CN107946889A

CN107946889A - 一种多重脉宽压缩固体激光系统

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Publication number: CN107946889A
Application number: CN201711180668.9A
Authority: CN
Inventors: 李林军; 段小明; 杨玉强; 杨曦凝; 白云峰; 谢文强; 周龙
Original assignee: Heilongjiang Institute of Technology
Current assignee: Heilongjiang Institute of Technology
Priority date: 2017-11-23
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2018-04-20

Abstract

本发明涉及一种多重脉宽压缩固体激光系统，包括：第一激光泵浦装置(1‑1)、第二激光泵浦装置(1‑2)、输入镜(2‑1)、输出镜(2‑2)、激光晶体(2‑3)、全反射镜(2‑4)、选模装置(2‑5)；第一脉宽压缩装置(3‑1)、第二脉宽压缩装置(3‑2)、第三脉宽压缩装置(3‑3)以及第四脉宽压缩装置(3‑4)。计算机控制系统(4‑2)，所述示波器(4‑1)将光学信号转换成电学信号后输入计算机控制系统(4‑2)，计算机控制系统(4‑2)根据该电学信号形成第一控制信号对所述第一脉宽压缩装置(3‑1)、形成第二控制信号对第二脉宽压缩装置、形成第三控制信号对第三脉宽压缩装置(3‑3)以及形成第四控制信号对第四脉宽压缩装置(3‑4)进行自动调节，从而获得皮米级脉宽激光输出。

Description

一种多重脉宽压缩固体激光系统

技术领域

本发明涉及一种固体激光发生装置，特别是一种多重脉宽压缩固体激光系统。

背景技术

随着固体激光器技术的发展，光束质量的需求越来越迫切，其中包括光束能量、峰值功率、脉宽等，而窄脉宽的激光在气体检测等领域具有十分紧迫的需要，而目前的单一脉宽压缩技术，远远不能满足实际应用中对窄脉宽激光技术的需求。

另外，为了获得特定脉宽的激光，往往需要设计较为复杂的光学谐振腔，而这些腔型结构复杂，对光路调节技术要求较高，因此，要获得稳定的窄脉宽激光输出，就会变得比较困难，因此，对于复杂谐振腔下既要获得窄脉宽激光又要解决光路调节问题就变得十分迫切。

发明内容

本发明为了解决现有复杂谐振腔下窄脉宽及调光难的技术问题而设计的全新固体激光系统方案。

本发明提供的一种多重脉宽压缩固体激光系统，包括：

第一激光泵浦装置1-1、第二激光泵浦装置1-2、输入镜2-1、输出镜2-2、激光晶体2-3、全反射镜2-4、选模装置2-5；其中，第一激光泵浦装置1-1、第二激光泵浦装置1-2以双端泵浦的方式发射抽运光束到激光晶体2-3，获得的2μm的振荡光束，所述2μm振荡光束经选模装置2-5后从输出镜2-2输出；

第一脉宽压缩装置3-1、第二脉宽压缩装置3-2、第三脉宽压缩装置3-3以及第四脉宽压缩装置3-4，其中，所述第一脉宽压缩装置3-1、第二脉宽压缩装置3-2分别位于第一激光泵浦装置1-1、第二激光泵浦装置1-2与谐振腔之间，用于对输入泵浦光线宽进行第一次脉宽压缩；第三脉宽压缩装置3-3位于谐振腔内，位于所述选模装置2-5与输出镜2-2之间，用于对振荡光线宽进行第二次压缩；第四脉宽压缩装置3-4位于所述输出镜2-2与示波器4-1之间，用于对输出激光线宽进行第三次压缩；

计算机控制系统4-2，所述示波器4-1将光学信号转换成电学信号后输入计算机控制系统4-2，计算机控制系统4-2根据该电学信号形成第一控制信号对所述第一脉宽压缩装置3-1、形成第二控制信号对第二脉宽压缩装置3-2、形成第三控制信号对第三脉宽压缩装置3-3以及形成第四控制信号对第四脉宽压缩装置3-4进行自动调节，从而获得皮米级脉宽激光输出。

进一步的，所述第一脉宽压缩装置3-1包括：

第一转动调整台，该第一转动调整台具有微米级步进电控系统；

石墨烯布拉格光栅，位于所述第一转动调整台上，处于光路中心，能够在所述第一转动调整台的转动下进行微米级角度调整；

所述第二脉宽压缩装置3-2包括：

第二转动调整台，该第二转动调整台具有微米级步进电控系统；

石墨烯布拉格光栅，位于所述第二转动调整台上，处于光路中心，能够在所述第二转动调整台的转动下进行微米级角度调整；

第三脉宽压缩装置3-3包括：

第三转动调整台，该第三转动调整台具有微米级步进电控系统；

F-P标准具，位于所述第三转动调整台上，处于光路中心，能够在所述第三转动调整台的转动下进行微米级角度调整；

所述第四脉宽压缩装置3-4包括：

第四转动调整台，该第四转动调整台具有微米级步进电控系统；

石墨烯布拉格光栅，位于所述第四转动调整台上，处于光路中心，能够在所述第四转动调整台的转动下进行微米级角度调整；

进一步的，所述计算机控制系统4-2接收到示波器4-1的信号后，与预先存储的模拟模型比较，根据比较结果，同时产生第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号、第四控制信号，分别对所述第一脉宽压缩装置3-1、第二脉宽压缩装置3-2、第三脉宽压缩装置3-3、第四脉宽压缩装置3-4同时进行自动调节。

进一步的，所述第一转动调整台、第二转动调整台、第三转动调整台以及第四转动调整台可以进行前、后、左、右、俯以及仰六方向调节。

进一步的，全反射镜2-4镀2μm波段激光高反膜，且2μm波段激光反射率大于或等于99.8％，且外侧面镀有泵浦光高透膜，且泵浦光透过率大于或等于97％。

进一步的，所述2μm输出镜2-2为直径为6mm-112mm、曲率半径为150mm-250mm的平凹镜，且凹面侧镀有2μm波段激光透过率50％的膜，平面侧镀有2μm波段激光高透膜，该高透膜对于2μm波段激光的透过率大于或等于99.7％。

本发明的有益效果：本发明为了获得极窄脉宽的大功率固体激光装置，采用腔内双晶体以及双末端泵浦结构，并采用三级脉宽压缩装置，并且使脉宽压缩装置分别位于泵浦侧、谐振腔内、输出侧，进行三级的压缩，获得极窄的压缩技术，通过第一级的压缩，获得纳米级的脉宽信号，并调整角度，进一步采用第二级、第三级的脉宽压缩，最终获得了理想的皮米级的输出光，在实现过程中，一方面通过控制泵浦光的输出光功率，另一方面通过自动调节多个脉宽压缩器件的角度参数，能够方便的获得理想的脉宽输出。结合计算机精确控制系统，使得整个激光器在自动调节的前提下，能够实现皮米级窄脉宽的激光输出，而且可以实现完全自动调节，方便高效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，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，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述的室温条件下固体激光发生装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

如图1所示，本发明提供的一种多重脉宽压缩固体激光系统，包括：

优选的，所述第一脉宽压缩装置3-1包括：

所述第二脉宽压缩装置3-2包括：

第三脉宽压缩装置3-3包括：

所述第四脉宽压缩装置3-4包括：

其中，石墨烯布拉格光栅可以制作为光纤光栅结构，包括纤芯、包层、石墨烯层。石墨烯具有零带隙结构，所以石墨烯价带中的电子很容易吸收泵浦光子跃迁到导带上，而且满足狄拉克分布，这一过程会直接导致石墨烯能带结构的电子分布发生改变。当改变泵浦光强度时，石墨烯的能带电子的分布也不一样。啁啾布拉格光栅的反射带宽是由纤芯折射率和周期分布决定的。由于啁啾布拉格光栅的纤芯已经被周期性的调制，包裹在纤芯上面的石墨烯的能带电子分布的变化会进一步导致光栅的调制折射率的改变，这样最终导致了光栅反射谱的带宽发生变化。因此，本发明可以通过改变调控石墨烯的泵浦光强来改变啁啾布拉格光栅的反射带宽。通过改变输出激光的功率大小，来对所述石墨烯啁啾布拉格光栅的反射带宽进行光控调节，从而实现输出激光脉宽的调节，其中输出激光的功率越大，调节后的石墨烯啁啾布拉格光栅的反射带宽越宽。

优选的，所述石墨烯布拉格光栅为光纤光栅结构，包括纤芯、包层、石墨烯层；所述石墨烯层厚度为0.1mm；所述F-P腔的厚度为0.15mm。

本实施方式所述光纤激光器泵浦的高功率2μm波段固体激光器，所述第一激光第一激光泵浦装置1-1、第二激光泵浦装置1-2是两个1.9μm单掺铥Tm光纤激光器1。

一个1.9μm单掺铥Tm光纤激光器1-1发射的激光束通过第一耦合系统耦合后，经由平面输入镜2-1透射后入射至单掺Ho晶体2-3；另一个1.9μm单掺铥Tm光纤激光器发射的激光束通过第二耦合系统耦合后，经由折叠镜2-4透射后入射至单掺Ho晶体2-3，单掺Ho晶体2-3对其两侧入射的光纤激光束进行吸收后，产生2μm波长的激光，该2μm波长的激光通过折叠镜2-4反射至石英声光调Q晶体2-5，石英声光调Q晶体2-5对输入的激光进行调制后，入射至平凹输出镜2-2，通过平凹输出镜2-2输出Ho激光；

本实施方式包括采用光纤耦合的792nm激光二极管泵浦的Tm光纤激光器；Tm光纤激光器泵浦的单掺Ho激光器。

单掺Ho晶体2-3选用Ho:YAP晶体，其通光轴为c轴，长度50mm；Ho3+掺杂浓度为0.3at.％。1.9μm单掺铥T m光纤激光器的发射波长为1940nm，单掺Ho激光器的平凹输出镜曲率半径为-200mm，对2μm光的透过率为30％。折叠镜2-4与反射镜3的光轴呈45°设置。

1.9μm单掺铥Tm光纤激光器1由792nm的激光二极管、传导光纤、双包层光敏光纤、光纤光栅和单掺铥Tm石英光纤组成，光纤光栅设置在双包层光敏光纤的传输路径上，792nm的激光二极管发射的792nm的激光经传导光纤、双包层光敏光纤以及光纤光栅传输，再被单掺铥Tm石英光纤吸收后，产生1.9μm激光，作为1.9μm单掺铥Tm光纤激光器发射的激光束；传导光纤与双包层光敏光纤焊接连接，双包层光敏光纤与单掺铥Tm石英光纤焊接连接。

1.9μm单掺铥Tm光纤激光器的基质包括氟基、硅基和ZBLAN玻璃，使用光纤光栅对单掺铥Tm石英光纤发射的1.9μm激光的发射波长进行控制，以与单掺Ho激光晶体的吸收波长相匹配。单掺杂Ho激光晶体的掺杂基质包括氟化钇锂YLF、氟化镥锂LuLF、铝酸钇YAP、镏铝石榴石LuAG、钒酸钇YVO4和钇铝石榴石YAG。

1.9μm单掺铥Tm光纤激光器采用792nm的激光二极管泵浦。双包层光敏光纤的纤芯直径为25μm、包层直径为250μm，传导光纤与双包层光敏光纤通过光纤熔接技术熔接。光纤光栅为利用飞秒fs激光刻写技术在双包层光敏光纤刻写的飞秒布拉格反射光栅FBG，光纤光栅的衍射中心波长与单掺Ho晶体吸收峰相对应。双包层光敏光纤与单掺铥Tm石英光纤通过光纤熔接技术熔接在一起，单掺铥Tm石英光纤的纤芯直径为25μm，包层直径为250μm，并且采用风扇对其进行强制冷却。

本实施方式中，激光二极管发射的792nm的激光经传导光纤以及双包层光敏光纤的传输后被单掺铥Tm石英光纤吸收，792nm激光的功率达到光纤激光器的阈值之后，在光纤光栅的作用下，光纤激光器输出与Ho晶体吸收峰相匹配波长的1.9μm激光。

其中，所述第一转动调整台、第二转动调整台、第三转动调整台以及第四转动调整台可以进行前、后、左、右、俯以及仰六方向调节。

优选的，全反射镜2-4镀2μm波段激光高反膜，且2μm波段激光反射率大于或等于99.8％，且外侧面镀有泵浦光高透膜，且泵浦光透过率大于或等于97％。

优选的，所述2μm输出镜2-2为直径为6mm-112mm、曲率半径为150mm-250mm的平凹镜，且凹面侧镀有2μm波段激光透过率50％的膜，平面侧镀有2μm波段激光高透膜，该高透膜对于2μm波段激光的透过率大于或等于99.7％。

本发明为了获得极窄脉宽的大功率固体激光装置，采用腔内双晶体以及双末端泵浦结构，并采用三级脉宽压缩装置，并且使脉宽压缩装置分别位于泵浦侧、谐振腔内、输出侧，进行三级的压缩，获得极窄的压缩技术，通过第一级的压缩，获得纳米级的脉宽信号，并调整角度，进一步采用第二级、第三级的脉宽压缩，最终获得了理想的皮米级的输出光，在实现过程中，一方面通过控制泵浦光的输出光功率，另一方面通过自动调节多个脉宽压缩器件的角度参数，能够方便的获得理想的脉宽输出。结合计算机精确控制系统，使得整个激光器在自动调节的前提下，能够实现皮米级窄脉宽的激光输出，而且可以实现完全自动调节，方便高效。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种多重脉宽压缩固体激光系统，其特征在于，包括：

第一激光泵浦装置(1-1)、第二激光泵浦装置(1-2)、输入镜(2-1)、输出镜(2-2)、激光晶体(2-3)、全反射镜(2-4)、选模装置(2-5)；其中，第一激光泵浦装置(1-1)、第二激光泵浦装置(1-2)以双端泵浦的方式发射抽运光束到激光晶体(2-3)，获得的2μm的振荡光束，所述2μm振荡光束经选模装置(2-5)后从输出镜(2-2)输出；

第一脉宽压缩装置(3-1)、第二脉宽压缩装置(3-2)、第三脉宽压缩装置(3-3)以及第四脉宽压缩装置(3-4)，其中，所述第一脉宽压缩装置(3-1)、第二脉宽压缩装置(3-2)分别位于第一激光泵浦装置(1-1)、第二激光泵浦装置(1-2)与谐振腔之间，用于对输入泵浦光线宽进行第一次脉宽压缩；第三脉宽压缩装置(3-3)位于谐振腔内，位于所述选模装置(2-5)与输出镜(2-2)之间，用于对振荡光线宽进行第二次压缩；第四脉宽压缩装置(3-4)位于所述输出镜(2-2)与示波器(4-1)之间，用于对输出激光线宽进行第三次压缩；

计算机控制系统(4-2)，所述示波器(4-1)将光学信号转换成电学信号后输入计算机控制系统(4-2)，计算机控制系统(4-2)根据该电学信号形成第一控制信号对所述第一脉宽压缩装置(3-1)、形成第二控制信号对第二脉宽压缩装置(3-2)、形成第三控制信号对第三脉宽压缩装置(3-3)以及形成第四控制信号对第四脉宽压缩装置(3-4)进行自动调节，从而获得皮米级脉宽激光输出。

2.根据权利要求1所述的固体激光系统，其特征在于，

所述第一脉宽压缩装置(3-1)包括：

所述第二脉宽压缩装置(3-2)包括：

第三脉宽压缩装置(3-3)包括：

所述第四脉宽压缩装置(3-4)包括：

石墨烯布拉格光栅，位于所述第四转动调整台上，处于光路中心，能够在所述第四转动调整台的转动下进行微米级角度调整。

3.根据权利要求2所述的固体激光系统，其特征在于，所述计算机控制系统(4-2)接收到示波器(4-1)的信号后，与预先存储的模拟模型比较，根据比较结果，同时产生第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号、第四控制信号，分别对所述第一脉宽压缩装置(3-1)、第二脉宽压缩装置(3-2)、第三脉宽压缩装置(3-3)、第四脉宽压缩装置(3-4)同时进行自动调节。

4.根据权利要求3所述的固体激光系统，其特征在于，所述第一转动调整台、第二转动调整台、第三转动调整台以及第四转动调整台可以进行前、后、左、右、俯以及仰六方向调节。

5.根据权利要求4所述的固体激光系统，其特征在于，全反射镜(2-4)镀2μm波段激光高反膜，且2μm波段激光反射率大于或等于99.8％，且外侧面镀有泵浦光高透膜，且泵浦光透过率大于或等于97％。

6.根据权利要求5所述的固体激光系统，其特征在于，所述2μm输出镜(2-2)为直径为6mm-112mm、曲率半径为150mm-250mm的平凹镜，且凹面侧镀有2μm波段激光透过率50％的膜，平面侧镀有2μm波段激光高透膜，该高透膜对于2μm波段激光的透过率大于或等于99.7％。