CN109546524A - 高峰值功率低频被动锁模超快激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高峰值功率低频被动锁模超快激光器，其包括顺次设置的端镜、激光增益介质、光纤单元、锁模器和输出耦合器，所述光纤两端设置有模场适配器。其中，激光增益介质介质起到产生并放大光子的作用，所述光纤单元的芯面积为几百至几千平方微米，具有较低的非线性和较高的损伤阈值，两个模场适配器与光纤单元连接，确保只有基模LP01通过自由空间耦合，同时保证了更高阶模的能量能够被恢复至基模，输出耦合器可使光反射形成激光腔，也能从激光腔中提取一部分撞击光形成激光输出。所述超快激光器峰值功率高、重复频率低，易于制作，制作成本低，不需要经过脉冲选取和放大，即可直接产生几百KHz到1MHz的高重复频率、高强度超快激光。

Description

高峰值功率低频被动锁模超快激光器

技术领域

本发明属于激光器技术领域，涉及一种超快激光器，具体地说涉及一种高峰值功率低频被动锁模超快激光器。

背景技术

随着消费电子、新型显示等应用的发展，对于激光加工的精细度要求越来越高，超快激光成为行业关注的一个重要方向。所谓超快激光是指基于SESAM、克尔透镜等锁模技术，脉冲宽度在飞秒、皮秒量级的激光器，其适用于诸多科学研究与工业应用，如超快激光可实现纳米级别的材料去除，并且不产生热效应，因此被称为真正意义上的“冷”加工，峰值功率高达微焦级别的激光脉冲能够在材料的加工区域附近产生一个强磁场，这为高电磁场物理学理论的验证提供了可能。

目前工业用激光器产品结构复杂、价格昂贵，通常采用脉冲能量仅为纳焦到皮焦的功率振荡器，经过几级放大后达到微焦级别，即材料加工所需能量级别。为解决上述技术问题，行业内已逐渐开发出具有超快激光振荡器的激光器，超快激光振荡器的重复频率在40MHz-100MHz范围内，其具有合适的腔长，能够满足泵浦激光器通过有源光纤输出适当增益的要求，同时能够平衡光纤色散和非线性特征，这对于产生超快激光脉冲是必不可少的。

重复频率为几百至1MHz的激光器是工业中较为常用的，这一频率范围内的激光可提高对材料的加工效率，改善科学研究过程中的信噪比，同时，前一个脉冲的余热能够得到消散。但是，为了降低激光器的重复频率，需要激光器具有很长的谐振腔，这就产生了光纤色散、非线性效应、光损耗、热失稳和机械失稳等负面影响。

为弥补激光器生产所能达到与实际应用所要求的重复频率之间的差距，当前一般采用在激光振荡器及其放大级之间设置脉冲选择器模块，以改变振荡器的超快脉冲重复频率和模式，如图1所示。Marchese等人用光纤锁模自由空间、碟片激光器和一个多通道腔将谐振器长度延伸至大约37米，实现了4MHz、791fs，单脉冲能量11.3μJ的超快激光器，由于它的长谐振腔避免了脉冲选择器和多级激光放大器。这种方法是第一种能够直接产生高功率、低重复频率超快脉冲的方法，然而，由于自由空间腔体激光器的热稳定性和机械稳定性以及可靠性不足阻碍了这种激光器结构的实际生产。目前，单脉冲能量为μJ级别、重复频率为几MHz的可靠、低成本、紧凑型超快光纤激光器仍旧无法实现。

发明内容

为此，本发明正是要解决上述技术问题，从而提出一种高功率、低重复频率、低成本且易于生产的被动锁模超快激光器。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

本发明提供一种高峰值功率低频被动锁模超快激光器，其包括顺次设置的端镜、激光增益介质、光纤单元、锁模器和输出耦合器，所述光纤单元两端设置有模场适配器。

作为优选，所述激光增益介质与所述光纤单元之间还设置有第一耦合镜。

作为优选，所述锁模器两端还设置有第二耦合镜和第三耦合镜。

作为优选，所述模场适配器包括沿激光光路顺次设置的单模光纤、第四耦合镜和输出光纤。

或者，作为优选，所述模场适配器包括沿激光光路顺次设置的单模光纤、第五耦合镜、第六耦合镜和输出光纤。

作为优选，所述激光增益介质为掺杂稀土元素的固体晶体、玻璃、激光晶体、有源光纤、激光二极管、光泵浦发射器中的一种。

作为优选，所述光纤单元为大模场光纤或光子晶体光纤。

作为优选，所述锁模器为液体染料吸收器、半导体饱和吸收镜、石墨烯、碳纳米管、人造饱和吸收器、量子点饱和吸收器、克尔透镜、非线性反射镜中的一种。

作为优选，所述输出光纤为大模场光纤或光子晶体光纤。

作为优选，所述光纤单元和输出光纤的芯面积为几百至几千平方微米。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的高峰值功率低频被动锁模超快激光器，其包括顺次设置的端镜、激光增益介质、光纤单元、锁模器和输出耦合器，所述光纤两端设置有模场适配器。其中，激光增益介质起到产生并放大光子的作用，所述光纤单元的芯面积为几百至几千平方微米，具有较低的非线性和较高的损伤阈值，两个模场适配器与光纤单元连接，确保只有基模LP01通过自由空间耦合，同时保证了更高阶模的能量能够被恢复至基模，输出耦合器可使光反射形成激光腔，也能从激光腔中提取一部分撞击光形成激光输出。所述超快激光器峰值功率高、重复频率低，易于制作，制作成本低，不需要经过脉冲选取和放大，即可直接产生几百KHz到1MHz的高重复频率、高强度超快激光。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是现有技术中超快激光器的示意图；

图2是本发明实施例1所述的高峰值功率低频被动锁模超快激光器的结构示意图；

图3是本发明实施例2所述的高峰值功率低频被动锁模超快激光器的结构示意图。

图4是本发明实施例1所述的模场适配器的示意图；

图5是本发明实施例2所述的模场适配器的示意图。

图中附图标记表示为：1-端镜；2-激光增益介质；3-光纤单元；4-锁模器；5-输出耦合器；6-模场适配器；61-单模光纤；62-第四耦合镜；63-输出光纤；64-第五耦合镜；65-第六耦合镜；7-第一耦合镜；8-第二耦合镜；9-第三耦合镜。

本发明可以以多种不同的形式实施，不应该理解为限于在此阐述的实施例，相反，提供这些实施例，使得本公开是彻底和完整的，并将本发明的构思充分传达给本领域技术人员，本发明将由权利要求来限定。在附图中，为了清晰起见，会夸大各装置的尺寸和相对尺寸。本发明说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种高峰值功率低频被动锁模超快激光器，其如图2所示，包括顺次设置的端镜1、激光增益介质2、光纤单元3、锁模器4和输出耦合器5，所述光纤单元3的输入端和输出端各设置有一个模场适配器6。

具体地，所述端镜1的表面曲率或平整度可将光束返回激光腔，其具有高反射率和低波前误差。

所述激光增益介质2为掺杂稀土元素的固体晶体、玻璃、激光晶体、有源光纤、激光二极管、光泵浦发射器中的一种，所述激光晶体可以是碟状激光晶体。本实施例中，所述激光增益介质2为有源光纤，当光子以正确的波长、相位、偏振传播通过所述激光增益介质2时，激光增益介质2能够产生并放大光子。

所述光纤单元3为大模场(LMA)光纤，所述LMA光纤芯直径为25μm，其有效芯面积为五百平方微米，具有相当低的非线性特征以及相当高的损伤阈值，适用于有源光纤中放大器的单品脉冲激光或在无源光纤中光的传输。所述LMA光纤除基模LP01外，还具有更高的阶模态，高阶模态取决于LMA光纤的芯尺寸，高阶模态LP11,LP21,LP02,LP31,LP12,和LP41共同存在。

所述锁模器(即模式锁定器)4为液体染料吸收器、半导体饱和吸收镜、石墨烯、碳纳米管、人造饱和吸收器、量子点饱和吸收器、克尔透镜、非线性反射镜中的一种，本实施例中，所述锁模器4为半导体饱和吸收镜。所述锁模器4为被动锁模机构，其具有调谐方便、转换效率高的优点。

所述输出耦合器5可以将光束反射回来，形成一个激光腔，又可以从激光腔中提取一部分撞击光形成激光输出。

本实施例中，所述模场适配器(MFA)6如图4所示，其包括沿激光光路顺次设置的单模光纤61、第四耦合镜62和输出光纤63，模场适配器6的作用在于，LMA光纤的高阶模态会降低激光光束质量，甚至导致锁模停止，因此通过设置于光纤单元3两端的模场适配器6确保只有基模LP01被耦合输出到自由空间，同时LMA光纤中其它高阶模态的能量被回复到LP01模态。其中，所述第四耦合镜62被放置于距离所述单模光纤61一定的物距上，其与所述输出光纤63之间存在一定像距，物距和像距的设定为：单模光纤61场模直径w1被放大到输出光纤63场模直径w2的尺寸一致，像距与物距之间的比例接近w2/w1。本实施例中，所述输出光纤63也为LMA光纤。

实施例2

本实施例提供一种高峰值功率低频被动锁模超快激光器，其如图3所示，包括顺次设置的端镜1、激光增益介质2、光纤单元3、锁模器4和输出耦合器5，所述光纤单元3的输入端和输出端各设置有一个模场适配器6，所述激光增益介质2与所述光纤单元3之间还设置有第一耦合镜7，所述锁模器4的前后端分别设置有第二耦合镜8和第三耦合镜9。

具体地，所述端镜1的表面曲率或平整度可将光束返回激光腔，其具有高反射率和低波前误差。

所述激光增益介质2为掺杂稀土元素的固体晶体、玻璃、激光晶体、有源光纤、激光二极管、光泵浦发射器中的一种，所述激光晶体可以是碟状激光晶体。本实施例中，所述激光增益介质2为激光晶体，当光子以正确的波长、相位、偏振传播通过所述激光增益介质2时，激光增益介质2能够产生并放大光子，所述激光增益介质2并非基于光纤，因此需设置所述第一耦合镜7以将由激光增益介质2放大的激光有效的耦合到所述光纤单元3中；当激光增益介质2是基于光纤的，则无需设置耦合透镜。

所述光纤单元3为光子晶体光纤(PCF)，所述PCF光纤芯直径为25μm，具有相当低的非线性特征以及相当高的损伤阈值，可产生强的单脉冲。

所述锁模器(即模式锁定器)4为液体染料吸收器、半导体饱和吸收镜、石墨烯、碳纳米管、人造饱和吸收器、量子点饱和吸收器、克尔透镜、非线性反射镜中的一种，本实施例中，所述锁模器4为克尔透镜。所述锁模器4为被动锁模机构，其具有调谐方便、转换效率高的优点。由于所述锁模器4并非基于光纤，因此在其前后端还需设置耦合透镜，其中，第二耦合镜8可有效的将光纤单元3发出的光耦合到锁模器4中，所述第三耦合镜9可将锁模器4发出的光准直到输出耦合器5，当锁模器5基于光纤，则无需第二耦合镜8和第三耦合镜9。

所述输出耦合器5可以将光束反射至第三耦合镜9，形成一个激光腔，又可以从激光腔中提取一部分撞击光形成激光输出。

所述端镜1、激光增益介质2、第一耦合镜7、光纤单元3、第二耦合镜8、锁模器4、第三耦合镜9、输出耦合器5组成一个重复频率为几百KHz到1MHz的高峰值功率低频被动锁模超快激光器，光路从所述端镜1到激光增益介质2，之后从激光增益介质2到第一耦合镜7，再从第一耦合镜7到光纤单元3，这一光路可以在自由空间中，也可是在光波导管中(如光纤)，或者是在自由空间与光波导管的混合介质中，所述光纤单元3包含基本的TEM300模式，所述光纤单元中剩余高阶模态被剥离，剥离过程可通过将光纤缠绕在尺寸适中的芯轴上，在不衰减基模的情况下剥离高阶模态，所述光纤单元3的长度一句需要从几百KHz到1MHz的重复频率进行选择，所述光纤单元3还可为LMA光纤。

本实施例中，所述模场适配器6如图5所示，其包括沿激光光路顺次设置的单模光纤61、第五耦合镜64、第六耦合镜65和输出光纤63，所述输出光纤可以为LMA光纤，也可为PCF光纤，本实施例中采用PCF30光纤。具体地，所述单模光纤61位于所述第五耦合镜64的焦平面上，输出光纤63位于所述第六耦合镜65的焦平面上，对单模光纤61的场模直径w1放大，使其与输出光纤63场模直径w2完全匹配，第六耦合镜65的有效焦距与第五耦合镜64的有效焦距比例接近w2/w1。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种高峰值功率低频被动锁模超快激光器，其特征在于，包括顺次设置的端镜、激光增益介质、光纤单元、锁模器和输出耦合器，所述光纤单元两端设置有模场适配器。

2.根据权利要求1所述的高峰值功率低频被动锁模超快激光器，其特征在于，所述激光增益介质与所述光纤单元之间还设置有第一耦合镜。

3.根据权利要求2所述的高峰值功率低频被动锁模超快激光器，其特征在于，所述锁模器两端还设置有第二耦合镜和第三耦合镜。

4.根据权利要求3所述的高峰值功率低频被动锁模超快激光器，其特征在于，所述模场适配器包括沿激光光路顺次设置的单模光纤、第四耦合镜和输出光纤。

5.根据权利要求4所述的高峰值功率低频被动锁模超快激光器，其特征在于，所述模场适配器包括沿激光光路顺次设置的单模光纤、第五耦合镜、第六耦合镜和输出光纤。

6.根据权利要求5所述的高峰值功率低频被动锁模超快激光器，其特征在于，所述激光增益介质为掺杂稀土元素的固体晶体、玻璃、激光晶体、有源光纤、激光二极管、光泵浦发射器中的一种。

7.根据权利要求6所述的高峰值功率低频被动锁模超快激光器，其特征在于，所述光纤单元为大模场光纤或光子晶体光纤。

8.根据权利要求7所述的高峰值功率低频被动锁模超快激光器，其特征在于，所述锁模器为液体染料吸收器、半导体饱和吸收镜、石墨烯、碳纳米管、人造饱和吸收器、量子点饱和吸收器、克尔透镜、非线性反射镜中的一种。

9.根据权利要求4或5所述的高峰值功率低频被动锁模超快激光器，其特征在于，所述输出光纤为大模场光纤或光子晶体光纤。

10.根据权利要求9所述的高峰值功率低频被动锁模超快激光器，其特征在于，所述光纤单元和输出光纤的芯面积为几百至几千平方微米。