CN105181134A - 一种宽带飞秒激光的模式选择与功率放大的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述的基于宽带飞秒激光的模式选择与功率放大的装置与方法。所述装置包括顺次位于宽带飞秒脉冲激光入射光路上的第一激光隔离器，第一激光隔离器后顺次有第一全反射镜、沿着第一全反射镜激光的出射方向顺次有第二全反射镜、F-P腔；F-P腔出射光路上依次有第三全反射镜、第四全反射镜、半波片和偏振分束棱镜，偏振分束棱镜的反射光路上有光电探测器；偏振分束棱镜的透射光路上依次有第一光栅、光栏、第五全反射镜、第六全反射镜、激光二极管、第二光栅；第二光栅的反射光路上依次有第七全反射镜、第二隔离器、第一激光整形棱镜与第二整形棱镜。整个装置及方法可以输出光斑大小很小且为优质高斯型的少量模式或者单模的高功率脉冲激光。

Description

一种宽带飞秒激光的模式选择与功率放大的装置及方法

技术领域

本发明涉及模式选择与放大技术，具体是一种宽带飞秒激光的模式选择与功率放大的装置及方法。

背景技术

宽带锁模脉冲激光的出现给光学频率综合、超快光学、强光场非线性等领域带来了革命性进步，并且迅速促进了这些领域的的相互融合。宽带锁模脉冲激光广泛应用在气体污染物的监测、人体健康的检测、生物大分子的研究等工业与医学领域。极其宽广的光谱带宽范围使得宽带激光可以覆盖几乎所有的大气污染成分，从而可以快速便捷的通过光谱检测大气的污染成分。超快的脉冲过程使得其可以在生物大分子寿命内研究其动力学与结构特征。然而，在许多实际应用中需要分离出宽带激光的单个模式，并且由于其极宽的光谱范围使得单个模式脉冲的功率很低需要对其进一步放大。目前，对激光模式的选择与功率的放大主要由以下几种。

第一种是基于滤光片结合激光二极管对宽带脉冲激光进行模式选择与功率放大。该方法的原理为使用窄带滤光片从宽带飞秒脉冲的数百万不同的模式中选择出所需的模式，窄带滤光片的带宽几乎做不到小于1nm（对应于红外波段的频率范围大约为30GHz），然而宽带脉冲激光两个脉冲之间的间隔为百兆赫兹量级。使得所选出的模式最少也有几百条，过多的模式不能满足实际应用中对单模式的使用，并且模式之间的竞争会减弱光电二极管对其放大。

第二种是基于光栅和激光二级管对宽带脉冲激光进行模式选择与功率放大。同理，对于宽带飞秒激光的模式选取的精细程度是由光栅的分辨率决定的。目前，分辨率最好的光栅1600线/mm,对光谱的分辨率为5GHz量级。由于宽带飞秒脉冲的模式间隔为百兆赫兹量级，这种方法只能选择出数百条以上的模式，无法选择出少量以及单一模式并且对其功率进行放大。

国内外目前采用的以上两种方法都无法选择出光学频率梳的少量几个模式或者单一的模式，主要原因为所采用的选模器件的分辨率太低所限制。由于技术手段的限制制备不出分辨率足够高的选模器件。然而，实际的生产与生活中对宽带飞秒脉冲激光的少量模式的选取与功率的放大的需求十分迫切。基于此，急需发明一种可以从宽带飞秒脉冲激光中选择出单模脉冲激光，并且对其功率放大的装置。

发明内容

本发明为了解决现有宽带飞秒脉冲激光的模式选择与放大技术中无法选择出单一的模式、不能对模式的宽度进行改变、模式功率放大受多模影响等技术问题，提供了一种可以改变锁模飞秒激光脉冲模式宽度并且可以选择出少量和单一模式并对其功率有效放大的方法与装置。

本发明所述的一种宽带飞秒激光的模式选择与功率放大的装置是采用以下技术方案实现的：一种宽带飞秒激光的模式选择与功率放大的装置，包括顺次位于宽带飞秒脉冲激光入射光路上的第一激光隔离器，第一激光隔离器后顺次设有第一全反射镜、沿着第一全反射镜激光的出射方向顺次有第二全反射镜和F-P腔；F-P腔的出射光路上依次设有第三全反射镜、第四全反射镜、半波片和偏振分束棱镜，偏振分束棱镜的反射光路上设有光电探测器；F-P腔上设有压电陶瓷，压电陶瓷配有高压电源，光电探测器信号输出端通过锁定电路系统与高压电源的电压控制端口相连接；偏振分束棱镜的透射光路上依次设有第一光栅、光栏、第五全反射镜、第六全反射镜、激光二极管；激光二极管的出射光路上设有第二光栅；第二光栅的反射光路上依次有第七全反射镜、第二激光隔离器、第一激光整形棱镜与第二激光整形棱镜。

所述F-P腔位于第二全反射镜的反射光路上；第三全反射镜与第四全反射镜顺次位于F-P腔出射镜的出射光路上；第四全反射镜与第一光栅之间还设有有半波片和偏振分束棱镜组成的分光系统；第一光栅的出射光路上设有光栏；光栏与激光二极管之间有第五和第六全反射镜组成的准直系统；所述第二光栅位于激光二级管的出射光路上；所述第七全反射镜位于第二光栅的反射光路上；所述第二激光隔离器、第一激光整形棱镜与第二激光整形棱镜顺次位于第七全反射镜的反射光路上。

第一全反射镜与第二全反射镜的光束准直结构用于把激光更好的耦合进入F-P腔；第三全反射镜与第四全反射镜的光束准直结构用于提高第一光栅与光栏选模效率；第五全反射镜与第六全反射镜的光束准直结构用于把选出模式耦合进入激光二级管，准直的光路可以获得最大的放大效率；第二光栅用于压缩激光二级管输出光斑的大小，获得小光斑高功率密度的激光。

基于现有的宽带激光的模式选择与放大的优缺点，本申请提出一种利用F-P腔对宽带飞秒脉冲激光模式间隔展宽，对宽带激光少量或者单一模式的选取与功率的放大的装置。宽带飞秒激光器轻巧、移动便利，覆盖光谱范围极其广泛（0.3-1.7μm）、把相隔甚远的电磁场谱链接到了一起具有高度的精确性和稳定性。在频率测量与光谱研究方面获得广泛的应用。宽带飞秒激光的光谱覆盖范围极其广泛，具有数百万不同频率模式，使得其中单一模式的脉冲功率很小，降低了其在科学研究和生产生活中实际应用的前景。因此，少量或者单一脉冲的选出并对其功率放大非常重要。然而，宽带飞秒激光器输出的是100MHz到1GHz的等频率间距的脉冲，普通的方法无法选择出少量或者单一的模式，以至于无法对其功率进行放大。

本申请通过第一与第二全反射镜的配合调节可以高效耦合宽带飞秒激光进入F-P腔，F-P出射镜后粘贴有压电陶瓷，通过高压电源控制压电陶瓷的伸缩来调制F-P腔长，搭建此高精度F-P，把宽带飞秒激光的模式间隔展宽为5GHz。从而使得光栅和光栏配合可以把宽带飞秒激光的少量或者单一模式分辨出来，再利用激光二极管的注入锁定放大技术对其功率放大。本申请可以从0.3到1.7μm获得大量不同频率的高功率激光，获得激光的发散性、高强度与模式稳定性接近理想的高质量输出光束。采用本技术当与同时获得数十台不同频率的高功率激光器。本技术极大的拓宽了宽带飞秒激光的应用范围，使得其在科学研究与实践研究中具有了更大的应用前景。

进一步地，还包括一个外壳上开有激光入射孔和激光出射孔的腔体；所述第一激光隔离器，第一全反射镜，第二全反射镜，F-P腔，压电陶瓷，第三全反射镜，第四全反射镜，半波片，偏振分束棱镜，光电探测器，第一光栅，光栏，第五全反射镜，第六全反射镜，激光二级管，第二光栅，第七反射镜，第二激光隔离器，第一激光整形棱镜，第二激光整形棱镜都位于腔体内；激光出射孔位于第二激光整形棱镜的出射光路上；压电陶瓷由高压BNC线与高压电源连接，光电探测器由第二BNC线与锁定电路系统连接，锁定电路系统与高压电源由第一BNC线连接，激光二级管与其电源控制器由第三BNC线连接。

工作时，腔体起到隔离保护的作用。各个部件可以在腔体内将位置固定后，做成一个集约化便于携带的装置，方便移动，同时免去了组装的复杂工序，节约了时间。

本发明所述的一种宽带飞秒激光的模式选择与功率放大的方法是采用如下技术方案实现的：一种宽带飞秒激光的模式选择与功率放大的方法，包括以下步骤：（a）、宽带飞秒脉冲激光经过第一激光隔离器后由第一全反射镜与第二全反射镜准直，准直后的激光进入F-P腔，通过F-P腔的激光模式间隔展宽为与F-P腔一致,出射光束由第三全反射镜与第四全反射镜准直后由半波片与偏振分束棱镜分光，反射部分激光由光电探测器探测后由锁定电路系统获得锁定信号后输入到高压电源，由高压电源控制压电陶瓷的长短来控制F-P腔的长度，从而锁定F-P腔；（b）、偏振分束棱镜出射光由第一光栅与光栏选择出少量的模式后由第五全反射镜与第六全反射镜准直后注入到激光二级管进行功率放大；（c）、激光二级管输出的功率放大后的激光由第二光栅压缩光斑大小，经由第二激光隔离器后由第一激光整形棱镜和第二激光整形棱镜整形，由腔体的激光出射孔输出高斯型的少量模式或者单模的高功率脉冲激光。

对比图2、图3可以看出，本方法可以把相邻脉冲之间的模式宽度（如245MHz）的宽带（0.3-1.6μm）超短飞秒脉冲（小于100fs）（图2）宽带激光的相邻模式展宽为4-5GHz（图3）,并且可以从宽带飞秒激光中选择出很少或者单一模式的飞秒脉冲激光并且对其功率进行放大。这种方法适用于几乎所有不同模式宽度的宽带超短飞秒脉冲激光。

本发明通过把宽带飞秒脉冲激光的模式间隔展宽选择出少量模式并对其功率进行放大，这种基于F-P腔、光栅与激光二级管的模式展宽与放大的方法在宽带飞秒脉冲激光的少量或单模的选择与放大方面具有很多的优势：脉冲模式间隔的展宽、少量或单一模式的选择、模式功率的放大使得可以满足具体生产与研究的需要。

本发明提供了一种基于F-P腔的模式展宽以及激光功率注入锁定放大的结构简单、操作简易、不易受外界影响、性能稳定精确度高的宽带激光模式选择与功率放大装置及方法，该装置以及方法基于F-P腔模式展宽以及激光功率注入锁定放大的独特优点，有效的解决了现阶段只能选择出数百条以上的模式，无法选择出少量（通常为1-10条模式）以及单一模式并且对其功率进行放大的问题。整个装置及方法具有结构简单、操作简便、易于调节、外界干扰小、稳定性强、精确度极高的优点。

附图说明

图1是本发明所述装置的结构示意图。

图中：1-腔体，2-激光入射孔，3-第一激光隔离器，4-第一全反射镜，5-第二全反射镜，6-F-P腔入射镜，7-F-P腔出射镜，8-压电陶瓷，9-高压BNC线，10-高压电源，11-第三全反射镜，12-第四全反射镜，13-半波片，14-偏振分束棱镜，15-第一BNC线，16-锁定电路系统，17-第二BNC线，18-光电探测器，19-第一光栅，20-光栏，21-第五全反射镜，22-第六全反射镜，23-激光二级管，24-第三BNC线，25-电源控制器，26-第二光栅，27-第七全反射镜，28-第二激光隔离器，29-第一激光整形棱镜，30-第二激光整形棱镜，31-激光出射孔。

图2脉冲展宽前模式图。

图3脉冲展宽后模式图。

具体实施方式

一种宽带飞秒激光的模式选择与功率放大的装置，包括顺次位于宽带飞秒脉冲激光入射光路上的第一激光隔离器3，第一激光隔离器3后顺次设有第一全反射镜4，沿着第一全反射镜4激光的出射方向顺次有第二全反射镜5和F-P腔；F-P腔的出射光路上依次设有第三全反射镜11、第四全反射镜12、半波片13和偏振分束棱镜14，偏振分束棱镜14的反射光路上设有光电探测器18；F-P腔上设有压电陶瓷8，压电陶瓷8配有高压电源10，光电探测器18信号输出端通过锁定电路系统16与高压电源10的电压控制端口相连接；偏振分束棱镜14的透射光路上依次设有第一光栅19、光栏20、第五全反射镜21、第六全反射镜22、激光二极管23；激光二极管23的出射光路上设有第二光栅26；第二光栅26的反射光路上依次有第七全反射镜27、第二激光隔离器28、第一激光整形棱镜29与第二激光整形棱镜30。

还包括一个外壳上开有激光入射孔2和激光出射孔31的腔体1；所述第一激光隔离器3，第一全反射镜4，第二全反射镜5，F-P腔，压电陶瓷8，第三全反射镜11，第四全反射镜12，半波片13，偏振分束棱镜14，光电探测器18，第一光栅19，光栏20，第五全反射镜21，第六全反射镜22，激光二级管23，第二光栅26，第七反射镜27，第二激光隔离器28，第一激光整形棱镜2，第二激光整形棱镜30都位于腔体1内；激光出射孔31位于第二激光整形棱镜30的出射光路上；压电陶瓷8由高压BNC线9与高压电源10连接，光电探测器18由第二BNC线17与锁定电路系统16连接，锁定电路系统16与高压电源10由第一BNC线15连接，激光二级管23与其电源控制器25由第三BNC线24连接。

所述的第一全反射镜4、第二全反射镜5、第三全反射镜11、第四全反射镜12、第五全反射镜21、第六全反射镜22、第七全反射镜27均为镀高反膜的全反射镜；所述第一光栅19、第二光栅26为激光刻线1600/mm闪耀光栅；所诉F-P腔的入射镜6和F-P腔出射镜7分别镀99%与98%高反膜；光电探测器18型号为APD210。

一种宽带飞秒激光的模式选择与功率放大的方法，包括以下步骤：（a）、宽带飞秒脉冲激光经过第一激光隔离器3后由第一全反射镜4与第二全反射镜5准直，准直后的激光进入F-P腔，通过F-P腔的激光模式间隔展宽为与F-P腔一致,出射光束由第三全反射镜11与第四全反射镜12准直后由半波片13与偏振分束棱镜14分光，反射部分激光由光电探测器18探测后由锁定电路系统16获得锁定信号后输入到高压电源10，由高压电源10控制压电陶瓷8的长短来控制F-P腔的长度，从而锁定F-P腔；锁定的腔可以提高宽带激光模式展宽精度；（b）、偏振分束棱镜14出射光由第一光栅19与光栏20选择出少量的模式后由第五全反射镜21与第六全反射镜22准直后注入到激光二级管23进行功率放大；（c）、激光二级管23输出的功率放大后的激光由第二光栅26压缩光斑大小，经由第二激光隔离器28后由第一激光整形棱镜29和第二激光整形棱镜30整形，由腔体1的激光出射孔31输出高斯型的少量模式或者单模的高功率脉冲激光。

实施例本发明所述方法可以改变飞秒激光脉冲模式宽度，同时可以选择出少量或者单一模式并且对其功率放大，是采用以下技术方案实现的：一种基于宽带飞秒激光的模式选择与功率放大的方法，包括以下步骤；（a）将宽带飞秒激光输入到法布里-珀罗谐振腔（F-P腔）,F-P腔模宽度为5GHz,并且通过压电陶瓷调节腔长在4到5GHz范围内扫描，通过调节宽带飞秒激光的模式与F-P腔模共振，与腔模成倍数的模式在腔中往返增强放大，不与腔模共振的模式被抑制；因此，F-P腔可以把宽带飞秒激光的模式展宽为4到5GHz范围内的任意宽度;所述F-P腔由主体结构由航空铝制成，F-P腔的入射与出射窗口分别为镀99.9%与99%高反膜全反射镜；出射镜后粘有压电陶瓷；通过对压电陶瓷加高压来调节F-P腔的长度；（b）通过F-P腔把模式宽度展宽为4到5GHz,从透射窗口出来的模式展宽的宽带飞秒激光再由光栅按不同频率模式空间分开再由光栏选择出不同频率组分的模式；所述光栅线为1600/mm；（c）由光栅与光栏选出的模式由激光二极管放大，即可从宽带飞秒激光中选择出很少或者单一模式的飞秒脉冲激光并且对其功率进行放大。

Claims (4)

1.一种宽带飞秒激光的模式选择与功率放大的装置，其特征在于，包括顺次位于宽带飞秒脉冲激光入射光路上的第一激光隔离器（3），第一激光隔离器（3）后顺次设有第一全反射镜（4），沿着第一全反射镜（4）激光的出射方向顺次有第二全反射镜（5）和F-P腔；F-P腔的出射光路上依次设有第三全反射镜(11)、第四全反射镜(12)、半波片(13)和偏振分束棱镜(14)，偏振分束棱镜(14)的反射光路上设有光电探测器(18)；F-P腔上设有压电陶瓷（8），压电陶瓷（8）配有高压电源（10），光电探测器（18）信号输出端通过锁定电路系统(16)与高压电源（10）的电压控制端口相连接；偏振分束棱镜(14)的透射光路上依次设有第一光栅(19)、光栏(20)、第五全反射镜(21)、第六全反射镜(22)、激光二极管(23)；激光二极管(23)的出射光路上设有第二光栅(26)；第二光栅(26)的反射光路上依次有第七全反射镜(27)、第二激光隔离器(28)、第一激光整形棱镜(29)与第二激光整形棱镜(30)。

2.如权利要求1所述的一种宽带飞秒激光的模式选择与功率放大的装置，其特征在于，还包括一个外壳上开有激光入射孔（2）和激光出射孔(31)的腔体(1)；所述第一激光隔离器(3)，第一全反射镜(4)，第二全反射镜(5)，F-P腔，压电陶瓷(8)，第三全反射镜(11)，第四全反射镜(12)，半波片(13)，偏振分束棱镜(14)，光电探测器(18)，第一光栅(19)，光栏(20)，第五全反射镜(21)，第六全反射镜(22)，激光二级管（23），第二光栅（26），第七反射镜（27），第二激光隔离器（28），第一激光整形棱镜(29)，第二激光整形棱镜（30）都位于腔体（1）内；激光出射孔(31)位于第二激光整形棱镜（30）的出射光路上；压电陶瓷（8）由高压BNC线（9）与高压电源（10）连接，光电探测器(18)由第二BNC线(17)与锁定电路系统(16)连接，锁定电路系统(16)与高压电源(10)由第一BNC线(15)连接，激光二级管(23)与其电源控制器(25)由第三BNC线(24)连接。

3.如权利要求2所述的一种宽带飞秒激光的模式选择与功率放大的装置，其特征在于，所述的第一全反射镜（4）、第二全反射镜（5）、第三全反射镜（11）、第四全反射镜（12）、第五全反射镜（21）、第六全反射镜（22）、第七全反射镜（27）均为镀高反膜的全反射镜；所述第一光栅（19）、第二光栅（26）为激光刻线1600/mm闪耀光栅；所诉F-P腔入射镜（6）和F-P腔出射镜(7)分别镀99%与98%高反膜；光电探测器（18）型号为APD210。

4.一种宽带飞秒激光的模式选择与功率放大的方法，采用如权利要求2所述的装置，其特征在于，包括以下步骤：（a）、宽带飞秒脉冲激光经过第一激光隔离器(3)后由第一全反射镜(4)与第二全反射镜（5）准直，准直后的激光进入F-P腔，通过F-P腔的激光模式间隔展宽为与F-P腔一致,出射光束由第三全反射镜（11）与第四全反射镜（12）准直后由半波片（13）与偏振分束棱镜（14）分光，反射部分激光由光电探测器（18）探测后由锁定电路系统（16）获得锁定信号后输入到高压电源（10），由高压电源（10）控制压电陶瓷（8）的长短来控制F-P腔的长度，从而锁定F-P腔；（b）、偏振分束棱镜（14）出射光由第一光栅（19）与光栏（20）选择出少量的模式后由第五全反射镜（21）与第六全反射镜（22）准直后注入到激光二级管（23）进行功率放大；（c）、激光二级管（23）输出的功率放大后的激光由第二光栅（26）压缩光斑大小，经由第二激光隔离器（28）后由第一激光整形棱镜（29）和第二激光整形棱镜（30）整形，由腔体（1）的激光出射孔（31）输出高斯型的少量模式或者单模的高功率脉冲激光。