[发明专利]一种产生高能量矩形脉冲的全光纤激光系统及方法

权利要求书

1.一种产生高能量矩形脉冲的全光纤激光系统，其特征在于，包括依次连接的被动锁模光纤激光器(1)、隔离器(2)、光纤放大器(3)、第一普通单模光纤(4)、高非线性光纤(5)、可编程光学滤波器(6)和第二普通单模光纤(7)；所述可编程光学滤波器(6)用于将高非线性光纤(5)输出光脉冲的光谱整形为矩形；所述第二普通单模光纤(7)用于将可编程光学滤波器(6)输出的光谱为矩形的脉冲转变为时域为矩形的光脉冲。

2.根据权利要求1所述的一种产生高能量矩形脉冲的全光纤激光系统，其特征在于，所述被动锁模光纤激光器(1)为工作在净正色散或全正色散区的掺铒锁模光纤激光器，输出为耗散孤子脉冲，其脉冲时域形状为高斯形，对应的光谱形状近似为矩形，输出脉冲的中心波长λ为：1550nm，输出脉冲重复频率在MHz量级。

3.根据权利要求1所述的一种产生高能量矩形脉冲的全光纤激光系统，其特征在于，所述隔离器(2)为偏振无关光隔离器，用于隔离光纤放大器(3)的反射光波，防止反射光返回到被动锁模光纤激光器(1)中干扰甚至破坏锁模运转。

4.根据权利要求1所述的一种产生高能量矩形脉冲的全光纤激光系统，其特征在于，所述光纤放大器(3)为掺铒光纤放大器。

5.根据权利要求1所述的一种产生高能量矩形脉冲的全光纤激光系统，其特征在于，所述第一普通单模光纤(4)的长度为75m，在1550nm处具有负色散。

6.根据权利要求1所述的一种产生高能量矩形脉冲的全光纤激光系统，其特征在于，所述高非线性光纤(5)的长度为100m，在1550nm处具有近零负色散。

7.根据权利要求1所述的一种产生高能量矩形脉冲的全光纤激光系统，其特征在于，所述可编程光学滤波器(6)的滤波带宽范围满足：1nm≤F_BW≤70nm。

8.根据权利要求1所述的一种产生高能量矩形脉冲的全光纤激光系统，其特征在于，所述第二普通单模光纤(7)的长度为10km，在1550nm处具有负色散。

9.一种产生高能量矩形脉冲的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、当被动锁模光纤激光器(1)的泵浦功率超过锁模阈值后，激光器在腔内增益、损耗、色散以及非线性效应等共同作用下实现稳定的锁模脉冲输出，输出脉冲为典型的耗散孤子，其脉冲时域形状为高斯形，对应的光谱形状近似为矩形；

S2、为了进一步提高被动锁模光纤激光器(1)的输出脉冲能量，将其输出的耗散孤子脉冲输入至光纤放大器(3)中进行功率放大；

S3、经光纤放大器(3)放大后的脉冲具有较大的正啁啾，其脉冲宽度在皮秒量级，为了获得高峰值功率的飞秒脉冲，将光纤放大器(3)的输出脉冲输入至第一普通单模光纤(4)中进行传输，在负群速度色散效应作用下，第一普通单模光纤(4)输出脉冲的脉冲宽度被压缩至飞秒量级，其峰值功率可达到kW量级；

S4、将第一普通单模光纤(4)输出的高峰值功率飞秒脉冲输入至高非线性光纤(5)中进行传输，由于入射脉冲具有很高的峰值功率，在高非线性光纤(5)中传输时可以引起诸如自相位调制、受激拉曼散射、四波混频等非线性效应，同时由于光纤具有近零负色散，脉冲在传输过程中可以一直保持较高的峰值功率，因而持续不断地受到非线性效应的作用；最终，高非线性光纤(5)输出脉冲的光谱宽度相比于入射脉冲迅速展宽；

S5、步骤S4在使得脉冲光谱展宽的过程中也将不可避免的降低光谱顶部的平坦度，为此，将高非线性光纤(5)输出的宽光谱脉冲输入至可编程光学滤波器(6)中进行光谱整形，使得可编程光学滤波器(6)输出脉冲的光谱变为矩形，同时其光谱宽度可通过调节光纤放大器(3)的泵浦功率和可编程光学滤波器(6)的滤波带宽来改变；

S6、将可编程光学滤波器(6)输出光脉冲输入至第二普通单模光纤(7)中进行传输，在光纤的群速度色散效应作用下，脉冲在光纤中传输时被逐渐展宽，同时光纤施加给脉冲一个线性频率啁啾；当光纤累积的色散量足够大时，第二普通单模光纤(7)输出脉冲的时域形状将与可编程光学滤波器(6)输出脉冲的光谱形状相同；由于可编程光学滤波器(6)输出脉冲的光谱为矩形，因而在积累的强色散效应作用下，第二普通单模光纤(7)输出脉冲的时域形状也应为矩形，且其输出脉冲的脉冲宽度由可编程光学滤波器(6)输出脉冲的光谱宽度决定，从而实现脉冲宽度可调的高能量矩形激光脉冲输出。