CN111952830A - 一种纳秒种子源及双脉宽光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种纳秒种子源及双脉宽光纤激光器，其中，纳秒种子源包括外壳、泵浦源、谐振腔、聚焦镜及输出光纤，泵浦源及输出光纤分别设置在外壳相对的两端，且均部分伸入外壳，谐振腔靠近泵浦源设置在外壳内，聚焦镜靠近输出光纤设置在外壳内，且泵浦源发出的光依次经由谐振腔、聚焦镜汇入输出光纤。本发明提供的纳秒种子源仅仅采用泵浦源、谐振腔、聚焦镜及输出光纤等简单光学元器件组成，可国产自制，生产成本较低。而将该纳秒种子源应用在本发明提供的双脉宽光纤激光器中，又降低了激光器的生产成本。

Description

一种纳秒种子源及双脉宽光纤激光器

技术领域

本发明涉及一种激光种子源，尤其是指一种纳秒种子源及应用该纳秒种子源的双脉宽光纤激光器。

背景技术

激光(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。而用来发射激光的装置被称为激光器。近些年来，随着激光技术的快速发展，应用于各种领域、场景的激光器也应运而生。

在一些特殊的应用场景，比如在加工蓝宝石或陶瓷时，需要先使用纳秒脉冲对蓝宝石或陶瓷进行粗加工，再使用皮秒脉冲对蓝宝石或陶瓷进行精加工；在3D打印领域，需要先使用纳秒脉冲对金属材料烧节融化，再使用皮秒脉冲对金属材料的精加工区域进行精加工。针对这些特殊的激光应用场景，现有的集成一体化激光器的皮秒脉冲宽度无法达到10ps以下，也无法兼容同时输出纳秒脉冲。在多数情况下，都是采用两台激光器(皮秒激光器及纳秒激光器)，并在外光路上合束后再投入使用的方式，这就导致了成本过高的问题。而且，外光路的设计极其复杂，调光难度大，易出现作业效果不稳定的现象。另外，即使采用现有的一些多脉宽激光器，也会由于这些多脉宽激光器的输出脉冲限制在百皮秒至纳秒之间而存在热效应，影响使用效果。值得注意的是，现有的激光器中的激光种子源的成本普遍较高，进一步提高了激光器的成本。

因此，有必要对上述激光器及位于激光器内的激光种子源的结构进行改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种纳秒种子源及双脉宽光纤激光器，旨在解决现有的激光种子源及激光器成本过高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明实施例第一方面提供了一种纳秒种子源，包括外壳、泵浦源、谐振腔、聚焦镜及输出光纤，所述泵浦源及输出光纤分别设置在外壳相对的两端，且均部分伸入所述外壳，所述谐振腔靠近泵浦源设置在外壳内，所述聚焦镜靠近输出光纤设置在外壳内，且所述泵浦源发出的光依次经由谐振腔、聚焦镜汇入输出光纤。

在一些实施方案中，所述谐振腔包括偏振元件、饱和吸收体及激光棒，所述偏振元件、饱和吸收体及激光棒沿泵浦源至输出光纤方向依次连接。

在一些实施方案中，所述谐振腔还包括波长为第一数值的高反射率膜、低反射率膜，以及波长为第二数值的高透射率膜，所述高透射率膜及高反射率膜沿泵浦源至偏振元件方向依次镀设在偏振元件靠近泵浦源一端，所述低反射率膜镀设在激光棒靠近聚焦镜一端，所述第二数值与泵浦源发出的光的波长值相等，所述第一数值大于第二数值。

在一些实施方案中，所述激光棒为YAG激光棒，所述输出光纤为偏振保持光纤。

在一些实施方案中，所述输出光纤输出的激光的脉宽为0.2-1.5Ns，频率为25-100KHz。

本发明实施例第二方面提供了一种双脉宽光纤激光器，包括如本发明实施例第一方面所述的纳秒种子源、皮秒种子源、预放大器、多级放大系统、输出隔离器及具有第一输入端口、第二输入端口、输出端口的声光调制器，所述皮秒种子源、预放大器、声光调制器的第一输入端口依次通过光纤连接，所述声光调制器的输出端口、多级放大系统及输出隔离器依次通过光纤连接，所述纳秒种子源的输出光纤通过光纤与声光调制器的第二输入端口连接。

在一些实施方案中，所述多级放大系统包括多个放大器，多个所述放大器依次通过光纤连接，且进入所述多级放大系统的光依次经由多个放大器放大后输出至输出隔离器。

在一些实施方案中，所述输出隔离器为任意偏振的隔离器。

在一些实施方案中，所述纳秒种子源、皮秒种子源、预放大器及声光调制器之间的光纤为偏振保持光纤，且纤芯芯径小于10μm；

所述声光调制器与多级放大系统之间的光纤为大模场面积增益光纤；

所述多级放大系统中多个放大器之间的光纤，以及所述多级放大系统与输出隔离器之间的光纤均为大尺寸多模光纤，且纤芯芯径大于或等于20μm。

在一些实施方案中，所述皮秒种子源采用全光纤NPR或SESAM或环形镜结构，且输出的光的脉宽小于10Ps，重复频率为20-100MHz，功率为5-15Mw。

从上述描述可知，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供的纳秒种子源仅仅采用泵浦源、谐振腔、聚焦镜及输出光纤等简单光学元器件组成，可国产自制，生产成本较低。而将该纳秒种子源应用在本发明提供的双脉宽光纤激光器中，又降低了激光器的生产成本。另外，该双脉宽光纤激光器采用纳秒种子源及皮秒种子源两种脉宽的种子源，并共用一个具有三个端口的声光调制器及多级放大系统输出，从而节约了很大成本。相对于一些特殊的激光应用场景而言，该双脉宽光纤激光器不需要外光路进行合束工作，省去了外光路的繁琐，降低了调节难度，提升作业效果的同时，进一步降低了生产成本，满足了工业应用的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例提供的纳秒种子源的结构示意图；

图2为本发明第二实施例提供的谐振腔的结构示意图；

图3为本发明第三实施例提供的双脉宽光纤激光器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。此外，下面所描述的本发明的各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1，图1为本发明第一实施例提供的纳秒种子源的结构示意图。

如图1所示，本发明第一实施例提供的纳秒种子源，包括外壳1、泵浦源2、谐振腔3、聚焦镜4及输出光纤5，其中，泵浦源2及输出光纤5分别设置在外壳1相对的两端，且均部分伸入外壳1，谐振腔3靠近泵浦源2设置在外壳1内，聚焦镜4靠近输出光纤5设置在外壳1内，且泵浦源2发出的光依次经由谐振腔3、聚焦镜4汇入输出光纤5。

示例性的，于实际工作过程中，泵浦源2发出的光经过谐振腔3后，由聚焦镜4耦合至输出光纤5。

本发明第一实施例提供的纳秒种子源，仅仅采用泵浦源、谐振腔、聚焦镜及输出光纤等简单光学元器件组成，可国产自制，生产成本较低。

请参阅图2，图2为本发明第二实施例提供的谐振腔的结构示意图。

以本发明第一实施例提供的纳秒种子源为基础，在本发明第二实施例中：

进一步地，如图2所示，谐振腔3包括偏振元件31、饱和吸收体32及激光棒33，其中，偏振元件31、饱和吸收体32及激光棒33沿泵浦源2至输出光纤5方向依次连接。

具体的，激光棒33为YAG激光棒，输出光纤5为偏振保持光纤，且输出光纤5输出的激光的脉宽为0.2-1.5Ns，频率为25-100KHz。

可选的，于其他实施例中，可根据实际应用情况，通过调节泵浦源2、谐振腔3等光学元器件的相关参数，使得输出光纤5输出的激光的脉宽、频率等特性达到期望值或期望范围。

进一步地，如图2所示，谐振腔3还包括波长为第一数值的高反射率膜34、低反射率膜35，以及波长为第二数值的高透射率膜36，其中，高透射率膜36及高反射率膜34沿泵浦源2至偏振元件31方向依次镀设在偏振元件31靠近泵浦源2一端，低反射率膜35镀设在激光棒33靠近聚焦镜4一端，且第二数值与泵浦源2发出的光的波长值相等，第一数值大于第二数值。

具体的，第一数值为1064Nm，第二数值为808Nm。

可选的，于其他实施例中，可根据实际应用情况，调整第一数值及第二数值的大小。

需要说明的是，于实际工作过程中，波长为808Nm的泵浦源2发出的光，进入谐振腔3后，在激光棒33内产生ASE光。且，由于高反射率膜34、低反射率膜35的共同作用，使得1064Nm波长起主导地位，从而激发出1064Nm波长的激光。

本发明第二实施例提供的纳秒种子源，利用波长为第一数值的高反射率膜、低反射率膜，以及波长为第二数值的高透射率膜之间的共同作用，使得比第二数值大的第一数值的波长占主导地位，从而激发出了更高波长的激光。在谐振腔内设置饱和吸收体，可以在谐振腔内实现调Q工作，并产生脉冲，且泵浦源发出的光的强度越大，饱和吸收体的透过率越高。而偏振元件的设置，可以使得谐振腔发出的光为线偏振光。另外，该纳秒种子源还具有高重复频率，稳定固定频率的特性。

请参阅图3，图3为本发明第三实施例提供的双脉宽光纤激光器的结构示意图。

如图3所示，本发明第三实施例提供的双脉宽光纤激光器，包括本发明第一实施例和/或第二实施例提供的纳秒种子源100、皮秒种子源200、预放大器300、多级放大系统400、输出隔离器500及具有第一输入端口610、第二输入端口620、输出端口630的声光调制器600，其中，皮秒种子源200、预放大器300、声光调制器600的第一输入端口610依次通过光纤连接，声光调制器600的输出端口630、多级放大系统400及输出隔离器500依次通过光纤连接，纳秒种子源100的输出光纤5通过光纤与声光调制器600的第二输入端口620连接。

示例性的，于实际工作过程中，皮秒种子源200发出的功率较小的光经预放大器300放大后，通过第一输入端口610进入声光调制器600。纳秒种子源100发出的光经过第二输入端口620进入声光调制器600。声光调制器600一方面将两路光中高重复频率脉冲串，截取成需要的频率，另一方面利用P光及S光的透射、反射特性，将两路光转换成相同方向的光，耦合进输出端口630后，再通过光纤传输至多级放大系统400，放大至所需要的功率后，经输出隔离器500输出。

本发明第三实施例提供的双脉宽光纤激光器，应用了本发明第一实施例和/或第二实施例提供的纳秒种子源，降低了激光器的生产成本。该双脉宽光纤激光器采用纳秒种子源及皮秒种子源两种脉宽的种子源，并共用一个具有三个端口的声光调制器进行选频，且皮秒种子源与纳秒种子源一样，可国产自制，从而又节约了很大成本。而相对于一些特殊的激光应用场景而言，该双脉宽光纤激光器不需要外光路进行合束工作，省去了外光路的繁琐，降低了调节难度，提升作业效果的同时，进一步降低了生产成本，满足了工业应用的需求。

另外，以本发明第三实施例提供的双脉宽光纤激光器为基础，在本发明第四实施例中：

进一步地，输出隔离器500为任意偏振的隔离器。

进一步地，多级放大系统400包括多个放大器410，多个放大器410依次通过光纤连接，且进入多级放大系统400的光依次经由多个放大器410放大后输出至输出隔离器500。

进一步地，皮秒种子源200采用全光纤NPR结构，且输出的光的脉宽小于10Ps，重复频率为20-100MHz，功率为5-15Mw。

可选的，于其他实施例中，皮秒种子源200可采用全光纤SESAM或环形镜结构。同时可根据实际应用情况，调整皮秒种子源200输出的光的脉宽、重复频率及功率等特性。

进一步地，纳秒种子源100、皮秒种子源200、预放大器300及声光调制器600之间的光纤为偏振保持光纤，且纤芯芯径小于10μm；声光调制器600与多级放大系统400之间的光纤为大模场面积增益光纤；多级放大系统400中多个放大器410之间的光纤，以及多级放大系统400与输出隔离器500之间的光纤均为大尺寸多模光纤，且纤芯芯径大于或等于20μm。

可选的，于其他实施例中，多级放大系统400可采用固体放大的方式。

本发明第四实施例提供的双脉宽光纤激光器，皮秒种子源提供了真皮秒(即10Ps以下)的光，无热效应，真正实现了冷加工工作。

需要说明的是，本发明内容中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于方法类实施例而言，由于其与产品类实施例相似，所以描述的比较简单，相关之处参见产品实施例的部分说明即可。

还需要说明的是，在本发明内容中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明内容。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明内容中所定义的一般原理可以在不脱离本发明内容的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明内容将不会被限制于本发明内容所示的这些实施例，而是要符合与本发明内容所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种纳秒种子源，其特征在于，包括：外壳、泵浦源、谐振腔、聚焦镜及输出光纤，所述泵浦源及输出光纤分别设置在外壳相对的两端，且均部分伸入所述外壳，所述谐振腔靠近泵浦源设置在外壳内，所述聚焦镜靠近输出光纤设置在外壳内，且所述泵浦源发出的光依次经由谐振腔、聚焦镜汇入输出光纤。

2.如权利要求1所述的纳秒种子源，其特征在于，所述谐振腔包括：偏振元件、饱和吸收体及激光棒，所述偏振元件、饱和吸收体及激光棒沿泵浦源至输出光纤方向依次连接。

3.如权利要求2所述的纳秒种子源，其特征在于，所述谐振腔还包括：波长为第一数值的高反射率膜、低反射率膜，以及波长为第二数值的高透射率膜，所述高透射率膜及高反射率膜沿泵浦源至偏振元件方向依次镀设在偏振元件靠近泵浦源一端，所述低反射率膜镀设在激光棒靠近聚焦镜一端，所述第二数值与泵浦源发出的光的波长值相等，所述第一数值大于第二数值。

4.如权利要求2所述的纳秒种子源，其特征在于：所述激光棒为YAG激光棒，所述输出光纤为偏振保持光纤。

5.如权利要求1-4任一项所述的纳秒种子源，其特征在于：所述输出光纤输出的激光的脉宽为0.2-1.5Ns，频率为25-100KHz。

6.一种双脉宽光纤激光器，其特征在于，包括：如权利要求1-5任一项所述的纳秒种子源、皮秒种子源、预放大器、多级放大系统、输出隔离器及具有第一输入端口、第二输入端口、输出端口的声光调制器，所述皮秒种子源、预放大器、声光调制器的第一输入端口依次通过光纤连接，所述声光调制器的输出端口、多级放大系统及输出隔离器依次通过光纤连接，所述纳秒种子源的输出光纤通过光纤与声光调制器的第二输入端口连接。

7.如权利要求6所述的双脉宽光纤激光器，其特征在于，所述多级放大系统包括：多个放大器，多个所述放大器依次通过光纤连接，且进入所述多级放大系统的光依次经由多个放大器放大后输出至输出隔离器。

8.如权利要求7所述的双脉宽光纤激光器，其特征在于：所述输出隔离器为任意偏振的隔离器。

9.如权利要求7所述的双脉宽光纤激光器，其特征在于：所述纳秒种子源、皮秒种子源、预放大器及声光调制器之间的光纤为偏振保持光纤，且纤芯芯径小于10μm；

所述声光调制器与多级放大系统之间的光纤为大模场面积增益光纤；

所述多级放大系统中多个放大器之间的光纤，以及所述多级放大系统与输出隔离器之间的光纤均为大尺寸多模光纤，且纤芯芯径大于或等于20μm。

10.如权利要求6所述的双脉宽光纤激光器，其特征在于：所述皮秒种子源采用全光纤NPR或SESAM或环形镜结构，且输出的光的脉宽小于10Ps，重复频率为20-100MHz，功率为5-15Mw。

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