CN104409950A

CN104409950A - 高功率亚百皮秒脉冲激光系统

Info

Publication number: CN104409950A
Application number: CN201410649159.6A
Authority: CN
Inventors: 黄伟; 李丰; 蒋春萍; 席道明; 谈根林; 杨立梅
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2015-03-11

Abstract

本发明提供一种高功率亚百皮秒脉冲激光系统，包括：第一半导体激光器、激光准直及聚焦透镜系统、二向色镜、复合晶体、光纤耦合透镜、光纤、第二半导体激光器、合束器、掺镱有源光纤以及输出隔离器;复合晶体由未透明窗口、掺杂YVO₄晶体、Nd³⁺:YVO₄晶体、半导体可饱和吸收体、铜热沉层及各镀膜层组成。微米级薄片Nd³⁺:YVO₄晶体作为激光晶体，同时利用半导体可饱和吸收体被动调Q实现亚百皮秒脉冲种子光输出；此外，采用光纤放大技术对脉冲种子光进行放大，获得高平均功率、高峰值功率亚百皮秒脉冲光输出。本发明激光系统脉宽窄且结构紧凑,同时输出功率高,可广泛用于精密加工、生物荧光探测和激光测距等领域。

Description

高功率亚百皮秒脉冲激光系统

技术领域

本发明涉及一种光纤激光技术领域，具体地讲，本发明涉及一种高功率亚百皮秒脉冲激光系统。

背景技术

随着光纤技术的发展进步，依靠光纤熔接技术的全光纤化激光器以其特有的体积小、散热好、电光转换效率高、输出光束质量好等优点，使得光纤激光器有超越固体和气体激光器的趋势，已经广泛应用在精密加工、切割焊接等领域。特别是窄脉宽脉冲光纤激光器在金属和非金属打标、薄膜刻蚀、阳极氧化铝表面打黑、硅晶片精密加工、ITO薄膜清除等领域具有其特有的优势。

随着工业加工精度的提高，传统纳秒级脉宽输出的调Q脉冲激光器已经无法满足精度的要求。当前，产生百皮秒量级的脉冲光的方式主要有两类。其一是采用具有皮秒脉冲输出的1064nm的半导体激光器作为种子源，采用半导体激光泵浦的掺镱有源光纤作为光纤放大器对低功率的种子光进行放大，实现高功率的脉冲光输出。由于半导体激光器种子源的限制通常只能得到百皮秒到纳秒量级的脉冲光。其二是采用锁模技术，在激光器谐振腔内周期性的改变激光器的增益和损耗，常见有染料锁模、自动锁模、Cr⁴⁺：YAG晶体被动锁模、克尔透镜锁模等方式，为了得到窄脉冲激光输出通常采用折叠式的谐振腔缩短系统的总长度，系统比较复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种结构紧凑、高平均输出功率的亚百皮秒脉冲激光系统，可获得脉冲宽度更窄的脉冲光输出。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种亚百皮秒脉冲激光系统，所述亚百皮秒脉冲激光器包括：第一半导体激光器、激光准直及聚焦透镜系统、二向色镜、复合晶体系统、光纤耦合透镜、光纤、第二半导体激光器、合束器、掺镱有源光纤以及输出隔离器；

其中，所述第一半导体激光器输出的光经过所述激光准直及聚焦透镜系统、二向色镜，聚焦至所述复合晶体系统激发反方向传输的脉冲激光，经所述二向色镜的表面反射，通过所述光纤耦合透镜耦合至光纤形成亚百皮秒的脉冲种子光，皮秒脉冲种子光和所述第二半导体激光器输出光通过所述合束器输入到用于放大皮秒脉冲光的掺镱有源光纤中，放大后的皮秒脉冲光通过所述输出隔离器输出。

优选的，所述复合晶体系统包括：从左到右依次排列的透明附加窗口层、未掺杂YVO₄晶体、输出耦合膜层、掺杂Nd³⁺:YVO₄晶体、半导体可饱和吸收镜以及铜热沉层。

优选的，所述透明附加窗口端面镀增透膜，所述增透膜用于提高所述第一半导体激光器输出激光的透射率。

优选的，所述未掺杂YVO₄晶体和掺杂Nd³⁺:YVO₄晶体之间设有输出耦合膜层，输出耦合膜层对808nm光高透过率，对1064nm光有5％～10％的透过率。

优选的，所述激光准直及聚焦透镜系统包括准直透镜及聚焦透镜。

优选的，所述二向色镜在激光准直及聚焦透镜系统内呈45°倾斜放置，且二向色镜表面镀有808nm增透膜、1064nm高反膜。

本发明提供了一种亚百皮秒脉冲激光系统，采用微米量级薄片Nd³⁺:YVO₄激光晶体，半导体可饱和吸收体被动调Q技术，实现亚百皮秒脉冲种子光输出；此外，采用光纤放大技术实现皮秒脉冲光功率的放大，获得高平均功率、高峰值功率亚百皮秒脉冲光输出。本发明亚百皮秒脉冲激光系统脉宽窄且结构紧凑,同时输出功率高,可广泛用于精密加工、生物荧光探测和激光测距等领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的亚百皮秒脉冲激光系统优选实施例的结构框图；

图2是本发明的脉冲激光输出功率、脉冲宽度、重复频率随注入功率值的变化关系图。

[图中附图标记]：

10.第一半导体激光器，20.激光准直及聚焦透镜系统，21.准直透镜，22.聚焦透镜，30.二向色镜，40.复合晶体系统,41.透明附加窗口层，42.未掺杂YVO₄晶体，43.输出耦合膜层，44.掺杂Nd³⁺:YVO₄晶体，45.半导体可饱和吸收镜，46.铜热沉层，50.光纤耦合透镜，60.光纤，70.第二半导体激光器，80.合束器，90.掺镱有源光纤，100.输出隔离器。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。其次，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。

上述及其它技术特征和有益效果，将结合实施例及附图1、2对本发明的亚百皮秒脉冲激光系统进行详细说明。图1是本发明的亚百皮秒脉冲激光系统优选实施例的结构示意图；图2是本发明一个实施例中脉冲激光输出功率、脉冲宽度、重复频率随第一半导体激光器功率值的变化关系图。

如图1所示，本发明提供一种亚百皮秒脉冲激光系统，包括：第一半导体激光器10、激光准直及聚焦透镜系统20、二向色镜30、复合晶体系统40、光纤耦合透镜50、光纤60、第二半导体激光器70、合束器80、掺镱有源光纤90以及输出隔离器100；其中，第一半导体激光器10输出的光经过激光准直及聚焦透镜系统20以及二向色镜30，聚焦至复合晶体系统40形成反向传输的亚百皮秒脉冲光，经二向色镜30的表面反射，通过光纤耦合透镜50聚焦至光纤60输出亚百皮秒脉冲种子光，亚百皮秒脉冲光和第二半导体激光器70输出的光通过合束器80输入到掺镱有源光纤90中实现功率放大，放大后的脉冲光通过输出隔离器100输出。

具体的，本实施例中，复合晶体系统40包括：从左到右依次排列的透明附加窗口层41、未掺杂YVO₄晶体42、输出耦合膜层43、掺杂Nd³⁺:YVO₄晶体44、半导体可饱和吸收镜45以及铜热沉层46。其中，透明附加窗口层41的端面镀有增透膜，增透膜用于提高所述第一半导体激光器10输出光的透射率；耦合输出膜层43对808nm光有高透过率，对1064nm光有5％～10％的透过率。

此外，激光准直及聚焦透镜系统20包括准直透镜21及聚焦透镜22,且二向色镜30在激光准直及聚焦透镜系统20内呈45°倾斜放置，且表面镀有808nm增透膜、1064nm高反膜。

如图2所示，半导体可饱和吸收镜44(简称SESAM)对不同强度的光的吸收特性不同，利用其非线性吸收特性对激光器谐振腔的增益和损耗进行调制，实现高重复频率、窄脉宽的脉冲光输出。在图2中可以看出脉冲激光输出功率、重复频率随着第一半导体激光器输入到SESAM的功率值增加而增大；脉冲宽度值随着第一半导体激光器输入到SESAM的功率值增加而减小。如一个实施例中：当注入功率0.8W时，得到脉冲宽度53ps、重复频率0.35MHz、输出功率35mW的亚百皮秒级的脉冲光输出。

综上所述，本发明提供了一种亚百皮秒脉冲激光系统，采用微米量级薄片Nd³⁺:YVO₄晶体作为激光晶体，半导体可饱和吸收体被动调Q实现亚百皮秒脉冲种子光输出；此外，采用光纤放大技术实对亚百皮秒脉冲种子光功率放大，获得高平均功率、高峰值功率亚百皮秒脉冲光输出。本发明亚百皮秒脉冲激光系统脉宽窄且结构紧凑,同时输出功率高,可广泛用于精密加工、生物荧光探测和激光测距等领域。

虽然本发明主要描述了以上实施例，但是只是作为实例来加以描述，而本发明并不限于此。本领域普通技术人员能做出多种变型和应用而不脱离实施例的实质特性。例如，对实施例详示的每个部件都可以修改和运行，与所述变型和应用相关的差异可认为包括在所附权利要求所限定的本发明的保护范围内。

本说明书中所涉及的实施例，其含义是结合该实施例描述的特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中出现于各处的这些术语不一定都涉及同一实施例。此外，当结合任一实施例描述特定特征、结构或特性时，都认为其落入本领域普通技术人员结合其他实施例就可以实现的这些特定特征、结构或特性的范围内。

Claims

1.一种亚百皮秒脉冲激光系统，其特征在于，所述亚百皮秒脉冲激光器包括：第一半导体激光器、激光准直及聚焦透镜系统、二向色镜、复合晶体系统、光纤耦合透镜、光纤、第二半导体激光器、合束器、掺镱有源光纤以及输出隔离器；

其中，所述第一半导体激光器输出光经过所述激光准直及聚焦透镜系统、二向色镜，聚焦至所述复合晶体系统激发反方向传输的脉冲激光，经所述二向色镜的表面反射，通过所述光纤耦合透镜耦合至光纤形成亚百皮秒脉冲种子光，脉冲种子光和所述第二半导体激光器输出的激光通过所述合束器输入到用于放大的掺镱有源光纤中，放大后的皮秒脉冲光通过所述输出隔离器输出。

2.如权利要求1所述的亚百皮秒脉冲激光系统，其特征在于，所述复合晶体系统包括：从左到右依次排列的透明附加窗口层、未掺杂YVO₄晶体、输出耦合膜层、掺杂Nd³⁺:YVO₄晶体、半导体可饱和吸收镜以及铜热沉层。

3.如权利要求2所述的亚百皮秒脉冲激光系统，其特征在于,所述透明附加窗口层的端面镀有增透膜，所述增透膜用于提高所述第一半导体激光器输出激光的透射率。

4.如权利要求2所述的亚百皮秒脉冲激光系统，其特征在于,所述输出耦合膜层对808nm泵浦光有高透过率，对1064nm激光有5％～10％的透过率。

5.如权利要求1所述的亚百皮秒脉冲激光系统，其特征在于,所述激光准直及聚焦透镜系统包括准直透镜和聚焦透镜。

6.如权利要求5所述的亚百皮秒脉冲激光系统，其特征在于，所述二向色镜处于激光准直及聚焦透镜系统内呈45°倾斜放置，且二向色镜表面镀有808nm增透膜、1064nm高反膜。