CN219123662U - 一种皮秒紫外激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种皮秒紫外激光器，包括沿主光路依次设置的种子激光模块、脉冲展宽模块、功率放大模块、脉冲压缩模块和三倍频光路模块，种子激光模块、脉冲展宽模块、功率放大模块依次通过光纤连接；功率放大模块上设有功率监测模块，功率监测模块通过光纤耦合器与功率放大模块耦合；种子激光模块发出种子激光；脉冲展宽模块将种子激光脉宽展宽、功率放大模块将种子激光进行功率放大；功率监测模块对激光放大功率进行监测；脉冲压缩模块将放大的激光的脉宽进行压缩；三倍频光路模块将激光进行三倍频调制、分色以及准直，得到稳定的三倍频紫外激光。本实用新型结构简单，光转换效率高。

Description

一种皮秒紫外激光器

技术领域

本实用新型涉及激光器技术领域，具体涉及一种皮秒紫外激光器。

背景技术

由于紫外激光器具有短波长、良好的聚焦性能、高的光子能量、小的衍射效应以及高的分辨率，其在加工、微电子学、光谱分析、光数据存储、光盘控制、大气探测、光化学、光生物学、空间光通信以及医疗等领域具有广泛的应用前景。例如在工业微加工领域中的工业零部件的打标、钻孔、划片、焊接、切割以及医疗器械的微加工、电子元件的封装、微型部件立体成型等。同时紫外光波段中的355nm处于某些原子的跃迁谱线上，使得355nm激光器在量子领域也有着重要的应用前景。

目前常用的紫外激光器是固体半导体激光器作为泵浦源，通过非线性倍频技术产生三倍频紫外光，这种方法的缺点在于光束质量难以控制，同时系统内需要大量使用自由空间的光学元件，结构较为复杂，增加了调试难度。采用半导体泵浦的紫外激光器需要应用大量的光学镜片组成不同形状的谐振腔，对光学对准及固定的要求比较高，并且半导体泵浦固体激光器的光光转换效率低。

有鉴于此，需对紫外激光器进行改进，以获得更优的结构以及更高的转换效率。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中存在的技术问题，提供一种皮秒紫外激光器，其结构更加简化，光光转换效率高。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种皮秒紫外激光器，包括沿主光路依次设置的种子激光模块、脉冲展宽器、功率放大模块、脉冲压缩模块和三倍频光路模块，种子激光模块、脉冲展宽器、功率放大模块、依次通过光纤连接，功率放大模块、脉冲压缩模块和三倍频光路模块通过空间光连接；所述功率放大模块上还设有功率监测模块，所述功率监测模块通过光纤耦合器与功率放大模块耦合；

所述种子激光模块用于发出种子激光；

所述脉冲展宽器用于将种子激光的脉宽展宽；

所述功率放大模块用于将种子激光进行功率放大，得到基频光；

所述功率监测模块用于对激光放大功率进行监测；

所述脉冲压缩模块用于将基频光的脉宽进行压缩；

所述三倍频光路模块用于将脉冲压缩后的基频光进行三倍频调制、分色以及准直，得到稳定的三倍频紫外激光。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

优选的，所述种子激光模块包括沿主光路依次设置的飞秒种子源、带通滤波隔离器、环形器和保偏无源光纤，所述脉冲展宽器设置在环形器和保偏无源光纤之间，所述飞秒种子源通过法兰盘与带通滤波隔离器连接，所述带通滤波隔离器、环形器、脉冲展宽器和保偏无源光纤通过光纤熔接依次相连。

优选的，所述功率放大模块包括依次级联的一级单模放大单元、二级多模放大单元和三级多模放大单元，所述一级单模放大单元用于将激光进行单模放大，所述二级多模放大单元用于将单模放大后的激光进行多模预放大，所述三级多模放大单元用于将多模预放大的激光进行多模放大，以得到预期放大倍数的激光。

优选的，所述一级单模放大单元包括波分复用器、单模泵浦激光器、第一保偏掺镱光纤和第一光纤隔离器，所述波分复用器、第一保偏掺镱光纤和第一光纤隔离器沿主光路依次设置且通过光纤熔接相连；

所述单模泵浦激光器与所述波分复用器通过光纤熔接相连，用于提供单模泵浦激光；

所述波分复用器用于将主光路中的激光与单模泵浦激光进行合束；

所述第一保偏掺镱光纤用于根据单模泵浦激光放大主光路的激光；

所述第一光纤隔离器用于隔离主光路中反向传播的激光。

优选的，所述二级多模放大单元包括第一多模泵浦激光器、第一信号泵浦合束器、第二保偏掺镱光纤和第二光纤隔离器，所述第一信号泵浦合束器、第二保偏掺镱光纤和第二光纤隔离器沿主光路依次设置且通过光纤熔接相连；

所述第一多模泵浦激光器与第一信号泵浦合束器通过光纤熔接相连，用于提供第一多模泵浦激光；

所述第一信号泵浦合束器用于将主光路中的激光与第一多模泵浦激光进行合束；

所述第二保偏掺镱光纤用于根据第一多模泵浦激光放大主光路的激光；

所述第二光纤隔离器用于隔离主光路中反向传播的激光。

优选的，所述二级多模放大单元和所述三级多模放大单元之间设有光纤耦合器，所述光纤耦合器的一次侧通过光纤串联在所述二级多模放大单元和所述三级多模放大单元之间，所述光纤耦合器的二次侧通过光纤连接所述功率监测模块；

所述功率监测模块包括分别设置在光纤耦合器二次侧两端的多个光电探测器。

优选的，所述三级多模放大单元包括模场适配器、第二多模泵浦激光器、第二信号泵浦合束器、第三保偏掺镱光纤、包层光功率剥除器、光纤准直器、第一二分之一波片和空间隔离器，所述模场适配器、第二信号泵浦合束器、第三保偏掺镱光纤、包层光功率剥除器、光纤准直器沿主光路依次设置且通过光纤熔接相连，光纤准直器输出的基频光在空间上依次通过第一二分之一波片和空间隔离器输出；

所述模场适配器的输入端连接所述光纤耦合器的一次侧，用于扩展主光路中光纤的模场；

所述第二多模泵浦激光器与第二信号泵浦合束器通过光纤熔接相连，用于提供第二多模泵浦激光；

所述第二信号泵浦合束器用于将主光路中的激光与第二多模泵浦激光进行合束；

所述第三保偏掺镱光纤用于根据第二多模泵浦激光放大主光路的激光；

所述包层光功率剥除器用于剥除主光路中残余的泵浦光以及反射光；

所述光纤准直器用于对主光路中的激光进行准直后输出基频光；

所述第一二分之一波片和空间隔离器相互协作，用于防止后续光路的回返光沿主光路反向传播。

优选的，所述脉冲压缩模块包括第二二分之一波片、偏振光分束器、四分之一波片和脉冲压缩器，所述脉冲压缩器为反射型体光栅，

所述第二二分之一波片设置在偏振光分束器的输入端，所述四分之一波片和脉冲压缩器沿光传播方向依次设置在偏振光分束器的透射端，所述脉冲压缩器反射的激光依次经四分之一波片和脉冲压缩器的反射端输出基频光；

所述第二二分之一波片用于将主光路中激光的相位角延迟π；

所述偏振光分束器用于将第一偏振光反射输出、还用于将第二偏振光透射传输到四分之一波片，还用于将四分之一波片传回的激光与第一偏振光叠加输出；

所述四分之一波片用于将偏振光分束器的透射光相位延迟π/2，还用于将脉冲压缩器反射的激光相位再次延迟π/2；

所述脉冲压缩器用于将入射光反射，得到脉宽压缩的激光。

优选的，所述三倍频光路模块包括沿主光路依次设置的聚焦透镜、二倍频LBO晶体及其加热炉、三倍频LBO晶体及其加热炉、第一分色镜、第二分色镜和准直透镜；

所述聚焦透镜用于将基频光进行聚焦；

所述二倍频LBO晶体及其加热炉用于将基频光转换为二倍频激光；

所述三倍频LBO晶体及其加热炉用于将未转换完全的基频光和二倍频激光转换为三倍频激光；

所述第一分色镜、第二分色镜用于将三倍频激光中的紫外波段筛选出，以输出三倍频紫外散射激光；

所述准直透镜用于将筛选出的三倍频紫外散射激光进行准直，输出平行的三倍频紫外激光。

优选的，所述聚焦透镜镀有红外增透膜，二倍频LBO晶体镀有红外及绿光增透膜，三倍频LBO晶体镀有红外及绿光增透膜，所述准直透镜镀有紫外增透膜。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过改进激光器光路结构，提供了一种高重复频率的皮秒紫外激光器，其具备的优势如下：传统固体激光器由于需要大量空间元器件以及大量热沉结构；本实用新型采用全光纤结构实现基频光输出，其结构更为紧凑、功耗更低、转换效率更高；在本实用新型结构的基础上，还可通过合理优化各元器件的光纤熔接程序、优化功率放大模块中增益光纤盘绕直径、优化功率放大模块光路实现高光束质量的基频光输出；本实用新型通过合理优化脉冲展宽器和脉冲压缩模块中光栅的色散量、无源光纤的长度，可以实现脉冲宽度从皮秒到飞秒量级的转换。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种皮秒紫外激光器的光路结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、飞秒种子源，2、带通滤波隔离器，3、环形器，4、脉冲展宽器，5、保偏无源光纤，6、波分复用器，7、单模泵浦激光器，8、第一保偏掺镱光纤，9、第一光纤隔离器，10、第一多模泵浦激光器，11、第一信号泵浦合束器，12、第二保偏掺镱光纤，13、第二光纤隔离器，14、光纤耦合器，15、第一光电探测器，16、第二光电探测器，17、模场适配器，18、第二多模泵浦激光器，19、第二信号泵浦合束器，20、第三保偏掺镱光纤，21、包层光功率剥除器，22、光纤准直器，23、第一二分之一波片，24、空间隔离器，25、第二二分之一波片，26、偏振光分束器，27、四分之一波片，28、脉冲压缩器，29、反射镜，30、聚焦透镜，31、二倍频LBO晶体及其加热炉，32、三倍频LBO晶体及其加热炉，33、第一分色镜，34、第二分色镜，35、准直透镜。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

请参阅图1，图1为本实施例提供的一种皮秒紫外激光器的光路示意图。

如图1所示的一种皮秒紫外激光器，包括沿主光路依次设置的种子激光模块、脉冲展宽器、功率放大模块、脉冲压缩模块和三倍频光路模块，种子激光模块、脉冲展宽器和功率放大模块依次通过光纤连接，功率放大模块、脉冲压缩模块和三倍频光路模块依次通过空间光连接；所述功率放大模块上还设有功率监测模块，所述功率监测模块通过光纤耦合器14与功率放大模块耦合；

所述种子激光模块用于发出种子激光；

所述脉冲展宽器用于将种子激光模块输出激光的脉宽进行展宽；

所述功率放大模块用于将脉宽展宽后的种子激光进行功率放大后输出基频光；

所述功率监测模块用于对激光放大功率进行监测；

所述脉冲压缩模块用于将功率放大模块输出基频光的脉宽进行压缩；

所述三倍频光路模块用于将脉宽压缩后的激光进行三倍频调制、分色以及准直，得到稳定的三倍频紫外激光。

可以理解的是，本实施例提供了一种结构优化的皮秒紫外激光器。由于传统固体激光器需要大量空间元器件以及大量热沉结构，使得结构较为复杂、空间占用大；本实用新型采用全光纤结构实现基频光输出，其结构更为简单紧凑、功耗更低、转换效率更高，可用于量子计算等领域。基频光经三倍频调制、分色后进行准直，输出平行的三倍频紫外激光，调整三倍频调制的参数，在实现高的转换效率的同时获得大的紫外光光斑的椭圆率，提升输出的紫外激光的质量。

在一种可能的实施方式中，所述种子激光模块包括沿主光路依次设置的飞秒种子源1、带通滤波隔离器2、环形器3和保偏无源光纤5，依照光传播方向，所述脉冲展宽器4设置在环形器3和保偏无源光纤5之间，所述飞秒种子源1通过法兰盘与带通滤波隔离器2连接，所述带通滤波隔离器2、环形器3、脉冲展宽器4和保偏无源光纤5通过光纤熔接依次相连。

可以理解的是，飞秒种子源1用于提供种子激光。本实施例中飞秒种子源1输出重复频率为80.34MHz、中心波长为1064nm、脉宽为900fs左右的种子激光，其输出功率可以通过设置电流进行调整。带通滤波隔离器2对种子激光进行滤波。环形器3用于单向传输高频种子激光信号能量。脉冲展宽器4采用啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)，用于对种子激光进行在时间上的脉冲展宽；保偏无源光纤5采用PM980光纤。通过合理优化脉冲展宽器4中啁啾光纤布拉格光栅CFBG的色散量、调节保偏无源光纤5的长度，可以对脉宽展宽的效果进行调节。

在一种可能的实施方式中，所述功率放大模块包括通过光纤依次级联的一级单模放大单元、二级多模放大单元和三级多模放大单元，所述一级单模放大单元用于将激光进行单模放大，所述二级多模放大单元用于将单模放大后的激光进行多模预放大，所述三级多模放大单元用于将多模预放大的激光进行多模放大，以得到预期放大倍数的激光。

在一种可能的实施方式中，所述一级单模放大单元包括波分复用器6、单模泵浦激光器7、第一保偏掺镱光纤8和第一光纤隔离器9，所述波分复用器6、第一保偏掺镱光纤8和第一光纤隔离器9沿主光路依次设置且通过光纤熔接相连；

所述单模泵浦激光器7与所述波分复用器6通过光纤熔接相连，用于提供单模泵浦激光；

所述波分复用器6用于将主光路中的激光与单模泵浦激光进行合束；

所述第一保偏掺镱光纤8用于根据单模泵浦激光放大主光路的激光；

所述第一光纤隔离器9用于隔离主光路中反向传播的激光。

本实施例中，波分复用器6采用一个980/1064的保偏波分复用器6，单模泵浦激光器7采用一个976nm 600mW的单模泵浦LD，第一保偏掺镱光纤8采用一段保偏单包层掺镱光纤，其为前向泵浦或者后向泵浦的保偏掺镱光纤，第一保偏掺镱光纤8用于将上一级元器件传来的光信号进行放大。上述元器件之间均通过光纤熔接方式进行连接。

在一种可能的实施方式中，所述二级多模放大单元包括第一多模泵浦激光器10、第一信号泵浦合束器11(MPC)、第二保偏掺镱光纤12和第二光纤隔离器13，所述第一信号泵浦合束器11、第二保偏掺镱光纤12和第二光纤隔离器13沿主光路依次设置且通过光纤熔接相连；

所述第一多模泵浦激光器10与第一信号泵浦合束器11(MPC)通过光纤熔接相连，用于提供第一多模泵浦激光；

所述第一信号泵浦合束器11(MPC)用于将主光路中的激光与第一多模泵浦激光进行合束；

所述第二保偏掺镱光纤12用于根据第一多模泵浦激光放大主光路的激光；

所述第二光纤隔离器13用于隔离主光路中反向传播的激光。

本实施例中，所述二级多模放大单元为10/125放大级，第一多模泵浦激光器10采用9W半导体多模泵浦激光器。第一信号泵浦合束器11(MPC)类型为(2+1)×1，其信号端、公共端尾纤为无源双包层光纤，其纤芯直径为10μm，内包层直径为125μm；其泵浦端尾纤为多模光纤，其纤芯直径为105μm，包层直径为125μm，纤芯数值孔径为0.22。第二保偏掺镱光纤12采用一段保偏双包层掺镱光纤，该保偏双包层掺镱光纤为有源双包层YDF，其纤芯直径为10μm，内包层直径为125μm，纤芯数值孔径为0.08，光纤长度为4m；第二光纤隔离器13的光纤为PM980光纤。上述器件均通过光纤熔接方式相连。

在一种可能的实施方式中，所述二级多模放大单元和所述三级多模放大单元之间设有光纤耦合器14，所述光纤耦合器14的一次侧通过光纤串联在所述二级多模放大单元和所述三级多模放大单元之间，所述光纤耦合器14的二次侧通过光纤连接所述功率监测模块；

所述功率监测模块包括分别设置在光纤耦合器14二次侧两端的多个光电探测器。

如图1所示，光纤耦合器14为保偏耦合器，其包括四个接口，其中一次侧两个接口，二次侧连个接口。光纤耦合器14的一次侧串联在主光路中，其二次侧的一端连接第一光电探测器15、另一端连接第二光电探测器16，第一光电探测器15和第二光电探测器16用于监测主光路中的激光功率，以及时发现异常情况、对激光器进行保护。

在一种可能的实施方式中，所述三级多模放大单元包括模场适配器17(MFA)、第二多模泵浦激光器18、第二信号泵浦合束器19(MPC)、第三保偏掺镱光纤20、包层光功率剥除器21(CPS)、光纤准直器22、第一二分之一波片23和空间隔离器24，所述模场适配器17(MFA)、第二信号泵浦合束器19(MPC)、第三保偏掺镱光纤20、包层光功率剥除器21(CPS)、光纤准直器22沿主光路依次设置且通过光纤熔接相连，光纤准直器22输出的基频光依次通过第一二分之一波片23和空间隔离器24后输出；

所述模场适配器17(MFA)的输入端连接所述光纤耦合器14的一次侧，用于扩展主光路中光纤的模场；

所述第二多模泵浦激光器18与第二信号泵浦合束器19(MPC)通过光纤熔接相连，用于提供第二多模泵浦激光；

所述第二信号泵浦合束器19(MPC)用于将主光路中的激光与第二多模泵浦激光进行合束；

所述第三保偏掺镱光纤20用于根据第二多模泵浦激光放大主光路的激光；

所述包层光功率剥除器21(CPS)用于剥除主光路中残余的泵浦光以及反射光；

所述光纤准直器22用于对主光路中的激光进行准直后输出基频光；

所述第一二分之一波片23和空间隔离器24相互协作，用于防止后续光路的回返光沿主光路反向传播、从而进入三级多模放大单元烧毁光纤。空间隔离器24以及第一二分之一波片23旋转位置通过基频光透过效率确定。

可以理解的是，所述三级多模放大单元作为主放大级，如图1所示，三级多模放大单元中，模场适配器17(MFA)由PLMA－GDF－10/125－M与PLMA－GDF－25/250－M光纤拉制而成；第二多模泵浦激光器18采用130W多模半导体泵浦激光器；第二信号泵浦合束器19(MPC)的类型为(2+1)×1，其信号端、公共端尾纤为无源双包层光纤，其纤芯直径为25μm，内包层直径为250μm；其泵浦端尾纤为多模光纤，其纤芯直径为105μm，包层直径为125μm，纤芯数值孔径为0.22；第三保偏掺镱光纤20采用保偏有源双包层掺镱光纤(YDF)，其纤芯直径为25μm，内包层直径为250μm，纤芯数值孔径为0.075，光纤长度为3m；包层光功率剥除器21(CPS)和光纤准直器22的尾纤均为无源双包层光纤，其纤芯直径为25μm，内包层直径为250μm。上述器件均通过光纤熔接方式连接。所述三级多模放大单元通过优化第三保偏掺镱光纤20的盘绕直径以及被动光纤长度、优化光纤准直器22的夹持角度可以实现高光束质量的基频光输出。第三保偏掺镱光纤20的盘绕方式需通过输出光束质量以及功率进行优化。

在一种可能的实施方式中，所述脉冲压缩模块包括第二二分之一波片25、偏振光分束器26、四分之一波片27和脉冲压缩器28，所述脉冲压缩器28采用反射型体布拉格光栅(VBG)；

所述第二二分之一波片25设置在偏振光分束器26的输入端，所述四分之一波片27和脉冲压缩器28沿光传播方向依次设置在偏振光分束器26的透射端，所述脉冲压缩器28反射的激光依次经四分之一波片27和脉冲压缩器28的反射端输出基频光；

所述第二二分之一波片25用于将主光路中激光的相位角延迟π；

所述偏振光分束器26用于将第一偏振光反射输出、还用于将第二偏振光透射传输到四分之一波片27，还用于将四分之一波片27传回的激光与第一偏振光叠加输出；

所述四分之一波片27用于将偏振光分束器26的透射光相位延迟π/2，还用于将脉冲压缩器28反射的激光相位再次延迟π/2；

体布拉格光栅(VBG)用于将入射光反射，得到脉宽压缩的激光。

本实施例中，如图1所示，所述脉冲压缩器28采用体光栅，其具脉冲压缩的功能。可以理解的是，偏振光分束器26具有一个输入端、一个透射端和一个反射端，主光路中经功率放大的激光从偏振光分束器26的输入端入射，S偏振光(即第一偏振光)经偏振光分束器26的反射端反射输出，P偏振光(即第二偏振光)经偏振光分束器26的透射端输出到四分之一波片27，第二偏振光经过四分之一波片27后，相位角被延迟π/2，然后进入体光栅，进行脉冲压缩，得到脉宽固定的激光信号。脉冲压缩后的第二偏振光再次通过四分之一波片27后，相位角再次被延迟π/2，然后通过偏振光分束器26的透射端向偏振光分束器26的输入端出射。此时，经过脉冲压缩的P偏振光传播方向与偏振光分束器26的输入端入射的P偏振光传播方向相反、相位角相差π、振幅相同、偏振方向相同、频率相同，脉冲压缩的P偏振光与S偏振光叠加发生干涉。通过优化体布拉格光栅VBG的位置以及角度，可以实现最优压缩效率以及最优光束质量的基频光输出。

脉冲压缩器28结合种子激光模块中的脉冲展宽器4，理论上可以实现任意脉宽的激光输出。具体的，例如通过选取合适色散量的啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)作为脉冲展宽器4、选取合适长度的保偏无源光纤5，以及选取合适色散量的体布拉格光栅(VBG)作为脉冲压缩器28，可以实现激光频率从飞秒到皮秒之间的转换。

在一种可能的实施方式中，所述三倍频光路模块包括沿主光路依次设置的聚焦透镜30、二倍频LBO晶体及其加热炉31、三倍频LBO晶体及其加热炉32、第一分色镜33、第二分色镜34和准直透镜35；

所述聚焦透镜30用于将基频光进行聚焦；

所述二倍频LBO晶体及其加热炉31用于将基频光转换为二倍频激光，可通过改变二倍频LBO晶体的加热炉温度实现紫外激光输出功率调整；

所述三倍频LBO晶体及其加热炉32用于将未转换完全的基频光与二倍频激光转换为三倍频激光，可通过改变三倍频LBO晶体的加热炉温度实现紫外激光输出功率调整；

所述第一分色镜33、第二分色镜34通过光路级联，用于将三倍频激光中的紫外波段筛选出，以输出三倍频紫外散射激光；

所述准直透镜35用于将筛选出的三倍频紫外散射激光进行准直，输出平行的三倍频紫外激光。

可以理解的是，聚焦透镜30以及准直透镜35的焦距根据三倍频效率以及所需紫外光的光斑大小所决定。

优选的，所述聚焦透镜30镀有红外增透膜，二倍频LBO晶体镀有红外及绿光增透膜，三倍频LBO晶体镀有红外及绿光增透膜，所述准直透镜35镀有紫外增透膜。二倍频LBO晶体的前后表面皆镀红外以及绿光(波长532nm)的增透膜，三倍频LBO晶体的前后表面镀红外以及绿光(波长532nm)的增透膜。

二倍频LBO晶体主平面为XY平面，其中，LBO晶体属负双轴晶体，主轴X/Y/Z(n_z＞n_y＞n_x)分别与结晶轴a/b/c平行)，晶体角度为θ＝90°，φ≠0°；三倍频LBO晶体主要平面为YZ平面，晶体角度为φ＝90°，且三倍频LBO晶体的输出端面没有布儒斯特角，进而减少走离效应，减小输出紫外激光的光斑椭圆率。

二倍频LBO晶体的加热炉和三倍频LBO晶体的加热炉的温度、位置和角度均通过激光器输出的紫外光功率来反向调节、从而进行优化。聚焦透镜30和准直透镜35的焦距通过激光器输出的紫外光的功率以及光斑大小来确定。

为了进一步实现该紫外激光器的小型化，还可在空间光路中设置反射镜，以减小装置体积。例如，在偏振光分束器26的输出端和聚焦透镜30的输入端之间设置反射镜29，通过反射镜29将偏振光分束器26输出的基频光进行反射，反射光输入聚焦透镜30，可减小附图中所示的激光器的纵向尺寸。

本实用新型提供的皮秒紫外激光器相比于传统的激光器具有以下优点：

(1).传统固体激光器由于需要大量空间元器件以及大量热沉结构；本实用新型采用全光纤结构实现基频光输出，其结构更为紧凑、功耗更低、转换效率更高；

(2).在本实用新型结构的基础上，还可通过合理优化各元器件的光纤熔接程序、优化功率放大模块中增益光纤盘绕直径、优化功率放大模块光路实现高光束质量的基频光输出；

(3).本实用新型通过合理优化脉冲展宽器4中啁啾光纤布拉格光栅CFBG的色散量、保偏无源光纤5的长度以及脉冲压缩器28中体光栅VBG的色散量，可以实现脉冲宽度从皮秒到飞秒量级的转换；

(4).常用的三倍频晶体为带有布儒斯特角的LBO晶体，基频光、绿光以及紫外光经过该晶体后光路会发生偏折，故分色镜的角度以及吸收池的位置均需要特殊设计；本实用新型使用没有布儒斯特角的LBO晶体作为三倍频LBO晶体，简化了空间光路。

本实用新型基于MOPA(Master Oscillator Power－Amplifier，主控振荡器的功率放大器)结构的光纤激光器产生基频光，再利用非线性倍频技术产生三倍频紫外光，具有光纤激光器的结构简单、转换效率高、光束质量好、稳定性高、精度高等优点。

相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该技术产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，“第一”、“第二”仅用于描述目的，且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。因此，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多个该特征。因此术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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技术中的具体含义。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种皮秒紫外激光器，其特征在于，包括沿主光路依次设置的种子激光模块、脉冲展宽器、功率放大模块、脉冲压缩模块和三倍频光路模块，种子激光模块、脉冲展宽器、功率放大模块、依次通过光纤连接，功率放大模块、脉冲压缩模块和三倍频光路模块通过空间光连接；所述功率放大模块上还设有功率监测模块，所述功率监测模块通过光纤耦合器与功率放大模块耦合；

所述种子激光模块用于发出种子激光；

所述脉冲展宽器用于将种子激光的脉宽展宽；

所述功率放大模块用于将种子激光进行功率放大，得到基频光；

所述功率监测模块用于对激光放大功率进行监测；

所述脉冲压缩模块用于将基频光的脉宽进行压缩；

所述三倍频光路模块用于将脉冲压缩后的基频光进行三倍频调制、分色以及准直，得到稳定的三倍频紫外激光。

2.根据权利要求1所述一种皮秒紫外激光器，其特征在于，所述种子激光模块包括沿主光路依次设置的飞秒种子源(1)、带通滤波隔离器(2)、环形器(3)和保偏无源光纤(5)，所述脉冲展宽器(4)设置在环形器(3)和保偏无源光纤(5)之间，所述飞秒种子源(1)通过法兰盘与带通滤波隔离器(2)连接，所述带通滤波隔离器(2)、环形器(3)、脉冲展宽器(4)和保偏无源光纤(5)通过光纤熔接依次相连。

3.根据权利要求1或2所述一种皮秒紫外激光器，其特征在于，所述功率放大模块包括依次级联的一级单模放大单元、二级多模放大单元和三级多模放大单元，所述一级单模放大单元用于将激光进行单模放大，所述二级多模放大单元用于将单模放大后的激光进行多模预放大，所述三级多模放大单元用于将多模预放大的激光进行多模放大，以得到预期放大倍数的激光。

4.根据权利要求3所述一种皮秒紫外激光器，其特征在于，所述一级单模放大单元包括波分复用器(6)、单模泵浦激光器(7)、第一保偏掺镱光纤(8)和第一光纤隔离器(9)，所述波分复用器(6)、第一保偏掺镱光纤(8)和第一光纤隔离器(9)沿主光路依次设置且通过光纤熔接相连；

所述单模泵浦激光器(7)与所述波分复用器(6)通过光纤熔接相连，用于提供单模泵浦激光；

所述波分复用器(6)用于将主光路中的激光与单模泵浦激光进行合束；

所述第一保偏掺镱光纤(8)用于根据单模泵浦激光放大主光路的激光；

所述第一光纤隔离器(9)用于隔离主光路中反向传播的激光。

5.根据权利要求3所述一种皮秒紫外激光器，其特征在于，所述二级多模放大单元包括第一多模泵浦激光器(10)、第一信号泵浦合束器(11)、第二保偏掺镱光纤(12)和第二光纤隔离器(13)，所述第一信号泵浦合束器(11)、第二保偏掺镱光纤(12)和第二光纤隔离器(13)沿主光路依次设置且通过光纤熔接相连；

所述第一多模泵浦激光器(10)与第一信号泵浦合束器(11)通过光纤熔接相连，用于提供第一多模泵浦激光；

所述第一信号泵浦合束器(11)用于将主光路中的激光与第一多模泵浦激光进行合束；

所述第二保偏掺镱光纤(12)用于根据第一多模泵浦激光放大主光路的激光；

所述第二光纤隔离器(13)用于隔离主光路中反向传播的激光。

6.根据权利要求3所述一种皮秒紫外激光器，其特征在于，所述二级多模放大单元和所述三级多模放大单元之间设有光纤耦合器(14)，所述光纤耦合器(14)的一次侧通过光纤串联在所述二级多模放大单元和所述三级多模放大单元之间，所述光纤耦合器(14)的二次侧通过光纤连接所述功率监测模块；

所述功率监测模块包括分别设置在光纤耦合器(14)二次侧两端的多个光电探测器。

7.根据权利要求6所述一种皮秒紫外激光器，其特征在于，所述三级多模放大单元包括模场适配器(17)、第二多模泵浦激光器(18)、第二信号泵浦合束器(19)、第三保偏掺镱光纤(20)、包层光功率剥除器(21)、光纤准直器(22)、第一二分之一波片(23)和空间隔离器(24)，所述模场适配器(17)、第二信号泵浦合束器(19)、第三保偏掺镱光纤(20)、包层光功率剥除器(21)、光纤准直器(22)沿主光路依次设置且通过光纤熔接相连，光纤准直器(22)输出的基频光在空间上依次通过第一二分之一波片(23)和空间隔离器(24)输出；

所述模场适配器(17)的输入端连接所述光纤耦合器(14)的一次侧，用于扩展主光路中光纤的模场；

所述第二多模泵浦激光器(18)与第二信号泵浦合束器(19)通过光纤熔接相连，用于提供第二多模泵浦激光；

所述第二信号泵浦合束器(19)用于将主光路中的激光与第二多模泵浦激光进行合束；

所述第三保偏掺镱光纤(20)用于根据第二多模泵浦激光放大主光路的激光；

所述包层光功率剥除器(21)用于剥除主光路中残余的泵浦光以及反射光；

所述光纤准直器(22)用于对主光路中的激光进行准直后输出基频光；

所述第一二分之一波片(23)和空间隔离器(24)相互协作，用于防止后续光路的回返光沿主光路反向传播。

8.根据权利要求7所述一种皮秒紫外激光器，其特征在于，所述脉冲压缩模块包括第二二分之一波片(25)、偏振光分束器(26)、四分之一波片(27)和脉冲压缩器(28)，所述脉冲压缩器(28)为反射型体光栅，

所述第二二分之一波片(25)设置在偏振光分束器(26)的输入端，所述四分之一波片(27)和脉冲压缩器(28)沿光传播方向依次设置在偏振光分束器(26)的透射端，所述脉冲压缩器(28)反射的激光依次经四分之一波片(27)和脉冲压缩器(28)的反射端输出基频光；

所述第二二分之一波片(25)用于将主光路中激光的相位角延迟π；

所述偏振光分束器(26)用于将第一偏振光反射输出、还用于将第二偏振光透射传输到四分之一波片(27)，还用于将四分之一波片(27)传回的激光与第一偏振光叠加输出；

所述四分之一波片(27)用于将偏振光分束器(26)的透射光相位延迟π/2，还用于将脉冲压缩器(28)反射的激光相位再次延迟π/2；

所述脉冲压缩器(28)用于将入射光反射，得到脉宽压缩的激光。

9.根据权利要求7所述一种皮秒紫外激光器，其特征在于，所述三倍频光路模块包括沿主光路依次设置的聚焦透镜(30)、二倍频LBO晶体及其加热炉(31)、三倍频LBO晶体及其加热炉(32)、第一分色镜(33)、第二分色镜(34)和准直透镜(35)；

所述聚焦透镜(30)用于将基频光进行聚焦；

所述二倍频LBO晶体及其加热炉(31)用于将基频光转换为二倍频激光；

所述三倍频LBO晶体及其加热炉(32)用于将未转换完全的基频光和二倍频激光转换为三倍频激光；

所述第一分色镜(33)、第二分色镜(34)用于将三倍频激光中的紫外波段筛选出，以输出三倍频紫外散射激光；

所述准直透镜(35)用于将筛选出的三倍频紫外散射激光进行准直，输出平行的三倍频紫外激光。

10.根据权利要求9所述一种皮秒紫外激光器，其特征在于，所述聚焦透镜(30)镀有红外增透膜，二倍频LBO晶体镀有红外及绿光增透膜，三倍频LBO晶体镀有红外及绿光增透膜，所述准直透镜(35)镀有紫外增透膜。

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