CN112736631B - 一种数十兆赫兹线宽的纳秒全光纤紫外激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种数十兆赫兹线宽的纳秒全光纤紫外激光器，包括：光纤种子源，光纤放大器和频率变换器,所述光纤种子源为光纤耦合的半导体激光器，用于产生特定线宽和脉宽的激光信号，所述激光信号的线宽为几十MHz，所述激光信号的脉宽20ns‑200ns；所述光纤放大器包括五级光纤预放大器和光纤主放大器，所述光纤主放大器为超大模场直径的增益光纤；所述频率变换器为非线性倍频晶体级联组成的倍频模块，用于将窄线宽纳秒全光纤激光进行4倍频得到波长为266nm的深紫外激光。本发明体积小巧、结构稳定、光束质量好，光光转换效率高，重频和脉宽易调谐，能够应用于多种场合。

Description

一种数十兆赫兹线宽的纳秒全光纤紫外激光器
技术领域
本发明涉及激光器，尤其涉及一种数十兆赫兹线宽的纳秒全光纤紫外激光器。
背景技术
随着激光技术的发展，高平均功率的紫外激光源在精密光谱学，远程环境传感，激光诱导的荧光，半导体检查和雷达等领域有着广泛应用。特别是窄线宽(<100MHz)的深紫外激光器在等离子体诊断、精密光谱学、激光同位素分离等前沿基础科学研究中成为一种最为有效的工具。另外，输出激光的重复频率和脉冲宽度能够自由调谐，可以显著提高上述应用的效率。
目前，利用1μm波段的窄线宽全固态激光器级联非线性光学晶体进行频率转换是产生深紫外激光的最流行方法。但是这种方法产生的高功率深紫外激光输出线宽大多为几十GHz量级(0.1nm～1nm量级)，结构庞大、冗杂，光光转换效率低，需要更多数量的泵浦源和更多级的泵浦源。而光纤技术近年来的飞速发展已导致1064nm的窄线宽光纤激光器获得足够的高峰值功率，为开发新一代通用的窄线宽紫外激光光源提供了机会。与全固态激光器相比，窄线宽光纤激光器可以提供更好的光束质量和光光转换效率，体积小巧，结构紧凑，稳定性更高；此外，基于光纤结构的激光器更容易实现重复频率和脉冲宽度的自由控制。
利用1微米波段的窄线宽光纤激光放大器作为基频光源，可以通过级联倍频方式获得深紫外激光输出，与此相关的报道有(1)Xavier Délen等人在 2013年利用1微米的光纤激光器作为基频光，获得了一个线宽35MHz、脉宽 15ns、平均功率3.2W的紫外激光输出，实验中使用了需要空间耦合的单晶光纤作为主放大器的增益介质来克服光纤中的受激布里渊散射效应，但这打破全光纤化的结构。(2)2018年，Jing He等人利用全光纤化的光纤放大器配合级联的LBO晶体和BBO晶体进行频率转换，获得了一个脉宽1.8ns、平均功率2W、峰值功率5.6kW的274nm的紫外激光输出，但光谱宽度为0.16nm，已经达到了数十GHz量级。
发明内容
为解决背景中存在的技术问题，本发明提供一种线宽数十兆赫兹、基于全光纤结构的可调谐纳秒深紫外激光器。采用超大模场的增益光纤作为主放大器来提高受激布里渊散射的阈值，从而得足够峰值功率的基频光源。选用室温条件下角度匹配的LBO晶体和BBO晶体进行二倍频和四倍频的频率转换。频率转换器为集成好的封装模块，作为激光输出头使用，具有简单紧凑、稳定性好、拆卸方便等优点。采用光纤耦合的半导体激光器作为窄线宽光纤激光器的种子光源，其狭窄的发射谱线可以保证激光应用时的光谱分辨率。另外，此种子光源的输出激光的脉宽和重频可以简单自由的调节，可以显著提高其应用效率。
本发明的技术解决方案如下：
一种数十兆赫兹线宽的纳秒全光纤紫外激光器，其特征在于，包括：窄线宽光纤种子源，光纤放大器和频率变换器，所述窄线宽光纤种子源为光纤耦合的半导体激光器，用于产生特定线宽和脉宽的激光信号，所述激光信号的线宽为几十MHz，所述激光信号的脉宽20ns-200ns；所述激光信号的重复频率为10Hz-100kHz；所述光纤放大器包括五级光纤预放大器和光纤主放大器，所述光纤主放大器为超大模场直径的增益光纤；所述频率变换器为非线性倍频晶体级联组成的倍频模块，用于将窄线宽纳秒可调谐光纤激光进行4 倍频得到波长为266nm的深紫外激光。
窄线宽光纤种子源为光纤耦合的半导体激光器，用于产生窄线宽光纤激光信号，保证激光应用时的光谱分辨率。
五级光纤预放大器包含第一带通滤波器、第一光纤波分复用器、第一泵浦源、第一增益光纤、第二带通滤波器、第二波分复用器、第二泵浦源、第二增益光纤、第三带通滤波器、环形器、光纤光栅、第一光耦合器、第一隔离器、第一合束器、第三泵浦源、第三增益光纤、第二隔离器、第二合束器、第四泵浦源、第四增益光纤、第三隔离器、第三合束器、第五泵浦源、第五增益光纤、第四隔离器；所述窄线宽光纤种子源输出端连接第一带通滤波器输入端，第一带通滤波器输出端连接第一光纤波分复用器信号端，第一光纤波分复用器公共端连接第一增益光纤输入端，第一半导体泵浦激光器与第一光纤波分复用器的泵浦端相连接，第一增益光纤输出端连接第二带通滤波器输入端，第二带通滤波器输出端连接第二光纤波分复用器信号端，第二光纤波分复用器公共端连接第二增益光纤输入端，第二半导体泵浦激光器与第二光纤波分复用器的泵浦端相连接，第二增益光纤输出端连接第三带通滤波器输入端，第三带通滤波器输出端连接环形器第一口，环形器第二口连接光纤光栅，环形器第三口连接第一光耦合器公共端，第一光耦合器信号端连接第一隔离器输入端，第一隔离器输出端连接第一合束器信号端，第三半导体泵浦激光器与第一合束器的泵浦端相连接，第一合束器公共端连接第三增益光纤输入端，第三增益光纤输出端连接第二隔离器输入端，第二隔离器输出端连接第二合束器信号端，第四半导体泵浦激光器与第二合束器的泵浦端相连接，第二合束器公共端连接第四增益光纤输入端，第四增益光纤输出端连接第三隔离器输入端，第三隔离器输出端连接第三合束器信号端，第五半导体泵浦激光器与第三合束器的泵浦端相连接，第三合束器公共端连接第五增益光纤输入端，第五增益光纤输出端与第四隔离器输入端相连接。
窄线宽光纤种子源产生的激光信号经过第一带通滤波器和第一光纤波分复用器传输至第一增益光纤，经过增益放大后被耦合进入第二带通滤波器和第二光纤波分复用器，然后进入第二增益光纤进行功率放大，随后激光从环形器第一口进入传输至环形器第二口的光纤光栅中，用于防止放大过程中自激振荡光的产生，接着激光从环形器第三口输出进入第一耦合器用于监测激光脉冲信号，随后激光信号经过第一隔离器和第一合束器进入第三增益光纤，经过放大后通过第二隔离器和第二合束器进入第四增益光纤进行功率放大，最后激光信号第三隔离器和第三合束器进入第五增益光纤，经过放大后耦合进入第四隔离器。
光纤主放大器包含第四合束器、第六增益光纤、第六泵浦源、第七泵浦源、第八泵浦源、第九泵浦源。第四隔离器输出端连接第四合束器信号端，第六泵浦源、第七泵浦源、第八泵浦源、第九泵浦源与第四合束器的泵浦端相连接，第四合束器公共端连接第六增益光纤输入端，激光从第六增益光纤输出端耦合输出。
频率变换器包含第一凸透镜、第一四分之一玻片、第一半玻片、分光棱镜、第二半玻片、第二凸透镜、LBO晶体、第一二色镜、第二二色镜、第三凸透镜、第三半玻片、BBO晶体、第三二色镜、第四二色镜；激光经过第六增益光纤放大后通过第一凸透镜准直为平行光，随后被耦合经过第一四分之一玻片、第一半玻片和分光棱镜后产生线偏振的激光，通过第二半玻片调整线偏振光的角度，利用第二凸透镜将平行光束聚焦进入LBO进行二倍频，倍频产生的532nm的激光经过第一二色镜和第二二色镜转折后耦合进入第三凸透镜，被聚焦的光斑经过第三半玻片调整偏振态后进入BBO晶体中进行四倍频激光产生，最后利用第三二色镜和第四二色镜将532nm和266nm激光进行分开，实现266nm的窄线宽紫外激光输出。
作为优选，所述窄线宽光纤种子源为光纤耦合的半导体激光器，能够产生线宽几十兆赫兹的激光输出，保证激光应用时的光谱分辨率。
作为优选，所述窄线宽光纤种子源的重复频率为100kHz。
作为优选，所述的第六增益光纤为超大模场直径的掺Yb增益光纤，模场直径为50微米～80微米，用于提高受激布里渊散射阈值，可进行全纤化熔接。
作为优选，所述倍频转换器与光纤输出头集成使用。
作为优选，所述LBO和BBO倍频晶体采用室温条件下的第一类相位匹配方式替代150摄氏度左右的温度匹配方式，降低了激光器的集成难度，适合各种应用环境。
作为优选，所述倍频晶体被放置在紫铜热沉上，利用半导体制冷器进行精确的恒温控制，控温精度为0.1摄氏度。
本发明的技术效果：本发明基于全光纤结构的激光放大器，实现了高平均功率(>800mW)、窄线宽(几十MHz)、重频和脉宽可自由调谐的紫外激光输出，体积小巧，结构稳定，环境适应能力强，在等离子体诊断、精密光谱学、激光同位素分离等前沿基础科学研究中应用效果优势明显。
相比于传统全固态紫外激光器，本发明具有三个明显的优点：
一是本发明包含全光纤激光器的优点，体积小巧，结构稳定，光束质量好，光光转化效率高。
二是频率转换部分在室温下工作，集成简单，与光纤输出头结合为一个整体的模块。
三是本发明的脉冲宽度和重复频率可自由调谐，可以提高激光应用的效率，覆盖更多的应用需求。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明：
图1是一个实施例的模块示意图；
图2是一个实施例的光纤放大器结构图；
图3是一个实施例的频率变换器结构图；
其中，100.窄线宽光纤种子源，200.光纤放大器，300.频率变换器；1-窄线宽光纤种子源，2-第一带通滤波器，3-第一光纤波分复用器，4-第一泵浦源， 5-第一增益光纤，6-第二带通滤波器，7-第二波分复用器，8-第二泵浦源，9- 第二增益光纤，10-第三带通滤波器，11-环形器，12-光纤光栅，13-第一光耦合器，14-第一隔离器，15-第一合束器，16-第三泵浦源，17-第三增益光纤，18-第二隔离器，19-第二合束器，20-第四泵浦源，21-第四增益光纤，22-第三隔离器，23-第三合束器，24-第五泵浦源，25-第五增益光纤，26-第四隔离器，27-第四合束器，28-第六增益光纤，29-第六泵浦源，30-第七泵浦源，31-第八泵浦源，32-第九泵浦源，33-第一凸透镜，34-第一四分之一玻片，35-第一半玻片，36-分光棱镜，37-第二半玻片，38-第二凸透镜，39-LBO晶体，40-第一二色镜，41-第二二色镜，42-第三凸透镜，43-第三半玻片，44-BBO晶体，45- 第三二色镜，46-第四二色镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优势更加清晰明确，以下结合附图和具体实施例作进一步说明，此处所描述的实施例仅用于解释本发明，但不限定本发明。
一种数十兆赫兹线宽的纳秒全光纤紫外激光器，其特征在于，包括：100. 窄线宽光纤种子源，200.光纤放大器和300.频率变换器，所述窄线宽光纤种子源为光纤耦合的半导体激光器，用于产生特定线宽和脉宽的激光信号，所述激光信号的线宽为几十MHz，所述激光信号的脉宽20ns-200ns；所述光纤放大器包括五级光纤预放大器和光纤主放大器，所述光纤主放大器为超大模场直径的增益光纤；所述频率变换器为非线性倍频晶体级联组成的倍频模块，用于将窄线宽纳秒全光纤激光进行4倍频得到波长为266nm的深紫外激光。
窄线宽光纤种子源1为光纤耦合的半导体激光器，用于产生窄线宽光纤激光信号，保证激光应用时的光谱分辨率。
五级光纤预放大器包含第一带通滤波器2、第一光纤波分复用器3、第一泵浦源4、第一增益光纤5、第二带通滤波器6、第二波分复用器7、第二泵浦源8、第二增益光纤9、第三带通滤波器10、环形器11、光纤光栅12、第一光耦合器13、第一隔离器14、第一合束器15、第三泵浦源16、第三增益光纤17、第二隔离器18、第二合束器19、第四泵浦源20、第四增益光纤21、第三隔离器22、第三合束器23、第五泵浦源24、第五增益光纤25、第四隔离器26；所述窄线宽光纤种子源1输出端连接第一带通滤波器2输入端，第一带通滤波器2输出端连接第一光纤波分复用器3信号端，第一光纤波分复用器3公共端连接第一增益光纤5输入端，第一半导体泵浦激光器4与第一光纤波分复用器3的泵浦端相连接，第一增益光纤5输出端连接第二带通滤波器6输入端，第二带通滤波器6输出端连接第二光纤波分复用器7信号端，第二光纤波分复用器7公共端连接第二增益光纤9输入端，第二半导体泵浦激光器8与第二光纤波分复用器7的泵浦端相连接，第二增益光纤9输出端连接第三带通滤波器10输入端，第三带通滤波器10输出端连接环形器11第一口，环形器11第二口连接光纤光栅12，环形器11第三口连接第一光耦合器13公共端，第一光耦合器13信号端连接第一隔离器14输入端，第一隔离器14输出端连接第一合束器15信号端，第三半导体泵浦激光器16与第一合束器15的泵浦端相连接，第一合束器15公共端连接第三增益光纤17输入端，第三增益光纤17输出端连接第二隔离器18输入端，第二隔离器18输出端连接第二合束器19信号端，第四半导体泵浦激光器20与第二合束器19的泵浦端相连接，第二合束器19公共端连接第四增益光纤21输入端，第四增益光纤21输出端连接第三隔离器22输入端，第三隔离器22输出端连接第三合束器23信号端，第五半导体泵浦激光器24与第三合束器23的泵浦端相连接，第三合束器23公共端连接第五增益光纤25输入端，第五增益光纤25输出端与第四隔离器26输入端相连接。
窄线宽光纤种子源1产生的激光信号经过第一带通滤波器2和第一光纤波分复用器3传输至第一增益光纤5，经过增益放大后被耦合进入第二带通滤波器6和第二光纤波分复用器7，然后进入第二增益光纤9进行功率放大，随后激光从环形器11第一口进入传输至环形器11第二口的光纤光栅中，用于防止放大过程中自激振荡光的产生，接着激光从环形器11第三口输出进入第一耦合器13用于监测激光脉冲信号，随后激光信号经过第一隔离器14和第一合束器15进入第三增益光纤17，经过放大后通过第二隔离器18和第二合束器19进入第四增益光纤21进行功率放大，最后激光信号第三隔离器22和第三合束器23进入第五增益光纤25，经过放大后耦合进入第四隔离器26。
光纤主放大器包含第四合束器27、第六增益光纤28、第六泵浦源29、第七泵浦源30、第八泵浦源31、第九泵浦源32。第四隔离器26输出端连接第四合束器27信号端，第六泵浦源29、第七泵浦源30、第八泵浦源31、第九泵浦源32与第四合束器27泵浦端相连接，第四合束器27公共端连接第六增益光纤28输入端，激光从第六增益光纤28输出端耦合输出。
作为优选，所述窄线宽光纤种子源为光纤耦合的半导体激光器，能够产生线宽几十兆赫兹的激光输出，保证激光应用时的光谱分辨率。
作为优选，所述窄线宽光纤种子源的重复频率为100kHz。
作为优选，所述的第六增益光纤为超大模场直径的掺Yb增益光纤，模场直径为50微米～80微米，用于提高受激布里渊散射阈值，可进行全纤化熔接。
频率变换器包含第一凸透镜33、第一四分之一玻片34、第一半玻片35、分光棱镜36、第二半玻片37、第二凸透镜38、LBO晶体39、第一二色镜40、第二二色镜41、第三凸透镜42、第三半玻片43、BBO晶体44、第三二色镜 45、第四二色镜46；激光经过第六增益光纤28放大后使用第一凸透镜33将发散的激光准直为平行光，光斑尺寸约为10mm，随后耦合进入第一四分之一玻片34，椭圆偏振光被修正为线偏振光，再经过第一半玻片35调整偏振方向，进入分光棱镜36后获得水平线偏振激光，随后利用第二半玻片37优化线偏振光的角度，再利用第二凸透镜38将平行光束聚焦进入LBO 39，优化晶体角度后产生532nm倍频激光，聚焦光斑尺寸约0.6mm。激光随后经过第一二色镜40和第二二色镜41转折耦合进入第三凸透镜42，被聚焦的光斑经过第三半玻片43调整偏振态后进入BBO 44晶体中进行四倍频激光产生，聚焦光斑尺寸约0.9mm，最后利用第三二色镜45和第四二色镜46将532nm和 266nm激光进行分开，实现266nm的窄线宽紫外激光输出。
倍频转换器中光学器件具体参数公布如下，第一凸透镜和第二凸透镜，直径为25.7mm，焦距为75mm，表面镀1064nm增透膜，通光率大于99％，第三凸透镜直径为25.4mm，焦距为60mm，表面镀532nm增透膜，532nm激光的透过率大于99％；第一四分之一玻片、第一半玻片、第二半玻片为零级 1064nm玻片，通光直径12.7mm，LBO晶体按照室温条件下第一类相位匹配切割，切割角度为(θ＝90°)，晶体尺寸为4mm*4mm*18mm，表面镀有1064nm和532nm增透膜，晶体被放置在半导体制冷器控温的紫铜热沉上，温度恒定在24.5摄氏度时倍频效果最好，第一二色镜和第二二色镜选用直径为20mm的1064nm高透，532nm高反的反射镜，532nm激光的反射率大于98％，BBO晶体按照室温条件下第一类相位匹配切割，切割角度为47.7°，晶体尺寸为4mm*4mm*7mm，表面镀有532nm和266nm增透膜，晶体被放置在半导体制冷器控温的紫铜热沉上，温度被设置为23摄氏度，第三二色镜和第四二色镜选用直径为20mm的532nm激光高透，266nm激光高反的反射镜，266nm激光的反射率大于95％，第二半玻片和第三半玻片分别为1064nm 和532nm的零级半玻片，尺寸为12.7mm，用于调整激光的偏振态。
作为优选，所述倍频转换器与光纤输出头集成使用。
作为优选，第一凸透镜和第二凸透镜的焦距为75mm，第三凸透镜的焦距为60mm。
作为优选，所述LBO和BBO倍频晶体采用室温条件下的第一类相位匹配方式替代150摄氏度左右的温度匹配方式，降低了激光器的集成难度，适合各种应用环境。
作为优选，所述倍频晶体被放置在紫铜热沉上，利用半导体制冷器进行精确的恒温控制，控温精度为0.1摄氏度。
最后应说明的是以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种数十兆赫兹线宽的纳秒全光纤紫外激光器，其特征在于，包括：窄线宽光纤种子源，光纤放大器和频率变换器，所述窄线宽光纤种子源为光纤耦合的半导体激光器，用于产生特定线宽和脉宽的激光信号，所述激光信号的线宽为几十MHz，所述激光信号的脉宽20ns-200ns，所述激光信号的重复频率为10Hz~100kHz；所述光纤放大器包括五级光纤预放大器和光纤主放大器，所述光纤主放大器为超大模场直径的增益光纤；所述频率变换器为非线性倍频晶体级联组成的倍频模块，用于将窄线宽纳秒全光纤激光进行4倍频得到波长为266nm的深紫外激光；
五级光纤预放大器包含第一带通滤波器、第一光纤波分复用器、第一泵浦源、第一增益光纤、第二带通滤波器、第二波分复用器、第二泵浦源、第二增益光纤、第三带通滤波器、环形器、光纤光栅、第一光耦合器、第一隔离器、第一合束器、第三泵浦源、第三增益光纤、第二隔离器、第二合束器、第四泵浦源、第四增益光纤、第三隔离器、第三合束器、第五泵浦源、第五增益光纤、第四隔离器；所述窄线宽光纤种子源输出端连接第一带通滤波器输入端，第一带通滤波器输出端连接第一光纤波分复用器信号端，第一光纤波分复用器公共端连接第一增益光纤输入端，第一半导体泵浦激光器与第一光纤波分复用器的泵浦端相连接，第一增益光纤输出端连接第二带通滤波器输入端，第二带通滤波器输出端连接第二光纤波分复用器信号端，第二光纤波分复用器公共端连接第二增益光纤输入端，第二半导体泵浦激光器与第二光纤波分复用器的泵浦端相连接，第二增益光纤输出端连接第三带通滤波器输入端，第三带通滤波器输出端连接环形器第一口，环形器第二口连接光纤光栅，环形器第三口连接第一光耦合器公共端，第一光耦合器信号端连接第一隔离器输入端，第一隔离器输出端连接第一合束器信号端，第三半导体泵浦激光器与第一合束器的泵浦端相连接，第一合束器公共端连接第三增益光纤输入端，第三增益光纤输出端连接第二隔离器输入端，第二隔离器输出端连接第二合束器信号端，第四半导体泵浦激光器与第二合束器的泵浦端相连接，第二合束器公共端连接第四增益光纤输入端，第四增益光纤输出端连接第三隔离器输入端，第三隔离器输出端连接第三合束器信号端，第五半导体泵浦激光器与第三合束器的泵浦端相连接，第三合束器公共端连接第五增益光纤输入端，第五增益光纤输出端与第四隔离器输入端相连接；
窄线宽光纤种子源产生的激光信号经过第一带通滤波器和第一光纤波分复用器传输至第一增益光纤，经过增益放大后被耦合进入第二带通滤波器和第二光纤波分复用器，然后进入第二增益光纤进行功率放大，随后激光从环形器第一口进入传输至环形器第二口的光纤光栅中，接着激光从环形器第三口输出进入第一耦合器用于监测激光脉冲信号，随后激光信号经过第一隔离器和第一合束器进入第三增益光纤，经过放大后通过第二隔离器和第二合束器进入第四增益光纤进行功率放大，最后激光信号第三隔离器和第三合束器进入第五增益光纤，经过放大后耦合进入第四隔离器；
光纤主放大器包含第四合束器、第六增益光纤、第六泵浦源、第七泵浦源、第八泵浦源、第九泵浦源；第四隔离器输出端连接第四合束器信号端，第六泵浦源、第七泵浦源、第八泵浦源、第九泵浦源与第四合束器的泵浦端相连接，第四合束器公共端连接第六增益光纤输入端，激光从第六增益光纤输出端耦合输出；
频率变换器包含第一凸透镜、第一四分之一玻片、第一半玻片、分光棱镜、第二半玻片、第二凸透镜、LBO晶体、第一二色镜、第二二色镜、第三凸透镜、第三半玻片、BBO晶体、第三二色镜、第四二色镜。
2.如权利要求1所述的一种数十兆赫兹线宽的纳秒全光纤紫外激光器，其特征在于，所述的第六增益光纤为超大模场直径的掺Yb增益光纤，模场直径为50微米~80微米。
3.如权利要求1所述的一种数十兆赫兹线宽的纳秒全光纤紫外激光器，其特征在于，所述倍频变换器为集成模块。
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