一种基于大模场光纤的全光纤飞秒种子激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光技术领域，具体是一种基于大模场光纤的全光纤飞秒种子激光器。

背景技术

飞秒脉冲激光器在材料加工、生物医疗、科研和国防等领域具有广泛的应用。目前，主流大能量/高功率飞秒激光器仍主要采用啁啾脉冲放大(CPA)结构，即激光振荡器通过锁模原理产生的低能量、高重频超短种子激光脉冲，经过脉冲拉伸器将脉冲宽度拉伸至数百皮秒或更长，再经过脉冲选择器将重复频率降低，在这一过程中由于相关器件插入损耗和损伤阈值限制一般需要多级预放大器；然后再送至单级或多级主放大器进行大能量/高功率放大；最后经脉冲压缩器将脉冲宽度压缩至飞秒量级。根据工作物质形态，超快激光器一般涉及固体激光技术和光纤激光技术。相对固体激光器，光纤激光器虽然具有体积小，重量轻，易维护，散热面积大等优势，是近年飞秒激光技术的重点发展方向。随着相关技术的逐步成熟，飞秒种子振荡器、光纤型脉冲拉伸器、脉冲选择器和多级预放大器由于承载能量/功率比较小，对散热要求不高，可以使用芯径较小的柔性光纤，因此可以做成一个独立封装的模块，这有利于缩小飞秒激光器产品体积，便于飞秒激光器的规模化生成及使用过程中的维护，在本发明中这部分被定义为飞秒种子激光器。

现有主流飞秒种子激光器技术方案有如下不足之处：1.振荡器光纤一般使用芯径为6μm的单模单包层光纤，由于非线性效应的限制，振荡器输出的脉冲能量很小，因此紧邻振荡器之后就需要使用一级预放大器；2.振荡器和前级预放大器的泵浦源一般使用低功率单模输出半导体激光器，这种泵浦激光器属于高值易损耗器件，因为泵浦光和激光共同在单模纤芯中传播，信号光回光极易损坏单模半导体激光器；3.由于单模半导体激光器最大可注入功率低，在脉冲拉伸和脉冲选择过程中共需要三到四级独立光纤预放大器，这就意味着需要三到四个半导体泵浦激光器及相应驱动电源和控制回路，这无疑增加了系统成本、体积和复杂性，也降低了工作可靠性。

虽然已有技术方案采用双包层大模场面积光子晶体光纤作为飞秒激光振荡器的增益介质从而提高振荡器的输出脉冲能量，如发明专利CN 100437323C，但这种方案的局限性也很明显：1.不是全光纤结构，空间光路的使用增大了体积，降低了抗环境干扰能力，这就失去了光纤激光器的重大优势；2.光子晶体光纤目前仍非常昂贵。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于大模场光纤的全光纤飞秒种子激光器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于大模场光纤的全光纤飞秒种子激光器，包括共用一个多模半导体激光器泵浦的大模场光纤飞秒振荡器和双级大模场光纤预放大器，以及大模场光纤脉冲展宽器、大模场光纤脉冲选择器；

大模场光纤飞秒振荡器包括多模半导体泵浦源、多模泵浦保护器、第一多模泵浦分束器、双包层大模场啁啾光纤光栅、第一双包层大模场增益光纤、大模场光纤耦合器、半导体可饱和吸收反射镜和光电探测器。

多模泵浦保护器的输入端口与多模半导体泵浦源连接，用于保护多模半导体泵浦源；

第一多模泵浦分束器的输入端口与多模泵浦保护器的输出端口相连，第一多模泵浦分束器的两个输出端口中的一个与第二多模泵浦分束器的输入端口相连，用于泵浦双级大模场光纤预放大器，另一个输出端口与双包层大模场啁啾光纤光栅的一端相连，用于泵浦大模场光纤飞秒激光振荡器；

双包层大模场啁啾光纤光栅和半导体可饱和吸收反射镜组成光纤振荡器谐振腔，第一双包层大模场增益光纤的一端与啁啾光纤光栅的一端连接，作为谐振腔中的工作物质，谐振腔内耦合器共有四个端口，其中三个端口分别与半导体可饱和吸收反射镜、光电探测器、第一双包层大模场增益光纤相连，第四端口输出光纤振荡器谐振腔产生的飞秒种子脉冲，光纤振荡器谐振腔产生的飞秒种子脉冲与第一大模场光纤隔离器对应；

双级大模场光纤预放大器包括第一大模场光纤预放大器和第二大模场光纤预放大器，第一大模场光纤预放大器包括第一信号泵浦合束器、第二双包层大模场增益光纤和第一泵浦剥除器，第一信号泵浦合束器信号输入端口与大模场光纤环形器输出端口相连，第一信号泵浦合束器泵浦输入端与第二多模泵浦分束器的一个输出端口相连，第一信号泵浦合束器信号输出端口与第二双包层大模场增益光纤的一个端口相连；

第一泵浦剥除器与第二双包层大模场增益光纤的另一个端口相连，用于剥除未被第二双包层大模场增益光纤吸收的剩余泵浦光；

第一大模场光纤预放大器输出端口与第二大模场光纤隔离器输入端口相连，第二大模场光纤预放大器包括第二信号泵浦合束器和第三双包层大模场增益光纤；

第二信号泵浦合束器信号输入端口与大模场光纤脉冲选择器输出端口相连，泵浦输入端口与多模第二泵浦分束器的另一个输出端口相连，信号输出端口与第三双包层大模场增益光纤的一端相连。

优选的，所述双极大模场光纤预放大器最少设有两个，双极大模场光纤预放大器与大模场光纤飞秒振荡器共用一个半导体泵浦激光器。

优选的，所述第三双包层大模场增益光纤的另一端与第二泵浦剥除器相连，用于剥除未被第三双包层大模场增益光纤吸收的剩余泵浦光。

优选的，所述第二泵浦剥除器的另一端与第三大模场光纤隔离器输入端口相连。

优选的，所述第二大模场光纤预放大器所包含的第三双包层大模场增益光纤的输出端面为斜口。

优选的，所述大模场光纤环形器上连接有光纤脉冲拉伸器和脉冲拉伸控制器。

优选的，所述第三双包层大模场增益光纤一侧对应设有平凸透镜、光垃圾筒、泵浦分光片和空间光隔离器。

一种全部由大模场光纤构成的飞秒种子激光器，包括：共用一个多模半导体激光器泵浦的光纤飞秒振荡器和双级大模场光纤预放大器以及大模场光纤脉冲展宽器。

优选的，所述大模场光纤预放大器最少为两级大模场光纤预放大器，而且与大模场光纤飞秒振荡器共用一个半导体泵浦激光器。

优选的，所述双包层大模场啁啾光纤光栅、双包层大模场增益光纤、大模场光纤耦合器、大模场光纤隔离器、大模场光纤脉冲拉伸器，大模场光纤脉冲选择器、泵浦合束器的信号光输入、输出端尾纤为保偏光纤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.体积更小，结构更紧凑：所述飞秒激光振荡器谐振腔全部采用大模场光纤，使得振荡器可以直接输出比采用6μm芯径单模光纤更高的平均功率，因此进入脉冲拉伸器之前不需要任何预放大器，这就至少省去一级预放大器及相关器件；而且振荡器和两级预放大器可以共用一个多模半导体泵浦源，即整个种子激光器只需要一个半导体泵浦源就能达到多个半导体泵浦源才能达到的输出指标；

2.可靠性更高：使用多模泵浦，泵浦光主要在光纤包层中传播，激光在纤芯中传播，二者几乎是分离的，因此多模泵浦源比单模泵浦源抗损伤性能更好，而且多模泵浦保护器的隔离度也更高；只需要一个半导体泵浦源及相关驱动电源；

3.成本更低：大模场光纤成本虽然比单模光纤成本略高，但其实整个激光器的成本主要在光纤器件上，而大模场光纤器件与单模光纤器件制作原理和过程基本相同，因此单个器件的成本是接近的；此外，本发明使用的光纤全部为常规阶跃型折射率光纤，而不必采用昂贵的光子晶体光纤。

附图说明

图1为一种基于大模场光纤的全光纤飞秒种子激光振荡器的结构示意图。

图2为一种基于大模场光纤的全光纤飞秒种子激光预放大器的结构示意图。

图3为一种基于大模场光纤的全光纤飞秒种子激光振荡器和预放大器的输出光谱。

图4为一种基于大模场光纤的全光纤飞秒种子激光放大器输出的展宽单脉冲波形。

图5为一种基于大模场光纤的全光纤飞秒种子激光经脉冲压缩后的自相关曲线。

图6为一种全部由大模场光纤构成的飞秒种子激光预放大器的结构示意图。

图中：1、多模半导体泵浦源；2、多模泵浦保护器；3、第一多模泵浦分束器；4、双包层大模场啁啾光纤光栅；5、第一双包层大模场增益光纤；6、光电探测器；7、大模场光纤耦合器；8、半导体可饱和吸收反射镜；9、第一大模场光纤隔离器；10、大模场光纤环形器；11、大模场光纤脉冲拉伸器；12、脉冲拉伸控制器；13、第一信号泵浦合束器；14、第二双包层大模场增益光纤；15、第一泵浦剥除器；16、第二大模场光纤隔离器；17、大模场光纤脉冲选择器；18、第二信号泵浦合束器；19、第三双包层大模场增益光纤；20、第二多模泵浦分束器；21、平凸透镜；22、光垃圾筒；23、泵浦分光片；24、空间光隔离器；25、第二泵浦剥除器；26、第三大模场光纤隔离器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

请参阅图1-6，本发明实施例1中，一种基于大模场光纤的全光纤飞秒种子激光振荡器的结构示意图，包括多模半导体泵浦源1、多模泵浦保护器2、第一多模泵浦分束器3、双包层大模场啁啾光纤光栅4、第一双包层大模场增益光纤5、光电探测器6、大模场光纤耦合器7和半导体可饱和吸收反射镜8。

多模半导体泵浦源1同时为振荡器和双级预放大器提供泵浦光。多模半导体泵浦源1输出光纤是多模光纤，纤芯直径典型值为105μm。优选地，泵浦激光器1带有锁波长功能，即输出功率和波长随温度漂移量较小，平均输出功率典型值是9W。多模泵浦保护器2的输入端光纤和输出端光纤都是多模光纤，纤芯直径典型值为105μm。多模泵浦保护器2输入端口与多模半导体泵浦源1输出端相连，用于保护多模半导体泵浦源1。

多模泵浦保护器2输出端口与第一多模泵浦分束器3输入端口相连。第一多模泵浦分束器3共有两个输出端口。其中，端口a与图2中的第二多模泵浦分束器20的输入端口相连，为两级光纤预放大器提供泵浦光；端口b与双包层大模场啁啾光纤光栅4的一端相连，为光纤振荡器提供泵浦光。

双包层大模场啁啾光纤光栅4反射中心波长典型值为1030nm，典型反射带宽10nm左右，平均反射率30～40％，可提供合适的色散量。特别地，双包层大模场啁啾光纤光栅4刻写在双包层大模场无源光纤的纤芯，优选为单模双包层大模场无源光纤的纤芯，优选为保偏单模双包层大模场无源光纤的纤芯，纤芯直径典型值为10μm，泵浦光可以无损耗通过双包层大模场啁啾光纤光栅4。

双包层大模场啁啾光纤光栅4的另一端与第一双包层大模场增益光纤5的一端相连。第一双包层大模场增益光纤5作为谐振腔中的工作物质，优选为单模双包层大模场掺镱(Yb)光纤，优选为保偏单模双包层大模场掺Yb光纤，纤芯直径典型值为10μm。特别地，第一双包层大模场增益光纤5也可以是掺铒(Er)，Er-Yb共掺，掺钬(Ho)，掺铥(Tm)等其它元素的激活离子，以产生其它波长的激光。

大模场光纤耦合器7共有四个端口，其中三个端口c、d、e分别与第一双包层大模场增益光纤5，光电探测器6和半导体可饱和吸收反射镜8相连，端口f输出振荡器产生的飞秒种子脉冲。大模场光纤耦合器7四个端口的光纤全部是大模场无源光纤，优选为单模大模场无源光纤，优选为保偏单模大模场无源光纤，纤芯直径典型值为10μm。光电探测器6用于将飞秒激光脉冲信号转化为时序电信号。双包层大模场啁啾光纤光栅4和半导体可饱和吸收反射镜8组成光纤振荡器谐振腔。半导体可饱和吸收反射镜8弛豫时间参数较短，负责飞秒锁模的自启动；振荡器全部采用大模场光纤，通过调节腔内光纤长度即光纤总色散量，从而与双包层大模场啁啾光纤光栅4的异号色散量相匹配，可以精细调控谐振腔内净色散量。

典型地，对于1030nm波长附近的飞秒激光，优选使谐振腔内净色散量呈较小负值，即可实现色散管理孤子锁模。振荡器输出左右对称的光滑高斯型光谱，光谱宽度约6nm，如图3中实线所示。另一方面，在保持入射到半导体可饱和吸收反射镜8脉冲能量密度和脉冲重复频率不变的情况下，谐振腔内可以支持更大的单脉冲能量振荡，输出比现有基于单模单包层光纤飞秒激光振荡器更高的平均功率，典型值约为10mW；重复频率典型值为20～40MHz。

请参阅图2，本发明实施例1中，一种基于大模场光纤的全光纤飞秒种子激光预放大器的结构示意图，第一大模场光纤隔离器9的输入端口与振荡器的大模场光纤耦合器7的端口f相连，输出端口与大模场光纤环形器10输入端口①相连。大模场光纤环形器10的端口②与可调大模场光纤脉冲拉伸器11相连。

振荡器输出的种子脉冲不必经过任何预放大器即可进入大模场光纤脉冲拉伸器11进行脉宽拉伸。脉冲拉伸控制器12可以通过改变应力、温度等方式调节大模场光纤脉冲拉伸器11提供的二阶色散量、高阶色散量和中心波长等参数。经过拉伸后，脉冲宽度可展宽至数百皮秒甚至更长，典型值约500ps。

第一大模场光纤隔离器9、大模场光纤环形器10和大模场光纤脉冲拉伸器11的光纤全部是大模场无源光纤，优选为单模大模场无源光纤，优选为保偏单模大模场无源光纤，纤芯直径典型值为10μm。经过脉宽展宽的激光脉冲进入第一大模场光纤预放大器对平均功率进行预放大。

第一信号泵浦合束器13有两个输入端口和一个输出端口。其中，信号输入端口g与大模场光纤环形器10的输出端口③相连，信号合束输出端口与第二双包层大模场增益光纤14的一端相连，这两路光纤全部是双包层大模场无源光纤，优选为单模双包层大模场无源光纤，优选为保偏单模双包层大模场无源光纤，纤芯直径典型值为10μm；

泵浦输入端口h与第二多模泵浦分束器20的输出端口i相连，此路光纤全部是多模光纤，纤芯直径典型值为105μm。第二双包层大模场增益光纤14作为第一大模场光纤预放大器的工作物质，优选为单模双包层大模场掺Yb光纤，优选为保偏单模双包层大模场掺Yb光纤，纤芯直径典型值为10μm；特别地，第二双包层大模场增益光纤14也可以是掺铒(Er)，Er-Yb共掺，掺钬(Ho)，掺铥(Tm)等其它元素的激活离子，以产生其它波长的激光。

第二双包层大模场增益光纤14的另一端与第一泵浦剥除器15的一端相连。第一泵浦剥除器15两端光纤全部是双包层大模场无源光纤，优选为单模双包层大模场无源光纤，优选为保偏单模双包层大模场无源光纤，纤芯直径典型值为10μm；第一泵浦剥除器15中段光纤涂覆层折射率大于内包层折射率，用于剥除未被第二双包层大模场增益光纤14吸收的剩余泵浦光。经过第一大模场光纤预放大器后的拉伸脉冲平均功率约为100mW。

第二大模场光纤隔离器16的输入端口与第一泵浦剥除器15的输出端口相连，输出端口与大模场光纤脉冲选择器17的输入端口相连。大模场光纤脉冲选择器17可以是声光调制器或者电光调制器，作用是降低振荡器产生的数十MHz的脉冲重复频率至所需的典型值100kHz～2MHz。第二大模场光纤隔离器16和大模场光纤脉冲选择器17各自两端的光纤类型全部是大模场无源光纤，优选为单模大模场无源光纤，优选为保偏单模大模场无源光纤，纤芯直径典型值为10μm。重复频率降低后的拉伸激光脉冲进入第二大模场光纤预放大器对脉冲能量进行预放大。其中，第二信号泵浦合束器18有两个输入端口和一个输出端口。其中，信号输入端口l与大模场光纤脉冲选择器17的输出端口相连，信号合束输出端口与第三双包层大模场增益光纤19的一端相连，这两路光纤全部是双包层大模场无源光纤，优选为单模双包层大模场无源光纤，优选为保偏单模双包层大模场无源光纤，纤芯直径典型值为10μm；特别地，信号合束输出端口也可以是少模双包层大模场无源光纤，优选为保偏少模双包层大模场无源光纤，纤芯直径典型值为15～30μm，其与第三双包层大模场增益光纤19的光纤类型相匹配。

泵浦输入端口k与第二多模泵浦分束器20的输出端口j相连，此路光纤全部是多模光纤，纤芯直径典型值为105μm。第三双包层大模场增益光纤19作为第一大模场光纤预放大器的工作物质，优选为单模双包层大模场掺Yb光纤，优选为保偏单模双包层大模场掺Yb光纤，纤芯直径典型值为10μm；也可以是少模双包层大模场掺Yb光纤，优选为保偏少模双包层大模场掺Yb光纤，纤芯直径典型值为15～30μm，特别地，第二双包层大模场增益光纤14也可以是掺铒(Er)，Er-Yb共掺，掺钬(Ho)，掺铥(Tm)等其它元素的激活离子，以产生其它波长的激光。将第三双包层大模场增益光纤19的输出端口处理成斜口端面，斜度角典型值为8°，目的是尽量减小放大后的脉冲经过的光纤长度，从而降低非线性效应对放大后的大能量脉冲时域和光谱特性的不利影响。放大后的激光脉冲从斜口端面耦合到自由空间中后被平凸透镜21准直。

振荡器产生的飞秒种子脉冲经过第一大模场光纤隔离器9后不必经过任何预放大器，直接进入大模场光纤环形器10输入端口，脉冲宽度被可调大模场光纤脉冲拉伸器11展宽至合适宽度后再经光纤环形器输出端口输出；再经第一大模场光纤预放大器对平均功率进行预放大；

准直后的光束中还混有相当数量的未被第三双包层大模场增益光纤19吸收的剩余泵浦光，经过泵浦分光片23反射导向收光垃圾筒22。之后，经过能量放大的拉伸激光脉冲通过空间光隔离器24后最终输出。

在图2给出的实施例1中，最终输出的最大单脉冲能量可大于5uJ；典型的输出光谱如图3中的虚线所示，由于非线性效应和增益整形的作用，光谱宽度有所展宽至约7nm，光谱形状也由振荡器产生的高斯线形向抛物线型演化，这说明经过脉冲拉伸和能量放大的脉冲内部线性啁啾占据主导。

实施例2

如果不需要降低从所述光纤飞秒振荡器输出的脉冲重复频率，可省去所述大模场光纤脉冲选择器，如图6给出的实施例2中，一种全部由大模场光纤构成的飞秒种子激光预放大器的结构示意图。与实施例1有所区别的是：

1.第二多模泵浦分束器20的输出端口i、j端口分光比不同；

2.由于重复频率更高，单脉冲能量降低，非线性效应降低，所以所述第三双包层大模场增益光纤19的长度可以更长；

3.可选地，不必使用自由空间泵浦分光方式，所述第三双包层大模场增益光纤19的输出端与第二泵浦剥除器25相连，用于剥除未被所述第三双包层大模场增益光纤19吸收的剩余泵浦光；

4.可选地，使用第三大模场光纤隔离器26替换空间光隔离器。本实施例最终输出平均功率可大于5W，脉冲重复频率典型值20～40MHz。

本发明的工作原理：经过展宽和功率预放大后的飞秒激光脉冲进入大模场光纤脉冲选择器17，脉冲重复频率从数十MHz降低至所需频率值，然后进入第二大模场光纤预放大器对脉冲能量进行预放大，经过能量预放大的展宽飞秒激光脉冲从第三双包层大模场增益光纤19的另一个斜口端面耦合输出到自由空间后被透镜准直，准直光束中混有的未被第三双包层大模场增益光纤19吸收的剩余泵浦光被泵浦分光片反射导向收光垃圾筒；相比现有单模单包层光纤飞秒激光振荡器加多级独立预放大器的技术方案，该激光器结构更紧凑、体积更小、成本更低、可靠性更高。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。