CN105186270A - 一种皮秒脉冲光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光领域，提供了一种皮秒脉冲光纤激光器，包括锁模皮秒脉冲光纤激光器种子源、一级放大系统、第一带通光纤滤波器、二级放大系统、声光调制器、第二带通光纤滤波器、三级放大系统、四级放大系统以及输出端帽；声光调制器的开关周期和开门时间可调，通过调节开关周期调节脉冲输出频率，通过调节开门时间调节脉冲个数，以获得低频、高峰值功率的激光脉冲。本发明由声光调制器进行频率调制，获得低频皮秒脉冲，再通过各级放大系统获得稳定低频高峰值功率的皮秒激光脉冲。其结构简单，将若干通用型的器件进行特殊的合理的设计，使其功能巧妙配合，实现稳定的频率可调的高峰值功率皮秒激光输出，在激光加工处理等领域具有广阔的应用。

Description

一种皮秒脉冲光纤激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，特别涉及一种皮秒脉冲光纤激光器。

背景技术

超短脉冲光纤激光器在通信、军事、工业加工、医学、光信息处理、全色显示和激光印刷等领域具有广阔的应用前景。其最直接的应用就是作为超快光源，形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术，作为超快激光放大器的种子光源，可用于光纤型光参量振荡器与放大器系统，并可使用周期性极化铌酸锂(PPLN)进行高效倍频或频率转换。它的发展带动了物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域。特别在工业加工领域中的蓝宝石加工、FPD加工、PCB刻写、半导体材料加工以及热敏材料的处理等方面有着难以取代的优势。

高峰值功率皮秒脉冲光纤激光器作为高功率皮秒脉冲光纤激光器中的一种，现有的技术方案中较普遍的是用皮秒级半导体激光器作为种子源，以MOPA方式放大来实现。该方法依赖于半导体激光器的脉冲调制，一般只能得到脉宽为几百皮秒的脉冲输出，难以得到脉宽达到几十皮秒的脉冲，从而难以实现很高的峰值功率输出。也有应用皮秒脉冲光纤激光器作为种子源转接固体放大器或者杆状大芯径光纤放大器进行高峰值功率放大的方案，显然，这样的系统不可避免的出现光纤输出与空间光转换的过程，如此难免会对系统输出的稳定性、系统的可靠性产生严重的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种皮秒脉冲光纤激光器，旨在获得稳定的、高峰值功率的窄带皮秒脉冲激光。

本发明是这样实现的，一种皮秒脉冲光纤激光器，包括依次设置的锁模皮秒脉冲光纤激光器种子源、一级放大系统、第一带通光纤滤波器、二级放大系统、声光调制器、第二带通光纤滤波器、三级放大系统、四级放大系统以及输出端帽；所述锁模皮秒脉冲光纤激光器种子源输出高频皮秒光脉冲，所述声光调制器的开关周期和开门时间可调，通过调节所述开关周期调节脉冲输出频率，通过调节所述开门时间调节每个所述开关周期内输出的皮秒光脉冲个数，所述声光调制器的开关频率小于所述锁模皮秒脉冲光纤激光器种子源的光脉冲输出频率，以获得低频、高峰值功率的激光脉冲。

本发明采用锁模皮秒脉冲光纤激光器种子源输出高频皮秒光脉冲，通过一级放大系统和二级放大系统进行能量放大，并由声光调制器对输出频率进行调制，获得低频皮秒脉冲，再通过三级放大系统和四级放大系统进行放大，获得稳定的、低频的、高峰值功率皮秒激光脉冲，输出峰值功率可高达几百千瓦，且通过调节声光调制器的开门周期和开门时间使输出频率及脉冲个数可调。本发明结构简单，将若干通用型的器件进行特殊的合理的设计，使其功能巧妙配合，实现稳定的频率可调的高峰值功率皮秒激光输出。该皮秒脉冲激光器可作为高性能超短脉冲光源，在通信、军事、工业加工、医学、光信息处理、全色显示和激光印刷等领域具有广阔的应用，特别在工业加工领域中的蓝宝石加工、FPD加工、PCB刻写、半导体材料加工以及热敏材料的处理等方面有着难以取代的优势。

附图说明

图1是本发明实施例提供的皮秒脉冲光纤激光器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的锁模皮秒脉冲光纤激光器种子源输出的脉冲频率示意图；

图3是本发明实施例提供的经过声光调制器调制后的一种脉冲频率示意图；

图4是本发明实施例提供的经过声光调制器调制后的另一种脉冲频率示意图；

图5是本发明实施例提供的经过一级、二级放大系统放大后的脉冲光谱示意图；

图6是本发明实施例提供的经过第一、第二带通光纤滤波器后的脉冲光谱示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

请参考图1，本发明实施例提供一种皮秒脉冲光纤激光器，包括依次设置的锁模皮秒脉冲光纤激光器种子源01(SEED)、一级放大系统02、第一带通光纤滤波器04、二级放大系统05、声光调制器07(AOM)、第二带通光纤滤波器08、三级放大系统09、四级放大系统11以及输出端帽12。为了防止脉冲反向传输损坏器件，优选在一级放大系统02和第一带通光纤滤波器04之间设置第一隔离器03，在二级放大系统05和声光调制器07之间设置第二隔离器06，在三级放大系统09和四级放大系统11之间设置第三隔离器10。SEED01连接一级放大系统02，一级放大系统02的输出端连接第一隔离器03的输入端，第一隔离器03的输出端连接第一带通光纤滤波器04的输入端，第一带通光纤滤波器04的输出端连接二级放大系统05，二级放大系统05的输出端连接第二隔离器06的输入端，第二隔离器06的输出端连接声光调制器07的输入端，声光调制器07的输出端连接第二带通光纤滤波器08的输入端，第二带通光纤滤波器08的输出端连接三级放大系统09的输入端，三级放大系统09的输出端连接第三隔离器10的输入端，第三隔离器10的输出端连接四级放大系统11，四级放大系统11的输出端连接输出端帽12。

SEED01输出高频皮秒光脉冲，如图2，该皮秒光脉冲的频率为兆赫兹，通常大于1兆，脉冲宽度可以为10～100ps，但不局限于该范围。皮秒光脉冲经过一级放大系统02和二级放大系统05进行放大，使输出平均功率达到瓦量级以便抑制三级放大系统09的受激自发辐射和非线性效应。放大后的光脉冲进入声光调制器07，声光调制器07是一种频率调制器件，声光调制器07的开关周期和开门时间可调，通过调节开关周期可以调节其输出频率，该输出频率也就是该激光器的激光脉冲输出频率。通过调节开门时间调节每个开关周期内输出的皮秒光脉冲个数。在这里可以理解，声光调制器07对皮秒光脉冲的原始频率没有影响，在开门时间内，输出的皮秒光脉冲仍然以其原有的兆赫兹频率通过声光调制器07，而在开门时间内能够输出多少个皮秒光脉冲取决于开门时间，如开门时间较短，则可能仅输出一个皮秒光脉冲，如图3；如开门时间较长，则输出皮秒光脉冲序列，如图4。对于整个激光器，一次开门输出一个激光脉冲，该激光脉冲可能包含一个皮秒光脉冲或者包含由多个皮秒光脉冲形成的序列。在本实施例中，声光调制器07的开关频率小于锁模皮秒脉冲光纤激光器种子源01的光脉冲输出频率，进而获得低频脉冲，并通过三级放大系统09和四级放大系统11提升其峰值功率。

本实施例通过锁模皮秒脉冲光纤激光器种子源01输出高频皮秒光脉冲，通过一级放大系统02和二级放大系统05进行能量放大，并由声光调制器07对输出频率进行调制，获得低频皮秒光脉冲，再通过三级放大系统09和四级放大系统11进行放大，获得稳定的、低频的、高峰值功率皮秒激光脉冲，输出峰值功率可高达几百千瓦，且通过调节声光调制器07的开门周期和开门时间使输出激光脉冲频率以及脉冲个数可调。本发明结构简单，将若干通用型的器件进行特殊的合理的设计，使其功能巧妙配合，实现稳定的频率可调的高峰值功率皮秒激光输出。该皮秒脉冲激光器可作为高性能超短脉冲光源，在通信、军事、工业加工、医学、光信息处理、全色显示和激光印刷等领域具有广阔的应用，特别在工业加工领域中的蓝宝石加工、FPD加工、PCB刻写、半导体材料加工以及热敏材料的处理等方面有着难以取代的优势。

在本实施例中，SEED01可以采用锁模皮秒脉冲光纤激光器。SEED01输出大于1兆赫兹的脉宽为10ps～100ps的皮秒光脉冲。锁模皮秒脉冲光纤激光器种子源01的输出频率很高，但平均功率及峰值功率较低，因此需要降低脉冲频率后对低频光脉冲进行再放大。本实施例使用一级、二级放大系统05对该种子源信号进行放大，使输出平均功率达到瓦量级以便抑制三级放大系统09的受激自发辐射和非线性效应。另外，在一级放大系统02和二级放大系统05后方分别设置第一隔离器03和第二隔离器06，以隔离反向光信号，以保护一级放大系统02和二级放大系统05，再通过声光调制器07进行频率调制。

进一步地，通过声光调制器07对高频皮秒光脉冲序列进行脉冲选择，声光调制器07的开关频率决定了激光脉冲输出频率，在SEED01的输出频率为几兆赫兹以上的情况下，该声光调制器07的开门频率可选择50KHz～1MHz，经过选频后的光脉冲频率下降为50KHz～1MHz可调。再通过所述三级放大系统09和四级放大系统11进行再放大，提高峰值功率。由四级放大系统11输出的光脉冲峰值功率可达百KW级。并且，通过改变声光调制器07的开门时间，可以自由选择通过声光调制器07的光脉冲数量，形成高峰值功率的皮秒光脉冲群。为了使被选择的皮秒光脉冲能够稳定地通过声光调制器07，有必要对其开门时间与输入信号的皮秒光脉冲进行同步。

在本实施例中，一级放大系统02和二级放大系统05通常采用细芯径的增益光纤，其容易在光信号放大后产生非线性效应，导致光谱展宽。本实施例的三级放大系统09和四级放大系统11采用较粗芯径(大于或远大于一级放大系统02和二级放大系统05的增益光纤的芯径)的增益光纤，以避免非线性效应。

由于一级放大系统02和二级放大系统05在对皮秒光脉冲进行放大后容易产生非线性效应，进而导致皮秒光脉冲的光谱展宽，如图5，也有可能产生受激自发辐射，产生干扰，因此在一级放大系统02之后设置了第一带通光纤滤波器04，在二级放大系统05之后设置了第二带通光纤滤波器08，二者均为窄带滤波器，分别用于滤除相应的光谱展宽的部分以及受激自发辐射光，使被放大的光信号的光谱分布较为集中，如图6。

在本发明实施例中，各级放大系统的基本结构为通过波分复用器(WDM)或者泵浦光合束器(Combiner)将9xxnm泵浦光功率耦合到有源光纤中。当有源光纤是单包层光纤时，采用波分复用器将单模泵浦激光器的功率耦合进有源光纤的芯内；当有源光纤是双包层光纤时，使用泵浦合束器将多模泵浦激光器的功率耦合进有源光纤的包层内。

以下进一步提供具有具体性能参数的皮秒脉冲激光器，SEED01为使用SESAM的被动锁模皮秒脉冲光纤激光器，除泵浦臂外全部使用保偏光纤，其中增益光纤为高吸收系数的高掺镱单包层保偏光纤，泵浦激光器是单模976nm激光器。SEED01性能为：输出频率6MHz(锁模激光器的基频)、波长1064nm、输出平均功率5mW、脉冲宽度40ps、线宽0.3nm。通过改变SESAM的调制深度、腔内光纤长度、光纤光栅的反射率等参数，可以改变SEED01的性能，使频率在5MHz～40MHz可调，脉宽10ps～100ps可调。一级放大系统02所使用的有源光纤同为高掺镱单包层光纤，通过WDM将976nm波长泵浦激光器的功率耦合进有源光纤，对来自SEED01的皮秒脉冲信号进行放大，平均输出功率达到100mW，脉冲宽度仍为40ps，脉冲频率为6MHz。一级放大系统02经过第一隔离器03后连接第一带通光纤滤波器04进行滤波，滤除一级放大系统02产生的ASE噪声和少量的非线性光谱。二级放大系统05中的有源光纤为高掺镱双包层光纤，光纤芯径为10/125，通过(2+1)×1合束器将915nm多模泵浦激光器的能量耦合进有源光纤，此级输出功率为1W～2W。较高的二级放大系统05输出功率对抑制三级放大系统09的受激自发辐射和非线性效应是有利的。二级放大系统05输出的光信号经过第二隔离器06后连接的声光调制器07进行脉冲频率调制，实现频率100KHz、40ps脉宽脉冲光序列输出。声光调制器07输出调制后的100KHz的皮秒脉冲激光，通过第二带通光纤滤波器08进行滤波，滤除二级放大产生的ASE以及非线性效应产生的噪声。声光调制器07的开启时间与频率为6MHz的输入信号的皮秒脉冲光信号进行同步，通过调整开门时间使每次开门可以通过1～40个皮秒脉冲，根据声光调制器07的占空比控制进入三级放大系统09的平均光功率。三级放大系统09中，有源光纤为高掺镱双包层光纤，光纤芯径为40/400，通过(2+1)×1合束器将975nm多模泵浦激光器的功率耦合进有源光纤，此级平均输出功率为1W，脉冲宽度40ps，脉冲频率100KHz。同时，对来自声光调制器07的1～40个光脉冲均匀放大。当然，对一个光脉冲进行放大的峰值功率是对40个光脉冲进行均匀放大的峰值功率的40倍。三级放大系统09输出光信号经过第三隔离器10后进入四级放大系统11。四级放大系统11中，有源光纤为高掺镱双包层光纤，芯径为40/400，通过(2+1)×1合束器将915nm多模泵浦激光器的功率耦合进有源光纤，此级最大输出功率为3W，脉冲能量为30微焦尔，脉冲峰值功率为750KW。四级放大系统11连接输出端帽12，最终通过输出端帽12输出最终的激光输出。

在一个具体的实施例中，通过调整声光调制器07的开门时间为100ns，开关周期为10us时，可以获得脉冲频率为100KHz的40ps脉宽的单脉冲输出。不断增加声光调制器07的开门时间至6.4us时，最多可获得40个40ps脉宽的脉冲群输出。AOM的开关周期为1us，开门时间为100ns时，可获得脉冲频率为1MHz的40ps脉宽的单脉冲输出。同样，AOM的开关周期在T＝1us～10us变化时，可获得脉冲频率为1/T的40ps脉宽的单脉冲输出或者多个脉冲的脉冲群输出。当然，随着脉冲频率的增加，以及随着脉冲群中脉冲个数的增加，每个脉冲的能量及峰值功率会变低，但单脉冲的脉宽不变。

本发明实施例适用于掺镱的波长1030nm-1080nm皮秒脉冲光纤激光器，也适用于掺铒或者铒镱共掺的波长1530nm-1570nm皮秒脉冲光纤激光器，但本发明不局限于上述两种波段的皮秒脉冲光纤激光器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种皮秒脉冲光纤激光器，其特征在于，包括依次设置的锁模皮秒脉冲光纤激光器种子源、一级放大系统、第一带通光纤滤波器、二级放大系统、声光调制器、第二带通光纤滤波器、三级放大系统、四级放大系统以及输出端帽；所述锁模皮秒脉冲光纤激光器种子源输出高频皮秒光脉冲，所述声光调制器的开关周期和开门时间可调，通过调节所述开关周期调节脉冲输出频率，通过调节所述开门时间调节每个所述开关周期内输出的皮秒光脉冲个数，所述声光调制器的开关频率小于所述锁模皮秒脉冲光纤激光器种子源的光脉冲输出频率，以获得低频、高峰值功率的激光脉冲。

2.如权利要求1所述的皮秒脉冲光纤激光器，其特征在于，在所述一级放大系统和第一带通光纤滤波器之间设置第一隔离器，在所述二级放大系统和声光调制器之间设置第二隔离器，在所述三级放大系统和四级放大系统之间设置第三隔离器。

3.如权利要求1所述的皮秒脉冲光纤激光器，其特征在于，一个所述激光脉冲含有一个皮秒光脉冲或含有多个皮秒光脉冲构成的脉冲序列。

4.如权利要求1所述的皮秒脉冲光纤激光器，其特征在于，所述锁模皮秒脉冲光纤激光器种子源为锁模皮秒脉冲光纤激光器，输出兆赫兹的脉宽为10ps～100ps的所述皮秒光脉冲。

5.如权利要求4所述的皮秒脉冲光纤激光器，其特征在于，所述声光调制器的开关频率为50KHz～1MHz。

6.如权利要求1所述的皮秒脉冲光纤激光器，其特征在于，所述一级放大系统和二级放大系统将来自所述锁模皮秒脉冲光纤激光器种子源的皮秒光脉冲进行放大，以提高进入所述声光调制器以及三级放大系统的光信号的能量来抑制所述三级放大系统的受激自发辐射。

7.如权利要求1所述的皮秒脉冲光纤激光器，其特征在于，所述一级放大系统和二级放大系统在对所述皮秒光脉冲进行放大后产生非线性效应导致光谱展宽，所述第一带通光纤滤波器和第二带通光纤滤波器为窄带滤波器，用于滤除所述光谱展宽的部分以及受激自发辐射光。

8.如权利要求1所述的皮秒脉冲光纤激光器，其特征在于，所述一级放大系统、二级放大系统、三级放大系统和四级放大系统均采用有源光纤，所述三级放大系统和四级放大系统采用的有源光纤的芯径大于所述一级放大系统和二级放大系统采用的有源光纤的芯径。

9.如权利要求1至8任一项所述的皮秒脉冲光纤激光器，其特征在于，所述四级放大系统输出光脉冲的峰值功率为百KW级。