CN108681095A - 脉冲压缩器及飞秒脉冲激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉冲压缩器及采用该脉冲压缩器的飞秒脉冲激光器，该脉冲压缩器包括衍射光栅、导光单元和平面反射镜组，入射光经导光单元反射至衍射光栅后被展宽为线形光，在平面反射镜组与衍射光栅的配合下，线形光经过多次光栅衍射后收缩为点光，并输出至导光单元形成出射光。采用反射式单衍射光栅与平面反射镜组配合，可以使脉冲展宽器中引入的色散可以被补偿，调整平面反射镜组与衍射光栅之间的距离可以调整补偿色散的大小，使输出脉冲的脉宽被压缩至最短，实现低重频、高能量、高峰值功率的飞秒脉冲激光输出，可有效降低飞秒脉冲激光器的调节难度，简化飞秒脉冲激光器的结构，缩小飞秒脉冲激光器的体积。

Description

脉冲压缩器及飞秒脉冲激光器

技术领域

本发明属于激光器技术领域，尤其涉及飞秒激光器，具体涉及一种脉冲压缩器及采用该脉冲压缩器的飞秒脉冲激光器。

背景技术

高脉冲能量、高峰值功率的飞秒脉冲光纤激光器在工业精密加工等领域都有非常重要的应用。采用啁啾脉冲放大实现的飞秒光纤激光器拥有更小的体积，更易于系统调节，但是采用常规方法实现的啁啾脉冲放大系统仍存在一些弊端，如包括以下问题：

(1)常规的激光器中脉冲展宽器是利用一对光栅来实现的，两光栅之间存在相差，需要进行相位修正，调节难度大而且增加系统的复杂程度；

(2)常规的激光器中功率主放大级采用的增益光纤为大模场双包层光纤，泵浦光吸收效率偏低，由于光纤结构的限制使其难以在实现高功率激光输出的同时保证输出激光的模式分布，导致在较高功率条件下输出激光的光束质量较差，影响实际使用效果；

(3)常规的激光器中的脉冲压缩器是利用一对光栅来实现的，要想实现较好的压缩效果，必须保证光栅之间保持极高的平行度，调节难度大而且增加系统的复杂程度，不利于系统的长期稳定性。

发明内容

本发明实施例涉及一种脉冲压缩器及采用该脉冲压缩器的飞秒脉冲激光器，至少可解决现有技术的部分缺陷。

本发明实施例涉及一种脉冲压缩器，包括衍射光栅、导光单元和平面反射镜组，入射光经所述导光单元反射至所述衍射光栅后被展宽为线形光，在所述平面反射镜组与所述衍射光栅的配合下，所述线形光经过多次光栅衍射后收缩为点光，并输出至所述导光单元形成出射光。

作为实施例之一，所述平面反射镜组包括第一折叠镜和第二折叠镜；

所述线形光被反射至所述第一折叠镜，经所述第一折叠镜反射后光路折返至所述衍射光栅进行二次衍射，

二次衍射光被反射至所述第二折叠镜，经所述第二折叠镜反射后光路折返至所述衍射光栅进行三次衍射，

三次衍射光被反射至所述第一折叠镜，经所述第一折叠镜反射后光路折返至所述衍射光栅进行四次衍射，

四次衍射光被反射至所述导光单元形成所述出射光，且与所述入射光传输方向相逆。

作为实施例之一，所述导光单元为导光反射镜，用于入射光的导入和出射光的导出。

本发明实施例涉及一种飞秒脉冲激光器，包括通过激光光路依次连接的飞秒种子源、脉冲展宽器、脉冲功率放大机构及脉冲压缩器，所述脉冲压缩器采用如上所述的脉冲压缩器。

作为实施例之一，所述脉冲展宽器包括保偏光纤。

作为实施例之一，所述脉冲功率放大机构包括功率主放大器，所述功率主放大器包括第一泵浦模块和第一增益光纤，所述第一增益光纤为保偏光子晶体光纤。

作为实施例之一，所述脉冲功率放大机构还包括频率调制器和至少一级脉冲预放大器，所述频率调制器布置于其中相邻的两级脉冲预放大器之间或布置于末级脉冲预放大器与所述功率主放大器之间。

作为实施例之一，各所述脉冲预放大器均包括第二泵浦模块和第二增益光纤，各所述第二增益光纤均为保偏光纤。

作为实施例之一，所述频率调制器为声光调制器，其调制范围为100KHZ～5MHZ。

作为实施例之一，所述飞秒种子源包括基于半导体可饱和吸收镜的被动锁模光纤激光器。

本发明实施例至少具有如下有益效果：

本发明提供的脉冲压缩器，采用反射式单衍射光栅与平面反射镜组配合，由于衍射光栅的特性，当激光以特定角度入射到光栅表面时，由于激光中长波长成分和短波长成分的衍射角度不同，经第一次衍射后，光斑由点展宽为线形，而经过多次衍射后，最终光斑又由线收缩为点并输出，在这一过程中由于长波长成分和短波长成分的分离，使不同波长成分在脉冲压缩器内传输不同的光程，在前工序光纤脉冲展宽器中引入的色散可以被补偿，而且通过平面反射镜组与衍射光栅之间的距离，可以调整补偿色散的大小，当二者距离调整至最佳时，输出脉冲的脉宽可被压缩至最短，从而实现飞秒脉冲激光器低重频、高能量、高峰值功率的飞秒脉冲激光输出。基于该脉冲压缩器，可以有效地降低飞秒脉冲激光器的调节难度，简化飞秒脉冲激光器的结构，有利于缩小飞秒脉冲激光器的体积。

本发明实施例进一步具有如下有益效果：

本发明提供的飞秒脉冲激光器，采用全光纤结构，可以实现低重频、高能量、高峰值功率以及高光束质量的飞秒脉冲激光输出；同时有效减小激光器系统的体积、降低调节难度、降低成本、提高工作稳定性，有利于实现批量产品化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的脉冲压缩器的结构及光路示意图；其中，

1(a)为入射至第二折叠镜之前的激光光路示意图；1(b)为入射至第二折叠镜之后的激光光路示意图；1(c)为1(a)和1(b)中第二折叠镜的平视图；

图2为本发明实施例提供的飞秒脉冲激光器的结构及光路示意图；

图3为本发明实施例三提供的飞秒脉冲激光器输出激光的光谱图；

图4为本发明实施例三提供的飞秒脉冲激光器输出激光的光斑特性示意图；

图5为本发明实施例三提供的飞秒脉冲激光器输出激光的自相关曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。

实施例一

如图1，本发明实施例提供一种脉冲压缩器7，一般用于压缩高能量宽脉冲的激光脉宽，该脉冲压缩器7包括衍射光栅71、导光单元72和平面反射镜组，入射光经所述导光单元72反射至所述衍射光栅71后被展宽为线形光，在所述平面反射镜组与所述衍射光栅71的配合下，所述线形光经过多次光栅衍射后收缩为点光，并输出至所述导光单元72形成出射光。易于理解地，上述衍射光栅71为反射式衍射光栅71，上述平面反射镜组的作用在于与衍射光栅71配合以形成合适的光路，将衍射光栅71反射出来的衍射光再反射至该衍射光栅71处，从而使线形光经多次衍射，而且保证最后一次衍射的方式为使线形光收缩为点光并输出。

本实施例提供的脉冲压缩器7，采用反射式单衍射光栅71与平面反射镜组配合，由于衍射光栅71的特性，当激光以特定角度入射到光栅表面时，由于激光中长波长成分和短波长成分的衍射角度不同，经第一次衍射后，光斑由点展宽为线形，而经过多次衍射后，最终光斑又由线收缩为点并输出，在这一过程中由于长波长成分和短波长成分的分离，使不同波长成分在脉冲压缩器7内传输不同的光程，在前工序光纤脉冲展宽器2中引入的色散可以被补偿，而且通过调节平面反射镜组与衍射光栅71之间的距离，可以调整补偿色散的大小，当二者距离调整至最佳时，输出脉冲的脉宽可被压缩至最短，从而实现飞秒脉冲激光器低重频、高能量、高峰值功率的飞秒脉冲激光输出，其中，可以通过自相关仪检测实时输出脉宽，调节平面反射镜组与衍射光栅71之间的距离，从而达到输出脉宽最小的目的。基于该脉冲压缩器7，可以有效地降低飞秒脉冲激光器的调节难度，简化飞秒脉冲激光器的结构，有利于缩小飞秒脉冲激光器的体积。

在本实施例中，通过上述反射式单衍射光栅71与平面反射镜组配合，实现入射光的四次光栅衍射，具体地：

如图1，作为优选地实施方式，所述平面反射镜组包括第一折叠镜73和第二折叠镜74；所述线形光被反射至所述第一折叠镜73，经所述第一折叠镜73反射后光路折返至所述衍射光栅71进行二次衍射，二次衍射光被反射至所述第二折叠镜74，经所述第二折叠镜74反射后光路折返至所述衍射光栅71进行三次衍射，三次衍射光被反射至所述第一折叠镜73，经所述第一折叠镜73反射后光路折返至所述衍射光栅71进行四次衍射，四次衍射光被反射至所述导光单元72形成所述出射光，且与所述入射光传输方向相逆。其中，上述第一折叠镜73和第二折叠镜74均是采用两个平面反射镜以一定的角度装配构成，优选为折叠角度为90°(即两个平面反射镜之间的交角)，且平面反射镜与对应的入射光线之间的交角为45°，从而，入射至折叠镜的衍射光与该折叠镜的出射光之间平行且逆向；通过第一折叠镜73与第二折叠镜74的位置设计，使得第二折叠镜74前后光路互为逆向，具体地，该第二折叠镜74的入射衍射光与出射光之间平行且相逆，三次衍射光与第一折叠镜73的出射光平行且相逆，三次衍射光经第一折叠镜73反射后的出射光与上述线形光平行且相逆，四次衍射光的传输不再赘述。在第四次衍射过程中，由于是逆向光路，使得最终光斑又由线形收缩为点形，实现激光输出脉冲的脉宽压缩。

如图1，以衍射光栅71与水平面具有一夹角为例：第一折叠镜73中，供一次衍射光入射的镜面与水平面具有一夹角α，另一镜面与水平面的夹角为(90-α)；第二折叠镜74的两个镜面则平行于竖向。通过第一折叠镜73与第二折叠镜74的位置的调节，在实现上述光路传输的同时，可以通过二者与衍射光栅71之间的距离的控制，达到调整补偿色散大小、使输出脉冲的脉宽被压缩至最短的效果。

进一步地，所述导光单元72为导光反射镜，用于入射光的导入和出射光的导出，即入射光的导入与出射光的导出共用一块平面反射镜，结构简单。

本实施例中，上述衍射光栅71采用1200线/mm的反射型衍射光栅71，衍射效率≥90％；两个折叠镜的反射波长优选为在1035±5nm范围内，反射效率≥99％；上述导光反射镜的反射波长优选为在1035±5nm范围内，反射效率≥99％。

实施例二

如图2，本发明实施例提供一种飞秒脉冲激光器，包括通过激光光路依次连接的飞秒种子源1、脉冲展宽器2、脉冲功率放大机构及脉冲压缩器7，所述脉冲压缩器7采用上述实施例一所提供的脉冲压缩器7。其中：

飞秒种子源1用于产生低功率的脉冲激光。优选地，该飞秒种子源1包括基于半导体可饱和吸收镜13的被动锁模光纤激光器，可实现小功率、高重频的飞秒种子脉冲输出；该基于半导体可饱和吸收镜13的被动锁模光纤激光器主要包括种子泵浦模块11、种子增益光纤12和半导体可饱和吸收镜13，该三组成部分之间的连接关系是现有技术，此处不作赘述；进一步优选地，该种子增益光纤12为保偏光纤，进一步可采用单模保偏掺镱光纤，其具有高的泵浦吸收效率，而且保持单模输出，具有较高的光束质量。本实施例中，作为优选，上述基于半导体可饱和吸收镜13的被动锁模光纤激光器的输出功率为10±2mw，脉宽300fs，频率为45±5MHZ，中心波长为1035±5nm；上述种子泵浦模块11为976nm半导体激光器，上述种子增益光纤12对976nm泵浦吸收为5.1dB/m；上述半导体可饱和吸收镜13包含1040nm饱和吸收体，其调制深度为8％；基于上述参数，可获得较好的小功率、高重频的飞秒种子脉冲输出效果；而且，由于上述基于半导体可饱和吸收镜13的被动锁模光纤激光器为全光纤结构，具有结构简单且易于光纤耦合等优点。

上述脉冲展宽器2主要用于对种子源1输出脉冲展宽，降低其峰值功率，即将飞秒种子源1产生的低功率飞秒脉冲激光展宽为宽脉冲激光。该脉冲展宽器2可以采用常规的双光栅式展宽器，而作为优选的实施例，所述脉冲展宽器2包括保偏光纤，在保偏光纤的色散补偿作用下可实现脉冲的展宽，在本实施例中，采用一段较长的单模保偏光纤，不附加任何光学器件即可实现种子脉冲的展宽，采用保偏光纤实现脉冲展宽，可有效降低飞秒脉冲激光器的调节难度，简化飞秒脉冲激光器的结构，缩小激光器体积，减少空间光器件的使用，提高飞秒脉冲激光器的长期稳定性，有利于实现批量产品化。

上述脉冲功率放大机构用于放大宽脉冲为高能量宽脉冲。如图2，所述脉冲功率放大机构包括功率主放大器6，该功率主放大器6用于实现脉冲功率的放大，提高飞秒脉冲激光器输出的脉冲激光的平均功率；优选地，所述功率主放大器6包括第一泵浦模块62和第一增益光纤61，所述第一增益光纤61为保偏光子晶体光纤，其具有高的泵浦吸收效率，而且由于其结构的特殊性，在具有大模场直径的同时保持单模输出，能够在减小非线性效应的同时获得较高的光束质量，因此在高功率情况下保持近单模输出，使得输出激光保持高光束质量。在本实施例中，该第一泵浦模块62为976nm半导体激光器，该第一增益光纤61为掺镱光子晶体光纤，对976nm泵浦吸收为10dB/m。

进一步优选地，如图2，所述脉冲功率放大机构还包括频率调制器4和至少一级脉冲预放大器，所述频率调制器4布置于其中相邻的两级脉冲预放大器之间或布置于末级脉冲预放大器与所述功率主放大器6之间；本实施例中，优选地，采用两级脉冲预放大器，频率调制器4位于两级脉冲预放大器之间，其中：第一级脉冲预放大器3用于对展宽的脉冲进行初步放大，提高其功率；频率调制器4用于降低种子源1输出脉冲频率，以提高最终输出脉冲的单脉冲能量；第二级脉冲预放大器5用于放大降频后的一级预放输出脉冲，提高功率，以保证其满足功率主放大器6对于种子功率的要求，避免因为种子功率过低导致功率主放大器6中ASE过强而降低激光器效率。进一步地，各所述脉冲预放大器均包括第二泵浦模块和第二增益光纤，各所述第二增益光纤均为保偏光纤，进一步优选为采用保偏单模掺镱光纤；上述第二泵浦模块优选为采用976nm半导体激光器，上述第二增益光纤对976nm泵浦吸收为10dB/m；上述的频率调制器4优选为采用声光调制器，其调制范围为100KHZ～5MHZ。

本实施例中，基于：(1)飞秒种子源1的种子增益光纤12为单模保偏掺镱光纤；(2)脉冲展宽器2采用单模保偏光纤；(3)脉冲功率放大机构中的各脉冲预放大器的第二增益光纤均为保偏单模掺镱光纤；(4)脉冲功率放大机构中的功率主放大器6的第一增益光纤61为保偏光子晶体光纤；可以实现高功率放大，并保持好的光束质量。而对于各保偏光纤所引起的色散可在后续的脉冲压缩器7中被补偿，保证高质量的光束输出。

本实施例提供的飞秒脉冲激光器，采用全光纤结构，可以实现低重频、高能量、高峰值功率以及高光束质量的飞秒脉冲激光输出；同时有效减小激光器系统的体积、降低调节难度、降低成本、提高工作稳定性，有利于实现批量产品化。

另外，上述脉冲放大机构的每相邻两级放大器之间都设有光隔离器8，以防止回返光对前一级放大器造成损伤。如图2，第一级脉冲预放大器3与频率调制器4之间以及第二级脉冲预放大器5与功率主放大器6之间都设有一光隔离器8。

实施例三

以下为一飞秒脉冲激光器的具体实施方式，实际实施效果较佳：

飞秒种子源1由种子泵浦源11对种子增益光纤12进行泵浦，由半导体可饱和吸收镜13的作用实现锁模，输出种子激光的平均功率12mw、频率50MHZ、脉宽300fs、中心波长1040nm；

经展宽器2后，激光的脉冲展宽至600ps，平均输出功率0.6mw；

经第一级脉冲预放大器3的第二泵浦源31注入976nm泵浦功率700mw，其第二增益光纤32长度为4m，实现平均功率400mw激光输出，频率50MHZ；

经频率调制器4对一级预放输出进行降频处理，调整脉冲频率至200KHZ，平均功率降低至200uw；

经第二级脉冲预放大器5的第二泵浦源51注入976nm泵浦功率200mw，其第二增益光纤52的长度为2.5m，实现平均功率15mw激光输出，频率200KHZ；

经功率主放大器6的第一泵浦源62注入976nm泵浦功率30w，第一增益光纤61为40/200光子晶体光纤，实现17w脉冲激光输出；

最终经过脉冲压缩器7中的色散补偿，实现了平均功率10w、重复频率200KHZ、脉宽301fs的激光输出，单脉冲能量为50uj，脉冲峰值功率约1.4mw。

如图3-图5，示出了上述飞秒脉冲激光器输出激光的光谱、光斑特性以及输出脉冲的自相关曲线。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脉冲压缩器，其特征在于：包括衍射光栅、导光单元和平面反射镜组，入射光经所述导光单元反射至所述衍射光栅后被展宽为线形光，在所述平面反射镜组与所述衍射光栅的配合下，所述线形光经过多次光栅衍射后收缩为点光，并输出至所述导光单元形成出射光。

2.如权利要求1所述的脉冲压缩器，其特征在于：所述平面反射镜组包括第一折叠镜和第二折叠镜；

所述线形光被反射至所述第一折叠镜，经所述第一折叠镜反射后光路折返至所述衍射光栅进行二次衍射，

二次衍射光被反射至所述第二折叠镜，经所述第二折叠镜反射后光路折返至所述衍射光栅进行三次衍射，

三次衍射光被反射至所述第一折叠镜，经所述第一折叠镜反射后光路折返至所述衍射光栅进行四次衍射，

四次衍射光被反射至所述导光单元形成所述出射光，且与所述入射光传输方向相逆。

3.如权利要求2所述的脉冲压缩器，其特征在于：所述导光单元为导光反射镜，用于入射光的导入和出射光的导出。

4.一种飞秒脉冲激光器，包括通过激光光路依次连接的飞秒种子源、脉冲展宽器、脉冲功率放大机构及脉冲压缩器，其特征在于：所述脉冲压缩器采用如权利要求1至3中任一项所述的脉冲压缩器。

5.如权利要求4所述的飞秒脉冲激光器，其特征在于：所述脉冲展宽器包括保偏光纤。

6.如权利要求4所述的飞秒脉冲激光器，其特征在于：所述脉冲功率放大机构包括功率主放大器，所述功率主放大器包括第一泵浦模块和第一增益光纤，所述第一增益光纤为保偏光子晶体光纤。

7.如权利要求6所述的飞秒脉冲激光器，其特征在于：所述脉冲功率放大机构还包括频率调制器和至少一级脉冲预放大器，所述频率调制器布置于其中相邻的两级脉冲预放大器之间或布置于末级脉冲预放大器与所述功率主放大器之间。

8.如权利要求7所述的飞秒脉冲激光器，其特征在于：各所述脉冲预放大器均包括第二泵浦模块和第二增益光纤，各所述第二增益光纤均为保偏光纤。

9.如权利要求7所述的飞秒脉冲激光器，其特征在于：所述频率调制器为声光调制器，其调制范围为100KHZ～5MHZ。

10.如权利要求4所述的飞秒脉冲激光器，其特征在于：所述飞秒种子源包括基于半导体可饱和吸收镜的被动锁模光纤激光器。