CN109616859A - 一种光纤飞秒激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤飞秒激光器，包括激光器本体，所述激光器本体包括环形谐振腔，所述环形谐振腔包括第一波分复用准直器、第二波分复用准直器、以及增益光纤组件，所述第一波分复用准直器和第二波分复用准直器的输出端均设有波分复用膜片，所述第一波分复用准直器上设有第一增益光纤，所述第二波分复用准直器上设有第二增益光纤，所述第一增益光纤和第二增益光纤熔接为一体而共同形成所述增益光纤组件，所述第一波分复用准直器和第二波分复用准直器至少其一上设有泵浦光纤，且至少一条泵浦光纤连接有泵浦源；通过采用集成化的光纤复用准直器，缩短了环形谐振腔的腔长，使激光器的结构高度集成，提高了激光的重复频率。

Description

一种光纤飞秒激光器
技术领域
本发明属于光纤激光技术领域，具体涉及一种光纤飞秒激光器。
背景技术
近年来，飞秒光纤激光器因为它的小型化、效率高、价格低、对环境依赖性小等优点取得了很大的发展，成为了传统固体飞秒激光器的有力竞争对手，其中，波长在1550nm波段的光纤飞秒激光器在非线性光学、光纤通信、激光测量、激光加工等领域有重要的应用价值。
随着技术的发展，越来越多的应用领域对光纤飞秒激光器的重复频率提出了更高的要求，希望能得到更高的重复频率和更加稳定的重复频率。要得到高重复频率的光纤飞秒激光器，最好的方法是通过NPE锁模方法，搭建一个谐振腔，产生飞秒级别的脉冲激光。如图7所示，传统的光纤飞秒激光器的谐振腔是由第一准直器310、第一四分之一玻片4、隔离器5、偏振分束器6、二分之一玻片7、第二四分之一玻片8、第二准直器320、波分复用器200和增益光纤330依次光学地连接形成，锁模后的脉冲激光经过45度反射片300，耦合到第三光纤准直器100。
传统的光纤飞秒激光器一般存在以下问题：其一，各器件分立设置，第一光纤准直器310、第二光纤准直器320、增益光纤330和波分复用器200是通过光纤熔接连接在一起的，为了保证光纤之间能有效的连接，每个器件的尾纤得保证在100mm以上，为了得到有效的增益，增益光纤330长度需要保证在400mm左右，加上腔内波片和隔离器等光学器件，整个腔长在1000mm左右，这样锁模后的脉冲激光重复频率在200MHz左右，由于光纤飞秒激光器的重复频率与其谐振腔的长度有关，受限于光纤的熔接方式，使得激光器谐振腔的腔长不能继续缩短，所以重复频率也不能继续提高；其二，传统的光纤飞秒激光器都是没有稳频功能的，锁模后的脉冲重复频率会随着时间漂移，漂移量较大，这就导致了重复频率的不稳定，这在一些精准测量上是不允许的。由此，本领域的技术人员亟需开发出一种光纤飞秒激光器以满足市场的需求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种光纤飞秒激光器，以产生一种激光，其重复频率高且稳定。
本发明采用的技术方案是：一种光纤飞秒激光器，包括激光器本体，所述激光器本体包括环形谐振腔，所述环形谐振腔包括第一波分复用准直器、第二波分复用准直器、以及增益光纤组件，所述第一波分复用准直器和第二波分复用准直器的输出端均设有波分复用膜片，所述第一波分复用准直器上设有第一增益光纤，所述第二波分复用准直器上设有第二增益光纤，所述第一增益光纤和第二增益光纤熔接为一体而共同形成所述增益光纤组件，所述第一波分复用准直器和第二波分复用准直器至少其一上设有泵浦光纤，且至少一条泵浦光纤连接有泵浦源。
进一步的，所述环形谐振腔还包括第一四分之一玻片、隔离器、偏振分束器、二分之一玻片、以及第二四分之一玻片，所述第一波分复用准直器、第一四分之一玻片、隔离器、偏振分束器、二分之一玻片、第二四分之一玻片、第二波分复用准直器和增益光纤组件依次光学地连接形成环形谐振腔。
进一步的，还包括具有安装腔的壳体，所述激光器本体设置在所述壳体的安装腔内，所述安装腔的底部设有机械固定座，所述偏振分束器、二分之一玻片、以及第二四分之一玻片均贴附在所述机械固定座上以缩短所述偏振分束器、二分之一玻片、以及第二四分之一玻片之间的直线距离。
进一步的，还包括具有安装腔的壳体，所述安装腔的底部设有平移台，所述第一波分复用准直器活动设置在平移台上，所述安装腔内还设有用于将第一波分复用准直器固定在平移台上的定位装置，所述第一波分复用准直器可在平移台上移动以减小或增大所述环形谐振腔的长度。
进一步的，所述安装腔内还设有准直器底座、准直器安装座、以及夹紧装置，所述准直器安装座固定安装在准直器底座上，所述准直器底座活动安装在平移台上，且所述准直器底座上设有用于将所述准直器底座固定在平移台上的定位装置，所述第一波分复用准直器活动安装在所述准直器安装座上，所述夹紧装置用于将所述第一波分复用准直器夹紧固定在准直器安装座。
进一步的，所述准直器底座上还设有压电陶瓷，所述压电陶瓷用于驱动所述第一波分复用准直器相对所述准直器安装座移动以减小或增大所述环形谐振腔的长度。
进一步的，还包括温控系统，所述温控系统包围激光器本体以用于稳定激光器本体的温度。
进一步的，所述温控系统包括包围于激光器本体外部的壳体，所述壳体上设有隔热层。
进一步的，所述隔热层的外表面设有散热层且二者侧壁之间存在间隙，所述激光器本体与所述散热层通过一散热板连接。
进一步的，所述波分复用膜片包括第一膜长反射膜层和贴附在所述第一膜长反射膜层表面的第二膜长透射膜层，且所述第一膜长反射膜层位于靠近所述泵浦光纤的一侧。
本发明的有益效果：本发明公开了一种光纤飞秒激光器，通过采用集成化的光纤复用准直器，在常规的光纤准直器上设置波分复用膜实现光纤波分复用器和光纤准直器的功能，利用此集成了两种功能的光纤复用准直器取代了常规的光纤波分复用器和光纤准直器，缩短了环形谐振腔的腔长，使激光器的结构高度集成，激光器锁模后，激光的重复频率得到明显提高，减少了因为器件分立而带来的不稳定，激光器锁模后，环形谐振腔的长度更短，锁模后更稳定；通过将偏振分束器、二分之一玻片、以及第二四分之一玻片集成安装在机械固定座上，进一步缩短了环形谐振腔的长度，提高了激光的重复频率；通过在所述第一波分复用准直器的底部设置平移台，且第一波分复用准直器可在平移台上移动以减小或增大所述环形谐振腔的长度，进而调节重复频率的大小，从而提高了重复频率的稳定性；通过在准直器底座上设置压电陶瓷，压电陶瓷用于驱动所述第一波分复用准直器相对所述准直器安装座移动以减小或增大所述环形谐振腔的长度，进而调节重复频率的大小，进一步提高了重复频率的稳定性；通过在激光器上设置温控系统，保证了激光器的温度稳定，进而提高了重复频率的稳定性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明：
图1是本发明一个实施例的结构示意图；
图2是本发明一个实施例中第一波分复用准直器的安装示意图；
图3是图2的分解图；
图4是本发明一个实施例中机械固定座的结构示意图；
图5是本发明一个实施例的剖视图；
图6是本发明一个实施例另一视角的结构示意图；
图7是传统的激光器的原理图；
图8是本发明一个实施例的原理图。
具体实施方式
第一实施例
如图1至图8所示，一种光纤飞秒激光器，包括激光器本体，所述激光器本体包括环形谐振腔3，所述环形谐振腔3包括第一波分复用准直器31、第二波分复用准直器32、以及增益光纤组件33，所述第一波分复用准直器31和第二波分复用准直器32的输出端均设有波分复用膜片34，所述第一波分复用准直器31上设有第一增益光纤，所述第二波分复用准直器32上设有第二增益光纤，所述第一增益光纤和第二增益光纤熔接为一体而共同形成所述增益光纤组件33，所述第一波分复用准直器31和第二波分复用准直器32至少其一的输入端上设有泵浦光纤，且至少一条泵浦光纤连接有泵浦源2；具体的，本实施例所述第一波分复用准直器31的输入端设有980nm泵浦光纤，980nm泵浦光纤的另一端连接有980nm泵浦源2，所述第一波分复用准直器31和第二波分复用准直器32的输出端面上镀有980nm高反、1550nm高透的膜，让980nm泵浦激光在增益光纤组件33内反射吸收，让1550nm激光透射出来，这样波分复用膜片34可以取代波分复用器，1550nm激光透射出来进行振荡，最终锁模输出；本发明公开了一种光纤飞秒激光器，通过采用集成化的光纤复用准直器，在常规的光纤准直器上设置波分复用膜34实现光纤波分复用器和光纤准直器的功能，利用此集成了两种功能的光纤复用准直器取代了常规的光纤波分复用器和光纤准直器，缩短了环形谐振腔3的腔长，使激光器的结构高度集成，激光器锁模后，激光的重复频率得到明显提高，减少了因为器件分立而带来的不稳定，激光器锁模后，环形谐振腔3的长度更短，锁模后更稳定。
如图8所示，所述环形谐振腔3还包括第一四分之一玻片4、隔离器5、偏振分束器6、二分之一玻片7、以及第二四分之一玻片8，所述第一波分复用准直器31、第一四分之一玻片4、隔离器(5)、偏振分束器6、二分之一玻片7、第二四分之一玻片8、第二波分复用准直器32和增益光纤组件33依次光学地连接形成环形谐振腔3。如图1和图4所示，激光器还包括具有安装腔的壳体1，所述激光器本体设置在所述壳体1的安装腔内，所述安装腔的底部安装有机械固定座13，考虑到为了进一步缩减环形谐振腔3的长度，提高激光的重复频率，所述偏振分束器6、二分之一玻片7、以及第二四分之一玻片8均通过螺钉固定安装在所述机械固定座13上以缩短所述偏振分束器6、二分之一玻片7、以及第二四分之一玻片8之间的直线距离，为了便于调节，所述偏振分束器6、二分之一玻片7、以及第二四分之一玻片8之间预留有一定的调节距离；由此，通过将偏振分束器6、二分之一玻片7、以及第二四分之一玻片8集成安装在机械固定座上，进一步缩短了环形谐振腔3的长度，提高了激光的重复频率。
考虑到在有些应用领域对重复频率的精度要求是很高的，他们希望最后锁定的重复频率精度可以在Hz级别内，通过计算我们知道，400mm腔长对应的变化是2nm，对应的重频变化是2Hz，要想将精度控制在Hz级别内，我们必须将环形谐振腔的长度控制在nm级别，首先，因为光纤切割后的光纤无法控制在um级别，一般都是mm级别，如图1至图3所示，激光器还包括具有安装腔的壳体1，所述安装腔的底部安装有精度在10um的平移台9，移动行程范围是10mm，这样我们就把重复频率精度控制在kHz级别；所述第一波分复用准直器31活动设置在平移台9上，所述安装腔内还设有用于将第一波分复用准直器31固定在平移台9上的定位装置，所述第一波分复用准直器31可在平移台9上移动以减小或增大所述环形谐振腔3的长度；所述安装腔内还设有准直器底座52、准直器安装座53、以及夹紧装置54，所述准直器安装座53通过螺钉固定安装在准直器底座52上，所述准直器底座52活动安装在平移台9上，且所述准直器底座52上设有用于将所述准直器底座52固定在平移台9上的定位装置，具体的，所述平移台9上设有滑轨，所述准直器底座52对应滑槽设有滑槽，所述准直器底座52可在平移台9上滑动，所述准直器底座52和平移台9上沿滑轨滑动方向开设有若干定位孔，通过定位钉与定位孔的配合将准直器底座52固定在平移台9上，由于精度在10um的平移台9以及定位装置十分常见，此处就不做赘述；由此，通过在所述第一波分复用准直器31的底部设置平移台9，且第一波分复用准直器31可在平移台9上移动以减小或增大所述环形谐振腔3的长度，进而调节重复频率的大小，从而提高了重复频率的稳定性。
进一步的，为了将重复频率精度控制在10Hz级别，这个就必须得有一个精度在10nm级别的调制器，而这种调制器我们选用一个9.9um行程的压电陶瓷55，控制电压范围是0-150V(对应0-9.9um)，精度在0.1V，所以可以将环形谐振腔3的长度控制在10nm左右，这样重频的精度也在10Hz左右，所述安装腔内还设有准直器底座52、准直器安装座53、以及夹紧装置54，所述准直器安装座53通过螺钉固定安装在准直器底座52上，所述准直器底座52活动安装在平移台9上，且所述准直器底座52上设有用于将所述准直器底座52固定在平移台9上的定位装置，所述第一波分复用准直器31活动安装在所述准直器安装座53上，所述夹紧装置54用于将所述第一波分复用准直器31夹紧固定在准直器安装座53，所述准直器底座52上还设有连接有伺服电机的压电陶瓷55，所述压电陶瓷55用于驱动所述第一波分复用准直器31相对所述准直器安装座53移动以减小或增大所述环形谐振腔3的长度；由此，通过在准直器底座52上设置压电陶瓷55，压电陶瓷55用于驱动所述第一波分复用准直器31相对所述准直器安装座53移动以减小或增大所述环形谐振腔3的长度，进而调节重复频率的大小，进一步提高了重复频率的稳定性。
进一步的，考虑到光纤的主要成份是二氧化硅，现腔内光纤粗略按0.4m来算的话，环境变化5℃，也会带来1um左右的腔长变化，对应的重频变化大约在1kHz级别，故考虑设置温控系统，如图5所示，激光器还包括温控系统，所述温控系统包围激光器本体以用于稳定激光器本体的温度；所述温控系统包括包围于激光器本体外部的壳体1，所述壳体1上设有隔热层11；由此，温控系统包括包围于激光器本体外部的壳体1，所述壳体1上设有隔热层11，隔热层11所包围的激光器本体温度较为稳定，进一步提高了重复频率的稳定性。
进一步的，所述隔热层11的外表面设有散热层12且二者侧壁之间存在间隙15，所述激光器本体与所述散热层12通过一散热板14连接，具体的，隔热层11与散热层12的底部之间设有隔热板，所述隔热层11通过隔热板固定安装在散热层12上；由此，通过在所述隔热层11的外表面设有散热层12，且二者侧壁之间存在间隙15，激光器本体与所述散热层12通过一散热板14连接，提高了激光器的散热效果，进一步提高了温控系统的控温效果，从而进一步提高了重复频率的稳定性。
由此，综合10um精度的平移台9、9.9um行程的压电陶瓷55(控制电压范围是0-150V，对应0-9.9um，精度在0.1V)、以及温控系统，提高了重复频率的稳定性。
第二实施例
以第一实施例为基础，本实施例的不同之处在于：考虑到激光器中只设置一个泵浦源2，在实际使用过程中，泵浦源2由于长时间高负荷工作容易损坏，停机更换的话将影响连续生产；所述第一波分复用准直器31和第二波分复用准直器32的输入端均设有泵浦光纤，且泵浦光纤各连接有一个泵浦源2；由此，第一波分复用准直器31和第二波分复用准直器32的输入端均连接有泵浦源2，提高了激光器的使用寿命和稳定性。
以上所述仅为本发明的优先实施方式，本发明并不限定于上述实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤飞秒激光器，其特征在于：包括激光器本体，所述激光器本体包括环形谐振腔(3)，所述环形谐振腔(3)包括第一波分复用准直器(31)、第二波分复用准直器(32)、以及增益光纤组件(33)，所述第一波分复用准直器(31)和第二波分复用准直器(32)的输出端均设有波分复用膜片(34)，所述第一波分复用准直器(31)上设有第一增益光纤，所述第二波分复用准直器(32)上设有第二增益光纤，所述第一增益光纤和第二增益光纤熔接为一体而共同形成所述增益光纤组件(33)，所述第一波分复用准直器(31)和第二波分复用准直器(32)至少其一上设有泵浦光纤，且至少一条泵浦光纤连接有泵浦源(2)。
2.如权利要求1所述的一种光纤飞秒激光器，其特征在于：所述环形谐振腔(3)还包括第一四分之一玻片(4)、隔离器(5)、偏振分束器(6)、二分之一玻片(7)、以及第二四分之一玻片(8)，所述第一波分复用准直器(31)、第一四分之一玻片(4)、隔离器(5)、偏振分束器(6)、二分之一玻片(7)、第二四分之一玻片(8)、第二波分复用准直器(32)和增益光纤组件(33)依次光学地连接形成环形谐振腔(3)。
3.如权利要求2所述的一种光纤飞秒激光器，其特征在于：还包括具有安装腔的壳体(1)，所述激光器本体设置在所述壳体(1)的安装腔内，所述安装腔的底部设有机械固定座(13)，所述偏振分束器(6)、二分之一玻片(7)、以及第二四分之一玻片(8)均贴附在所述机械固定座(13)上以缩短所述偏振分束器(6)、二分之一玻片(7)、以及第二四分之一玻片(8)之间的直线距离。
4.如权利要求1所述的一种光纤飞秒激光器，其特征在于：还包括具有安装腔的壳体(1)，所述安装腔的底部设有平移台(9)，所述第一波分复用准直器(31)活动设置在平移台(9)上，所述安装腔内还设有用于将第一波分复用准直器(31)固定在平移台(9)上的定位装置，所述第一波分复用准直器(31)可在平移台(9)上移动以减小或增大所述环形谐振腔(3)的长度。
5.如权利要求4所述的一种光纤飞秒激光器，其特征在于：所述安装腔内还设有准直器底座(52)、准直器安装座(53)、以及夹紧装置(54)，所述准直器安装座(53)固定安装在准直器底座(52)上，所述准直器底座(52)活动安装在平移台(9)上，且所述准直器底座(52)上设有用于将所述准直器底座(52)固定在平移台(9)上的定位装置，所述第一波分复用准直器(31)活动安装在所述准直器安装座(53)上，所述夹紧装置(54)用于将所述第一波分复用准直器(31)夹紧固定在准直器安装座(53)。
6.如权利要求5所述的一种光纤飞秒激光器，其特征在于：所述准直器底座(52)上还设有压电陶瓷(55)，所述压电陶瓷(55)用于驱动所述第一波分复用准直器(31)相对所述准直器安装座(53)移动以减小或增大所述环形谐振腔(3)的长度。
7.如权利要求1所述的一种光纤飞秒激光器，其特征在于：还包括温控系统，所述温控系统包围激光器本体以用于稳定激光器本体的温度。
8.如权利要求7所述的一种光纤飞秒激光器，其特征在于：所述温控系统包括包围于激光器本体外部的壳体(1)，所述壳体(1)上设有隔热层(11)。
9.如权利要求8所述的一种光纤飞秒激光器，其特征在于：所述隔热层(11)的外表面设有散热层(12)且二者侧壁之间存在间隙(15)，所述激光器本体与所述散热层(12)通过一散热板(14)连接。
10.如权利要求1所述的一种光纤飞秒激光器，其特征在于：所述波分复用膜片(34)包括第一膜长反射膜层和贴附在所述第一膜长反射膜层表面的第二膜长透射膜层，且所述第一膜长反射膜层位于第一波分复用准直器(31)输出端靠近所述泵浦光纤的一侧。
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