CN110957627A - 一种高功率2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器 - Google Patents

一种高功率2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高功率2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器，立足于全光纤结构，使得光纤激光器具有结构紧凑、集成度高、稳定性好、转换效率高等优点，对工作环境中的振动等干扰因素不敏感，大大提高了激光器运行的稳定性和可靠性，适于工业化量产；同时，本发明利用光纤脉冲展宽器进行脉冲展宽，通过管理每一级放大的非线性效应和增益光纤的热效应，可提升光转换效率，采用被动锁模的方式获得种子激光，再经过多级放大器来放大激光功率，最后通过大模场双包层掺铥光纤来对功率进一步提升，最终获得百瓦级甚至千瓦级高功率、大能量的激光脉冲输出，更加有利于大型激光系统的建造。

Description

一种高功率2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器
技术领域
本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种高功率2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器。
背景技术
近年来，高功率大能量中红外全光纤激光器在大气探测、激光医学和雷达系统等领域有着广泛的应用，尤其是2微米波段光纤激光器在材料处理、气体传感、人眼安全雷达以及中红外宽带超连续光谱等领域的应用优势，使其成为高功率光纤激光器的研究热点。通常采用主振荡功率放大技术来提高超短脉冲掺铥光纤激光器的平均功率和峰值功率。在高峰值功率条件下，受激拉曼散射、自相位调制等非线性效应极大限制了超短脉冲掺铥光纤放大器平均功率和峰值功率的进一步提升。因此，通常采用啁啾脉冲放大技术来减小光纤放大器中的非线性效应，将激光种子源的脉宽先进行展宽以降低脉冲的峰值功率、减小非线性效应、积累线性啁啾，再输入到光纤放大器中进行功率放大，最后利用压缩器引入与展宽器相反的啁啾量，复原到原来的脉冲宽度，从而获得高平均功率、高峰值功率超短激光脉冲输出。2016年，北京工业大学采用啁啾脉冲放大技术，在大模场掺铥光纤后得到了平均功率71瓦、单脉冲能量2.04微焦的激光脉冲输出；2019年，深圳大学采用主振荡功率放大技术，将种子激光经过三级放大后获得平均功率104.3瓦、单脉冲能量0.33毫焦的2微米激光脉冲输出。然而，由于光纤强烈的非线性效应限制了激光单脉冲能量的进一步提高；由于热效应积累使得光纤端面易受激光损伤；由于激光器系统全光纤化程度不够导致环境稳定性相对较差。中红外超短脉冲光纤放大的非线性和复杂性，限制了2微米波段光纤激光器平均功率的提升，影响光纤激光器的输出性能，不能满足激光在工业加工、国防工业等领域的需求，因此高的平均输出功率仍是亟需挑战的重要课题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种高功率2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器，能够获得百瓦级甚至千瓦级高功率、大能量的激光脉冲输出，具有结构紧凑、集成度高、稳定性好、转换效率高等优点。
一种2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器，包括全光纤激光振荡器10、光纤展宽器40、第一级预放大模块、第二级预放大模块以及主放大器60；
所述全光纤激光振荡器10用于产生2微米的锁模脉冲激光；
所述第一级预放大模块用于将所述锁模脉冲激光的功率进行第一次预放大；
所述光纤展宽器40用于将第一次预放大后的锁模脉冲激光进行脉冲展宽；
所述第二级预放大模块用于将脉冲展宽后的锁模脉冲激光的功率进行第二次预放大；
所述主放大器60用于将第二次预放大后的锁模脉冲激光的功率进行主放大，并将其输出。
进一步地，所述全光纤激光振荡器10包括半导体可饱和吸收镜11、第一单模掺铥光纤12、部分反射的光纤布拉格光栅13、波分复用器14、1550nm单模半导体激光器15、第二单模掺铥光纤16、光纤耦合输出器17以及第一光纤隔离器18；
所述1550nm单模半导体激光器15用于产生泵浦光，泵浦光通过波分复用器14输入并泵浦第一单模掺铥光纤12，使第一单模掺铥光纤12中产生受激辐射，得到种子光；种子光在半导体可饱和吸收镜11和光纤布拉格光栅13之间来回振荡；当种子光的增益大于损耗时，通过波分复用器14输出2微米的锁模脉冲激光；锁模脉冲激光依次通过第二单模掺铥光纤16、光纤耦合输出器17以及第一光纤隔离器18后进入所述多级预放大器；
其中，所述第二单模掺铥光纤16用于吸收后续光路的形成的反馈光；
所述光纤耦合输出器17包括两个端口，其中一个端口用于输出锁模脉冲激光，另一个端口用于探测锁模脉冲激光的稳定性；
所述第一光纤隔离器18用于隔离后续光路的形成的反馈光。
进一步地，所述第一级预放大模块包括第一级预放大器20与第二级预放大器30，第二级预放大模块包括第三级预放大器50；
所述锁模脉冲激光依次通过第一级预放大器20与第二级预放大器30进行两级预放大；
所述脉冲展宽后的锁模脉冲激光通过第三级预放大器50进行第二次预放大。
进一步地，所述第一级预放大器20包括第一多模半导体激光器21、第一光纤合束器22、第一双包层掺铥光纤23以及第一光纤隔离器24；
所述第一多模半导体激光器21用于产生第一泵浦光；
所述第一光纤合束器22用于将所述第一泵浦光和锁模脉冲激光耦合输入第一双包层掺铥光纤23；
所述第一双包层掺铥光纤23用于在第一泵浦光的泵浦下，为锁模脉冲激光提供增益介质，实现锁模脉冲激光的第一级预放大，然后将第一级预放大后的锁模脉冲激光通过所述第一光纤隔离器24进入第二级预放大器30；
所述第一光纤隔离器24用于隔离后续光路形成的反馈光。
进一步地，所述第二级预放大器30包括第二多模半导体激光器31、第二光纤合束器32、第二双包层掺铥光纤33、第一水冷板34以及第二光纤隔离器35；
所述第二多模半导体激光器31用于产生第二泵浦光；
所述第二光纤合束器32用于将所述第二泵浦光和第一级预放大后的锁模脉冲激光耦合输入第二双包层掺铥光纤33；
所述第二双包层掺铥光纤33用于在第二泵浦光的泵浦下，为第一级预放大后的锁模脉冲激光提供增益介质，实现锁模脉冲激光的第二级预放大，得到完成第一次预放大的锁模脉冲激光，然后将第一次预放大后的锁模脉冲激光通过第二光纤隔离器35进入光纤脉冲展宽器40；
所述第二光纤隔离器35用于隔离后续光路形成的反馈光；
所述第一水冷板34用于放置并冷却所述第二双包层掺铥光纤33。
进一步地，所述第三级预放大器50包括第三多模半导体激光器51、第三光纤合束器52、第三双包层掺铥光纤53、第二水冷板54以及第三光纤隔离器55；
所述第三多模半导体激光器51用于产生第三泵浦光；
所述第三光纤合束器52用于将所述第三泵浦光和脉冲展宽后的锁模脉冲激光耦合输入第三双包层掺铥光纤53；
所述第三双包层掺铥光纤53用于在第三泵浦光的泵浦下，为脉冲展宽后的锁模脉冲激光提供增益介质，实现脉冲展宽后的锁模脉冲激光的第三级预放大，得到完成第二次预放大的锁模脉冲激光，然后将完成第二次预放大后的锁模脉冲激光通过第三光纤隔离器55进入主放大器60；
所述第三光纤隔离器55用于隔离后续光路形成的反馈光；
所述第二水冷板54用于放置并冷却所述第三双包层掺铥光纤53。
进一步地，所述主放大器60包括环形器61、第四光纤合束器62、第四多模半导体激光器63、大模场双包层掺铥光纤64、第三水冷板65、大模场双包层无源光纤66；
所述第四多模半导体激光器63用于产生第四泵浦光；
所述环形器61用于将第二次预放大后的锁模脉冲激光转发至第四光纤合束器62，并用于隔离后续光路的形成的反馈光；
所述第四光纤合束器62用于将所述第三泵浦光和脉冲展宽后的锁模脉冲激光耦合输入大模场双包层掺铥光纤64；
所述大模场双包层掺铥光纤64用于在第四泵浦光的泵浦下，为第二次预放大后的锁模脉冲激光提供增益介质，实现锁模脉冲激光的主放大；
所述大模场双包层无源光纤66用于输出主放大后的锁模脉冲激光；
所述第三水冷板65用于放置并冷却所述大模场双包层掺铥光纤64。
有益效果：
本发明提供一种高功率2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器，立足于全光纤结构，使得光纤激光器具有结构紧凑、集成度高、稳定性好、转换效率高等优点，对工作环境中的振动等干扰因素不敏感，大大提高了激光器运行的稳定性和可靠性，适于工业化量产；同时，本发明利用光纤脉冲展宽器进行脉冲展宽，通过管理每一级放大的非线性效应和增益光纤的热效应，可提升光转换效率，采用被动锁模的方式获得种子激光，再经过多级放大器来放大激光功率，最后通过大模场双包层掺铥光纤来对功率进一步提升，最终获得百瓦级甚至千瓦级高功率、大能量的激光脉冲输出，更加有利于大型激光系统的建造。
附图说明
图1为本发明提供的一种2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器的结构示意图；
图2为本发明提供的全光纤激光振荡器的结构示意图；
图3为本发明提供的第一级预放大器的结构示意图；
图4为本发明提供的第二级预放大器的结构示意图；
图5为本发明提供的第三级预放大器的结构示意图；
图6为本发明提供的光纤展宽器的结构示意图；
图7为本发明提供的主放大器的结构示意图；
10-全光纤激光振荡器、11-半导体可饱和吸收镜、12-第一单模掺铥光纤、13-光纤布拉格光栅、14-波分复用器、15-单模半导体激光器、16-第二单模掺铥光纤、17-光纤耦合输出器、18-第一光纤隔离器、20-第一级预放大器、21-第一多模半导体激光器、22-第一光纤合束器、23-第一双包层掺铥光纤、24-第一光纤隔离器、30-第二级预放大器、31-第二多模半导体激光器、32-第二光纤合束器、33-第二双包层掺铥光纤、34-第一水冷板35-第二光纤隔离器、40-光纤脉冲展宽器、41-高数值孔径单模光纤、50-第三级预放大器、51-第三多模半导体激光器、52-第三光纤合束器、53-第三双包层掺铥光纤、54-第二水冷板、55-第三光纤隔离器、60-第四级主放大器、61-环形器、62-第四光纤合束器、63-第四多模半导体激光器、64-大模场双包层掺铥光纤、65-第三水冷板、66-大模场双包层无源光纤。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本申请方案，下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。
参见图1，该图为本发明提供的一种2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器的结构示意图。一种2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器，包括全光纤激光振荡器10、光纤展宽器40、第一级预放大模块、第二级预放大模块以及主放大器60；
所述全光纤激光振荡器10用于产生2微米的锁模脉冲激光；
所述第一级预放大模块用于将所述锁模脉冲激光的功率进行第一次预放大；其中，第一次预放大后，锁模脉冲激光的功率可以提高到第一设定值；
所述光纤展宽器40用于将第一次预放大后，即功率提高到第一设定值的锁模脉冲激光进行脉冲展宽；
所述第二级预放大模块用于将脉冲展宽后的锁模脉冲激光的功率进行第二次预放大；其中，第二次预放大后，脉冲展宽后的锁模脉冲激光的功率可以提高到第二设定值；
所述主放大器60用于将第二次预放大后，即功率已提高到第二设定值的锁模脉冲激光进行主放大，并将其输出；其中，主放大后，锁模脉冲激光的功率将继续提高到第三设定值。
例如，第一设定值为5W，第二设定值为20W，第三设定值为100W以上。
参见图2，该图为本发明提供的全光纤激光振荡器的结构示意图。所述全光纤激光振荡器10包括半导体可饱和吸收镜11、第一单模掺铥光纤12、部分反射的光纤布拉格光栅13、波分复用器14、1550nm单模半导体激光器15、第二单模掺铥光纤16、光纤耦合输出器17以及第一光纤隔离器18；
所述1550nm单模半导体激光器15用于产生泵浦光，泵浦光通过波分复用器14输入并泵浦第一单模掺铥光纤12，使第一单模掺铥光纤12中产生受激辐射，得到种子光；种子光在半导体可饱和吸收镜11和光纤布拉格光栅13之间来回振荡；当种子光的增益大于损耗时，通过波分复用器14输出2微米的锁模脉冲激光；锁模脉冲激光依次通过第二单模掺铥光纤16、光纤耦合输出器17以及第一光纤隔离器18后进入所述多级预放大器；
其中，所述第二单模掺铥光纤16用于吸收后续光路的形成的反馈光；
所述光纤耦合输出器17包括两个端口，其中一个端口用于输出锁模脉冲激光，另一个端口用于探测锁模脉冲激光的稳定性；
所述第一光纤隔离器18用于隔离后续光路的形成的反馈光。
由此可见，全光纤激光振荡器10各光学器件的连接关系和工作原理为：沿光路依次设置半导体可饱和吸收镜11、第一单模掺铥光纤12、部分反射的光纤布拉格光栅13、波分复用器14、第二单模掺铥光纤16、光纤耦合输出器17和第一光纤隔离器18，以及与波分复用器14通过光纤连接的单模半导体激光器15，在线型腔中，全反的半导体可饱和吸收镜11作为谐振腔的一个腔镜，部分反射的光纤布拉格光栅13作为谐振腔的另外一个腔镜，起到波长选择的作用，同时可作为分束器将一部分信号光留在谐振腔内继续振荡，另一部分信号光输出给下一级，其封装方式采用全光纤化封装方式，且在实验中试验可行。单模半导体激光器15利用纤芯泵浦的方式通过波分复用器14耦合进腔内对第一单模掺铥光纤12进行泵浦，产生稳定的种子锁模激光脉冲，第二单模掺铥光纤16用于吸收下一级带来的反馈光，部分锁模种子激光脉冲经光纤耦合输出器17输出端连接有光电探头，用来监测种子振荡器的稳定性，第一光纤隔离器18避免后向反馈光对振荡器造成损害。
需要说明的是，全光纤激光振荡器的半导体可饱和吸收镜调制深度、第一单模掺铥光纤长度、部分反射的光纤布拉格光栅反射率、第二单模掺铥光纤长度、光纤耦合输出器分束比等可根据实际情况与种子激光的脉冲特性、泵浦功率等有关进行调节。进一步，所述全光纤激光振荡器除了采用如图2所示的结构以外，还可以为非保偏半导体可饱和吸收镜激光振荡器或保偏半导体可饱和吸收镜激光振荡器；其中，单模半导体激光器的中心波长为1550nm，1550nm的泵浦光泵浦掺铥光纤后，即可得到波长为2微米的锁模脉冲激光。
需要说明的是，如果每一级预放大模块放大的功率过高，非线性效应就会越强，因此，把每一级预放大模块放大的功率降低一些，通过多级放大，能够降低非线性效应；进一步地，所述第一级预放大模块包括第一级预放大器20与第二级预放大器30，第二级预放大模块包括第三级预放大器50；
所述锁模脉冲激光依次通过第一级预放大器20与第二级预放大器30进行两级预放大，从而完成第一次预放大，得到功率提高到第一设定值的锁模脉冲激光；
所述脉冲展宽后的锁模脉冲激光通过第三级预放大器50进行第二次预放大，得到功率提高到第二设定值的锁模脉冲激光。
因此，若第一级预放大模块包括以上两级预放大器，而第二级预放大模块仅包括以上一级预放大器，则本发明2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器的工作原理为：全光纤激光振荡器用于产生稳定的锁模脉冲种子激光，第一级预放大器用于将种子激光进行第一级预放大，并将第一级预放大后的激光输出到第二级预放大器；第二级预放大器用于将第一级预放大激光进行功率放大，产生满足功率要求的第二级预放大激光；光纤脉冲展宽器用于将第二级预放大激光脉冲进行展宽，以防止过高的峰值功率打坏器件；第三级预放大器用于放大脉冲经过展宽后的激光，产生第三级预放大光；第四级主放大器用于对第三级预放大光进行高功率放大，最终输出2微米波段高功率激光。
需要说明的是，第一级预放大模块也可采用三级预放大器或四级预放大器等将所述锁模脉冲激光的功率提高到第一设定值，第二级预放大模块也可以用于两级预放大器或三级预放大器甚至更多级将脉冲展宽后的锁模脉冲激光的功率提高到第二设定值，只要能将锁模脉冲激光功率提高到第一设定值和第二设定值，且非线性效应尽量低即可，本实施例对此不作赘述。
参见图3，该图本发明提供的第一级预放大器的结构示意图。所述第一级预放大器20包括第一多模半导体激光器21、第一光纤合束器22、第一双包层掺铥光纤23以及第一光纤隔离器24；
所述第一多模半导体激光器21用于产生第一泵浦光；
所述第一光纤合束器22用于将所述第一泵浦光和锁模脉冲激光耦合输入第一双包层掺铥光纤23；
所述第一双包层掺铥光纤23用于在第一泵浦光的泵浦下，为锁模脉冲激光提供增益介质，实现锁模脉冲激光的第一级预放大，然后将第一级预放大后的锁模脉冲激光通过所述第一光纤隔离器24进入第二级预放大器30；
所述第一光纤隔离器24用于隔离后续光路形成的反馈光。
由此可见，第一级预放大器20各光学器件的连接关系和工作原理为：沿光路依次设置第一光纤合束器22、第一双包层掺铥光纤23和第一光纤隔离器24，以及与第一光纤合束器22通过光纤连接的第一多模半导体激光器21，第一多模半导体激光器21通过第一光纤合束器22耦合进光路泵浦第一双包层掺铥光纤23，产生增益形成激光放大，随后熔接第一光纤隔离器24用于避免光路中的后向传输光对器件及系统造成的不良影响。
参见图4，该图为本发明提供的第二级预放大器的结构示意图。所述第二级预放大器30包括第二多模半导体激光器31、第二光纤合束器32、第二双包层掺铥光纤33、第一水冷板34以及第二光纤隔离器35；
所述第二多模半导体激光器31用于产生第二泵浦光；
所述第二光纤合束器32用于将所述第二泵浦光和第一级预放大后的锁模脉冲激光耦合输入第二双包层掺铥光纤33；
所述第二双包层掺铥光纤33用于在第二泵浦光的泵浦下，为第一级预放大后的锁模脉冲激光提供增益介质，实现锁模脉冲激光的第二级预放大，得到完成第一次预放大，即功率提高到第一设定值的锁模脉冲激光，然后将第一次预放大后的锁模脉冲激光通过第二光纤隔离器35进入光纤脉冲展宽器40；
所述第二光纤隔离器35用于隔离后续光路形成的反馈光；
所述第一水冷板34用于放置并冷却所述第二双包层掺铥光纤33。
由此可见，第二级预放大器30各光学器件的连接关系和工作原理为：第二多模半导体激光器31与第二光纤合束器32通过光纤连接来输入泵浦激光，第二光纤合束器32的输出光纤尾纤与第二双包层掺铥光纤33熔接，产生增益形成激光放大，其后连接第二光纤隔离器35来防止后向反馈光对系统的损害，其中第一水冷板34用于冷却第二双包层掺铥光纤33，具体的，可以直接将第一水冷板34置于第二双包层掺铥光纤33下方。
参见图5，该图为本发明提供的第三级预放大器的结构示意图。所述第三级预放大器50包括第三多模半导体激光器51、第三光纤合束器52、第三双包层掺铥光纤53、第二水冷板54以及第三光纤隔离器55；
所述第三多模半导体激光器51用于产生第三泵浦光；
所述第三光纤合束器52用于将所述第三泵浦光和脉冲展宽后的锁模脉冲激光耦合输入第三双包层掺铥光纤53；
所述第三双包层掺铥光纤53用于在第三泵浦光的泵浦下，为脉冲展宽后的锁模脉冲激光提供增益介质，实现脉冲展宽后的锁模脉冲激光的第三级预放大，得到完成第二次预放大，即功率提高到第二设定值的锁模脉冲激光，然后将完成第二次预放大后的锁模脉冲激光通过第三光纤隔离器55进入主放大器60；
所述第三光纤隔离器55用于隔离后续光路形成的反馈光；
所述第二水冷板54用于放置并冷却所述第三双包层掺铥光纤53。
由此可见，第三级预放大器50各光学器件的连接关系和工作原理为：第三多模半导体激光器51与第三光纤合束器52通过光纤连接来输入泵浦激光，第三光纤合束器52的输出光纤尾纤与第三双包层掺铥光纤53熔接，产生增益形成激光放大，其后连接第三光纤隔离器55来防止后向反馈光对系统的损害，其中第二水冷板54用于冷却第三双包层掺铥光纤53，具体的，可以直接将第二水冷板54置于第三双包层掺铥光纤53下方。
需要说明的是，本发明所采用的双包层掺铥光纤为非保偏双包层掺铥光纤或保偏双包层掺铥光纤；所采用的光纤隔离器为非保偏光纤隔离器或保偏光纤隔离器。
参见图6，该图为本发明提供的光纤展宽器的结构示意图。可选的，光纤展宽器40采用高数值孔径单模光纤41实现，能够降低峰值功率和提高非线性效应的阈值。
参见图7，该图为本发明提供的主放大器的结构示意图。所述主放大器60包括环形器61、第四光纤合束器62、第四多模半导体激光器63、大模场双包层掺铥光纤64、第三水冷板65、大模场双包层无源光纤66；
所述第四多模半导体激光器63用于产生第四泵浦光；
所述环形器61用于将完成第二次预放大后，即功率提高到第二设定值的锁模脉冲激光转发至第四光纤合束器62，并用于隔离后续光路的形成的反馈光；也就是说，环形器61除了起到转发锁模脉冲激光的作用外，还用于检测主放大器60是否有反馈光，以防止反馈光造成系统的影响；
所述第四光纤合束器62用于将所述第三泵浦光和脉冲展宽后的锁模脉冲激光耦合输入大模场双包层掺铥光纤64；可选的，大模场双包层掺铥光纤62为非保偏双包层掺铥光纤、保偏双包层掺铥光纤或光子晶体光纤；
所述大模场双包层掺铥光纤64用于在第四泵浦光的泵浦下，为第二次预放大后，即功率提高到第二设定值的锁模脉冲激光提供增益介质，实现锁模脉冲激光的主放大，最终得到功率提高到第三设定值的锁模脉冲激光；
所述大模场双包层无源光纤66用于输出功率提高到第三设定值的锁模脉冲激光；可选的，大模场双包层无源光纤66为非保偏双包层无源光纤或保偏双包层无源光纤；
所述第三水冷板65用于放置并冷却所述大模场双包层掺铥光纤64。
由此可见，主放大器60各光学器件的连接关系和工作原理为：环形器61用于监测后向反馈光，第四多模半导体激光器63与第四光纤合束器62进行低损耗光纤熔接，第四光纤合束器62的输出信号光纤与大模场双包层掺铥光纤64熔接，第三水冷板65用于冷却大模场双包层掺铥光纤64，大模场双包层掺铥光纤64后熔接大模场双包层无源光纤66并切八度角以防止反馈和不必要的增益纤切割，最后产生高功率大能量的激光。
本发明的具体工作过程为：
在种子线型腔结构中，波分复用器14通过光纤连接的单模半导体激光器15耦合到谐振腔内，利用纤芯泵浦的方式，对第一单模掺铥光纤12进行泵浦，在全反的半导体可饱和吸收镜11与部分反射的光纤布拉格光栅13中来回振荡产生锁模激光，其中半导体可饱和吸收镜11封装方式采用全光纤化封装方式。其中部分反射的光纤布拉格光栅13可作为分束器将一部分信号光留在谐振腔内继续振荡，另一部分信号光输出给下一级。第二单模掺铥光纤16用于吸收下一级预放大器带来的反馈光，通过光纤耦合输出器17其中一个输出端连接有光电探头来监测锁模脉冲激光的稳定性，另一部分锁模脉冲激光则通过另一个输出端耦合输出，其后通过熔接第一光纤隔离器18避免后向反馈光对全光纤激光振荡器10造成损害，最终实现稳定的自锁模运转。
第一级预放大器20来放大种子激光的功率。第一多模半导体激光器21通过第一光纤合束器22耦合进光路泵浦第一双包层掺铥光纤23，产生增益形成激光放大，形成第一级预放大光。随后熔接第二光纤隔离器24用在光路中避免光路中的后向传输光对器件及系统造成的不良影响。
第二级预放大器30继续对第一级预放大光进行功率放大。第二多模半导体激光器31与第二光纤合束器32通过光纤连接来输入泵浦激光，进而泵浦第二双包层掺铥光纤33，产生增益形成激光放大，形成第二级预放大光。同时用第一水冷板34来冷却第二双包层掺铥光纤33，用第二光纤隔离器35来防止后向反馈光对系统的损害。
光纤脉冲展宽器40为高数值孔径单模光纤41，用来展宽第二级预放大光的脉冲宽度，以降低峰值功率和提高非线性效应的阈值。
第三级预放大器50作为中间级，用来提高展宽后脉冲激光的输出功率，保证较好的激光光束质量，为主放大级提供优质光源。第三泵浦多模半导体激光器51与第三光纤合束器52通过光纤连接耦合进入光路，来泵浦第三双包层掺铥光纤53，同时用第二水冷板54来冷却第三双包层掺铥光纤53，产生增益形成激光放大，形成第三级预放大光。其后连接第三光纤隔离器55来防止后向反馈光对系统的损害。
第四级主放大器60作为全光纤掺铥脉冲激光的最终输出端，目的主要是实现锁模脉冲激光的高功率放大。用环形器61来监测后向反馈光，防止不利的反馈光对前级放大系统造成不良影响，第四多模半导体激光器63通过第四光纤合束器62耦合进入光路，进而泵浦大模场双包层掺铥光纤64，同时第三水冷板65用于冷却大模场双包层掺铥光纤64，具体可以将第三水冷板65置于大模场双包层掺铥光纤64下面，大模场双包层掺铥光纤64后熔接大模场双包层无源光纤66并切八度角以防止不必要的增益纤切割和不利的反馈光形成，最后产生高功率大能量的激光输出。
中红外波段高功率皮秒掺铥光纤激光器多用于工业加工、生物医疗、军事国防等领域，对激光脉冲的功率通常具有非常高的要求，而要想获得高功率脉冲输出，多采用啁啾脉冲放大技术来获得，通过将脉冲在时域上进行展宽，先降低峰值功率，再有效的进行功率放大，最后压缩回原来的脉宽，以实现高功率的脉冲输出。本发明立足于全光纤结构，采用啁啾脉冲放大技术，通过掺铥光纤提供增益，最后用大模场双包层掺铥光纤进行功率的主放大，经过逐级放大，可实现百瓦级的功率输出、皮秒级的脉宽输出，可作为高功率、宽光谱的超连续谱光源的泵浦源。本发明采用了非保偏光纤结构，还可以用保偏光纤结构来实现。由于系统的全光纤结构，使得掺铥激光器小巧紧凑，具有结构紧凑、集成度高、稳定性好以及转换效率高等优点。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器，其特征在于，包括全光纤激光振荡器(10)、光纤展宽器(40)、第一级预放大模块、第二级预放大模块以及主放大器(60)；
所述全光纤激光振荡器(10)用于产生2微米的锁模脉冲激光；
所述第一级预放大模块用于将所述锁模脉冲激光的功率进行第一次预放大；
所述光纤展宽器(40)用于将第一次预放大后的锁模脉冲激光进行脉冲展宽；
所述第二级预放大模块用于将脉冲展宽后的锁模脉冲激光的功率进行第二次预放大；
所述主放大器(60)用于将第二次预放大后的锁模脉冲激光的功率进行主放大，并将其输出。
2.如权利要求1所述的一种2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器，其特征在于，所述全光纤激光振荡器(10)包括半导体可饱和吸收镜(11)、第一单模掺铥光纤(12)、部分反射的光纤布拉格光栅(13)、波分复用器(14)、1550nm单模半导体激光器(15)、第二单模掺铥光纤(16)、光纤耦合输出器(17)以及第一光纤隔离器(18)；
所述1550nm单模半导体激光器(15)用于产生泵浦光，泵浦光通过波分复用器(14)输入并泵浦第一单模掺铥光纤(12)，使第一单模掺铥光纤(12)中产生受激辐射，得到种子光；种子光在半导体可饱和吸收镜(11)和光纤布拉格光栅(13)之间来回振荡；当种子光的增益大于损耗时，通过波分复用器(14)输出2微米的锁模脉冲激光；锁模脉冲激光依次通过第二单模掺铥光纤(16)、光纤耦合输出器(17)以及第一光纤隔离器(18)后进入所述多级预放大器；
其中，所述第二单模掺铥光纤(16)用于吸收后续光路的形成的反馈光；
所述光纤耦合输出器(17)包括两个端口，其中一个端口用于输出锁模脉冲激光，另一个端口用于探测锁模脉冲激光的稳定性；
所述第一光纤隔离器(18)用于隔离后续光路的形成的反馈光。
3.如权利要求1所述的一种2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器，其特征在于，所述第一级预放大模块包括第一级预放大器(20)与第二级预放大器(30)，第二级预放大模块包括第三级预放大器(50)；
所述锁模脉冲激光依次通过第一级预放大器(20)与第二级预放大器(30)进行两级预放大；
所述脉冲展宽后的锁模脉冲激光通过第三级预放大器(50)进行第二次预放大。
4.如权利要求3所述的一种2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器，其特征在于，所述第一级预放大器(20)包括第一多模半导体激光器(21)、第一光纤合束器(22)、第一双包层掺铥光纤(23)以及第一光纤隔离器(24)；
所述第一多模半导体激光器(21)用于产生第一泵浦光；
所述第一光纤合束器(22)用于将所述第一泵浦光和锁模脉冲激光耦合输入第一双包层掺铥光纤(23)；
所述第一双包层掺铥光纤(23)用于在第一泵浦光的泵浦下，为锁模脉冲激光提供增益介质，实现锁模脉冲激光的第一级预放大，然后将第一级预放大后的锁模脉冲激光通过所述第一光纤隔离器(24)进入第二级预放大器(30)；
所述第一光纤隔离器(24)用于隔离后续光路形成的反馈光。
5.如权利要求4所述的一种2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器，其特征在于，所述第二级预放大器(30)包括第二多模半导体激光器(31)、第二光纤合束器(32)、第二双包层掺铥光纤(33)、第一水冷板(34)以及第二光纤隔离器(35)；
所述第二多模半导体激光器(31)用于产生第二泵浦光；
所述第二光纤合束器(32)用于将所述第二泵浦光和第一级预放大后的锁模脉冲激光耦合输入第二双包层掺铥光纤(33)；
所述第二双包层掺铥光纤(33)用于在第二泵浦光的泵浦下，为第一级预放大后的锁模脉冲激光提供增益介质，实现锁模脉冲激光的第二级预放大，得到完成第一次预放大的锁模脉冲激光，然后将第一次预放大后的锁模脉冲激光通过第二光纤隔离器(35)进入光纤脉冲展宽器(40)；
所述第二光纤隔离器(35)用于隔离后续光路形成的反馈光；
所述第一水冷板(34)用于放置并冷却所述第二双包层掺铥光纤(33)。
6.如权利要求3所述的一种2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器，其特征在于，所述第三级预放大器(50)包括第三多模半导体激光器(51)、第三光纤合束器(52)、第三双包层掺铥光纤(53)、第二水冷板(54)以及第三光纤隔离器(55)；
所述第三多模半导体激光器(51)用于产生第三泵浦光；
所述第三光纤合束器(52)用于将所述第三泵浦光和脉冲展宽后的锁模脉冲激光耦合输入第三双包层掺铥光纤(53)；
所述第三双包层掺铥光纤(53)用于在第三泵浦光的泵浦下，为脉冲展宽后的锁模脉冲激光提供增益介质，实现脉冲展宽后的锁模脉冲激光的第三级预放大，得到完成第二次预放大的锁模脉冲激光，然后将完成第二次预放大后的锁模脉冲激光通过第三光纤隔离器(55)进入主放大器(60)；
所述第三光纤隔离器(55)用于隔离后续光路形成的反馈光；
所述第二水冷板(54)用于放置并冷却所述第三双包层掺铥光纤(53)。
7.如权利要求1所述的一种2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器，其特征在于，所述主放大器(60)包括环形器(61)、第四光纤合束器(62)、第四多模半导体激光器(63)、大模场双包层掺铥光纤(64)、第三水冷板(65)、大模场双包层无源光纤(66)；
所述第四多模半导体激光器(63)用于产生第四泵浦光；
所述环形器(61)用于将第二次预放大后的锁模脉冲激光转发至第四光纤合束器(62)，并用于隔离后续光路的形成的反馈光；
所述第四光纤合束器(62)用于将所述第三泵浦光和脉冲展宽后的锁模脉冲激光耦合输入大模场双包层掺铥光纤(64)；
所述大模场双包层掺铥光纤(64)用于在第四泵浦光的泵浦下，为第二次预放大后的锁模脉冲激光提供增益介质，实现锁模脉冲激光的主放大；
所述大模场双包层无源光纤(66)用于输出主放大后的锁模脉冲激光；
所述第三水冷板(65)用于放置并冷却所述大模场双包层掺铥光纤(64)。
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