CN102201640A - 瓦级1050nm光子晶体光纤脉冲激光器及其放大系统 - Google Patents

瓦级1050nm光子晶体光纤脉冲激光器及其放大系统 Download PDF

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Abstract

瓦级1050nm光子晶体光纤脉冲激光器及其放大系统，属于激光技术领域。该套装置包括光子晶体光纤激光振荡器和光子晶体光纤激光放大系统；其中光子晶体光纤激光振荡器包括带有尾纤976nm半导体激光器、增益光子晶体光纤、偏振分束器、半导体可饱和吸收镜。光子晶体光纤激光放大系统：包括光隔离器、增益光子晶体光纤、带有尾纤976nm半导体激光器构成。本发明通过隔离器等一系列的保护装置把激光1050nm导入增益光子晶体光纤进行后向抽运放大，伴随着泵浦模块的提升获得了高功率、高光束质量百瓦量级的锁模脉冲激光。为医疗、微纳加工及基础科研研究提供了可靠性光源。

Description

瓦级1050nm光子晶体光纤脉冲激光器及其放大系统
技术领域
本发明涉及一种瓦级1050nm光子晶体光纤激光器及其放大系统，属于激光技术领域。
背景技术
高功率的超短脉冲激光在测量、医疗、微纳米加工、受控核聚变以及基础科学研究等方面具有很广阔的需求前景，是目前激光技术的一个重要研究方向。在高功率激光器的研究中，光纤作为增益介质在效率、散热以及光束质量方面有着明显的优势，已经引起人们的普遍重视。
在众多的掺杂光纤脉冲激光器中，掺镱光子晶体光纤激光器发展最为迅速，它具有很宽的发射带宽，可以支持更短的锁模脉冲，量子缺陷低，没有上转换和重吸收损耗；而双包层结构进一步提高了抽运光的耦合效率。同时区别于普通光纤激光器优点是：普通光纤激光器由于超短脉冲在长光纤中传输时积累非线性相移，在光纤色散的作用下会导致脉冲畸变，从而限制锁模光纤激光器单脉冲能量，这对于获得高功率的、高光束质量的脉冲激光输出时不利的，而光子晶体光纤独有的结构，产生了优异的特性，如它具有大的表面-体积比，散热极好，可以实现超短脉冲激光的高功率输出。双包层大模场结构光子晶体光纤能够在高功率下保证单模运转和极高的光束质量，同时双包层大模场结构的设计进一步提高了抽运光的耦合效率，而且光束完全被封闭在纤芯中，不再受周围环境的影响，把第二代脉冲激光器的技术贵族性和娇嫩性从固体激光器中解脱出来，使之系统集成化、结构简单化、操作容易化。成为国际激光技术研究的热点之一。
发明内容
本发明目的在于提出一种瓦级大模场光子晶体光纤激光器及放大系统，其具有结构简单、使用方便、稳定性好等特点。
本发明是通过如下方案加以实现的，该套装置包括光子晶体光纤激光振荡器和光子晶体光纤激光放大系统；其中光子晶体光纤激光振荡器包括带有尾纤976nm半导体激光器、增益光子晶体光纤、偏振分束器、半导体可饱和吸收镜。光子晶体光纤激光放大系统：包括光隔离器、增益光子晶体光纤、带有尾纤976nm半导体激光器构成。光子晶体光纤激光振荡器沿光的传播方向依次设置：带有尾纤976nm半导体激光器1、第一平凸透镜2、第一二色镜3、第二平凸透镜4、双包层光子晶体光纤5、第三平凸透镜6、第二二色镜7、第三二色镜8、第一半波片9、第一偏振分束器10、第二半波片11、第二偏振分束器12、第四平凸透镜13、半导体可饱和吸收镜14；第二偏振分束器12出光口同一侧布置有光子晶体光纤激光放大系统。光子晶体光纤激光放大系统包括：沿光路依次布置1050nm高反镜15、光隔离器16、第四二色镜17、第三半波片18、第五平凸透镜19、光子晶体光纤20、第六平凸透镜21、第五二色镜22、第七平凸透镜23、带有尾纤的976nm半导体激光器24，其中高反镜15置于第二偏振分束器12出光口同一侧。
在光子晶体光纤激光振荡器中带有尾纤976nm半导体激光器1通过第一平凸透镜2和第二平凸透镜4准直聚焦到增益的光子晶体光纤5中，再经过第三平凸透镜6准直后从第二二色镜7和第三二色镜8反射通过第一半波片9、第一偏振分束器10、第二半波片11、第二偏振分束器12，最后由第四平凸透镜13聚焦到半导体可饱和吸收镜14上，第一二色镜3构成谐振腔形成的锁模脉冲从第二偏振分束器12输出入射到1050nm光全反镜15上，出射光入射到1050nm光全反镜15中，把所得到的锁模脉冲激光导入光纤放大系统中，经过光隔离器16入射到第四二色镜17上，通过调节第三半波片18，使激光的偏振方向与放大光子晶体光纤偏振方向一致，再透过平凹透镜19聚焦到光子晶体光纤中，而放大系统半导体泵浦光24通过第七平凸透镜23和第六平凸透镜21准直聚焦到光子晶体光纤另一端进行后向抽运放大，最后获得所需要的1050nm锁模脉冲激光从第五二色镜22导出。
本发明采用结构最简单的线性谐振腔实现了瓦级1050nm脉冲光子晶体光纤激光器。其优点是：(1)激光器是基于大模场光子晶体光纤的锁模激光放大系统，比传统的固体激光器相比体积要小，结构简单，稳定性好。(2)由于采用大模场光子晶体光纤，得到了高光束质量、高功率的脉冲输出。(3)使用保偏光子晶体光纤，能保持激光的偏振特性，使该激光抗环境干扰能力大大提高和便于偏振控制。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明的结构示意图；
其中1为带有尾纤976nm半导体激光器，2为第一平凸透镜，3为第一二色镜作为腔镜，4为第二平凸透镜，5为增益光子晶体光纤，6为第三平凸透镜，7为第二二色镜和8为第三二色镜，9为第一半波片，10为第一偏振分束器，11为第二半波片，12为第二偏振分束器，13为第四平凸透镜，14半导体可饱和吸收镜，15为1050nm全反镜，16为光隔离器，17为第四二色镜，18为第三半波片，19为第五平凸透镜，20为增益光子晶体光纤，21为第六平凸透镜，22为第五二色镜，23为第七平凸透镜，24为带有尾纤976nm半导体激光器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，激光振荡级是光子晶体光纤激光器，增益光纤是掺镱的大模场双包层保偏光子晶体光纤，其纤芯的单模场直径为29μm，对应的单模场面积为660μm2，数值孔径为0.03，内包层直径200μm，具有六角型周期性排布的空气孔。两端经过塌陷和打磨出8度倾角为了防止自激振荡激光的产生直接通过带有尾纤的976nm半导体激光1准直聚焦进入包层泵浦，由平凸透镜3准直后经第二二色镜7和第三二色镜8反射到半波片9上，其中第二和第三二色镜是镀有976nm高透、1050nm高反膜的，而第一个半波片9的作用是调整保偏光纤出来的激光让它最佳的偏振方向通过旋转波片确保只激发光纤慢轴偏振的模式。在分别经过另一对半波片11和偏振分束器12，利用它们调整激光器的耦合输出率，偏振分束器的导出作为激光器的输出，然后激光入射到1050nm全反镜15上，而后导入放大系统。其中第一二色镜3镀967nm高透和1050nm高反膜和半导体可饱和吸收镜14形成谐振腔，半导体可饱和吸收镜基于GaAs/AlAs Bragg反射镜上低温分子束外延技术生长的InGaAs量子阱结构，在1.04μm附近的线性吸收率为65％，调制深度为35％，饱和通量为20μJ/cm2，吸收恢复时间小于500fs.利用焦距8mm的平凸透镜聚焦13，通过改变会聚光斑的尺寸获得启动锁模所需的功率密度。在半导体激光器1泵浦电流24.5A时，调节半波片11保持输出功率95％左右得到了平均功率1W的锁模脉冲激光，激光中心波长为1050nm。
激光器的放大系统，所得到的锁模种子激光经1050nm45度入射高反镜15反射到光隔离器16中，在依次通过第四二色镜17、半波片18和第五平凸透镜聚焦到增益光子晶体光纤20中，隔离器16和第四二色镜17都起隔离作用，前者防止种子光反馈进入振荡级，破坏锁模，后者对976nm波长的高反，对1050nm波长光高透，隔离残余抽运光。放大级使用相同的增益光纤，采用后向抽运方式。抽运光通过纤芯为200μm、数值孔径0.22的尾纤输出，经平凸透镜组23和21耦合到增益光子晶体光纤中。而第三半波片18作用是把种子光的偏振方向和光纤调到一直，让激光最大功率的耦合进增益光纤20，在泵浦光265W注入光纤后，获得百瓦的平均功率皮秒脉冲激光从第五二色镜导出。
本发明设计中，首次使用区别于传统光纤的光子晶体光纤，以其优异的特性，再通过精心的设计、搭建光学实验装置获得了结构简单、空间小巧、稳定性好的高功率锁模脉冲光子晶体光纤激光器，可以为日后激光技术应用前沿的研究奠定光源基础。

Claims (1)

1.瓦级1050nm光子晶体光纤脉冲激光器及其放大系统，该套装置包括光子晶体光纤激光振荡器和光子晶体光纤激光放大系统；其中光子晶体光纤激光振荡器包括带有尾纤976nm半导体激光器、增益光子晶体光纤、偏振分束器、半导体可饱和吸收镜；光子晶体光纤激光放大系统包括光隔离器、增益光子晶体光纤、带有尾纤976nm半导体激光器构成；其特征在于：
光子晶体光纤激光振荡器沿光的传播方向依次设置：带有尾纤976nm半导体激光器(1)、第一平凸透镜(2)、第一二色镜(3)、第二平凸透镜(4)、双包层光子晶体光纤(5)、第三平凸透镜(6)、第二二色镜(7)、第三二色镜(8)、第一半波片(9)、第一偏振分束器(10)、第二半波片(11)、第二偏振分束器(12)、第四平凸透镜(13)、半导体可饱和吸收镜(14)；第二偏振分束器(12)出光口同一侧布置有光子晶体光纤激光放大系统；
光子晶体光纤激光放大系统沿光路依次布置1050nm高反镜(15)、光隔离器(16)、第四二色镜(17)、第三半波片(18)、第五平凸透镜(19)、光子晶体光纤(20)、第六平凸透镜(21)、第五二色镜(22)、第七平凸透镜(23)、带有尾纤的976nm半导体激光器(24)，其中高反镜(15)置于第二偏振分束器(12)出光口同一侧；
在光子晶体光纤激光振荡器中带有尾纤976nm半导体激光器(1)通过第一平凸透镜(2)和第二平凸透镜(4)准直聚焦到增益的光子晶体光纤5中，再经过第三平凸透镜(6)准直后从第二二色镜(7)和第三二色镜(8)反射通过第一半波片(9)、第一偏振分束器(10)、第二半波片(11)、第二偏振分束器(12)，最后由第四平凸透镜(13)聚焦到半导体可饱和吸收镜(14)上，第一二色镜(3)构成谐振腔形成的锁模脉冲从第二偏振分束器(12)输出入射到1050nm光全反镜(15)上，出射光入射到1050nm光全反镜(15)中，把所得到的锁模脉冲激光导入光纤放大系统中，经过光隔离器(16)入射到第四二色镜(17)上，通过调节第三半波片(18)，使激光的偏振方向与放大光子晶体光纤偏振方向一致，再透过平凹透镜(19)聚焦到光子晶体光纤中，而放大系统半导体泵浦光(24)通过第七平凸透镜(23)和第六平凸透镜(21)准直聚焦到光子晶体光纤另一端进行后向抽运放大，最后获得所需要的1050nm锁模脉冲激光从第五二色镜(22)导出。
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