CN104201547A - 带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统及其倍频系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统及其倍频系统，其中带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统包括：全光纤超短脉冲振荡器和种子光放大模块；全光纤超短脉冲振荡器采用光纤耦合半导体泵浦激光器，用于输出种子光，种子光为皮秒脉冲或飞秒脉冲；种子光放大模块由光学器件组成，用于对种子光进行处理，提供满足要求的输出光；全光纤超短脉冲振荡器与种子光放大模块通过光纤进行连接，连接部件包括光纤准直器、隔离器。该系统具有稳定性高、高功率、免维护、体积小和一体化的优点。带光纤种子的一体化超短脉冲激光倍频系统包括：带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统和倍频器。

Description

带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统及其倍频系统

技术领域

本发明涉及皮秒、飞秒等超短激光系统方面的技术，尤其是涉及带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统及其倍频系统。

背景技术

自20世纪80年代以来，随着锁模技术的发展，皮秒、飞秒激光器经历了从染料到克尔锁模、半导体可饱和吸收镜(SESAM)的发展。自锁模掺钛蓝宝石振荡器是迄今为止使用最广泛的皮秒、飞秒固体振荡器。高功率半导体泵浦532nm固体激光器技术、高功率光泵浦半导体激光器技术以及半导体激光器直接泵浦技术的发展促使皮秒、飞秒振荡器以真正商业化产品的形态出现，脉冲宽度可以做到10fs以下，极大地推进了皮秒、飞秒时间分辨光谱术、飞秒化学、飞秒生物学、超快电子学等超快过程的研究。在过去的二十年中，皮秒、飞秒放大技术的不断发展，如皮秒激光的再生放大、行波放大技术、飞秒激光的啁啾脉冲放大技术和光参量放大技术，促使了峰值功率达到TW甚至PW的超短超强脉冲激光的产生。超强超短脉冲在材料处理与工业加工方面呈现出良好的市场前景，还可用于强物理场领域的研究，如激光核聚变、激光等离子体、X射线激光、模拟宇宙学等。

随着皮秒、飞秒技术的发展，超快激光放大系统不仅仅局限在对超短脉冲宽度、高平均功率、高峰值功率等方面的追求，而更进一步地追求实用、小巧，以满足商用用户的需求。目前的皮秒、飞秒超快放大系统，主要由超短脉冲振荡器、再生放大器或行波放大器组成。首先从锁模振荡器开始，通过采用高功率半导体泵浦532nm固体激光器技术、高功率光泵浦半导体激光器技术以及半导体激光器直接泵浦技术，实现内置泵浦源的一体化飞秒振荡器。这样，整个放大系统需要占据半张甚至一张实验平台，并且需要有从事激光维护经验的专业人员才能进行操作。振荡器由众多机械零件和分立光学零件组成，激光光束在其内开放式传输，受周围环境影响较大，稳定性差。容易受到温度、震动等环境因素的干扰而发生失调、失锁，需要经常性的维护，甚至每天都需要进行优化调整，才能保证其正常运行。采用小型紧固镜架虽能减小振荡器受机械震动的影响，但并不能保证在环境恶劣情况下输出稳定可靠的超快激光。如图1、图2所示，钛宝石锁模振荡器和可饱和吸收锁模振荡器的分立元件很多，因此调节起来较复杂。对科研用户而言，虽然可为这套庞大的系统配备稳固的实验平台和系统的操作人员，但仍需要专业的激光工作人员对其进行不断的维护，并且维护费用高昂。利用锁模振荡器作为种子源的超短脉冲激光系统体积庞大，仅锁模振荡器的尺寸就可达600×300×200mm³。对商用用户而言，尤其是在工业加工领域，往往无法为这样庞大的一套系统提供稳定的环境。显然，皮秒、飞秒固体激光放大系统在工业应用领域和用户数量上始终受到结构庞大、操作人员受限、维护费用昂贵、稳定性不高等的限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有皮秒、飞秒激光系统存在的不稳定、结构庞大和维护费用高等缺陷，从而提供一种将谐振腔各分立光学元件光路改进成光纤光路的系统，该系统将高稳定超短脉冲光纤种子源和固体放大技术相结合，实现了高稳定、高功率、免维护、体积小和一体化的优点。

为了实现上述目的，本发明提供了带光纤种子一体化超短脉冲激光系统及其倍频系统，其中带光纤种子一体化超短脉冲激光系统包括：全光纤超短脉冲振荡器和种子光放大模块；所述全光纤超短脉冲振荡器采用光纤耦合半导体泵浦激光器，用于输出种子光，所述种子光为皮秒脉冲或飞秒脉冲；所述种子光放大模块由光学器件组成，用于对所述种子光进行处理，提供满足要求的输出光；全光纤超短脉冲振荡器与种子光放大模块通过光纤进行连接，连接部件包括光纤准直器、隔离器。

优选地，所述光纤超短脉冲振荡器包括：泵浦源、波分复用器、锁模器、掺杂光纤和光纤光栅输出镜，所述掺杂光纤直接作为增益介质，腔长不受空间限制。

优选地，所述种子光放大模块包括：脉冲展宽器、放大器和脉冲压缩器；所述脉冲展宽器为棱镜对或光栅对或体光栅；所述放大器为再生放大器或行波放大器，所述的放大器属于固体放大器，采用块状或棒状或薄片的增益介质；所述的脉冲压缩器为棱镜对或光栅对或体光栅。

优选地，所述种子光放大模块为放大器。

优选地，所述种子光放大模块包括：单脉冲选择模块和行波放大器；所述的单脉冲选择模块包括泡克尔斯盒、偏振片和波片。

带光纤种子的一体化超短脉冲激光倍频系统，包括：所述带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统和倍频器；所述的倍频器是倍频非线性晶体，所述的倍频非线性晶体为下述中的任意一种：磷酸氧钛钾、磷酸二氢钾、磷酸二氘钾、硼酸钡、三硼酸锂、硼酸锂铯。

所述带光纤种子的一体化超短脉冲激光倍频系统的输出光的波长范围为195nm～532nm。

本发明的优点在于：

1、本发明的带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统中的全光纤超短脉冲振荡器采用光纤耦合半导体激光器泵浦，实现了全光纤结构，消除了锁模振荡器中的光学镜架不稳定对输出的种子光源的影响；而且其不受温度、振动冲击，可提供可靠的种子源；不需要日常维护；

2、本发明的带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统可输出高可靠性的毫焦量级、10瓦量级超短脉冲激光；

3、本发明采用全光纤超短脉冲振荡器作为种子光源，整个系统集成在一个小巧、封闭的机箱内；整个系统体积小、可靠性高、可方便移动，为实现工业化提供了基础。

附图说明

图1为钛宝石锁模振荡器原理图；

图2为可饱和吸收镜锁模振荡器原理图；

图3为本发明的带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统的结构图；

图4为本发明的全光纤超短脉冲振荡器原理图；

图5为锁模振荡器和本发明的全光纤超短脉冲振荡器的尺寸对比图；

图6为本发明的实施例1的带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统的结构图；

图7为本发明的实施例2的带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统的结构图；

图8为本发明的实施例3的带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统的结构图；

图9为本发明的带光纤种子的一体化超短脉冲激光倍频系统的结构图。

附图标识

1 全光纤超短脉冲振荡器     2 种子光放大模块       3 脉冲展宽器

4 放大器                   5 脉冲压缩器           6 单脉冲选择模块

7 行波放大器               8 带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统

9 倍频器

具体实施方式

本发明的带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统采用全光纤超短脉冲振荡器作为种子光源，全光纤超短脉冲振荡器采用高可靠的光纤耦合半导体泵浦激光器，全光纤超短脉冲振荡器的光路全部由光纤和光纤元件构成，光纤和光纤元件之间采用光纤熔接技术连接，整个光路完全封闭在光纤波导中。全封闭性光路与外界环境隔离，使得全光纤超短脉冲振荡器运转更加可靠，可输出高稳定性的种子光，能够在比较恶劣的环境下工作。光纤形态相对其他形态更易散热，无需水冷。在保证必要的光学长度的情况下，可将光纤卷成半径在损耗允许范围内的环形，使得结构小巧化，不易受温度冲击，并且保证足够的腔长。

下面结合附图对本发明的带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统及其倍频系统作进一步说明。

如图3所示，本发明的带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统包括：全光纤超短脉冲振荡器1和种子光放大模块2；全光纤超短脉冲振荡器1采用光纤耦合半导体泵浦激光器，用于输出种子光，所述种子光为皮秒脉冲或飞秒脉冲；种子光放大模块2由光学器件组成，用于对所述种子光进行处理，提供满足要求的输出光；全光纤超短脉冲振荡器1与种子光放大模块2通过光纤进行连接，连接部件包括光纤准直器、隔离器。

如图4所示，全光纤超短脉冲振荡器1包括：泵浦源、波分复用器、锁模器、掺杂光纤和光纤光栅输出镜；所述掺杂光纤直接作为增益介质，腔长不受空间限制，可以任意加长。

如图5所示，全光纤超短脉冲振荡器1与锁模振荡器相比在尺寸上有较大幅度的减小，全光纤超短脉冲振荡器1的尺寸仅为120×90×60mm³，平面尺寸比一张A5纸(210×148mm²)还要小。

本发明的带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统和锁模振荡器激光放大系统相比，种子光的注入功率降低很多；在输出光的能量为1-6mJ的要求下，锁模振荡器输出的种子光采用的是空间注入的方法，需要1W的注入功率，而全光纤超短脉冲振荡器1输出的种子光采用光纤注入方式，注入功率只需要20mW。

全光纤超短脉冲振荡器1受超高的峰值功率和相应的非线性效应的限制，单脉冲能量目前仅能达到nJ量级，为了得到所需能量的输出光，可以选择不同的光学器件组成种子光放大模块2；根据选择的三种不同的种子光放大模块2，本发明提供了三个实施例的带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统。

参考图6，本发明的实施例1的带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统，包括：全光纤超短脉冲振荡器1、脉冲展宽器3、放大器4和脉冲压缩器5。全光纤超短脉冲振荡器1输出的种子光经过所述脉冲展宽器3后在时域被展宽，之后送至放大器4，光脉冲经过放大器4后脉冲能量增大；之后再送至脉冲压缩器5，此时光脉冲在时域重新被压缩，其光斑尺寸变大且峰值功率增加；脉冲压缩器5的输出光为满足所需能量要求的光脉冲。

所述的脉冲展宽器3为棱镜对或光栅对或体光栅；所述的放大器4为再生放大器或行波放大器，所述的放大器4属于固体放大器，采用块状、棒状、薄片的增益介质；它们的泵浦源为半导体激光器或固体激光器、闪光灯；所述的脉冲压缩器5为棱镜对或光栅对或体光栅。

参考图7，本发明的实施例2的带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统，包括：全光纤超短脉冲振荡器1和放大器4。根据种子光产生的脉冲宽度的不同，种子光可以不经过展宽直接放大。

参考图8，本发明的实施例3的带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统，包括：全光纤超短脉冲振荡器1、单脉冲选择模块6和行波放大器7。根据对单脉冲的需要，全光纤超短脉冲振荡器1输出的种子光先经过单脉冲选择模块6再进行放大；所述的单脉冲选择模块6包括泡克尔斯盒、偏振片和波片。

锁模振荡器受机械结构限制，腔长只能达到到1.5m-2.0m，因此重复频率只能为75MHz-100MHz，而相应的脉冲宽度为10ns。本发明的全光纤超短脉冲振荡器1由于采用了光纤结构，腔长不受限制，所以重复频率可以做到20MHz-30MHz，相应的脉冲宽度为50ns。对于单脉冲选择模块6中的电源部分，全光纤超短脉冲振荡器1输出的种子光减小了脉冲波形的上升沿和下降沿，由此降低了对高压驱动模块电路的要求，高压驱动模块电路的电磁辐射也会相应地减小。

参考图9，本发明的带光纤种子的一体化超短脉冲激光倍频系统，包括：带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统8和倍频器9；根据对输出光波长的要求，选择合适的倍频器9，实现腔外倍频。

所述的带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统8为实施例1的系统或实施例2的系统或实施例3的系统。

所述的倍频器9是倍频非线性晶体，所述的倍频非线性晶体为下述中的任意一种：KTP(磷酸氧钛钾)、KDP(磷酸二氢钾)、KD^*P(磷酸二氘钾)、BBO(硼酸钡)、LBO(三硼酸锂)、CLBO(硼酸锂铯)。

带光纤种子的一体化超短脉冲激光倍频系统输出光的波长范围为195nm～532nm。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统，包括：全光纤超短脉冲振荡器和种子光放大模块；所述全光纤超短脉冲振荡器采用光纤耦合半导体泵浦激光器，用于输出种子光，所述种子光为皮秒脉冲或飞秒脉冲；所述种子光放大模块由光学器件组成，用于对所述种子光进行处理，提供满足要求的输出光；全光纤超短脉冲振荡器与种子光放大模块通过光纤进行连接，连接部件包括光纤准直器、隔离器。

2.根据权利要求1所述带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统，其特征在于，所述光纤超短脉冲振荡器包括：泵浦源、波分复用器、锁模器、掺杂光纤和光纤光栅输出镜；所述掺杂光纤直接作为增益介质，腔长不受空间限制。

3.根据权利要求1所述带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统，其特征在于，所述种子光放大模块包括：脉冲展宽器、放大器和脉冲压缩器。

4.根据权利要求3所述带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统，其特征在于，所述的脉冲展宽器为棱镜对或光栅对或体光栅。

5.根据权利要求3所述带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统，其特征在于，所述放大器为再生放大器或行波放大器，所述的放大器属于固体放大器，采用块状或棒状或薄片的增益介质。

6.根据权利要求3所述带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统，其特征在于，所述脉冲压缩器为棱镜对或光栅对或体光栅。

7.根据权利要求1所述带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统，其特征在于，所述种子光放大模块为放大器。

8.根据权利要求1所述带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统，其特征在于，所述种子光放大模块包括：单脉冲选择模块和行波放大器；所述的单脉冲选择模块包括泡克尔斯盒、偏振片和波片。

9.带光纤种子的一体化超短脉冲激光倍频系统，基于权利要求1-8所述的带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统，其特征在于，包括：所述带光纤种子的一体化超短脉冲激光系统和倍频器；所述的倍频器是倍频非线性晶体，所述的倍频非线性晶体为下述中的任意一种：磷酸氧钛钾、磷酸二氢钾、磷酸二氘钾、硼酸钡、三硼酸锂、硼酸锂铯。

10.带光纤种子的一体化超短脉冲激光倍频系统，其特征在于，所述系统的输出光的波长范围为195nm～532nm。