[发明专利]基于不同掺杂浓度增益光纤的高功率皮秒光纤激光系统

说明书

技术领域

本发明涉及光纤激光技术领域，特指一种通过合理使用具有不同掺杂浓度的增益光纤来优化设计和搭建的主振荡功率放大（MOPA）结构高功率皮秒光纤激光系统。

背景技术

高功率皮秒激光被广泛运用于激光处理、工业加工、非线性频率转换等领域。由于光纤激光器在输出光束质量、转换效率、热管理和稳定性方面具有优势，因而皮秒光纤激光系统成为近年来的研究热点。目前，高平均功率的皮秒光纤激光系统主要采用MOPA结构来实现，即首先使用一个功率较低、性能优良的皮秒激光器作为种子源，然后采用多级放大系统对种子光进行功率放大。

对于一个皮秒激光系统，其光学特性参数主要有脉冲宽度、脉冲重复频率、脉冲峰值功率、平均输出功率、脉冲能量、光谱宽度、输出光束质量等。激光器的光学特性参数往往决定了其用途。另外，在搭建高平均功率的光纤激光系统时，还应该考虑光纤放大器的热管理问题，防止出现热损失。

相比其它的固体激光器，由于具有相对较小的模场面积（与光纤的纤芯直径有关）和较长的激光和物质相互作用距离（与光纤的长度有关），诸如自相位调制和受激拉曼散射等非线性效应很容易在高功率的皮秒光纤激光器中发生。而非线性效应的出现会对皮秒光纤激光的频域和时域特性产生影响。在频域方面，放大后的脉冲光谱会由于自相位调制效应的作用而展宽，一部分能量也会转移到拉曼斯托克斯谱线上去。在时域方面，非线性效应会导致脉冲形状发生改变、甚至导致脉冲发生分离。由自相位调制效应导致的光谱展宽与光纤激光放大器中的最大非线性相移成正比，而非线性相移与光纤中的有效模场面积成反比、与光纤的有效作用长度以及脉冲峰值功率成正比。受激拉曼效应发生的阈值与光纤中的有效模场面积成正比、与光纤的有效作用长度成反比。

光纤激光的输出光束质量基本上由光纤的波导结构决定，某一结构的光纤中能够支持的光场模式数由光纤的归一化频率决定，归一化频率越小，能够支持的模式数越少，当归一化频率小于2.404时，实现基横模运行。光纤的归一化频率与纤芯直径和纤芯数值孔径成正比。一般来说，固定尺寸的增益光纤，稀土离子的掺杂浓度越高，其纤芯数值孔径也越大。

根据增益光纤中掺杂稀土离子浓度的不同，光纤激光器或者放大器中所用的增益光纤的长度也会不同。增益光纤中掺杂稀土离子浓度越高，则所用的增益光纤越短。在热管理方面，如果要实现相同倍率的功率放大，光纤放大器中使用的增益光纤越短，则增益光纤在单位长度上的热负荷也越严重。

根据现有文献记载，可以采用不同的方法来抑制高功率皮秒光纤激光器中的非线性效应。比如，使用具有较大模场面积的光纤来降低纤芯中的激光功率密度；采用具有高掺杂浓度的增益光纤来缩短光纤长度等。但是，在使用这些方法抑制非线性效应的同时，也会对激光系统带来一些不利影响。模场面积太大的光纤可以支持较多的模式，将会导致输出激光的光束质量退化；纤芯数值孔径较大的高掺杂光纤也可以支持较多模式，同样会导致输出激光的光束质量退化。同时，因为增益光纤长度较短，在激光高功率放大时会产生严重的热负荷，引起光纤的热损失。另外，现有文献报道的高功率皮秒光纤激光系统对增益光纤的掺杂浓度并没有特别进行关注。报道的高功率皮秒光纤激光系统往往都采用普通掺杂浓度的增益光纤，这会导致整个激光系统所用的增益光纤比较长，不利于抑制非线性效应。尽管有文献提出通过采用高掺杂增益光纤来控制光纤激光系统中增益光纤的总长度，进而抑制皮秒光纤激光放大器中的非线性效应，但是其在功率放大级使用高掺杂增益光纤会导致输出激光的光束质量退化，并且还会产生严重的热负荷、引起热损失。而有文献提出在功率放大级使用掺杂浓度沿光纤纵向递增的增益光纤，这虽然可以解决热管理方面的问题，但是同样面临光束质量退化的问题。

发明内容

为克服现有高功率皮秒光纤激光系统的不足，本文提出一种通过合理使用具有不同掺杂浓度的增益光纤来优化设计和搭建的MOPA结构高功率皮秒光纤激光系统。