[发明专利]基于增益整形的超高斯脉冲产生方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于超快激光技术领域，涉及一种高功率高信噪比宽带超高斯脉冲产生方法，以及实现该方法的装置。

背景技术

光纤超短脉冲激光系统可以输出高平均功率、高重复频率的飞秒级(fs，10^-15 s)激光脉冲，同时具有优异的光束质量和稳定性，已经在科学实验和工业生产领域获得广泛研究，成为物理、化学等基础学科，新一代同步光源、惯性约束核聚变等大科学工程，高精密光学测量，生物医学成像，超精密外科手术以及微纳米工业加工等领域研究的有力工具。与以钛宝石为代表的块状固体激光系统相比，高功率的光纤激光器还具有价格低廉，结构简单紧凑，易操作等突出优势，更适合实际应用。但是，光纤细长的波导结构所带来的非线性效应增强，使得光纤飞秒激光系统输出的脉冲能量、脉冲宽度以及峰值功率指标都落后于钛宝石系统。近几年，掺镱光纤啁啾脉冲放大(CPA)系统泵浦的光学参量放大(OPA)技术在输出高平均功率、窄脉冲宽度、高峰值功率、高重复频率以及波长可调谐的飞秒激光脉冲方面表现出极大优势，而且相比于固体激光泵浦系统，光纤系统的紧凑结构更能满足基础科学研究及工业加工等领域的应用需求，具有平顶的超高斯时域形状的泵浦光脉冲可有效提高OPA过程的转换效率和增益带宽。

近年来，诸如液晶空间光相位调制器(LC-SLM)、电光调制器(EOM)、声光可编程色散滤波器(AOPDF)等多种主动脉冲整形系统已经被用于光纤放大系统，或抑制纳秒(ns，10^-9 s)级超高斯脉冲在光纤放大器增益饱和作用下的脉冲变形，或补偿宽带脉冲在增益窄化作用下的脉冲畸变和非线性相位积累，在产生高功率平顶激光脉冲以及消除去啁啾脉冲基底等方面取得了显著成果。但是，这种通过引入附加无源分立元件的主动脉冲整形方法，不仅能承受的入射光平均功率较低，频谱宽度有限，而且为放大系统带来了额外的功率损耗和带宽损失，并不利于高功率高信噪比的宽带脉冲输出。除此之外，此类整形系统所采用的反馈控制算法大都比较复杂，系统占用空间大，光路调节困难，极大的增加了系统成本和复杂性，由此也丧失了光纤飞秒激光放大系统最主要的优势，不利于实际应用。

因此，不引入任何附加整形元件，直接从光纤放大器获得高功率(>100W)高信噪比(>40dB)的宽带(>20nm)超高斯脉冲，对于光纤CPA系统泵浦的OPA技术发展具有重要意义，是突破光纤飞秒激光放大系统输出脉冲宽度和峰值功率瓶颈的关键技术之一。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于增益整形的高功率高信噪比宽带超高斯脉冲产生方法及实现该方法的装置，不需要分立主动脉冲整形系统，无附加功率损耗和带宽损失，操作简单，方便扩展为多级放大结构，能够实现高功率和高信噪比的宽带超高斯脉冲输出。

本发明的技术解决方案是：基于增益整形的超高斯脉冲产生方法，包括如下步骤：

(1)产生带宽大于20nm的线性啁啾激光脉冲；

(2)调整所述线性啁啾激光脉冲的中心波长，使其长于光纤放大器掺杂的增益离子的本征发射谱线的峰值波长；

(3)选取至少一个光纤放大器作为一级前置放大器，调整各级前置放大器的增益光纤长度和泵浦光功率，使得各前置放大器的增益系数谱线均呈现下三角形状；

(4)将调整中心波长后的线性啁啾激光脉冲顺序通过各级前置放大器，利用前置放大器自身的增益整形作用，改变调整中心波长后的线性啁啾激光脉冲的频域和时域形状，得到增益窄化的下三角形啁啾脉冲；

(5)选取一个光纤放大器作为主放大器，调整主放大器的增益光纤长度，使得主光纤放大器的增益光纤长度是前置放大器光纤长度的1～3倍，同时调整主放大器的泵浦光功率，使得主放大器的增益谱线中心波长长于前置放大器的增益谱线中心波长；

(6)将所述增益窄化的下三角形脉冲注入主放大器，利用主放大器的增益整形作用，对所述下三角形啁啾脉冲进行功率放大和脉冲整形，形成超高斯形脉冲。

所述的增益离子为镱离子。所述的线性啁啾激光脉冲的中心波长为1040～1060nm。所述的前置放大器的增益光纤长度为1.5m～2.0m。