本发明是设计一种利用色散渐减光纤提高脉冲能量的激光器，属于光纤的超短脉冲应用领域的一种全新的技术。
背景技术：
1、超短脉冲为脉冲宽度小于1ns的脉冲，它具有脉宽超短与脉冲峰值功率超高的特征，在精密加工、超硬材料加工、超快光纤通信、生物医疗等领域都具有重要应用。脉冲激光器是一种以脉冲工作方式工作的发射激光的装置，特点是输出功率大、亮度高。对这种激光器的脉冲的研究，一直聚焦于如何获取更大的脉冲能量、更高的脉冲峰值功率、更窄的脉冲宽度。
2、其中，有大部分研究是关于自相似脉冲，自相似脉冲是一种特殊的脉冲，它在时间和空间上具有相似的特性，使其可以用于高效的光学放大技术。它具有4个特点，(1)自相似演化特性：自相似脉冲的产生仅取决于入射脉冲的能量和光纤参数，而不依赖于初始脉冲的具体形状；(2)具有高功率传输能力：在传输过程中具有抵御脉冲分裂的能力，即使在传输过程中出现了能量的分散，也能保持其基本的结构不变；(3)具有严格的线性啁啾特性：意味着它的能量分布是线性的，这对脉冲的进一步整形和压缩是非常重要的；(4)具有脉冲整形和压缩：使它便于进行高效的脉冲整形和压缩，可以生成高功率、无基座且接近变换极限的飞秒量级光脉冲。因此自相似脉冲的应用非常广泛，包括但不限于激光技术、等离子体物理、生物医学和材料加工等领域。这项技术能够产生高峰值功率和高能量密度的激光脉冲，对于超强激光和其他相关应用来说是一个重要的发展。
3、关于自相似脉冲光纤激光器，是应用光纤放大器对光信号进行自相似的增益放大，脉冲时域和频域同时增加，经过特定的啁啾补偿和滤波压缩后,得到大能量、高峰值功率和高重复频率的输出超短脉冲的光纤激光器。自相似脉冲光纤激光器带有锁模技术，通过锁模技术，可以得到脉宽为飞秒量级、峰值功率高于瓦量级的更窄、功率更高的超短激光脉冲。同时，由于自相似脉冲的线性啁啾特性，且在脉冲进行自相似演化时具有较强的抗光波分裂的能力，自相似脉冲光纤激光器的脉冲能量远大于传统的孤子脉冲激光器。
4、对自相似脉冲激光器的研究，大都集中在如何增大锁模脉冲的能量、提高脉冲的峰值功率、减小脉冲的脉宽。
5、目前已有的理论中，研究并搭建出一种以单模光纤smf作为激光器中脉冲演化的主体的自相似脉冲激光器基本结构，包括8个部件：泵浦源(pump)、波分复用耦合器(wavelength division multiplexing，wdm)、增益光纤(gain fiber)、输出耦合器(outputcoupler，oc)、滤波器(filter)、可饱和吸收体(saturable absorber，sa)、色散补偿光纤(dispersion compensation fiber，dcf)、单模光纤(single-mode fiber，smf)。
6、在上述以单模光纤smf作为激光器中脉冲演化的主体的基本激光器模型中，在色散补偿光纤dcf与单模光纤smf中的脉冲不具有能量增益，当输入脉冲首次发生震荡发生在单模光纤smf中，随后，该脉冲在增益光纤中将该震荡进一步放大，该震荡在激光器的循环中逐渐破坏脉冲的形状，最终导致脉冲锁模失败。
7、目前，经过大量研究得出，在自相似脉冲激光器中，需要脉冲在激光器中不断循环，并经过锁模最终形成具有固定输出脉冲形状的脉冲。具体为，输入脉冲在前几次循环中首先进行能量放大，待能量得到充分放大后逐渐开始锁模，脉冲在各光纤中进行演化并在输出耦合器、滤波器与饱和吸收体的整形过程逐渐转化为抛物线型的自相似脉冲，锁模过程中会发生震荡，然后经过多伦循环，在各器件的共同约束下形成稳定循环并形成稳定的脉冲，则所需的自相似锁模光纤激光器模型搭建完成。
8、但是，由于自相似脉冲激光器模型中的增益光纤gain fiber中存在增益饱和效应，导致增益光纤无法永无止境地对脉冲进行能量放大。由增益光纤中的增益项可知，当脉冲能量变大时，增益光纤中的增益大小反而随之减小，所以当增大增益饱和能量即可降低脉冲能量变大带来的影响，增益大小降低速率反而得到减缓，脉冲能量得到进一步的放大。在激光器中增益饱和能量的变大同样能够放大增益光纤中的锁模脉冲能量大小，其对激光腔内的光脉冲的影响的趋势为：随着增益饱和能量的增大，锁模脉冲的峰值功率与脉冲能量也随之增大，自相似评价因子也随之减小，这样则可接近理想的自相似脉冲。
9、现有问题是：虽然增益饱和能量的增大有利于激光器生成具有更大能量的输出脉冲，但增益饱和能量的增大造成的激光器脉冲在锁模过程中的震荡，限制了激光器脉冲能量的增大，且增益饱和能量的增大也让激光器锁模越发困难，且不同增益饱和能量下对同一种激光器模型的脉冲锁模过程也有不同的结果，经已有试验结果可知，过高的增益饱和能量会造成脉冲在锁模过程中的严重震荡，最终导致激光模型器锁模失败。
10、因此，虽然现已研发出基于单模光纤smf的自相似脉冲激光器，但其性能远不能满足实际应用需求，如何找到一种新型激光器结构，使其比原有基于单模光纤smf作为激光器中脉冲演化的主体的激光器模型更优，更能提高激光器可容忍的最大增益饱和能量，进而使激光器获得更优质的对外输出脉冲，是激光器研究领域一直最求的创新目标，也是迫切需要。
技术实现思路
1、在上述基于单模光纤的基本激光器模型中，由于增益光纤中存在增益饱和效应，增益光纤无法永无止境地对脉冲进行能量放大，且增益饱和能量的增大也让激光器锁模越发困难，过高的增益饱和能量会造成脉冲在锁模过程中的严重震荡，最终导致激光器锁模失败。
2、针对增益饱和能量的增大造成的激光器脉冲在锁模过程中的震荡，进而限制了激光器脉冲能量的增大的问题，本发明提出一种利用色散渐减光纤ddf提高脉冲能量的激光器。本发明的目的在于，突破原有以单模光纤smf作为激光器脉冲演化的主体的原有激光器模型限制，利用色散渐减光纤ddf进行自相似演化并能在使脉冲在自相似演化的过程中具有较强的抗光波分裂作用，来降低脉冲的震荡的特点，提供一种用色散渐减光纤ddf替代原有自相似锁模光纤激光器中的单模光纤smf的新型激光器结构，提高激光器可容忍的最大增益饱和能量，进而使激光器获得更优质的对外输出脉冲。
3、本发明的技术方案是：一种利用色散渐减光纤提高脉冲能量的激光器，包括：输入脉冲模块、波分复用耦合器模块(wavelength division multiplexing，wdm)、增益光纤模块(gain fiber)、输出耦合器模块(output coupler，oc)、滤波器模块(filter)、可饱和吸收体模块(saturable absorber，sa)、色散补偿光纤模块(dispersion compensationfiber，dcf)、色散渐减光纤模块(dispersion decreasing fiber，ddf)、自相似评价因子m,其中，
4、输入脉冲模块，用于为激光器提供能量，提供初始脉冲；
5、波分复用耦合器模块wdm，作为输入脉冲进入激光器系统的通道，使初始输入脉冲从波分复用耦合器进入激光器系统；
6、增益光纤模块gainfiber，用于对输入脉冲进行放大；
7、输出耦合器模块oc，用于将经增益光纤模块放大后的脉冲在本模块中进行演化，为后续整形并转化为抛物线型的自相似脉冲做准备；
8、滤波器模块filter，用于将经增益光纤模块放大后的脉冲在本模块中进行演化，为后续整形并转化为抛物线型的自相似脉冲做准备；
9、可饱和吸收体模块sa，用于控制光脉冲的脉宽，并用于将经增益光纤模块放大后的脉冲在本模块中进行演化，为后续整形并转化为抛物线型的自相似脉冲做准备；
10、上述经增益光纤模块放大后的脉冲，经过在输出耦合器模块oc、滤波器模块filter与可饱和吸收体模块sa的整形过程逐渐转化为抛物线型的自相似脉冲；
11、色散补偿光纤模块dcf，用于对激光器进行色散补偿；
12、色散渐减光纤模块ddf，作为激光器中脉冲演化的主体；
13、自相似评价因子m，作为评价生成的自相似脉冲的质量的指标参数。
14、进一步的，所述输入脉冲模块为泵浦源pump，包括参数：半高全宽tfwhm和峰值功率ppeak；所述输入脉冲模块数学模型见公式(1)：
15、
16、其中，t为群速度移动时的时间，p为峰值功率。
17、进一步的，所述增益光纤模块gain fiber参数包括：光纤长度lgain、二阶色散β2gain、非线性系数γgain、小信号增益g0、饱和增益能量esat和增益带宽δλg；所述增益光纤模块的数学模型见公式(2)：
18、
19、其中，u(z,t)为脉冲包络振，z为脉冲在光纤中的传输距离，β2为二阶色散，t为群速度移动时的时间，γ为非线性系数，g0为小信号增益，epulse为脉冲能量，esat为增益能量，λg为增益带宽。
20、进一步的，所述输出耦合器模块oc参数包括耦合系数r；所述输出耦合器模块的数学模型见公式(3)：
21、
22、其中，uout是输出脉冲包络振，uin是输入脉冲包络振，r是耦合系数。
23、进一步的，所述滤波器模块filter参数包括：滤波器带宽δγ和高斯系数m；所述滤波器模块的数学模型见公式(4)：
24、
25、其中，uout是输出脉冲包络振，uin是输入脉冲包络振，tfilter是滤波器的群速度移动时的时间，λ是当前增益带宽，λ0是原始增益带宽，δλ是滤波器带宽。
26、进一步的，所述可饱和输出体模块sa参数包括：饱和功率psat和调制深度q0；所述可饱和输出体模块的数学模型见公式(5)：
27、
28、其中，uout是输出脉冲包络振，uin是输入脉冲包络振，tsa是可饱和输出体代号，q0是调制深度，pt是当前时间功率，psat是饱和功率。
29、进一步的，所述色散补偿光纤模块dcf的参数包括光纤长度ldcf、二阶色散β2dcf和非线性系数γdcf；所述色散补偿光纤模块的数学模型见公式(6)：
30、
31、其中，u(z,t)为脉冲包络振，z为脉冲在光纤中的传输距离，β2为二阶色散，t为群速度移动时的时间，γ为非线性系数，i是0,1,2,3......。
32、进一步的，所述色散渐减光纤模块ddf的参数为：光纤长度lddf、二阶色散β2ddf、非线性系数γddf和色散控制函数系数；所述所述色散渐减光纤模块的数学模型见公式(7)：
33、
34、其中，u(z,t)为脉冲包络振，z为脉冲在光纤中的传输距离，t为群速度移动时的时间，β2为二阶色散，d(z)＝1/1+hz，i是0,1,2,3......。
35、进一步的，所述自相似评价因子m为评价生成的自相似脉冲的质量的指标，其的数学模型见公式(8)：
36、
37、其中，u(z,t)为脉冲包络振，u'(z,t)为与u(z,t)具有相同峰值功率和半高全宽的拟合自相似脉冲，t为脉冲周期。
38、与现有技术相比，本发明有益效果在于：
39、本发明提出一种利用色散渐减光纤ddf提高脉冲能量的激光器。
40、本发明的目的在于，突破原有以单模光纤smf作为激光器脉冲演化的主体的激光器模型限制，在完成smf原有的脉冲演化作用的同时，利用色散渐减光纤ddf进行自相似演化并能在使脉冲在自相似演化的过程中具有较强的抗光波分裂作用，来降低脉冲的震荡的特点，提出一种用色散渐减光纤ddf的新型激光器结构，来替代原有基于单模光纤smf的自相似锁模光纤激光器中的。
41、新型激光器结构大幅提高激光器可容忍的最大增益饱和能量，在更高的增益饱和能量下，进而使新型激光器的输出脉冲具有更大的能量、更高的峰值功率、更窄的半高全宽的自相似脉冲，且该自相似脉冲在色散补偿后可得到更高峰值功率的压缩脉冲，从而，使新型激光器获得更优质的对外输出脉冲。
42、实验数据证明，将色散渐减光纤ddf替代单模光纤smf后，整个激光器的输出脉冲能量提高了20.6％；输出的自相似脉冲的峰值功率提高了109.2％；脉宽缩短了23.1％；自相似脉冲评价值m从0.077降到0.065，脉冲质量更高。同时，由于自相似脉冲具有线性啁啾特性，在色散补偿的过程中，脉冲在零啁啾时峰值功率得到最大值，优化后的新型激光器输出脉冲的压缩脉冲峰值功率提高了39.5％。
1.一种利用色散渐减光纤提高脉冲能量的激光器，其特征在于，包括：输入脉冲模块、波分复用耦合器模块wdm、增益光纤模块gainfiber、输出耦合器模块oc、滤波器模块filter、可饱和吸收体模块sa、色散补偿光纤模块dcf、色散渐减光纤模块ddf、自相似评价因子m,其中
2.根据权利要求1所述的一种利用色散渐减光纤提高脉冲能量的激光器，其特征在于所述输入脉冲模块为泵浦源pump，其参数包括：半高全宽tfwhm和峰值功率ppeak；所述输入脉冲模块数学模型见公式(1)：
3.根据权利要求1所述的一种利用色散渐减光纤提高脉冲能量的激光器，其特征在于所述增益光纤模块gainfiber参数包括：光纤长度lgain、二阶色散β2gain、非线性系数γgain、小信号增益g0、饱和增益能量esat和增益带宽δλg；所述增益光纤模块的数学模型见公式(2)：
4.根据权利要求1所述的一种利用色散渐减光纤提高脉冲能量的激光器，其特征在于所述输出耦合器模块oc参数包括耦合系数r；所述输出耦合器模块的数学模型见公式(3)：
5.根据权利要求1所述的一种利用色散渐减光纤提高脉冲能量的激光器，其特征在于所述滤波器模块filter参数包括：滤波器带宽δγ和高斯系数m；所述滤波器模块的数学模型见公式(4)：
6.根据权利要求1所述的一种利用色散渐减光纤提高脉冲能量的激光器，其特征在于所述可饱和输出体模块sa参数包括：饱和功率psat和调制深度q0；所述可饱和输出体模块的数学模型见公式(5)：
7.根据权利要求1所述的一种利用色散渐减光纤提高脉冲能量的激光器，其特征在于所述色散补偿光纤模块dcf参数包括：光纤长度ldcf、二阶色散β2dcf和非线性系数γdcf；所述色散补偿光纤模块的数学模型见公式(6)：
8.根据权利要求1所述的一种利用色散渐减光纤提高脉冲能量的激光器，其特征在于所述色散渐减光纤模块ddf的参数为：光纤长度lddf、二阶色散β2ddf、非线性系数γddf和色散控制函数系数；所述所述色散渐减光纤模块的数学模型见公式(7)：
9.根据权利要求1所述的一种利用色散渐减光纤提高脉冲能量的激光器，其特征在于所述自相似评价因子m为评价生成的自相似脉冲的质量的指标，其数学模型见公式(8)：
