[发明专利]一种全光纤结构的高能量矩形激光脉冲产生系统及方法

说明书

本发明公开了一种全光纤结构的高能量矩形激光脉冲产生系统及方法，旨在解决现有光纤激光器难以实现高能量矩形脉冲输出的技术问题。所述系统包括依次通过单模光纤(8)连接的泵浦源(1)、波分复用器(2)、掺镱增益光纤(3)、新型可饱和吸收体(4)、偏振无关隔离器(5)、输出耦合器(6)和偏振控制器(7)。本发明具有结构简单，成本低廉，稳定性好等优点，在应用上可直接作为皮秒以及纳秒脉冲光源使用，也可以作为高能量脉冲放大器的种子源。本发明提出的产生高能量矩形脉冲的方法，对于设计满足特定要求的新型可饱和吸收体具有十分重要的指导意义。

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种全光纤结构的高能量矩形激光脉冲产生系统及方法的设计。

背景技术

高能量的超短脉冲光纤激光器在通信、传感、精密机械加工、材料处理、生物医学和国防军事等领域均有重要的应用。一般采用锁模技术获得超短脉冲(脉冲宽度在皮秒或飞秒量级)，锁模技术主要可以分为主动锁模、被动锁模两种。相比于主动锁模，被动锁模技术由于不需要额外引入调制器，具有结构简单紧凑、易于实现全光纤化等优势，成为研究热点，具有重要的应用价值。

被动锁模技术是利用可饱和吸收体(saturable absorber)的非线性损耗特性实现锁模。其基本原理是利用光纤或其他器件的非线性光学效应对输入脉冲的强度依赖性，实现腔内各纵模间相位锁定，进而获得超短脉冲。各种锁模技术，如非线性偏振旋转(NPR)、半导体可饱和吸收体镜(SESAM)、单壁碳纳米管(SWCNT)等已经被成功用于实现稳定的锁模脉冲输出。但这些技术都存在一些不足，NPR锁模技术对偏振态十分敏感，容易受到外界环境扰动；SESAM制作工艺复杂，生产成本高；SWCNT可饱和吸收体制作时其直径不可控，使得其对特定的激光波长具有较大的插入损耗，导致可饱和吸收效应不明显。以上的这些缺点激励了研究人员不断探寻新的锁模器件。

2004年英国曼彻斯特大学的A.K.Geim和K.S.Novoselov等人利用机械剥离法从块状石墨上得到二维纳米材料石墨烯。由于石墨烯具有优异的电子学、光学特性，已在纳米电子学、超级电容器、新能源电池、超快光学等领域获得广泛应用。随着石墨烯的成功应用，研究人员将目光投向其他类石墨烯(Graphene-like)二维材料上。MoS₂、WS₂等过渡金属硫化物相继被用作可饱和吸收体用于光纤激光器锁模。同时，科研人员也尝试通过将这些新型二维材料像搭积木的方式堆叠起来，形成范德瓦尔斯异质结(Van der Waalsheterostructures)，它是一种人造二维材料，其最大特点是材料的结构及其电子学、光学特性可根据需要人为设计。

一般而言，随着泵浦功率的增加，锁模光纤激光器中的脉冲将积累很强的非线性相移。过度的非线性相移在色散的作用下，脉冲将发生畸变，引起光波分裂(wave-breaking)，腔内形成多脉冲(multipulse)。这极大地限制了输出脉冲的单脉冲能量。因此，为了得到高能量的脉冲，必须对激光腔内非线性效应进行合理的控制。通常的方案是在激光腔内进行色散设计，根据输出锁模脉冲的不同特性，可将其大致分为传统孤子(conventional soliton)、展宽脉冲(stretched pulse)、自相似脉冲(self-similarpulse)以及耗散孤子(dissipative soliton)四类。