[发明专利]一种基于窄带光谱滤波的低时间抖动光纤飞秒激光器

说明书

技术领域

本发明属于超快激光技术领域，涉及一种低时间抖动光纤飞秒激光器。

背景技术

飞秒(fs，10^-15s)激光器输出的超短脉冲序列具有脉冲宽度窄、峰值功率高、光束质量好等特点，自其诞生之日起便在诸多领域获得了广泛的应用。近年来，激光器噪声理论的发展和测量手段的进步使得飞秒激光独有的低时间抖动特性逐渐凸显，进而推动了其作为信号源在高精度距离测量、泵浦探测实验、时钟信号发布等前沿领域的应用。飞秒激光器的时间抖动本质上来源于增益介质内的放大自发辐射噪声，这种噪声成分可以同时在光谱域和时域影响脉冲的分布，引起脉冲的时间抖动。为了获取低时间抖动的超短脉冲序列，飞秒激光器腔内动力学过程的优化一直是研究的重点。以掺杂晶体为增益介质的固体激光器在该方面一直有比较明显的优势，其中最典型的例子就是掺钛蓝宝石激光器，凭借其超高的腔内脉冲能量和超窄的腔内脉冲宽度，一直保持着低时间抖动的纪录。但是，固体激光器一般基于分立元件搭建，对腔内光场空间耦合的精度要求极高；另外，块状增益介质散热较慢，热量的积累会限制腔内平均功率的进一步提高。因此，固体激光器对工作环境的温度、湿度、机械振动等指标的要求非常苛刻，导致其运行与维护成本高，难度大，无法真正实现实用化。

相比于固体激光器，光纤飞秒激光器的光场分布主要被限制在纤芯内部，对空间耦合精度要求低，对外界环境变化不敏感；光纤狭长的波导结构可以加快同外界的热量交换，有效减缓了光纤内部的热量积累；另外，光纤激光器输出光束质量高，结构紧凑，价格低廉，易于操作，更易于适应复杂的应用环境。与固体激光器不同的是，光纤激光器腔内的波导结构会引入更大的色散量和更加丰富的非线性效应，这使得谐振腔内的脉冲演化方式更加多样，因此时间抖动的优化也更为复杂。当腔内净色散量较大时，脉冲在腔内的动力学过程往往比较单一，运转相对稳定。但是，大量的腔内色散会将脉冲在光谱域的中心波长漂移显著地耦合到脉冲的时域分布中，加剧时间抖动；同时，大量的腔内色散也会造成脉冲在增益光纤内的平均宽度较宽，使得放大自发辐射噪声更容易影响脉冲的时域位置，同样会加剧时间抖动。因此，当前最常用的光纤激光器时间抖动的优化思路主要包括消除色散影响和降低腔内平均脉冲宽度两个方面：首先，通过腔内色散管理，使激光器腔内净色散量接近零，从而抑制由脉冲的中心波长漂移耦合而来的时间抖动的成分；另外，通过调节腔内的其它各项参数，使激光器工作在呼吸孤子锁模状态，尽量降低脉冲在腔内的平均宽度，从而抑制其时间抖动水平的上升。到目前为止，上述优化方法已经在实验中取得了显著成果，光纤飞秒激光器的时间抖动水平已降低到与固体飞秒激光器相同的量级。但是，对于工作在净零色散的光纤飞秒激光器，其锁模状态往往不是唯一的，不同状态之间的时间抖动水平会有比较大的差异。因此，低时间抖动状态的出现往往需要反复优化腔内的色散量及锁模状态，调节难度大。另外，脉冲的演化过程容易受到腔内外微扰的影响，致使激光器的工作状态在不同锁模状态之间无规律跳变，甚至出现多脉冲运转，极大地降低了系统的可重复性和长期稳定性，从而抵消了光纤激光器的实用化优势。

因此，在光纤激光器中实现调节简单、可重复性好、长期稳定性高的低时间抖动锁模运转，是突破低噪声光纤飞秒激光器实用化瓶颈的关键技术之一，对于光纤飞秒激光器的实用化发展具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提出一种基于窄带光谱滤波的低时间抖动光纤飞秒激光器，该飞秒激光器不需要反复优化腔内的净色散量及锁模状态，在不同净色散条件下均可以实现低时间抖动运转，结构简单，操作方便，可重复性和长期稳定性好，能够获得实用化的低时间抖动超短脉冲序列。

本发明所采用的技术方案是：一种基于窄带光谱滤波的低时间抖动光纤飞秒激光器，包括：光纤耦合激光二极管、波分复用光纤耦合器、掺镱单模光纤、第一光纤准直器、第一四分之一波片、第一二分之一波片、空间光隔离器、窄带光谱滤波器、第二二分之一波片、反射镜、第一光栅、第二光栅、爬高镜、第二四分之一波片和第二光纤准直器；

光纤耦合激光二极管输出泵浦激光，光纤耦合激光二极管的光纤输出端与波分复用光纤耦合器的泵浦激光输入端熔接，波分复用光纤耦合器的信号输出端与掺镱单模光纤输入端熔接，波分复用光纤耦合器将泵浦激光输入掺镱单模光纤，使掺镱单模光纤中的掺杂离子跃迁到激发态，形成粒子数反转，放大输入的激光脉冲；