺杂mgo的周期极化铌酸锂晶体
5.1981年，caves教授首次提出“压缩态”的概念，并指出利用压缩态光场可以提高激光干涉引力波探测的灵敏度。在过去的四十年，压缩态光场不仅成功用于突破标准量子极限的引力波探测、位移测量、位相测量等量子精密测量领域，而且基于单模压缩态制备的双模压缩态和多组份纠缠态也在量子计算、量子通信等量子信息处理中扮演着重要的作用。利用飞秒或皮秒脉冲泵浦的参量下转换过程，是获得光场压缩态的重要方法之一。
6.作为光场压缩态的最重要组成部分，新型飞秒光源的研制，将会对整个系统的集成创新、核心技术突破起到非常重要的作用。当前，光场压缩态的泵浦源采用钛宝石飞秒激光器，与全光纤飞秒激光器相比，钛宝石激光系统还存在诸多不足：庞大的体积和重量，难以实现系统的小型化和集成化；自由空间的激光输出影响系统集成度以及应用的灵活性。
7.伴随着光纤激光技术的迅猛发展，目前运用被动锁模技术、啁啾脉冲放大(chirped pulse amplification，cpa)技术、倍频技术已经可以实现与钛宝石激光器相媲美的超短脉冲激光输出，且系统更加紧凑，集成度更高，激光输出稳定性也更好。从目前光场压缩态应用场景以及发展趋势来看，高能量飞秒掺铒光纤激光器及其倍频系统会逐渐替代钛宝石激光器应用于光场压缩态的产生。
8.目前暂无公开的使用全光纤结构的高能量780nm飞秒激光器作为光场压缩态泵浦源的装置和方案。一般而言，传统的光场压缩态泵浦源大多采用全固态激光器，这类激光器系统较为庞大，容易受到外部环境的干扰，且整机成本高昂。同时，此类激光器需使用复杂庞大的水冷系统以及大量的空间元器件，不利于系统的封装集成。
9.另外，目前现有的全光纤结构的780nm飞秒激光器，使用的放大器大多数都是由非保偏光纤制造，其结果是放大激光器的偏振对振动、运动和温度变化很敏感。因此，并不能保证这种780nm飞秒激光器的长期稳定性。利用全偏振保持(all-pm)光纤构建1560nm飞秒系统是提高偏振稳定性和稳定780nm飞秒激光输出的有效方法。到目前为止，只有少数已发表的论文报道了使用基于全保偏光纤系统的飞秒780nm激光器，但是单脉冲能量都在几十nj量级，难以满足目前应用的需求。
10.在采用全固态激光器作为光场压缩态的泵浦源时有着如下的缺点：
11.1)体积庞大、结构复杂、不利于光源的小型化、集成化。
12.2)需使用大量的空间元器件，容易受到外部环境的干扰，仍停留在实验室阶段，不满足特殊环境的应用需求。
13.3)全固态激光器在高功率运转时热效应显著，晶体内会出现热透镜效应等问题，
输出激光的光束质量会严重劣化，不利于非线性频率变换过程，导致转换效率低。


技术实现要素：

14.本发明解决如下问题：
15.1)解决传统全固态激光器体积庞大、结构复杂的问题。光纤具有良好的柔韧性，可将其盘绕在一个小体积的盘内，极大的减少空间体积，有利于小型化、集成化；同时，由于光纤有着极大的表面积/体积比，散热性能优异，因而无需庞大复杂的散热装置，有利于做到低成本、小体积；
16.2)固体激光器大量采用空间器件，其产生的光在空气中传输，极易受到外部环境的干扰。光纤激光器采用带尾纤输出的激光二极管作为泵浦源、采用掺杂光纤作为增益介质，产生的光在光纤内部传输，环境适应力强，且从光纤内输出的光有着优异的光束质量，有利于提高非线性晶体的转换效率。解决了传统固体激光器输出光束质量差，转换效率低的问题。
17.3)采用全光纤激光器能够实现结构紧凑、高稳定性及高效率的光源。
18.本发明所述基于全保偏光纤系统的高能量飞秒780nm激光器装置如图1所示。该装置包括两部分，第一个部分是啁啾脉冲放大系统，包括：种子源、时域展宽级、第一预防大级、降频级、第二预防大级、主放大级、压缩级。各级按顺序连接；第二部分是倍频系统。
19.图中，0101为第一激光二极管，可选用中心波长为976nm的单模半导体激光二极管，其尾纤可与光纤通过光纤熔接机进行熔接，而无需通过空间耦合的方式。第一激光二极管的作用是提供能量，输出的光对第一保偏光纤进行泵浦。
20.图中，0201是第一保偏波分复用器，信号端尾纤选取保偏光纤，泵浦端与第一激光二极管的尾纤相连接，输出端与掺杂光纤相连接，其作用是将第一激光二极管输出的光耦合进掺杂光纤。
21.图中，0301是第一保偏光纤，选用色散为正的保偏掺铒光纤，其作用一方面掺铒光纤可以提供增益，另一方面正色散的光纤可以补偿腔内负色散，形成色散管理锁模。
22.图中，0401是保偏光纤分束器，可选用1
×
2保偏光纤分束器，一端做为输出端，另一端重新返回到腔内。光纤尾纤均为保偏光纤。其作用是将能量输出到腔外，作为种子源。
23.图中，0501是第一保偏光纤环形器，输入光从环形器1口进入，2口输出。2口返回的光可以从3口输出。光纤尾纤均为保偏光纤。其作用可以起到光路单向导通的作用，同时可以配合一些反射式的器件使用，形成激光腔。
24.图中，0601是半导体可饱和吸收镜。半导体可饱和吸收镜可以封装在一个平头光纤跳线上，并至于法兰盘中，采用保偏平头光纤跳线与之连接。
25.图中，0701是第一保偏隔离器，光纤尾纤均为保偏光纤。加入保偏隔离器可以起到光路单向导通的作用，防止回光入射到前级光路中损伤器件。
26.图中，0302是第二保偏光纤，选用保偏色散补偿光纤，其作用一方面展宽时域脉冲宽度至皮秒量级，另一方面由于色散补偿光纤较小的模场导致非线性效应的产生，使得种子源光谱得到展宽。
27.图中，0702是第二保偏隔离器，光纤尾纤均为保偏光纤。加入保偏隔离器可以起到光路单向导通的作用，防止回光入射到前级光路中损伤器件。
28.图中，0502是第二保偏光纤环形器，输入光从环形器1口进入，2口输出。2口返回的光可以从3口输出。光纤尾纤均为保偏光纤。
29.图中，0801是啁啾布拉格光纤光栅，可选用全反射型或部分反射型光栅，布拉格光纤光栅可以提供正色散，将脉冲宽度进一步展宽至纳秒量级；
30.图中，0303是第三保偏光纤，选用保偏掺铒光纤，其作用是为信号光放大提供增益，提高信号光光功率至百毫瓦量级。
31.图中，0202是第二保偏波分复用器，信号端尾纤选取保偏光纤，泵浦端与第二激光二极管的尾纤相连接，输出端与掺杂光纤相连接，其作用是将第二激光二极管输出的光耦合进掺杂光纤。
32.图中，0102为第二激光二极管，可选用中心波长为976nm的单模半导体激光二极管，其尾纤可与光纤通过光纤熔接机进行熔接，而无需通过空间耦合的方式。第二激光二极管的作用是提供能量，输出的光对第三保偏光纤进行泵浦。
33.图中，0703是第三保偏隔离器，光纤尾纤均为保偏光纤。加入保偏隔离器可以起到光路单向导通的作用，防止回光入射到前级光路中损伤器件。
34.图中，0901是声光调制器，其作用是降低脉冲的重复频率至1mhz。
35.图中，0304是第四保偏光纤，选用保偏掺铒光纤，其作用是为信号光放大提供增益，提高信号光光功率至百毫瓦量级。
36.图中，0203是第三保偏波分复用器，信号端尾纤选取保偏光纤，泵浦端与第三激光二极管的尾纤相连接，输出端与掺杂光纤相连接，其作用是将第三激光二极管输出的光耦合进掺杂光纤。
37.图中，0103为第三激光二极管，可选用中心波长为976nm的单模半导体激光二极管，其尾纤可与光纤通过光纤熔接机进行熔接，而无需通过空间耦合的方式。第三激光二极管的作用是提供能量，输出的光对第四保偏光纤进行泵浦。
38.图中，0704是第四保偏隔离器，光纤尾纤均为保偏光纤。加入保偏隔离器可以起到光路单向导通的作用，防止回光入射到前级光路中损伤器件。
39.图中，1001是泵浦合束器，可选用(6+1)
×
1泵浦信号合束器，其输入端与激光二极管的尾纤相连接，输出端与掺杂光纤相连接，其作用是将多模激光二极管输出的光耦合进掺杂光纤。
40.图中，1101为多模激光二极管，可选用中心波长为976nm的半导体激光二极管其尾纤可与光纤通过光纤熔接机进行熔接，而无需通过空间耦合的方式。激光二极管的作用是提供能量，输出的光对掺杂光纤进行泵浦。
41.图中，0305是第五保偏光纤，选用保偏大模场铒镱共掺光纤。其作用是为信号光放大提供增益，提高信号光光功率，将单脉冲能量放大至μj量级。
42.图中，1201是第一聚焦透镜，聚焦透镜起到对输出信号光扩束并准直光纤输出的激光的作用。
43.图中，1301是第一二向色镜，二向色镜起到分离976nm泵浦光与1560nm信号光的作用。
44.图中，1401是第一二分之一波片，二分之一波片可以调节信号光的偏振态。
45.图中，1501是第一平面反射镜，1501平面反射镜的作用是将反射回来的光进行90
°
转向。
46.图中，1601是透射式光栅对。通过加入平面反射镜组成双通结构，脉冲往返通过光栅对共经历四次衍射，补偿引入的正色散。
47.图中，1502是第二平面反射镜，1502平面反射镜的作用是将透射式光栅透射出来的光再反射回去。
48.图中，1402是第二二分之一波片，二分之一波片可以调节信号光的偏振态。
49.图中，1202是第二聚焦透镜，可以将输出的激光进行聚焦，起到缩小进入非线性晶体的激光光斑的作用。
50.图中，1701是温控炉，作用是调节非线性晶体的温度，调节其工作温度可获得稳定高效的倍频结果。
51.图中，1801是非线性晶体，所述非线性晶体具体为：mgo：ppln晶体，利用该晶体的频率上转换作用，可以将低频的泵浦光转换为高频的信号光。
52.图中，1203是第三聚焦透镜，聚焦透镜起到扩束并准直输出倍频光的作用。
53.图中，1302是第二二向色镜，二向色镜起到分离信号光、倍频光与部分合频光的作用。
54.根据以上描述，接下来对图中虚线框各部分的组成及其作用进行概述。
55.首先对啁啾脉冲放大系统的各级进行概述。
56.种子源包括第一激光二极管(0101)、第一保偏波分复用器(0201)、第一保偏光纤(0301)、保偏光纤分束器(0401)、第一保偏光纤环形器(0501)、半导体可饱和吸收镜(0601)、第一保偏隔离器(0701)，其作用是产生作为种子的微瓦量级1560nm激光脉冲。
57.时域展宽级包括，第二保偏光纤(0302)、第二保偏隔离器(0702)、第二保偏光纤环形器(0502)、啁啾布拉格光纤光栅(0801)。其作用是将种子源输出的脉冲进行时域展宽，展宽至纳秒量级。
58.第一预防大级包括，第三保偏光纤(0303)、第二保偏波分复用器(0202)、第二激光二极管(0102)、第三保偏隔离器(0703)，其作用是将展宽级输出的信号光，提升至百毫瓦量级。
59.降频级包括，声光调制器(0901)，其作用是降低脉冲的重复频率至1mhz。
60.第二预防大级包括，第四保偏光纤(0304)、第三保偏波分复用器(0203)、第三激光二极管(0103)、第四保偏隔离器(0704)，其作用是将降频级输出的信号光，提升至百毫瓦量级。
61.主放大级包括，多模激光二极管(1101)、泵浦合束器(1001)、第五保偏光纤(0305)、第一聚焦透镜(1201)、第一二向色镜(1301)其作用是将第二预放大级输出的信号光单脉冲能量提升μj量级。
62.压缩级包括，第一二分之一波片(1401)、第一平面反射镜(1501)、透射式光栅对(1601)、第二平面反射镜(1502)，其作用是通过色散补偿将脉冲压缩至fs量级。
63.最后，对倍频系统进行概述。
64.倍频系统包括，第二二分之一波片(1402)、第二聚焦透镜(1202)、温控炉(1701)、非线性晶体(1801)、第三聚焦透镜(1203)、第二二向色镜(1302)，其作用是将啁啾脉冲放大系统输出的高能量飞秒1560nm信号光倍频至780nm波段。
65.本发明所设计的基于全保偏光纤系统的高能量飞秒780nm激光器无需复杂庞大的水冷系统、在整机成本及运行成本上相较于目前主流的固体激光器有着极大的优势。
66.本发明所设计的基于全保偏光纤系统的高能量飞秒780nm激光器结构简单，且全光纤化的泵浦源设计易于集成，因此，易于实现结构紧凑、成本低廉的小型化集成化高能量飞秒780nm光纤激光器。
67.本发明所设计的基于全保偏光纤系统的高能量飞秒780nm激光器可实现最大单脉冲能量为uj量级的mhz脉冲输出，可以满足不同应用的需求。
附图说明
68.图1啁啾脉冲放大系统装置连接示意图
69.图2倍频系统装置连接示意图
具体实施方式
70.本发明所述的基于全保偏光纤系统的高能量飞秒780nm激光器装置由啁啾脉冲放大系统和倍频系统等部分组成，其中啁啾脉冲放大系统包括种子源、时域展宽级、第一预防大级、降频级、第二预防大级、主放大、压缩级。种子源被用于高质量的飞秒激光脉冲输出，输出信号光脉冲进入展宽级别后时域被展宽，随后经过预放大、降频、预防大、主放大等提升单脉冲能量后，通过压缩级补偿色散后，重新达到飞秒量级。随后，高能量的飞秒脉冲进入到倍频系统中，获得高能量飞秒780nm激光输出。
71.总体技术原理及技术方案实现过程如下：
72.(1)装置中采用锁模激光器的作为啁啾脉冲放大系统的种子源，所应用的种子源采用全光纤化的结构设计，基于被动锁模原理，可输出高光束质量的飞秒脉冲激光。被动锁模是指在自由振荡激光器谐振腔中插入可饱和吸收器，通过其非线性吸收特性调节腔内的损耗，当满足锁模条件时,便可获得一系列的锁模脉冲。实体饱和吸收器装置的恢复时间长，使饱和吸收器在连续波运行的初始阶段容易饱和为长脉冲，并易于自启动，提高了光纤激光器的稳定性。因而本发明所设计的光纤激光器采用半导体可饱和吸收镜(0601)作为可饱和吸收体，能够实现真正意义上的全光纤化结构，避免空间元器件的使用，减小谐振腔的损耗，易于集成，且成本低廉。
73.(2)本发明所设计的光纤激光器基于啁啾脉冲放大原理，分别由种子源、时域展宽级、第一预防大级、降频级、第二预防大级、主放大、压缩级构成。在啁啾脉冲放大系统中，需要对光纤振荡器输出的超短脉冲进一步展宽，以此降低放大过程中的脉冲峰值功率，从而避免非线性效应的产生。由种子源输出的光进过展宽级中的第二保偏光纤(0302)，由于展宽光纤本身模场面积较小，导致其非线性参量较高，因此脉冲在经过展宽光纤之后，不仅时域上被展宽，光谱上也由于非线性效应进一步展宽。随后，进入展宽级中的啁啾布拉格光纤光栅(0801)时，获得更大的展宽量。由于脉冲在经过展宽级后损耗了大部分能量，这里采用第一预防大级反向放大信号光，使得信号光光功率提升。放大后的信号光通过声光调制器(0901)将重复频率降低。在基于光纤的功率放大中，降低重复频率会提高脉冲峰值功率。当由于重复率下降而导致的平均功率损失得到有效补偿时，这种提高单脉冲能量效果最优。经过声光调制器(0901)后信号光功率出现明显衰减，因此还需要通过加入第二预放大级对
降频后的信号光继续进行放大。在获得足够的信号光后，脉冲进入主放大级中进一步实现单脉冲能量的提升。主放大采用第五保偏光纤(0305)进行放大，较短的增益光纤可以避免在主放大过程中积累过多的非线性效应。主放大输出的脉冲在经过第一聚焦镜(1201)准直聚焦以及第一二向色镜(1301)滤除残余泵浦光后，通过二分之一波片(1401)进入压缩级。脉冲经过压缩光栅(1601)，色散被完全补偿，可获得百飞秒的脉冲输出。
74.(3)倍频装置的核心器件为非线性晶体(1801)，倍频过程是将频率较低的信号光波通过二阶非线性光学相互作用，转换成波长较短的倍频光。通常，非线性晶体经中心波长为1560nm波段的信号光泵浦后，可将其通过非线性频率变换过程转换为780nm波段的倍频光输出。其具体工作过程为：首先，被扩束并输出的准直光，会经过第二二分之一波片(1402)，将入射光的偏振态调整为沿着晶体厚度方向的线偏振态。入射光会经过第二聚焦透镜(1202)进行聚焦，焦点位置位于非线性晶体内(1801)。非线性晶体(1801)放置在温控炉(1701)的凹槽内，温控炉(1701)固定放置在三维调整架上，通过调节三维调整架来调节非线性晶体所处的位置，从而使其处于一个合适的位置，有利于提高信号光的转换效率；通过设置温控炉来调节晶体的温度，从而获得高转换效率的倍频光输出，经过第三聚焦透镜(1203)扩束并准直。最后，通过第二二向色镜(1302)剥离信号光后输出高能量飞秒780nm倍频激光。

技术特征：
1.一种基于全保偏光纤系统的高能量飞秒780nm激光器，其特征在于：包括两部分，第一个部分是啁啾脉冲放大系统，包括：种子源、时域展宽级、第一预防大级、降频级、第二预防大级、主放大级、压缩级，各级按顺序连接；第二部分是倍频系统；种子源包括第一激光二极管(0101)、第一保偏波分复用器(0201)、第一保偏光纤(0301)、保偏光纤分束器(0401)、第一保偏光纤环形器(0501)、半导体可饱和吸收镜(0601)、第一保偏隔离器(0701)，其作用是产生作为种子的微瓦量级1560nm激光脉冲；时域展宽级包括，第二保偏光纤(0302)、第二保偏隔离器(0702)、第二保偏光纤环形器(0502)、啁啾布拉格光纤光栅(0801)；其作用是将种子源输出的脉冲进行时域展宽，展宽至纳秒量级；第一预防大级包括，第三保偏光纤(0303)、第二保偏波分复用器(0202)、第二激光二极管(0102)、第三保偏隔离器(0703)，其作用是将展宽级输出的信号光，提升至百毫瓦量级；降频级包括，声光调制器(0901)，其作用是降低脉冲的重复频率至1mhz；第二预防大级包括，第四保偏光纤(0304)、第三保偏波分复用器(0203)、第三激光二极管(0103)、第四保偏隔离器(0704)，其作用是将降频级输出的信号光，提升至百毫瓦量级；主放大级包括，多模激光二极管(1101)、泵浦合束器(1001)、第五保偏光纤(0305)、第一聚焦透镜(1201)、第一二向色镜(1301)其作用是将第二预放大级输出的信号光单脉冲能量提升μj量级；压缩级包括，第一二分之一波片(1401)、第一平面反射镜(1501)、透射式光栅对(1601)、第二平面反射镜(1502)，其作用是通过色散补偿将脉冲压缩至fs量级；倍频系统包括，第二二分之一波片(1402)、第二聚焦透镜(1202)、温控炉(1701)、非线性晶体(1801)、第三聚焦透镜(1203)、第二二向色镜(1302)，其作用是将啁啾脉冲放大系统输出的高能量飞秒1560nm信号光倍频至780nm波段。2.根据权利要求1所述的一种基于全保偏光纤系统的高能量飞秒780nm激光器，其特征在于：第一激光二极管，可选用中心波长为976nm的单模半导体激光二极管，其尾纤与光纤通过光纤熔接机进行熔接，输出的光对第一保偏光纤进行泵浦。3.根据权利要求1所述的一种基于全保偏光纤系统的高能量飞秒780nm激光器，其特征在于：第一保偏波分复用器，信号端尾纤选取保偏光纤，泵浦端与第一激光二极管的尾纤相连接，输出端与掺杂光纤相连接，将第一激光二极管输出的光耦合进掺杂光纤。4.根据权利要求1所述的一种基于全保偏光纤系统的高能量飞秒780nm激光器，其特征在于：第一保偏光纤，选用色散为正的保偏掺铒光纤。5.根据权利要求1所述的一种基于全保偏光纤系统的高能量飞秒780nm激光器，其特征在于：保偏光纤分束器，选用1
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2保偏光纤分束器，一端做为输出端，另一端重新返回到腔内；光纤尾纤均为保偏光纤；将能量输出到腔外，作为种子源。6.根据权利要求1所述的一种基于全保偏光纤系统的高能量飞秒780nm激光器，其特征在于：第二激光二极管，选用中心波长为976nm的单模半导体激光二极管，其尾纤与光纤通过光纤熔接机进行熔接，输出的光对第三保偏光纤进行泵浦。7.根据权利要求1所述的一种基于全保偏光纤系统的高能量飞秒780nm激光器，其特征在于：声光调制器，降低脉冲的重复频率至1mhz。8.根据权利要求1所述的一种基于全保偏光纤系统的高能量飞秒780nm激光器，其特征
在于：泵浦合束器，选用(6+1)
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1泵浦信号合束器，其输入端与激光二极管的尾纤相连接，输出端与掺杂光纤相连接，其作用是将多模激光二极管输出的光耦合进掺杂光纤。9.根据权利要求1所述的一种基于全保偏光纤系统的高能量飞秒780nm激光器，其特征在于：多模激光二极管，选用中心波长为976nm的半导体激光二极管其尾纤与光纤通过光纤熔接机进行熔接，输出的光对掺杂光纤进行泵浦；第五保偏光纤，选用保偏大模场铒镱共掺光纤；为信号光放大提供增益，将单脉冲能量放大至μj量级。10.根据权利要求1所述的一种基于全保偏光纤系统的高能量飞秒780nm激光器，其特征在于：第一二向色镜，分离976nm泵浦光与1560nm信号光。

技术总结
本发明提供了一种基于全保偏光纤系统的高能量飞秒780nm激光器。该装置包括两部分，第一个部分是啁啾脉冲放大系统，包括：种子源、时域展宽级、第一预防大级、降频级、第二预防大级、主放大级、压缩级。各级按顺序连接；第二部分是倍频系统。光纤激光器采用带尾纤输出的激光二极管作为泵浦源、采用掺杂光纤作为增益介质，产生的光在光纤内部传输，环境适应力强，且从光纤内输出的光有着优异的光束质量，有利于提高非线性晶体的转换效率。解决了传统固体激光器输出光束质量差，转换效率低的问题。转换效率低的问题。转换效率低的问题。


技术研发人员：王璞 司广阔 侯玉斌 张倩 宋伟华
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2023.03.02
技术公布日：2023/7/12