脉冲展宽压缩方案

2021-02-24 15:21:17 浏览:269

超快激光宽光谱、窄脉宽的特点决定了在锁模激光器中色散和非线性是最重要且需要平衡的因素。尤其是针对光纤激光器来说,传输介质长,此类效应更为明显。光纤锁模激光器的一个非常重要的工作内容就是设计激光振荡器及放大器的色散分布,这其中涉及到不同类型光纤的选取、反常色散元器件的使用、脉冲展宽压缩的调控等等。

对于激光振荡器来说,腔内光纤及空间元件的总色散及色散分布决定了激光器的锁模类型,比如包括全负色散孤子锁模、全正色散耗散孤子锁模、色散平衡脉冲展宽压缩型锁模等不同的类型。对于放大器来说,不同的色散控制也对应不同种类的放大机制:脉冲啁啾放大技术(Chirped Pulse Amplification,CPA)就需要先使用正色散对脉冲进行展宽,降低脉冲放大过程中的非线性,再进行脉冲压缩的过程;而非线性放大则需要设计放大器的色散使得脉冲在增益光纤中达到脉冲的傅立叶变换压缩极限进行非线性展宽放大的过程。

图 1 典型的CPA技术脉冲放大示意图

在超快光学中,重要的色散补偿元件包括:棱镜对、光栅对、正色散展宽光纤、负色散压缩光纤等。

棱镜对

棱镜对是最早用到的角度色散元件。利用棱镜对光折射率的色散,如果采用两个棱镜,让其对应面平行,那么出射光仍然是平行光。随着两个棱镜的间隔延长,其提供的色散可以发生大小和正负的变化。如果用高低反射镜对经过棱镜对的光进行垂直反射,则双次经过棱镜对的光束大小与棱镜间隔无关。同时,把棱镜对设计成布鲁斯特角入射可以大大减少界面损耗,使得整个系统更为实用。

图 2 棱镜对

光栅对

光栅是另外一种常用的角度色散的元件,在入射角一定的情况下,衍射光的衍射角随波长而变化。同样的道理,如果采用两个平行的光栅组成光栅对,并利用高低镜进行垂直反射,那么出射光仍然是与原光束大小一致的平行光。随着两个棱镜的间隔延长,其提供的色散可以发生大小变化。当然,光栅对可以有很多种不同的组合和结构,能够实现脉冲的展宽与压缩等不同的功能,已经成为超快光学脉冲控制的重要元件。

图 3 光栅对

色散光纤

上面两种元件以及更为简单的色散补偿啁啾反射镜都是空间色散补偿元件,随着超快光纤激光器的发展,设计不同色散的光纤来提供在线式色散补偿变得非常重要。单模光纤的色散主要来源于材料色散和波导色散。作为光纤最常用的石英材料,其本身的材料色散的零点在1.3微米附近,而一般情况下波导色散为正常色散,所以一般来说在大于1.3微米的通讯波段(1.55微米)光纤的色散为反常色散,而在较短的波段(比如1微米激光)光纤色散为正常色散。

为了实现能够进行色散调控的目的,人们可以通过特殊设计光纤纤芯的折射率结构来调整波导色散甚至实现反常波导色散,比如在通讯系统中常用的色散平坦光纤以及色散位移光纤。

光子晶体光纤的出现,使得人们可以更方便的通过设计周期性光纤包层折射率结构来实现对色散和非线性的更为自由和精准的控制。包层周期性的结构可以形成光子带隙或者高的芯子和包层折射率差都能够提供普通光纤所不具备的反常色散特性,如图5所示。

图 4 几种典型光纤的色散曲线

图 5 光子晶体光纤结构及色散

光子晶体光纤的出现,使得人们可以更方便的通过设计周期性光纤包层折射率结构来实现对色散和非线性的更为自由和精准的控制。包层周期性的结构可以形成光子带隙或者高的芯子和包层折射率差都能够提供普通光纤所不具备的反常色散特性,如图5所示。

另外,光纤通常的三阶色散也是正的,可以通过光纤的设计获得负三阶色散的光纤,用以实现色散补偿过程中对高阶色散的充分补偿。

解决方案

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