CN104300351A - 飞秒脉冲激光振荡器 - Google Patents

Abstract

飞秒脉冲激光振荡器，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的第一光纤准直器和第二光纤准直器，从第二光纤准直器出发光路上依次设有第一1/4波片、第一1/2波片、偏振分束晶体、第二1/4波片，第一光栅、第二光栅和反射镜，在谐振腔内偏振分束晶体90°第一反射光路上还顺次设有第二1/2波片和第三光纤准直器，在偏振分束晶体90°第二反射光路上设有第三1/4波片，所述第一光纤准直器设置在振分束晶体90°第二反射光路终端；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，圆柱铜管尾端定位固定于中层平面上的第一半圆柱刻槽。该飞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

飞秒脉冲激光振荡器

技术领域

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种飞秒脉冲激光振荡器。

背景技术

超短脉冲激光器从20世纪80年代开始发展，从最初利用碰撞脉冲锁模原理的染料激光器，到锁模钛宝石飞秒激光器的问世，飞秒激光器在科研与工业生产上逐步得到多种应用，开辟了工业加工的新时代。实验证明，飞秒激光独特的时间特性决定了它是一种理想的高精度加工工具，不仅可以实现多种材质的材料制备，而且可以对材料内部进行三维加工和改性。飞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，飞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。此外，其在生物、化学领域也有着极其独特的作用。但是，由于传统飞秒激光器，如染料激光器、钛宝石激光器价格昂贵，体积庞大，以及对环境稳定性差等缺点，限制了飞秒激光的广泛应用。因此，选择合适解决方案，制造小型化、便携式、价格合适的飞秒激光器成为激光器发展的重要研究方向。光纤激光器的出现，其采用半导体激光器抽运，具有体积小，结构简单，无需水冷以及便于集成化等特点，成为钛宝石激光器有力的竞争者和代替者。

飞秒激光器需要有高稳定度的锁模脉冲产生机理及色散管理技术作为支撑。飞秒脉冲激光振荡器的性能关系到高功率飞秒脉冲激光光源的稳定性和可靠性。现有的商售激光器皆采用可饱和吸收体作为激光锁模介质产生飞秒脉冲。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。

此外，飞秒激光器是在飞秒激光器的基础上，加入色散补偿元件或者光路，实现腔内脉冲的时间压缩。起初，发展较为迅速的光纤飞秒激光器是通讯波段的掺铒光纤激光器，波长位于1550nm附近。该飞秒激光器采用正常色散和反常色散光纤实现腔内的色散管理。随后发展的高功率、高效率、低量子亏损的1微米波段的激光器，可实现百瓦甚至千瓦平均功率的激光输出。但是由于在1微米不存在反常色散光纤，必须采用空间光学器件，如光栅对、棱镜对，进行腔内的色散管理，以产生飞秒脉冲激光。所以，1微米波段的飞秒光纤激光器谐振腔皆为半空间半光纤结构。其腔内的多个光学器件的对准性、耦合效率、损耗、外部环境温度变化、震动等都会对光路造成影响。因此，如何搭建一种具有稳定的光路结构，在进行色散管理的同时又能稳定输出激光，并且设计出一种可大规模生产的、复现度高的飞秒脉冲激光振荡器显得尤为重要。

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、复现度高的飞秒脉冲激光振荡器。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种飞秒脉冲激光振荡器，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、增益光纤以及位于谐振腔内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，从第二光纤准直器出发的光路上依次设置有第一1/4波片、第一1/2波片、偏振分束晶体、第二1/4波片，第一光栅、第二光栅和反射镜，在谐振腔内偏振分束晶体90°第一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，在偏振分束晶体90°第二反射光路上设置有第三1/4波片，所述第一光纤准直器设置在振分束晶体90°第二反射光路的终端；

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顶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。

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，第二光栅固定于外壳底面上的一维移动平台上，用于调节第一光栅和第二光栅之间的间距。

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飞秒脉冲激光，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为本发明的飞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飞秒脉冲激光振荡器。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示出本发明的飞秒脉冲激光振荡器的一个优选实施例。如图1所示，该飞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2022以及位于谐振腔内的第一光纤准直器2021和第二光纤准直器2023，其中第一光纤准直器2021的反射端D(如图3所示)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2022的输入端连接，增益光纤2022的输出端与第二光纤准直器2023的输入端相连，从第二光纤准直器2023出发的光路上依次设置有第一1/4波片2051、第一1/2波片2052、偏振分束晶体2053、第二1/4波片2054，第一光栅2055、第二光栅2056和反射镜2057，在谐振腔内在偏振分束晶体90°第一反射光路上还顺次设置有第二1/2波片2059和用于将脉冲激光导出激光发生模块200的第三光纤准直器2024，以及在偏振分束晶体90°第二反射光路上设置有第三1/4波片2058，上述的第一光纤准直器2021设置在偏振分束晶体90°第二反射光路的终端。

其中，在谐振腔内固定设置有第一支柱2031，在第一支柱2031的上部设置有U形槽，外壳包括位于外壳底面和顶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2031对应的第一半圆柱刻槽2041，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2031的U型槽内，第一光纤准直器2021的圆柱铜管尾端B定位固定于中层平面202上的第一半圆柱刻槽2041。

进一步，在谐振腔内还固定设置有第二支柱2032，在第二支柱2032的上部设置有U形槽，在中层表面202上固定设置有与第二支柱2032对应的第二半圆柱刻槽2042，第二光纤准直器2023的圆柱铜管前端定位固定于第二支柱2032的U型槽内，第二光纤准直器2023的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2042。

再进一步，在谐振腔内还固定设置有第三支柱2033，在第三支柱2033的上部设置有U形槽，在中层表面202上固定设置有与第三支柱2033对应的第三半圆柱刻槽2043，第三光纤准直器2024的圆柱铜管前端定位固定于第三支柱2033的U型槽内，第三光纤准直器2024圆柱铜管尾端定位固定于中层平面202上的第三半圆柱刻槽2043。

优选地，在中层平面202上设置有环形刻槽2045，第一光纤准直器2021、增益光纤2022、第二光纤准直器2023、第三光纤准直器2024的光纤部分均贴合于中层平面202上的环形刻槽2045，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2024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2059与第三光纤准直器2024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2024的输出端通过设置在中层平面202侧壁上的通孔2044，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2023集成了隔离器功能，防止激光回返，造成锁模不稳定。

优选地，第二光栅2056固定于底面201上的一维移动平台2012上，用于调节第一光栅2055和第二光栅2056之间的间距。

增益光纤2022为掺杂有稀土离子的单模有源光纤。

第三光纤准直器2024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2023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。

工作时，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。所述激光发生模块的锁模原理采用非线性偏振旋转锁模，谐振腔内采用光栅补偿色散管理，用于产生低能量种子脉冲，记为激光ω3。

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2022相连。所述增益光纤2022经信号光ω1泵浦产生激光ω2。所述增益光纤2022的另一端与第二光纤准直器2023的尾纤相连，激光ω2由第二光纤准直器2023输出进入到空间。激光ω2经过第一1/4波片2051、第一1/2波片2052后，再由偏振分束晶体2053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2054后，第一次穿过第一光栅2055和第二光栅2056，由反射镜2057反射后第二次穿过第二光栅2056、第一光栅2055以及第二1/4波片2054。因此，信号光ω21两次通过第二1/4波片2054，由水平偏振光变为竖直偏振光，记为信号光ω210。信号光ω210由偏振分束晶体90°反射，经过第三1/4波片2058后，由空间耦合入第一光纤准直器2021。信号光ω22经过第二1/2波片2059，经由空间耦合入第三光纤准直器2024。由第三光纤准直器2024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飞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 (10)

1.一种飞秒脉冲激光振荡器，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、增益光纤以及位于谐振腔内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，从第二光纤准直器出发的光路上依次设置有第一1/4波片、第一1/2波片、偏振分束晶体、第二1/4波片，第一光栅、第二光栅和反射镜，在谐振腔内偏振分束晶体90°第一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，在偏振分束晶体90°第二反射光路上设置有第三1/4波片，所述第一光纤准直器设置在振分束晶体90°第二反射光路的终端；

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顶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。

2.根据权利要求1所述的振荡器，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。

3.根据权利要求1所述的振荡器，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。

4.根据权利要求1所述的振荡器，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。

5.根据权利要求1所述的振荡器，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。

6.根据权利要求1所述的振荡器，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。

7.根据权利要求1所述的振荡器，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。

8.根据权利要求1所述的振荡器，其中第二光栅固定于外壳底面上的一维移动平台上，用于调节第一光栅和第二光栅之间的间距。

9.根据权利要求1所述的振荡器，其中第三光纤准直器的尾纤为单模光纤或单模保偏光纤。

10.根据权利要求1所述的振荡器，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。