CN119009639A - 一种光纤种子源装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤种子源装置，其输出与激光放大器连接，包括相配合设置的光纤振荡器、倍频模块及展宽模块。由于光纤种子源输出是飞秒激光脉冲，而常规钛宝石振荡器需要进行色散管理后才能输出飞秒脉冲，因此本发明中的激光谐振腔内不需要设置复杂的色散管理单元，并且倍频过程抑制了直流成分，使得输出脉冲的信噪比极高。

Description

一种光纤种子源装置

技术领域

本发明属于超快激光技术领域，具体涉及一种光纤种子源装置。

背景技术

掺钛蓝宝石因其极宽的发射带宽，可以通过振荡器直接锁模输出脉冲宽度小于30fs甚至更短的超短脉冲给激光放大器，但是振荡器直接输出的脉冲串通常平均功率不到1W，且脉冲能量只有纳焦耳量级，无法实现许多需要较高光强的应用场景，例如光参量频率变换、非线性光学、超快科学、高次谐波产生以及激光微纳加工等技术领域。

因此，为了将脉冲能量提升到微焦耳乃至毫焦耳以上，需要将掺钛蓝宝石锁模振荡器作为种子源，通过掺钛蓝宝石激光放大器对其输出的脉冲进行放大。并且，为保证放大后的脉冲也有较短的脉冲宽度，种子源需要具备一定的光谱宽度，例如常用的输出40fs的掺钛蓝宝石放大器，其需要种子源具备超过50nm的光谱半高全宽。为了实现这样宽的输出光谱带宽，钛宝石种子源通常采用克尔透镜锁模技术，通过掺钛蓝宝石介质中的克尔效应，当光强较高时折射率发生变化，从而对于高强度的脉冲成分在空间上产生了聚焦效果，实现对于直流成分的抑制。另外，由于脉冲较短，产生了快速的折射率变化，克尔效应在频域中还会产生新的频率成分，从而进一步展宽光谱，得到较宽的光谱半高全宽。

但是这种振荡器具有如下缺点：1、由于光谱较宽，振荡器内整个锁模过程对于色散十分敏感，需要在谐振腔内设置啁啾镜或棱镜进行色散管理，且振荡器内的镜片均需要进行镀膜，振荡器的增益介质也需要采用固定角度的切割，还需要配套水冷机进行设备冷却以保证设备稳定运行，使得整体结构较为复杂和昂贵。2、克尔透镜锁模求泵浦激光聚焦尺寸极小，对于谐振腔的设计和调节都有极高要求，且容易有部分直流成分残留，影响飞秒脉冲的飞秒成分占比。3、振荡器内存在空间光，晶体附近的空间光路中极小的聚焦光斑都会造成了较高的光强，导致增益晶体表面容易污染损伤，常规解决方式是采用气密设计或定时挪动换点设计，导致装配及操作时比较麻烦。4、由于高功率激光有一定危险性，对人体可能造成伤害，所以振荡器的设计与搭建均具有较高的要求，且搭建后不能经受搬运等剧烈晃动，环境方面也需要保持湿度、温度的恒定。

本申请旨在解决上述问题中的至少一种，因此提供了一种光纤种子源装置。

发明内容

因此，基于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于解决上述问题的至少一者，提供一种光纤种子源装置，包括相配合设置的光纤振荡器、倍频模块及展宽模块：

光纤振荡器，用于产生飞秒激光脉冲；

倍频模块，用于将飞秒激光脉冲进行倍频，得到窄带飞秒激光脉冲；

展宽模块，用于利用自相位调制效应对窄带飞秒激光脉冲进行展宽，得到用于导入激光放大器的宽带飞秒激光脉冲。

作为优选，还包括设置于倍频模块与展宽模块之间的偏振态控制模块，其用于改变窄带飞秒激光脉冲的偏振态。

作为优选，还包括激光准直模块，其用于准直宽带飞秒激光脉冲。

作为优选，所述展宽模块为光子晶体光纤。

作为优选，所述光子晶体光纤采用模场直径为1-2μm、短波截止波长为750nm的单模非线性光子晶体光纤。

作为优选，所述偏振态控制模块为波片，所述波片使得入射的线偏振光发生90°偏转；

或者，所述偏振态控制模块包括依次设置于倍频模块与展宽模块之间的半波片及偏振分束镜，所述偏振分束镜的一侧设有遮光板；

所述半波片将入射的线偏振光旋转90°后，入射到偏振分束镜上，使得发生偏转后的线偏振光分为S偏振与P偏振，其中S偏振、P偏振两者对应的光束中的一个进入展宽模块，两者对应的光束中的另一个被遮光板挡住。

作为优选，所述激光准直模块为反射镜组件，所述反射镜组件包括至少两个依次设置于展宽模块与激光放大器之间的反射镜。

作为优选，所述光纤振荡器的增益介质为掺饵光纤，所述掺饵光纤在光纤振荡器的泵浦光源的作用下，受激辐射产生波长为1560nm的基频光。

作为优选，所述光纤振荡器采用重复频率为80MHz、脉冲功率为72.76mW、偏振消光比为23.32dB且为线偏振的光纤振荡器。

作为优选，所述窄带飞秒激光脉冲的波长范围为750-790nm，所述宽带飞秒激光脉冲的脉宽为100fs。

本发明提供的一种光纤种子源装置，由于光纤种子源输出的是飞秒激光脉冲，而常规钛宝石振荡器需要进行色散管理后才能输出飞秒脉冲，因此本发明中的激光谐振腔内不需要设置复杂的色散管理单元，并且倍频过程抑制了直流成分，使得输出脉冲的信噪比极高。

使用模块化、高集成度的光纤振荡器作为种子光前级，大幅降低了种子源尺寸、成本和对于使用场景及人员的要求。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1是光纤种子源装置的实施例1的结构示意图；

图2是光纤种子源装置的实施例2的结构示意图。

附图标记说明如下：

1、光纤振荡器；2、倍频模块；3、偏振态控制模块；4、展宽模块；5、激光准直模块；6、激光放大器；7、半波片；8、偏振分束镜；9、遮光板。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明，从而对本发明要求保护的范围作出更清楚地限定，下面就本发明的某些具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，以下仅是本发明构思的某些具体实施方式仅是本发明的一部分实施方式，其中对于相关结构的具体的直接的描述仅是为方便理解本发明，各具体特征并不当然、直接地限定本发明的实施范围。本领域技术人员在本发明构思的指导下所作的常规选择和替换，以对于本发明各个功能模块之间的合理组合，均应视为在本发明要求保护的范围内。

实施例1

如图1所示，一种光纤种子源装置，包括相配合设置的光纤振荡器1、倍频模块2、偏振态控制模块3、展宽模块4及激光准直模块5。

光纤振荡器1，用于产生近红外飞秒激光脉冲。倍频模块2，用于将近红外飞秒激光脉冲进行倍频，得到红外窄带飞秒激光脉冲。偏振态控制模块3，设置于倍频模块2与展宽模块4之间，用于改变红外窄带飞秒激光脉冲的偏振态，调节展宽模块4输出的光谱的中心波长。展宽模块4，用于利用自相位调制效应展宽改变偏振态后的窄带飞秒激光脉冲，使其成为宽带飞秒激光脉冲，其中，宽带飞秒激光脉冲的脉宽为100fs。激光准直模块5，其设置于展宽模块4的后端，用于将宽带飞秒激光脉冲准直后导入后续放大器6中。

光纤振荡器1输出的宽带飞秒激光脉冲，替代常规的激光锁模振荡器，可作为任意后续激光放大器6的种子源，优选作为钛宝石激光放大器(例如，掺钛蓝宝石激光放大器)的种子源，种子光源为近红外波段，通过倍频再展宽来满足激光放大器的波段需求，降低种子源的空间占用。本实施例中，光纤振荡器1采用重复频率80MHz、脉冲功率72.76mW、偏振消光比为23.32dB且为线偏振的光纤振荡器，其采用模块化的光纤振荡器，集成化较高、体积小、轻量化，可进行一定距离的运输，密封性好，外部干扰对光束质量影响较小。无需再进行腔型设计、色散管理以及光路搭建等繁琐操作，省略了镜片镀膜等步骤，也无需搭配水冷机等冷却设备，结构简单，无需丰富经验即可操作调节，实验效率高，适用性广，还进一步降低种子源成本。

光纤振荡器1的增益介质为掺饵光纤，掺饵光纤在光纤振荡器1的泵浦光源的作用下，受激辐射产生波长为1560nm的基频光，可根据种子源输出波长的实际需求，对基频光的波长范围进行调整。

相较于现有固体振荡器(例如钛宝石振荡器)中因空间光路中较高的光强导致晶体容易污染损伤的问题，本发明中的光纤振荡器1中的光纤结构避免了谐振腔中的空间光路，避免了损伤，可应用于大型飞秒超强激光系统中。

倍频模块2利用非线性频率变换技术，由于直流成分无法发生倍频，削弱了直流信号强度，因此产生的780nm中直流成分几乎被完全抑制，由于倍频过程为非线性效应，采用非线性频率变换原理，其依赖于驱动激光的强度，只有强度较高的主脉冲成分可以发生倍频，而噪声成分强度较低，很难发生倍频，因此倍频后的脉冲噪声成分很少，使得输出飞秒脉冲信噪比极高。

并且由于倍频过程中，各波段向中心波长靠拢，使得各波段频率成倍增长，在波长数值上体现为基频波除以2，变为倍频波长。例如800nm基频光倍频后变为400nm倍频光。由于倍频使得信号的频谱成分发生了变化，导致信号的频率成分更加集中在一个较窄的频率范围内，因此经过倍频后变成了窄带飞秒激光脉冲。偏振态控制模块3为波片，波片使得入射的线偏振光发生90°偏转。

展宽模块4为光子晶体光纤，采用模场直径为1-2μm、短波截止波长为750nm的单模非线性光子晶体光纤，利用光纤波导特性，通过贯穿整个光纤长度的紧密排列的空气孔来实现，具体使用NL-PM-750型光子晶体光纤，可使用模场直径为1.6μm、孔径为0.38的光子晶体光纤，其中，孔径指的光纤中心芯径。进一步优选为双折射大于3*10^-4、衰减小于0.05dB/m的光子晶体光纤。窄带飞秒激光脉冲的波长为750-790nm，该波段属于红外波段，优选为760-780nm。

首先波导结构的展宽模块4保证了光束可以在光纤中保持很小的光斑面积传输而不发散，属于空间效应，对于能量很小的脉冲，只有光斑很小才能发生自相位调制，属于频率的非线性过程，大大增强了光谱展宽效果。并且在中心对称的光子晶体光纤中三阶非线性效应占据主导，三阶非线性效应用三阶非线性极化描述，通常可以忽略三阶非线性效应中三次谐波的产生，不过三阶非线性极化率导致了强度相关的折射率，非线性折射率在频域上导致了自相位调制，产生新的频率成分，有更宽的频谱，才能在色散补偿之后得到更短的脉冲宽度，并且可以累积叠加越多的频域成分，产生更尖锐的时域，产生更多或更大的频域范围，对于时域压缩具有重大意义。

在非线性光谱展宽的过程中，通过控制光子晶体光纤的长度，实现不同程度的光谱展宽，得到不同光谱半高宽的种子脉冲。其中，光纤长度由所需要展宽范围而定，范围越大，所需长度越长。

由于脉冲宽度越窄，光谱越宽，色散管理的难度越大，对于常规的钛宝石振荡器，输出20fs甚至更短的脉冲，光谱底宽达到100nm以上，需要在谐振腔内采用克尔透镜锁模，控制非线性效应，并且在100nm以上的范围内控制色散。而本发明中的种子源只需要输出脉宽达到100fs，光谱底宽只有20nm左右，不需要采用克尔透镜锁模，非线性效应较弱，且只需要在很窄的光谱范围内控制色散，难度较低，能简化色散管理装置的结构。

由于种子源输出的飞秒激光脉冲在后续的激光放大器6中，按照啁啾脉冲放大结构，需要添加色散来对脉冲展宽，所以自相位调制导致的光脉冲的频谱展宽后输出的脉冲只要光谱达到所需宽度即可，不需要另外进行色散补偿。

激光准直模块5为反射镜组件，反射镜组件包括至少两个依次设置于展宽模块4与激光放大器6之间的反射镜，反射镜的材质为熔石英、氟化钙、氟化钡中的至少一种，反射镜上设有镀膜，且镀膜为760-840nm波长范围且反射率大于99％的高反射膜，优选为大于99.9％的高反射膜。

本实施例中，反射镜设有两个且相对保持平行设置，每个反射镜的入射角度为20°-80°，优选为45°。

光纤振荡器1输出基频光，具体为波长是1560nm的近红外飞秒激光脉冲，光纤振荡器1通过光纤连接入射到倍频模块2中，倍频模块2将飞秒种子模块1产生的波长为1560nm的光波倍频为波长为780nm的倍频光，具体为红外窄带飞秒脉冲，倍频光以空间光的形式入射到波片上，随着波片的转动改变自身偏振态，用于改变光子晶体光纤输出的光谱，改变后的偏振光通过光子晶体光纤进行基于自相位调制效应的光谱频域展宽，展宽后得到波长为800nm的红外宽带飞秒种子光，被两个反射镜组成的反射镜组准直，达到激光放大器的所需波长，入射到激光放大器。

实施例2

如图2所示，一种光纤种子源装置，包括光纤振荡器1、倍频模块2、偏振态控制模块3、展宽模块4及激光准直模块5，其与实施例1的区别在于：偏振态控制模块3包括包括依次设置于倍频模块2与光子晶体光纤之间的半波片7及偏振分束镜8，半波片7及偏振分束镜8沿同一条直线上放置，偏振分束镜8的一侧设有遮光板9。

半波片7将入射的线偏振光旋转90°后，入射到偏振分束镜8上，使得发生偏转后的线偏振光分为S偏振与P偏振，其中S偏振、P偏振两者对应的光束中的一个进入展宽模块4，两者对应的光束中的另一个被遮光板9挡住。本实施例中，透射光的偏振方向为P方向，进入到光子晶体光纤中，反射光的偏振方向为S方向，其被遮光板9遮挡。

半波片7及偏振分束镜8结合，可以衰减透射光的功率，改变进入光子晶体光纤的脉冲能量，改变输出脉冲的光谱展宽情况，从而改变输出脉冲的光谱跨度。

至此，本领域技术人员应已充分理解本申请的技术方案，并能认识到虽然本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种光纤种子源装置，其特征在于，包括相配合设置的光纤振荡器(1)、倍频模块(2)及展宽模块(4)：

光纤振荡器(1)，用于产生飞秒激光脉冲；

倍频模块(2)，用于将飞秒激光脉冲进行倍频，得到窄带飞秒激光脉冲；

展宽模块(4)，用于利用自相位调制效应对窄带飞秒激光脉冲进行展宽，得到用于导入激光放大器(6)的宽带飞秒激光脉冲。

2.如权利要求1所述的光纤种子源装置，其特征在于：还包括设置于倍频模块(2)与展宽模块(4)之间的偏振态控制模块(3)，其用于改变窄带飞秒激光脉冲的偏振态。

3.如权利要求1所述的光纤种子源装置，其特征在于：还包括激光准直模块(5)，其用于准直宽带飞秒激光脉冲。

4.如权利要求1-3任一项所述的光纤种子源装置，其特征在于：所述展宽模块(4)为光子晶体光纤。

5.如权利要求4所述的光纤种子源装置，其特征在于：所述光子晶体光纤采用模场直径为1-2μm、短波截止波长为750nm的单模非线性光子晶体光纤。

6.如权利要求2所述的光纤种子源装置，其特征在于：所述偏振态控制模块(3)为波片，所述波片使得入射的线偏振光发生90°偏转；

或者，所述偏振态控制模块(3)包括依次设置于倍频模块(2)与展宽模块(4)之间的半波片(7)及偏振分束镜(8)，所述偏振分束镜(8)的一侧设有遮光板(9)；

所述半波片(7)将入射的线偏振光旋转90°后，入射到偏振分束镜(8)上，使得发生偏转后的线偏振光分为S偏振与P偏振，其中S偏振、P偏振两者对应的光束中的一个进入展宽模块(4)，两者对应的光束中的另一个被遮光板(9)挡住。

7.如权利要求3所述的光纤种子源装置，其特征在于：所述激光准直模块(5)为反射镜组件，所述反射镜组件包括至少两个依次设置于展宽模块(4)与激光放大器(6)之间的反射镜。

8.如权利要求1所述的光纤种子源装置，其特征在于：所述光纤振荡器(1)的增益介质为掺饵光纤，所述掺饵光纤在光纤振荡器(1)的泵浦光源的作用下，受激辐射产生波长为1560nm的基频光。

9.如权利要求1或8所述的光纤种子源装置，其特征在于：所述光纤振荡器(1)采用重复频率为80MHz、脉冲功率为72.76mW、偏振消光比为23.32dB且为线偏振的光纤振荡器。

10.如权利要求1所述的光纤种子源装置，其特征在于：所述窄带飞秒激光脉冲的波长范围为750-790nm，所述宽带飞秒激光脉冲的脉宽为100fs。