CN104051939B - 一种大功率微片激光器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大功率微片激光器装置，其特征在于包括有顺次连接的第一泵浦光源、光学耦合系统、被动调Q微芯片、用于聚焦输出的凸透镜、反射镜、第一准直器、以及合束器，所述合束器设有准直输入端、泵浦光输入端、以及合束输出端，合束器准直输入端与第一准直器输出端连接，合束器泵浦光输入端连接有第二泵浦光源，合束器合束输出端顺次连接有用于激光预放大的小芯径双包层增益光纤、泵浦泄露装置、光纤隔离器、光纤模场适配器、用于激光主放大的大芯径多模双包层光纤放大器、以及用于输出的第二准直器。本案实现了全光纤条件下运转，大大提高整个大功率微片激光器装置工作的稳定性，使其能够满足工业应用的条件。

Description

一种大功率微片激光器装置
[技术领域]
本发明涉及一种大功率微片激光器装置。
[背景技术]
日益增长的高精度微加工市场的需求对激光器脉冲的峰值功率和重复频率提出了更高的要求，纳秒脉冲激光器一般无法满足精细加工的要求。在过去工作在皮秒区域的大功率激光器大多是锁模系统，并且通过降低重复频率和放大后用于高精度微加工。通常锁模振荡器需要与脉冲选择器相结合并且经过再生放大器，这样往往导致系统体积庞大，复杂度高，价格昂贵。成本低、稳定性高、高增益放大的超短脉冲光纤激光器引起人们的广泛关注。这些优点对于工业材料加工激光器来说尤为重要。
1994年麻省理工大学，J.J.Zayhowski等人提出了被动调Q微芯片皮秒激光器的原理，并且实现了重复频率为6kHz，脉冲宽度为337ps的激光输出。近年来，微芯片激光器取得了重大的发展，1999年，G.J.Spühler等人在腔内利用可饱和半导体吸收体作为微芯片激光器的可饱和吸收体，可以将重复频率提高到100kHz，脉冲宽度可以达到100ps以下，但是利用这种方法无法克服增益介质和可饱和吸收体之间的空气间隙引起激光器的不稳定的缺点。为了使得微芯片激光器应用于工业加工中，利用增益光纤对微芯片信号进行放大是一个主流的办法。在国外，2005年Christopher D.Brooks等人利用光子晶体增益光纤放大微芯片种子源获得了1.1MW的峰值功率。2008年A.Tünnermann等人利用光子晶体增益光纤将含半导体可饱和吸收体的微芯片激光器放大，获得了重复频率为105kHz，脉宽85ps的脉冲输出，峰值功率达到3MW。在国内，深圳大学激光工程深圳重点实验室利用大模场双包层增益光纤放大皮秒脉冲光源，获得重复频率为6.7kHz的700ps光纤激光器。目前对于微芯片激光的光纤放大，采用的光纤基本都是光子晶体增益光纤，其采用端面泵浦的方式存在以下无法克服的困难：
1、信号光和泵浦光的耦合效率低，造成资源的浪费；
2、激光器对工作环境的稳定性要求苛刻，外界的扰动容易丢失耦合，给激光器的工业应用带来很大的困难。
因此，有必要解决如上问题。
[发明内容]
本发明克服了上述技术的不足，提供了一种大功率微片激光器装置，其输出功率高，稳定性好。
为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种大功率微片激光器装置，包括有顺次连接的第一泵浦光源1、光学耦合系统2、被动调Q微芯片3、用于聚焦输出的凸透镜4、反射镜5、第一准直器6、以及合束器7，所述合束器7设有准直输入端、泵浦光输入端、以及合束输出端，合束器7准直输入端与第一准直器6输出端连接，合束器7泵浦光输入端连接有第二泵浦光源8，合束器7合束输出端顺次连接有用于激光预放大的小芯径双包层增益光纤9、泵浦泄露装置10、光纤隔离器11、光纤模场适配器12、用于激光主放大的大芯径多模双包层光纤放大器13、以及用于输出的第二准直器14。
所述被动调Q微芯片3由Nd:YAG激光晶体和Cr:YAG可饱和吸收调Q晶体通过键合而成，其中，Nd:YAG激光晶体靠近光学耦合系统2侧。
所述光学耦合系统2包括顺次连接在第一泵浦光源1与被动调Q微芯片3之间的FC/APC泵浦输出头21、用于平行输出的第一凸透镜22、高反高透保护镜23、以及用于将激光聚焦输出到被动调Q微芯片3上的第二凸透镜24。
所述第一泵浦光源1波长为808nm，所述第一凸透镜22焦距为30nm，所述高反高透保护镜23为波长808nm高反、波长1064nm高透的保护镜，所述第二凸透镜24焦距为25nm，所述反射镜5为1064nm/45度的反射镜，所述第二泵浦光源8波长为976nm，所述大芯径多模双包层光纤放大器13内采用掺镱增益光纤进行放大。
所述掺镱增益光纤芯径为30微米，采用两个25W的915nm多模泵浦进行泵浦。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、被动调Q微芯片种子源输出信号通过第一准直器、合束器耦合到小芯径双包层增益光纤进行预放大，然后利用光纤模场适配器将信号光输入大芯径多模双包层光纤放大器中，实现了全光纤条件下运转，大大提高整个大功率微片激光器装置工作的稳定性，使其能够满足工业应用的条件；
2、第一泵浦光源与被动调Q微芯片之间通过光学耦合系统进行耦合，所述光学耦合系统包括顺次连接的FC/APC泵浦输出头、用于平行输出的第一凸透镜、高反高透保护镜、以及用于将激光聚焦输出到被动调Q微芯片上的第二凸透镜，便于产生高功率以及高稳定性的信号光；
3、被动调Q微芯片与第一准直器之间设置有用于聚焦输出的凸透镜、反射镜，便于对信号光的准直，提高第一准直器的耦合效率，防止残余的泵浦光耦合到光纤中；
4、小芯径双包层增益光纤与大芯径多模双包层光纤放大器之间设置泵浦泄露装置，便于防止第二泵浦光源剩余泵浦光的在连接处产生热量而烧坏光纤,设置光纤隔离器便于后面光路反射光的隔离、设置光纤模场适配器便于模场间适配作用。
[附图说明]
图1是本发明的结构图。
图2是本发明的输出光谱图。
图3是本发明输出功率随时间的变化曲线图。
[具体实施方式]
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1所示，一种大功率微片激光器装置，包括有顺次连接的第一泵浦光源1、光学耦合系统2、被动调Q微芯片3、用于聚焦输出的凸透镜4、反射镜5、第一准直器6、以及合束器7，所述合束器7设有准直输入端、泵浦光输入端、以及合束输出端，合束器7准直输入端与第一准直器6输出端连接，合束器7泵浦光输入端连接有第二泵浦光源8，合束器7合束输出端顺次连接有用于激光预放大的小芯径双包层增益光纤9、泵浦泄露装置10、光纤隔离器11、光纤模场适配器12、用于激光主放大的大芯径多模双包层光纤放大器13、以及用于输出的第二准直器14。
所述被动调Q微芯片3由Nd:YAG激光晶体和Cr:YAG可饱和吸收调Q晶体通过键合而成，其中，Nd:YAG激光晶体靠近光学耦合系统2侧。
所述光学耦合系统2包括顺次连接在第一泵浦光源1与被动调Q微芯片3之间的FC/APC泵浦输出头21、用于平行输出的第一凸透镜22、高反高透保护镜23、以及用于将激光聚焦输出到被动调Q微芯片3上的第二凸透镜24。
所述第一泵浦光源1波长为808nm，所述第一凸透镜22焦距为30nm，所述高反高透保护镜23为波长808nm高反、波长1064nm高透的保护镜，所述第二凸透镜24焦距为25nm，所述反射镜5为1064nm/45度的反射镜，所述第二泵浦光源8波长为976nm，所述大芯径多模双包层光纤放大器13内采用掺镱增益光纤进行放大。
所述掺镱增益光纤芯径为30微米，采用两个25W的915nm多模泵浦进行泵浦。
本案的工作过程如下：
第一泵浦光源1输出波长为808nm的泵浦光经过光学耦合系统2进入被动调Q微芯片3中，利用被动调Q激光原理产生重复频率为25kHz，脉冲宽度为360ps，平均功率为120mW的脉冲激光输出，微芯片激光种子源经凸透镜22、反射镜5、第一准直器6、合束器7耦合到小芯径双包层增益光纤9进行预放大，小芯径双包层增益光纤9芯径为10微米，预放大采用功率为6W、波长为976nm的第二泵浦光源8，输出功率为1.6W，预放大后经过泵浦泄露装置10、光纤隔离器11、光纤模场适配器12进入大芯径多模双包层光纤放大器13进行主放大，大芯径多模双包层光纤放大器13内增益光纤芯径为30微米，采用两个25W的915nm多模泵浦同时泵浦，最后通过准直隔离输出头13准直输出，当泵浦功率为30W时，输出光谱如图2所示，输出功率为8.5W，最终提高了微芯片激光种子源的输出功率。整个激光器系统连续工作8小时，测量系统的输出功率随时间的变化曲线，如图3所示，输出功率波动在2％以内。
如上所述，本案保护的是一种大功率微片激光器装置，一切与本案结构相同或相近的技术方案都应示为落入本案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种大功率微片激光器装置，其特征在于包括有顺次连接的第一泵浦光源(1)、光学耦合系统(2)、被动调Q微芯片(3)、用于聚焦输出的凸透镜(4)、反射镜(5)、第一准直器(6)、以及合束器(7)，所述合束器(7)设有准直输入端、泵浦光输入端、以及合束输出端，合束器(7)准直输入端与第一准直器(6)输出端连接，合束器(7)泵浦光输入端连接有第二泵浦光源(8)，合束器(7)合束输出端顺次连接有用于激光预放大的小芯径双包层增益光纤(9)、泵浦泄露装置(10)、光纤隔离器(11)、光纤模场适配器(12)、用于激光主放大的大芯径多模双包层光纤放大器(13)、以及用于输出的第二准直器(14)。
2.根据权利要求1所述的一种大功率微片激光器装置，其特征在于所述被动调Q微芯片(3)由Nd:YAG激光晶体和Cr:YAG可饱和吸收调Q晶体通过键合而成，其中，Nd:YAG激光晶体靠近光学耦合系统(2)侧。
3.根据权利要求2所述的一种大功率微片激光器装置，其特征在于所述光学耦合系统(2)包括顺次连接在第一泵浦光源(1)与被动调Q微芯片(3)之间的FC/APC泵浦输出头(21)、用于平行输出的第一凸透镜(22)、高反高透保护镜(23)、以及用于将激光聚焦输出到被动调Q微芯片(3)上的第二凸透镜(24)。
4.根据权利要求3所述的一种大功率微片激光器装置，其特征在于所述第一泵浦光源(1)波长为808nm，所述第一凸透镜(22)焦距为30nm，所述高反高透保护镜(23)为波长808nm高反、波长1064nm高透的保护镜，所述第二凸透镜(24)焦距为25nm，所述反射镜(5)为1064nm/45度的反射镜，所述第二泵浦光源(8)波长为976nm，所述大芯径多模双包层光纤放大器(13)内采用掺镱增益光纤进行放大。
5.根据权利要求4所述的一种大功率微片激光器装置，其特征在于所述掺镱增益光纤芯径为30微米，采用两个25W的915nm多模泵浦进行泵浦。
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