[发明专利]一种产生高能超短脉冲的装置及其工作方法

说明书

本发明涉及一种产生高能超短脉冲的装置及其工作方法，包括飞秒激光器前端、预啁啾管理单元、脉冲分离单元、非线性光纤放大单元、脉冲合成单元、脉冲压缩单元；飞秒激光器前端发射线偏脉冲序列；线偏脉冲序列通过预啁啾管理单元调节脉冲预啁啾量；脉冲分离单元将预啁啾后的脉冲在时间上分离成多个脉冲；非线性光纤放大单元将分离后的脉冲进行功率放大；脉冲合成单元将放大后的脉冲在时间上合并以获得更高能量的脉冲；脉冲压缩单元用于压缩合成后的高能脉冲以获得超短高能脉冲。本发明以预啁啾放大技术可产生亚50fs脉冲的优势为基础，联合分脉冲放大技术以突破单脉冲能量上限，可在大模场面积光纤放大系统中直接产生200W亚50fs的超短飞秒脉冲。

技术领域

本发明涉及非线性光纤光学和飞秒激光技术领域,特别是涉及高能飞秒脉冲激光高效率的产生方法及装置。

背景技术

高重频、高能量的飞秒激光驱动源是建造高通量高次谐波源的关键。相比于钛宝石等固态激光器光纤激光器拥有天然的散热优势，这使得光纤激光器成为了实现高重频飞秒激光的首选。目前在光纤激光器中常用的方案是基于光栅对压缩器的啁啾脉冲放大技术(CPA)，在这种技术中，输入展宽器的种子脉冲可以被充分展宽到纳秒量级，保证了脉冲在放大器内近似线性的放大而避免了非线性效应，也因此需要大尺寸的光栅对和光栅间距(约1米)来压缩脉冲——牺牲了空间紧凑性。要想获得更短的脉冲就必须借助非线性压缩技术，非线性压缩技术一般基于充气空芯光纤或融石英薄片利用自相位调制展宽光谱后再使用啁啾镜压缩以获得更短的脉冲输出。额外的非线性压缩级不但增加了系统的复杂性，而且过低的压缩效率使得光纤激光器的高转换效率优势荡然无存。

相比之下，非线性放大技术在放大能量的同时光谱也有所展宽，因此这种技术可以克服增益介质中的光谱窄化效应直接产生亚100fs的超短脉冲。目前的非线性放大技术主要包括：自相似放大，预啁啾管理放大(PCMA)，增益管理放大等。相比于另外两种方法，预啁啾管理放大技术得益于灵活可调的预啁啾量，因此可实现更高压缩质量的超短脉冲。这种技术的基本思路是在主放大级前设置预啁啾管理器件来调节种子脉冲的预啁啾量，然后带少量啁啾的种子脉冲在主放大级中放大功率的同时借助强烈的非线性效应(自相位调制)进行光谱展宽，合适的调节预啁啾量便可以在主放大级后压缩获得高质量的输出脉冲；相比与CPA技术，以上实验中采用的压缩光栅对尺寸和距离要小的多，更进一步若使用高色散量的镜子可以得到更高的脉冲压缩效率(98％)。近年来，结合大模场面积增益光纤，预啁啾管理放大技术已经成为了直接产生百瓦级亚50飞秒脉冲源的有效手段。

以上事实证明了预啁啾管理放大技术在高效率(免非线性压缩级)产生超短脉冲上的明显优势：系统结构紧凑、产生效率高等。由于预啁啾管理放大技术主放大级中的脉冲宽度一般维持在1ps左右，受限于石英光纤的自聚焦阈值限制(4MW/cm²),利用此方法输出的脉冲能量被严重限制在2-4个微焦量级，难以继续攀升；

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种光路结构简单、兼容性强的基于分脉冲放大和预啁啾管理技术直接产生亚50fs高能超短脉冲的方法及装置。

为实现上述目的，本发明提供一种高能超短脉冲产生的装置和方法，高能超短脉冲产生的方法具体步骤为：

飞秒激光前端发射一束宽谱的线偏脉冲序列作为种子光源，先通过预啁啾管理单元调节线偏脉冲序列的预啁啾量，再利用脉冲分离单元的第一半波片和第一双折射晶体组将线偏脉冲序列中的每一个脉冲分解成时间上分开的若干对正交偏振脉冲，n块双折射晶体即可将一个脉冲分解成2ⁿ个正交偏振脉冲，分解后的正交偏振脉冲在非线性光纤放大器中放大功率的同时也展宽光谱，然后脉冲合成单元中的第三半波片和第二双折射晶体组将放大后的2ⁿ个正交偏振脉冲在时间上合并成为一个脉冲序列，最终利用脉冲压缩单元压缩后即可得到比飞秒激光前端输出的线偏脉冲序列宽度更窄的超短飞秒脉冲。

进一步，所述的飞秒激光前端既可由光纤激光器提供也可由固态激光器提供，增加了此种方法的兼容性。