基于圆偏振的双向隔离环形激光放大装置、方法及系统与流程

1.本发明涉及超快激光技术领域，特别是涉及超快光纤激光技术，具体涉及一种基于圆偏振的双向隔离环形激光放大装置、方法及系统。


背景技术：

2.光纤激光器相比其他种类的激光器比如固态激光器、二氧化碳激光器等来说，一般可以达到较高的平均功率、良好的散热性能、较高的电光转换效率、优异的光束质量、相对低廉的成本和相对较小的空间体积等优势，在基础科学、工业加工、生物医疗等领域得到越来越广泛的应用。尤其是掺镱光纤激光器更是高平均功率、大脉冲能量激光器的首选。
3.所以为了提高光纤激光器输出的平均功率和高增益，一般选择多通放大技术或者环形放大结构。
4.但是现有多通技术尤其双通放大技术与环形结构具有明显缺陷：
5.由于大功率激光多使用大模场光纤作为主放大级，大模场增益光纤经过双通后的输出端面角度一般较小，这样会在该端面发生一定的反射，又由于环形结构的双通系统本身增益较高，就会导致反向形成放大成分，该成分一方面会抢占主放大的增益，另一方面会导致系统整体放大效率和合成效率的大幅度下降，严重影响系统的输出参数。


技术实现要素：

6.因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种基于圆偏振的双向隔离环形激光放大装置、方法及系统，此装置可以抑制端面反射减少反方向放大的装置，且结构简单，可以使得相干合成系统的整体效率大大提升。
7.为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种基于圆偏振的双向隔离环形激光放大装置，所述双向隔离环形放大装置包括：飞秒激光前端模块、脉冲隔离模块、脉冲分束与合成模块、脉冲放大与偏振过滤模块；其中：
8.所述脉冲隔离模块的输入端与所述飞秒激光前端模块的输出端相连；所述脉冲分束与合成模块的输入端与所述脉冲隔离模块输出端相连；所述脉冲放大与偏振过滤模块的输入端和输出端与所述脉冲分束与合成模块的输出端和输入端相连；
9.优选地，所述飞秒激光前端模块用于输出超短脉冲序列；所述脉冲隔离模块用于隔离回光与分离合成后主次输出光；所述脉冲分束与合成模块用于脉冲的分束与合成；所述脉冲放大与偏振过滤模块用于脉冲的放大与过滤棒状光纤端帽反射的偏振。
10.根据本发明第一方面的基于圆偏振的双向隔离环形激光放大装置，其中，所述飞秒激光前端模块为：光纤激光器或固态激光器，优选为掺镱光纤振荡器或掺镱光纤放大器，最优选为包括锁模激光振荡器的光纤激光振荡器；
11.优选地，锁模激光振荡器的光纤激光振荡器选自以下一种或多种：基于半导体可饱和吸收镜锁模的掺镱光纤振荡器、非线性偏振旋转锁模的掺镱光纤振荡器、非线性光学环形镜锁模的掺镱光纤振荡器，最优选为基于半导体可饱和吸收镜锁模的掺镱光纤振荡
器。
12.根据本发明第一方面的基于圆偏振的双向隔离环形激光放大装置，其中，所述飞秒激光前端模块输出的超短脉冲序列的平均功率为20～150mw，优选为20～100mw，更优选为40～50mw；和/或
13.所述飞秒激光前端模块中的振荡器发射的超短脉冲序列中心波长范围为1μm～1.06μm，最优选为1.04μm。
14.根据本发明第一方面的基于圆偏振的双向隔离环形激光放大装置，其中，所述脉冲隔离模块包括：光学隔离器、第一偏振分束器、第一旋光器、第一半波片和第二偏振分束器；其中，
15.所述第一旋光器为法拉第旋光器。
16.根据本发明第一方面的基于圆偏振的双向隔离环形激光放大装置，其中，所述脉冲分束与合成模块包括第二半波片和第三偏振分束器。
17.根据本发明第一方面的基于圆偏振的双向隔离环形激光放大装置，其中，所述脉冲放大与偏振过滤模块包括：半波片、反射镜、四分之一波片、平凸透镜、增益光纤放大器、双色镜、二极管泵浦激光源和偏振分束器；
18.优选地，所述脉冲放大与偏振过滤模块包括至少两路的增益光纤放大器光路；和/或
19.优选地，利用所述四分之一波片不仅可以实现圆偏振放大，还可以过滤端帽的反射对系统造成的影响。
20.根据本发明第一方面的基于圆偏振的双向隔离环形激光放大装置，其中，所述增益光纤放大器选自以下一种或多种：棒状光子晶体增益光纤、双包层增益光纤、盘状增益光纤，优选为棒状光子晶体增益光纤或双包层增益光纤，最优选为棒状光子晶体增益光纤；
21.优选地，所述棒状光子晶体增益光纤的纤芯直径为40～100μm，优选为60～90μm，最优选为85μm；和/或
22.优选地，所述棒状光子晶体增益光纤的长度为60～120cm，优选为70～100cm，最优选为80cm。
23.根据本发明第一方面的基于圆偏振的双向隔离环形激光放大装置，其中，所述第一偏振分束器和/或第二偏振分束器选自以下一种或多种：偏振分束棱镜、薄膜偏振片、格兰-汤姆森棱镜，优选为偏振分束棱镜或薄膜偏振片，最优选为薄膜偏振片，利用所述薄膜偏振片对不同偏振方向脉冲的反射率和透射率差异将脉冲在空间上分离。
24.本发明的第二方面提供了一种超快光纤激光放大方法，所述方法使用第一方面所述的基于圆偏振的双向隔离环形激光放大装置，并且，所述飞秒激光前端模块发射超短脉冲序列，所述超短脉冲序列经过所述脉冲隔离模块后发射出水平线偏振光，所述水平线偏振光经过所述脉冲分束与合成模块均匀分成竖直线偏振光和水平线偏振光；所述竖直线偏振光向上经过半波片后成为水平线偏振光，后经过所述脉冲放大与偏振过滤模块后成为放大的水平线偏振光，然后被第二个增益光纤放大器左端面反射后经过两次四分之一波片成为竖直线偏振光，经偏振隔离器过滤；所述水平线偏振光与所述竖直线偏振光的过程相反，产生放大的水平线偏振光后经过半波片转为竖直线偏振光进入脉冲分束与合成模块，另外经过第一个增益光纤放大器左端面反射后经过两次四分之一波片成为竖直线偏振光，经偏
振隔离器过滤；所述放大的水平线偏振光和所述放大的竖直线偏振光经过所述脉冲分束与合成模块合成线偏振光；所述线偏振光经过所述脉冲隔离模块产生合成光作为主输出线偏振光和未合成光作为次输出光。
25.本发明的第三方面提供了一种光纤激光系统，所述光纤激光系统包括至少两组如第一方面所述的基于圆偏振的双向隔离环形激光放大装置。
26.基于上述装置，本发明提供了一种技术方案，为便于绘图与叙述，本发明使用两个放大器作为例子说明，不应理解为本发明只局限于两路、此结构和此实验方案。此方案如下：
27.基于圆偏振的双向隔离环形激光放大装置，包括：飞秒激光前端模块、脉冲隔离模块、脉冲分束与合成模块、脉冲放大与偏振过滤模块；其中所述脉冲隔离模块的输入端与所述飞秒激光前端模块的输出端相连；所述脉冲分束与合成模块的输入端与所述脉冲隔离模块输出端相连；所述脉冲放大与偏振过滤模块的输入端和输出端与所述脉冲分束与合成模块的输出端和输入端相连。
28.所述飞秒激光前端模块用于发射一定功率的一束超短脉冲序列a；所述脉冲序列a经过光学隔离器、第一偏振分束器、第一旋光器、第一半波片和第二偏振分束器后发射出水平线偏振光b；所述水平线偏振光b经过第二半波片和第三偏振分束器均匀分成两个正交线偏振光c和d；所述竖直线偏振光c向上经过第三半波片、第一平面反射镜、第一四分之一波片、第一平凸透镜、第一棒状光子晶体增益光纤、第二平凸透镜、第一双色镜、第二四分之一波片、第三平面反射镜、第四偏振分束器、第四平面反射镜、第三四分之一波片、第二双色镜、第五平凸透镜、第二棒状光子晶体增益光纤、第六平凸透镜和第四四分之一波片后成为放大后的水平线偏振光h，被第二棒状光子晶体增益光纤左端面反射的竖直线偏振光会反射后成为经逆时针放大被过滤的竖直线偏振光f，同理，水平线偏振光d会经历c一样但是方向相反的过程，也会产生放大后的竖直线偏振光g和经顺时针放大被过滤的竖直线偏振光e；所述放大的水平线偏振光g和竖直线偏振光h经过脉冲分束与合成模块合成一个线偏振光i；所述线偏振光i经过脉冲隔离模块产生合成光作为主输出线偏振光j和未合成光作为的次输出光k。
29.进一步阐述圆偏振在其中的作用。其中第三半波片将竖直线偏振光c旋转为水平线偏振光c，后将第一四分之一波片与竖直方向成45度夹角，水平线偏振光c经过第一四分之一波片成为圆偏振光，第二四分之一波片与竖直方向成45度且与第一四分之一波片所成角度相反，所以圆偏振光经过第二四分之一波片成为水平线偏振光c，保持了偏振方向，可以顺利通过第四偏振分束器；后设置第三四分之一波片与竖直方向成45度夹角，水平线偏振光c经过第三四分之一波片成为圆偏振光，第四四分之一波片与竖直方向成45度且与第三四分之一波片所成角度相反，所以圆偏振光经过第四四分之一波片成为水平线偏振光h，保持了偏振方向；与此同时，放大后的圆偏振光打在第二棒状光子晶体光纤左侧形成反射，后经过第三四分之一波片成为竖直偏振光经第四偏振分束器输出成为经逆时针放大被过滤的竖直线偏振光f。
30.本发明的基于圆偏振的双向隔离环形激光放大装置可以具有但不限于以下有益效果：
31.1.可以大大提高双通环形放大器等结构的放大与相干合成效率，利用圆偏振放大
以及偏振分束器的特性，可以大大减弱光纤端面反射的回光对系统的影响。
32.2.应用性强，结构简单，一般只需在环路放大器中加入四分之一波片即可。
33.3.利用圆偏振放大，一般可以保证积累的非线性不变的情况下得到比线偏振放大更高的脉冲能量。
附图说明
34.以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
35.图1示出了实施例1在双通环形放大结构中使用基于圆偏振的双向隔离放大装置示意图。
36.附图标记说明：
37.1、飞秒激光前端模块；2、脉冲隔离模块；3、脉冲分束与合成模块；4、脉冲放大与偏振过滤模块；5、光学隔离器；6、第一偏振分束器；7、第一旋光器；8、第一半波片；9、第二偏振分束器；10、第二半波片；11、第三偏振分束器；12、第三半波片；13、第一平面反射镜；14、第一四分之一波片；15、第一平凸透镜；16、第一棒状光子晶体增益光纤；17、第二平凸透镜；18、第一双色镜；19、第二平面反射镜；20、第三平凸透镜；21、第一二极管泵浦激光源；22、第二四分之一波片；23、第三平面反射镜；24、第四偏振分束器；25、第四平面反射镜；26、第三四分之一波片；27、第二双色镜；28、第五平面反射镜；29、第四平凸透镜；30、第二二极管泵浦激光源；31、第五平凸透镜；32、第二棒状光子晶体增益光纤；33、第六平凸透镜；34、第四四分之一波片。
38.a、飞秒激光前端模块发射的脉冲序列；b、经脉冲隔离模块后的线偏振光；c、经脉冲分束与合成模块分成向上传播的竖直线偏振光；d：经脉冲分束与合成模块分成向右传输的水平线偏振光(方向仅为解释图例方便)；e：经顺时针放大被过滤的竖直线偏振光；f：经逆时针放大被过滤的竖直线偏振光；g：经脉冲放大与偏振过滤模块逆时针环路放大的线偏振光；h：经脉冲放大与偏振过滤模块顺时针环路放大的线偏振光；i：经脉冲分束与合成模块合成后的线偏振光；j：经脉冲隔离模块的主输出线偏振光；k：经脉冲隔离模块的次输出光。
具体实施方式
39.下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
40.本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
41.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
42.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相
连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.实施例1
44.本实施例用于说明本发明基于圆偏振的双向隔离环形激光放大装置的结构与作用。为便于绘图与叙述，本实施例使用两个放大器作为例子说明，不应理解为本发明只局限于两路。
45.图1为双通环形放大结构中使用基于圆偏振的双向隔离放大装置示意图。所述基于圆偏振的双向隔离放大装置包括：飞秒激光前端模块1、脉冲隔离模块2、脉冲分束与合成模块3和脉冲放大与偏振过滤模块4。
46.在本实施例中，飞秒激光前端模块1采用半导体可饱和吸收镜锁模的掺镱光纤振荡器，输出的超短脉冲序列对应的参数为：中心波长1.04μm、光谱半高宽16nm，重复频率45mhz，后续经过两级预放大可以输出平均功率40-50mw的超短脉冲序列a。经过光学隔离器5成水平线偏振光直接透过第一偏振分束器6，在第一旋光器中旋转45度后经过与水平夹角22.5度的第一半波片8转为水平线偏振光，后直接通过第二偏振分束器9成为水平线偏振光b进入脉冲分束与合成模块3。
47.然后经过与竖直方向成22.5度的第二半波片10旋转为45度线偏振光，经过第三偏振分束器11后分成功率相等的向上传播的竖直线偏振光c与向右传播的水平线偏振光d。
48.竖直线偏振光c经过与竖直方向成45度的第三半波片成12转为水平线偏振光，然后经过第一平面反射镜13，继续经过与竖直方向成45度夹角的第一四分之一波片14，水平线偏振光c成为圆偏振光，然后经过第一平凸透镜15耦合进入第一棒状光子增益光纤16中进行放大，此时第一二极管泵浦源激光源21发出泵浦光，经第三平凸透镜准直后，经过第二平面反射镜19和第一双色镜18后由第二平凸透镜耦合进入第一棒状光子增益光纤16作为泵浦。经过第一棒状光子增益光纤16后放大的圆偏振光c经过第二平凸透镜17准直，通过第一双色镜18，然后经过与竖直方向成45度且与第一四分之一波片所成角度相反的第二四分之一波片22，圆偏振光c成为水平线偏振光c，保持了偏振方向，然后经过第三平面反射镜23可以顺利通过第四偏振分束器24，水平线偏振光c经过第四平面反射镜25后，透过与竖直方向成45度夹角的第三四分之一波片26，水平线偏振光c成为圆偏振光，经过第二双色镜27后，通过第五平凸透镜31耦合进第二棒状光子晶体增益光纤32进行二次放大，放大后的圆偏振光经过第六平凸透镜33准直后，经过与竖直方向成45度且与第三四分之一波片所成角度相反的第四四分之一波片34后，圆偏振光c成为水平线偏振光h，进入脉冲分束与合成模块3；与此同时，放大后的圆偏振光打在第二棒状光子晶体光纤左侧形成反射，后经过第三四分之一波片26后成为竖直线偏振光经第四偏振分束器24输出成为经逆时针放大被过滤的竖直线偏振光f。
49.水平线偏振光d向右传播过程与竖直偏线振光c向上传播过程类似，放大后的水平线偏振光d经过与竖直方向成45度的第三半波片12成为竖直线偏振光g进入脉冲分束与合成模块3，其在第一棒状光子晶体增益光纤16左侧反射的圆偏振光会经过第四偏振分束器24端口输出成为经顺时针放大被过滤的竖直偏振光e。
50.放大后的竖直线偏振光g与放大后的水平线偏振光h经过第三偏振分束器11后形
成45度的线偏振光，然后经过与竖直方向成22.5度的第二半波片10成为竖直线偏振光i，然后合成光主要经过第二偏振分束器9分出为竖直线偏振光j，未合成光从第一偏振分束器6输出为光k。
51.本实施例结合双通与环形放大装置的优势，遏止了棒状光纤端面反射造成的回光影响，将会大大提高系统的放大与相干合成效率。本发明有利于提高光纤激光器的功率与效率水平，同时提高光纤激光器放大的脉冲能量。
52.尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。