CN102510001A - 二倍频绿光激光器 - Google Patents

Abstract

一种二倍频绿光激光器，涉及光纤激光器，包括泵浦源、光纤放大器以及二倍频系统，其特别之处在于：所述泵浦源为增益开关型皮秒脉冲种子源；所述增益开关型皮秒脉冲种子源包括由保偏光纤连接的增益开关激光器、光纤耦合器、单纵模锁定装置和啁啾补偿模块，增益开关激光器的输出端通过光纤耦合器分别与单纵模锁定装置和啁啾补偿模块连接。本发明采用了增益开关型皮秒脉冲种子源，其产生的种子光重复频率可调，脉宽可调，且为皮秒量级，并且是单模、单偏振光，经放大和倍频后，激光的特性与种子光一致，且功率能够达到60w，光-光转化效率可达80%；整个设备为全光纤结构，没有复杂的光学对准器件，无需水冷，结构简单紧凑，适宜工业化生产。

Description

二倍频绿光激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器，具体地指一种由基于主振荡功率放大（MOPA）结构的皮秒脉冲激光器泵浦的二倍频绿光激光器。

背景技术

绿光激光器不仅在医疗、显示、存储等领域有着广泛的用途，而且在生物和材料处理等领域起着不可替代的作用，比如陶瓷、强反射金属等特殊材料的精密加工。此外，由于绿光拥有更小的光斑直径、对大多数材料有着更高的吸收率，因此在高端激光应用方面也有着广泛前景。一般产生绿光的方法是由固体半导体激光器作为泵浦光源，再结合非线性倍频技术产生二倍频绿光。然而，用这种方法产生的绿光多为连续型多模激光，光束质量不好，不能满足工业上精细加工的需求。且系统中要使用大量光学元件，结构复杂，增加了调节难度，不利于工业化大批量生产。

公开号为CN 1694320A的中国专利申请《半导体泵浦的单模绿光激光器》，以及公开号为CN 1897371A的中国专利申请《高功率二次谐波激光产生方法》中，均是采用半导体泵浦的绿光激光器，其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。为得到高功率的绿光输出，以上两项专利申请均采用多个连续型半导体激光二极管组成阵列，输入功率都在几百瓦以上，但是光-光转化效率不高，输出绿光的转化效率均低于20%。

目前，光纤激光器的迅速发展为绿光激光器的生产提供了更多选择，例如申请号为201110156920.9的中国发明专利申请《脉宽可调的增益开关型皮秒脉冲种子源》提及了基于MOPA结构的光纤激光器，它通过放大高质量的种子光来得到相同模式的高功率激光，转化效率高，输出的激光质量好。采用该种子源产生单模、单偏振态的皮秒脉冲激光，具有高精度、高功率、低热损伤率等性能，可以很好的满足工业加工的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种二倍频绿光激光器，能够通过简单的结构，可靠地输出单模、单偏振态的皮秒脉冲激光。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种二倍频绿光激光器，包括泵浦源、光纤放大器以及二倍频系统，其特别之处在于：所述泵浦源为增益开关型皮秒脉冲种子源；所述增益开关型皮秒脉冲种子源包括由保偏光纤连接的增益开关激光器、光纤耦合器、单纵模锁定装置和啁啾补偿模块，增益开关激光器的输出端通过光纤耦合器分别与单纵模锁定装置和啁啾补偿模块连接。

上述技术方案中，所述单纵模锁定装置为DFB半导体激光器或者光纤光栅。

上述技术方案中，所述啁啾补偿模块为为啁啾光栅或者啁啾补偿全固光子带隙光纤。

上述技术方案中，所述增益开关激光器由依次连接的电脉冲发生器、信号放大器、直流偏置电流源和F-P半导体激光器构成。

上述技术方案中，所述光纤放大器包括依次设置的一级单模泵浦放大器、二级多模泵浦放大器和三级多模泵浦放大器。

进一步地，所述一级单模泵浦放大器为单向泵浦或者双向泵浦的第一保偏型掺稀土光纤；所述二级多模泵浦放大器为单向泵浦或者双向泵浦的第二保偏型掺稀土光纤；所述三级多模泵浦放大器为单向泵浦或者双向泵浦的第三保偏型掺稀土光纤。

更进一步地，所述二级多模泵浦放大器和/或三级多模泵浦放大器为侧向泵浦光纤结构的光纤。

上述技术方案中，所述二倍频系统中采用的倍频晶体为LBO晶体或KTP晶体或PPLN晶体。

进一步地，所述二倍频系统包括依次共轴设置的聚焦透镜、λ/2波片、倍频晶体及其加热炉、准直镜和双色镜。

更进一步地，所述倍频晶体及其加热炉中的倍频晶体位于激光经聚焦透镜聚焦后的光腰处。

本发明的有益效果在于：采用了增益开关型皮秒脉冲种子源，其产生的种子光重复频率可调，脉宽可调，且为皮秒量级，并且是单模、单偏振光，经放大和倍频后，激光的特性与种子光一致，且功率能够达到60w，光-光转化效率可达80%；整个设备为全光纤结构，没有复杂的光学对准器件，无需水冷，结构简单紧凑，适宜工业化生产。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构示意图。

图中：1—增益开关型皮秒脉冲种子源，2—电脉冲发生器，3—信号放大器，4—直流偏置，5—直流电源，6—F-P半导体激光器，7—DFB半导体激光器，8—光纤耦合器，9—啁啾光栅，10—光纤放大器，11—保偏隔离器，12—前向波分复用器（WDM），13—前向单模泵浦激光器，14—第一保偏型掺稀土光纤，15—后向波分复用器（WDM），16—后向单模泵浦激光器，17—保偏隔离器，18—前向多模泵浦耦合器，19—前向多模泵浦激光器，20—第二保偏型掺稀土光纤，21—后向多模泵浦耦合器，22—后向多模泵浦激光器，23—保偏隔离器，24—前向多模泵浦耦合器，25—前向多模泵浦激光器，26—第三保偏型掺稀土光纤，27—后向多模泵浦耦合器，28—后向多模泵浦激光器，29—准直镜，30—二倍频系统，31—聚焦透镜，32—λ/2波片，33—倍频晶体及其加热炉，34—准直镜，35—双色镜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明的一种二倍频绿光激光器，包括泵浦源、光纤放大器10以及二倍频系统30。

其中：泵浦源为为重复频率可调、脉宽可调的增益开关型皮秒脉冲种子源1。该增益开关型皮秒脉冲种子源1包括由保偏光纤连接的增益开关激光器、光纤耦合器8、单纵模锁定装置和啁啾补偿模块，增益开关激光器的输出端通过光纤耦合器8分别与单纵模锁定装置和啁啾补偿模块连接。本实施例的增益开关激光器由依次连接的电脉冲发生器2、信号放大器3、直流偏置电流源和1060nm的F-P半导体激光器6构成。本实施例中的单纵模锁定装置为1060nm的DFB半导体激光器7，啁啾补偿模块为啁啾光栅9。

工作时，电脉冲发生器2产生重复频率可调的射频信号，重复频率调节范围在10K~100MHz，通过调节直流电源5改变直流偏置4，使F-P半导体激光器6在阈值以下，则射频信号经信号放大器3放大后加载在F-P半导体激光器6上会产生增益。F-P半导体激光器6产生振荡，在第二个振荡峰出现之前，电脉冲增益消失，此时F-P半导体激光器6输出皮秒级短脉冲。使用1060nm的DFB半导体激光器7使得F-P半导体激光器6产生的纵模始终处于锁定状态，可以任意调节电脉冲发生器2的重复频率，以调整输出光脉冲的重复频率。啁啾光栅9针对输出脉冲的啁啾分布用来压缩或展宽脉冲宽度，以实现脉宽可调，脉宽调节范围在50~500ps。增益开关型皮秒脉冲种子源1产生的种子光光功率一般在1mw以内。

光纤放大器10共有三级，包括依次设置的一级单模泵浦放大器、二级多模泵浦放大器和三级多模泵浦放大器。泵浦源与光纤放大器10之间、光纤放大器10的三级之间分别由保偏隔离器11、17、23分隔。一级单模泵浦放大器为5/130μm的第一保偏型掺稀土光纤14，采用双向泵浦方式，其前向单模泵浦激光器13和后向单模泵浦激光器16均为200mw/976nm规格；二级多模泵浦放大器为5/130μm的第二保偏型掺稀土光纤20，且为侧向泵浦光纤结构，采用双向泵浦方式，其前向多模泵浦激光器19和后向多模泵浦激光器22均为7w/915nm规格；三级多模泵浦放大器为25/340μm的第三保偏型掺稀土光纤26，采用双向泵浦方式，其前向多模泵浦激光器25和后向多模泵浦激光器28均为150mw/975nm规格。

光纤放大器10的工作过程为：上述增益开关型皮秒脉冲种子源1产生的1060nm的种子光经过保偏隔离器11，使其只有一个偏振态的激光进入光纤放大器10，保证激光的单偏振性。一级单模放大器的200mw/976nm前向单模泵浦激光器13产生的功率为200mw、波长为976nm的泵浦光和1060nm的种子光通过前向波分复用器（WDM）12耦合进入第一保偏型掺稀土光纤14，在其纤芯处实现放大，同时功率为200mw、波长为976nm的后向单模泵浦激光器16通过后向波分复用器15耦合进入第一保偏型掺稀土光纤14，使种子光得到放大。通过前后双向泵浦，种子光的功率可以放大到50mw。一级放大也可只采用前向放大或后向放大的单向泵浦方式；一级放大后的激光再通过保偏隔离器17进入二级多模泵浦放大器，二级多模泵浦放大器的7w/915nm的前向多模泵浦激光器19发出的泵浦光通过前向多模泵浦耦合器18进入第二保偏型掺稀土光纤20的包层中使种子光得到放大，同时7w/915nm的后向多模泵浦激光器22发出的泵浦光通过后向多模泵浦耦合器21进入第二保偏型掺稀土光纤20的包层中使种子光得到放大。二级放大将激光继续放大至1w。同样的，二级放大也可只采用前向放大或后向放大的单向泵浦方式；最后，二级放大的激光再通过保偏隔离器23进入三级多模放大器，除其采用25/340μm的第三保偏型掺稀土光纤26和150mw/975nm的前向多模泵浦激光器25、后向多模泵浦激光器28外，工作原理与二级放大相同。当然，三级放大也可只采用前向放大或后向放大的单向泵浦方式。经过三级多模放大器后，激光的功率可以放大至100w。

经三级放大后，功率为100w、波长为1060nm的皮秒脉冲激光通过准直镜29进入二倍频系统30。二倍频系统30包括依次共轴设置的聚焦透镜31、λ/2波片32、倍频晶体及其加热炉33、准直镜34和双色镜35。其具体过程为：1060nm的激光经聚焦透镜31聚焦，该聚焦透镜31的锐利范围是7~8mm，激光聚焦后在光腰处的光斑直径为50μm；聚焦后的激光通过λ/2波片32调整光轴，使其与倍频晶体工作时的方向一致，可提高二次谐波的转化效率；本实施例的倍频晶体及其加热炉33中倍频晶体为LBO晶体（当然，也可采用KTP晶体或PPLN晶体），LBO晶体即位于上述光腰处，LBO晶体的尺寸为2×2×10mm、与聚焦透镜31的锐利范围相当，通过加热炉的加热使LBO晶体的温度保持在155℃，此时LBO晶体满足二次倍频所需的相位匹配条件，其转化效率最大，倍频后得到530nm的绿光；从LBO晶体射出的绿光再经准直镜34准直后通过双色镜35，可通过反射滤掉1060nm的光，只通过530nm的绿光，此时，获得了功率约为60w、波长为530nm的高质量绿光。

针对本发明中的种子光，采用二倍频得到了高质量绿光，类似的，采用三倍频或四倍频方法则能够得到高质量的紫外光。

本发明的核心在于使用增益开光技术为激光器提供种子光，以通过简单的结构实现单模、单偏振态的皮秒脉冲激光输出，所以，其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神，例如：单纵模锁定装置不限于实施例所述的DFB半导体激光器7。采用光纤光栅等器件也是可行的；啁啾补偿模块也不限于上述啁啾光栅9，还可采用啁啾补偿全固光子带隙光纤等；二级多模泵浦放大器和三级泵浦多模放大器优选采用侧面泵浦结构，但是用端面泵浦的方式也能实现本发明技术方案等。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (10)

1.一种二倍频绿光激光器，包括泵浦源、光纤放大器（10）以及二倍频系统（30），其特征在于：所述泵浦源为增益开关型皮秒脉冲种子源（1）；所述增益开关型皮秒脉冲种子源（1）包括由保偏光纤连接的增益开关激光器、光纤耦合器（8）、单纵模锁定装置和啁啾补偿模块，增益开关激光器的输出端通过光纤耦合器（8）分别与单纵模锁定装置和啁啾补偿模块连接。

2.根据权利要求1所述的二倍频绿光激光器，其特征在于：所述单纵模锁定装置为DFB半导体激光器（7）或者光纤光栅。

3.根据权利要求1所述的二倍频绿光激光器，其特征在于：所述啁啾补偿模块为啁啾光栅（9）或者啁啾补偿全固光子带隙光纤。

4.根据权利要求1至3所述的二倍频绿光激光器，其特征在于：所述增益开关激光器由依次连接的电脉冲发生器（2）、信号放大器（3）、直流偏置电流源和F-P半导体激光器（6）构成。

5.根据权利要求1至3所述的二倍频绿光激光器，其特征在于：所述光纤放大器（10）包括依次设置的一级单模泵浦放大器、二级多模泵浦放大器和三级多模泵浦放大器。

6.根据权利要求5所述的二倍频绿光激光器，其特征在于：所述一级单模泵浦放大器为单向泵浦或者双向泵浦的第一保偏型掺稀土光纤（14）；所述二级多模泵浦放大器为单向泵浦或者双向泵浦的第二保偏型掺稀土光纤（20）；所述三级多模泵浦放大器为单向泵浦或者双向泵浦的第三保偏型掺稀土光纤（26）。

7.根据权利要求6所述的二倍频绿光激光器，其特征在于：所述二级多模泵浦放大器和/或三级多模泵浦放大器为侧向泵浦光纤结构的光纤。

8.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的二倍频绿光激光器，其特征在于：所述二倍频系统（30）中采用的倍频晶体为LBO晶体或KTP晶体或PPLN晶体。

9.根据权利要求8所述的二倍频绿光激光器，其特征在于：所述二倍频系统（30）包括依次共轴设置的聚焦透镜（31）、λ/2波片（32）、倍频晶体及其加热炉（33）、准直镜（34）和双色镜（35）。

10.根据权利要求9所述的二倍频绿光激光器，其特征在于：所述倍频晶体及其加热炉（33）中的倍频晶体位于激光经聚焦透镜（31）聚焦后的光腰处。

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