一種高效率超短光脈沖展寬的方法和裝置與流程

本發(fā)明涉及激光
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種高效率超短光脈沖展寬的方法和裝置。
背景技術(shù)：
：如何提高激光的能量以及功率，自激光發(fā)明以來就一直受到人們的廣泛關(guān)注。由于飛秒脈沖激光振蕩器輸出的平均功率一般為幾毫瓦到幾百毫瓦，單脈沖能量約為幾十皮焦耳到幾納焦耳，因此需要放大飛秒脈沖激光的能量來滿足現(xiàn)實(shí)的要求。飛秒脈沖激光不同于一般的納秒甚至皮秒脈沖激光，它的脈沖寬度太短，如果直接放大，峰值功率會(huì)很高，達(dá)到一定程度就會(huì)引發(fā)一系列問題：產(chǎn)生各種非線性效應(yīng)，使激光脈沖的光束質(zhì)量下降；過高的激光脈沖峰值功率會(huì)破壞放大器中的光學(xué)元器件、增益介質(zhì)；產(chǎn)生增益飽和效應(yīng)，降低激光脈沖從增益介質(zhì)中獲取能量的效率。啁啾脈沖放大技術(shù)(簡稱CPA)的出現(xiàn)改變了這一現(xiàn)狀，為飛秒激光功率的放大奠定了基礎(chǔ)。在激光啁啾脈沖放大系統(tǒng)中，從振蕩器輸出的飛秒脈沖首先經(jīng)過一個(gè)能提供較大色散的脈沖展寬器，將飛秒脈沖展寬103-105倍，達(dá)到皮秒甚至納秒量級(jí)，形成帶有強(qiáng)烈啁啾的長脈沖。這時(shí)，激光脈沖的峰值功率已大大降低，然后將其導(dǎo)入激光放大器，從激光放大介質(zhì)抽取足夠的能量后，再經(jīng)過一個(gè)能提供與脈沖展寬器相反色散量的脈沖壓縮器，將放大后的展寬脈沖壓縮回原來的脈沖寬度量級(jí)。因此飛秒激光啁啾脈沖放大系統(tǒng)一般由振蕩器，展寬器，放大器，壓縮器四部分組成。展寬器是CPA系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的器件之一，衍射光柵對(duì)、啁啾光纖光柵、體光柵都是常見的展寬器。光柵對(duì)是一種可以產(chǎn)生大量色散的元件，它是由兩塊光柵平行放置組成的。隨著展寬量的增加光柵對(duì)的尺寸和距離也在增大，而大面積的衍射光柵無論是從制作工藝還是安裝工藝都面臨巨大的挑戰(zhàn)，且損耗大。啁啾光纖光柵的特點(diǎn)是體積小、損耗低、非線性效應(yīng)小和對(duì)偏振不敏感等技術(shù)優(yōu)勢，但是啁啾光纖光柵還是一種帶通濾波器，很難提供寬帶的脈沖展寬；而它所提供的色散量最多將脈沖展寬到1ns。體光柵與啁啾光纖光柵類似，在帶寬上有限制，它所提供的色散量最多將脈沖展寬到500ps左右。隨著新一代飛秒激光朝超大功率的方向發(fā)展，使得傳統(tǒng)CPA系統(tǒng)中展寬技術(shù)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于提供一種高效率超短光脈沖展寬的方法和裝置，以克服現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)光脈沖的展寬存在一定局限性，無法滿足飛秒激光朝超大功率發(fā)展的缺陷。(二)技術(shù)方案為了解決上述問題，本發(fā)明一方面提供一種高效率超短光脈沖展寬的裝置，其包括：依次連接的脈沖光源、放大裝置、非線性展寬裝置；所述脈沖光源，用于提供脈沖光信號(hào)的輸出；所述放大裝置，用于對(duì)脈沖光源輸出的脈沖光信號(hào)進(jìn)行放大，所述放大倍數(shù)可調(diào)；所述非線性展寬裝置，提供色散和非線性效應(yīng)，用于對(duì)所述放大裝置輸出的脈沖光信號(hào)進(jìn)行非線性展寬，且對(duì)展寬后的光脈沖進(jìn)行可壓縮的納秒脈沖輸出。優(yōu)選地，所述脈沖光源提供的脈沖光信號(hào)的脈寬為飛秒或皮秒量級(jí)。優(yōu)選地，所述非線性展寬裝置采用光纖。優(yōu)選地，所述光纖的群速度色散(GroupVelocityDispersion，GVD)參量β2>0，長度L≥LD，L≥LNL，其中LD為色散長度，LNL為非線性長度。另一方面，本發(fā)明提供一種高效率超短光脈沖展寬的方法，包括：步驟1、提供一脈沖光信號(hào)；步驟2、對(duì)脈沖光信號(hào)進(jìn)行放大處理，所述放大倍數(shù)可調(diào)；步驟3、通過非線性展寬裝置將放大處理后的脈沖光信號(hào)進(jìn)行非線性展寬，輸出可壓縮的納秒光脈沖。優(yōu)選地，所述脈沖光信號(hào)的脈寬為飛秒或皮秒量級(jí)。優(yōu)選地，所述非線性展寬裝置采用光纖。優(yōu)選地，所述光纖的GVD參量β2>0，長度L≥LD，L≥LNL，其中LD為色散長度，LNL為非線性長度。(三)有益效果本發(fā)明提供一種高效率超短光脈沖展寬的方法和裝置，通過提高脈沖光的功率，利用色散和非線性效應(yīng)，增加了脈沖的展寬速度，能夠?qū)崿F(xiàn)飛秒到幾納秒甚至十幾納秒的脈沖展寬，展寬后的脈沖可被壓縮到最大程度地接近時(shí)間帶寬積的理論極限寬度，能夠大規(guī)模的提高CPA系統(tǒng)的輸出功率。附圖說明圖1為本發(fā)明脈沖和光譜隨非線性展寬光纖長度變化趨勢圖；圖2為本發(fā)明高效率超短光脈沖展寬裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例1產(chǎn)生的寬帶光譜圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例1產(chǎn)生的納秒級(jí)脈沖圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例1產(chǎn)生的納秒級(jí)脈沖被壓縮后的飛秒脈沖圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例1非線性展寬后的脈沖寬度和光譜寬度與放大裝置輸出功率關(guān)系圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施例1經(jīng)過非線性展寬的脈沖被壓縮后的脈寬與放大裝置輸出功率關(guān)系圖；圖8為本發(fā)明實(shí)施例2非線性展寬后的脈沖寬度和光譜寬度與放大裝置輸出功率關(guān)系圖；圖9為三個(gè)實(shí)施例所產(chǎn)生的脈沖寬度與放大裝置輸出功率關(guān)系對(duì)比圖；圖10為三個(gè)實(shí)施例所產(chǎn)生的光譜寬度與放大裝置輸出功率關(guān)系對(duì)比圖；圖11為本發(fā)明實(shí)施例高效率超短光脈沖展寬的方法流程圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。如圖2所示，本發(fā)明提供一種高效率超短光脈沖展寬裝置結(jié)構(gòu)示意圖。該裝置包括依次連接的脈沖光源1、放大裝置2、非線性展寬裝置3。其中，脈沖光源1，用于提供脈沖光信號(hào)的輸出；放大裝置2，用于對(duì)脈沖光源輸出的脈沖光信號(hào)進(jìn)行放大，放大倍數(shù)可調(diào)；非線性展寬裝置3，提供色散和非線性效應(yīng)，用于對(duì)所述放大裝置輸出的脈沖光信號(hào)進(jìn)行非線性展寬，且對(duì)展寬后的脈沖光信號(hào)進(jìn)行可壓縮的納秒脈沖輸出。其中，本實(shí)施例中的脈沖光源提供的脈沖光信號(hào)的脈寬為飛秒或皮秒量級(jí)。本實(shí)施例中的非線性展寬裝置3采用光纖，設(shè)置所述光纖的GVD參量β2>0，長度L≥LD，L≥LNL，其中LD為色散長度，LNL為非線性長度。其中：LD=T02|β2|LNL=1γP0]]>公式中，β2：光纖群速度色散；T0：脈沖寬度；γ：光纖非線性系數(shù)；P0：脈沖峰值功率。本實(shí)施例中，放大后的光脈沖進(jìn)入非線性展寬裝置3，非線性展寬光纖長度L≥LD，L≥LNL，SPM(Self-phaseModulation，自相位調(diào)制)和GVD共同對(duì)非線性展寬光纖中傳輸?shù)拿}沖起作用，脈沖功率越大，SPM效應(yīng)越強(qiáng)。從圖1可以看出，脈沖寬度延光纖長度線性展寬，而光譜在進(jìn)入非線性展寬光纖后便迅速展寬，然后保持寬度基本不變。SPM導(dǎo)致頻譜展寬，GVD使脈沖展寬并通過整形使其幾乎變成方波，同時(shí)脈沖在其整個(gè)寬度上產(chǎn)生近似線性的啁啾。SPM主要作用是改變了僅由GVD感應(yīng)的脈沖展寬的速度，加快了脈沖的展寬。另外，展寬后的脈沖啁啾線性度高達(dá)95％以上，因此展寬后的脈沖可被壓縮,且最大程度接近時(shí)間帶寬積的理論極限寬度。如圖11所示，本發(fā)明還提供一種高效率超短光脈沖展寬的方法，包括：步驟1、提供一脈沖光信號(hào)；步驟2、對(duì)脈沖光信號(hào)進(jìn)行放大處理，所述放大倍數(shù)可調(diào)；步驟3、通過非線性展寬裝置將放大處理后的脈沖光信號(hào)進(jìn)行非線性展寬，輸出可壓縮的納秒光脈沖。其中，脈沖光信號(hào)的脈寬為飛秒或皮秒量級(jí)。其中非線性展寬裝置為光纖。設(shè)置所述光纖的GVD參量β2>0，長度L≥LD，L≥LNL，其中LD為色散長度，LNL為非線性長度。其中：LD=T02|β2|LNL=1γP0]]>公式中，β2:：光纖群速度色散；T0：脈沖寬度；γ：光纖非線性系數(shù)；P0：脈沖峰值功率。本發(fā)明的有益效果是：通過提高脈沖光的功率，利用非線性效應(yīng)，增加了脈沖的展寬速度，能夠?qū)崿F(xiàn)飛秒到幾納秒甚至十幾納秒的脈沖展寬，展寬后的脈沖可被壓縮到接近時(shí)間帶寬積的理論極限寬度。本發(fā)明所提供的超短脈沖展寬技術(shù)成本低，體積小，比傳統(tǒng)展寬方法的展寬量有數(shù)量級(jí)的改進(jìn)，因此能夠大規(guī)模的提高CPA系統(tǒng)的輸出功率。實(shí)施例1本實(shí)施例中的脈沖光源1使用脈寬為300fs的脈沖光源，經(jīng)過放大裝置2放大，非線性展寬裝置3使用光纖，其具體參數(shù)為：長度L＝2km，色散β2＝191ps2/km，非線性系數(shù)γ＝6.63(1/kw*m)。經(jīng)非線性展寬光纖后，輸出的光譜形狀如圖3，半高寬為33nm；脈沖形狀如圖4所示，半高寬10ns，啁啾線性度高達(dá)99％；壓縮后的飛秒脈沖半高寬58fs(如圖5)。另外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)得知，放大裝置2的放大倍數(shù)不同，非線性展寬裝置3輸出的脈沖寬度和光譜寬度也不同，展寬后的脈沖寬度和光譜寬度與放大裝置2輸出的功率關(guān)系如圖6所示，由圖可以看出，放大裝置2輸出的功率越大，非線性展寬裝置輸出的脈沖和光譜越寬。圖7為放大裝置2放大到不同功率的脈沖，經(jīng)非線性展寬裝置后又被整形壓縮后的脈沖半高寬分布；由圖可以看出，脈沖均可壓縮到飛秒，且隨著放大裝置2輸出功率的增加，壓縮后的脈沖越來越窄。實(shí)施例2本實(shí)施例中的脈沖光源1使用脈寬為300fs的脈沖光源，經(jīng)過放大裝置2放大后輸出不同功率，非線性展寬光纖的具體參數(shù)為：長度L＝2km，群速度色散β2＝28ps2/km，非線性系數(shù)γ＝4.81(1/kw*m)。經(jīng)非線性展寬裝置3展寬后的脈沖寬度和光譜寬度與放大裝置2輸出的功率關(guān)系如圖8所示，由圖可以看出，放大裝置輸出功率越大，脈沖和光譜寬度越寬。實(shí)施例3本實(shí)施例中的脈沖光源1脈寬為300fs的脈沖光源，經(jīng)過放大裝置2放大后輸出不同功率，非線性展寬裝置使用光纖的具體參數(shù)為：長度L＝2km，群速度色散β2＝56ps2/km，非線性系數(shù)γ＝4.81(1/kw*m)。三個(gè)實(shí)施例中的光脈沖經(jīng)非線性展寬裝置展寬后的脈沖寬度與放大裝置2輸出的功率關(guān)系對(duì)比如圖9所示；光譜寬度與放大裝置2輸出的功率關(guān)系對(duì)比如圖10所示。通過控制放大后的脈沖功率、及選擇非線性展寬裝置中光纖的色散及非線性系數(shù)，可以得到不同寬度的脈沖；展寬后的脈沖均可壓縮到飛秒量級(jí)。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和替換，這些改進(jìn)和替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3