CN112736638B - 全光纤窄线宽纳秒可调谐绿光激光器 - Google Patents

全光纤窄线宽纳秒可调谐绿光激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了全光纤窄线宽纳秒可调谐绿光激光器，包括激光种子源、两级单模光纤激光放大器、四级多模光纤激光放大器和二次谐波装置。激光种子源发出重复频率和脉冲宽度连续可调谐的窄线宽纳秒种子光，两级单模光纤激光放大器用于对种子光进行初步放大，四级多模光纤激光放大器用于将种子光的功率进一步放大，二次谐波装置接收经多级功率放大后获取的基频光，并对其进行倍频处理得到绿光激光；将重复频率和脉冲宽度连续可调谐的窄线宽纳秒种子光通过多级有源光纤进行多级功率放大得到基频光，最后将基频光通过二次谐波装置进行倍频得到绿色激光，最终实现全光纤窄线宽纳秒可调谐绿光激光器。

Description

全光纤窄线宽纳秒可调谐绿光激光器
技术领域
本发明涉及绿光激光领域，特别是涉及一种全光纤窄线宽纳秒可调谐绿光激光器。
背景技术
绿光激光器广泛应用于材料加工、医疗、激光投影和泵浦光参量放大器等领域。目前，获得绿光激光的主要途径是通过固体激光器发射激光，然后通过非线性晶体对该激光倍频得到，尽管固态激光器已经生产出了100瓦以上的绿光激光器，但这些激光器的光束质量M2>10，且调谐范围有限。
近年来，光纤激光器以其光束质量高、稳定性好、热耗散大以及可调谐范围广等优点受到人们的广泛关注，尤其是大功率、窄线宽、线偏振式脉冲激光器在激光雷达、光谱测量和精密测量中更是得到了广泛应用。基于窄线宽光纤激光器在体积、效率、光束质量以及可调谐方面的优势，研究人员更倾向于采用窄线宽光纤激光器来获得二次谐波(SHG)输出，从而实现窄线宽、可调谐、高效率的绿光激光器。
发明内容
本发明旨在提出一种全光纤窄线宽纳秒可调谐绿光激光器，克服传统绿光激光器线宽较宽、可调谐范围小以及结构复杂的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种全光纤窄线宽纳秒可调谐绿光激光器，其特征包括激光种子源(a)、两级单模光纤放大器(b)、四级多模光纤放大器(c)和二次谐波装置(d)。激光种子源(a)为商用重复频率和脉冲宽度连续可调谐的窄线宽纳秒激光器，该激光种子源输出重复频率1kHz～100kHz可调、脉冲宽度1ns～200ns可调、平均功率为微瓦量级的窄线宽脉冲信号光，通过两级单模光纤激光放大器(b)后，信号光功率得到初步放大达到毫瓦两级，随后信号光进入四级多模光纤放大器(c)，此时信号光的功率进一步得到放大并从光纤端帽输出得到基频光，将基频光通过二次谐波装置(d)后得到绿光激光。该绿光激光器输出窄线宽、纳秒以及重复频率和脉冲宽度可调谐的绿光激光，且各个模块之间通过光纤熔接实现一个全纤化系统。
进一步地，所述激光种子源(a)为商用重复频率和脉冲宽度连续可调谐的窄线宽纳秒激光器，连接第一带通滤波器。
进一步地，所述两级单模光纤放大器(b)包含第一光纤波分复用器、第一增益光纤、第一半导体激光器、第二带通滤波器、第二光纤波分复用器、第二增益光纤、第二半导体激光器、第三带通滤波器、第一光纤环形器、第一反射式光纤光栅、第一信号光隔离器；第一半导体激光器输出端连接第一光纤波分复用器泵浦纤端，第一带通滤波器输出端连接第一光纤波分复用器信号纤端，第一光纤波分复用器公共端连接第一增益纤输入端，第一增益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纤端，第二半导体激光器输出端连接第二光纤波分复用器泵浦纤端，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链接第一光纤环形器输入端，第一光纤环形器反射端连接第一反射式光纤光栅前端，第一反射式光纤光栅后端连接第一光纤跳线，第一光纤环形器输出端连接第一信号光隔离器输入端。
进一步地，所述四级多模光纤放大器(c)由四级光纤放大器级联组成，包括第三半导体激光器、第一光纤合束器、第三增益光纤、第二信号光隔离器、第四半导体激光器、第二光纤合束器、第四增益光纤、第三信号光隔离器、第五半导体激光器、第三光纤合束器、第五增益光纤、第四信号光隔离器、第六半导体激光器、第四光纤合束器、第六增益光纤、包层光滤除器和输出端帽。
进一步地，第一信号光隔离器输出端连接第一光纤合束器信号纤端，第三半导体激光器连接第一光纤合束器泵浦纤端，第一光纤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信号光隔离器输入端，第二信号光隔离器输出端连接第二光纤合束器信号纤端，第四半导体激光器连接第二光纤合束器泵浦纤端，第二光纤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信号光隔离器输入端；第三信号光隔离器输出端连接第三光纤合束器信号纤端，第五半导体激光器连接第三光纤合束器泵浦纤端，第三光纤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连接第四信号光隔离器输入端；第四信号光隔离器输出端连接第四光纤合束器信号纤端，第六半导体激光器连接第四光纤合束器泵浦纤端，第四光纤合束器公共端连接第六增益光纤输入端，第六增益光纤输出端连接包层光滤除器输入端，包层光滤除器输出端熔接上输出端帽。
进一步地，所述二次谐波装置(d)包括第一透镜、1/4波片、第一半波片和偏振分光棱镜、第二半波片、第二透镜、非线性倍频晶体和滤光片；信号光由输出端帽输出后进入第一透镜，由第一透镜出射后进入1/4波片，从1/4波片出射后进入第一半波片，从第一半波片出射后进入偏振分光棱镜的前端面，从偏振分光棱镜的后端面出射后进入第二半波片，从第二半波片出射后进入第二透镜，从第二透镜出射后进入非线性倍频晶体的前端面，从非线性倍频晶体的后端面出射后进入滤光片，滤光片与信号光成45°放置，滤光片的反射面输出窄线宽纳秒绿光激光。
进一步地，所述第三增益光纤、第四增益光纤和第五增益光纤为非保偏的双包层掺镱增益光纤，所述第六增益光纤为非保偏的高掺杂超大模场双包层掺镱光纤。
进一步地，所述的非保偏的高掺杂超大模场双包层掺镱光纤的包层泵浦吸收系数为5.0dB/m，模场直径为48.0-52.0μm。
进一步地，所述的滤光片接收所述的非线性倍频晶体输出的绿光激光，并对所述绿光激光进行反射，透射所述绿光激光中的剩余杂质光。
进一步地，所述的非线性倍频晶体为三硼酸锂(LBO)或磷酸氧钛钾晶体(KTP)中的一种，使用数量是1块，使用长度为0.5mm。
与现有技术比，本发明的有益效果是：
1.本发明采用光纤熔接技术构成一个全纤化的系统，该系统抗干扰能力强、结构简单，便于操作同时全纤化的结构便于小型化封装；
2.本发明激光种子源为重复频率和脉冲宽度连续可调谐的窄线宽纳秒激光器，重复频率在1kHz～100kHz连续可调、脉冲宽度在1ns～200ns连续可调；
3.本发明所用的非线性倍频晶体为三硼酸锂(LBO)或磷酸氧钛钾晶体(KTP)中的一种，有效非线性系数高，使用数量是1块，使用长度为0.5mm；
附图说明
图1是本发明全光纤窄线宽纳秒可调谐绿光激光器的模块示意图；
图2是本发明全光纤窄线宽纳秒可调谐绿光激光器的结构原理图。
图中：(a)激光种子源、(b)两级单模光纤放大器、(c)四级多模光纤放大器和(d)二次谐波装置；1—窄线宽纳秒种子源，2—第一带通滤波器，3—第一半导体激光器，4—第一光纤波分复用器，5—第一增益光纤，6—第二带通滤波器，7—第二半导体激光器，8—第二光纤波分复用器，9—第二增益光纤，10—第三带通滤波器，11—光纤环形器，12—反射式光纤光栅，13—第一信号光隔离器，14—第一光纤合束器、15—第三半导体激光器，16—第三增益光纤，17—第二信号光隔离器，18—第三光纤合束器，19—第四半导体激光器，20—第四增益光纤21—第三信号光隔离器，22—第五半导体激光器，23—第三光纤合束器，24—第五增益光纤，25—第四信号光隔离器，26—第六半导体激光器，27—第四光纤合束器，28—第六增益光纤，29—包层光滤除器，30—输出端帽，31—第一透镜，32—1/4波片，33—第一半波片，34—偏振分光棱镜，35—第二半波片，36—第二透镜，37—第二半波片，38—滤光片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述，需要说明的是本发明要求保护的范围并不局限于实施例所表述的范围。
如图1所示，本发明实施例提供一种全光纤窄线宽纳秒可调谐绿光激光器，包括：激光种子源(a)、两级单模光纤放大器(b)、四级多模光纤放大器(c)和二次谐波装置(d)，所述激光种子源(a)为重复频率和脉冲宽度连续可调谐的窄线宽纳秒激光器；所述两级单模光纤放大器(b)由高掺杂单模增益光纤和与之配合使用的单模光纤器件组成；四级多模光纤放大器(c)由多级光纤放大器级联组成的功率放大器；二次谐波装置(d)由偏振控制装置、非线性倍频晶体以及滤光片组成。
如图2所示，重复频率和脉冲宽度连续可调的窄线宽纳秒种子源1与第一带通滤波器2相连，脉冲经第一带通滤波器2后进入两级单模光纤激光放大器，进行功率的初步放大。
两级单模光纤放大器(b)包括第一半导体激光器3、第一光纤波分复用器4、第一增益光纤5、第二带通滤波器6、第二半导体激光器7、第二光纤波分复用器8、第二增益光纤9、第三带通滤波器10、第一光纤环形器11、第一反射式光纤光栅12、第一信号光隔离器13；第一半导体激光器3输出端连接第一光纤波分复用器4泵浦纤端，第一带通滤波器2输出端连接第一光纤波分复用器4信号纤端，第一光纤波分复用器4公共端连接第一增益纤5输入端，第一增益纤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8信号纤端，第二半导体激光器7输出端连接第二光纤波分复用器8泵浦纤端，第二光纤波分复用器8公共端连接第二增益光纤9输入端，第二增益光纤输出端9连接第三带通滤波器10输入端，第三带通滤波器输出端10连接第一光纤环形器11输入端，第一光纤环形器11反射端连接第一反射式光纤光栅12前端，第一反射式光纤光栅12后端连接第一光纤跳线，第一光纤环形器11输出端连接第一信号光隔离器13输入端。
四级多模光纤放大器(c)包括第一光纤合束器14、第三半导体激光器15、第三增益光纤16、第二信号光隔离器17、第二光纤合束器18、第四半导体激光器19、第四增益光纤20、第三信号光隔离器21、第五半导体激光器22、第三光纤合束器23、第五增益光纤24、第四信号光隔离器25、第六半导体激光器26、第四光纤合束器27、第六增益光纤28、包层光滤除器29和输出端帽30。
第一信号光隔离器13输出端连接第一光纤合束器14信号纤端，第三半导体激光器15连接第一光纤合束器14泵浦纤端，第一光纤合束器14公共端连接第三增益光纤16输入端，第三增益光纤16输出端连接第二信号光隔离器17输入端，第二信号光隔离器17输出端连接第二光纤合束器18信号纤端，第四半导体激光器19连接第二光纤合束器18泵浦纤端，第二光纤合束器18公共端连接第四增益光纤20输入端，第四增益光纤20输出端连接第三信号光隔离器21输入端；第三信号光隔离器21输出端连接第三光纤合束器23信号纤端，第五半导体激光器22连接第三光纤合束器23泵浦纤端，第三光纤合束器23公共端连接第五增益光纤24输入端，第五增益光纤24输出端连接第四信号光隔离器25输入端；第四信号光隔离器25输出端连接第四光纤合束器27信号纤端，第六半导体激光器26连接第四光纤合束器27泵浦纤端，第四光纤合束器27公共端连接第六增益光纤28输入端，第六增益光纤28输出端连接包层光滤除器29输入端，包层光滤除器29输出端熔接上输出端帽30。
二次谐波装置(d)包括第一透镜31、1/4波片32、第一半波片33和偏振分光棱镜34、第二半波片35、第二透镜36、非线性倍频晶体37和滤光片38；信号光由输出端帽30输出后进入第一透镜31，由第一透镜31出射后进入1/4波片32，从1/4波片32出射后进入第一半波片33，从第一半波片33出射后进入偏振分光棱镜34的前端面，从偏振分光棱镜34的后端面出射后进入第二半波片35，从第二半波片35出射后进入第二透镜36，从第二透36镜出射后进入非线性倍频晶体37的前端面，从非线性倍频晶体37的后端面出射后进入滤光片38，滤光片38与信号光成45°放置，滤光片38的反射面输出窄线宽纳秒绿光激光。
本发明使用的激光种子源为重复频率1kHz～100kHz、脉冲宽度1ns～200ns连续可调谐的窄线宽纳秒激光器，能够输出微瓦量级的脉冲功率，经两级单模光纤激光放大器放大后，脉冲功率提升至毫瓦量级，在每级单模光纤激光放大器后连接一个带通滤波器用来滤除放大自发辐射，光纤环形器和反射式光栅用于去除带内间的放大自发辐射，随后脉冲进入四级多模光纤激光放大器中，脉冲功率进一步被放大至数十瓦，并由输出端帽30切8°角输出，包层光滤除装置29是通过在去除涂覆层的双包层光纤外涂覆高折射率导热介质的方法，剥除包层中剩余泵浦光及其它包层光，每一级多模光纤放大器后连接一个信号光隔离器，保证脉冲激光单向传播，将光纤放大器输出的脉冲时间和重复频率可调谐的基频光注入二次谐波装置进行激光倍频，经过第一透镜31准直后，经偏振控制装置得到高功率的线偏振光，偏振控制装置由1/4波片32、第一半波片33和偏振分光棱镜34组成，1/4波片32将放大器输出的椭圆偏振光转换为线偏振光输出；第一半波片33可以旋转线偏振光的偏振方向，偏振分光棱镜34控制输出线偏振光的功率大小，通过第一半波片33和偏振分光棱镜34的配合使用实现精度更高的调节，随后将线偏振光经第二半波片35和第二透镜36耦合至非线性被倍频晶体37上，最后通过转动第二半波片35改变基频光的偏振方向满足相位匹配后倍频产生绿光激光输出，随后成45°进入滤光片38，滤光片38接收非线性倍频晶体37输出的绿光激光，并对绿光激光进行反射，透射绿光激光中的剩余杂质光。基于上述方法，最终实现全光纤高重频纳秒窄线宽可调谐绿光激光器的输出，且整个装置设计简单、结构紧凑。

Claims (7)

1.一种全光纤窄线宽纳秒可调谐绿光激光器，其特征包括激光种子源(a)、两级单模光纤放大器(b)、四级多模光纤放大器(c)和二次谐波装置(d)，所述激光种子源(a)为重复频率和脉冲宽度连续可调谐的窄线宽纳秒激光器；所述两级单模光纤放大器(b)由高掺杂单模增益光纤和与之配合使用的单模光纤器件组成；四级多模光纤放大器(c)由多级光纤放大器级联组成的功率放大器；二次谐波装置(d)由偏振控制装置、非线性倍频晶体以及滤光片组成；
所述两级单模光纤放大器(b)包含第一光纤波分复用器、第一增益光纤、第一半导体激光器、第二带通滤波器、第二光纤波分复用器、第二增益光纤、第二半导体激光器、第三带通滤波器、第一光纤环形器、第一反射式光纤光栅、第一信号光隔离器；第一半导体激光器输出端连接第一光纤波分复用器泵浦纤端，第一带通滤波器输出端连接第一光纤波分复用器信号纤端，第一光纤波分复用器公共端连接第一增益纤输入端，第一增益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纤端，第二半导体激光器输出端连接第二光纤波分复用器泵浦纤端，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链接第一光纤环形器输入端，第一光纤环形器反射端连接第一反射式光纤光栅前端，第一反射式光纤光栅后端连接第一光纤跳线，第一光纤环形器输出端连接第一信号光隔离器输入端；所述第一增益光纤、第二增益光纤为非保偏掺镱单模增益光纤；
所述四级多模光纤放大器(c)由四级光纤放大器级联组成，包括第三半导体激光器、第一光纤合束器、第三增益光纤、第二信号光隔离器、第四半导体激光器、第二光纤合束器、第四增益光纤、第三信号光隔离器、第五半导体激光器、第三光纤合束器、第五增益光纤、第四信号光隔离器、第六半导体激光器、第四光纤合束器、第六增益光纤、包层光滤除器和输出端帽；
第一信号光隔离器输出端连接第一光纤合束器信号纤端，第三半导体激光器连接第一光纤合束器泵浦纤端，第一光纤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信号光隔离器输入端，第二信号光隔离器输出端连接第二光纤合束器信号纤端，第四半导体激光器连接第二光纤合束器泵浦纤端，第二光纤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信号光隔离器输入端；第三信号光隔离器输出端连接第三光纤合束器信号纤端，第五半导体激光器连接第三光纤合束器泵浦纤端，第三光纤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连接第四信号光隔离器输入端；第四信号光隔离器输出端连接第四光纤合束器信号纤端，第六半导体激光器连接第四光纤合束器泵浦纤端，第四光纤合束器公共端连接第六增益光纤输入端，第六增益光纤输出端连接包层光滤除器输入端，包层光滤除器输处端熔接上输出端帽；
所述二次谐波装置(d)包括第一透镜、1/4 波片、第一半波片和偏振分光棱镜、第二半波片、第二透镜、非线性倍频晶体和滤光片；信号光由输出端帽输出后进入第一透镜，由第一透镜出射后进入1/4 波片，从1/4 波片出射后进入第一半波片，从第一半波片出射后进入偏振分光棱镜的前端面，从偏振分光棱镜的后端面出射后进入第二半波片，从第二半波片出射后进入第二透镜，从第二透镜出射后进入非线性倍频晶体的前端面，从非线性倍频晶体的后端面出射后进入滤光片，滤光片与信号光成45°放置，滤光片的反射面输出窄线宽纳秒绿光激光。
2.根据权利要求1所述的全光纤窄线宽纳秒可调谐绿光激光器，其特征在于：所述激光种子源(a)为重复频率和脉冲宽度连续可调谐的窄线宽纳秒激光器，连接第一带通滤波器；
所述激光种子源为光纤激光器或半导体激光器中的一种。
3.根据权利要求1所述的全光纤窄线宽纳秒可调谐绿光激光器，其特征在于，所述第三增益光纤、第四增益光纤和第五增益光纤为非保偏的双包层掺镱增益光纤，所述第六增益光纤为非保偏的高掺杂超大模场双包层掺镱光纤。
4.根据权利要求3所述的全光纤窄线宽纳秒可调谐绿光激光器，其特征在于，所述的高掺杂超大模场双包层掺镱光纤的包层泵浦吸收系数为5.0dB/m，模场直径为48.0-52.0μm。
5.如权利要求1所述的全光纤窄线宽纳秒可调谐绿光激光器，其特征在于,所述的滤光片接收所述的非线性倍频晶体输出的绿光激光，并对所述绿光激光进行反射，透射所述绿光激光中的剩余杂质光。
6.如权利要求1所述的全光纤窄线宽纳秒可调谐绿光激光器，其特征在于，所述的非线性倍频晶体为三硼酸锂(LBO)或磷酸氧钛钾晶体(KTP)中的一种，使用数量是1块单个晶体，使用长度为0.5mm。
7.根据权利要求1所述的全光纤窄线宽纳秒可调谐绿光激光器，其特征在于，所述的激光种子源的重复频率为1kHz~100kHz，纳秒量级脉冲脉宽为1ns~200ns。
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