基于孤子自频移的宽带可调谐的光参量啁啾脉冲放大系统

摘要

本发明涉及基于孤子自频移的宽带可调谐的光参量啁啾脉冲放大系统，由脉冲激光器产生拉伸孤子脉冲激光作为种子信号传递到由展宽器、放大器和压缩器构成的全光纤啁啾脉冲放大系统中，然后输出超短脉冲激光到由两种不同类型的非线性光纤级联结构构成的光纤频移系统中，通过将光纤频移系统产生的2～10μm宽带的可调谐超短脉冲激光输出到BaGa2GeSe6结构的晶体，晶体连接有用于与可调谐超短脉冲激光的相位相匹配的激光源，通过晶体输出宽带可调谐的中红外超短激光。本发明在光纤激光系统和高能激光系统中能够有效抑制超连续谱激光的产生，并且大幅度提升了种子信号在光参量啁啾脉冲放大系统的能量转化效率。

权利要求

1.基于孤子自频移的宽带可调谐的光参量啁啾脉冲放大系统，其特征为：由脉冲激光器(1)产生拉伸孤子脉冲激光作为种子信号传递到由展宽器(3)、放大器(4)和压缩器(5)构成的全光纤啁啾脉冲放大系统中，所述的压缩器(5)为光栅压缩器，然后输出超短脉冲激光到由两种不同类型的非线性光纤级联结构构成的光纤频移系统中，将光纤频移系统产生的

2～10μm宽带的可调谐超短脉冲激光输出到BaGa2GeSe6结构的晶体(10)，晶体(10)连接有用于与可调谐超短脉冲激光的相位相匹配的激光源(9)，通过晶体(10)输出宽带可调谐的中红外超短激光(11)。

2.如权利要求1所述的基于孤子自频移的宽带可调谐的光参量啁啾脉冲放大系统，其特征为：脉冲激光器(1)通过偏振无关隔离器(2)将拉伸孤子脉冲激光传递到所述的全光纤啁啾脉冲放大系统中。

3.如权利要求1所述的基于孤子自频移的宽带可调谐的光参量啁啾脉冲放大系统，其特征为：在所述全光纤啁啾脉冲放大系统和光纤频移系统之间设有使超短脉冲激光单向传输的单向隔离器(6)。

4.如权利要求1所述的基于孤子自频移的宽带可调谐的光参量啁啾脉冲放大系统，其特征为：所述构成光纤频移系统的两种不同类型的非线性光纤，为级联的氟碲酸盐微结构光纤(7)和AsSe/AsS光纤(8)。

5.如权利要求4所述的基于孤子自频移的宽带可调谐的光参量啁啾脉冲放大系统，其特征为：在氟碲酸盐微结构光纤(7)的上游和下游分别设有光纤型模场适配器(12)。

6.如权利要求1至5之一所述的基于孤子自频移的宽带可调谐的光参量啁啾脉冲放大系统，其特征为：所述的脉冲激光器(1)为全光纤混合被动锁模光纤激光器。

7.如权利要求1至5之一所述的基于孤子自频移的宽带可调谐的光参量啁啾脉冲放大系统，其特征为：所述的放大器(4)为主振荡器功率放大器。

说明书

基于孤子自频移的宽带可调谐的光参量啁啾脉冲放大系统

技术领域

[0001] 本发明涉及中红外激光发生系统，具体讲是基于孤子自频移的宽带可调谐的光参量啁啾脉冲放大系统。

背景技术

[0002] 近些年来，随着激光技术的飞速发展，2～10μm波段的中红外超短脉冲因其超短的脉冲宽度和超高峰值功率，在医疗技术、超短光谱学、国防军工、材料加工等领域具有特点鲜明的应用需求，引起了人们广泛的关注。在国防军事领域中，2～10μm中红外激光包含了多个大气“透明窗口”，同时也覆盖了大部分军用红外探测器(碲镉汞、铟镓砷、硫化铅等)的响应波长，因此，位于该波长区域的中红外激光源在红外光电对抗方面具有极其重要的实用价值。而具有高峰值功率、高脉冲能量的中红外超快脉冲激光可在短时间内对探测器进行饱和性干扰或破坏性致盲，有效抵御来自红外制导导弹或预警机的威胁，同时激光源的波长宽带可调谐性则可提升对抗系统的灵活性，避开探测器的前置滤波器，有效提升干扰或致盲成功率，为发展新型的机载、车载、舰载防御武器系统提供契机。

[0003] 此外，中红外可调谐超快脉冲激光源在激光通信、激光测距、激光雷达等方面也都有巨大的应用价值。例如在微创手术中，由于水分子在该波段范围内具有多个强吸收峰(2μm、3μm和6.5μm)，且相比于连续激光，超短脉冲激光作用时间小于生物组织热弛豫时间，其高峰值功率可生物组织产生光机械作用或微爆效应直接作用，极大地减少了热扩散导致的临近健康组织损伤，有效提升了组织切割和消融精度。同时，飞秒激光与材料作用时，由于脉冲持续时间远小于材料内部受激电子的弛豫时间，从根本上抑制热扩散，实现相对意义的“冷加工”大幅提高了加工精度，可获得尖锐的加工边沿和陡壁，因此在烧蚀、制孔和切割方面具有重要应用价值。综上可见，2～10μm波长可调谐的高能超短脉冲激光源在科研、国防、民用等领域有着重要的应用前景。

[0004] 目前产生宽带可调谐中红外超短脉冲激光的方法主要为非线性法，即通过非线性频率转化实现宽带中红外超短脉冲输出，如：光参量振荡(OPO)、差频产生(DFG)、光参量放大(OPA)、孤子自频移(SSFS)等。它们有各自的优点，但也存在着一些缺陷，如：OPO可实现大范围波长调谐，缺窄脉宽和高能量输出却难以兼顾；DFG需要两个高能种子信号，其脉冲能量受限于非线性晶体损伤阈值，且通常位于微焦水平；OPA单程增益大且可宽带调谐，然而高强度的超短脉冲泵浦极易损坏非线性晶体从而限制能量提升；SSFS可实现μm量级的中红外超短宽带波长可调谐，但受限于红外特种光纤低损伤阈值和高长波损耗，目前波长拓展尚未突破4.5μm且能量较低。而光参量啁啾脉冲放大技术(OPCPA)作为啁啾脉冲放大(CPA)与OPA的有机结合体，既能克服CPA过程中增益窄化、晶体损伤阈值、晶体尺寸等对条件的限制，又可充分利用OPA所具有的单程增益高、增益带宽大、热效应影响小、输出波长灵活可变等优点，是实现波长大范围调谐的中红外高能超短脉冲激光的理想方案。

[0005] 由于信号光的调谐范围将直接影响OPCPA技术的最终调谐范围，所以对于信号光源的选择也尤为重要。相比于传统OPA调谐方法，基于光纤内SSFS效应可实现波长大范围的连续调谐，特别适合作为OPCPA信号源。采用该方法获得的信号源，可实现全光纤结构，能大幅简化系统结构。同时，通过控制激光器中谐振腔群速度色散近零和系统内传输光纤长度，可有效管理OPCPA系统中泵浦脉冲和信号脉冲的时钟抖动问题。因此，光纤内SSFS效应和OPCPA技术的相互结合，是实现波长大范围调谐的高能量中红外超快脉冲激光输出的一种有效手段。

[0006] 在利用SSFS效应实现可调谐超快脉冲激光方面，2007年由Kivisto S等人搭建了线性腔结构的Tm/Ho共掺光纤激光器产生了超短脉冲，利用Tm/Ho共掺光纤作为频移光纤，获得了波长覆盖范围为1970～2150nm的超短脉冲。2015年，由M.Y.Koptev等人搭建了基于可饱和吸收体的掺铒光纤激光器，利用悬芯微结构高非线性亚碲酸盐光纤(TeO2-WO3-La2O3)作为频移光纤，其调谐的覆盖范围在1600～2150nm，最终输出的孤子能量只有～2nJ。2016年，S.Duval等人实现了一个简单而有效的完全基于掺铒氟化物软玻璃光纤的激光系统，该系统在高平均输出功率下产生可调谐的2800～3600nm的高能拉曼孤子脉冲。同年，Y.Tang等人利用掺铒激光放大器产生超短脉冲，采用氟化物光纤作为频移光纤，获得了5nJ的超短脉冲，并获得了较宽的调谐范围为2000～4300nm。

[0007] 综上研究，在频移光纤的选择上，可以利用一种高性能氟碲酸盐玻璃体系(组分为：TeO2-BaF2-Y2O3)，其玻璃转变温度比传统的碲酸盐、氟化锆基玻璃高100℃以上。另外，已有理论研究证实了微结构氟碲酸盐光纤在高功率泵浦条件下实现2～5μm孤子自频移脉冲的可能性，同时在实验上获得了1.96～2.82μm的可调谐超短激光输出。丹麦科技大学O.Bang等在基于硫系玻璃光纤的1.3～13.3μm超连续谱光源研究实验中，观察到了波长大于10μm的光孤子。上述研究表明，频移光纤中产生的SSFS效应能够是超快激光波长突破4.5μm，但是它在波长调谐范围提升方面仍存在着极大的限制。

[0008] 在利用OPCPA技术实现高能超快脉冲激光方面，2011年，奥地利维也纳理工大学G.[0009] Andriukaitis等率先利用一台Yb:KGW克尔棱镜锁模激光器作为OPCPA系统的前端，通过分束和光学同步，一路经Nd:YAG皮秒再生放大器后作为泵浦，另一路经Yb:CaF2啁啾脉冲放大后进入KTP-OPA系统产生波长为3.9μm的中红外作为信号，基于两级KTA晶体的OPCPA实现了脉冲能量高达8mJ、峰值功率为90GW、重复频率为20Hz的中红外超短脉冲输出，脉冲宽度为83fs。但是，该种结构仍然采用传统OPA作为调谐信号光，且泵浦脉冲和非线性晶体存在的问题，使得波长难以大范围调谐、转化效率难以大幅提升。

[0010] 图1是现有的一种基于SSFS(孤子自频移)效应的可调谐超短脉冲激光系统框图，主要由两个部分组成：基于SESAM(可饱和吸收镜)的被动锁模掺铥光纤主振荡器和掺铥光纤放大系统。主振荡器的泵浦源采用国产1560nm的掺铒激光器。增益光纤是长度为0.15m、纤芯直径为5.5μm的单包层的铥光纤，该光纤内2μm波段光传输时产生的群速度色散值约2
为-70ps/km。腔内利用了超高数值孔径光纤作为色散补偿光纤(UHNA)，以便于对腔净色散量进行管理，2μm波段光在色散补偿光纤内传输时产生的群速度色散值约为90ps2/km。法拉第旋转镜用于将光反射回腔体中，同时借助耦合器输出30％激光信号。整个线性腔的腔长约为2.93m，腔内净色散值大于零，该主振荡器最终获得了200fs的耗散孤子输出。所述的掺铥光纤放大器系统由作为泵浦的两个793nm激光二极管作为激光泵浦源、合束器，以及长度为4m的双包层的铥光纤构成，其中铥光纤的纤芯/包层为10/130μm。种子源(输入端)和掺铥放大系统之间引入了级联的隔离器和偏振控制器，其中隔离器用于确保激光保持单向传输，偏振控制器则用于调节激光进入掺铥放大系统前的偏振方向，实现种子信号的高效转化。在掺铥光纤放大系统基于掺铥增益光纤内的孤子自频移效应，最终获得了波长可调谐的超短脉冲，其调谐范围在1.9～2.36μm，种子信号的拉曼转换效率高达97％，其输出功率最高为1.16W。

[0011] 这种系统的缺点包括：

[0012] (1)获得的超短脉冲激光的脉冲能量和平均功率都较低；

[0013] (2)采用双包层掺铥光纤作为频移光纤，拉曼转换效率高，但获得的超短脉冲激光的可调谐范围较窄。

[0014] 图2是现有的另一种啁啾脉冲放大系统的框图，主要由飞秒激光啁啾脉冲放大(CPA)和皮秒OPCPA系统(光参量啁啾脉冲放大系统)两个部分构成，产生了周期较少、中心波长在3～9μm的闲散波脉冲。整个系统的前端是一个自制的Yb:KGW克尔棱镜锁模激光器，通过分束和光学同步，以0.5kHz的重复频率驱动三个白光种子光源形成与光参量放大器(fs KTP OPA)的级联。以及经6mm长度的无涂层Nd:YAG皮秒再生放大器后作为泵浦。另一路经Yb:CaF2啁啾放大器和光参量放大器放大后进入KTP-OPA系统产生波长为3.9μm的中红外作为信号。在KTP-OPA系统中基于KTA晶体级联的OPCPA系统实现了一个紧凑的重复频率20Hz、中心波长3900nm、尾至尾频谱延伸超过600nm的脉冲激光，其脉宽为83fs、能量为8mJ。
同时，通过KTP相位匹配角的轻微失谐和连续OPA阶段泵脉冲延迟的调整，可以预测OPCPA种子脉冲的频谱。该系统具有较长的光学周期(～13fs)和高的峰值功率，为超短激光科学研究开辟了一系列道路。

[0015] 这种系统的缺点包括：

[0016] (1)空间结构的设计使得整体结构复杂，大量空间光传输过程中的损耗较大。

[0017] (2)由于非线性晶体的原因，OPCPA系统输出的脉冲能量较低，而且不能实现中红外波段的大范围波长调谐。

[0018] 综上所述，激光系统中信号光源的调谐范围大小限制了中红外宽带可调谐超短脉冲激光在调谐范围上的大幅度提升。同时，中红外OPCPA中非线性晶体也是制约高能量中红外超快脉冲发展关键因素，传统的长波非线性晶体如：AgGaS2、ZnGeP2、AgGaSe2存在热膨胀各向异性大、热导率低、损伤阈值低、晶体生长困难等缺陷，导致激光器能量、转化效率等难以进一步提升。

发明内容

[0019] 本发明提供了一种基于孤子自频移的宽带可调谐的光参量啁啾脉冲放大系统，使在光纤激光系统和高能激光系统中可以抑制超连续谱激光的产生，并且提升种子信号在光参量啁啾脉冲放大系统的能量转化效率。

[0020] 本发明基于孤子自频移的宽带可调谐的光参量啁啾脉冲放大系统，由脉冲激光器产生拉伸孤子脉冲激光作为种子信号传递到由展宽器、放大器和压缩器构成的全光纤啁啾脉冲放大系统中，然后输出超短脉冲激光到由两种不同类型的非线性光纤级联结构构成的光纤频移系统中，通过将光纤频移系统产生的2～10μm宽带的可调谐超短脉冲激光输出到BaGa2GeSe6结构的晶体，晶体连接有用于与可调谐超短脉冲激光的相位相匹配的激光源，通过晶体输出宽带可调谐的中红外超短激光。

[0021] 本发明是将基于光纤孤子自频移的非线性波长拓展技术和光参量啁啾脉冲放大技术相结合，创新的将拉伸孤子脉冲作为产生孤子自频移效应的激光种子源，采用了两种不同类型的高非线性光纤级联结构，用来产生级联孤子自频移效应，获得了宽带可调谐的超短脉冲激光。同时，通过红外非线性光学晶体材料BaGa2GeSe6的可透过波长范围覆盖了0.5～18μm波段的特性，以及其具有高抗损伤能力、高非线性系数、吸收低、可以支持大口径生成等特点，对2～10μm可调谐超短激光进行了有效放大，最终获得稳定的高能超短脉冲激光的输出，高效快捷的解决了目前高能量中红外超快脉冲系统中采用的AgGaS2、ZnGeP2、AgGaSe2等晶体存在的热膨胀各向异性大、热导率低、损伤阈值低、晶体生长困难等缺陷，有效提高了激光器能量的转化效率。

[0022] 进一步的，脉冲激光器通过偏振无关隔离器将拉伸孤子脉冲激光传递到所述的全光纤啁啾脉冲放大系统中。通过全光纤啁啾脉冲放大系统对拉伸孤子脉冲进行功率放大，确保了在提高超短脉冲功率的同时光谱也不会发生畸变。

[0023] 进一步的，在所述全光纤啁啾脉冲放大系统和光纤频移系统之间设有使超短脉冲激光单向传输的单向隔离器。

[0024] 进一步的，所述构成光纤频移系统的两种不同类型的非线性光纤，为级联的氟碲酸盐微结构光纤和AsSe/AsS光纤。利用级联的氟碲酸盐微结构光纤和复合型的硫系玻璃光纤产生孤子自频移效应，获得了高能量、波长宽带可调谐的2～10μm的中远红外超短脉冲光纤激光。

[0025] 进一步的，在氟碲酸盐微结构光纤的上游和下游分别设有光纤型模场适配器，以实现种子信号在系统内的高效耦合和低损传输。

[0026] 优选的，所述的脉冲激光器为全光纤混合被动锁模光纤激光器。

[0027] 优选的，所述的放大器为主振荡器功率放大器。

[0028] 优选的，所述的压缩器为光栅压缩器。

[0029] 本发明实现了对孤子自频移的调谐范围最大化的同时，还抑制了其它非线性效应产生的不利影响(如超连续谱等)，显著的提升了脉冲性能。并且通过将两种不同类型的高非线性光纤相结合产生级联孤子自频移效应，突破了单一光纤获得的超短脉冲波长调谐范围，实现了超宽带、波长可连续调谐的高能超短脉冲激光输出，其调谐范围宽至8μm，且最长波长可达10μm甚至更远。同时还实现了超宽带超短信号源脉冲能量、峰值功率的大幅提升。

[0030] 以下结合实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

附图说明

[0031] 图1为现有的一种基于孤子自频移效应的可调谐超短脉冲激光系统的框图。

[0032] 图2为现有的一种啁啾脉冲放大系统的框图。

[0033] 图3为本发明的系统框图。

[0034] 图4为通过图3的系统，晶体相位匹配角随波长的变化关系图。

具体实施方式

[0035] 如图3所示本发明基于孤子自频移的宽带可调谐的光参量啁啾脉冲放大系统，由全光纤混合被动锁模光纤激光器结构的脉冲激光器1产生拉伸孤子脉冲激光作为种子信号，通过偏振无关隔离器2将种子信号传递到由展宽器3、放大器4和压缩器5构成的全光纤啁啾脉冲放大系统中，通过全光纤啁啾脉冲放大系统对拉伸孤子脉冲进行功率放大，确保了在提高超短脉冲功率的同时光谱也不会发生畸变。其中放大器4为主振荡器功率(MOPA)放大器，压缩器5为光栅压缩器。然后将输出的高功率、高能量的超短脉冲激光通过使其单向传输的单向隔离器6传递到由级联结构的氟碲酸盐微结构光纤7和AsSe/AsS光纤8构成的光纤频移系统中。并且在氟碲酸盐微结构光纤7的上游和下游分别设有光纤型模场适配器12，以实现种子信号在系统内的高效耦合和低损传输。然后通过将光纤频移系统产生的2～
10μm宽带的可调谐超短脉冲激光输出到BaGa2GeSe6结构的晶体10，晶体10连接有用于与可调谐超短脉冲激光的相位相匹配的激光源9，通过晶体10输出宽带可调谐的中红外超短激光11。

[0036] 在氟碲酸盐微结构光纤7和AsSe/AsS光纤8构成的光纤频移系统内产生级联孤子自频移效应，使信号波长随泵浦功率的提升而不断红移。通过控制变量法可以得知泵浦参数与级联光纤参数对孤子脉冲频移特性(时域及频域形态、能量转换效率和稳定性等)的影响，由此实现了最佳的2～10μm宽带可调谐超短脉冲激光输出。该状态下将宽带可调谐脉冲激光注入BaGa2GeSe6结构的晶体10后，通过2μm的激光源9泵浦，利用多维调整架改变晶体10的方位角，可以实现可调谐脉冲信号与光源9之间的相位匹配。

[0037] 如图4所示，在2μm泵浦、2.2～10μm种子信号的注入条件下，晶体10的相位匹配角随波长的变化关系可以看出，通过旋转晶体10的角度能够实现不同波长上良好的相位匹配，从而实现宽带可调谐的中红外超短激光脉冲的输出。