CN103825188A - 输出频率可调的高功率皮秒激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种输出频率可调的高功率皮秒激光器，包括信号光源、放大器、光束整形模块；放大器包括沿着光路依次排布的光纤放大器和板条放大器；光束整形模块包括光束整形注入模块和光束整形输出模块，光束整形注入模块设置在光纤放大器和板条放大器光路之间，将光纤放大器输出的激光整形成垂直方向发散、水平方向准直的光束输出到板条放大器；光束整形输出模块设置在板条放大器的输出光路上，将板条放大器输出的激光在竖直和水平方向进行准直后输出。本发明通过光纤放大器以及板条放大器两种方式的配合使用，将低功率的脉冲激光放大为频率可调的高功率皮秒脉冲激光，不仅减少放大级数，使结构更简单，同时又能获得满意的放大增益效果。
Description
技术领域
本发明属于激光器技术领域，尤其涉及一种输出频率可调的高功率皮秒激光器。
背景技术
高功率的皮秒脉冲具有脉冲宽度窄、峰值功率高、单色性好、与材料作用时间大于热效应扩散时间等优点，在微纳加工、医疗处理、精密测距和国防等领域应用广泛，是激光器领域的前沿研究方向之一，尤其在非线性光学频率转换等应用场合，高功率激光脉冲能获得更高的转换效率。
通过产生电学上小于1ns的电脉冲，驱动快速响应的半导体激光器产生皮秒脉冲，其脉冲宽度一般在百皮秒量级，且重复频率可以根据需要，可以实现从1Hz至数MHz的调节，但是其输出功率仅数百微瓦，且由于半导体激光器工作在非稳态模式，其输出激光纵模较多，发射光谱宽。
为获得高功率的皮秒脉冲，常采激光脉冲放大的方法，目前激光脉冲放大的方式有两种，即再生放大及行波放大。再生放大技术优点是，放大器增益高，可以达到106～109，但是再生放大腔结构复杂，对脉冲时序要求非常严格，同时需要加入是电光腔倒空功能，制作难度非常大。行波放大技术的优点是，结构简单，易于实现，但是由于激光随着不断放大，其光功率密度逐渐增大，很容易达到放大增益介质的破坏阈值，所在行波放大器的增益有限，一般为104左右。
综上所述，采用短脉冲驱动半导体激光器的方式，虽然可以获得短脉冲激光，但是激光光谱较宽，再放大时，会因色散而使得脉冲宽度展宽。再生放大技术因其结构复杂，难易实现稳定的激光输出，行波放大技术，虽然结构简单，但其可以获得的光增益有限。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种输出频率可调的高功率皮秒激光器，可将激光器的峰值功率由几kW放大到MW量级。
技术方案：一种输出频率可调的高功率皮秒激光器，包括：信号光源，用于提供激光器的激光信号；放大器，用于实现对皮秒脉冲激光能量或功率的放大；还包括光束整形模块，用于改变激光光束的形状；放大器包括沿着光路依次排布的光纤放大器和板条放大器；光束整形模块包括光束整形注入模块和光束整形输出模块，光束整形注入模块设置在光纤放大器和板条放大器之间的光路上，将光纤放大器输出的激光整形成垂直方向发散、水平方向准直的光束输出到板条放大器；光束整形输出模块设置在板条放大器的输出光路上，将板条放大器输出的激光在垂直和水平方向进行准直后输出。所述光束整形注入模块和光束整形输出模块均由多个柱面镜组成，所述柱面镜上镀有1064nm的增透膜。
所述信号光源包括驱动电路、半导体激光器、种子光源和光环形器，所述驱动电路与半导体激光器连接，种子光源与光环形器的端口Ⅰ连接，光环形器的端口Ⅱ与半导体激光器连接，光环形器的端口Ⅲ为信号光源的输出端。种子光源由光环形器的端口Ⅰ输入窄线宽种子光，窄线宽种子光几乎毫无损失地由端口Ⅱ输出到半导体激光器，种子光源通过光环形器实现将输出的窄线宽种子光注入到半导体激光器，然后半导体激光器经由端口Ⅱ输入与种子光线宽一致的光，端口Ⅱ输入的光几乎毫无损失地由端口Ⅲ输出。采用窄线宽种子光源注入锁定方法，有效的压窄了输出激光线宽，不需要加入窄带宽滤波器件，结构简单。
所述光源还包括温控模块，用于使所述半导体激光器的工作温度稳定在指定值，所述温控模块与半导体激光器连接。所述温控模块由制冷片和温控电路组成，所述制冷片为半导体制冷片（TEC），其温度波动小于0.1℃。让半导体激光器工作在最佳温度，保证半导体激光器的输出光中心波长不会因为环境温度的改变而发生漂移。
所述驱动电路为超短脉冲驱动电路，提供最短脉冲宽度小于1ns的脉冲信号，脉冲频率可以从0～1MHz可调。所述种子光源为单模半导体连续激光器，提供1064nm窄线宽激光。
所述光纤放大器包括前端光隔离器、光纤放大泵浦源、光合束器、增益光纤和后端光隔离器，所述前端光隔离器和后端光隔离器作为光纤放大器的输入端与输出端，分别设置在光纤放大器光路的两端；所述光合束器、增益光纤依次设置在前端光隔离器和后端光隔离器之间的光路上，光纤放大泵浦源与光合束器输入端连接。
所述板条放大器包括板条晶体、放大泵浦源、腔镜；放大泵浦源设置在板条晶体上下端，腔镜包括相互平行的第一腔镜和第二腔镜，第一腔镜、第二腔镜分别设置在板条晶体两侧通光面的前端，且第一腔镜的反射面、第二腔镜的反射面与板条晶体的通光面之间具有一夹角，从板条晶体一侧通光面入射的激光，经由腔镜的多次反射形成多程折叠光路，最后从板条晶体另一侧通光面输出。二次放大中，光束在腔内多次往返，可以实现更高增益的放大。所述板条晶体为板条Nd:YAG晶体，所述板条Nd:YAG晶体为扁长的长方体薄片晶体，在供激光传输的两个通光面上镀有1064的高透膜，上下两个端面镀有980nm的高透膜。所述放大泵浦源为单模或多模放大泵浦源，由半导体激光器阵列组成。所述第一腔镜的反射面、第二腔镜的反射面与板条晶体的通光面之间夹角的角度为5°～45°。所述腔镜为平面镜，所述平面镜的反射面镀有1064高反射膜。在放大过程中，光束在腔内多次往返，可以实现更高增益的放大。
工作原理：驱动电路驱动半导体激光器产生皮秒量级的激光信号，种子光源通过光环行器将输出的窄线宽种子光注入到半导体激光器，使半导体激光器的输出光与种子光线宽一致，与种子光线宽一致的激光经光环形器输出，通过前端光隔离器，进入光合束器，光合束器将光纤放大泵浦源的泵浦光和半导体激光器的输出光耦合进入增益光纤进行初级放大，放大后的激光再经后端光隔离器，进入光束整形注入模块，光束整形注入模块将激光整形成垂直方向发散、水平方向准直的光束后，向板条晶体的一侧通光面输入，并在板条晶体和腔镜内来回反射并放大，最后由板条晶体的另一侧通光面输出，经过二次放大的激光，再经光束整形输出模块整形成准直光束输出，最终获得频率可以调节的高功率皮秒脉冲，实现将激光器的峰值功率由几kW放大到MW量级。
有益效果：本发明采用二级放大结构，通过光纤放大器以及板条放大器两种放大方式的配合使用，将低功率的脉冲激光放大为频率可调的高功率皮秒脉冲激光，不仅减少放大级数，使结构更简单，同时又能获得满意的放大增益效果。同时根据两种放大器对激光形状的要求，在二级放大结构中间用光束整形模块衔接，在二级放大中，光束整形为上下宽且发散，前后窄且平行发散光束，在晶体内部传输时，光功率密度的增速低于光功率的增速，可以有效的保护晶体。并采用窄线宽种子光源注入锁定方法，有效的压窄了输出激光线宽，不需要加入窄带宽滤波器件，能最大程度地利用激光能量，避免加入窄带滤波后输出功率的大幅降低，减少了放大级数。在二级放大中，光束在腔内多次往返，可以实现更高增益的放大。同时本发明采用超短脉冲驱动电路，驱动半导体激光器产生皮秒脉冲的方式，重复频率调节范围宽，可以满足多种应用。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的输出频率可调的高功率皮秒激光器，包括信号光源17、光纤放大器18、光束整形注入模块11、板条放大器19、光束整形输出模块15，信号光源1输出的脉冲激光经过光纤放大器18的初次放大后，进入光束整形注入模块11整形为板条放大器19所需的垂直方向发散、水平方向准直的光束后，入射到板条放大器19中进行二次放大，经过二次放大的激光再由光束整形输出模块15将光束在竖直和水平方向进行准直后输出，获得所需的频率可调的高功率皮秒脉冲激光。
如图2所示，本发明所述的输出频率可调的高功率皮秒激光器中，信号光源17包括驱动电路1、半导体激光器2、温控模块4、光环形器5、种子光源3；光纤放大器18包括前端光隔离器6、光纤放大泵浦源7、光合束器8、增益光纤9、后端光隔离器10；板条放大器19包括板条晶体12、腔镜、放大器泵浦源14。光束整形注入模块11和光束整形输出模块15均由多个柱面镜组成，柱面镜上镀有1064nm的增透膜。
所述驱动电路1为超短脉冲驱动电路，所述半导体激光器2为分布反馈式半导体激光器。超短脉冲驱动电路产生0.3ns电脉冲信号，脉冲频率可以从0～1MHz可调，该电脉冲信号驱动分布反馈式半导体激光器，分布反馈式半导体激光器为蝶形封装，尾纤输出。工作时，由于受弛豫振荡效应的影响，将会产生皮秒激光脉冲。与分布反馈式半导体激光器连接的温控模块4，让分布反馈式半导体激光器工作在最佳温度，保证分布反馈式半导体激光器的输出光中心波长不会因为环境温度的改变而发生漂移。所述温控模块4制冷量为4W，由制冷片和温控电路组成，制冷片为半导体制冷片（TEC），其温度波动小于0.1℃。半导体制冷片（TEC）的冷面利用导热材料与半导体激光器2连接，导热材料优选导热硅脂、铟膜或石墨导热膜。所述种子光源3，优选为单模半导体连续激光器，提供一个窄线宽，中心波长为1064nm，通过光环形器5注入到分布反馈式半导体激光器中。种子光源3由光环形器5的端口Ⅰ51输入窄线宽种子光，窄线宽种子光几乎毫无损失地由端口Ⅱ52输出到半导体激光器2，种子光源3通过光环形器5实现将输出的窄线宽种子光注入到半导体激光器2，然后半导体激光器2经由端口Ⅱ52输入与种子光线宽一致的光，端口Ⅱ52输入的光几乎毫无损失地由端口Ⅲ53输出。采用窄线宽种子光源注入锁定方法，有效的压窄了输出激光线宽，不需要加入窄带宽滤波器件，结构简单。通过模式选择，分布反馈式半导体激光器的输出光谱宽度可以进一步压窄，获得1064nm窄线宽的皮秒脉冲激光。
皮秒脉冲激光通过光环形器5的输出端输出，输出的皮秒脉冲激光只有百微瓦，此激光通过前端光隔离器6后，再由前端光隔离器6的输出端进入光合束器8。光合束器8优选为N+1合束器，其中N≥2，可以将多个半导体泵浦光和激光耦合进入一根双包层光纤内。前端光隔离器6可以防止光路返回影响激光信号的稳定性；光合束器8将光纤放大泵浦源7的泵浦光和皮秒脉冲激光耦合进入增益光纤9。
皮秒脉冲激光通过光合束器8进入增益光纤9，增益光纤9为掺镱的双包层光纤，长度约为5米，纤芯直径为10um，数值孔径为0.06，内包层直径径为125um，数值孔径0.20；可以将注入的1064nm的皮秒微弱激光进行放大。受光纤放大泵浦源7抽运后，可以将皮秒脉冲激光进行初步增益放大。光纤放大泵浦源7，为单模或多模，带有尾纤输出的半导体连续激光器，通过光纤熔接的方式与光束合器连接；优选的光纤放大泵浦源7输出泵浦光波长为980nm，多模，输出最大功率为5W。初步放大后的皮秒脉冲激光再经过后端光隔离器10后，通过光纤耦合进入光束整形注入模块11，光束整形注入模块11由两个垂直相交柱面镜组成，焦距分别为15mm和20mm；光束整形注入模块11将光束整形成垂直方向发散、水平方向准直的光束，整形后的光束从板条晶体12右侧通光面的上方入射。
板条晶体12优选为板条Nd:YAG晶体，板条Nd:YAG晶体为3mm×15mm×60mm扁长的长方体薄片晶体。板条Nd:YAG晶体在供激光传输的两个通光面上镀有1064的高透膜，为了避免ASE的发生，板条Nd:YAG晶体的上下两个端面镀有980nm的高透膜。上下两个端面由放大器泵浦源为板条Nd:YAG晶体提供泵浦光。放大泵浦源14优选为单模或多模的放大泵浦源14，由半导体激光器阵列组成，其输出泵浦光波长为980nm，输出总功率最大为220W。板条Nd:YAG晶体两侧通光面的前端分别设有第一腔镜13、第二腔镜16，第一腔镜13、第二腔镜16为两块相互平行的平面镜，平面镜的反射面镀有1064的高反射膜。平面镜与板条Nd:YAG晶体不平行，平面镜的反射面与板条Nd:YAG晶体的通光面具有一10°的夹角，夹角使激光在所述板条晶体12长度方向较宽的面内形成多程折叠光路。
整形后的光束从板条晶体12右侧通光面的上方入射，经由板条晶体12左侧通光面输出，到达被第一腔镜13后被反射，再从板条晶体12左侧通光面入射，从右侧通光面输出，到达第二腔镜16后被反射，再次进入板条晶体12，如此多次反射来回多次穿过晶体，直至从第二腔镜16反射后从板条晶体12的左侧通光面下侧输出，实现激光在板条晶体12内部双方向Z型多程传输。在传输的过程中，激光光束在竖直方向的尺寸将变的越来越大，由于板条晶体12受到上下两个放大器泵浦源的抽运，可以将入射光功率进行增益放大，增益放大倍数可以达到105以上。经过高功率与高效率放大的激光通过空间传输到光束整形输出模块15，由光束整形输出模块15将光束在竖直和水平方向进行准直后输出，最终获得所需的频率可调的高功率皮秒脉冲激光。所述光束整形输出模块15由多个不同焦距柱面镜组成，可以将光束整形成光斑尺寸为4mm×4mmr的平行光束。本发明所述的输出频率可调的高功率皮秒激光器可以得到脉冲宽度20ps，重复频率在400kHz时，输出光功率为107W，激光中心波长为1064nm，光谱宽度为1nm。
Claims (13)
1.一种输出频率可调的高功率皮秒激光器，包括：
信号光源（17），用于提供激光器的激光信号；
放大器，用于实现对皮秒脉冲激光能量或功率的放大；
其特征在于，还包括光束整形模块，用于改变激光光束的形状；
放大器包括沿着光路依次排布的光纤放大器（18）和板条放大器（19）；
光束整形模块包括光束整形注入模块（11）和光束整形输出模块（15），光束整形注入模块（11）设置在光纤放大器（18）和板条放大器（19）之间的光路上，将光纤放大器（18）的激光整形成垂直方向发散、水平方向准直的光束传输到板条放大器（19）；光束整形输出模块（15）设置在板条放大器（19）的输出光路上，将板条放大器（19）输出的激光在垂直和水平方向进行准直后输出。
2.根据权利要求1所述的输出频率可调的高功率皮秒激光器，其特征在于，所述信号光源（17）包括驱动电路（1）、半导体激光器（2）、种子光源（3）和光环形器（5），所述驱动电路（1）与半导体激光器（2）连接，种子光源（3）与光环形器（5）的端口Ⅰ（51）连接，光环形器（5）的端口Ⅱ（52）与半导体激光器（2）连接，光环形器（5）的端口Ⅲ（53）为信号光源（17）的输出端。
3.根据权利要求1所述的输出频率可调的高功率皮秒激光器，其特征在于，所述光纤放大器（18）包括前端光隔离器（6）、光纤放大泵浦源（7）、光合束器（8）、增益光纤（9）和后端光隔离器（10），所述前端光隔离器（6）和后端光隔离器（10）作为光纤放大器（18）的输入端与输出端，分别设置在光纤放大器（18）光路的两端；所述光合束器（8）、增益光纤（9）依次设置在前端光隔离器（6）和后端光隔离器（10）之间的光路上，光纤放大泵浦源（7）与光合束器（8）输入端连接。
4.根据权利要求1所述的输出频率可调的高功率皮秒激光器，其特征在于，所述板条放大器（19）包括板条晶体（12）、放大泵浦源（14）、腔镜；放大泵浦源（14）设置在板条晶体（12）上下端，腔镜包括相互平行的第一腔镜（13）和第二腔镜（16），第一腔镜（13）、第二腔镜（16）分别设置在板条晶体（12）两侧通光面的前端，且第一腔镜（13）的反射面、第二腔镜（16）的反射面与板条晶体（12）的通光面之间具有一夹角，从板条晶体（12）一侧通光面入射的激光，经由腔镜的多次反射形成多程折叠光路，最后从板条晶体（12）另一侧通光面输出。
5.根据权利要求1所述的输出频率可调的高功率皮秒激光器，其特征在于，所述光束整形注入模块（11）和光束整形输出模块（15）均由多个柱面镜组成，所述柱面镜上镀有1064nm的增透膜。
6.根据权利要求2所述的输出频率可调的高功率皮秒激光器，其特征在于，所述信号光源（17）还包括温控模块（4），用于使所述半导体激光器（2）的工作温度稳定在指定值，所述温控模块（4）与半导体激光器（2）连接。
7.根据权利要求6所述的输出频率可调的高功率皮秒激光器，其特征在于，所述温控模块（4）由制冷片和温控电路组成，所述制冷片为半导体制冷片（TEC），其温度波动小于0.1℃。
8.根据权利要求2所述的输出频率可调的高功率皮秒激光器，其特征在于，所述驱动电路（1）为超短脉冲驱动电路，提供最短脉冲宽度小于1ns的脉冲信号，脉冲频率可以从0～1MHz可调。
9.根据权利要求2所述的输出频率可调的高功率皮秒激光器，其特征在于，所述种子光源（3）为单模半导体连续激光器，提供1064nm窄线宽激光。
10.根据权利要求4所述的输出频率可调的高功率皮秒激光器，其特征在于，所述板条晶体（12）为板条Nd:YAG晶体，所述板条Nd:YAG晶体为扁长的长方体薄片晶体，在供激光传输的两个通光面上镀有1064的高透膜，上下两个端面镀有980nm的高透膜。
11.根据权利要求4所述的输出频率可调的高功率皮秒激光器，其特征在于，所述放大泵浦源（14）为单模或多模放大泵浦源，由半导体激光器阵列组成。
12.根据权利要求4所述的输出频率可调的高功率皮秒激光器，其特征在于，所述第一腔镜（13）的反射面、第二腔镜（16）的反射面与板条晶体（12）的通光面之间夹角的角度为5°～45°。
13.根据权利要求4所述的输出频率可调的高功率皮秒激光器，其特征在于，所述腔镜为平面镜，所述平面镜的反射面镀有1064高反射膜。
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