一种超短脉冲非线性光纤放大器

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，特别是涉及一种超短脉冲非线性光纤放大器。

背景技术

超快光纤激光器可实现全光纤格化结构，具有光束质量好、散热能力强、单通增益高、平均功率高等优点，在近几十年里得到了迅速发展，广泛应用于科学研究，高端加工，精密计量，光通信，激光医疗等领域。而目前超短脉冲光纤激光器向着更高功率、更大能量、更广范光谱范围、更窄脉冲宽度的方向发展。目前主要通过锁模技术来产生稳定的超短脉冲序列。利用可饱和吸收体，结合被动锁模技术，搭建的锁模光纤激光器可以直接获得脉冲能量pJ～nJ量级、脉冲宽度fs～ps量级的锁模脉冲输出。锁模光纤激光振荡器输出脉冲由于功率低、能量小，很难满足后端应用需求，因此需要后续对锁模振荡器进行功率放大。

传统的放大技术主要采用主振荡功率放大(Master Oscillator PowerAmplifier,MOPA)，将锁模光纤振荡器作为种子源，利用一级或多级光纤放大器对种子源输出的低功率信号光进行功率放大，实现高平均输出功率、高脉冲能量、可靠实用的脉冲激光输出。由于光纤纤芯小，作用距离长，因此随着种子信号光在光纤放大过程中提升功率，积累的非线性效应会越来越严重，从而限制了脉冲能量和峰值功率的进一步提升。

发明内容

本发明提供了一种超短脉冲非线性光纤放大器，以解决现有非线性积累限定了光纤放大器脉冲能量和峰值功率提升的问题。

本发明提供了一种超短脉冲非线性光纤放大器，所述光纤放大器包括：变芯径增益光纤和包裹在所述变芯径增益光纤外围的包层；

所述变芯径增益光纤包括第一段增益光纤和第二段增益光纤，其中，所述第一段增益光纤的芯径小于所述第二段增益光纤；

所述第一段增益光纤与所述第二段增益光纤为两段光纤，并通过熔接使所述第一段增益光纤与所述第二段增益光纤结合在一起，或者，所述第一段增益光纤与所述第二段增益光纤为一体的光纤，并通过纤芯渐变的锥形光纤段使得所述第一段增益光纤的芯径渐变为所述第二段增益光纤的芯径；

利用非线性放大方法使得所述光纤放大器实现输出窄脉冲宽度、大脉冲能量和高峰值功率的脉冲。

可选地，当所述第一段增益光纤与所述第二段增益光纤为两段光纤时，

所述第一段增益光纤的纤芯直径为10-20μm，所述第二段增益光纤的纤芯直径为30-100μm；

所述第一段增益光纤的纤芯长度为1-1.5m，所述第二段增益光纤的纤芯长度为0.5-1m。

可选地，通过控制所述包层，使得所述第一段增益光纤处对应的包层的外径与所述第二段增益光纤处对应的包层的外径相同。

可选地，所述第一段增益光纤处对应的包层的外径与所述第二段增益光纤处对应的包层的外径均为125-400μm。

可选地，所述第一段增益光纤处对应的包层的外径小于所述第二段增益光纤处对应的包层的外径。

可选地，当所述第一段增益光纤与所述第二段增益光纤为一体的光纤时，

所述第一段增益光纤的纤芯直径为10-20μm，所述第二段增益光纤的纤芯直径为30-100μm；

所述第一段增益光纤的纤芯长度为1.5-2m，所述第二段增益光纤的纤芯长度为0.4-0.6m，所述锥形光纤段的纤芯长度为0.8-1m。

可选地，所述第一段增益光纤处对应的包层的外径与所述第二段增益光纤处对应的包层的外径相同。

可选地，所述第一段增益光纤处对应的包层的外径与所述第二段增益光纤处对应的包层的外径均为125-400μm。

可选地，所述第一段增益光纤处对应的包层的外径小于所述第二段增益光纤处对应的包层的外径。

可选地，所述第一段增益光纤处对应的包层的外径为80μm；

所述第二段增益光纤处对应的包层的外径为400μm；

所述锥形光纤段处对应的包层的外径为80-400μm。

本发明有益效果如下：

本发明提供的超短脉冲非线性光纤放大器，通过不同直径的纤芯来抑制SRS效应的产生，使放大的脉冲能量向非相干的拉曼光成分转移，降低放大信号光的脉冲质量，影响脉冲的压缩比，从而抑制脉冲最终的能量和峰值功率的提升，然后再利用非线性放大技术，既实现输出更窄的脉冲宽度，同时实现更大的脉冲能量和更高的峰值功率输出。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的变芯径增益光纤非线性放大原理示意图；

图2是本发明实施例提供的不同放大光纤输出光谱图；

图3是本发明实施例提供的不同放大光纤压缩脉冲图。

具体实施方式

以下结合附图以及实施例，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仅用以解释本发明，并不限定本发明。

现有通常是通过利用色散器件来对种子脉冲进行时域展宽，降低种子脉冲的峰值功率，然后在进行功率放大，从而实现更大的脉冲能量输出，最后再通过色散压缩器对脉冲进行时域压缩，实现超高的峰值功率。CPA技术通过降低放大器中的脉冲峰值功率抑制非线性效应，能够实现大的能量和高的峰值功率，但由于增益介质的带宽限制，会发生明显的增益窄化作用，从而限制了脉冲光谱宽度，进而影响能够压缩的最窄脉冲宽度。

而非线性放大则是利用光纤放大器直接放大超短脉冲，在功率放大的同时，利用光纤非线性效应对脉冲宽度进行展宽，从而获得超出增益带宽的光谱宽度，因此通过脉冲压缩可以实现超短的飞秒脉冲输出。非线性放大技术目前主要包含自相似放大、预啁啾管理放大、增益管理非线性放大。但是现有非线性放大技术，在放大过程中的演化机制不一样，但是都是利用非线性效应展宽光谱，使得经过压缩后能够实现50fs量级的飞秒脉冲。然而受限于受激拉曼散射效应(SRS)，非线性放大技术的脉冲能量通常限制在1uJ量级。

为了解决上述问题，本发明实施例提出一种基于变芯径的增益光纤的非线性放大技术。通过利用该非线性放大技术，既要输出更窄的脉冲宽度，同时实现更大的脉冲能量和更高的峰值功率输出，参见图1，本发明实施例提供的一种超短脉冲非线性光纤放大器包括：变芯径增益光纤和包裹在所述变芯径增益光纤外围的包层；

所述变芯径增益光纤包括第一段增益光纤和第二段增益光纤，其中，所述第一段增益光纤的芯径小于所述第二段增益光纤；

所述第一段增益光纤与所述第二段增益光纤为两段光纤，并通过熔接使所述第一段增益光纤与所述第二段增益光纤结合在一起，或者，所述第一段增益光纤与所述第二段增益光纤为一体的光纤，并通过纤芯渐变的锥形光纤段使得所述第一段增益光纤的芯径渐变为所述第二段增益光纤的芯径；

也即，具体可以将不同直径的纤芯进行连接，或者，也可以将一个光纤整体处理得到不同直径的光纤直径，且不同直径的纤芯之间通过锥形光纤段进行过度；

利用非线性放大方法使得所述光纤放大器实现输出窄脉冲宽度、大脉冲能量和高峰值功率的脉冲。

也就是说，本发明实施例是通过不同直径的纤芯来抑制SRS效应的产生，使放大的脉冲能量向非相干的拉曼光成分转移，降低放大信号光的脉冲质量，影响脉冲的压缩比，从而抑制脉冲最终的能量和峰值功率的提升，然后再利用非线性放大技术，既实现输出更窄的脉冲宽度，同时实现更大的脉冲能量和更高的峰值功率输出。

具体实施时，本领域技术人员可以根据实际的使用需要来设置上述中不同芯段的纤芯直径，本发明对此不作具体限定。

假设所述变芯径增益光纤中的第一段增益光纤与所述第二段增益光纤为两段光纤时，则可以设置所述第一段增益光纤的纤芯直径为10-20μm，所述第二段增益光纤的纤芯直径为30-100μm；且所述第一段增益光纤的纤芯长度为1-1.5m，所述第二段增益光纤的纤芯长度为0.5-1m。

然后可以通过控制所述包层，使得所述第一段增益光纤处对应的包层的外径与所述第二段增益光纤处对应的包层的外径相同。例如，可以设置所述第一段增益光纤处对应的包层的外径与所述第二段增益光纤处对应的包层的外径均为125-400μm。

当然也可以根据实际需要设置，所述第一段增益光纤处对应的包层的外径小于所述第二段增益光纤处对应的包层的外径。具体的包层的外径可以根据实际需要进行设置，本发明对此不作具体限定。

另一种所需的情况下，本发明实施例中的变芯径增益光纤中的所述第一段增益光纤与所述第二段增益光纤为一体的光纤，该种情况下，可以设置所述第一段增益光纤的纤芯直径为10-20μm，所述第二段增益光纤的纤芯直径为30-100μm；且所述第一段增益光纤的纤芯长度为1.5-2m，所述第二段增益光纤的纤芯长度为0.4-0.6m，所述锥形光纤段的纤芯长度为0.8-1m。

这种情况下，也可以根据需要设置所述第一段增益光纤处对应的包层的外径与所述第二段增益光纤处对应的包层的外径相同。例如，所述第一段增益光纤处对应的包层的外径与所述第二段增益光纤处对应的包层的外径均为125-400μm，等等。

当然也可以设置所述第一段增益光纤处对应的包层的外径小于所述第二段增益光纤处对应的包层的外径。具体的包层的外径可以根据实际需要进行设置，本发明对此不作具体限定。

在设有锥形光纤段的情况下，本发明实施例可以设置所述第一段增益光纤处对应的包层的外径为80μm；所述第二段增益光纤处对应的包层的外径为400μm；所述锥形光纤段处对应的包层的外径为80-400μm。

需要说明的是，本发明实施例上述的各个数值以及数值范围都仅仅是一个示例，本领域技术人员在具体实施时，可以根据实际需要进行任意设置。

下面将结合图2和图3通过一个具体的例子来对本发明实施例进行详细的解释和说明，本发明实施例分别利用2.5m长度的30/400、1.2m长度的100/400以及1.2m长度的30/400和100/400的变芯径混合光纤(30微米纤芯光纤长度为0.3m，100微米纤芯长度为0.9m)进行放大飞秒脉冲。

采用500fs，2nJ，5MHz，10mW的飞秒脉冲作为放大器的种子源。如果采用2.5m长度的30/400双包层掺镱光纤作为主放大器，由于芯径直径较小，输出脉冲能量有限。在10W976nm泵浦条件下，只能够实现0.654uJ的能量输出，光谱宽度较宽，能够达到114.89nm，通过压缩获得了37.55fs的飞秒脉冲。但由于单脉冲能量较低，压缩脉冲峰值功率限制在了11.37MW。

而采用1.2m长的100/400光纤和1.2m长的变径混合光纤，由于具有更粗的输出端，因此能够实现更大脉冲能量输出。采用相同种子源，以及同样采用50W的976nm泵浦，分别利用不同光纤进行放大。100/400光纤通过非线性放大，能够实现3.76uJ的能量输出，光谱宽度为74.06nm，通过压缩，能够实现36.69fs的压缩脉冲宽度，峰值功率达到68.48MW；而采用变径混合光纤，前段0.3m细光纤能够将脉冲光谱又3.1nm展宽到11.3nm，展宽后在0.9m的粗段100/400光纤中放大，在同样泵浦功率、光纤总长度条件下，实现了5.18uJ的能量输出，光谱宽度达到97.79nm，通过压缩可以实现34.42fs的压缩脉宽，峰值达到119.06MW。因此变径混合光纤在同样外部条件下，能够实现更大脉冲能量、更宽脉冲宽度、更高的峰值功率。

所以可以证实，本发明通过不同直径的纤芯来抑制SRS效应的产生，使放大的脉冲能量向非相干的拉曼光成分转移，能够降低放大信号光的脉冲质量，影响脉冲的压缩比，从而抑制脉冲最终的能量和峰值功率的提升，然后再利用非线性放大技术，既实现输出更窄的脉冲宽度，同时实现更大的脉冲能量和更高的峰值功率输出。

下面将结合图1通过一个具体的例子来对本发明实施例所述的方法进行详细的解释和说明：

非线性放大技术可以很容易实现50fs的压缩飞秒脉冲输出，但是由于放大过程中脉冲峰值功率高，非线性效应强，虽然受益于自相位调制(SPM)作用大幅展宽光谱外，还会发生明显的SRS效应。而SRS效应的产生，最终会使得放大的脉冲能量向非相干的拉曼光成分转移，降低放大信号光的脉冲质量，影响脉冲的压缩比，从而抑制脉冲最终的能量和峰值功率的提升。

具体实施时，本发明实施例采用具有正色散的双包层有源光纤作为增益介质，对低能量的飞秒脉冲进行非线性放大，原理示意图如图1所示。有源光纤前端芯径小，后端芯径大。飞秒脉冲在光纤前端(小芯径)部分传输放大，虽然能量仍然很低，但是由于飞秒脉冲宽度窄，仍然可以实现大的SPM效应，大幅展宽脉冲光谱。宽的光谱宽度使得飞秒脉冲对色散效应敏感，使得脉冲宽度展宽至皮秒(～10ps量级)，此时脉冲光谱展宽速率下降。如果继续采用小芯径有源光纤放大，则容易受制于SRS效应，难以继续提升脉冲能量。当有源光纤后端芯径变大，光纤非线性系数大幅降低，将小芯径光纤放大后的低能量、宽光谱的皮秒脉冲进行功率放大，获得更高的脉冲能量和峰值功率。脉冲在有源光纤前端小芯径部分获得宽光谱，也有利于脉冲后端大芯径光纤放大中SRS阈值的提高。前端小芯径获得的宽光谱明显超出增益光纤的增益带宽，可以通过有源光纤后端大芯径部分经历的SPM效应用来平衡。前端小芯径设计利用非线性效应大幅展宽光谱，少许展宽脉宽，后端大芯径设计压制非线性效应，用于功率放大和能量提升。脉冲能量放大和时频域演化过程在一段有源双包层光纤中完成。最后通过线性压缩器对非线性放大后的脉冲进行压缩，实现<50fs的高能量飞秒脉冲，甚至少周期量级脉冲输出。

相对传统非线性放大技术，本发明实施例通过变芯径设计，可以实现更宽的光谱展宽，更窄的压缩脉冲宽度，输出更高的脉冲能量。

需要说明的是，本发明实施例中输入的低能量飞秒脉冲也可用换成窄脉冲宽度的的皮秒脉冲。本发明实施例中变芯径有源光纤适用于各种掺杂激活离子的正色散光纤，包括但不限于掺镱、掺铒光纤。本发明中光纤基质不仅仅适用于石英玻璃光纤，已适用于其他能在工作波段提供正色散的其他材料玻璃光纤或者晶体光纤。本发明实施例中纤芯直径变化方式，可以是通过熔接两段不同芯径实现的芯径直径突变的，也可以是锥形光纤纤芯直径渐变的方式。本发明实施例中，对于芯径突变方式的增益光纤，纤芯尺寸可以是两种也可以是多种。本发明中，变芯径增益光纤放大器的泵浦方式，可以是前向泵浦，可以是后向泵浦，也可以是双向泵浦，还可以是侧面泵浦。另外再具体实施时，本发明实施例中，光纤放大器后的压缩器，不限于图示中的体啁啾光栅压缩器，还可以包括光栅对、啁啾镜、空芯光纤、棱镜对。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。