CN110086078A - 皮秒光纤种子激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种皮秒光纤种子激光器，包括：光纤振荡器、光纤预放大器和光纤主放大器；光纤主振荡器包括半导体可饱和吸收镜、第一增益光纤、光栅、第一半导体泵浦源、第一波分复用器和第一光纤隔离器；光纤预放大器包括第二波分复用器、第二泵浦源、第二增益光纤、声光调制器和第二光纤隔离器；光纤主放大器包括第三波分复用器、第三半导体泵浦源和第三增益光纤。本发明实施例的皮秒光纤种子激光器，具有较高的单脉冲能量和输出功率，降低对后续放大器的增益能力的要求。

Description

皮秒光纤种子激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种皮秒光纤种子激光器。
背景技术
大功率皮秒激光器在材料加工、生物医疗、高精度激光卫星测距和激光雷达与大气探测等领域具有非常广泛的应用。但受限于光学元器件损伤阈值等因素，直接从锁模振荡器和调Q振荡器中获得的脉冲激光的能量是有限的。目前通常采用对种子激光器输出的种子脉冲进行放大的方式获得大功率皮秒激光器。
种子激光器一般分为基于半导体泵浦技术的固体种子激光器和基于光纤技术的光纤种子激光器。固体种子激光器不仅结构复杂和体积大的缺陷，其用于锁模的可饱和吸收镜承受较高的功率和热量，寿命通常小于1500小时，导致固体种子激光器的稳定性较差，为了满足长使用寿命需求(例如，大于10000小时)，需要对可饱和吸收镜频繁换点，使得固体种子激光器具有较高的维护成本。相比之下，光纤种子激光器的可饱和吸收镜上承受的功率和热量会低很多，使用寿命也会长很多，即使可饱和吸收镜不换点，光纤种子激光器也可以具有较长的使用寿命(例如，大于10000小时)，除此之外，光纤种子激光器还具有结构简单、制作成本低等优点，使得光纤种子激光器成为激光器供应商的首选。
但是目前皮秒光纤种子激光器的输出能量较低，仅为几个纳焦，对后续放大器的增益能力提出了很高要求。
发明内容
本发明实施例提供一种皮秒光纤种子激光器，以解决皮秒光纤种子激光器的输出能量低，对后续放大器的增益能力提出了很高要求的问题。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
提供了一种皮秒光纤种子激光器，包括：光纤振荡器、光纤预放大器和光纤主放大器；其中，
所述光纤主振荡器包括半导体可饱和吸收镜、第一增益光纤、光栅、第一半导体泵浦源、第一波分复用器和第一光纤隔离器，所述半导体可饱和吸收镜和所述光栅组成光纤激光谐振腔，所述第一增益光纤为设置在所述光纤激光谐振腔中的工作物质，所述光栅的一端与第一波分复用器的合束端连接，所述第一半导体泵浦源与所述第一波分复用器的泵浦端连接，所述第一波分复用器的信号端与所述第一光纤隔离器的输入端相连，所述第一光纤隔离器的输出端与所述光纤预放大器的输入端相连；
所述光纤预放大器包括第二波分复用器、第二泵浦源、第二增益光纤、声光调制器和第二光纤隔离器，所述第二波分复用器的信号端与所述第一光纤隔离器的输出端相连，所述第二波分复用器的泵浦端与所述第二半导体泵浦源相连，所述第二波分复用器的合束端与第二增益光纤的一端相连，所述第二增益光纤的另一端与所述声光调制器的一端相连，所述声光调制器的另一端与所述第二光隔离器的输入端相连，所述第二光隔离器的输出端与所述光纤主放大器相连；
所述光纤主放大器包括第三波分复用器、第三半导体泵浦源和第三增益光纤，所述第三波分复用器的信号端与所述第二光隔离器的输出端相连，所述第三波分复用器的泵浦端与所述第三半导体泵浦源相连，所述第三波分复用器的合束端与所述第三增益光纤的一端连接，所述第三增益光纤的另一端熔接无源光纤跳线。
在本发明实施例中，皮秒光纤种子激光器包括光纤振荡器、光纤预放大器和光纤主放大器，即具有一级振荡两级放大的结构，能够实现对光纤振荡器产生的皮秒脉冲的两级放大，从而具有较高的单脉冲能量和输出功率，进而降低对后续放大器的增益能力的要求。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的皮秒光纤种子激光器的结构示意图。
图2是根据本发明的另一个实施例的皮秒光纤种子激光器的结构示意图。
图3是根据本发明的一个实施例的后向泵浦方式的示意图。
图4是根据本发明的一个实施例的前向泵浦方式的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是根据本发明的一个实施例的皮秒光纤种子激光器。如图1所示出的，皮秒光纤种子激光器10包括：光纤振荡器11、光纤预放大器12和光纤主放大器13。
图1中的光纤主振荡器11包括半导体可饱和吸收镜111、第一增益光纤112、光栅113、第一半导体泵浦源114、第一波分复用器115和第一光纤隔离器116，半导体可饱和吸收镜111和光栅113组成光纤激光谐振腔，第一增益光纤112为设置在光纤激光谐振腔中的工作物质，光栅113的一端与第一波分复用器115的合束端连接，第一半导体泵浦源114与第一波分复用器115的泵浦端相连，第一波分复用器115的信号端与第一光纤隔离器116的输入端相连，第一光纤隔离器116的输出端与光纤预放大器的输入端相连。
图1中的光纤预放大器12包括第二波分复用器121、第二半导体泵浦源122、第二增益光纤123、声光调制器124和第二光纤隔离器125，第二波分复用器121的信号端与第一光纤隔离器116的输出端相连，第二波分复用器121的泵浦端与第二半导体泵浦源122相连，第二波分复用器121的合束端与第二增益光纤123的一端相连，第二增益光纤123的另一端与声光调制器124的一端相连，声光调制器124的另一端与第二光隔离器125的输入端相连，第二光隔离器125的输出端与光纤主放大器13相连。
图1中的光纤主放大器13包括第三波分复用器131、第三半导体泵浦源132和第三增益光纤133，第三波分复用器131的信号端与第二光隔离器125的输出端连接，第三波分复用器131的合束端与第三增益光纤133的一端连接，第三增益光纤133的另一端熔接无源光纤跳线。
作为一个例子，无源光纤跳线为FC/APC斜头无源跳线，斜角度为8°。图1中的第一半导体泵浦源114、第二半导体泵浦源122和第三半导体泵浦源132的工作波长为976nm。
可选地，如图2所示出的，光纤振荡器11还包括分光器117，分光器117的一端与可饱和吸收镜111相连，分光器的另一端与第一增益光纤112相连；分光器117，用于实现对光纤振荡器产生的皮秒激光的锁模检测。
可以理解的是，分光器117可以将光纤振荡器产品的皮秒激光的一部分输出到光纤激光谐振腔外，被输出的这部分皮秒激光可以用于进行锁模检测。
可选地，在一些实施例中，第一增益光纤112、第二增益光纤123和第三增益光纤133为全保偏光纤；且光栅113的尾纤、第一半导体泵浦源114的尾纤、第一波分复用器115的尾纤、第一光纤隔离器116的尾纤、第二波分复用器121的尾纤、第二半导体泵浦源122的尾纤、声光调制器124的尾纤、第二光纤隔离125的尾纤、第三波分复用器131的尾纤、第三半导体泵浦源132的尾纤和分光器117的尾纤均为全保偏光纤。由此能够保证皮秒光纤种子激光器的锁模状态不受外界振动、温度、电磁等环境因素的干扰，提高皮秒光纤种子激光器的稳定性。
进一步地，第一增益光纤112的光纤直径小于第二增益光纤123的光纤直径，第二增益光纤123的光纤直径小于第三增益光纤的光纤直径。换言之，第一增益光纤112、第二增益光纤123和第三增益光纤124的光纤直径逐渐增大。
在实际过程中，可以针对不同的波长需求，选择不同类型的增益光纤。例如，对于1030-1064nm波长的激光器，可以选用掺镱(Yb)的增益光纤；对于1.5um波长的激光器，可以选用掺铒(Er)的增益光纤，或者选用Er和Yb共掺的增益光纤；对于2um波长的激光器，可以选用掺铥(Tm)的增益光纤。
可选地，在一些实施例中，如图3中所示出的，第一半导体泵浦源114对第一增益光纤112的抽运采用后续泵浦方式。第一半导体泵浦源114输出的泵浦光经过第一波分复用器115进入光纤激光谐振腔内实现对第一增益光纤112的抽运。采用后向泵浦的方式，能够降低光纤振荡器的噪声，提高光纤振荡器的输出功率。
可选地，在一些实施例中，如图4中所示出的，第二半导体泵浦源122对第二增益光纤123的抽运采用正向泵浦方式，第三半导体泵浦源132对第三增益光纤133的抽运采用正向泵浦方式。
具体地，第二半导体泵浦源122输出的泵浦光经过第二波分复用器121后进入到第二增益光纤123中，使得由光纤振荡器11输出的皮秒激光经第二波分复用器121进入到第二增益光纤123后得到初步放大。第三半导体泵浦源132输出的泵浦光经第三波分复用器131后进入第三增益光纤133，使得由光纤预放大器12输出的激光经第三波分复用器132进入第三增益光纤133，实现最终放大。
可选地，作为一个例子，声光调制器124的开关频率为100KHz-1MHz，在所述光纤主放大器输出的皮秒激光的重复频率为100KHz时，所述皮秒激光的单脉冲能量输出能力为100nJ。
也就是说，通过声光调制器124可以对光纤预放大器12放大后的激光进行降频，之后再经光纤主放大器进行最终的放大，可以在皮秒激光的重复频率为100KHz时，具有将单脉冲能量提高到100nJ能力。
可选地，在一些实施例中，光纤主放大器13输出的皮秒激光的脉冲宽度为5-20ps，皮秒激光的光谱宽度为0.1-1nm。
最后，所应说明的是，以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种皮秒光纤种子激光器，其特征在于，包括：光纤振荡器、光纤预放大器和光纤主放大器；其中，
所述光纤主振荡器包括半导体可饱和吸收镜、第一增益光纤、光栅、第一半导体泵浦源、第一波分复用器和第一光纤隔离器，所述半导体可饱和吸收镜和所述光栅组成光纤激光谐振腔，所述第一增益光纤为设置在所述光纤激光谐振腔中的工作物质，所述光栅的一端与所述第一波分复用器的合束端连接，所述第一半导体泵浦源与所述第一波分复用器的泵浦端连接，所述第一波分复用器的信号端与所述第一光纤隔离器的输入端相连，所述第一光纤隔离器的输出端与所述光纤预放大器的输入端相连；
所述光纤预放大器包括第二波分复用器、第二半导体泵浦源、第二增益光纤、声光调制器和第二光纤隔离器，所述第二波分复用器的信号端与所述第一光纤隔离器的输出端相连，所述第二波分复用器的泵浦端与所述第二半导体泵浦源相连，所述第二波分复用器的合束端与第二增益光纤的一端相连，所述第二增益光纤的另一端与所述声光调制器的一端相连，所述声光调制器的另一端与所述第二光隔离器的输入端相连，所述第二光隔离器的输出端与所述光纤主放大器相连；
所述光纤主放大器包括第三波分复用器、第三半导体泵浦源和第三增益光纤，所述第三波分复用器的信号端与所述第二光隔离器的输出端相连，所述第三波分复用器的泵浦端与所述第三半导体泵浦源相连，所述第三波分复用器的合束端与所述第三增益光纤的一端连接，所述第三增益光纤的另一端熔接无源光纤跳线。
2.根据权利要求1所述的皮秒光纤种子激光器，其特征在于，所述光纤振荡器还包括分光器，所述分光器的一端与所述可饱和吸收镜相连，所述分光器的另一端与所述第一增益光纤相连；
所述分光器，用于实现对所述光纤振荡器产生的皮秒激光的锁模检测。
3.根据权利要求2所述的皮秒光纤种子激光器，其特征在于，所述第一增益光纤、所述第二增益光纤和所述第三增益光纤为全保偏光纤；
所述光栅的尾纤、所述第一半导体泵浦源的尾纤、所述第一波分复用器的尾纤、所述第一光纤隔离器的尾纤、所述第二波分复用器的尾纤、所述第二半导体泵浦源的尾纤、所述声光调制器的尾纤、所述第二光纤隔离器的尾纤、所述第三波分复用器的尾纤、所述第三半导体泵浦源的尾纤和所述分光器的尾纤均为全保偏光纤。
4.根据权利要求1或2所述的皮秒光纤种子激光器，其特征在于，所述第一增益光纤的光纤直径小于所述第二增益光纤的光纤直径，所述第二增益光纤的光纤直径小于所述第三增益光纤的光纤直径。
5.根据权利要求1或2所述的皮秒光纤种子激光器，其特征在于，所述第一半导体泵浦源对所述第一增益光纤的抽运采用后向泵浦方式。
6.根据权利要求1或2所述的皮秒光纤种子激光器，其特征在在于，所述第二半导体泵浦源对所述第二增益光纤的抽运采用正向泵浦方式，所述第三半导体泵浦源对所述第三增益光纤的抽运采用正向泵浦方式。
7.根据权利要求1或2所述的皮秒光纤种子激光器，其特征在于，所述声光调制器的开关频率为100KHz-1MHz，在所述光纤主放大器输出的皮秒激光的重复频率为100KHz时，所述皮秒激光的单脉冲能量输出能力为100nJ。
8.根据权利要求1或2所述的皮秒光纤种子激光器，其特征在于，所述光纤主放大器输出的皮秒激光的脉冲宽度为5-20ps，所述皮秒激光的光谱宽度为0.1-1nm。
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