CN109273974B - 一种宽重频可调高功率超短脉冲光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的就是要提供一种可调高功率超短脉冲光纤激光器，采用短谐振腔结构的被动锁模光纤激光器产生高重复频率的超短脉冲激光信号，将此信号通过两级预放大部分进行功率提升，进入声光选脉冲模块实现一级选脉冲，初步实现脉冲重复频率可调，输出信号再经过预放大进入第二个声光选脉冲模块进行二级选脉冲，大幅度增加频率可调节范围；此时输出的信号通过预放大与两级主放大的MOPA结构，对重频调节后的低功率超短脉冲激光信号放大到高功率后输出，从而获得宽重复频率范围可调的高功率超短脉冲光纤激光器。

Description

一种宽重频可调高功率超短脉冲光纤激光器

技术领域：

本发明涉及一种激光器，特别是一种宽重频可调高功率超短脉冲光纤激光器。

背景技术：

激光器在人们的现代工作生活中的作用越来越重要，具有具大的经济价值及社会效益。高功率超短脉冲光纤激光器具有光束质量好、效率高、散热性能好，结构紧凑、柔软性操作、无需维护等优点，在工业制造加工、能源勘探、医疗卫生、军事国防和遥感测量等领域获得广泛的应用，获得研究人员的关注。目前获得高功率超短脉冲光纤激光器的主要方法是通过增益开关型、主动锁模、和被动锁模方法获得低功率的种子源，然后通过种子光主振荡功率放大（MOPA, master oscillator power amplifier）技术，实现高脉冲能量、高峰值功率与平均功率的激光信号输出。

上述方法中增益开关型超短脉冲光纤激光器种子源是通过驱动电路产生脉冲电信号，此电信号调制半导体激光器二极管，获得超短脉冲激光输出，这种方法获得的超短脉冲宽度受限于脉冲电路；另外，其重复频率虽然可调，但所能达到的最大重复频率有限。主动锁模的方法是在谐振腔中增加声光、电光等有源调制器件，因此脉冲宽度会受到电学带宽限制并且系统庞大复杂，其重复频率可调节范围也非常低；被动锁模方法是采用可饱和吸收体，利用其非线性饱和吸收特性获得超短脉冲，可实现非常短的脉冲输出，但其重复频率由谐振腔的腔长决定，腔内不能调节。

因此，如何来提供一种宽重频范围的可调高功率超短脉冲光纤激光器，是当前的激光器技术领域的一个现实问题。

发明内容：

本发明的目的就是要提供一种可调高功率超短脉冲光纤激光器，采用短谐振腔结构的被动锁模光纤激光器产生高重复频率的超短脉冲激光信号，将此信号通过两级预放大部分进行功率提升，进入声光选脉冲模块实现一级选脉冲，初步实现脉冲重复频率可调，输出信号再经过预放大进入第二个声光选脉冲模块进行二级选脉冲，大幅度增加频率可调节范围；此时输出的信号通过预放大与两级主放大的MOPA结构，对重频调节后的低功率超短脉冲激光信号放大到高功率后输出，从而获得宽重复频率范围可调的高功率超短脉冲光纤激光器。

本发明的提供的一种宽重频可调高功率超短脉冲光纤激光器，采用线性短腔结构，包括主放大系统、超短脉冲光纤激光器种子源系统、一级选脉冲系统和二级选脉冲系统，其所述主放大系统包括一一级放大部和一二级放大部；所述一级放大部包括由两多模泵浦激光器、(2+1)x1光合束器、双包层增益光纤及光隔离器；两多模泵浦激光器分别连接于(2+1)x1光合束器的一端上，(2+1)x1光合束器的另一端连接于双包层增益光纤，双包层增益光纤与光隔离器相连接；所述二级放大部包括多模泵浦激光器、(6+1)x1光合束器、双包层增益光纤、泵浦泄漏器、光隔离器和输出端帽组成；所述(6+1)x1光合束器一端和多模泵浦激光器及光隔离器相连接，另一端顺序连接双包层增益光纤、泵浦泄漏器、光隔离器和输出端帽。

所述超短脉冲光纤激光器种子源系统包括SESAM锁模模块，增益光纤、啁啾光纤布拉格光栅、光隔离器和单模泵浦激光器及其驱动电路组成；其中SESAM锁模模块由可饱和吸收体SESAM、偏振片 、光学滤波片和光纤准直器组成；所述单模泵浦激光器及光隔离器连接于SESAM锁模模块的光纤准直器。

优选的，是所述一级选脉冲系统包括一级预放大装置和一级选脉冲装置；所述一级预放大装置由单模泵浦激光器、波分复用器、增益光纤和光隔离器组成；所述波分复用器一端连接于光隔离器及单模泵浦激光器，另一端则连接增益光纤的一端，增益光纤另一端连接于光隔离器的一端；

所述一级选脉冲装置由单模泵浦激光器、波分复用器、增益光纤和光隔离器及声光选脉冲模块组成；波分复用器的一端分别连接于一级预放大装置的光隔离器一端及单模泵浦激光器，另一端连接于增益光纤，增益光纤另一端连接于声光选脉冲模块，声光选脉冲模块的另一端再连接于光隔离器一端上。

优选的，是所述二级选脉冲系统同样包括一二级预放大装置和一二级选脉冲装置，所述二级选脉冲系统的二级预放大装置和所述一级选脉冲系统的一级预放大装置的结构相对应；所述二级选脉冲系统的二级选脉冲装置和所述一级选脉冲系统的一级选脉冲装置的结构相对应。

进一步的，是所述多模泵浦激光器采用915或976 nm波长的多模半导体激光器。

优选的，是所述单模泵浦激光器的驱动电路包括温控电路和恒流电路。

本发明公开一种宽重频范围可调高功率超短脉冲光纤激光器，包括高重复频率超短脉冲种子源系统部分、一级脉冲选择系统部分、二级脉冲选择系统部分、一级主放大装置与二级主放大装置。所述的高重复频率超短脉冲种子源部分包含单模半导体泵浦激光器及其驱动电路、集成波分复用功能的SESAM锁模模块、刻有布拉格光栅的掺杂增益光纤、输出光隔离器；一级、二级选脉冲系统是由声光调制器和其对应的功率预放大部分组成，功率预放大部分包含两级预放大，由单模半导体泵浦激光器及其驱动电路、光波分复用器、增益光纤与隔离器构成；一级、二级主放大装置是由多个多模半导体激光器及其驱动电路、合束器和双包层增益光纤组成。本发明的宽重频范围可调高功率超短脉冲光纤激光器能有效拓宽此类光纤激光器在激光材料加工、传感测量等领域的应用范围。

本发明采用上述结构其具有以下优点：一是、本发明光纤准直器尾纤采用一段高掺杂增益光纤，有效减短激光器谐振腔腔长，获得高重复频率超短脉冲。 二是、本发明光纤准直器集成了波分复用的功能，可耦合进入泵浦光，减少谐振腔内元器件数量，腔长进一步减短；三是、本发明布拉格光栅刻在掺杂增益光纤的一端，谐振腔长度得到更大程度的减短。四是、本发明采用两个声光调制器级联进行脉冲选择，有效的增宽了输出超短脉冲重复频率的调节范围。五是、本发明的锁模部件SESAM进行了模块化封装，整个系统结构紧凑，插入损耗降低，系统可靠性得到有效的提升。

附图说明：

图1，所示为本发明各部件结构框架连接示意图，

图中，1、可饱和吸收体SESAM，2、偏振片，3、光学滤波片，4、光纤准直器，5、SESAM锁模模块或叫锁模模块，6、601、602、603、604、增益光纤，7、啁啾光纤布拉格光栅，8、801、802、803、804、805、806、光隔离器，9、901、902、903、波分复用器， 1001、1002、1003、1004、多模泵浦激光器，11、(2+1)x1光合束器，12、1201、双包层增益光纤，13、(6+1)x1光合束器，14、泵浦泄漏器，15、输出帽端，16、1601、声光选脉冲模块，20、2001、2002、2003、2004、单模泵浦激光器，40、主放大系统，41、超短脉冲光纤激光器种子源系统或叫种子源系统，42、一级预放大装置，4201、二级预放大装置，43、一级选脉冲装置，4301、二级选脉冲装置。

具体实施方式：

下面根据具体实施例及附图对发明作进一步的详细说明。

本发明的本发明应用的技术方案是：

本发明的一种宽重频可调高功率超短脉冲光纤激光器，采用线性短腔结构，包括主放大系统40、超短脉冲光纤激光器种子源系统41、一级选脉冲系统和二级选脉冲系统，其所述主放大系统40包括一一级放大部和一二级放大部；所述一级放大部包括由两多模泵浦激光器1001、1002、(2+1)x1光合束器11、双包层增益光纤12及光隔离器805；两多模泵浦激光器（1001、1002）分别连接于(2+1)x1光合束器11的一端上，(2+1)x1光合束器11的另一端连接于双包层增益光纤12，双包层增益光纤12与光隔离器805相连接；所述二级放大部包括多模泵浦激光器1003、1004、(6+1)x1光合束器13、双包层增益光纤1201、泵浦泄漏器14、光隔离器806和输出端帽15组成；所述(6+1)x1光合束器13一端和多模泵浦激光器1003、1004及光隔离器805相连接，另一端顺序连接双包层增益光纤1201、泵浦泄漏器14、光隔离器806和输出端帽15；即双包层增益光纤1201一端连接于泵浦泄漏器14一端，泵浦泄漏器14另一端则连接于光隔离器806一端，光隔离器806另一端则连接于输出端帽15上。

本发明结构包括单模半导体泵浦激光器及其驱动电路、集成波分复用功能的SESAM锁模模块、刻有布拉格光栅的掺杂增益光纤、输出光隔离器。SESAM锁模模块5的光纤准直器4集成了波分复用的功能，并且其尾纤是一段在另外一端刻有布拉格光栅的掺杂增益光纤或叫增益光纤6，这两者用以减小激光器的谐振腔腔长实现高重复频率的激光输出。

本发明的高重复频率超短脉冲光纤激光器种子源的增益光纤布拉格光栅的输出透射百分比可对输出功率进行调节，其透射百分比需与增益光纤的参数相配合。增益光纤布拉格光栅可刻成啁啾型用以补偿谐振腔内色散，实现超短脉冲输出；光栅的滤波作用可有效控制输出激光的中心波长及带宽，降低噪声。系统中含有波分复用功能的光纤准直器与SESAM锁模部件进行了模块化封装，有效减少系统空间尺寸及增加稳定性。

本发明超短脉冲光纤激光器种子源采用高掺杂浓度的掺Yb增益光纤，保证较短的增益光纤长度实现超短脉冲，可间接减小腔内色散、非线性与衰减，但需与腔内其它参数匹配实现超短脉冲的优化输出。SESAM锁模部件是利用其非线性饱和吸收特性获得超短脉冲激光输出，为了给其进行散热处理，一般采用铜或铝等散热材料作为基座。

本发明的超短脉冲光纤激光器种子源功率预放大部分包括两级预放大。此两级预放大部分与选脉冲部分的预放大都包括单模泵浦激光器及驱动电路、增益光纤、低功率隔离器和波分复用器，主要是为了将脉冲功率放大到合适进入声光调制器和主放大部分的功率等级；多级预放大、低功率隔离器可有效抑制自发辐射，提高输出信号质量。

本发明超短脉冲种子源的恒温恒流驱动电路包括温控电路和恒流电路，两级主放大部分主要包括多模泵浦激光器及其驱动电路、光纤合束器、双包层增益光纤、高功率光隔离器、泵浦泄漏器和输出光纤端帽。温控电路、恒流电路、主放大光路部分与现有技术相同，此处不赘述。系统各部分元器件皆为保偏元器件（除主放大部分），确保系统免受环境干扰，并实现低阈值自启动的超短脉冲光纤激光器。

本发明的一级与二级选脉冲部分主要由声光调制器及其驱动电路构成，通过改变分频系数可对输入超短脉冲信号的重复频率进行调节，工作过程中是由声光调制器的驱动电路提取一部分脉冲光信号对其分析后发出同步信号进行选脉冲，从而保证信号的一致性。两级选脉冲部分后面都含有一级预放大部分，用来提升选脉冲后较低的激光信号功率。

本发明的高功率超短脉冲光纤激光器的选脉冲部分采用了两级声光调制器与预放大部分构成，主要是因为系统采用短谐振腔长结构，其重复频率高，一级选脉冲部分对重复频率的降低非常有限，两级选脉冲部分很大程度的提升了此高功率超短脉冲激光器重复频率的调节范围，实现宽调节范围的重复频率；如腔重频为1 GHz，单个声光调制器的最大分频系数为1000，两级选脉冲可实现1 kHz- 1 GHz宽范围重复频率的调节。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。如图1所示，本发明的超短脉冲光纤激光器种子源系统41采用线性短腔结构，包括SESAM锁模模块5，增益光纤6、啁啾光纤布拉格光栅7、输出光隔离器8和单模泵浦激光器20及其驱动电路。其中SESAM锁模模块5由可饱和吸收体SESAM 1、偏振片 2、光学滤波片 3和光纤准直器4组成；所述单模泵浦激光器20及光隔离器8连接于SESAM锁模模块5的光纤准直器4。单模泵浦激光器20驱动电路包括温控电路和恒流电路，与现有技术相同，此处不赘述。

本发明的锁模模块5集成了波分复用的功能，光纤准直器4复用980 nm的泵浦光进入谐振腔；光学滤波片3透射信号光如1064 nm,对980 nm的泵浦光具有反射作用；偏振片2对信号光进行起偏；这种集成波分复用功能的锁模模块减少了谐振腔结构中器件数量，有效缩短了谐振腔长度并减少了腔的衰减。

本发明的增益光纤6一端连接光纤准直器4，作为光纤准直器4的尾纤；另外一端刻有啁啾光纤布拉格光栅7；增益光纤6是采用一段较短的高掺杂浓度的增益光纤，因此有效减短了种子源谐振腔的腔长，增加锁模脉冲激光的重复频率，并且可较好的控制谐振腔的色散。

本发明的啁啾光纤布拉格光栅7可补偿激光器种子源谐振腔中的色散，获得超短脉冲信号；啁啾光纤布拉格光栅7的带宽宽度，决定参与锁模的光谱宽度，并有效抑制其他波长噪声在腔内振荡，提高整个系统稳定性；啁啾光纤布拉格光栅7部分透射可作为种子源的输出耦合镜。

本发明的一级选脉冲系统包括一级预放大装置42和一级选脉冲装置43，一级预放大装置42由单模泵浦激光器2001、波分复用器9、增益光纤601和光隔离器801组成；所述波分复用器9一端连接于光隔离器8及单模泵浦激光器2001，另一端则连接增益光纤601的一端，增益光纤601另一端连接于光隔离器801的一端；

一级选脉冲装置43由单模泵浦激光器2002、波分复用器901、增益光纤602、声光选脉冲模块16和光隔离器802组成；波分复用器901的一端分别连接于一级预放大装置42的光隔离器801一端及单模泵浦激光器2002，另一端连接于增益光纤602。采用预放大结构可提供足够高的光功率进入声光选脉冲模块16，使声光选脉冲模块在低重频时有足够的功率进入下一级选脉冲装置4301。

本发明的二级选脉冲系统也包括二级选脉冲装置4301和二级预放大装置4201，所述的二级选脉冲系统的二级选脉冲装置4301由单模泵浦激光器2003、波分复用器902、增益光纤603、声光选脉冲模块1601和光隔离器803组成；二级预放大部分4201由单模泵浦激光器2004、波分复用器903、增益光纤604和光隔离器804组成；信号在通过二级选脉冲装置后，由二级选脉冲系统的二级预放大装置4201部分进行二级预防大，可有效提高选脉冲后低重频时的功率，然后再进入主放大系统。

本发明采用两级选脉冲系统，在短谐振腔腔长实现高重复频率的前提条件下，一级和二级选脉冲分频，可有效提高超短脉冲光纤激光器重复频率的调节范围，两级声光选脉冲模块能较好抑制受激自发辐射对输出信号的影响。

本发明的预放大与选脉冲装置42、43、4201和4301采用多级预放大结构，能有效减少放大自发辐射噪声和抑制非线性效用，同时也可提供足够脉冲信号光进入声光选脉冲模块和主放大部分；光隔离器801、802、803和804可有效抑制后向自发辐射放大。

本发明的主放大系统40包括一级主放大部和二级主放大部，一级主放大部由高功率多模泵浦激光器1001和1002、(2+1)x1光合束器11、双包层增益光纤12和高功率光隔离器805组成；二级主放大部由高功率多模泵浦激光器1003和1004、(6+1)x1光合束器13、双包层增益光纤1201、泵浦泄漏器14、高功率光隔离器806和输出端帽15组成。

本发明的主放大部分40采用两级放大结构能较好抑制受激拉曼散射和放大自发辐射效用，实现高功率脉冲激光信号输出；双包层增益光纤12和1201可将大功率的泵浦光通过包层耦合进入光纤中。

本发明的主放大部分40的高功率多模泵浦激光器1001、1002、1003和1004采用976nm波长的多模半导体激光器，由于此波长吸收效率高可有效减短双包层增益光纤的长度，从而降低非线性效应对输出脉冲影响。

本发明的主放大部分40的泵浦泄漏器14可滤除过剩的泵浦光，消除其对输出信号光的影响；在输出光纤端增加端帽耦合输出可防止过高功率损坏输出光纤的端面；高功率隔离器可有效抑制放大的自发辐射，降低其对输出信号光的影响。

本发明的超短脉冲光纤激光器种子源系统41通过集成波分复用功能的SESAM锁模模块5和将光栅刻在增益光纤上的方法，减少激光器谐振腔腔长，有效提升光纤激光器输出脉冲信号的重复频率；通过两级选脉冲方法，有效的增宽了脉冲重复频率可调节的范围。

Claims (6)

1.一种宽重频可调高功率超短脉冲光纤激光器，采用线性短腔结构，包括主放大系统（40）、超短脉冲光纤激光器种子源系统（41）、一级选脉冲系统和二级选脉冲系统，其特征是所述主放大系统（40）包括一一级放大部和一二级放大部；所述一级放大部由两多模泵浦激光器（1001、1002）、(2+1)x1光合束器（11）、双包层增益光纤（12）及第一光隔离器（805）组成；两多模泵浦激光器（1001、1002）分别连接于(2+1)x1光合束器（11）的一端上，(2+1)x1光合束器（11）的另一端连接于双包层增益光纤（12），双包层增益光纤（12）与第一光隔离器（805）相连接；所述二级放大部由多模泵浦激光器（1003、1004）、(6+1)x1光合束器（13）、双包层增益光纤（1201）、泵浦泄漏器（14）、第二光隔离器（806）和输出端帽（15）组成；所述(6+1)x1光合束器（13）一端和多模泵浦激光器（1003、1004）及第一光隔离器（805）相连接，另一端顺序连接双包层增益光纤（1201）、泵浦泄漏器（14）、第二光隔离器（806）和输出端帽（15）。

2.根据权利要求1所述的一种宽重频可调高功率超短脉冲光纤激光器，其特征是所述超短脉冲光纤激光器种子源系统（41）包括SESAM锁模模块（5），增益光纤（6）、啁啾光纤布拉格光栅（7）、第三光隔离器（8）和单模泵浦激光器（20）及其驱动电路组成；其中SESAM锁模模块（5）由可饱和吸收体SESAM（ 1）、偏振片 （2）、光学滤波片（3）和光纤准直器（4）组成；所述单模泵浦激光器（20）及第三光隔离器（8）连接于SESAM锁模模块（5）的光纤准直器（4）。

3.根据权利要求2所述的一种宽重频可调高功率超短脉冲光纤激光器，其特征是所述一级选脉冲系统包括一级预放大装置（42）和一级选脉冲装置（43）；所述一级预放大装置（42）由单模泵浦激光器（2001）、波分复用器（9）、增益光纤（601）和第四光隔离器（801）组成；所述波分复用器（9）一端连接于第三光隔离器（8）及单模泵浦激光器（2001），另一端则连接增益光纤（601）的一端，增益光纤（601）另一端连接于第四光隔离器（801）的一端；

所述一级选脉冲装置（43）由单模泵浦激光器（2002）、波分复用器（901）、增益光纤（602）和第五光隔离器（802）及声光选脉冲模块（16）组成；波分复用器（901）的一端分别连接于一级预放大装置（42）的第四光隔离器（801）一端及单模泵浦激光器（2002），另一端连接于增益光纤（602），增益光纤（602）另一端连接于声光选脉冲模块（16），声光选脉冲模块（16）的另一端再连接于第五光隔离器（802）一端上。

4.根据权利要求3所述的一种宽重频可调高功率超短脉冲光纤激光器，其特征是所述二级选脉冲系统同样包括一二级预放大装置（4201）和一二级选脉冲装置（4301），所述二级选脉冲系统的二级预放大装置（4201）和所述一级选脉冲系统的一级预放大装置（42）的结构相对应；所述二级选脉冲系统的二级选脉冲装置（4301）和所述一级选脉冲系统的一级选脉冲装置（43）的结构相对应。

5.根据权利要求1所述的一种宽重频可调高功率超短脉冲光纤激光器，其特征是所述多模泵浦激光器采用915或976 nm波长的多模半导体激光器。

6.根据权利要求2-4任意一项所述的一种宽重频可调高功率超短脉冲光纤激光器，其特征是所述单模泵浦激光器（20、2001、2002、2003、2004）的驱动电路包括温控电路和恒流电路。