CN105337146A - 一种高峰值功率脉冲掺铥激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高峰值功率脉冲掺铥激光器，包括：掺铥光纤种子激光器，用于输出掺铥脉冲种子激光；第一光纤放大器，将掺铥脉冲种子激光进行功率预放大，并将功率预放大后的掺铥激光输出到选频器；选频器，将接收到的所述功率预放大后的掺铥激光的重复频率降低或选择合适的重复频率；第二光纤放大器，用于将选频后的掺铥激光再次进行功率预放大以满足掺铥固体放大器的需求；掺铥固体放大器，用于将再次功率预放大后的掺铥激光进行功率放大，并将放大后的掺铥激光进行输出。所述的高峰值功率脉冲掺铥激光器采用了光纤和固体相结合的放大结构对掺铥激光进行功率放大，从而有效提高2微米波段脉冲掺铥激光器峰值功率及平均功率。

Description

一种高峰值功率脉冲掺铥激光器

技术领域

本发明属于高功率中红外激光的产生领域，尤其涉及一种高峰值功率脉冲掺铥激光器。

背景技术

由于2微米波段掺铥激光处于人眼安全波段、近红外大气窗口、水及特殊气体吸收波段，可被广泛应用于国防科技、生物医学、大气遥感、激光雷达、聚合物非金属材料加工、环境控制及近中红外科学研究等诸多领域。此外，由于掺铥光纤的石英基质材料容易实现高功率脉冲输出，可作为中红外非线性研究的良好激光光源。又由于在中红外波段的诸多潜在应用，使得2微米掺铥光纤及固体激光器成为近年来研究的热点。

对于全光纤化脉冲掺铥激光器，虽然其平均功率已达数百瓦，但商业化稀土掺杂光纤的纤芯直径多为几十微米量级，一般纤芯直径为25μm或20μm。用其进行功率放大时，较高峰值功率下极易产生受激拉曼散射(StimulatedRamanScattering，SRS)、自相位调制(Self-phaseModulation，SPM)等非线性效应，尤其是受激拉曼散射使得激光器频域出现较大非线性展宽，极大地影响了光纤激光器的质量，使得输出峰值功率多小于一百千瓦。同时，2微米掺铥光纤激光器由于石英光纤强烈的红外吸收，使得波长大于约2.2微米后的损耗指数增加，从而SRS导致的波长红移使得激光损耗增加，持续的热量积累将会损坏激光系统的器件，同时由于非线性频率转换，使得信号波长处的激光输出功率难以进一步提高。此外，也有采用啁啾脉冲放大(Chirped-pulseamplification，CPA)的形式实现掺铥光纤激光的高峰值功率输出，但高精度光栅的引入，无疑增加了系统的难度、实用性及成本。

对于现有的固体掺铥激光器，虽可实现几百兆瓦的高峰值输出，但均采用CPA技术，复杂的空间结构、高精度的光栅无疑增加了系统的难度同时也限制了其实用性。此外，采用调Q固体结构虽实现了兆瓦量级的峰值功率，但脉宽均为纳秒、重复频率极低(<100Hz)、平均功率仅为瓦级，也限制了2微米激光在超快激光加工、非线性频率变换等方面对高平均功率的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构简单紧凑且能实现高平均功率及高峰值功率输出的脉冲掺铥激光器。

本发明是这样实现的，一种高峰值功率脉冲掺铥激光器，包括：

掺铥光纤种子激光器，用于输出掺铥脉冲种子激光；

第一光纤放大器，将掺铥脉冲种子激光进行功率预放大，并将功率预放大后的掺铥激光输出到选频器；

选频器，将接收到的所述功率预放大后的掺铥激光的重复频率降低或选择合适的重复频率；

第二光纤放大器，用于将选频后的掺铥激光再次进行功率预放大以满足掺铥固体放大器的需求；

掺铥固体放大器，用于将再次功率预放大后的掺铥激光进行功率放大，并将放大后的掺铥激光进行输出。

进一步地，所述第一光纤放大器为单模掺铥光纤放大器，所述单模掺铥光纤放大器用于将毫瓦级的种子激光放大至瓦级。

进一步地，所述第二光纤放大器为大模面积掺铥光纤放大器，所述大模面积掺铥光纤放大器采用大模面积掺铥光纤作为增益介质。

进一步地，所述高峰值功率脉冲掺铥激光器还包括至少一个光纤耦合隔离器，所述光纤耦合隔离器置于第一光纤放大器前和/或所述选频器前，用于隔离所述第一光纤放大器和/或所述第二光纤放大器的返回光。

进一步地，所述掺铥固体放大器包括第一准直耦合器、第二准直耦合器、掺铥激光晶体和半导体泵浦源，所述第一准直耦合器将再次进行功率预放大后的掺铥激光耦合进所述掺铥激光晶体；

所述半导体泵浦源用于泵浦掺铥激光晶体得到泵浦激光；

所述第二准直耦合器将所述泵浦激光耦合进所述掺铥激光晶体；

所述掺铥激光晶体利用所述泵浦激光将再次进行功率预放大后的掺铥激光进行功率放大。

进一步地，所述掺铥固体放大器还包括第一双色镜、第二双色镜和耦合输出系统；

所述第一双色镜置于所述第一准直耦合器与所述掺铥激光晶体之间，用于对信号激光进行抗反射，对泵浦激光进行全反射；

所述第二双色镜置于所述第二准直耦合器与所述掺铥激光晶体之间，用于对信号激光进行全反射至所述耦合输出系统，同时对泵浦激光进行抗反射；

所述耦合输出系统置于所述第二双色镜下方，用于将放大后的信号激光进行空间准直输出。

进一步地，所述耦合输出系统包括光纤耦合器，准直后的信号激光聚焦耦合进所述光纤耦合器进行光纤耦合输出。

进一步地，所述掺铥光纤种子激光器为调Q纳秒种子激光或锁模皮秒种子激光。

进一步地，所述选频器由声光调制器和信号函数发生器组成。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明的高峰值功率脉冲掺铥激光器与传统掺铥光纤放大器相比，既结合了预放大时第一、第二光纤放大器的高增益特性，又结合了功率放大时掺铥固体放大器的高非线性阈值，使得其非线性阈值可提高4个数量级，进而可实现兆瓦量级高峰值功率脉冲掺铥激光的输出。同时采用稳定的全光纤化种子激光器，结合全光纤化功率预放大，增加了系统的紧凑性。此外，通过选频器将种子激光的重复频率降低，可使得输出峰值功率更高，同时也可以控制激光的重复频率。

附图说明

图1是本发明高峰值功率脉冲掺铥激光器的结构示意图。

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。

本发明的高峰值功率脉冲掺铥激光器采用光纤和固体相混合放大的结构对脉冲掺铥激光进行功率放大，同时采用选频器降低掺铥激光的重复频率，从而有效提高2微米波段脉冲掺铥激光器的峰值功率及平均功率。

如图1所示，为本发明一较佳的实施方式，一种高峰值功率脉冲掺铥激光器，包括掺铥光纤种子激光器10、第一光纤放大器12、选频器13、第二光纤放大器14和掺铥固体放大器15。掺铥光纤种子激光器10用于输出高质量、稳定紧凑的掺铥脉冲种子激光。由于种子激光的输出功率较低，需要对其进行功率预放大以满足选频器13对功率的需求，第一光纤放大器12能将掺铥脉冲种子激光进行功率预放大，并将功率预放大后的掺铥激光输出到选频器13。选频器13将接收到的功率预放大后的掺铥激光的重复频率降低或选择合适的重复频率，选频范围一般可以从Hz到MHz进行选频，使得在同等的平均功率下，实现更高的峰值功率输出。第二光纤放大器14用于将选频后的掺铥激光再次进行功率预放大以满足掺铥固体放大器15的需求。掺铥固体放大器15的输入端与第二光纤放大器14的输出端141光纤连接，用于将再次功率预放大后的掺铥激光进行功率放大，提高系统的非线性阈值，最终达到高峰值功率输出的作用，同时平均功率也可以达到几十瓦。与大模面积掺铥光纤放大器中光纤的纤芯直径相比，掺铥激光晶体可选用Tm:YAG、Tm:YAP、Tm:YLF、Tm/Ho:YLF、Tm/Ho:YAG等，与光纤相比，掺铥激光晶体的光束直径预计可提高1个数量级，光功率密度可降低2个数量级，相应地可以使得非线性阈值提高2个数量级。此外，较短的激光晶体与较长有源光纤相比，激光脉冲与其作用的有效长度可降低2个数量级，可以使得非线性阈值进一步提高，最终可将峰值功率提升至兆瓦水平，同时避免了复杂CPA技术的应用。

第一光纤放大器12为单模掺铥光纤放大器，单模掺铥光纤放大器用于将毫瓦级的种子激光放大至瓦级。第二光纤放大器14为大模面积掺铥光纤放大器，大模面积掺铥光纤放大器采用大模面积掺铥光纤作为增益介质，采用包层泵浦的方式，泵浦光在内包层传输，信号光在纤芯传输，泵浦光在传输过程中多次经过纤芯，被铥离子吸收，进而将与种子激光波长一致的激光进行放大。大模面积掺铥光纤的纤芯/包层直径大小可以选用25/250μm或20/400μm的光纤，当选用400μm的光纤时可以提升的功率会更高一些。大模面积光纤的使用，主要是为了提升非线性效应的阈值，抑制不良非线性效应的产生。

高峰值功率脉冲掺铥激光器还包括至少一个光纤耦合隔离器11，光纤耦合隔离器11置于第一光纤放大器12前和/或选频器13前，用于隔离第一光纤放大器12和/或第二光纤放大器14的返回光，以防止对前一级系统造成损坏。

掺铥固体放大器15包括第一准直耦合器151、第二准直耦合器153、掺铥激光晶体152、半导体泵浦源154、第一双色镜155、第二双色镜156和耦合输出系统157。第一准直耦合器151将再次进行功率预放大后的掺铥激光耦合进掺铥激光晶体152。半导体泵浦源154用于泵浦掺铥激光晶体得到泵浦激光，以实现功率放大。第二准直耦合器153将泵浦激光耦合进掺铥激光晶体152。掺铥激光晶体152用于利用泵浦激光对再次进行功率预放大后的掺铥激光进行功率放大。第一双色镜155置于第一准直耦合器151与掺铥激光晶体152之间，用于对信号激光进行抗反射，对泵浦激光进行全反射。第二双色镜156置于第二准直耦合器153与掺铥激光晶体152之间，用于对放大后的信号激光进行全反射至耦合输出系统157，同时对泵浦激光进行抗反射。本实施例中，第二双色镜156向掺铥激光晶体152的一侧倾斜45度角放置。

耦合输出系统157置于第二双色镜156下方，用于将放大后的信号激光进行空间准直输出。耦合输出系统157包括光纤耦合器，准直后的信号激光聚焦耦合进所述光纤耦合器进行光纤耦合输出。由于铥离子较宽的发射谱，本系统可实现光谱范围1700nm—2100nm之间的激光输出。

掺铥光纤种子激光器10作为种子源用于后级的功率放大，可以为调Q纳秒种子激光或锁模皮秒种子激光。

本发明所述的高峰值功率脉冲掺铥激光器采用全光纤化的种子激光，提高种子激光的质量及稳定性能，掺铥固体放大器前的全光纤结构使整体结构更加紧凑，增加了实用性，避免了昂贵光栅对的使用，降低了成本。此外，光纤和固体结构相结合的方式，在保证种子激光质量的同时，功率放大级采用固体放大的形式提高系统的非线性阈值，避免了光纤放大较低的非线性阈值导致的非线性效应的产生，从而可以实现兆瓦量级高峰值功率输出，且结构简单紧凑，与国际上提及的其他提高峰值功率的放大，本发明的激光器不需要复杂的啁啾脉冲放大技术。

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)

1.一种高峰值功率脉冲掺铥激光器，其特征在于，包括：

掺铥光纤种子激光器，用于输出掺铥脉冲种子激光；

第一光纤放大器，将掺铥脉冲种子激光进行功率预放大，并将功率预放大后的掺铥激光输出到选频器；

选频器，将接收到的所述功率预放大后的掺铥激光的重复频率降低或选择合适的重复频率；

第二光纤放大器，用于将选频后的掺铥激光再次进行功率预放大以满足掺铥固体放大器的需求；

掺铥固体放大器，用于将再次功率预放大后的掺铥激光进行功率放大，并将放大后的掺铥激光进行输出。

2.根据权利要求1所述的高峰值功率脉冲掺铥激光器，其特征在于，所述第一光纤放大器为单模掺铥光纤放大器，所述单模掺铥光纤放大器用于将毫瓦级的种子激光放大至瓦级。

3.根据权利要求1或2所述的高峰值功率脉冲掺铥激光器，其特征在于，所述第二光纤放大器为大模面积掺铥光纤放大器，所述大模面积掺铥光纤放大器采用大模面积掺铥光纤作为增益介质。

4.根据权利要求1所述的高峰值功率脉冲掺铥激光器，其特征在于，所述高峰值功率脉冲掺铥激光器还包括至少一个光纤耦合隔离器，所述光纤耦合隔离器置于第一光纤放大器前和/或所述选频器前，用于隔离所述第一光纤放大器和/或所述第二光纤放大器的返回光。

5.根据权利要求1或4所述的高峰值功率脉冲掺铥激光器，其特征在于，所述掺铥固体放大器包括第一准直耦合器、第二准直耦合器、掺铥激光晶体和半导体泵浦源，所述第一准直耦合器将再次进行功率预放大后的掺铥激光耦合进所述掺铥激光晶体；

所述半导体泵浦源用于泵浦掺铥激光晶体得到泵浦激光；

所述第二准直耦合器将所述泵浦激光耦合进所述掺铥激光晶体；

所述掺铥激光晶体利用所述泵浦激光将再次进行功率预放大后的掺铥激光进行功率放大。

6.根据权利要求5所述的高峰值功率脉冲掺铥激光器，其特征在于，所述掺铥固体放大器还包括第一双色镜、第二双色镜和耦合输出系统；

所述第一双色镜置于所述第一准直耦合器与所述掺铥激光晶体之间，用于对信号激光进行抗反射，对泵浦激光进行全反射；

所述第二双色镜置于所述第二准直耦合器与所述掺铥激光晶体之间，用于对信号激光进行全反射至所述耦合输出系统，同时对泵浦激光进行抗反射；

所述耦合输出系统置于所述第二双色镜下方，用于将放大后的信号激光进行空间准直输出。

7.根据权利要求6所述的高峰值功率脉冲掺铥激光器，其特征在于，所述耦合输出系统包括光纤耦合器，准直后的信号激光聚焦耦合进所述光纤耦合器进行光纤耦合输出。

8.根据权利要求1所述的高峰值功率脉冲掺铥激光器，其特征在于，所述掺铥光纤种子激光器为调Q纳秒种子激光或锁模皮秒种子激光。

9.根据权利要求1所述的高峰值功率脉冲掺铥激光器，其特征在于，所述选频器由声光调制器和信号函数发生器组成。