一种基于Mamyshev脉冲整形技术的重频可调1μm超快光纤激光器

一种基于mamyshev脉冲整形技术的重频可调1
μ
m超快光纤激光器
技术领域
1.本发明属于激光器领域。


背景技术：

2.spm：自相位调制。
3.gain switch：增益开关。
4.pulse picker：脉冲选择器。
5.eom：电光调制器。
6.aom：声光调制器。
7.ase：放大的自发辐射。
8.凭借峰值高，脉冲宽度窄、结构紧凑、维护方便等优势，超快光纤激光器在激光加工、生物医疗、科学研究等领域具有广泛的应用前景，一直以来都是人们的研究热点。然而，不同的应用场景所需激光器的重频各不相同。为了降低更换激光器所带来的成本，提高生产、科研效率，众多科研工作者都致力于开发重频大范围可调的超快光纤激光器。
9.超快光纤激光器主要由激光种子源、光纤放大器、脉冲压缩器三部分组成。作为主流的激光种子源，被动锁模光纤激光器虽然可以实现飞秒量级的脉冲输出，但很难做到重频灵活调节。若使用基于gain switch技术的半导体激光器作为激光种子源，虽然能实现重频的灵活调节，但是其产生的脉冲无法达到飞秒量级，难以满足广泛的应用需求。
10.目前暂无公开的以gain switch半导体激光器作为激光种子源，利用mamyshev脉冲整形技术实现的重频可调超快光纤激光器的装置和方案。
11.传统的超快光纤激光器需要依靠pulse picker、eom、aom等器件才能实现重频调节。然而，将上述器件加入激光器后，除了会影响激光器的工作稳定性外，其所能实现的重频调节范围也十分有限，远远无法达到灵活调节的水平。
12.此外，现有技术中也存在使用gain switch半导体激光器作为种子源，辅以多级光纤放大器，实现重频可调超快光纤激光器的方案。但是，由于gain switch半导体激光器输出的脉冲压缩性较差，采用此方案产生的脉冲最窄在十几皮秒量级，难以满足飞秒量级的应用需求。
13.依靠pulse picker、eom、aom等器件实现的重频可调超快光纤激光器存在如下缺点：
14.1)在超快光纤激光器内部接入pulse picker、aom、eom等额外器件，会导致激光器的工作稳定性降低；
15.2)利用pulse picker、aom、eom斩波仅能实现激光器的重频成比例降低，调节范围和灵活性存在极大限制。
16.使用gain switch半导体激光器与多级光纤放大器实现的重频可调超快激光器存在如下缺点：
17.1)gain switch半导体激光器输出的脉冲最窄为十几皮秒，且压缩性较差，难以满足飞秒量级的应用需求。


技术实现要素：

18.本发明申请主要解决如下问题：
19.1)解决重频可调超快光纤激光器重频调节范围有限的问题。选用重频可调的gain switch半导体激光器作为激光种子源，为超快光纤激光器的重频调节提供了广泛空间。
20.2)解决重频可调超快光纤激光器稳定性差的问题。充分利用spm感应光谱展宽对脉冲重频无直接关联的特点，利用mamyshev脉冲整形技术将不同重频的脉冲光谱整形为同一形状，进而保证了不同重频下激光器的运行稳定性。
21.3)解决gain switch半导体激光器输出脉冲无法压缩至飞秒量级的问题。利用mamyshev脉冲整形技术对激光脉冲相干性的优化作用，使用spm感应光谱展宽与偏置滤波获得gain switch半导体激光器输出脉冲中的高相干成分，从根本上克服了脉冲难以压缩的问题。继而使用光纤放大器与无源光纤的组合控制脉冲光谱、时域形状变化，进一步提高脉冲的可压缩性，使其脉冲宽度可压缩至飞秒量级。
22.本发明所述基于mamyshev脉冲整形技术的重频可调1μm超快光纤激光器装置如下图1所示。该装置共包括种子源、第一级预放大器、第一级主放大器、第一级展宽器、偏置滤波器、第二级预放大器、第二级展宽器、第二级主放大器、第三级展宽器、脉冲压缩器共10个部分。
23.装置中使用到的具体器件将在下面详细说明。
24.图中，101是gain switch半导体激光器，可选用窄光谱、脉冲宽度约60皮秒的gain switch半导体激光器，作用是产生作为种子的微瓦量级1μm激光脉冲。
25.图中，201是第一激光二极管，可选用中心波长为915nm或976nm的半导体激光二极管，其尾纤与光纤可通过光纤熔接机进行熔接。第一激光二级管的作用是提供能量，对第一单模掺镱光纤进行泵浦。
26.图中，301是第一波分复用器。其泵浦输入端光纤与第一激光二极管输出端光纤熔接。其信号输入端光纤与gain switch半导体激光器输出端光纤熔接。其输出端光纤与第一单模掺镱光纤熔接。第一波分复用器的作用是将第一激光二极管与gain switch半导体激光器输出的光导入第一单模掺镱光纤中。
27.图中，401是第一单模掺镱光纤，可选用单包层掺镱光纤，作用是吸收泵浦光，产生激光增益，放大1μm激光脉冲。
28.图中，501是光纤滤波器，其滤波中心波长与gain switch半导体激光器一致，滤波带宽为2nm。其输入端光纤与第一单模掺镱光纤熔接。其输出端光纤与第一光纤隔离器输入端光纤熔接。光纤滤波器的作用是滤出放大后的1μm激光，滤除放大过程中产生的ase。
29.图中，601是第一光纤隔离器。其输入端光纤与光纤滤波器输出端光纤熔接。其输出端光纤与第一泵浦合束器信号输入端光纤熔接。第一光纤隔离器的作用是防止反向光损坏前级器件。
30.图中，202是第二激光二极管，可选用中心波长为915nm或976nm的半导体激光二极管，其输出端光纤可通过光纤熔接机进行熔接。第二激光二级管的作用是提供能量，对第一
大模场掺镱光纤进行泵浦。
31.图中，701是第一泵浦合束器，可选用(2+1)
×
1泵浦合束器。其泵浦输入端光纤与第二激光二极管输出端光纤熔接。其信号输入端光纤与第二光纤隔离器输出端光纤熔接。其输出端光纤与第一大模场掺镱光纤熔接。泵浦合束器的作用是将第二激光二极管与第一光纤隔离器输出的光导入第一大模场掺镱光纤中。
32.图中，801是第一大模场掺镱光纤，可选用双包层掺镱光纤，作用是吸收泵浦光，产生激光增益，放大1μm激光脉冲。
33.图中，602是第二光纤隔离器，其输入端光纤与第一大模场掺镱光纤熔接。其输出端光纤与第一无源光纤熔接。第二光纤隔离器的作用是防止反向光损坏前级器件。
34.图中，901是第一无源光纤，可选用小色散量的高非线性光纤，作用是引发spm效应，展宽1μm激光脉冲光谱。
35.图中，1001是偏置滤波器，可选用可调谐滤波器或光纤布拉格光栅，其滤波中心波长与gain switch半导体激光器相差1～2nm，滤波带宽小于0.5nm。其输入端光纤与第一无源光纤熔接。其输出端光纤与第二波峰复用器信号输入端光纤熔接。偏置滤波器的作用是滤出光谱展宽所产生的新光谱成分。
36.图中，203是第三激光二极管，可选用中心波长为915nm或976nm的半导体激光二极管，其尾纤与光纤可通过光纤熔接机进行熔接。第三激光二级管的作用是提供能量，对第二单模掺镱光纤进行泵浦。
37.图中，302是第二波分复用器。其泵浦输入端光纤与第三激光二极管输出端光纤熔接。其信号输入端光纤与偏置滤波器输出端光纤熔接。其输出端光纤与第二单模掺镱光纤熔接。第二波分复用器的作用是将第三激光二极管与偏置滤波器输出的光导入第二单模掺镱光纤中。
38.图中，402是第二单模掺镱光纤，可选用单包层掺镱光纤，作用是吸收泵浦光，产生激光增益，放大1μm激光脉冲。
39.图中，603是第三光纤隔离器，其输入端光纤与第二单模掺镱光纤熔接。其输出端光纤与第二无源光纤熔接。第三光纤隔离器的作用是防止反向光损坏前级器件。
40.图中，902是第二无源光纤，可选用小色散量的高非线性光纤，作用是引发spm效应，展宽1μm激光脉冲光谱。
41.图中，204是第四激光二极管，可选用中心波长为915nm或976nm的半导体激光二极管，其尾纤与光纤可通过光纤熔接机进行熔接。第四激光二级管的作用是提供能量，对第二大模场掺镱光纤进行泵浦。
42.图中，702是第二泵浦合束器，可选用(2+1)
×
1泵浦合束器。其泵浦输入端光纤与第四激光二极管输出端光纤熔接。其信号输入端光纤与第二无源光纤熔接。其输出端光纤与第二大模场掺镱光纤熔接。泵浦合束器的作用是将第四激光二极管与第二无源光纤输出的光导入第二大模场掺镱光纤中。
43.图中，802是第二大模场掺镱光纤，可选用双包层掺镱光纤，作用是吸收泵浦光，产生激光增益，放大1μm激光脉冲。
44.图中，604是第四光纤隔离器，其输入端光纤与第二大模场掺镱光纤熔接。其输出端光纤与第三无源光纤熔接。第四光纤隔离器的作用是防止反向光损坏前级器件。
45.图中，903是第三无源光纤，可选用小色散量的高非线性光纤，作用是引发spm效应，展宽1μm激光脉冲光谱。
46.图中，1101是脉冲压缩器，可使用衍射光栅对或棱镜对。脉冲压缩器的作用是补偿脉冲内色散，压缩1μm激光脉冲宽度。
47.根据上述说明，接下来对图中虚线框各部分的组成及其作用进行概述。
48.种子源包含gain switch半导体激光器(101)。其作用是产生作为种子的微瓦量级1μm激光脉冲。
49.第一级预放大器包含第一激光二极管(201)、第一波分复用器(301)、第一单模掺镱光纤(401)、光纤滤波器(501)、第一光纤隔离器(601)。其作用是将1μm激光脉冲的功率放大至毫瓦量级。
50.第一级主放大器包含第二激光二极管(202)、第一泵浦合束器(701)、第一大模场掺镱光纤(801)、第二光纤隔离器(602)。其作用是将1μm激光脉冲的功率放大至瓦量级。
51.第一级展宽器包含第一无源光纤(901)。其作用是引发spm，展宽1μm激光脉冲的光谱，使其光谱边缘通过偏置滤波器(1001)。
52.偏置滤波器(1001)的作用是滤出1μm激光脉冲经历光谱展宽后产生的新光谱成分。
53.第二级预放大器包含第三激光二极管(203)、第二波分复用器(302)、第二单模掺镱光纤(402)、第三光纤隔离器(603)。其作用是将经历偏置滤波后的1μm激光脉冲的功率重新放大至毫瓦量级。
54.第二级展宽器包含第二无源光纤(902)。其作用是引发spm，对偏置滤波后的1μm激光脉冲光谱进行预展宽。
55.第二级主放大器包含第四激光二极管(204)、第二泵浦合束器(702)、第二大模场掺镱光纤(802)、第四光纤隔离器(604)。其作用是继续提升1μm激光脉冲的功率至瓦量级。
56.第三级展宽器包含第三无源光纤(903)。其作用是引发spm，大幅展宽1μm激光脉冲光谱。
57.脉冲压缩器(1101)的作用是提供色散补偿，将1μm激光脉冲的脉冲宽度压缩至飞秒量级。
58.本发明所设计的重频可调1μm超快光纤激光器可在极大范围内调节激光器运行重频，可降低工业生产、科学研究中替换不同重频激光器带来的时间、经济成本。
59.本发明所设计的重频可调1μm超快光纤激光器可通过控制spm感应光谱展宽量并微调脉冲压缩器的方法，实现输出脉冲宽度在一定范围内持续调节，可拓展固定频率超快激光器的泛用性。
附图说明
60.图1基于mamyshev脉冲整形技术的重频可调1μm超快光纤激光器装置示意图
具体实施方式
61.(1)装置中采用gain switch半导体激光器(101)作为种子源，产生脉冲宽度为皮秒量级、功率达微瓦量级的1μm激光脉冲。与重频相对固定的被动锁模光纤激光器相比，
gain switch半导体激光器可根据具体需求快速调整重频，提高了系统的整体灵活性。
62.(2)激光器中使用到的mamyshev脉冲整形技术主要体现在第一级预放大器、第一级主放大器、第一级展宽器、偏置滤波器这4个部分。由gain switch半导体激光器(101)产生的1μm激光脉冲经过两级放大器提升功率后，在第一级展宽器的第一无源光纤(901)中引发spm，进而导致脉冲光谱快速展宽。在此过程中，脉冲内强度较高、相干性较强的成分展宽量较大，更容易通过偏置滤波器(1001)。因而，经过偏置滤波器(1001)的滤波作用后，所获整形脉冲的相干性较种子源将发生大幅提升，其内部可压缩的线性啁啾占比也显著提高。上述利用spm感应光谱展宽与偏置滤波对脉冲进行整形的装置也被称为mamyshev再生器，是利用mamyshev脉冲整形技术进行脉冲处理的经典案例。由于spm感应光谱展宽的强度与脉冲重频无直接关联，因此在调节gain switch半导体激光器(101)的重频后，可通过改变第一激光二极管(201)、第二激光二极管(202)的输出功率，使得通过偏置滤波器(1001)的脉冲光谱一致，即能实现不同重频的1μm激光脉冲通过mamyshev脉冲整形达到一致的整形效果，进而达到激光器在不同重频下稳定工作的目标。
63.(3)经过mamyshev脉冲整形处理后的1μm激光脉冲功率显著下降，且脉冲宽度仍处于皮秒量级。因而，需要在提升1μm激光脉冲功率的同时，进一步展宽光谱，使得脉冲可通过脉冲压缩器(1101)压缩至飞秒量级。用于实现这一步骤的装置为第二级预放大器、第二级展宽器、第二级主放大器、第三级展宽器这4个部分。由偏置滤波器(1001)输出的1μm激光脉冲将通过第二级预放大器、第二级展宽器进行光谱预展宽，再通过第二级主放大器、第三级展宽器实现光谱大范围展宽。根据1μm激光脉冲光谱宽度与脉冲宽度，调节脉冲压缩器(1101)进行色散补偿，即可获得飞秒量级的1μm激光脉冲。在此过程中，通过控制第三激光二极管(203)、第四激光二极管(204)的输出功率，可对spm感应光谱展宽量进行调整，进而改变脉冲压缩器(1101)输出的脉冲宽度，实现脉冲宽度的实时调节。

技术特征：
1.一种基于mamyshev脉冲整形技术的重频可调1μm超快光纤激光器，其特征在于：包括种子源、第一级预放大器、第一级主放大器、第一级展宽器、偏置滤波器、第二级预放大器、第二级展宽器、第二级主放大器、第三级展宽器、脉冲压缩器共10个部分；种子源包含gain switch半导体激光器(101)；其作用是产生作为种子的微瓦量级1μm激光脉冲；第一级预放大器包含第一激光二极管(201)、第一波分复用器(301)、第一单模掺镱光纤(401)、光纤滤波器(501)、第一光纤隔离器(601)；其作用是将1μm激光脉冲的功率放大至毫瓦量级；第一级主放大器包含第二激光二极管(202)、第一泵浦合束器(701)、第一大模场掺镱光纤(801)、第二光纤隔离器(602)；其作用是将1μm激光脉冲的功率放大至瓦量级；第一级展宽器包含第一无源光纤(901)；其作用是引发spm，展宽1μm激光脉冲的光谱，使其光谱边缘通过偏置滤波器(1001)；偏置滤波器(1001)的作用是滤出1μm激光脉冲经历光谱展宽后产生的新光谱成分；第二级预放大器包含第三激光二极管(203)、第二波分复用器(302)、第二单模掺镱光纤(402)、第三光纤隔离器(603)；其作用是将经历偏置滤波后的1μm激光脉冲的功率重新放大至毫瓦量级；第二级展宽器包含第二无源光纤(902)；其作用是引发spm，对偏置滤波后的1μm激光脉冲光谱进行预展宽；第二级主放大器包含第四激光二极管(204)、第二泵浦合束器(702)、第二大模场掺镱光纤(802)、第四光纤隔离器(604)，提升1μm激光脉冲的功率至瓦量级；第三级展宽器包含第三无源光纤(903)，引发spm，展宽1μm激光脉冲光谱；脉冲压缩器(1101)将1μm激光脉冲的脉冲宽度压缩至飞秒量级。2.根据权利要求1所述的一种基于mamyshev脉冲整形技术的重频可调1μm超快光纤激光器，其特征在于：gain switch半导体激光器，选用窄光谱、脉冲宽度60皮秒的gain switch半导体激光器。3.根据权利要求1所述的一种基于mamyshev脉冲整形技术的重频可调1μm超快光纤激光器，其特征在于：第一激光二极管，选用中心波长为915nm或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；对第一单模掺镱光纤进行泵浦。4.根据权利要求1所述的一种基于mamyshev脉冲整形技术的重频可调1μm超快光纤激光器，其特征在于：第一波分复用器；其泵浦输入端光纤与第一激光二极管输出端光纤熔接；其信号输入端光纤与gain switch半导体激光器输出端光纤熔接；其输出端光纤与第一单模掺镱光纤熔接；第一波分复用器的作用是将第一激光二极管与gain switch半导体激光器输出的光导入第一单模掺镱光纤中。5.根据权利要求1所述的一种基于mamyshev脉冲整形技术的重频可调1μm超快光纤激光器，其特征在于：第一单模掺镱光纤，选用单包层掺镱光纤，吸收泵浦光，产生激光增益，放大1μm激光脉
冲。6.根据权利要求1所述的一种基于mamyshev脉冲整形技术的重频可调1μm超快光纤激光器，其特征在于：光纤滤波器，其滤波中心波长与gain switch半导体激光器一致，滤波带宽为2nm；其输入端光纤与第一单模掺镱光纤熔接；其输出端光纤与第一光纤隔离器输入端光纤熔接。7.根据权利要求1所述的一种基于mamyshev脉冲整形技术的重频可调1μm超快光纤激光器，其特征在于：第一光纤隔离器；其输入端光纤与光纤滤波器输出端光纤熔接；其输出端光纤与第一泵浦合束器信号输入端光纤熔接；第一光纤隔离器的作用是防止反向光损坏前级器件。8.根据权利要求1所述的一种基于mamyshev脉冲整形技术的重频可调1μm超快光纤激光器，其特征在于：第二激光二极管，选用中心波长为915nm或976nm的半导体激光二极管，其输出端光纤可通过光纤熔接机进行熔接；第二激光二级管的作用是提供能量，对第一大模场掺镱光纤进行泵浦。9.根据权利要求1所述的一种基于mamyshev脉冲整形技术的重频可调1μm超快光纤激光器，其特征在于：第一泵浦合束器，可选用(2+1)
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1泵浦合束器；其泵浦输入端光纤与第二激光二极管输出端光纤熔接；其信号输入端光纤与第二光纤隔离器输出端光纤熔接；其输出端光纤与第一大模场掺镱光纤熔接；泵浦合束器的作用是将第二激光二极管与第一光纤隔离器输出的光导入第一大模场掺镱光纤中。10.根据权利要求1所述的一种基于mamyshev脉冲整形技术的重频可调1μm超快光纤激光器，其特征在于：偏置滤波器，选用可调谐滤波器或光纤布拉格光栅，其滤波中心波长与gain switch半导体激光器相差1～2nm，滤波带宽小于0.5nm；其输入端光纤与第一无源光纤熔接；其输出端光纤与第二波峰复用器信号输入端光纤熔接；偏置滤波器的作用是滤出光谱展宽所产生的新光谱成分。

技术总结
本发明提供了一种基于Mamyshev脉冲整形技术的重频可调1μm超快光纤激光器。该装置共包括种子源、第一级预放大器、第一级主放大器、第一级展宽器、偏置滤波器、第二级预放大器、第二级展宽器、第二级主放大器、第三级展宽器、脉冲压缩器共10个部分。本发明可在极大范围内调节激光器运行重频，可降低工业生产、科学研究中替换不同重频激光器带来的时间、经济成本。本发明可通过控制SPM感应光谱展宽量并微调脉冲压缩器的方法，实现输出脉冲宽度在一定范围内持续调节，可拓展固定频率超快激光器的泛用性。性。性。


技术研发人员：侯玉斌 张奕 张倩 宋伟华 夏童 王璞
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：2023/7/19