CN110086077A - 基于氧化镓倍频晶体的光纤激光器 - Google Patents

基于氧化镓倍频晶体的光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤激光器，其具有包括泵浦源和光纤的光路结构，光路结构的激光输出端包括直接带隙超宽禁带半导体的倍频晶体，并优选为β‑Ga2O3晶体，倍频晶体为其用于对激光倍频后输出。本发明的所述光路结构还包括二维纳米材料可饱和吸收体(14)，其与所述非线性偏振旋转元件混合锁模。本发明可输出高功率、脉宽在50fs以下的激光。

Description

基于氧化镓倍频晶体的光纤激光器
技术领域
本发明涉及一种光纤激光器，尤其涉及一种基于氧化镓倍频晶体的光纤激光器。
背景技术
在材料加工等工业应用方面，高峰值功率超短脉冲激光发挥着越来越大的作用。由于稀土离子光纤具有良好的热光特性、带宽增益和光束质量，使用稀土离子掺杂光纤产生超短脉冲激光的光纤激光器具有良好的发展前景。但是光纤非线性效应的累积会直接影响激光的单脉冲能量，使用多级放大器系统虽然能解决这个问题，但是会使光路相当复杂，因此，研究结构紧凑、稳定性高且能产生高能量飞秒脉冲的锁模光纤激光器是非常有意义的。
光纤是以二氧化硅为基质材料制成的玻璃实体纤维，利用光的全反射原理对光信号进行传输，虽然光纤激光器的结构简单、散热性好、转换效率高、光束质量好，但是光纤中的非线性以及光纤色散等效应制约了激光器的峰值功率，对信号传输、超连续谱发生、谐波的产生和孤子传输都有重大的影响。光纤中的非线性效应与光纤的模场面积成反比，模场面积越大，光纤的非线性效应就会越弱，因此，大模场光纤是解决非线性效应累积、光线损伤，并提高光纤激光器功率的一种有效途径。
为保证激光的光束质量，在增大光纤模场面积的同时，还要确保光纤必须是单模运转，传统的单模光纤纤芯直径很小，无法满足大模场面积，增大纤芯直径会导致光纤中有多个模式传输，引起横模竞争，影响光束质量。1998年，英国Bath大学的Knight等首次提出光子晶体光纤是一种制造单模大模场光纤的新方法，并成功制备出模场直径为22μm、模场面积为380μm的大模场光子晶体光纤。光子晶体光纤是非常适用于大模场面积的一种光纤结构，它具有无截止波长、色散可调、大数值孔径等特点，它可以实现单模大模场面积，在保证激光传输质量的同时，显著降低光纤中的激光功率密度，减小光纤中的非线性效应，提高光纤材料的损伤阈值，同时，还可以实现较大的内包层数值孔径，从而提高抽运光的耦合效率，可采用长度相对较短的光纤实现高功率输出。
激光倍频是利用非线性晶体在强激光作用下的二次非线性效应，使频率为v的激光通过晶体后变为频率为2v的倍频光。倍频技术扩大了激光的波段，可获得更短波长的激光。一般的倍频方式分为腔内倍频和腔外倍频，还有为了提高效率在腔外倍频中使用倍频腔，在激光器功率较低的情况下，谐振腔内部光功率密度高，将晶体放入腔内可以提高倍频转换效率，但高功率时将晶体放入腔内很容易导致晶体的光学损伤，所以一般采用腔外倍频的方式。可作为倍频晶体的非线性晶体一般都不具有中心对称性，对基频波和倍频波的透明度高，二次非线性电极化系数大，光学均匀性好，损伤阈值高。
目前采用的倍频晶体通常是铌酸锂晶体(LN)。然而他的折射率对温度较为敏感，有着很大的热滞后效应，所以温度稳定性差；并且其损伤阈值较低(10MW/cm2)也限制了其应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明所要解决的技术问题是现有的激光器采用的倍频晶体具有温度稳定性差、损伤阈值低的缺点。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提出一种光纤激光器，具有包括泵浦源和光纤的光路结构，其特征在于：所述光路结构的激光输出端包括倍频晶体，所述倍频晶体为直接带隙超宽禁带半导体，其用于对激光倍频后输出。
根据本发明的优选实施方式，所述直接带隙超宽禁带半导体为β-Ga2O3晶体。
根据本发明的优选实施方式，所述β-Ga2O3晶体的晶面偏差小于30’。
根据本发明的优选实施方式，所述光路结构还包括二维纳米材料可饱和吸收体(14)。
根据本发明的优选实施方式，所述光路结构还包括非线性偏振旋转元件，所述二维纳米材料可饱和吸收体与所述非线性偏振旋转元件混合锁模。
根据本发明的优选实施方式，所述二维纳米材料可饱和吸收体为石墨烯或过渡金属硫化物。
根据本发明的优选实施方式，所述光纤为大模场面积光子晶体光纤。
根据本发明的优选实施方式，所述大模场面积光子晶体光纤掺铒或掺镱。
根据本发明的优选实施方式，所述泵浦源为两个。
根据本发明的优选实施方式，其输出的激光脉冲的脉宽小于50fs。
(三)有益效果
本发明结构紧凑、稳定高、实用性强，脉冲宽度在50fs以下、脉冲单向传输、峰值功率大、锁模阈值低、光束质量良好，可以广泛应用在工业及医院方面。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本发明的一个实施例的激光器的光路结构示意图。
具体实施方式
氧化镓(β-Ga2O3)单晶是一种新型直接带隙超宽禁带半导体，它是透明的氧化物半导体材料，禁带宽度为49eV，氧化镓晶体的化学性质稳定，不易被腐蚀，机械强度高，高温下性能稳定，有高的可见光和紫外光的透明度，这是传统透明导电材料所不具备的。本发明由此提出将直接带隙超宽禁带半导体，特别是氧化镓，作为倍频晶体实现短波长高功率激光输出。通过使用氧化镓晶体解决了传统倍频晶体温度稳定性差、损伤阈值低等问题。这样使得激光器性能更稳定、更具实用性，并为其的应用领域打好良好的基础。
相比固态激光器而言，光纤激光器更容易获得高光束质量的激光输出，并且小型化、柔性化方面有着固体激光器无法比拟的优势。因此，本发明提出将氧化镓晶体作为光纤激光器的倍频晶体。
总的来说，本发明提出的光纤激光器的光路结构包括泵浦源和光纤，光路结构的激光输出端设置直接带隙超宽禁带半导体的倍频晶体，并优选为β-Ga2O3晶体，其用于对激光倍频后输出。经实验研究和测算，本发明中优选为要求β-Ga2O3晶体的晶面偏差小于30’。
此外，本发明光路结构优选为包括二维纳米材料可饱和吸收体(14)和非线性偏振旋转元件，二维纳米材料可饱和吸收体(14)与所述非线性偏振旋转元件混合锁模。所述二维纳米材料可饱和吸收体(14)为石墨烯或过渡金属硫化物。
本发明的激光器中采用的光纤优选为大模场面积光子晶体光纤，且掺铒或掺镱。本发明能够实现输出的激光脉冲的脉宽小于50fs。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为根据本发明的一个实施例的激光器的光路结构示意图。本实施例提供一种基于氧化镓的二维纳米材料可饱和吸收体和非线性偏振旋转技术混合锁模的大模场光纤激光器，其光路结构图包括：
第一泵浦源01和第二泵浦源15，用于泵浦增益光纤。各泵浦源的泵浦波长可以为976nm、980nm或1480nm，最大泵浦功率为60W。
多个双凸透镜02、16、17、18、19、20，其用于提高耦合效率可以为紫外熔融石英、氟化钙、N-BK7等可在近红外范围内使用的高透镜，例如在该实施例中，其为未镀膜紫外熔融石英，波长范围185nm至2100nm。
多个二向色镜(Dichroic mirror，DM)03、21、22、23，可以为短波通二向色镜，截止波长从425nm到1600nm，绝对透过率大于85％，平均透过率大于90％。
多个半波片(Half wave plate，HWP)04、24、25、26、27和一个λ/4波片(Quarterwave plate，QWP)05，其中，半波片04、24、25、26、27和λ/4波片05为零级或聚合物零级石英波片。
多程元件(Multi-pass cell，MPC)06，其用于调整腔长以控制输出脉冲的重复频率，平均反射率大于99.5％，入射角为0°至45°多程元件06采用Nd:YAG激光反射镜。
偏振相关隔离器(Isolator，ISO)07，用于保证光信号的单向传输。偏振相关隔离器(07)是一种能够使光波向前传播，同时对背向传播地光波进行吸收或改变其传播方向的装置。波长范围为425nm至1600nm，最大功率为3W到10W。在该实施例中，其中心波长为1550nm，调节范围为1540-1560nm，承受最大功率为5W，最小隔离度为35dB。
透射光栅(Transmission gratings，TG)08、28，其波长范围为400nm至1800nm，在该实施例中，其为近红外透射光栅，沟槽密度为300线/毫米，闪耀角为317°，尺寸25mm×25mm。
偏振分束器(Polarization beam splitter，PBS)09、29，其为空气隙或者胶合偏振分束立方体，例如为宽带偏振分束立方，尺寸16mm×16mm，波长范围为400nm-1600nm，或700nm-1600nm，消光比大于1000:1。
可调谐长波通滤波器(Tunable longpass filter，TLF)10和可调谐短波通滤波器(Tunable shortpass filter，TSF)11，它们可以进一步增加单脉冲能量并稳定激光器，可以在很宽的波长范围内进行调节，效率大于95％。在该实施例中，其尺寸为25mm×36mm，光密度大于6。
氧化镓晶体(β-Ga2O3)12，为一种新型直接带隙超宽禁带半导体，在光路中作为倍频晶体，晶面偏差小于30’。在该实施例中，尺寸为10mm×10mm×1mm，半峰全宽小于100。
第一大模场光纤(大模场面积光子晶体光纤)13、第二大模场光纤30，其均采用掺铒光纤，发射波长从1530-1610nm，泵浦波长980nm和1480nm，数值孔径013，对单模光纤的典型熔接损耗小于001dB，对SMF-28e+的典型熔接损耗小于001dB。
二维材料可饱和吸收体(Saturable absorber，SA)14，可以为石墨烯、过渡金属硫化物等。它们与非线性偏振旋转元件组合在一起的混合锁模，使得输出的激光脉冲脉宽更窄。
第一大模场面积光子晶体光纤13和第二大模场面积光子晶体光纤30，其为掺铒或掺镱，对单模光纤的典型熔接损耗小于01dB，对SMF-28e+的典型熔接损耗小于015dB。
发射波长为976nm的第一泵浦源01对第一大模场面积光子晶体光纤13进行包层泵浦，经透镜耦合系统(双凸透镜02、二向色镜03、半波片04)将泵浦源出射的光耦合进增益光纤中，经过半波片05后到达偏振分束器09，经偏振分束器29反射端的激光经过倍频晶体12后进行光输出。
光路中的多程元件06是用来控制腔长以缩放脉冲重复频率，隔离器07保证光的单向传输，透射光栅08用来保证高功率的传输不会对光路造成损伤，可调谐长波通滤波器10和可调谐短波通滤波器11是用来增加单脉冲能量并使激光器保持稳定，入射到二维材料可饱和吸收体14中的激光经过多次放大，最终输出高功率、脉宽在50fs以下的激光。本发明采用的大模场光子晶体光纤，能显著降低光纤中的激光功率密度，减小光纤中的非线性效应，提高光纤材料的损伤阈值和抽运光的耦合效率，可以用较短的光纤实现高功率输出
本发明采用的二维纳米材料可饱和吸收体和非线性偏振旋转技术混合锁模的空间结构光纤激光器，可以提高峰值功率、增大单脉冲能量、降低锁模阈值、减小脉冲宽度、增大重复频率。
本发明结构紧凑、稳定高、实用性强，脉冲宽度在50fs以下、脉冲单向传输、峰值功率大、锁模阈值低、光束质量良好，可以广泛应用在工业及医院方面。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤激光器，具有包括泵浦源和光纤的光路结构，其特征在于：所述光路结构的激光输出端包括倍频晶体，所述倍频晶体为直接带隙超宽禁带半导体，其用于对激光倍频后输出。
2.如权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于：所述直接带隙超宽禁带半导体为β-Ga2O3晶体。
3.如权利要求2所述的光纤激光器，其特征在于：所述β-Ga2O3晶体的晶面偏差小于30’。
4.如权利要求1至3中任一项所述的光纤激光器，其特征在于：所述光路结构还包括二维纳米材料可饱和吸收体(14)。
5.如权利要求4所述的光纤激光器，其特征在于：所述光路结构还包括非线性偏振旋转元件，所述二维纳米材料可饱和吸收体(14)与所述非线性偏振旋转元件混合锁模。
6.如权利要求5所述的光纤激光器，其特征在于：所述二维纳米材料可饱和吸收体(14)为石墨烯或过渡金属硫化物。
7.如权利要求1至3中任一项所述的光纤激光器，其特征在于：所述光纤为大模场面积光子晶体光纤。
8.如权利要求7所述光纤激光器，其特征在于：所述大模场面积光子晶体光纤掺铒或掺镱。
9.如权利要求1至3中任一项所述的光纤激光器，其特征在于：所述泵浦源为两个。
10.如权利要求1至3中任一项所述的光纤激光器，其特征在于：其输出的激光脉冲的脉宽小于50fs。
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