CN105896255A - 可调皮秒固体激光系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可调皮秒固体激光系统，依次包括被动锁模的可调皮秒激光振荡器、光纤预放大器、脉冲选择开关、光纤主放大器和固体放大器，设计的可调皮秒激光振荡器全保偏结构的光纤链路可以抵抗环境干扰，确保振荡器种子脉冲的长期稳定输出，同时确保激光功率放大过程的偏振对比度；可预先设定应用所需的多种脉冲宽度、工作波长、重复频率。通过光开关，可在多个激光输出参数中灵活切换，满足应用需求，通过切换脉冲参数，可以及时有效的观察到应用效果；固体放大器可避免皮秒脉冲放大过程的非线性效应，确保皮秒脉冲在时间域和频率域上均无畸变放大；模块化设计的功能组件，可灵活组装，便于实际应用。

Description

可调皮秒固体激光系统
技术领域
本发明涉及一种激光技术，特别涉及一种重复频率可变、脉冲宽度可变、输出波长可变的皮秒固体激光系统。
背景技术
皮秒激光可对金属、金属碳化物、硅片、蓝宝石、陶瓷等工业材料进行高精度加工，特别是5ps-100ps左右的激光脉冲宽度更具优势。与MOPA纳秒脉冲和电调制百皮秒以上的脉冲相比，5ps-100ps脉冲具有更窄的脉冲宽度，能产生更高的激光峰值功率。更重要的是，皮秒脉冲的时间宽度之短，可有效的减少激光辐射带来的热效应，达到材料的消融临界点所需要的峰值能量密度。
目前，脉宽可调的皮秒脉冲均为电调制半导体激光器。该种激光器的输出脉冲宽度受控于电调制脉冲信号的脉宽。为了获得皮秒脉冲的光信号，电调制脉冲信号占空比极低，因此，半导体激光器的输出平均功率很低。较低的平均功率难以满足后续功率放大对种子光功率的要求。
目前，高功率皮秒激光系统中使用的较长的光纤增益介质使得自发辐射较高。较高比例的自发辐射会显著降低脉冲信噪比，而是激光系统无法满足应用需求。
固体放大技术与光纤预放大技术相结合可以有效克服皮秒脉冲在高能量激光放大过程的中非线性效应，确保皮秒脉冲在时间和频率域上无畸变放大。
发明内容
本发明是针对皮秒激光运用中存在的问题，提出了一种可调皮秒固体激光系统，设计的系统输出波长可变、脉冲宽度可变、重复频率可变，适应应用需要。
本发明的技术方案为：一种可调皮秒固体激光系统，依次包括被动锁模的可调皮秒激光振荡器、光纤预放大器、脉冲选择开关、光纤主放大器和固体放大器，可调皮秒激光振荡器由全保偏光纤器件连接构成，可调皮秒激光振荡器的一端为可饱和吸收器件，之后依次连接有第一增益光纤、第一波分复用器、分束器、光开关、数条延迟光纤和对应的与延迟光纤一一连接的光纤光栅；第一波分复用器的另一输入端口连接第一泵浦源，分束器的另两个端口分别作为振荡器输出端和监测端；可调皮秒激光振荡器的输出波长由光开关选取的参数与激光振荡的光纤光栅的反射波长决定；脉冲宽度由光开关选取的参数与激光振荡的光纤光栅的反射带宽决定；重复频率由光开关选取的参数与激光振荡的光纤链路长度决定，延迟光纤的长度用于匹配所需的重复频率；可调皮秒激光振荡器输出的脉冲激光进入光纤预放大器，经预放大的脉冲激光通过脉冲选择开关实现脉冲选取，进入光纤主放大器进一步提升脉冲激光的平均功率，光纤主放大器输出的激光进入固体放大器，实现满足应用需求的功率或能量后，再被光学器件耦合入输出隔离器，实现逆向光光隔离再通过扩束器输出所需光斑大小的激光。
所述光纤光栅为可调皮秒激光振荡器提供谐振的反馈信号，通过光开关选取工作的光纤光栅，实现多个波长之间切换输出。
所述光纤预放大器的输入端与可调皮秒激光振荡器输出端连接，之后依次连接有第一隔离器、第二波分复用器及第二增益光纤；第二波分复用器的另一输入端连接有第二泵浦源，为光纤预放大器提供泵浦光。
所述光纤主放大器的输入端与可调皮秒激光振荡器的输出端连接，之后依次连接有第二隔离器、合束器及第三增益光纤；合束器的另一输入端连接有泵浦源，为光纤主放大器提供泵浦光。
所述合束器为（2+1）×1或（n+1）×1的合束器，耦合多路泵浦光进入第三增益光纤中。
所述第三增益光纤为双包层增益光纤，或双包层光子晶体增益光纤，或大模场增益光纤。
所述第三增益光纤连接有输出端冒，用于保护第三增益光纤的切面。
所述固体放大器为由光学器件、多个固体增益介质、对应固体增益介质个数的多模半导体模块、输出隔离器及扩束器组成的多级放大器。
所述光纤主放大器输出的激光被光学器件聚焦到固体增益介质，多模半导体模块输出的泵浦光经组合光学器件耦合照射在固体增益介质上，通过调整组合光学器件实现泵浦光斑和激光光斑的大小和位置匹配。所述固体增益介质置于冷却固件上，用于移除激光放大过程中的热效应。
本发明的有益效果在于：本发明可调皮秒固体激光系统，设计的全保偏结构的光纤链路可以抵抗环境干扰，确保振荡器种子脉冲的长期稳定输出，同时确保激光功率放大过程的偏振对比度；可预先设定应用所需的多种脉冲宽度、工作波长、重复频率。通过光开关，可在多个激光输出参数中灵活切换，满足应用需求，通过切换脉冲参数，可以及时有效的观察到应用效果；固体放大器可避免皮秒脉冲放大过程的非线性效应，确保皮秒脉冲在时间域和频率域上均无畸变放大；模块化设计的功能组件，可灵活组装，便于实际应用。
附图说明
图1为本发明可调皮秒固体激光系统结构示意图。
具体实施方式
如图1所示可调皮秒固体激光系统结构示意图，系统依次包括被动锁模的可调皮秒激光振荡器、光纤预放大器、脉冲选择开关、光纤主放大器、固体放大器。
被动锁模的可调皮秒激光振荡器由全保偏光纤器件连接构成，采用可饱和吸收器件实现被动锁模。振荡器的一端为可饱和吸收器件，之后依次连接有增益光纤1、波分复用器1、分束器、光开关、数条延迟光纤和对应的与延迟光纤一一连接的光纤光栅。波分复用器1的另一输入端口连接有泵浦源1。分束器的另外两个端口分别作为振荡器输出端和监测端。可调皮秒激光振荡器的输出波长由光开关选取的参数与激光振荡的光纤光栅的反射波长决定；脉冲宽度由光开关选取的参数与激光振荡的光纤光栅的反射带宽决定；重复频率由光开关选取的参数与激光振荡的光纤链路长度决定，其中，延迟光纤的长度用于匹配所需的重复频率。
可饱和吸收器件为含有可饱和吸收器件的光纤耦合器件；其中，可饱和吸收器件可为透射式或者反射式半导体可饱和体、石墨烯、碳纳米管等能起到非线性饱和吸收作用的光学材料。
增益光纤1为掺稀土元素的有源光纤，吸收泵浦光并产生激光。
波分复用器1用于将泵浦源发射出的泵浦光耦合入增益光纤1上。
分束器用于输出两束激光。其中，一束由输出端输出，用于实际应用；另一束由监测端输出，用于监控激光器的工作状态。
光开关用于选取后续工作的光纤链路。光开关可为机械光开关、或电光晶体及驱动电源组成的电光开关、或由声光晶体及驱动电源组成的声光开关、或能起到切换后续光路的其他种类光开关。
延迟光纤用于匹配激光器所需的重复频率。依据激光器所需的重复频率，计算得出激光器的光纤链路长度，除去各个光纤耦合器件及其尾纤、增益光纤，即为延迟光纤的长度。
光纤光栅为激光器提供谐振的反馈信号。光纤光栅的反射波长决定了激光器的工作波长。
光纤光栅为激光器提供谐振的反馈信号。根据皮秒脉冲的时间带宽积特性，即脉冲宽度与光谱宽度成反比例关系，因此，光纤光栅的反射带宽决定了激光器的输出脉宽。比如1064nm波长的激光0.01nm光谱带宽对应165ps脉冲宽度，0.1nm光谱带宽对应于16.5ps。1nm光谱带宽对应于1.65ps。
振荡器输出端连接有光纤预放大器，用于初步提升脉冲激光的平均功率。光纤预放大器的输入端与可调皮秒激光振荡器输出端连接，之后依次连接有隔离器2、波分复用器2、增益光纤2；波分复用器2的另一输入端连接有泵浦源2，为光纤预放大器提供泵浦光。
光纤预放大器的输出端连接有脉冲选择开关，用于降低激光脉冲的重复频率，满足实际应用过程对脉冲数目的需求。同时，通过控制驱动电脉冲重复频率和电脉冲宽度可以实现对重复频率，可实现对光脉冲重复频率和脉冲数的控制。
脉冲选择开关的输出端连接有光纤主放大器的输入端，用于大幅提升脉冲激光的平均功率。光纤主放大器的输入端与可调皮秒激光振荡器的输出端连接，之后依次连接有隔离器3、合束器3、增益光纤3；合束器的另一输入端连接有泵浦源3，为光纤主放大器提供泵浦光。合束器可为（2+1）×1也可为（n+1）×1的合束器，耦合多路泵浦光进入增益光纤3中。
增益光纤3可为双包层增益光纤，可为双包层光子晶体增益光纤，可为大模场增益光纤等能提供较高增益的光纤。增益光纤3连接有输出端冒，用于保护增益光纤3的切面。透镜1用于将输出端帽输出的发散光准直为空间平行光。反射镜1用于将准直后的平行光注入固体放大器中。
反射镜2、反射镜3和透镜2相结合，用于调整准直输出激光的飞行光路并聚焦在固体增益介质1中。
反射镜4为双色镜，镀膜为泵浦光增透和激光高反。
反射镜4，透镜3和反射镜5用于将固体增益介质1放大后的激光再聚焦在固体增益介质2上再次放大。
多模半导体模块1输出的泵浦光经由泵浦耦合透镜组1和反射镜4照射在固体增益介质1上。通过调整泵浦耦合透镜组1、反射镜2，透镜2和反射镜3实现泵浦光斑和激光光斑的大小和位置匹配。多模半导体模块2输出的泵浦光经由泵浦耦合透镜组2和反射镜5照射在固体增益介质2上。通过调整泵浦耦合透镜组2、反射镜4，透镜3和反射镜5实现泵浦光斑和激光光斑的大小和位置匹配。
固体增益介质为对入射激光由增益特性的晶体、陶瓷等。固体增益介质置于冷却固件上，用于移除激光放大过程中的热效应。冷却固件上累积的热量可通过水循环冷却、半导体制冷、风冷等多种方式移除。
反射镜6和透镜4用于将经过固体增益介质2放大后的激光准直并调整空间传播方向，耦合入输出隔离器。
输出隔离器用于实现逆向光光隔离，保护固体放大器。扩束器用于将输出隔离器的输出的激光扩束，满足实际应用对激光光斑大小的需要。
由光开关为整个激光系统选取工作参数。
由光纤光栅为可调皮秒激光振荡器提供谐振的反馈信号。光纤光栅的反射波长决定了激光器的工作波长。比如，光纤光栅1的反射波长为1030nm，光纤光栅1的反射波长为1040nm，光纤光栅1的反射波长为1050nm。即通过光开关选取工作的光纤光栅，即可实现可调皮秒激光系统在1030nm、1040nm、1050nm三个甚至多个波长之间切换输出。
由光纤光栅为可调皮秒激光振荡器提供谐振的反馈信号。根据皮秒脉冲的时间带宽积特性，即脉冲宽度与光谱宽度成反比例关系，因此，光纤光栅的反射带宽决定了激光器的输出脉宽。 比如，工作波长为1064nm光纤光栅，光纤光栅1的光谱带宽为0.01nm（对应165ps脉冲宽度），光纤光栅2的光谱带宽0.1nm（对应16.5ps脉冲宽度），光纤光栅3的光谱带宽1nm（对应1.65ps脉冲宽度）。即通过光开关选取工作的光纤光栅，即可实现可调皮秒激光系统在165ps、16.5ps、1.65ps三个甚至多个脉冲宽度之间切换输出。
延迟光纤的长度用于匹配激光器所需的重复频率。依据激光器所需的重复频率，计算得出激光器的光纤链路长度，除去各个光纤耦合器件及其尾纤、增益光纤，即为延迟光纤的长度。
光纤光栅的反射波长和反射带宽以及延迟光纤的长度参数可以任意匹配，可实现可调皮秒固体激光系统在预设的各个激光参数之间切换输出。
不限定增益光纤1、增益光纤2、增益光纤3的种类，增益光纤可以为掺镱、铒、铥、钕等多种光纤，光路中其他器件的工作波段与所用增益光纤自发辐射谱匹配即可。
不限定光纤光栅的反射率，能够满足产生锁模脉冲的反射率即可。
不限定光开关的种类，光开关的插入损耗不超过锁模脉冲起振的腔内损耗即可。
不限定光纤链路中光纤预放大的数目和位置，满足后续光路对注入光的要求即可。
不限定光纤链路中光纤主放大的数目和位置，满足实际应用对激光功率和能量的要求即可。
不限定放大器的泵浦方式，可以为端面泵浦、侧面泵浦等多种泵浦方式。
不限定增益介质的形状，可以为长方体、圆柱体、板条式等多种形状。增益介质形状与泵浦方式相配合即可。
不限定固体放大器内部的放大级数，可以为一级放大结构，也可为多级放大结构。
不限定固体增益介质上泵浦和激光的耦合方式，可以为单通放大结构，也可为双通甚至多通放大结构。
不限定固体放大器中器件的个数，通过多种光学镀膜方式，可以省去放大器中的某些部件。任何多合一功能器件都在该专利的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可调皮秒固体激光系统，其特征在于，依次包括被动锁模的可调皮秒激光振荡器、光纤预放大器、脉冲选择开关、光纤主放大器和固体放大器，可调皮秒激光振荡器由全保偏光纤器件连接构成，可调皮秒激光振荡器的一端为可饱和吸收器件，之后依次连接有第一增益光纤、第一波分复用器、分束器、光开关、数条延迟光纤和对应的与延迟光纤一一连接的光纤光栅；第一波分复用器的另一输入端口连接第一泵浦源，分束器的另两个端口分别作为振荡器输出端和监测端；可调皮秒激光振荡器的输出波长由光开关选取的参数与激光振荡的光纤光栅的反射波长决定；脉冲宽度由光开关选取的参数与激光振荡的光纤光栅的反射带宽决定；重复频率由光开关选取的参数与激光振荡的光纤链路长度决定，延迟光纤的长度用于匹配所需的重复频率；可调皮秒激光振荡器输出的脉冲激光进入光纤预放大器，经预放大的脉冲激光通过脉冲选择开关实现脉冲选取，进入光纤主放大器进一步提升脉冲激光的平均功率，光纤主放大器输出的激光进入固体放大器，实现满足应用需求的功率或能量后，再被光学器件耦合入输出隔离器，实现逆向光光隔离再通过扩束器输出所需光斑大小的激光。
2.根据权利要求1所述可调皮秒固体激光系统，其特征在于，所述光纤光栅为可调皮秒激光振荡器提供谐振的反馈信号，通过光开关选取工作的光纤光栅，实现多个波长之间切换输出。
3.根据权利要求1所述可调皮秒固体激光系统，其特征在于，所述光纤预放大器的输入端与可调皮秒激光振荡器输出端连接，之后依次连接有第一隔离器、第二波分复用器及第二增益光纤；第二波分复用器的另一输入端连接有第二泵浦源，为光纤预放大器提供泵浦光。
4.根据权利要求1所述可调皮秒固体激光系统，其特征在于，所述光纤主放大器的输入端与可调皮秒激光振荡器的输出端连接，之后依次连接有第二隔离器、合束器及第三增益光纤；合束器的另一输入端连接有泵浦源，为光纤主放大器提供泵浦光。
5.根据权利要求4所述可调皮秒固体激光系统，其特征在于，所述合束器为（2+1）×1或（n+1）×1的合束器，耦合多路泵浦光进入第三增益光纤中。
6.根据权利要求4所述可调皮秒固体激光系统，其特征在于，所述第三增益光纤为双包层增益光纤，或双包层光子晶体增益光纤，或大模场增益光纤。
7.根据权利要求4、5或6中任意一项所述可调皮秒固体激光系统，其特征在于，所述第三增益光纤连接有输出端冒，用于保护第三增益光纤的切面。
8.根据权利要求1所述可调皮秒固体激光系统，其特征在于，所述固体放大器为由光学器件、多个固体增益介质、对应固体增益介质个数的多模半导体模块、输出隔离器及扩束器组成的多级放大器。
9.根据权利要求8所述可调皮秒固体激光系统，其特征在于，所述光纤主放大器输出的激光被光学器件聚焦到固体增益介质，多模半导体模块输出的泵浦光经组合光学器件耦合照射在固体增益介质上，通过调整组合光学器件实现泵浦光斑和激光光斑的大小和位置匹配。
10.根据权利要求8或9所述可调皮秒固体激光系统，其特征在于，所述固体增益介质置于冷却固件上，用于移除激光放大过程中的热效应。
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