CN112186479A - 一种全光纤超短脉冲激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤超短脉冲激光器，包括：泵浦源、泵浦保护器、波分复用器、保偏光纤布拉格光栅、保偏增益光纤、保偏光纤耦合起偏混合器、保偏无源光纤、微光学准直聚焦滤波器、硼硅玻璃导向管、可饱和吸收体模块以及TEC制冷片。其中TEC制冷片与可饱和吸收体固定块固定，微光学准直聚焦滤波器与可饱和吸收体固定块通过硼硅玻璃导向管固定连接。采用本发明的技术方案，具有结构紧凑、调试简便，半导体可饱和吸收镜可通过旋转实现换点，能有效提高激光器输出稳定性的特点。

Description

一种全光纤超短脉冲激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种全光纤超短脉冲激光器。

背景技术

近年来，超快激光器在医疗、科研以及材料加工领域的应用驱动下，其需求愈发扩大。特别是近两年迅猛增长的高端工业精密微加工市场对超快皮秒、飞秒激光器的需求强劲。然而对于工业应用领域来讲，其对超快激光器在不同应用环境下的稳定性及可靠性要求更高。以钛宝石激光器以及Kerr透镜锁模技术为代表的超快固体激光器在脉冲能量以及输出脉冲宽度方面一直具有很强的竞争力，但该系统存在价格昂贵，晶体热效应严重，环境稳定性低，锁模脉冲自启动困难等问题，这限制了其在工业医疗等领域的实际应用。与之相比，光纤激光器具有结构简单紧凑，成本较低，光束质量好，热管理性能优良等特点，作为第三代激光器的代表，近年来发展势头迅猛。结合保偏光纤技术，脉冲能够在光纤内沿单一轴向传输，光纤激光器能够输出线偏振激光，其稳定性和可靠性可进一步增强。正因为如此，目前越来越多的超快光纤激光器取代了部分固体激光器产品被用于各类应用中。

锁模振荡器作为产生超短脉冲的重要装置，其稳定性和可靠性直接决定了激光放大系统的性能。产生超短脉冲最主要的手段为锁模技术，锁模脉冲各纵模之间间隔固定并且初始相位保持固定的相位差，腔内纵模进行相干叠加，实现高相干度的超短脉冲输出。目前最常用的锁模方式包括非线性偏振旋转锁模和可饱和吸收体锁模。非线性偏振旋转锁模是基于克尔效应的可饱和吸收体，其锁模的物理机制是利用了光纤的非线性双折射效应。因此，这类激光器不能采用全保偏结构，其环境稳定性以及可靠性较差，不适合用于工业应用中。可饱和吸收体锁模是目前最成熟的被动锁模技术，其原理是基于材料在不同光强下其损耗特性的不同。可饱和吸收体锁模材料包括半导体可饱和吸收镜、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、拓扑绝缘体以及黑磷等。其中半导体可饱和吸收镜具有制备工艺成熟，稳定性强，插入损耗小，工作参数可控等优点，结合全保偏光纤结构，其长期工作稳定性和可靠性强，该种被动锁模技术是目前应用最广泛的锁模技术之一。

目前半导体可饱和吸收镜锁模光纤激光器的封装方式包括：1、贴片式封装，将半导体可饱和吸收镜直接粘贴至FC光纤跳线上；2、透镜耦合式封装，通过透镜组空间耦合至半导体可饱和吸收镜表面。第一种封装方式操作简单，调试方便，但该种封装方式中半导体可饱和吸收镜存在散热能力差，易损坏，工作寿命短，不能换点工作等问题。第二种封装方式为非接触式，可以调节半导体可饱和吸收镜表面的光斑大小，可换点工作，但这种封装方式体积大，结构复杂，可调节维度多，调试难度大，并且透镜组与半导体可饱和吸收镜之间是分离的，不利于激光器长期稳定工作。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种全光纤超短脉冲激光器，结构简单紧凑，输出偏振消光比高、近衍射极限的脉冲，光谱形状好，有利于后续脉冲放大。通过硼硅玻璃导管连接实现半导体可饱和吸收镜封装并可对半导体可饱和吸收镜进行换点，大幅提升光纤锁模激光器寿命，有利于工业应用及集成化。

本发明提供了一种全光纤超短脉冲激光器，包括：依次排列的泵浦源、泵浦保护器、波分复用器、保偏光纤布拉格光栅、保偏增益光纤、保偏光纤耦合、起偏混合器、保偏无源光纤以及半导体可饱和吸收镜封装模块，保偏光纤布拉格光栅与半导体可饱和吸收镜封装模块构成全光纤激光器的谐振腔。

其中，半导体可饱和吸收镜封装模块由微光学准直聚焦滤波器、硼硅玻璃导向管、可饱和吸收体模块以及TEC制冷片构成。所述TEC制冷片与可饱和吸收体固定块固定，微光学准直聚焦滤波器与可饱和吸收体固定块通过硼硅玻璃导向管实现固定连接。

其中，微光学准直聚焦滤波器由多维调整架固定并插入硼硅玻璃导向管中。微光学准直聚焦滤波器与硼硅玻璃导向管之间的缝隙填充紫外固化胶固化。微光学准直聚焦滤波器与硼硅玻璃导向管之间的缝隙填充紫外固化胶固化。

进一步地，可饱和吸收体模块中固定块的一端与硼硅玻璃导向管通过紫外固化胶固定，另一端与可饱和吸收体固定块通过螺钉固定。可拧出螺钉实现半导体可饱和吸收镜的替换。

进一步地，微光学准直聚焦滤波器将激光聚焦到半导体可饱和吸收镜中心以外的位置，可饱和吸收体模块中固定块上具有多个固定孔位，半导体可饱和吸收镜固定块上具有圆环槽状结构，松开螺钉，通过旋转半导体可饱和吸收镜固定块，改变激光聚焦到半导体可饱和吸收镜表面的位置从而实现换点。

进一步地，可饱和吸收体模块可固定到高精度微型旋转模块上，由上位机控制实现换点。

进一步地，微光学准直聚焦滤波器由带保偏无源光纤的插芯、第一渐变折射率透镜、长通薄膜滤波器、第二渐变折射率透镜以及插芯套管组成。上述器件通过环氧树脂胶固定在尺寸匹配的透明插芯套管内。

进一步地，保偏无源光纤可以为单模保偏光纤或模场直径大于普通单模光纤的大模场直径保偏光纤。

进一步地，半导体可饱和吸收镜封装模块中所述半导体可饱和吸收镜固定块为块状结构，其由高热导材料制作而成，所述半导体可饱和吸收镜固定块上设置有半导体可饱和吸收镜固定区以及胶体传导区，利用导热硅胶将半导体可饱和吸收镜粘贴在设置区域内。

本发明提供的技术方案带来的作用与效果：

本发明通过硼硅玻璃导管将微光学准直聚焦滤波器与可饱和吸收体固定块两个分离部分有效连接起来，形成一个整体，提高了激光器的环境稳定性可靠性。

本发明中的硼硅玻璃导管具有透明导光的优点，可使用紫外固化胶粘接固定，同时调试过程可见，方便调试人员进行操作。

本发明中半导体可饱和吸收镜固定块可通过旋转实现换点，提高了半导体可饱和吸收镜的使用率以及激光器寿命，该换点方式相比现有技术的二维换点(左右及上下方向)其结构简便，精度高。

本发明中将长通薄膜滤波器与光纤准直聚焦器集成，简化了腔内器件，同时降低了聚焦到半导体可饱和吸收镜表面的功率密度，减少半导体可饱和吸收镜热量增加，提升了其使用寿命。

附图说明：

图1为本发明一种全光纤超短脉冲激光器的结构示意图；

101-泵浦源，102-泵浦保护器，103-波分复用器，104-保偏光纤布拉格光栅，105-保偏增益光纤，106-保偏光纤耦合、起偏混合器，107-保偏无源光纤，108-半导体可饱和吸收镜封装模块，109-微光学准直聚焦滤波器，110-硼硅玻璃导向管，111-可饱和吸收体模块，112-TEC制冷片。

图2为本发明一种全光纤超短脉冲激光器中半导体可饱和吸收镜封装模块工装示意图；

201-三维位移台，202-光学调整架，203-准直聚焦滤波器机械夹持件，204-可饱和吸收体固定块机械夹持件，205-可饱和吸收体固定块机械固定件。

图3为本发明一种全光纤超短脉冲激光器中准直聚焦滤波器与可饱和吸收体模块通过硼硅玻璃导管连接的各部件装配示意图；

301-固定块，302-可饱和吸收体固定块，303-螺钉

图4为本发明一种全光纤超短脉冲激光器中半导体可饱和吸收镜旋转换点的结构示意图；

401-半导体可饱和吸收镜，402-换点轨迹示意

图5为本发明一种全光纤超短脉冲激光器中准直聚焦滤波器的结构示意图；

501-带保偏无源光纤的插芯，502-第一渐变折射率透镜，503-长通薄膜滤波器，504-第二渐变折射率透镜，505-插芯套管

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段及效果易于理解，以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

请参考图1，本发明的实施例一提供了一种全光纤超短脉冲激光器，包括依次排列的泵浦源101、泵浦保护器102、波分复用器103、保偏光纤布拉格光栅104、保偏增益光纤105、保偏光纤耦合、起偏混合器106、保偏无源光纤107、以及半导体可饱和吸收镜封装模块108。其中保偏光纤布拉格光栅104与半导体可饱和吸收镜封装模块108构成了全光纤激光器的谐振腔。

其中腔内保偏光纤耦合、起偏混合器106同时兼具输出与起偏功能，保证腔内激光沿保偏光纤慢轴传输。

保偏光纤布拉格光栅104刻写在保偏光纤的慢轴方向，其刻写的光谱带宽根据不同需求可为零点几纳米至几十纳米(对应均匀光栅与啁啾光栅)，本实施例中选用均匀光栅的反射谱作为激光器腔镜，采用这种结构可以提升输出脉冲的光谱质量，有利于脉冲后续进一步放大。

保偏无源光纤107的引入用于调节激光器的工作重复频率，对于线性腔激光器，根据υ＝c/2nl(υ为频率，c为光速，n为二氧化硅折射率，l为振荡器腔长)可知，激光器工作频率与谐振腔长度成反比，可以通过增加或减少保偏无源光纤的长度实现不同重复频率脉冲激光输出。为了保证振荡器输出稳定的单脉冲激光，需要考虑脉冲非线性相移与重复频率对激光器的影响。由于脉冲经过光纤耦合器之后被提取出一部分输出能量，因此将保偏无源光纤放置在光纤耦合器之后有利于降低脉冲非线性相移。合理选择光纤长度及光纤参数，振荡器可工作在重复频率2-100MHz范围内。本实施例中，振荡器工作的重复频率为10MHz。

进一步地，半导体可饱和吸收镜封装模块由微光学准直聚焦滤波器109、硼硅玻璃导向管110以及可饱和吸收体模块111构成。其中，硼硅玻璃导向管110用于实现将微光学准直聚焦滤波器109与可饱和吸收体模块111有效连接。

图2为实施例一中半导体可饱和吸收镜封装模块108的工装示意图。微光学准直聚焦滤波器109和可饱和吸收体模块111通过紫外固化胶实现与硼硅玻璃导向管110的固定连接。

图3为实施例一中半导体可饱和吸收镜封装模块108各部分组件的连接示意图。如图所示，固定块301由金属铜制成，其为空心圆柱状结构，内圆柱与硼硅玻璃导向管通过紫外固化胶固定，外圆柱上有3个固定孔位，用于实现其与可饱和吸收体固定块302之间的连接固定。可饱和吸收体固定块302由金属铜制成，为凸型圆柱状结构。可饱和吸收体固定块302的内圆柱上设置有半导体可饱和吸收镜固定区以及胶体传导区，利用导热硅胶或紫外固化胶将半导体可饱和吸收镜401粘贴在设置区域内。外圆柱中有弧形固定安装孔位，通过螺丝将可饱和吸收体固定块302与固定块301连接固定。可饱和吸收体固定块302背面有凹槽，为TEC制冷片放置区，TEC制冷片112用来对可饱和吸收体固定块302进行控温，可以实现半导体可饱和吸收镜401在±0.1℃以内的环境中工作。

本发明的实施例一提供了一种半导体可饱和吸收镜封装模块的调试方法，具体封装步骤如下：

S1，在可饱和吸收体固定块302正面的半导体可饱和吸收镜固定区的表面均匀涂抹少量导热硅胶，后用塑料平头镊子将半导体可饱和吸收镜401放置到半导体可饱和吸收镜固定区的中心位置，静置24小时待导热硅胶固化后使用；

S2，在可饱和吸收体固定块302背面的TEC制冷片放置区均匀涂抹少量的导热硅胶，将TEC制冷片112放置于TEC制冷片放置区；

S3，在固定块301的内圆柱表面均匀涂抹少量紫外固化胶，将其与硼硅玻璃导向管连接，并用紫外灯均匀照射接触表面，使紫外固化胶完全固化；

S4，将可饱和吸收体固定块302通过螺丝303固定安装在固定块301上，固定块上的安装螺孔数量为3个；

S5，利用准直聚焦滤波器机械夹持件203固定准直聚焦滤波器109，然后将准直聚焦滤波器109的输出端面对准半导体可饱和吸收镜401的表面后插入硼硅玻璃导向管中，准直聚焦滤波器机械夹持件203固定在三维位移台201和光学调整架202上。调节三维位移台201使准直聚焦滤波器109的输出端面不断靠近半导体可饱和吸收镜表面直至其相对距离为焦距位置附近，同时调节光学调整架202，改变准直聚焦滤波器的输出端面与半导体可饱和吸收镜401表面之间的角度直至达到激光器的锁模条件，获得稳定锁模脉冲序列输出，观察聚焦光斑在半导体可饱和吸收镜上的位置，使其偏离其中心位置；

S6，在准直聚焦滤波器109与硼硅玻璃导向管110之间的缝隙内均匀填满紫外固化胶，该紫外固化胶具有高的固化硬度以及低的固化应力，利用紫外光源均匀照射使紫外固化胶固化；

实施例2

如图3所示，本实施例中可饱和吸收体固定块302中的外圆柱中有三个弧形固定安装孔位，通过松开螺钉303旋转可饱和吸收体固定块302即可实现换点，待换点完成后，重新拧紧螺钉303即可。当半导体可饱和吸收镜401被损坏时，可以拧出螺钉303，将整个可饱和吸收体固定块302取出，用沾有酒精的棉签清洁干净半导体可饱和吸收镜401表面或更换新的半导体可饱和吸收镜401后，重新拧紧螺钉303即可。

图4为本实施例中半导体可饱和吸收镜旋转换点的结构示意图。光从微光学准直聚焦滤波器109中准直聚焦到半导体可饱和吸收镜401表面，进而半导体可饱和吸收镜401将反射光耦合回准直聚焦滤波器中，形成激光振荡；调节半导体可饱和吸收镜401上聚焦光斑的位置，使其偏离半导体可饱和吸收镜401的中心位置。旋转可饱和吸收体固定块302时其换点轨迹示意402如图所示。

实施例3

如图5所示，本实施例中微光学准直聚焦滤波器109由带保偏无源光纤的插芯501、第一渐变折射率透镜502、长通薄膜滤波器503、第二渐变折射率透镜504以及插芯套管505组成。上述器件依次通过热固化胶固定集成在尺寸与之相匹配的插芯套管505内，并将其加热固定。光由插芯501输出后经过第一渐变折射率透镜502准直为平行光，进一步经过长通薄膜滤波器503后滤除其中未被吸收的的泵浦光，该平行光进一步通过第二渐变折射率透镜504实现聚焦。该集成器件兼具准直聚焦及滤波功能，其工作距离约为几毫米，工作距离取决于所选用的渐变折射率透镜参数；同时该器件能够将未被吸收的泵浦光滤除，降低了耦合到半导体可饱和吸收镜401表面的功率密度，减少半导体可饱和吸收镜401热量增加，保证其工作稳定、延长半导体可饱和吸收镜401的使用寿命。

本发明的实施例提供的一种全光纤超短脉冲激光器，在不同的腔长情况下，通过优化对应的谐振内其他器件的参数，均可以得到稳定的低重复频率和高重复频率的超快脉冲。此外，对于一定参数的半导体可饱和吸收镜，选择合适的保偏光纤布拉格光栅的参数，可以得到高消光比、近传输极限的脉冲输出，该光束啁啾很小，有利于后续的放大。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了方便将技术方案表达清楚。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种全光纤超短脉冲激光器，包括：依次排列的泵浦源、泵浦保护器、波分复用器、保偏光纤布拉格光栅、保偏增益光纤、保偏光纤耦合起偏混合器、保偏无源光纤以及半导体可饱和吸收镜封装模块，所述保偏光纤布拉格光栅与半导体可饱和吸收镜封装模块构成全光纤激光器的谐振腔。其特征在于，所述半导体可饱和吸收镜封装模块由微光学准直聚焦滤波器、硼硅玻璃导向管、可饱和吸收体模块以及TEC制冷片构成。所述TEC制冷片与可饱和吸收体固定块固定，所述微光学准直聚焦滤波器与可饱和吸收体固定块通过硼硅玻璃导向管固定连接。

2.根据权利要求1所述的全光纤超短脉冲激光器，其特征在于，所述微光学准直聚焦滤波器由多维调整架固定并插入硼硅玻璃导向管中。所述微光学准直聚焦滤波器与硼硅玻璃导向管之间的缝隙填充紫外固化胶固化。

3.根据权利要求1所述的全光纤超短脉冲激光器，其特征在于，所述可饱和吸收体模块中固定块的一端与硼硅玻璃导向管通过紫外固化胶固定，另一端与可饱和吸收体固定块通过螺钉固定。

4.根据权利要求1所述的全光纤超短脉冲激光器，其特征在于，所述微光学准直聚焦滤波器将激光聚焦到半导体可饱和吸收镜中心以外的位置，可饱和吸收体模块中固定块上具有多个固定孔位，所述可饱和吸收体固定块上具有圆环槽状结构，松开螺钉，通过旋转可饱和吸收体固定块，改变激光聚焦到半导体可饱和吸收镜表面的位置从而实现换点。进一步，所述可饱和吸收体模块可固定到高精度微型旋转模块上。

5.根据权利要求1所述的全光纤超短脉冲激光器，其特征在于，所述微光学准直聚焦滤波器由带保偏无源光纤的插芯、第一渐变折射率透镜、长通滤波器、第二渐变折射率透镜以及插芯套管。上述器件通过环氧树脂胶固定在尺寸匹配的透明插芯套管内。

6.根据权利要求1所述的全光纤超短脉冲激光器，其特征在于，所述保偏无源光纤为单模保偏光纤或模场直径大于普通单模光纤的大模场直径保偏光纤。

7.根据权利要求1所述的全光纤超短脉冲激光器，其特征在于，所述半导体可饱和吸收镜封装模块中所述可饱和吸收体固定块为圆柱状结构，其由热导材料制作而成，所述可饱和吸收体固定块上设置有半导体可饱和吸收镜固定区以及胶体传导区，利用导热硅胶将半导体可饱和吸收镜粘贴在设置区域内。

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