CN108963736B - 一种高峰值功率皮秒和纳秒短波长光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高峰值功率皮秒和纳秒短波长光纤激光器，利用高速脉冲调制电路板对窄线宽半导体激光器种子源进行调制，产生200ps～1ns窄脉冲信号，通过两级保偏光纤预放大级和两次窄带滤波进行窄线宽脉冲的小信号放大,功放级采用反向泵浦加高掺杂光纤实现功率放大获得高功率的1um基频信号光。因基频光光谱边模抑制比高、线宽窄、峰值功率高，本发明的激光器有着较高的倍频转换效率，并且脉宽和冲频在较大范围内任意可调，同时具备低成本的优势，在工业微加工领域有着广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光纤技术领域与激光技术领域，特别涉及到全光纤窄脉冲，短波长的光纤激光器和放大器领域。
背景技术
短波长(绿光和紫外)的窄脉冲(皮秒和纳秒)的脉冲激光器已经被广泛应用于各种精密精细加工的细分领域和行业，比如1ns左右的绿光激光器可以用于塑料打标，精密清洗，镀金和镀镍上打标，涂层刻蚀(汽车和太阳能)，高强度碳和玻璃纤维钻孔，太阳能硅片、电池极片、IC芯片和3C行业的PCB等精密切割；而1ns左右的紫外光脉冲激光器可以用于塑料和金属打标，玻璃/液晶打标和医疗器械EFTE涂层去除。皮秒的紫外脉冲激光器可用于精密雕刻、精细清洗，切割高亮度LED，PFC切割(3C行业)，薄膜划线与刻涂(太阳能行业)，铝和不锈钢的黑色打标，玻璃与蓝宝石的打标与刻蚀，塑料制品中的可控烧蚀和医用管上的标记和切割多个应用领域，前景十分可观。
目前市场上主要是以皮秒和纳秒短波长固体激光器为主，但固体激光器由于结构的限制使得它的价格和维护运行成本都比较昂贵，光电转换效率低，此外固体激光器空间光学设计复杂，对环境敏感度太高所导致的可靠性差使得加工效率比较低，而且无法实现智能高集成度化集成系统。
高峰值功率皮秒和纳秒短波长光纤激光器可以解决绝大多数传统窄脉冲(皮秒和亚纳秒)固体激光器所存在的问题，不仅可以实现比较紧凑的全光纤结构设计，而且脉宽和重频灵活可调，不受外部环境(温湿度，振动等)的干扰，加工效率高，而且价格上也可以做到更低廉，是新一代的微纳级加工利器。
本发明首次提出利用两级的环形窄带高反光纤光栅进行窄带滤波的全光纤结构来实现高峰值功率的基频光输出，通过有效降低基频光的线宽，大大提高了基频光向短波长转化效率(大于65％)，实现高效的短波长，皮秒到纳秒的光纤激光输出。
截止目前，尚未检索到有关于利用窄带高反光纤光栅来进行窄带滤波，实现高峰值功率短波长脉冲输出的光纤激光器的专利和报道。
发明内容
本发明提供一种高峰值功率皮秒和纳秒短波长光纤激光器，组成包括任意波发生器(1)、高速脉冲调制板(2)、通信驱动板(3)、种子源激光器(4)、保偏环形器(5)、高反光栅(6)、单模泵浦源(7)、波分复用器(8)、单模掺镱光纤(9)、模场匹配器(10)、保偏10/125掺镱光纤(11)、(1+1)×1反向合束器(12)、多模锁波长泵浦源(13)、隔离器(14)、保偏30/250掺镱光纤(15)、(2+1)×1反向合束器(16)、大功率锁波长多模泵浦源组(17)、准直器(18)、倍频组件(19)构成。
任意波发生器(1)、通信驱动板(3)连接高速脉冲调制板(2)，高速脉冲调制板(2)依次连接种子源激光器(4)、保偏环形器(5)、波分复用器(8)、单模掺镱光纤(9)、保偏环形器(5)、模场匹配器(10)、保偏10/125掺镱光纤(11)、(1+1)×1反向合束器(12)、隔离器(14)、模场匹配器(10)、保偏30/250掺镱光纤(15)、(2+1)×1反向合束器(16)、大功率锁波长多模泵浦源组(17)、准直器(18)、倍频组件(19)；
其中，第一个保偏环形器(5)的第一端口连接种子源激光器(4)、第二端口连接高反光栅(6)、第三端口连接波分复用器(8)；
第二个保偏环形器(5)的第一端口连接单模掺镱光纤(9)、第二端口连接高反光栅(6)、第三端口模场匹配器(10)；
单模泵浦源(7)连接波分复用器(8)，多模锁波长泵浦源(13)连接(1+1)×1反向合束器(12)，大功率锁波长多模泵浦源组(17)连接(2+1)×1反向合束器(16)。
用于滤波的高反光栅(6)反射率不低于98％，反射带宽不大于0.5nm。
被调制的种子源激光器选自分布式布拉格反射(DBR)激光器、分布式反馈激光器(DFB)、法布里-珀罗(FP-LD)半导体激光器，种子源激光器的线宽范围为10kHz～10GHz。
所使用的高速脉冲调制板(2)调谐范围为10ps～1000ns，任意波发生器(1)产生的信号为200ps～1ns。
所使用的保偏30/250掺镱光纤(15)具有较强的非线性，泵浦光的吸收效率是普通增益光纤的3-5倍，选自掺镱离子光纤、铒-镱共掺光纤、是钕-镱共掺光纤。
倍频组件(19)中所使用的倍频晶体选自LBO、BBO、CLBO、KTP、PPLN，倍频所采用的满足条件为相位匹配与角度匹配。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果:
1.首次提出利用双环形窄带高反光纤光栅进行窄带滤波，降低基频光的线宽，大大提高转化效率；
2.可以实现从纳秒到百皮秒量级的窄脉冲的调谐，重频的调谐范围也可以从1kHz到几百MHz。
附图说明
图1窄线宽，线偏振皮秒和纳秒脉冲全光纤激光器方案图
图2基频光脉冲倍频实验示意图
图中各个标号代表含义如下：
1.任意波形发生器
2.高速脉冲调制板
3.通信驱动板
4.种子源激光器
5.保偏环形器
6.高反光栅
7.单模泵浦源
8.波分复用器
9.单模掺镱光纤
10.模场匹配器
11.保偏10/125掺镱光纤
12.(1+1)×1反向合束器
13.多模泵浦源
14.隔离器
15.保偏30/250掺镱光纤
16.(2+1)×1反向合束器
17.大功率多模泵浦源组
18.准直器
19.倍频组件
20.基频光纤激光器
21.二分之一波片
22.准直透镜
23.聚焦透镜
24.晶体温控炉
25.倍频晶体
26. 45度双色镜
27.残余基频光
28.输出倍频光
具体实施方式
为了使本发明的目的、方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
一种高峰值功率皮秒和纳秒短波长光纤激光器，组成包括任意波发生器1、高速脉冲调制板2、通信驱动板3、种子源激光器4、保偏环形器5、高反光栅6、单模泵浦源7、波分复用器8、单模掺镱光纤9、模场匹配器10、保偏10/125掺镱光纤11、(1+1)×1反向合束器12、多模锁波长泵浦源13、隔离器14、保偏30/250掺镱光纤15、(2+1)×1反向合束器16、大功率锁波长多模泵浦源组17、准直器18、倍频组件19。
任意波发生器1、通信驱动板3连接高速脉冲调制板2，高速脉冲调制板2依次连接种子源激光器4、保偏环形器5、波分复用器8、单模掺镱光纤9、保偏环形器5、模场匹配器10、保偏10/125掺镱光纤11、(1+1)×1反向合束器12、隔离器14、模场匹配器10、保偏30/250掺镱光纤15、(2+1)×1反向合束器16、大功率锁波长多模泵浦源组17、准直器18、倍频组件19；
其中，第一个保偏环形器5的第一端口连接种子源激光器4、第二端口连接高反光栅6、第三端口连接波分复用器8；
第二个保偏环形器5的第一端口连接单模掺镱光纤9、第二端口连接高反光栅6、第三端口模场匹配器10；
单模泵浦源7连接波分复用器8，多模锁波长泵浦源13连接(1+1)×1反向合束器12，大功率锁波长多模泵浦源组17连接(2+1)×1反向合束器16。
高速脉冲调制板型号选择为HIGHLAND T165，通过一个任意波发生器对一台线宽窄至3MHz的分布式布拉格反射(DBR)激光器进行高频调制，获取最短200ps，调谐范围200ps～1ns的脉冲信号种子光。为抑制调制后产生的频谱边模，前两级的预放级分别采用了一个反射率99％、带宽0.5nm的高反光栅和一个保偏环形器的组合来进行信号光的窄带滤波，将小信号放大产生的ASE(自发辐射噪声)和边模信号进行滤除，同时利用环形器自身的隔离功能实现对后向光的隔离，从而达到保护前级器件的目的。
为提高预放级的效率，第一级预放采用的是波分复用器件WDM耦合600mW单模泵浦源，第二级预放采用(1+1)×1反向合束器耦合9W锁波长多模泵浦源实现反向泵浦，该结构有效缩短了光纤的长度，减少非线性效应，提高了预防级的光束质量，十分有利于后续的功率放大。
为实现在脉冲放大过程中减少非线性效应产生的影响，本实施例中第一级预放全部采用保偏单模高掺杂光纤，第二级预放采用10/125高掺杂保偏光纤，功率放大级采用7dB/m@976nm的30/250高掺杂保偏光纤。同时，功率放大级同样利用一个(2+1)×1反向合束器与两个60W大功率锁波长多模泵浦源组(NA＝0.15)实现反向泵浦结构，优化光束质量，缩短光纤长度。
在获得高功率的1um基频信号光以后，将进行倍频转换。基频光经过一个半波片以后准直透镜和聚焦透镜射入一个LBO晶体，该晶体长20mm，直径3mm，被加热到150摄氏度左右，满足相位匹配条件。最后经过倍频后获得转换效率高达65％以上的532nm的绿光输出，其脉宽在200ps～1ns之间可以任意调节，峰值功率高达40kW。
本实施例与现有技术相比，具有如下优点与有益效果:
1.利用双环形窄带高反光纤光栅进行窄带滤波，降低基频光的线宽，输出基频光的边模抑制比高达35dB，优于常规电调制边模抑制比25～30dB的指标，接近于电光调制器水平，但其成本较电光器件便宜2～4倍以上；
2.倍频转换效率高，优于目前皮秒和纳秒光纤激光器约50％的LBO绿光倍频转换效率；
3.可以实现从纳秒到百皮秒量级的窄脉冲的调谐，重频的调谐范围也可以从1kHz到几百MHz。
Claims (6)
1.一种高峰值功率皮秒和纳秒短波长光纤激光器，组成包括任意波发生器(1)、高速脉冲调制板(2)、通信驱动板(3)、种子源激光器(4)、保偏环形器(5)、高反光栅(6)、单模泵浦源(7)、波分复用器(8)、单模掺镱光纤(9)、模场匹配器(10)、保偏10/125掺镱光纤(11)、(1+1)×1反向合束器(12)、多模锁波长泵浦源(13)、隔离器(14)、保偏30/250掺镱光纤(15)、(2+1)×1反向合束器(16)、大功率锁波长多模泵浦源组(17)、准直器(18)、倍频组件(19)构成；其特征在于：任意波发生器(1)、通信驱动板(3)连接高速脉冲调制板(2)，高速脉冲调制板(2)依次连接种子源激光器(4)、保偏环形器(5)、波分复用器(8)、单模掺镱光纤(9)、保偏环形器(5)、模场匹配器(10)、保偏10/125掺镱光纤(11)、(1+1)×1反向合束器(12)、隔离器(14)、模场匹配器(10)、保偏30/250掺镱光纤(15)、(2+1)×1反向合束器(16)、大功率锁波长多模泵浦源组(17)、准直器(18)、倍频组件(19)；
其中，第一个保偏环形器(5)的第一端口连接种子源激光器(4)、第二端口连接高反光栅(6)、第三端口连接波分复用器(8)；
第二个保偏环形器(5)的第一端口连接单模掺镱光纤(9)、第二端口连接高反光栅(6)、第三端口模场匹配器(10)；
单模泵浦源(7)连接波分复用器(8)，多模锁波长泵浦源(13)连接(1+1)×1反向合束器(12)，大功率锁波长多模泵浦源组(17)连接(2+1)×1反向合束器(16)。
2.如权利要求1所述的一种高峰值功率皮秒和纳秒短波长光纤激光器，其特征在于：用于滤波的高反光栅(6)反射率不低于98％，反射带宽不大于0.5nm。
3.如权利要求1所述的一种高峰值功率皮秒和纳秒短波长光纤激光器，其特征在于：被调制的种子源激光器选自分布式布拉格反射激光器、分布式反馈激光器、法布里-珀罗半导体激光器，种子源激光器的线宽范围为10kHz～10GHz。
4.如权利要求1所述的一种高峰值功率皮秒和纳秒短波长光纤激光器，其特征在于：所使用的高速脉冲调制板(2)调谐范围为10ps～1000ns，任意波发生器(1)产生的信号为200ps～1ns。
5.如权利要求1所述的一种高峰值功率皮秒和纳秒短波长光纤激光器，其特征在于：所使用的保偏30/250掺镱光纤(15)具有较强的非线性，泵浦光的吸收效率是普通增益光纤的3-5倍，选自掺镱离子光纤、铒-镱共掺光纤、是钕-镱共掺光纤。
6.如权利要求1所述的一种高峰值功率皮秒和纳秒短波长光纤激光器，其特征在于：倍频组件(19)中所使用的倍频晶体选自LBO、BBO、CLBO、KTP、PPLN，倍频所采用的满足条件为相位匹配与角度匹配。
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