CN111600184A - 短腔激光器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种短腔激光器中，包括激光泵浦源；稀土离子掺杂光纤，包括第一端面和相对于第一端面的第二端面；第一端面镀有宽带介质膜；第二端面镀有高反介质膜；半导体可饱和吸收镜，直接接触高反介质膜；波分复用器，包括公共端和泵浦端；泵浦端连接激光泵浦源；公共端直接接触宽带介质膜。本申请采用宽带介质膜集成于稀土离子掺杂光纤抛光端面的泵浦耦合方式，以及将高反介质膜集成于稀土离子掺杂光纤另一抛光端面的方式，从而解决反射带宽有限、反射窗口不平坦和易受环境影响等问题，以及增加脉冲重复率过程中存在的泵浦光残留问题，进而可提高泵浦效率，降低短腔激光器的热效应，并改善输出脉冲的长期稳定性。

Description

短腔激光器

技术领域

本申请涉及光纤激光技术领域，特别是涉及一种短腔激光器。

背景技术

随着光纤激光技术的发展，出现了超短脉冲激光技术。目前，超短脉冲激光已经在精准医疗、高端制造、基础研究、国防科技等领域得到了广泛的应用，特别是重复频率达到GHz(吉赫兹)量级的高重复频率的脉冲激光，其以极短的脉冲时延、极大的纵模间隔增加了在具体应用中高重复频率脉冲激光器的竞争力。

在激光加工领域，当相邻激光脉冲的时间间隔与材料的热弛豫时间相当时，材料的烧蚀过程会进入“烧蚀冷却”区间，该区间的存在不仅能降低热弛豫过程造成的能量损失，减少加工能耗，还能抑制热应力导致的加工面粗糙程度，提高加工精度。而在精密光学领域，增大的脉冲纵模间距特性提高了对脉冲独立纵模的操控性，极大地促进了天文光学频率梳、精密光谱学、光任意波形发生器等前沿领域的发展。

在被动谐波锁模、主动锁模、高重频固体激光器、高重频半导体激光器等获取高重复频率脉冲激光的方案中，全光纤被动基频锁模激光器因其结构紧凑、成本低廉、鲁棒性优异、光束质量好等优势，成为众多实际应用的最佳选择。在全光纤锁模结构中，环形结构受到谐振腔中器件的限制，脉冲重复频率的增加空间有限，虽然谐振腔外重复频率加倍的技术能够进一步增加脉冲的重复频率，但是需要额外引入控制技术以减少脉冲件的强度抖动，增加了整体结构的复杂性。而线性法布里-珀罗结构能够有效避免因腔内器件而引入的腔长限制，增加激光脉冲的重复频率拓展性。

然而，在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：传统激光器在增加激光脉冲重复频率的过程中，存在输出脉冲长期稳定性差的问题。

发明内容

基于此，有必要针对传统激光器存在的脉冲稳定性差的技术问题，提供一种能够提高输出脉冲长期稳定性的短腔激光器。

在一个实施例中，一种短腔激光器，包括：

激光泵浦源；

稀土离子掺杂光纤，包括第一端面和相对于第一端面的第二端面；第一端面镀有宽带介质膜；第二端面镀有高反介质膜；

半导体可饱和吸收镜，直接接触高反介质膜；

波分复用器，包括公共端和泵浦端；泵浦端连接激光泵浦源；公共端直接接触宽带介质膜。

在其中一个实施例中，泵浦端与激光泵浦源之间通过光纤熔接连接。

在其中一个实施例中，半导体可饱和吸收镜包括反射装置和连接反射装置的散热基底；反射装置直接接触高反介质膜。

在其中一个实施例中，宽带介质膜为具有啁啾型或非啁啾型的多层介质膜结构。

在其中一个实施例中，宽带介质膜的反射率为70％到99％。

在其中一个实施例中，高反介质膜的反射率大于95％。

在其中一个实施例中，半导体可饱和吸收镜的调制深度为1％至10％。

在其中一个实施例中，稀土离子掺杂光纤的长度为1厘米到10厘米。

在其中一个实施例中，稀土离子掺杂光纤中掺杂的稀土离子包括镱、铒、铥和钬中的任意一种或任意组合。

在其中一个实施例中，还包括金属套管；稀土离子掺杂光纤设于金属套管内。

上述短腔激光器中，包括激光泵浦源；稀土离子掺杂光纤，包括第一端面和相对于第一端面的第二端面；第一端面镀有宽带介质膜；第二端面镀有高反介质膜；半导体可饱和吸收镜，直接接触高反介质膜；波分复用器，包括公共端和泵浦端；泵浦端连接激光泵浦源；公共端直接接触宽带介质膜。本申请采用宽带介质膜集成于稀土离子掺杂光纤抛光端面的泵浦耦合方式，以及将高反介质膜集成于稀土离子掺杂光纤另一抛光端面的方式，从而解决反射带宽有限、反射窗口不平坦和易受环境影响等问题，以及增加脉冲重复率过程中存在的泵浦光残留问题，进而可提高泵浦效率，降低短腔激光器的热效应，并改善输出脉冲的长期稳定性。

附图说明

通过附图中所示的本申请的优选实施例的更具体说明，本申请的上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本申请的主旨。

图1为一个实施例中短腔激光器的第一结构示意图；

图2为一个实施例中短腔激光器的第二结构示意图。

附图标记说明：

100、激光泵浦源；200、稀土离子掺杂光纤；300、宽带介质膜；400、高反介质膜；500、半导体可饱和吸收镜；600、波分复用器；700、金属套管。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在... 下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90 度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该/其”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和 /或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

正如背景技术所述，现有技术中的短腔激光器有输出脉冲长期稳定性差问题，经发明人研究发现，出现这种问题的原因在于，当传统激光器的激光谐振腔为线性腔结构时，一般采用光纤光栅耦合进行实现，但是采用光纤光栅进行实现时会存在反射带宽有限、反射窗口难以做平坦、易受环境所影响等缺点。同时，在增加激光脉冲重复频率的过程中，激光谐振腔内增益光纤的减少会导致泵浦吸收不完全的问题，激光谐振腔内的可饱和吸收体因为吸收残留泵浦光而影响输出脉冲的长期稳定性。

基于以上原因，本发明提供了一种短腔激光器方案，采用宽带介质膜集成于稀土离子掺杂光纤抛光端面的泵浦耦合方式，以及将高反介质膜集成于稀土离子掺杂光纤另一抛光端面的方式，从而解决反射带宽有限、反射窗口不平坦和易受环境影响等问题，以及增加脉冲重复率过程中存在的泵浦光残留问题，进而可提高泵浦效率，降低短腔激光器的热效应，并改善输出脉冲的长期稳定性。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种短腔激光器，包括：

激光泵浦源100；

稀土离子掺杂光纤200，包括第一端面和相对于第一端面的第二端面；第一端面镀有宽带介质膜300；第二端面镀有高反介质膜400；

半导体可饱和吸收镜500，直接接触高反介质膜400；

波分复用器600，包括公共端和泵浦端；泵浦端连接激光泵浦源100；公共端直接接触宽带介质膜300。

具体地，本申请中的短腔激光器包括激光泵浦源100、稀土例子掺杂光纤、半导体可饱和吸收经和波分复用器600。其中，激光泵浦源100可以是用于对激光工作物质进行激励，从而将激光粒子从基态抽运到高能级，实现粒子数反转。激光泵浦源100可以通过任意类型、任意型号的泵浦源进行实现，其输出的泵浦光的波长可以根据设计需求，如稀土离子掺杂光纤200的吸收波长进行确定，本申请并不对此作出具体限制。

进一步地，激光泵浦源100可以为光纤激光器、固体激光器或者半导体激光器等，泵浦光的波长范围可以为808纳米到1570纳米。示例性地，泵浦光的波长值可以为808纳米、915纳米、976纳米、1480纳米、1570纳米等。在一个具体的示例中，激光泵浦源100可以采用常见的激光二极管，和/或泵浦光的波长值为976纳米。

稀土离子掺杂光纤200可以为高浓度稀土离子掺杂光纤200，可作为增益光纤，用于根据泵浦光产生并放大信号光。高反介质膜400可以为对泵浦光具备高反射率的介质膜，用于反射残留的泵浦光。半导体可饱和吸收镜500的透射率可随光强的变化而改变，用于吸收低强度的激光并反射高强度的激光，通过其损耗机制，实现将杂乱的多脉冲调制为有规律的超短脉冲串。波分复用器600 可以用于将不同波长的激光进行合成，并得到一束激光信号。

具体而言，稀土离子掺杂光纤200包括相对的第一端和第二端，第一端面为第一端所在平面，第二端面为第二端所在平面。稀土离子掺杂光纤200的第一端面和第二端面可经镜面抛光处理。宽带介质膜300镀于第一端面上，高反介质膜400镀于第二端面上。进一步地，宽带介质膜300和高反介质膜400可通过任意镀膜技术分别镀在第一端面和第二端面上，且二者所采用的镀膜技术并无必然联系，也即可采用相同或不用的镀膜技术将宽带介质膜300和高反介质膜400分别镀在第一端面和第二端面上。示例性地，宽带介质膜300可通过真空镀膜技术镀在第一端面上，高反介质膜400可通过真空镀膜技术镀在第二端面上。

宽带介质膜300可视为第一光纤型反射镜，高反介质膜400可视为第二光纤型反射镜。高反介质膜400可直接接触半导体可饱和吸收镜500，即半导体可饱和吸收镜500和高反介质膜400之间可采用直接端面接触。波分复用器600 包括公共端和泵浦端，波分复用器600的公共端可直接接触宽带介质膜300，也即宽带介质膜300和波分复用器600之间可采用直接端面接触。波分复用器600 的泵浦端连接激光泵浦源100。

分别在两端镀有宽带介质膜300和高反介质膜400的稀土离子掺杂光纤200、宽带介质膜300和半导体可饱和吸收镜500构成激光谐振腔，半导体可饱和吸收镜500可作为激光谐振腔的锁模元件。激光泵浦源100产生的泵浦光通过宽带介质膜300耦合进入激光谐振腔，泵浦光在激光谐振腔内来回反射，以得到高重复频率的锁模脉冲激光。激光谐振腔产生的高重复频率的锁模脉冲激光通过宽带介质膜300耦合出激光谐振腔。输出的锁模脉冲激光经波分复用器600 进行多波段合成后输出短腔激光器。

上述短腔激光器中，包括激光泵浦源100；稀土离子掺杂光纤200，包括第一端面和相对于第一端面的第二端面；第一端面镀有宽带介质膜300；第二端面镀有高反介质膜400；半导体可饱和吸收镜500，直接接触高反介质膜400；波分复用器600，包括公共端和泵浦端；泵浦端连接激光泵浦源100；公共端直接接触宽带介质膜300。本申请采用宽带介质膜300集成于稀土离子掺杂光纤200 抛光端面的泵浦耦合方式，以及将高反介质膜400集成于稀土离子掺杂光纤200 另一抛光端面的方式，从而解决反射带宽有限、反射窗口不平坦和易受环境影响等问题，以及增加脉冲重复率过程中存在的泵浦光残留问题，进而可提高泵浦效率，降低短腔激光器的热效应，并改善输出脉冲的长期稳定性。

在一个实施例中，泵浦端与激光泵浦源100之间通过光纤熔接连接。

具体地，波分复用器600的泵浦端连接激光泵浦源100，泵浦端和激光泵浦源100可以光纤熔接的方式进行连接，采用熔纤机等设备，连接光纤和光纤或者连接光纤和尾纤，通过将其融合在一起从而可变为一整体。进一步地，泵浦端可与激光泵浦源100的尾纤以光纤熔接的方式进行连接。

上述短腔激光器中，波分复用器600的泵浦端与激光泵浦源100之间通过光纤熔接连接，从而可提高波分复用器600与激光泵浦源100之间的连接质量，并减低接续损耗小。

在一个实施例中，半导体可饱和吸收镜500包括反射装置和连接反射装置的散热基底；反射装置直接接触高反介质膜400。

具体地，半导体可饱和吸收镜500可包括反射装置和散热基座。其中，反射装置可以为反射镜和半导体可饱和吸收体的组合，可通过任意能实现透射率可随光强的变化而改变，用于吸收低强度的激光并反射高强度的激光的结构进行实现，本申请对此并不做出具体限制。

进一步地，反射装置可以包括第一半导体反射镜和吸收体薄膜，吸收体薄膜形成于第一半导体反射镜的反射面上，可选地，吸收体薄膜上可设置第二半导体反射镜，或者可利用半导体与空气的界面作为第二半导体反射镜。如此，通过改变吸收体薄膜的厚度、第一半导体反射镜的反射率和/或第二半导体反射镜的反射率，从而可调节半导体可饱和吸收镜500的调制深度和带宽。

反射装置可包括相对的第一反射面和第二反射面，其中第一反射面可以用于对激光进行反射和吸收。反射装置的第一反射面可以朝向稀土离子掺杂光纤 200设置，即第一反射面可以直接接触高反介质膜400。而散热基座可以任意形式连接反射装置，从而可进行散热。示例性的，散热基座可覆盖反射装置的第二反射面。

需要说明的是，散热基座可以通过任意散热材料进行实现，进一步地，散热基座可以为金属散热基座。

上述短腔激光器中，半导体可饱和吸收镜500包括反射装置和连接反射装置的散热基底；反射装置直接接触高反介质膜400，使得半导体可吸收饱和镜作为谐振腔额锁模元件，可通过散热基座进行散热。

在一个实施例中，宽带介质膜300为具有啁啾型或非啁啾型的多层介质膜结构。

具体地，当宽带介质膜300为具有非啁啾型的多层介质膜结构时，可以使谐振腔的波长窗口尽可能的宽，让尽可能多的纵模起振，实现窄脉冲输出。当宽带介质膜300为具有啁啾型的多层介质膜结构时，可以对激光谐振腔内的净色散，以改变腔内脉冲的成型区域，实现更窄脉冲的输出。

在一个实施例中，宽带介质膜300的反射率为70％到99％。

具体地，宽带反射膜的反射率的范围可以为70％到99％，包括70％和99％，示例性的，宽带反射膜的反射率可以为75％、80％、85％或者90％。宽带介质膜300 对信号光可具有5纳米到100纳米范围内(包括5纳米和100纳米)平坦的反射窗口，也即宽带介质膜300可对波长波动范围为5纳米到100纳米内信号具有平坦反射窗口宽度。进一步地，宽带介质膜300的反射率范围可以为70％到99％，包括70％和99％，对于泵浦光的透过率可以大于或等于95％，平坦的反射窗口内的反射率波动可以小于或等于0.5％。

在一个示例中，宽带介质膜300可以对1050纳米±20纳米内的信号具有平坦的反射窗口，也即宽带介质膜300可以对1030纳米至1070纳米内的激光信号具有平坦的反射窗口，且宽带介质膜300的反射率可以为90％，反射窗口内反射率波动可以小于0.5％，当泵浦光的波长为976纳米时，宽带反射膜对976纳米的激光的透射率可以为95％。

上述短腔激光器中，宽带介质膜300的反射率为70％到99％，且对于泵浦光的透过率可以大于或等于95％，使得泵浦光可以透过宽带介质膜300，实现将泵浦光输入激光谐振腔，以及锁模脉冲激光的输出。

在一个实施例中，高反介质膜400的反射率大于95％。

具体地，高反介质膜400可用于反射残留的泵浦光，其对泵浦光的反射率可以大于99％，例如可以为99.2％、99.4％、99.6％或者99.8％等。宽带介质膜300 对信号光可具有5纳米到100纳米范围内(包括5纳米和100纳米)平坦的反射窗口，也即高反介质膜400可对波长波动范围为5纳米到100纳米内信号具有平坦反射窗口宽度。进一步地，高反介质膜400的透过率可以大于或等于99％。

在一个示例中，高反介质膜400可以对976纳米泵浦光的反射率可为99.5％，对于1050纳米±20纳米波长范围内的信号透过率为99.5％。

上述短腔激光器中，高反接踵摩的反射率可以大于95％，从而可有效地对反射残留的泵浦光，降低短腔激光器的热效应，提高输出脉冲的长期稳定性。

在一个实施例中，半导体可饱和吸收镜500的调制深度为1％至10％。

具体地，半导体可吸收饱和镜的调制深度的范围可以为1％至10％，包括1％和10％，例如其调制深度可以为1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％或者10％。在一个示例中，半导体可饱和吸收镜500的调制深度可以为5％。

在一个实施例中，稀土离子掺杂光纤200的长度为1厘米到10厘米。

具体地，稀土离子掺杂光纤200的长度范围可以为1厘米至10厘米，包括 1厘米和10厘米，例如其长度可以为1厘米、2厘米、2.5厘米、3厘米、4厘米、5厘米、6厘米、7厘米、8厘米、9厘米或10厘米。在一个示例中，稀土离子掺杂光纤200的长度可以为5厘米。

在一个实施例中，稀土离子掺杂光纤200中掺杂的稀土离子包括镱、铒、铥和钬中的任意一种或任意组合。

具体地，稀土离子掺杂光纤200可为高浓度稀土离子掺杂光纤200，其中所掺杂的离子可以包括镱、铒、铥和钬中的任意一种或任意组合。例如稀土离子掺杂光纤200可以为掺镱光纤、掺铒光纤、掺铥光纤或掺钬光纤。进一步地，稀土离子掺杂光纤200中掺杂的离子可以包括镱、铒、铥、钬中的任意两种元素。需要说明的是，离子的掺杂浓度可以根据实际情况进行确定，本申请并对此作出具体限制。

在一个示例中，稀土离子掺杂光纤200可以为高浓度镱离子掺杂光纤，掺杂浓度为15.2％。

在一个实施例中，还包括金属套管700；稀土离子掺杂光纤200设于金属套管700内。

具体地，短腔激光器还包括金属套管700，金属套管700可用于包裹稀土离子掺杂光纤200。

为便于理解本申请的方案，下面通过一个具体的示例进行说明，如图2所示，提供了一种短腔激光器，包括激光泵浦源100、波分复用器600、高浓度稀土离子掺杂光纤200、高反介质膜400、宽带介质膜300、半导体可饱和吸收镜500和金属套管700。高浓度稀土离子掺杂光纤200设置在金属套管700中，通过真空镀膜技术分别将宽带介质膜300镀在高浓度稀土离子掺杂光纤200的第一端面，将高反介质膜400镀在高浓度稀土离子掺杂光纤200的第二端面。

波分复用器600的公共端与宽带介质膜300之间采用直接端面接触，波分复用器600的泵浦端与激光泵浦源100之间采用光纤熔接的方式进行连接。半导体可饱和吸收镜500与高反介质膜400之间采用直接端面接触。半导体可饱和吸收镜500作为谐振腔的锁模元件，具有金属散热基座。

位于金属套管700中、两端分别镀有宽带介质膜300和高反介质膜400的高浓度稀土离子掺杂光纤200与宽带介质膜300、半导体可饱和吸收镜500构成激光谐振腔，激光泵浦源100产生的泵浦光通过宽带介质膜300进入激光谐振腔，泵浦光在激光谐振腔内来回反射，以得到高重复频率的锁模脉冲激光。激光谐振腔产生的高重复频率的锁模脉冲激光通过宽带介质膜300耦合出激光谐振腔。输出的锁模脉冲激光经波分复用器600进行多波段合成后输出短腔激光器。

其中，激光泵浦源100为常见的激光二极管，可产生976纳米的泵浦光。高浓度稀土离子掺杂光纤200的长度为5厘米。宽带介质膜300对1050纳米± 20纳米内的信号具有平坦的反射窗口，反射率可以为90％，反射窗口内反射率波动可以小于0.5％，宽带反射膜对泵浦光的透射率可以为95％。半导体可饱和吸收镜500的调制深度可以为5％。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种短腔激光器，其特征在于，包括：

激光泵浦源；

稀土离子掺杂光纤，包括第一端面和相对于所述第一端面的第二端面；所述第一端面镀有宽带介质膜；所述第二端面镀有高反介质膜；

半导体可饱和吸收镜，直接接触所述高反介质膜；

波分复用器，包括公共端和泵浦端；所述泵浦端连接所述激光泵浦源；所述公共端直接接触所述宽带介质膜。

2.根据权利要求1所述的短腔激光器，其特征在于，所述泵浦端与所述激光泵浦源之间通过光纤熔接连接。

3.根据权利要求1所述的短腔激光器，其特征在于，所述半导体可饱和吸收镜包括反射装置和连接所述反射装置的散热基底；所述反射装置直接接触所述高反介质膜。

4.根据权利要求1所述的短腔激光器，其特征在于，所述宽带介质膜为具有啁啾型或非啁啾型的多层介质膜结构。

5.根据权利要求4所述的短腔激光器，其特征在于，所述宽带介质膜的反射率为70％到99％。

6.根据权利要求1所述的短腔激光器，其特征在于，所述高反介质膜的反射率大于95％。

7.根据权利要求1所述的短腔激光器，其特征在于，所述半导体可饱和吸收镜的调制深度为1％至10％。

8.根据权利要求1至7任一项所述的短腔激光器，其特征在于，所述稀土离子掺杂光纤的长度为1厘米到10厘米。

9.根据权利要求1至7任一项所述的短腔激光器，其特征在于，所述稀土离子掺杂光纤中掺杂的稀土离子包括镱、铒、铥和钬中的任意一种或任意组合。

10.根据权利要求1至7任一项所述的短腔激光器，其特征在于，还包括金属套管；所述稀土离子掺杂光纤设于所述金属套管内。

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