CN108539565A - 一种激光放大系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光放大系统，种子源提供的种子光经过光学调整组件调整后入射至种子光耦合透镜，由种子光耦合透镜将种子光聚焦进入棒状光子晶体光纤；泵浦源提供的泵浦光由泵浦光耦合组件耦合进棒状光子晶体光纤；棒状光子晶体光纤在泵浦光的激励下将种子光放大输出。本发明采用新型结构的棒状光子晶体光纤作为增益介质对种子光进行功率放大，借助于棒状光子晶体光纤独特的微结构设计，可在纤芯直径较大的光纤中获得高光束质量的激光。既具有光纤放大系统高的光光转换效率、高的光束质量，又具有固体放大系统高的峰值功率的特点，而且能够对不同种子源提供的种子光进行高效放大。

Description

一种激光放大系统
技术领域
本发明涉及激光放大技术领域，尤其涉及到一种激光放大系统。
背景技术
高功率皮秒或飞秒激光具有脉宽窄、峰值功率高的特点，特别是大能量高功率的皮秒或飞秒激光，由于其与物质相互作用时，热效应小，加工孔径周围没有熔融区，对加工材料无选择性等特点，在超精细加工、微光子器件制造、医学精密手术、高密度三维光存储、纳米生物工程、纳米医学和国防激光武器等领域有着广泛的应用。因此，大能量高功率皮秒或飞秒激光引起了国内外科学家的广泛关注，已经成为研究的热点。
获得高功率的超短脉冲激光输出的主要技术途径有：采用啁啾脉冲放大(CPA)技术，将脉冲展宽或分束延时，降低激光的峰值功率从而减弱非线性效应，但该方法光路结构复杂，需要严格的色散管理，后续压缩光栅的造价高昂，效率较低；采用光纤-固体混合放大技术，最后一级利用激光晶体激光损伤阈值较高的特性进行功率放大，但块状晶体放大也存在光路复杂、热效应严重、光束质量较差等问题。
如何在保证高平均功率、高峰值功率的情况下，输出高光束质量的激光，是当前急需解决的一个技术难题。
发明内容
本发明提供一种激光放大系统，用以解决现有技术中激光放大技术光路结构复杂、光束质量较差等问题。
依据本发明的一个方面，提供一种激光放大系统，包括：
棒状光子晶体光纤，及分别设置在所述棒状光子晶体光纤两端的种子光耦合系统、泵浦光耦合系统；
所述种子光耦合系统包括种子源、光学调整组件及种子光耦合透镜；所述种子源提供的种子光经过所述光学调整组件调整后入射至所述种子光耦合透镜，由所述种子光耦合透镜将所述种子光聚焦进入所述棒状光子晶体光纤；
所述泵浦光耦合系统包括泵浦源及泵浦光耦合组件；所述泵浦源提供的泵浦光由所述泵浦光耦合组件耦合进所述棒状光子晶体光纤；
所述棒状光子晶体光纤在所述泵浦光的激励下将所述种子光放大输出。
可选的，所述种子光耦合系统还包括：
透种子光双色全反镜，用于将经过所述光学调整组件调整后的种子光透射至所述种子光耦合透镜，及反射来自所述棒状光子晶体光纤的泵浦光。
可选的，所述泵浦光耦合系统还包括：
反种子光双色全反镜，用于反射经过所述棒状光子晶体光纤放大后的种子光，及透射泵浦光。
可选的，所述泵浦光耦合组件包括泵浦光准直镜及泵浦光聚焦镜；
所述泵浦光准直镜将所述泵浦源提供的泵浦光准直后透过所述反种子光双色全反镜入射至所述泵浦光聚焦镜，由所述泵浦光聚焦镜将准直后的泵浦光耦合进所述棒状光子晶体光纤。
可选的，所述光学调整组件包括如下器件中的一种或多种：
45°全反镜，用于反射所述种子源输出的种子光；
半波片，用于旋转种子光的偏振方向；及
起偏器，用于使种子光起偏。
可选的，所述种子源提供平均功率≥5W、重复频率≥1MHz、脉冲宽度≥500fs及波长为1030nm～1064nm的种子光。
可选的，所述种子光耦合透镜的焦距为80mm～150mm。
可选的，所述棒状光子晶体光纤的芯径为55μm或85μm、长度为80cm及包层直径为260μm。
可选的，所述起偏器为偏振片。
可选的，还包括若干半导体制冷片，用于对所述种子源进行制冷。
本发明的有益效果为：
本发明采用新型结构的棒状光子晶体光纤作为增益介质对种子光进行功率放大，借助于棒状光子晶体光纤独特的微结构设计，可在纤芯直径较大的光纤中获得高光束质量的激光。既具有光纤放大系统高的光光转换效率、高的光束质量，又具有固体放大系统高的峰值功率的特点，而且能够对不同种子源提供的种子光进行高效放大。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明一实施例激光放大系统光路结构示意图；
图2为本发明第二实施例中种子光放大后的重复频率波形图；
图3为本发明第二实施例中种子光放大后的脉冲宽度图；
图4为本发明第二实施例中种子光放大后的远程光斑图。
图中：1-种子源，2-45°全反镜，3-半波片，4-偏振片，5-透种子光双色45°全反镜，6-种子光耦合透镜，7-棒状光子晶体光纤，8-泵浦光聚焦镜，9-反种子光双色45°全反镜，10-泵浦光准直镜，11-泵浦源。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
请参见图1，在本发明的第一实施例中，提供一种激光放大系统，包括：
棒状光子晶体光纤7，及分别设置在棒状光子晶体光纤7两端的种子光耦合系统、泵浦光耦合系统。
种子光耦合系统包括种子源1、光学调整组件及种子光耦合透镜6，种子源1提供的种子光经过光学调整组件调整后入射至种子光耦合透镜6，由种子光耦合透镜6将种子光聚焦进入棒状光子晶体光纤7。
泵浦光耦合系统包括泵浦源11及泵浦光耦合组件，泵浦源11提供的泵浦光由泵浦光耦合组件耦合进棒状光子晶体光纤7。棒状光子晶体光纤7作为增益介质，棒状光子晶体光纤7在泵浦光的激励下将种子光放大输出。整体光路结构简洁易实现，易于管理造价低。
可选的，本发明优选实施例中，种子源1提供平均功率≥5W、重复频率≥1MHz、脉冲宽度≥500fs及波长为1030nm～1064nm的种子光。种子光耦合透镜6的焦距为80mm～150mm。棒状光子晶体光纤7的芯径为55μm或85μm、长度为80cm及包层直径为260μm。
可选的，种子光耦合系统还包括：
透种子光双色全反镜，用于将经过光学调整组件调整后的种子光透射至种子光耦合透镜6，及反射来自棒状光子晶体光纤7的泵浦光。在本发明优选实施例中，透种子光双色全反镜为对波长为1030nm～1064nm的种子光透射、对波长为976nm的泵浦光反射的透种子光双色45°全反镜5。
可选的，泵浦光耦合系统还包括：
反种子光双色全反镜，用于反射经过棒状光子晶体光纤7放大后的种子光，及透射泵浦光。优选的，反种子光双色全反镜为对波长为1030nm～1064nm的种子光反射、对波长为976nm的泵浦光透射的反种子光双色45°全反镜9。
可选的，泵浦光耦合组件包括泵浦光准直镜10及泵浦光聚焦镜8；
泵浦光准直镜10将泵浦源11提供的泵浦光准直后透过反种子光双色45°全反镜9入射至泵浦光聚焦镜8，由泵浦光聚焦镜8将准直后的泵浦光耦合进棒状光子晶体光纤7。进而激励增益介质棒状光子晶体光纤7将种子光放大后由反种子光双色45°全反镜9反射输出。
可选的，光学调整组件包括如下器件中的一种或多种：
45°全反镜2，用于反射所述种子源1输出的种子光；
半波片3，用于旋转种子光的偏振方向，半波片3通常也称为二分之一波片；
及起偏器，用于使种子光起偏，优选的，起偏器为偏振片4。
可选的，还包括若干半导体制冷片，用于对种子源进行制冷。在本发明优选实施例中种子源1由2片57W功率半导体制冷片制冷，温度控制在0.2℃内。
请参见图1，在本发明的第二实施例中，提供一种激光放大系统，包括设置在棒状光子晶体光纤7一端的种子源1、45°全反镜2、半波片3、偏振片4、透种子光双色45°全反镜5、种子光耦合透镜6，及设置在棒状光子晶体光纤7另一端的泵浦光聚焦镜8、反种子光双色45°全反镜9、泵浦光准直镜10、泵浦源11。种子源1输出的种子光经过45°全反镜2反射至半波片3，半波片3将种子光的偏振方向旋转后入射至偏振片4，偏振片4将偏振方向旋转后的种子光起偏后透过透种子光双色45°全反镜5入射至种子光耦合透镜6，种子光耦合透镜6将种子光聚焦进入棒状光子晶体光纤7。种子源1由2片57W功率半导体制冷片制冷，温度控制在0.2℃内。
优选的，种子源1是1064nm半导体激光器，经过电调制成1MHz重复频率，经过光纤放大后，输出波长1064nm、功率6W的种子光，种子光脉冲宽度为1.12ns。
通过偏振片4起偏后的种子光透过对1064nm的种子光高透、对976nm的泵浦光高反的透种子光双色45°全反镜5入射至焦距为100mm的种子光耦合透镜6后进入棒状光子晶体光纤7，棒状光子晶体光纤7纤芯直径为85μm，长度为80cm，包层直径为260μm。优选的，本发明实施例中的泵浦源11输出200W功率976nm波长的泵浦光，输出泵浦光光纤芯径为220μm，泵浦光经过焦距为15mm的泵浦光准直镜10准直后透过反种子光双色45°全反镜9入射至泵浦光聚焦镜8，泵浦光聚焦镜8将泵浦光耦合进棒状光子晶体光纤7，从而激励增益介质棒状光子晶体光纤7将种子光高效放大后经过反种子光双色45°全反镜9输出高光束质量、高平均功率、窄脉冲宽度、高峰值功率激光。优选的，当泵浦源11输出976nm波长120W功率的泵浦光时，种子光被放大到50W，放大后的种子光经过对1064nm波长的种子光高反、对976nm波长的泵浦光高透的反种子光双色45°全反镜9反射输出1064nm的激光，测试的1064nm放大光重复频率为1MHz，重复频率波形图如图2所示。
请参见图1，在本发明的第三实施例中，提供一种激光放大系统，包括种子源1，用于提供种子光；45°全反镜2，用于反射种子光；二分之一波片3，旋转种子光偏振方向；偏振片4，使种子光起偏；透种子光双色45°全反镜5，用于透射种子光反射泵浦光；种子光耦合透镜6，将种子光耦合进棒状光子晶体光纤；棒状光子晶体光纤7，用于将种子光高效放大；泵浦光聚焦镜8，适于将泵浦光耦合进棒状光子晶体光纤；反种子光双色45°全反镜9，用于反射种子光透射泵浦光；泵浦光准直镜10，用于将泵浦光准直；泵浦源11，用于提供泵浦光。从种子源1输出的种子光依次经过45°全反镜2、半波片3、偏振片4和透种子光双色45°全反镜5后，被种子光耦合透镜6聚焦进入棒状光子晶体光纤7，在棒状光子晶体光纤7中被高效放大后经过反种子光双色45°全反镜9输出高光束质量、高平均功率、窄脉冲宽度、高峰值功率激光。
优选的，种子源1为重复频率为30MHz，平均功率为5W的1030nm激光，经过棒状光子晶体光纤7后输出3.75W激光，耦合效率达到75％。泵浦源11输出976nm泵浦光180W时，经反种子光双色45°全反镜9反射输出功率104W、波长1030nm的激光，光光转换效率达到57.8％，脉冲峰值功率达到500kW。放大后的脉冲宽度如图3所示，脉冲宽度为6.4ps，远场光斑如图4所示，光束质量M2在X方向为1.176，光束质量M2在Y方向为1.289，说明本发明激光放大系统既能得到高的放大功率，又能得到高的光束质量。
显然，本发明采用新型结构的棒状光子晶体光纤作为增益介质对种子光进行功率放大，借助于棒状光子晶体光纤独特的微结构设计，可在纤芯直径较大的光纤中获得高光束质量的激光。既具有光纤放大系统高的光光转换效率、高的光束质量，又具有固体放大系统高的峰值功率的特点，而且能够对不同种子源提供的种子光进行高效放大。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，比如改换种子源功率、重复频率和脉冲宽度，使用类似的棒状光子晶体光纤放大系统，加大泵浦功率，改变泵浦光的波长以及相应的泵浦光耦合透镜镀膜参数和曲率等参数都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光放大系统，其特征在于，包括：
棒状光子晶体光纤，及分别设置在所述棒状光子晶体光纤两端的种子光耦合系统、泵浦光耦合系统；
所述种子光耦合系统包括种子源、光学调整组件及种子光耦合透镜；所述种子源提供的种子光经过所述光学调整组件调整后入射至所述种子光耦合透镜，由所述种子光耦合透镜将所述种子光聚焦进入所述棒状光子晶体光纤；
所述泵浦光耦合系统包括泵浦源及泵浦光耦合组件；所述泵浦源提供的泵浦光由所述泵浦光耦合组件耦合进所述棒状光子晶体光纤；
所述棒状光子晶体光纤在所述泵浦光的激励下将所述种子光放大输出。
2.如权利要求1所述的激光放大系统，其特征在于，所述种子光耦合系统还包括：
透种子光双色全反镜，用于将经过所述光学调整组件调整后的种子光透射至所述种子光耦合透镜，及反射来自所述棒状光子晶体光纤的泵浦光。
3.如权利要求1所述的激光放大系统，其特征在于，所述泵浦光耦合系统还包括：
反种子光双色全反镜，用于反射经过所述棒状光子晶体光纤放大后的种子光，及透射泵浦光。
4.如权利要求3所述的激光放大系统，其特征在于，所述泵浦光耦合组件包括泵浦光准直镜及泵浦光聚焦镜；
所述泵浦光准直镜将所述泵浦源提供的泵浦光准直后透过所述反种子光双色全反镜入射至所述泵浦光聚焦镜，由所述泵浦光聚焦镜将准直后的泵浦光耦合进所述棒状光子晶体光纤。
5.如权利要求1所述的激光放大系统，其特征在于，所述光学调整组件包括如下器件中的一种或多种：
45°全反镜，用于反射所述种子源输出的种子光；
半波片，用于旋转种子光的偏振方向；及
起偏器，用于使种子光起偏。
6.如权利要求1所述的激光放大系统，其特征在于，所述种子源提供平均功率≥5W、重复频率≥1MHz、脉冲宽度≥500fs及波长为1030nm～1064nm的种子光。
7.如权利要求1所述的激光放大系统，其特征在于，所述种子光耦合透镜的焦距为80mm～150mm。
8.如权利要求1所述的激光放大系统，其特征在于，所述棒状光子晶体光纤的芯径为55μm或85μm、长度为80cm及包层直径为260μm。
9.如权利要求5所述的激光放大系统，其特征在于，所述起偏器为偏振片。
10.如权利要求1所述的激光放大系统，其特征在于，还包括若干半导体制冷片，用于对所述种子源进行制冷。
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