[发明专利]基于有源谐振腔的自相似超短脉冲放大系统及其工作方法

说明书

本发明公开了一种基于有源谐振腔的自相似超短脉冲放大系统及其工作方法，其特征在于所述自相似超短脉冲放大系统包括依次连接的光学频率梳状发生器、预啁啾管理装置、有源光学谐振腔以及色散补偿装置，其中，所述有源光学谐振腔上还连接有电子控制线路以及泵浦激光器。本发明的优点是，基于外腔增强技术，使用固体增益介质实现超短脉冲的自相似放大，克服了增益窄化，实现在放大过程中光谱的非线性展宽，提高了脉冲对比度，并有效抑制了光纤放大器在高功率放大过程中遇到的模式不稳定、自聚焦等问题；该系统能作为研究强场激光物理学、非线性光学可靠的科研工具。

技术领域

本发明属于超快激光技术领域，具体涉及一种基于有源谐振腔的自相似超短脉冲放大系统及其工作方法。

背景技术

随着激光技术的快速发展，具有极高的峰值功率，极窄的脉冲宽度的超短脉冲光源直接将研究和工业生产带入了微观超快过程领域。近年来，伴随着激光脉冲宽度降低到几十飞秒甚至几个飞秒，超短脉冲在光纤通信、非线性光学、光学传感、微纳加工、医疗、激光测量等领域扮演着越来越重要的角色。

当前的高峰值功率超短脉冲激光放大系统主要采用啁啾脉冲放大技术（CPAchirped-pulse amplification）来提高脉冲峰值功率。其基本原理是，种子脉冲进入放大器之前，使用正色散元件将其脉冲宽度展宽至几百皮秒甚至几个纳秒，从而将其峰值功率降低几个数量级，然后啁啾脉冲在光纤放大器中被放大，最后通过负色散元件对其进行压缩。这样可以避免放大过程中非线性效应的积累，提高脉冲质量和放大效率。然而对于现有的激光增益介质，尽管都有很宽的原子增益线宽，但是只有在原子中心频率附近才有最大的受激辐射截面，所以在脉冲放大器中，脉冲两边缘处的频谱成分不能得到有效放大，而中心频率成分被充分放大，这就导致了放大后的脉冲光谱变窄，即所谓的增益窄化效应。增益窄化效应直接限制了高功率脉冲的频谱宽度，而激光器系统输出的最窄脉冲宽度又与频谱的宽度成反比。因此减小增益窄化效应对高功率超短脉冲激光器的影响，已经成为高功率飞秒激光研究领域的重要课题。

20世纪末提出的自相似放大技术（SSA，self-similarity amplification），利用较长的高增益正色散光纤作为增益介质，使飞秒脉冲在放大过程中经历自相似传输过程，频谱和脉冲宽度同时展宽，有效的抑制了增益窄化效应，具有高增益、高效率、结构简单的优点，近年来引起了科研机构的广泛关注。由于自相似放大技术属于利用了脉冲的非线性传输特性，相比以啁啾脉冲放大技术为代表的线性放大技术，能有效的抑制放大自发辐射（ASE）提高脉冲对比度。但是，现有自相似放大器都需要脉冲经过足够长的增益光纤，在正色散，非线性效应，增益的共同作用下形成自相似演化。而现有的增益光纤如单模增益光纤、双包层光纤，大模场光子晶体光纤等，在高功率时又会受限于自聚焦和模式不稳定效应的影响导致输出光斑质量劣化。这一缺陷严重限制了使用自相似放大技术获得高峰值功率的超短脉冲。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于有源谐振腔的自相似超短脉冲放大系统及其工作方法，该自相似超短脉冲放大系统通过光学频率梳状发生器产生脉冲输入有源光学谐振腔内，同时控制该有源光学谐振腔的腔长和注入脉冲的色散量，实现注入脉冲在谐振腔内的相干叠加和光谱展宽，最后在脉冲输出后通过脉冲压缩装置对脉冲进行压缩，获得高峰值功率、宽带光谱的超短脉冲输出。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种基于有源谐振腔的自相似超短脉冲放大系统，其特征在于所述自相似超短脉冲放大系统包括依次连接的光学频率梳状发生器、预啁啾管理装置、有源光学谐振腔以及色散补偿装置，其中，所述有源光学谐振腔上还连接有电子控制线路以及泵浦激光器。

所述有源光学谐振腔包括在光路上依次连接的输入耦合镜、非线性晶体、输出镜、曲面镜A、偏振控制装置、增益介质以及曲面镜B，其中，所述输入耦合镜接所述预啁啾管理装置，所述输出镜接所述色散补偿装置，所述曲面镜B的光路反射角度指向所述输入耦合镜，所述增益介质连接所述泵浦激光器。