CN104300346B - 皮秒脉冲激光振荡器 - Google Patents

Abstract

皮秒脉冲激光振荡器，包括泵浦光发生模块和激光发生模块，激光发生模块包括谐振腔内彼此对应的第一光纤准直器和第二光纤准直器，第二光纤准直器的输出端和第一光纤准直器的输入端之间依次设置有第一1/4波片、第一1/2波片、偏振分束晶体和第二1/4波片，在谐振腔内偏振分束晶体90°反射光路上还顺次设置有第二1/2波片和第三光纤准直器；在谐振腔内固定设置有第一支柱，在其上部设置有U形槽，第一光纤准直器的圆柱铜管前端定位固定于第一支柱的U型槽内，在外壳的中层表面上固定设有与第一支柱对应的第一半圆形刻槽，圆柱铜管尾端定位固定于中层平面上的第一半圆柱刻槽。该皮秒脉冲激光振荡器可实现大规模工业化生产且锁模稳定。

Description

皮秒脉冲激光振荡器

技术领域

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种皮秒脉冲激光振荡器。

背景技术

实验证明皮秒脉冲激光可对金属、金属碳化物、硅片等工业材料进行高精度微加工。相比纳秒脉冲，皮秒脉冲具有更窄的脉冲宽度，可有效地减少激光辐射带来的热效应，并产生更高的激光峰值功率，达到材料的消融临界点所需要的峰值功率密度。更多的试验和理论分析表明，10ps左右的激光脉冲宽度适合于许多加工用途。与此同时，光纤激光技术的迅猛发展。光纤激光光源表现出了诸多优点，如大的增益介质的表面积/体积比、高的平均功率、固有的全封闭柔性光路、优异的双波导传输机制、免维护及寿命长、造价不断降低等等。因此，以光纤激光器为皮秒脉冲激光光源，将使激光微加工技术更加具备工业应用的资质，有望成为高质量的新型工具。

国内外有为数不多的几个单位开展了光纤激光皮秒脉冲的研究，如英国的Southampton大学、德国的Jena大学、丹麦的NKT公司、美国的Calmar公司、美国的Cornell大学、中科院西安光机所、天津大学等等。在这些研究单位中，他们多数是采用分离光学器件进行原理性验证并提出几种可行性方案，并未从光纤激光光源的可装配化、小型化、产品化、集成化方面进行设计和考量。

皮秒脉冲激光振荡器的设计性能关系到高功率皮秒脉冲激光光源的稳定性和可靠性。因此，提供一种可大规模生产的、性能稳定、复现度高的皮秒脉冲光源的激光振荡器显得尤为重要。现有的商售激光器皆采用可饱和吸收体为激光锁模介质产生皮秒脉冲。可饱和吸收体锁模通过在谐振腔内加入可饱和吸收体，当光脉冲通过吸收体时，边缘部分被吸收，使吸收体饱和，边缘部分损耗大于中央部分，光脉冲得以窄化。饱和吸收体锁模激光器虽然结构简单，但由于饱和吸收介质(如半导体可饱和吸收镜、石墨烯、碳纳米管)的产品一致性较差、易产生光致损伤等劣势，较难实现光纤激光光源的特大规模生产。

非线性偏振旋转锁模一般采用两种模式，一种是全光纤结构，一种为半空间半光纤结构。全光纤结构采用偏振控制器，通过旋转偏振控制器旋钮进行积分球调制，由于偏振控制器混合了1/2波片和1/4波片，所以调节锁模难度稍大，此外各个元器件分立，增加了谐振腔的不稳定性；半空间半光纤结构采用光纤准直器耦合光路，在空间部分加入1/2波片和1/4波片，偏振分束晶体，通过分立调制波片，锁模难度下降，但是由于光纤准直器工作距离及其耦合效率影响，会导致谐振腔损耗增大。两种锁模的共同不足在于谐振腔结构的稳定性，由于外界波动会导致光纤波动，致使谐振腔抖动，以及谐振腔长度的变化，导致锁模不稳。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是，提供一种可实现大规模工业化生产且锁模稳定的皮秒脉冲激光振荡器。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种皮秒脉冲激光振荡器，包括：

泵浦光发生模块，包括激光二极管、驱动电路以及泵浦隔离器，激光二极管的输出端与泵浦隔离器的输入端相连接，激光二极管在驱动电路的驱动下产生的连续光经过泵浦隔离器输出；

激光发生模块，包括外壳、位于外壳内的谐振腔、增益光纤以及固定在谐振腔内彼此对应的第一光纤准直器和第二光纤准直器，其中第一光纤准直器的反射端与泵浦隔离器的输出端相连，第一光纤准直器的公共端与增益光纤的输入端连接，增益光纤的输出端与第二光纤准直器的输入端相连，第二光纤准直器的输出端和第一光纤准直器的输入端之间依次设置有第一1/4波片、第一1/2波片、偏振分束晶体和第二1/4波片，在谐振腔内偏振分束晶体90°反射光路上还顺次设置有第二1/2波片和第三光纤准直器；

在谐振腔内固定设置有第一支柱，在第一支柱的上部设置有U形槽，第一光纤准直器的圆柱铜管前端定位固定于第一支柱的U型槽内，外壳包括位于外壳底面和上表面之间围绕外壳设置的中层平面，在中层表面上固定设置有与第一支柱对应的第一半圆形刻槽，第一光纤准直器圆柱铜管尾端定位固定于中层平面上的第一半圆柱刻槽。

其中，在谐振腔内还固定设置有第二支柱，在第二支柱的上部设置有U形槽，第二光纤准直器的圆柱铜管前端定位固定于第二支柱的U型槽内，在中层表面上固定设置有与第二支柱对应的第二半圆柱刻槽，第二光纤准直器圆柱铜管尾端定位固定于中层平面上的第二半圆柱刻槽。

其中，在谐振腔内还固定设置有第三支柱，在第三支柱的上部设置有U形槽，第三光纤准直器的圆柱铜管前端定位固定于第三支柱的U型槽内，在中层表面上固定设置有与第三支柱对应的第三半圆柱刻槽，第三光纤准直器圆柱铜管尾端定位固定于中层平面上的第三半圆柱刻槽。

其中，在中层平面上还设置有环形刻槽，第一光纤准直器、增益光纤、第二光纤准直器、第三光纤准直器的光纤部分均贴合于中层平面上的环形刻槽。

其中，在中层平面与顶面之间的侧壁上设置有通孔，第三光纤准直器的输出端通过该通孔将脉冲激光导出激光发生模块。

其中，第三光纤准直器为偏振分束准直器，具有两个偏振方向相互垂直的输出端口，其中一个端口为监测输出端，用于监测激光振荡器的锁模状态，另一个端口为脉冲激光输出端，用于输出脉冲激光。

其中，泵浦光发生模块与激光发生模块之间通过紧固件连接固定。

其中，增益光纤为掺杂有稀土离子的单模有源光纤。

其中，第三光纤准直器的尾纤为单模光纤或单模保偏光纤。

其中，第一光纤准直器、第二光纤准直器以及激光二极管和泵浦隔离器的尾纤均为普通单模光纤。

(三)有益效果

1.本发明可实现稳定运转的锁模皮秒脉冲激光，实现锁模自启动，并可在复杂环境条件下，如温度变化、震动波动等，实现脉冲的稳定输出。

2.通过偏振分束晶体和保偏光纤准直器联合输出，可实现稳定的保偏激光输出，有利于非线性光学的一系列应用。

3.本发明所采用的器件均为非损伤性器件，即没有采用实质的饱和吸收体作为脉冲启动和锁模的器件，因此，不会产生由于振荡器内部激光致腔内器件损伤的现象，使用寿命长。

4.本发明一体化集成度高，器件安装及调试方便。通过将光纤埋至于刻槽中可以实现光纤的稳定固定，有利于设定并调节激光器的重复频率。产品可可重复性极强，便于批量生产。

5.本发明中准直器固定牢固，光纤紧贴平面刻槽，无悬浮，振荡器性能极其稳定。

附图说明

图1为本发明的皮秒脉冲激光振荡器的结构示意图；

图2为泵浦光发生模块的结构示意图；

图3为脉冲激光发生模块的结构示意图；

图4为第一光纤准直器的结构示意图；以及

图5为脉冲激光发生模块的剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的皮秒脉冲激光振荡器。本领域技术人员应当理解，下面描述的实施例仅是对本发明的示例性说明，而非用于对其作出任何限制。在所有附图中，相同的附图标记表示相同或相似的部件。

图1至图5示出本发明的皮秒脉冲激光振荡器的一个优选实施例。如图1所示，该皮秒脉冲激光振荡器包括泵浦光发生模块100和激光发生模块200。优选泵浦光发生模块100与激光发生模块200之间通过紧固件连接固定。

具体地，如图2所示，泵浦光发生模块100包括激光二极管101、驱动电路102以及泵浦隔离器103，激光二极管101由驱动电路102驱动，产生波长为978nm连续光，功率在0-500mw。激光二极管101的输出端与泵浦隔离器103的输入端相连接，激光二极管101在驱动电路102的驱动下产生的连续光经过泵浦隔离器103输出。其中，泵浦隔离器103主要用于防止光路中多个波段的回返光，保护激光二极管101。

激光发生模块200，包括外壳、位于外壳内的谐振腔、增益光纤2023以及固定在谐振腔内彼此对应的第一光纤准直器2021，第二光纤准直器2024，其中第一光纤准直器2021的反射端D与泵浦隔离器103的输出端相连，具体地，泵浦隔离器103的输出端光纤穿过激光发生模块200外壳底面的通孔2011，与第一光纤准直器2021的反射端D相连。第一光纤准直器2021的公共端E与增益光纤2023的输入端连接，增益光纤2023的输出端与第二光纤准直器2024的输入端相连。第二光纤准直器2024的输出端和第一光纤准直器2021的输入端之间依次设置有第一1/4波片2015、第一1/2波片2016、偏振分束晶体2017和第二1/4波片2018，在谐振腔内偏振分束晶体201790°反射光路上还顺次设置有第二1/2波片2019和第三光纤准直器2026，即第二光纤准直器2024的输出端通过第一1/4波片2015,、第一1/2波片2016、偏振分束晶体2017，由偏振分束晶体2017将光路分成两路，偏振分束晶体2017透射光路通过第二1/4波片2018，由空间耦合进入第一光纤准直器2021，形成激光回路，偏振分束晶体201790°反射光路通过第二1/2波片2019，由空间耦合进入第三光纤准直器2026。其中，在谐振腔内固定设置有第一支柱2012，在第一支柱2012的上部设置有U形槽，第一光纤准直器2021的圆柱铜管前端A定位固定于第一支柱2012的U型槽内，外壳包括位于外壳底面和上表面之间围绕外壳设置的中层平面202，在中层表面202上固定设置有与第一支柱2012对应的第一半圆形刻槽2022，第一光纤准直器2021圆柱铜管尾端B定位固定于中层平面202上的第一半圆柱刻槽2022。

进一步，在谐振腔内还固定设置有第二支柱2013，在第二支柱2013的上部设置有U形槽，第二光纤准直器2024的圆柱铜管前端定位固定于第二支柱2013的U型槽内，在中层表面202上固定设置有与第二支柱2013对应的第二半圆形刻槽2025，第二光纤准直器2024圆柱铜管尾端定位固定于中层平面202上的第二半圆柱刻槽2025。

再进一步，在谐振腔内还固定设置有第三支柱2014，在第三支柱2014的上部设置有U形槽，第三光纤准直器2026的圆柱铜管前端定位固定于第三支柱2014的U型槽内，在中层表面202上固定设置有与第三支柱2014对应的第三半圆形刻槽2027，第三光纤准直器2026圆柱铜管尾端定位固定于中层平面202上的第三半圆柱刻槽2027。

优选地，在中层平面202上设置有环形刻槽2028，第一光纤准直器2021、增益光纤2023、第二光纤准直器2024、第三光纤准直器2026的光纤部分均贴合于中层平面202上的环形刻槽2028，没有悬浮从而可以实现光纤的稳定固定，有利于设定并调节激光器的重复频率。产品可可重复性极强，便于批量生产。

第三光纤准直器2026为偏振分束准直器，具有两个偏振方向相互垂直的输出端口。其中一个端口为监测输出端，其与快速响应的光纤耦合光电二极管相连，用于监测激光振荡器的锁模状态。另一个端口用于脉冲激光ω3的输出。监测输出端和脉冲激光输出端的尾纤由模块外壳侧壁通孔穿出激光发生模块200。通过调节第二1/2波片2019与第三光纤准直器2026快轴的夹角，可以实现对两个输出端口分光比的调节。

第三光纤准直器2026的输出端通过设置在中层平面202侧壁上的通孔2029，将脉冲激光导出激光发生模块。

优选地，第一光纤准直器2021集成了波分复用功能，泵浦光由反射端D进入，通过准直器端面反射进入公共端E。

优选地，第二光纤准直器2024集成了隔离器功能，防止激光回返，造成锁模不稳定。

增益光纤2023为掺杂有稀土离子的单模有源光纤。

第三光纤准直器2026的尾纤为单模光纤或单模保偏光纤。

第一光纤准直器2021、第二光纤准直器2024以及激光二极管101和泵浦隔离器103的尾纤均为普通单模光纤。

激光二极管101由驱动电路102驱动产生978nm的连续光，记做信号光ω1。信号光ω1经过泵浦隔离器103输出。信号光ω1由光纤引导穿过泵浦光发生模块100外壳和激光发生模块200外壳连接面的通孔2011进入到激光发生模块200。激光发生模块200的锁模原理采用非线性偏振旋转锁模，用于产生低能量种子脉冲，记为激光ω2。

具体地，信号光ω1通过第一光纤准直器2021的反射端D进入到第一光纤准直器2021，再经过第一光纤准直器2021端面反射后进入第一光纤准直器2021的公共端E，第一光纤准直器2021的公共端E与增益光纤2023相连。所述增益光纤2023经信号光ω1泵浦产生激光ω2。所述增益光纤2023的另一端与第二光纤准直器2024的尾纤相连，激光ω2由第二光纤准直器2024输出进入到空间。激光ω2经过第一1/4波片2015、第一1/22016波片后，再由偏振分束晶体2017进行分束，产生水平偏振的透射激光ω21和垂直偏振的反射激光ω22。信号光ω21经过第二1/4波片2018后，从空间耦合入第一光纤准直器2021的公共端E，形成激光回路。信号光ω22经过第二1/2波片2019后，从空间耦合入第三光纤准直器2026。。由第三光纤准直器2026的脉冲激光输出端输出激光ω3，即为最终实现的激光脉冲。

上面描述的以及图中所示出的皮秒脉冲激光振荡器的具体形状和构造都仅仅是示例性的，在本发明的教导下，本领域普通技术人员能够进行各种改变或变型，所有这些变型都不脱离由权利要求书所限定的本发明的范围。

Claims (1)

1.一种皮秒脉冲激光振荡器，包括：

泵浦光发生模块，包括激光二极管、驱动电路以及泵浦隔离器，激光二极管的输出端与泵浦隔离器的输入端相连接，激光二极管在驱动电路的驱动下产生的连续光经过泵浦隔离器输出；

激光发生模块，包括外壳、位于外壳内的谐振腔、增益光纤以及固定在谐振腔内彼此对应的第一光纤准直器和第二光纤准直器，其中第一光纤准直器的反射端与泵浦隔离器的输出端相连，第一光纤准直器的公共端与增益光纤的输入端连接，增益光纤的输出端与第二光纤准直器的输入端相连，第二光纤准直器的输出端和第一光纤准直器的输入端之间依次设置有第一1/4波片、第一1/2波片、偏振分束晶体和第二1/4波片，在谐振腔内偏振分束晶体90°反射光路上还顺次设置有第二1/2波片和第三光纤准直器；

在谐振腔内固定设置有第一支柱，在第一支柱的上部设置有U形槽，第一光纤准直器的圆柱铜管前端定位固定于第一支柱的U型槽内，外壳包括位于外壳底面和上表面之间围绕外壳设置的中层平面，在中层表面上固定设置有与第一支柱对应的第一半圆柱刻槽，第一光纤准直器圆柱铜管尾端定位固定于中层平面上的第一半圆柱刻槽；

所述泵浦光发生模块和激光发生模块上下叠置并通过紧固件连接固定；

其中在谐振腔内还固定设置有第二支柱，在第二支柱的上部设置有U形槽，第二光纤准直器的圆柱铜管前端定位固定于第二支柱的U型槽内，在中层表面上固定设置有与第二支柱对应的第二半圆柱刻槽，第二光纤准直器圆柱铜管尾端定位固定于中层平面上的第二半圆柱刻槽；

其中在谐振腔内还固定设置有第三支柱，在第三支柱的上部设置有U形槽，第三光纤准直器的圆柱铜管前端定位固定于第三支柱的U型槽内，在中层表面上固定设置有与第三支柱对应的第三半圆柱刻槽，第三光纤准直器圆柱铜管尾端定位固定于中层平面上的第三半圆柱刻槽；

其中在中层平面上还设置有环形刻槽，第一光纤准直器、增益光纤、第二光纤准直器、第三光纤准直器的光纤部分均贴合于中层平面上的环形刻槽；

其中在中层平面与顶面之间的侧壁上设置有通孔，第三光纤准直器的输出端通过该通孔将脉冲激光导出激光发生模块；

其中第三光纤准直器为偏振分束准直器，具有两个偏振方向相互垂直的输出端口，其中一个端口为监测输出端，用于监测激光振荡器的锁模状态，另一个端口为脉冲激光输出端，用于输出脉冲激光；监测输出端和脉冲激光输出端的尾纤由模块外壳侧壁通孔穿出激光发生模块；

其中泵浦光发生模块与激光发生模块之间通过紧固件连接固定；

其中增益光纤为掺杂有稀土离子的单模有源光纤；

其中第三光纤准直器的尾纤为单模光纤或单模保偏光纤；

其中第一光纤准直器、第二光纤准直器以及激光二极管和泵浦隔离器的尾纤均为普通单模光纤。