CN112803229A - 一种应用于材料微加工的超高重频飞秒光纤激光系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于材料微加工的超高重频飞秒光纤激光系统，包括：增益开关半导体种子源，用于产生GHz重复频率皮秒量级的种子脉冲；信号光再生系统，用于产生高相干度、近转换极限的种子脉冲；光纤预放大器，对皮秒种子进行功率预放大及光谱展宽；脉冲选择器，用于产生burst脉冲串；脉冲预啁啾装置，用于优化种子脉冲放大过程中的放大质量；光纤功率放大器，用于提升脉冲的平均功率和脉冲能量；以及脉冲压缩器，用于补偿放大脉冲的啁啾，获得近转换极限的超短脉冲输出。采用本发明的技术方案，可以实现高功率、高光束质量、高稳定性的线偏振飞秒脉冲激光输出，采用成熟稳定，无可饱和吸收体损耗器件、可靠性强的增益调制半导体激光器代替传统锁模振荡器和频率叠加模块，更适合在工业生产领域应用。

Description

一种应用于材料微加工的超高重频飞秒光纤激光系统
技术领域
本发明属于激光技术与非线性光学领域，尤其涉及一种应用于材料微加工的超高重频飞秒光纤激光系统。
背景技术
飞秒脉冲因其具有超快的时域特性以及高的峰值功率，在精密频率测量、材料微加工、激光手术、多光子生物医学成像以及科学研究等领域具有重要应用价值。其中伴随着消费电子行业的快速发展，飞秒激光器在精密材料加工领域的优势也愈加突出。使用飞秒脉冲进行材料加工时，激光与材料的相互作用被“冻结”在电子受激吸收和储存能量的过程，超短脉冲利用激光光子直接破坏目标材料的结合键，材料不经过液化直接气化，从根本上避免了能量转移以及热扩散的影响，因此材料热影响区微乎其微且没有明显的细小裂痕或表面碎屑，整个加工过程非常干净，不会产生重铸材料。此外，超短脉冲的超快时域特性使激光与材料的作用时间有效缩短，也使得因热传导作用而影响的热效应体积减小很多。尽管飞秒激光具有很多优点，但限制其在工业加工领域应用的一个主要因素是相比于应用市场和替代技术飞秒激光加工的生产力不足，加工效率低。2016年Kerse等人报道了采用飞秒脉冲串(脉冲串内子脉冲为GHz重复频率)对材料进行冷消融加工，实验对比了不同重复频率下的脉冲串对加工效果的影响(脉冲串内脉冲个数不同)，结果表明相比于传统的单脉冲加工基于这种脉冲串的加工模式不仅可以获得更好的加工质量，同时可以保证高效的加工效率，因此这类GHz量级的超高重频飞秒激光器光源近年来得到了大量研究。在高功率超短脉冲系统中，通常包含超短脉冲锁模振荡器、脉冲展宽器、脉冲选择器，一级或多级脉冲放大器以及脉冲压缩器。其中，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脉冲放大系统的性能。目前，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。可饱和吸收体锁模是目前应用最广泛的被动锁模技术之一，其原理是基于材料在不同光强下其损耗特性不同。用于可饱和吸收体锁模的材料包括半导体可饱和吸收镜以及碳纳米管、石墨烯、拓扑绝缘体、黑磷等新型二维材料，但这类可饱和吸收体材料的光损伤阈值低，易损坏，其长时间工作稳定性仍存在问题。非线性偏振旋转锁模同样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非线性双折射效应。因此，这类激光器不能采用全保偏结构，环境稳定性以及可靠性较差。由于受到谐振腔腔长的制约，采用上述被动锁模技术得到的超短脉冲重复频率通常为MHz量级，为了获得GHz重频脉冲输出，上述系统中超短脉冲振荡器后需要引入频率叠加模块，目前通常采用的方法包括谐波锁模或者使用50/50分束器引入固定延时通过级联方式实现脉冲重复频率叠加等。但是基于上述技术手段得到的GHz脉冲串存在稳定性较差，叠加脉冲之间不锁定等问题。
相比之下，增益开关半导体激光器具有技术成熟，集成度高，可靠性和长期稳定性强，无可饱和吸收体损耗器件，重复频率以及脉冲宽度可调谐等优点。其可以直接实现GHz量级的重复频率脉冲输出，同时脉冲宽度可以实现皮秒至纳秒调谐范围。但这类激光器也存在固有缺点，包括脉冲相干性以及时间稳定性差，输出脉冲宽度宽，脉冲振幅和相位噪声大以及脉冲光谱边模抑制比低等。因此，这类激光器在输出脉冲宽度、脉冲相干度以及脉冲信噪比等方面无法与传统锁模激光器相比拟。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是采用稳定性可靠性更强的超高重复频率增益开关半导体激光器结合频率转换技术替代传统锁模振荡器及后续频率叠加模块，并采用非线性脉冲放大技术，提供一种高稳定性超高重复频率的飞秒脉冲光源。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种应用于材料微加工的超高重频飞秒光纤激光系统包括：增益开关半导体种子源，用于产生GHz重复频率皮秒量级的种子脉冲；信号光再生系统，用于产生高相干度、近转换极限的新波长种子脉冲；光纤预放大器，对皮秒种子进行功率预放大及光谱展宽；脉冲选择器，用于产生burst脉冲串；脉冲预啁啾装置，用于优化种子脉冲放大过程中的放大质量；光纤功率放大器，用于提升脉冲的平均功率和脉冲能量；以及脉冲压缩器，用于补偿放大脉冲的啁啾，获得近转换极限的超短脉冲输出。
上述技术方案中，增益开关半导体种子源，信号光再生系统，光纤预放大器，脉冲串选择器均采用保偏全光纤结构熔接实现连接。所述脉冲预啁啾装置，光纤功率放大器以及脉冲压缩器为自由空间连接输出。
上述技术方案中，所述增益开关半导体种子源包含电脉冲发生器、信号放大器、直流偏置、直流电源、F-P半导体激光器、波长锁定DFB激光器、光纤耦合器以及啁啾光栅。
上述技术方案中，所述信号光再生系统包含按照光路顺序依次设置的纤芯泵浦光纤放大器，正色散高非线性光纤，光纤环形器以及带通滤波器。
上述技术方案中，所述正色散高非线性光纤为石英光纤或光子晶体光纤。
上述技术方案中，所述光纤预放大器为单级光纤放大器或多级光纤放大器。
上述技术方案中，所述脉冲预啁啾装置包含第一衍射光栅、第二衍射光栅、直角镜、反射镜以及双折射滤光片。
上述技术方案中，所述光纤功率放大器增益介质为大模场面积光纤或光子晶体光纤。
上述技术方案中，所述脉冲压缩器包含第三衍射光栅、第四衍射光栅、直角镜以及反射镜。
本发明的作用与效果：
本发明以高稳定性、低成本的增益开关半导体激光器作为种子源直接产生GHz超高重复频率皮秒脉冲，种子光在信号光再生系统中通过引入非线性效应(自相位调制和光波分裂)从而实现光谱展宽，产生新的频率成分，进而利用光学带通滤波器滤出其中相干性强的成分，此时得到的脉冲为高相干性近衍射极限的皮秒脉冲。将获得的皮秒脉冲进一步经过一级或多级脉冲预放大器实现脉冲能量提升以及光谱展宽。预放大后的脉冲经过光纤耦合声光调制器实现burst脉冲串输出。选频后的脉冲串进入功率放大级之前经过了脉冲预啁啾装置，用于优化脉冲进入功率放大级时的啁啾量大小以及实现脉冲整形。脉冲在光纤功率放大器中演化为抛物线形，实现自相似脉冲放大；放大脉冲最终经过脉冲压缩器进行色散补偿，获得飞秒脉冲激光输出。
本发明中系统均采用保偏光纤结构，输出线偏振激光，系统稳定性高，抗环境干扰能力强，方便维护。
本发明可以实现高功率、高光束质量、高效率、高稳定性的飞秒脉冲激光输出，采用成熟稳定，无可饱和吸收体损耗器件、可靠性强的增益调制半导体激光器代替传统锁模振荡器和频率叠加模块，结合非线性频率转换技术以及非线性脉冲放大技术，实现高能量超短脉冲激光输出，更适合在工业生产领域应用。
附图说明：
图1为本发明的实施例中不包含锁模振荡器的超短脉冲放大系统的结构示意图；
图2为本发明的实施例中不包含锁模振荡器的超短脉冲放大系统的信号光再生系统中光谱演化示意图；
图1中：100-增益开关皮秒种子源，101-电脉冲发生器，102-信号放大器，103-直流偏置，104-直流电源，105-F-P半导体激光器，106-波长锁定DFB激光器，107-光纤耦合器，108-啁啾光栅，109-保偏隔离器，200-信号光再生系统，201-波分复用器，202-单模激光二极管，203-单模单包层掺镱光纤，204-正色散高非线性光纤，205-光纤环形器，206-带通滤波器，300-光纤预放大器，301-保偏光纤隔离器，302-单模单包层掺镱光纤，303-波分复用器，304-单模激光二极管，305-保偏光纤隔离器，306-单模双包层掺镱光纤，307-光纤合束器，308-多模激光二极管，309-保偏光纤隔离器，400-脉冲选择器，401-光纤耦合声光调制器，402-非球面透镜，500-脉冲预啁啾整形器，501-透射光栅对，502-双折射滤光片，600-光纤功率放大器，601-空间光隔离器，602-非球面透镜，603-掺镱光子晶体光纤，604-非球面透镜，605-多模激光二极管，700-脉冲压缩器，701-透射光栅对
图2中：(a)-200信号光再生系统中脉冲经过单模单包层掺镱光纤203放大后输出光谱示意图，(b)-200信号光再生系统中放大脉冲经过高非线性光纤204后输出光谱示意图，(c)-200信号光再生系统中放大脉冲经过带通滤波器206后输出光谱示意图
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：
图1为本发明的实施例中一种应用于材料微加工的超高重频飞秒光纤激光系统的结构示意图。
图中1所示，本实施例中的一种应用于材料微加工的超高重频飞秒光纤激光系统由依照光路顺序的增益开关皮秒种子源100，信号光再生系统200，光纤预放大器300，脉冲选择器400，脉冲预啁啾整形器500，光纤功率放大器600以及脉冲压缩器700组成。其中：
增益开关半导体激光器种子源100包括：电脉冲发生器101、信号放大器102、直流偏置103、直流电源104、F-P半导体激光器105、波长锁定DFB激光器106、光纤耦合器107以及啁啾光栅108。
工作状态下，电脉冲发生器101产生重复频率可调的脉冲信号，其重复频率调节范围为0.5GHz-10GHz。输出射频信号经信号放大器102放大后作用于F-P半导体激光器105。通过调节直流电源104改变直流偏置103使中心波长1030nm处的F-P半导体激光器105工作在阈值附近，此时会表现出较强的驰豫振荡。该过程会产生一系列的脉冲尖峰，增益开关的原理就是捕捉到驰豫振荡过程中输出的第一个小的脉冲尖峰并抑制其余尖峰脉冲的产生，从而输出一个比驱动的电脉冲窄很多的皮秒级光脉冲。使用1030nm的波长锁定DFB激光器106使F-P半导体激光器105产生的纵模始终处于锁定状态，保证激光器单纵模输出。光纤耦合器107用于耦合啁啾光栅108，其根据输出脉冲的啁啾分布来压缩脉冲宽度，实现小于20ps的脉冲输出。这种增益开关半导体激光器种子源100的输出功率通常为μW量级。
增益开关半导体激光器种子源100进而进入信号光再生系统200中实现脉冲整形以及提高脉冲相干性。由于入射脉冲的平均功率和峰值功率很低，不足以在非线性光纤中产生非线性效应实现脉冲整形，因此信号光再生系统200中额外包含一级或多级光纤放大器来提升脉冲的峰值功率。入射脉冲经过保偏光纤隔离器109之后进入单模激光二极管202泵浦的光纤放大器中。单模激光二极管202耦合进入980/1030波分复用器201，泵浦保偏单模单包层掺镱光纤203实现脉冲平均功率和峰值功率提升，脉冲平均功率提升至百毫瓦量级，脉冲峰值功率提升至瓦级，此时脉冲输出光谱如图2(a)所示。由于脉冲重复频率高，对应峰值功率较低，需要引入一段正色散高非线性光纤204实现脉冲光谱展宽。放大脉冲在正色散非线性光纤内传输，在自相位调制效应以及光波分裂作用下实现光谱展宽，产生新的频率成分，其中光谱的展宽宽度由脉冲的峰值功率以及正色散高非线性光纤204长度决定，本实施例中，所用正色散高非线性光纤长度为20米。该过程中，所产生的新的光谱成分具有高相干性，此时输出光谱如图2(b)所示。放大脉冲进一步通过光纤环形器205耦合的带通滤波器206，其工作波长在脉冲展宽光谱的范围内，通过滤出部分新产生的光谱成分，可以得到近衍射极限的干净无基座相干脉冲输出。本实施例中，带通滤波器工作波长在1031-1034nm范围内，光谱带宽约0.5nm。脉冲经过带通滤波器206后输出光谱如图2(c)所示。
产生的新波长皮秒种子脉冲进一步经过光纤预放大器300实现脉冲能量提升。本实施例中，光纤预放大器300包含两级掺镱光纤放大器。入射脉冲经过保偏光纤隔离器301之后进入单模激光二极管304泵浦的光纤放大器中。放大器采用反向泵浦方式，单模激光二极管304耦合进入980/1030波分复用器303，泵浦保偏单模单包层掺镱光纤302实现脉冲预放大。第二级预放大器同样采用反向泵浦方式，预放大脉冲经保偏隔离器305后耦合进入单模双包层掺镱光纤306中，多模激光二极管308耦合进入合束器307中实现包层泵浦。放大脉冲经过保偏隔离器309进入下一级中。在光纤预放大器300中，脉冲能量提升至nJ量级，在自相位调制等非线性作用下，输出脉冲光谱宽度大于3nm。
预放大脉冲进入脉冲选择器400中实现脉冲串输出。本实施例中，入射脉冲经过光纤耦合声光调制器401实现脉冲串选择输出。通过控制声光调制器401的开关时间，可以实现不同重复频率不同脉冲个数的脉冲串输出。此外通过对声光调制器401的门信号进行整形可以对放大脉冲串进行整形，用以优化由于增益饱和效应引起的放大后输出脉冲串形状畸变。整形后的脉冲串经过非球面透镜402准直输出。
准直后的整形脉冲串随后经过脉冲预啁啾整形装置500实现脉冲预啁啾及光谱整形。其中501为透射光栅对，光栅参数为1000lins/mm，Littrow角为31.3°，衍射效率大于94％。入射脉冲在自相位调制作用下带有正啁啾，经过光栅对引入负啁啾并压缩脉宽，其中预啁啾量大小根据最终输出脉冲质量进行优化。负啁啾脉冲进一步经过双折射滤光片502实现光谱整形输出。
预啁啾脉冲随即进入光纤功率放大器600进行功率提升。本实施例中脉冲信号经过空间光隔离器601后通过非球面透镜602耦合进入掺镱光子晶体光纤603纤芯中，放大器采用反向泵浦方式，多模激光二极管605通过非球面透镜604耦合进入掺镱光子晶体光纤603包层中，实现信号光放大。通过优化入射脉冲参数使脉冲在光纤功率放大器600中实现自相似放大，放大过程中脉冲时域及光谱形状演化为抛物线形，脉冲串平均功率在光纤功率放大器600中可放大至100瓦量级。
放大后的脉冲串最后在脉冲压缩器700中实现脉冲时域压缩。脉冲串经过透射光栅对701引入负色散，对脉冲进行色散补偿，最终得到飞秒脉冲输出。本实施例中透射光栅对701中光栅参数为1000lins/mm，Littrow角为31.3°，衍射效率大于94％。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种应用于材料微加工的超高重频脉冲串飞秒光纤激光系统，其特征在于：包括依次连接的增益开关半导体种子源，信号光再生系统，光纤预放大器，脉冲串选择器，脉冲预啁啾装置，光纤功率放大器以及脉冲压缩器。
2.如权利要求1所述的应用于材料微加工的超高重频脉冲串飞秒光纤激光系统，其特征在于：所述增益开关半导体种子源，信号光再生系统，光纤预放大器，脉冲串选择器均采用保偏全光纤结构熔接实现连接。所述脉冲预啁啾装置，光纤功率放大器以及脉冲压缩器为自由空间连接输出。
3.如权利要求1所述的应用于材料微加工的超高重频脉冲串飞秒光纤激光系统，其特征在于：所述增益开关半导体种子源包含电脉冲发生器、信号放大器、直流偏置、直流电源、F-P半导体激光器、波长锁定DFB激光器、光纤耦合器以及啁啾光栅。
4.如权利要求1所述的应用于材料微加工的超高重频脉冲串飞秒光纤激光系统，其特征在于：所述信号光再生系统包含按照光路顺序依次设置的纤芯泵浦光纤放大器，正色散高非线性光纤，光纤环形器以及带通滤波器。
5.如权利要求1所述的应用于材料微加工的超高重频脉冲串飞秒光纤激光系统，其特征在于：所述正色散高非线性光纤为石英光纤或光子晶体光纤。
6.如权利要求1所述的应用于材料微加工的超高重频脉冲串飞秒光纤激光系统，其特征在于：所述光纤预放大器为单级光纤放大器或多级光纤放大器。
7.如权利要求1所述的应用于材料微加工的超高重频脉冲串飞秒光纤激光系统，其特征在于：所述脉冲预啁啾装置包含第一衍射光栅、第二衍射光栅、直角镜、反射镜以及双折射滤光片。
8.如权利要求1所述的应用于材料微加工的超高重频脉冲串飞秒光纤激光系统，其特征在于：所述光纤功率放大器增益介质为大模场面积光纤或光子晶体光纤。
9.如权利要求1所述的应用于材料微加工的超高重频脉冲串飞秒光纤激光系统，其特征在于：所述脉冲压缩器包含第三衍射光栅、第四衍射光栅、直角镜以及反射镜。
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