[发明专利]基于多通脉冲压缩器的兆赫兹光子晶体光纤超短脉冲激光器

说明书

技术领域

本发明涉及了一种基于多通脉冲压缩器的兆赫兹光子晶体光纤超短脉冲激光器，属于超短脉冲激光技术领域。

背景技术

在先技术[1]是一种能够输出1MHz重复频率、微焦耳量级单脉冲能量的光纤啁啾脉冲放大系统。它包含一个提供28MHz重复频率种子脉冲的光纤超短脉冲振荡器，并依靠声光调制器(AOM)将重复频率降至1MHz，同时该系统还包含一个光纤展宽器(fiber stretcher)和两级光纤放大器，因而系统非常复杂，成本非常高昂。由于普通光纤的模场面积小、非线性系数高，以其为主体构成的光纤超短脉冲振荡器无法支持高单脉冲能量的超短脉冲，因而上述基于普通光纤的低重复频率、高脉冲能量超短脉冲系统中的展宽器和两级放大器是必备的，继而提高了系统的复杂性和成本。

在先技术[2]是一种基于多通单元的钛宝石固体超短脉冲激光器，该系统利用两组多通单元将腔长延展至75m，在2MHz重复频率下获得了800nm中心波长、505nJ单脉冲能量的飞秒脉冲。但是该系统对泵浦源的要求非常高，使用的是Coherent公司价格昂贵的Verdi系列产品。

近几年，大模场面积光子晶体光纤已实现大模场面积的单横模运转，这使得基于大模场面积光子晶体光纤的超短脉冲振荡器输出的单脉冲能量可以高达百纳焦耳甚至微焦耳量级，并且这样的系统具有结构简单，成本低廉，维护简单，运行稳定，输出光束质量高等优点，因此在近年得到巨大的发展，多项输出指标已经接近或超过同类固体超短脉冲激光器，在很多应用领域正逐步取代固体超短脉冲激光器。

在先技术[3]构成的光子晶体光纤飞秒脉冲激光器的重复频率高达数十兆赫兹(～10MHz)，输出的单脉冲能量高达微焦耳量级(μJ)，从而对应的输出平均功率将会达到数十瓦特。由于高重复频率脉冲序列内相邻脉冲的时间间隔很小，高平均功率脉冲在激光器腔内各器件上积累的热效应相当显著，极易对元件带来热致损伤。此外，当利用高重复频率、高平均功率脉冲进行微纳加工时，脉冲在加工区域累积的热效应非常显著，不能够获得非常干净的加工边缘，丧失了超短脉冲加工热效应小的特点。

作为光子晶体光纤超短脉冲激光器增益介质的光纤在1040nm附近的波段内提供正常色散(normal dispersion)，同时光纤的自相位调制(self-phase modulation，SPM)效应会给脉冲带来正啁啾，而正啁啾脉冲在正色散域光纤内传输时，脉冲会不断展宽直至分裂，因此需要在激光振荡器的谐振腔内引入色散补偿器件，提供一定量的负色散以稳定脉冲。传统的腔内补偿技术有棱镜对、光栅对以及色散镜补偿技术。棱镜对补偿技术能补偿的色散量较小，且两个棱镜的间距通常很大，只适于如在先技术2构建的材料色散较小(～100fs²量级)的固体超短脉冲激光器。而光栅对补偿技术虽然能够在较小的间距下提供较大的色散补偿量，但是光栅负1级的单次衍射效率通常只能达到90％，即使采用造价高昂的高效率透射型光栅，理论上单次衍射效率也只能达到97％，因此脉冲往返经过光栅对装置后，其能量损耗很大(1-0.97⁴×100％＝11.47％)。此外，棱镜对和光栅对补偿技术都会在激光器腔内引入一段含有空间色散的光路，这就给激光器腔内的光路调节带来了诸多不便。色散镜补偿技术基于专门设计的多层介质膜系对脉冲进行色散补偿，且能够同时实现非常高的反射率。2008年出现了一种新型的高色散补偿镜(high-dispersive mirrors)，其单次反射的色散补偿在800nm处达到了-1300fs²，780～820nmn的平均反射率达到了99.95％，而在1030nm附件波段达到了-2500fs²，平均反射率达到了99.99％。另外，色散补偿镜技术并不引入空间色散，能够针对特定的脉冲啁啾情况采取灵活的设计，同时补偿低阶和高阶色散，并可以通过多次反射以补偿较大色散，是一种非常理想的补偿技术。但是，传统的色散镜补偿技术通常在平面镜片基底上制作色散补偿膜系，在多次反射后，光斑通常变的很大，需要额外增加缩束元件，带来了额外的能量损耗，增加了系统的元件数量和复杂性，并且不易方便调节。

有关涉及到本发明技术的文献和报道如下：