[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

说明书

本发明公开了一种产生高能量矩形脉冲的全光纤激光系统及方法，旨在解决现有光纤激光器难以直接实现高能量矩形激光脉冲输出的技术问题。所述系统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)。本发明具有结构简单紧凑，稳定性好等优点，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，能实现脉冲宽度可调的高能量矩形激光脉冲输出，大大降低了系统成本，在应用上可直接作为皮秒以及纳秒的矩形脉冲光源，也可以作为高能量脉冲放大器的种子源。

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种产生高能量矩形脉冲的全光纤激光系统及方法的设计。

背景技术

高能量的超短脉冲光纤激光器在光通信、光学传感、精密机械加工、生物医学、国防军事等方面均有广泛的应用。一般采用锁模技术获得超短脉冲，锁模技术主要分为主动锁模和被动锁模两种。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，是激光领域的研究热点。

被动锁模技术是利用可饱和吸收体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、碳纳米管，以及二维材料，如石墨烯、过渡金属硫化物、拓扑绝缘体等已经被成功用于实现稳定的锁模脉冲输出。

当腔内仅含有负色散光纤时，在负群速度色散和非线性效应的作用下，锁模脉冲将被整形为传统孤子脉冲，但由于孤子面积理论的限制，其单脉冲能量通常小于0.1nJ。为了进一步提高脉冲能量，研究人员通过在腔内引入正色散光纤，使得激光器工作在净正色散或全正色散区，获得了一种新型孤子脉冲，即耗散孤子脉冲。与传统孤子脉冲不同，耗散孤子脉冲的形成是腔内增益、损耗、色散以及非线性效应等共同作用的结果。典型的耗散孤子脉冲的时域形状是高斯形，光谱形状近似为矩形。这种脉冲具有较强的抵御光波分裂的特点，其单脉冲能量可达几十nJ。尽管通过改变腔内净色散值，输出锁模脉冲的能量得到显著提高，但一般情况下，被动锁模光纤激光器输出脉冲的时域形状为高斯形或双曲正割形。

矩形光脉冲在光通信、光纤光栅、超快光学等领域都有着广泛的应用。矩形光脉冲最早是在半导体激光器中获得，但脉冲具有较长的上升沿和下降沿，光斑和脉冲质量也不好，严重限制了其应用。近年来，基于NPR技术的被动锁模光纤激光器利用耗散孤子共振机理实现了矩形激光脉冲输出，但相比于高斯形锁模脉冲，矩形光脉冲只有在激光器满足特定参数条件和工作条件时才能获得，这极大地增加了系统的调试难度，同时由于采用NPR锁模技术，其系统稳定性极易受外界环境影响，这也不利于系统的实际应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有光纤激光器中难以直接输出高能量矩形激光脉冲的问题，提出了一种产生高能量矩形脉冲的全光纤激光系统及方法。

本发明的技术方案为：一种产生高能量矩形脉冲的全光纤激光系统，包括依次连接的被动锁模光纤激光器、隔离器、光纤放大器、第一普通单模光纤、高非线性光纤、可编程光学滤波器和第二普通单模光纤；所述可编程光学滤波器用于将高非线性光纤输出光脉冲的光谱整形为矩形；所述第二普通单模光纤用于将可编程光学滤波器输出的光谱为矩形的脉冲转变为时域为矩形的光脉冲。

优选地，被动锁模光纤激光器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。

优选地，隔离器为偏振无关光隔离器，用于隔离光纤放大器的反射光波，防止反射光返回到被动锁模光纤激光器中干扰甚至破坏锁模运转。

优选地，光纤放大器为掺铒光纤放大器。