CN103746282B - 激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光器，包括至少一个泵浦光发射装置、光纤合束器、增益光纤、第一准直器、锁模装置、第二准直器和输出镜，其中，激光器在第一准直器和锁模装置之间设置有第一偏振分束装置；激光器还在第二准直器和输出镜之间设置有第二偏振分束装置，相邻的上述各个光学器件之间的均采用保偏光纤进行连接。通过全保偏光纤的结构的激光器具有良好的稳定性，通过保偏光纤来传输线偏振光，使得光路避免受到温度变化带来的振动的影响，且通过偏振分束装置使得锁模装置能够对其部分能量进行稳定地吸收并反射稳定的锁模后的激光脉冲。

Description

激光器

技术领域

本发明涉及一种激光器，尤其涉及一种用于输出锁模激光脉冲的光纤激光器。

背景技术

光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，继而造成激光工作物质的激光能级跃迁，再通过谐振腔便可形成激光振荡输出。

光纤激光器应用范围非常广泛，其具有体积小、重量轻、转换效率高、输出光束质量好等优点，近年来得到迅猛发展，尤其在激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻、激光打标、激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔、切割、焊接、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设等具有广泛的应用。

现有用于输出锁模激光脉冲的激光器通常在谐振腔内设置有准直器和半导体可饱和吸收镜(SESAM),通过准直器输出激光入射到半导体可饱和吸收镜中。而半导体可饱和吸收镜的基本结构就是把反射镜与半导体可饱和吸收体结合在一起，通过改变吸收体的厚度以及反射镜的反射率，可以调节吸收体的调制深度和反射镜的带宽，其锁模原理是脉冲入射到半导体可饱和吸收镜时，由于脉冲的前后沿强度低，导致吸收不饱和，大部分的能量被吸收，而脉冲中心的强度大，所以中心部分的能量当被吸收达到饱和状态时，大部分能量被返回到谐振腔内。可见，通过半导体可饱和吸收镜将激光脉冲的前后沿的光强吸收，脉冲宽度在反射过程中被压缩，从而实现将激光脉冲的锁模。

然而，现有的谐振腔通过是通过大气空间对光路进行传输，同时由于泵浦光通过增益光纤输入到准直器中的光通常不是含有不同偏振态的脉冲偏振光，继而使得准直器向半导体可饱和吸收镜输出的是不同偏振态的脉冲偏振光。由于半导体可饱和吸收镜对不同偏振态的脉冲光具有不同程度的饱和吸收，导致半导体可饱和吸收镜对不同偏振态的脉冲偏振光出现不同程度的吸收，继而对该脉冲光出现不同程度的损耗，使得半导体可饱和吸收镜输出不稳定的脉冲光。同时，现有激光器多为采用大气空间作为激光传播介质，容易受到温度变化带来的振动的影响，且容易受到外界环境干扰，光损耗高，使得激光器输出光束质量不稳定的脉冲激光。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种可输出稳定激光脉冲的激光器。

为了实现本发明的主要目的，本发明提供一种激光器，其在沿光路的方向上依次设置有至少一个泵浦光发射装置、光纤合束器、增益光纤、第一准直器、锁模装置、第二准直器和输出镜，其中，激光器在第一准直器和锁模装置之间设置有第一偏振分束装置；激光器还在第二准直器和输出镜之间设置有第二偏振分束装置；泵浦光发射装置通过第一保偏光纤连接于光纤合束器的第一端；增益光纤为保偏光纤，光纤合束器通过增益光纤连接于第一准直器的第二端；第一准直器通过第二保偏光纤连接于第一偏振分束装置；第一偏振分束装置通过第三保偏光纤连接于锁模装置；光纤合束器的第一端通过第四保偏光纤连接于第二准直器；第二准直器通过第五保偏光纤连接于第二偏振分束装置；第二偏振分束装置通过第六保偏光纤连接于输出镜。

由上述方案可见，通过设置在第一准直器和锁模装置之间的第一偏振分束装置将从第一准直器入射的光进行偏振分束，通过调节偏振分束装置实现慢轴传输或快轴传输的线偏振光入射到锁模装置，该线偏振光具有稳定的偏振态，所以锁模装置能够对其部分能量进行稳定地吸收并反射稳定的锁模后的激光脉冲，并在输出镜和第二准直器之间设置有偏振分束装置同样使得输出的光为线偏振光和反射到谐振腔内的光为线偏振光。同时利用保偏光纤来连接激光器的各个光学器件，通过全保偏光纤的结构的激光器具有良好的稳定性，通过保偏光纤来传输线偏振光，使得光路避免受到温度变化带来的振动的影响，且光损耗低，使得光路传输过程稳定高效，不容易受外界环境干扰。

更进一步的方案是，激光器还包括用于连接增益光纤与第一准直器之间的第七保偏光纤。

由上可见，通过在增益光纤和第一准直器增加一段保偏光纤有利于增加激光器的腔长，通过采用不同长度的保偏光纤以调节锁模激光的重复频率，有利于提高激光脉冲的锁模效果，使其输出高质量的激光脉冲。

更进一步的方案是，增益光纤与第七保偏光纤通过熔接的方式连接。

由上可见，通过熔接的方式将增益光纤和保偏光纤进行连接，可有效地剥离残余泵浦光，使得激光器输出更加稳定的激光脉冲。

更进一步的方案是，增益光纤为双包层掺铥保偏光纤。

由上可见，采用高掺杂浓度的稀有元素到保偏光纤中，并通过双包层光纤有利于使得泵浦光能够在增益光纤中更好的进行跃迁，继而输出高质量的激光脉冲。

更进一步的方案是，锁模装置为半导体可饱和吸收镜。

由上可见，采用半导体可饱和吸收镜作为被动锁模的光学器件，有利于简化激光器结构，提高输出激光脉冲质量。

更进一步的方案是，偏振分束装置为渥拉斯顿棱镜。

由上可见，采用渥拉斯顿棱镜作为偏振分束装置，由于渥拉斯顿棱镜能够实现偏振分束，偏振度高，而且渥拉斯顿棱镜结构简单，加工方便，可降低成本。

更进一步的方案是，偏振分束装置为洛匈棱镜。

由上可见，洛匈棱镜与渥拉斯顿棱镜工作原理相似，同样具有结构简单，加工方便，可降低成本。

更进一步的方案是，输出镜的透射光与反射光之间的比例为一比九。

由上可见，将入射输出镜的激光脉冲能量分成10%的能量向外输出和90%的能量向内反射进行再次谐振，有利于激光器持续输出稳定高质量的激光脉冲。

更进一步的方案是，泵浦光发射装置的数量为两个，每一个泵浦光发射装置均通过第一保偏光纤连接于光纤合束器的第一端。

由上可见，当一个泵浦源发射的光功率不足够的时候可以采用增加多个泵浦源，并通过保偏光纤连接于新增泵浦源和光纤合束器之间，通过不同泵浦源的扩展可以提高激光器的适用性。

更进一步的方案是，激光器还包括功率放大器，功率放大器用于接收输出镜输出的激光。

由上可见，在输出镜的后级还能增设功率放大器将输出镜输出的激光脉冲进行放大，有利于更进一步地提高激光器输出激光脉冲的光功率。

附图说明

图1是本发明激光器实第一施例的结构图。

图2是本发明激光器第二实施例中功率放大器的结构图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

第一实施例：

参照图1，图1是本发明激光器1的结构图。激光器1在沿其光路的方向上依次设置有泵浦光发射装置111、泵浦光发射装置112、光纤合束器12、增益光纤13、保偏光纤14、谐振腔15和输出腔16，其中，谐振腔15在沿光路的方向依次设置有准直器151、偏振分束装置152和锁模装置153，输出腔16在沿光路的方向依次设置有准直器161、偏振分束装置162和输出镜163。优选地，增益光纤13为双包层掺铥保偏光纤，锁模装置153为半导体可饱和吸收镜，偏振分束装置152和偏振分束装置162为渥拉斯顿棱镜或洛匈棱镜。

泵浦光发射装置111通过第一保偏光纤连接于光纤合束器12的第一端，泵浦光发射装置112通过第二保偏光纤连接于光纤合束器12的第一端，光纤合束器12的第二端与为保偏光纤的增益光纤13连接，增益光纤13通过熔接方式与保偏光纤14连接，保偏光纤14与准直器151连接，准直器151通过第三保偏光纤连接于偏振分束装置152，偏振分束装置152通过第四保偏光纤连接于锁模装置153的一端。光纤合束器12的第一端还通过第五保偏光纤连接于准直器161，准直器161通过第六保偏光纤连接于偏振分束装置162，偏振分束装置162通过第七保偏光纤连接于锁模装置163。

当激光器1工作时，泵浦光发射装置111向光纤合束器12发射泵浦光，光纤合束器12使入射的泵浦光能够在光纤内传输，并将该泵浦光入射到增益光纤13中。泵浦光在双包层掺铥的增益光纤13中传播时，由于泵浦光的能量不能直接耦合都光纤的纤芯内，而是将泵浦光耦合到增益光纤的内包层中，泵浦光在内包层和外包层之间来回反射，并多次穿过单模纤芯并被该纤芯所吸收，从而在纤芯内形成激光脉冲输出，所以泵浦光的能量能够在增益光纤13实现跃迁并间接地耦合到纤芯内以激光脉冲的形式输出到外。

随后增益光纤13将激光脉冲入射到与增益光纤13进行熔接的保偏光纤14中，由于增益光纤13与保偏光纤14进行熔接连接，所以在增益光纤13与保偏光纤14在熔接的部分能够起剥离残余泵浦光的作用，并能过调节保偏光纤14的长度可以激光器的腔长并以此调节锁模激光的重复频率，以提高锁模效果。

随后准直器151接收保偏光纤14输出的激光脉冲并将其调整向偏振分束装置152输出，由于偏振分束装置152能够将输入的偏振光分离成两束相互垂直偏振态的线偏振光，所以偏振分束装置152将慢轴传输的线偏振光入射到锁模装置153中。由于锁模装置153为半导体可饱和吸收镜，所以锁模装置153能够对偏振态稳定的激光脉冲进行稳定地对其进行损耗吸收，并对该脉冲激光的前沿和后沿进行不饱和地吸收，而激光脉冲的中心则进行反射，随后该反射的激光脉冲依次经过偏振分束装置152、准直器151、保偏光纤14、增益光纤13和光纤合束器12后入射到准直器161中。

准直器161再对经锁模后的激光脉冲进行调整准直后输出到偏振分束装置162，由于线偏振激光脉冲在保偏光纤中传播时，线偏振光的偏振态还是可能出现偏移，所以在准直器161和输出镜163之间设置偏振分束装置162可以再对激光脉冲再一次的偏振分光以提高激光脉冲的质量。随后将慢轴传输的线偏振光输入到输出镜163，由于输出镜163的透射光与反射光之间的比例为1：9，所以入射的线偏振光将有10%透射到外，90%将反射到激光器内并将继续参与激光器内的谐振。

第二实施例：

本实施例具有的激光器1具有功率放大器，功率放大器位于第一实施例的激光器1的输出镜163的输出后级。

参照图2，图2是激光器1的功率放大器的结构图，功率放大器在沿其光路的方向上依次设置有包括隔离器21、模场适配器22、泵浦光发射装置231、泵浦光发射装置232、光纤合束器24、增益光纤25、包层功率剥离器26、准直器27。

准直器163、隔离器21、模场适配器22、泵浦光发射装置231、泵浦光发射装置232、光纤合束器24、增益光纤25、包层功率剥离器26和准直器27相互之间均采用保偏光纤进行连接。

当准直器163输出锁模后的激光脉冲后入射到隔离器21后，由于隔离器21具有阻断反射光的功能，所以隔离器有效地阻断反射进入到输出腔16或谐振腔15的光，以提高激光器输出激光脉冲的稳定性。随后模场适配器22接收到隔离器21输出的激光脉冲后，通过模场适配器22将入射的激光脉冲进行扩宽和匹配输出，使得该激光脉冲能够以最大限度的光功率在保偏光纤中传输。

光纤合束器24接收泵浦光发射装置231输出的泵浦光和模场适配器22输出的经扩宽和匹配后的脉冲激光，随后光纤合束器24将接收到的激光输入到增益光纤25中，随后增益光纤25对入射的泵浦光进行跃迁增益后融合到纤芯进行传播，通过泵浦光发射装置231和增益光纤24对输出的激光脉冲功率更进一步的增大。然后在将其输入到包层功率剥离器26中，包层功率剥离器26对入射的激光进行剥离残余泵浦光以进一步提高激光脉冲的质量。最后包层功率剥离器26将输出激光到准直器27中，经过准直器27再进一步的调整准直后输出到外供使用人员使用。

由上述方案可见，通过设置在准直器151和锁模装置153之间的偏振分束装置152将从准直器151入射的光进行偏振分束，通过调节偏振分束装置151实现慢轴传输或快轴传输的线偏振光入射到锁模装置153，使得锁模装置153能够对其部分能量进行稳定地吸收并反射稳定的锁模后的激光脉冲，并在输出镜163和准直器161之间设置有偏振分束装置162同样使得输出的光为线偏振光和反射到谐振腔内的光为线偏振光。

同时，本发明利用保偏光纤来连接激光器的各个光学器件，通过全保偏光纤的结构的激光器具有良好的稳定性，通过保偏光纤来传输线偏振光，使得光路避免受到温度变化带来的振动的影响，且光损耗低，使得光路传输过程稳定高效，不容易受外界环境干扰。

当激光器输出功率不足时，还可以同时开启泵浦光发射装置111和泵浦光发射装置112使它们同时向光纤合束器输出泵浦光，使得激光器输出更高功率的激光，且还可以同时开启泵浦光发射装置231和泵浦光发射装置232使它们同时向光纤合束器输出泵浦光，也可以使得激光器输出更高功率的激光脉冲。

Claims (10)

1.激光器，其在沿光路的方向上依次设置有至少一个泵浦光发射装置、光纤合束器、增益光纤、第一准直器、锁模装置、第二准直器和输出镜；

其特征在于：

所述激光器在所述第一准直器和所述锁模装置之间设置有第一偏振分束装置；

所述激光器还在所述第二准直器和所述输出镜之间设置有第二偏振分束装置；

所述泵浦光发射装置通过第一保偏光纤连接于所述光纤合束器的第一端；

所述增益光纤为保偏光纤，所述光纤合束器的第二端通过所述增益光纤连接于所述第一准直器；

所述第一准直器通过第二保偏光纤连接于所述第一偏振分束装置；

所述第一偏振分束装置通过第三保偏光纤连接于所述锁模装置,所述第一偏振分束装置用于输出一束线偏振光入射到所述锁模装置；

所述光纤合束器的第一端通过第四保偏光纤连接于所述第二准直器；

所述第二准直器通过第五保偏光纤连接于所述第二偏振分束装置；

所述第二偏振分束装置通过第六保偏光纤连接于所述输出镜。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：

所述激光器还包括用于连接所述增益光纤与第一准直器之间的第七保偏光纤。

3.根据权利要求2所述的激光器，其特征在于：

所述增益光纤与所述第七保偏光纤通过熔接的方式连接。

4.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于：

所述增益光纤为双包层掺铥保偏光纤。

5.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：

所述锁模装置为半导体可饱和吸收镜。

6.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：

所述偏振分束装置为渥拉斯顿棱镜。

7.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：

所述偏振分束装置为洛匈棱镜。

8.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于：

所述输出镜的透射光与反射光之间的比例为一比九。

9.根据权利要求1至8任一项所述的激光器，其特征在于：

所述泵浦光发射装置的数量为两个，每一个所述泵浦光发射装置均通过所述第一保偏光纤连接于所述光纤合束器的第一端。

10.根据权利要求1至8任一项所述的激光器，其特征在于：

所述激光器还包括功率放大器，所述功率放大器用于接收所述输出镜输出的激光。