CN114696199B - 一种可调节波长的飞秒激光系统及使用方法 - Google Patents

一种可调节波长的飞秒激光系统及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可调节波长的飞秒激光系统及使用方法，包括调节透镜组、飞秒激光器、波长调节机构、激光振荡器、光子晶体光纤、光耦合装置、聚焦物镜组，飞秒激光器输出端面通过光耦合装置与光子晶体光纤连通，光子晶体光纤另通过光耦合装置与激光振荡器连通，激光振荡器另与波长调节机构连通，波长调节机构另通过调节透镜组与聚焦物镜组连通，且波长调节机构另通过调节透镜组与聚焦物镜组光轴间同轴分布。其使用方法包括系统构建和激光调节输出两个步骤。本发明系统结构集成化程度、波长调节范围广，可在有效的简化飞秒激光器结构的同时，实现根据使用需要灵活调整飞秒激光器输出激光波长的需要。

Description

一种可调节波长的飞秒激光系统及使用方法
技术领域
本发明涉及一种可调节波长的飞秒激光系统及使用方法，属激光设备领域。
背景技术
飞秒激光器在当前众多的技术领域中均有着极为广泛的应用，但在实际使用中发现，当前所使用的飞秒激光器设备运行中，往往其输出的激光波长长度单一，难以实现灵活满足不同使用要求的需要；虽然当前也开发出了具备一定波长调节能力的飞秒激光器，但当前这类飞秒激光器的波长调节范围相对较小，且在调节过程中也无法对激光波长进行连续稳定调节从，从而导致应用范围依然相对较小，且调节精度相对较差，依然无法有效的灵活满足多种不同使用场合使用的需要。
此外，当前的飞秒激光器在运行中，激光输出的功率、频率的稳定性也均不同程度存在波动，从而导致了激光质量稳定性差，且激光设备结构复杂，从而严重影响了飞秒激光器设备运行的稳定性和可靠性。
发明内容
为了解决现有技术上的不足，本发明提供一种可调节波长的飞秒激光系统及使用方法，可在有效的简化飞秒激光器结构的同时，实现根据使用需要灵活调整飞秒激光器输出激光波长的需要。
一种可调节波长的飞秒激光系统，包括调节透镜组、飞秒激光器、波长调节机构、激光振荡器、光子晶体光纤、光耦合装置、聚焦物镜组，飞秒激光器输出端面通过光耦合装置与光子晶体光纤连通，光子晶体光纤另通过光耦合装置与激光振荡器连通，激光振荡器另与波长调节机构连通，波长调节机构另通过调节透镜组与聚焦物镜组连通，且波长调节机构另通过调节透镜组与聚焦物镜组光轴间同轴分布。
进一步的，所述的波长调节机构包括调节透镜组、光栅滤波器、激光功率放大器、条形受激拉曼散射晶体，所述条形受激拉曼散射晶体至少两个，各条形受激拉曼散射晶体间串联并同轴分布，相邻两个条形受激拉曼散射晶体间通过光栅滤波器连通，所述条形受激拉曼散射晶体中，其中一个条形受激拉曼散射晶体通过激光功率放大器与聚焦物镜组连通，另一个条形受激拉曼散射晶体通过激光振荡器与调节透镜组连通。
进一步的，所述的调节透镜组沿从前至后方向依次包括半波片、偏振控制器、倍频晶体、分束器、衰减片、二相色镜及凹凸透镜组，其中所述半波片、偏振控制器、倍频晶体、分束器、衰减片、二相色镜及凹凸透镜组间同轴分布，且其间距均为0—50毫米。
进一步的，所述的凹凸透镜组包括至少一个凸透镜、一个凹透镜镜面和一个平面镜。
进一步的，所述的飞秒激光器、波长调节机构、激光振荡器、光子晶体光纤、光耦合装置、聚焦物镜组均位于同一承载机体内，所述承载机体包括主承载壳、辅助承载壳、驱动电源、调节机构及驱动电路，所述主承载壳为轴向截面呈矩形的腔体结构，所述聚焦物镜组嵌于主承载壳前端面并与主承载壳同轴分布，所述聚焦物镜组、调节透镜组、波长调节机构、激光振荡器、光子晶体光纤及飞秒激光器沿着主承载壳轴线方向从前至后分布，且所述调节透镜组、波长调节机构均通过调节机构与主承载壳内表面滑动连接，所述调节机构至少两个，环绕主承载壳轴线均布，所述驱动电源、驱动电路均嵌于辅助承载壳内，且驱动电路分别与驱动电源、调节机构、飞秒激光器、波长调节机构、激光振荡器电气连接，此外辅助承载壳另与主承载壳外表面间相互连接。
进一步的，所述的调节机构中，与聚焦物镜组连通的调节透镜组及与波长调节机构的调节透镜组所连接的调节机构均为与主承载壳轴线平行分布的直线驱动导轨；与波长调节机构的条形受激拉曼散射晶体连接的调节机构为环绕主承载壳轴线呈螺旋结构分布的圆弧驱动导轨。
进一步的，所述的驱动电路为基FPGA芯片及DSP芯片中任意一种为基础的电路系统。
一种可调节波长的飞秒激光系统的使用方法，包括如下步骤：
S1，系统构建，首先对构成可调节波长的飞秒激光系统的可调节波长的飞秒激光系统包括调节透镜组、飞秒激光器、波长调节机构、激光振荡器、光子晶体光纤、光耦合装置、聚焦物镜组进行组装，并通过承载机体进行集中整合装配，得到成品可调节波长的飞秒激光系统，并对承载机体的驱动电源预充电；
S2，激光调节输出，完成S1步骤后，首先根据使用需要驱动飞秒激光器运行，产生的激光光束由光子晶体光纤引导至激光振荡器处，并由激光振荡器对激光光线根据使用需要进行预处理，对激光光线调制，然后将调制后的激光光束输送至波长调节机构中，并使激光光束在通过波长调节机构时，首先由波长调节机构的调节透镜组对激光光束进行滤波调制，获得所需特定波长、频率激光光纤，然后依次通过各级串联的条形受激拉曼散射晶体，再次对激光光束的波长、频率调节，并在通过条形受激拉曼散射晶体调节中，另由光栅滤波器对激光光纤进行重复滤波，最后通过波长调节后的激光光束通过激光功率放大器进行功率放大调节后由聚焦物镜组输出即可。
进一步的，所述的S2步骤中，在进行激光调节输出中，一方面通过通过承载机体内的调节机构对与聚焦物镜组连通的调节透镜组及与波长调节机构的调节透镜组位置调整，达到激光焦距调节的目的；另一方面通过与波长调节机构的条形受激拉曼散射晶体连接的调节机构，在实现对相邻两受激拉曼散射晶体位置调整的同时，对相邻两受激拉曼散射晶体间光路反射角度调节，从而达到对激光波长调节的目的。
本发明系统结构集成化程度、波长调节范围广，可在有效的简化飞秒激光器结构的同时，实现根据使用需要灵活调整飞秒激光器输出激光波长的需要，且激光波长调节范围广、并可实现波长范围连续调节，激光波长调节范围精度高，同时也有效的实现对飞秒激光器输出功率、频率调节的目的，并有效的提高激光光线输出质量，从而极大的提高了飞秒激光器使用的灵活性、通用性及可靠性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为本发明光路系统结构示意图；
图2为本发明承载机体结构示意图；
图3为调节透镜组局部结构示意图。
飞秒激光器1、波长调节机构2、激光振荡器3、光子晶体光纤4、光耦合装置5、聚焦物镜组6、调节透镜组7、承载机体8、光栅滤波器21、激光功率放大器22、条形受激拉曼散射晶体23、半波片71、偏振控制器72、倍频晶体73、分束器74、衰减片75、二相色镜76、凹凸透镜组77、主承载壳81、辅助承载壳82、驱动电源83、调节机构84、驱动电路85、操控界面851、电源连接端子852。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于施工，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1—图3所示，一种可调节波长的飞秒激光系统，包括调节透镜组7、飞秒激光器1、波长调节机构2、激光振荡器3、光子晶体光纤4、光耦合装置5、聚焦物镜组6，飞秒激光器1输出端面通过光耦合装置5与光子晶体光纤4连通，光子晶体光纤4另通过光耦合装置5与激光振荡器3连通，激光振荡器3另与波长调节机构2连通，波长调节机构另通过调节透镜组7与聚焦物镜组6连通，且波长调节机构2另通过调节透镜组7与聚焦物镜组6光轴间同轴分布。
重点说明的，所述的波长调节机构2包括调节透镜组7、光栅滤波器21、激光功率放大器22、条形受激拉曼散射晶体23，所述条形受激拉曼散射晶体23至少两个，各条形受激拉曼散射晶体23间串联并同轴分布，相邻两个条形受激拉曼散射晶体23间通过光栅滤波器21连通，所述条形受激拉曼散射晶体23中，其中一个条形受激拉曼散射晶体21通过激光功率放大器22与聚焦物镜组6连通，另一个条形受激拉曼散射晶体23通过激光振荡器3与调节透镜组7连通。
其中，所述的调节透镜组7沿从前至后方向依次包括半波片71、偏振控制器72、倍频晶体73、分束器74、衰减片75、二相色镜76及凹凸透镜组77，其中所述半波片71、偏振控制器72、倍频晶体73、分束器74、衰减片75、二相色镜76及凹凸透镜组77间同轴分布，且其间距均为0—50毫米。
进一步优化的，所述的凹凸透镜组77包括至少一个凸透镜、一个凹透镜镜面和一个平面镜。
进一步优化的，所述的倍频晶体73为二倍频晶体、四倍频晶体中的任意一种。
此外，所述的飞秒激光器1、波长调节机构2、激光振荡器3、光子晶体光纤4、光耦合装置5、聚焦物镜组6均位于同一承载机体8内，所述承载机体8包括主承载壳81、辅助承载壳82、驱动电源83、调节机构84及驱动电路85，所述主承载壳81为轴向截面呈矩形的腔体结构，所述聚焦物镜组6嵌于主承载壳81前端面并与主承载壳81同轴分布，所述聚焦物镜组6、调节透镜组7、波长调节机构2、激光振荡器3、光子晶体光纤4及飞秒激光器1沿着主承载壳81轴线方向从前至后分布，且所述调节透镜组7、波长调节机构2均通过调节机构84与主承载壳81内表面滑动连接，所述调节机构84至少两个，环绕主承载壳81轴线均布，所述驱动电源83、驱动电路85均嵌于辅助承载壳81内，且驱动电路85分别与驱动电源83、调节机构84、飞秒激光器1、波长调节机构2、激光振荡器3电气连接，此外辅助承载壳82另与主承载壳81外表面间相互连接。
需要特别说明的，所述的调节机构84中，与聚焦物镜组6连通的调节透镜组7及与波长调节机构2的调节透镜组7所连接的调节机构84均为与主承载壳81轴线平行分布的直线驱动导轨；与波长调节机构2的条形受激拉曼散射晶体23连接的调节机构84为环绕主承载壳81轴线呈螺旋结构分布的圆弧驱动导轨。
进一步优化的，所述的驱动电路85为基FPGA芯片及DSP芯片中任意一种为基础的电路系统。
与此同时，所述驱动电路85对应的辅助承载壳外表面另设基于按键、显示器、拨动开关机电位器中任意一种或几种共用为基础的操控界面851，驱动电源83对应的辅助承载壳82外侧面设至少一个电源连接端子852，且电源连接端子852通过驱动电路85与驱动电源83电气连接。
此外，所述主承载壳81、辅助承载壳82间通过滑槽、棘轮机构、螺栓、销钉及铆钉中的任意一种或几种共用进行连接。
一种可调节波长的飞秒激光系统的使用方法，包括如下步骤：
S1，系统构建，首先对构成可调节波长的飞秒激光系统的可调节波长的飞秒激光系统包括调节透镜组7、飞秒激光器1、波长调节机构2、激光振荡器3、光子晶体光纤4、光耦合装置5、聚焦物镜组6进行组装，并通过承载机体8进行集中整合装配，得到成品可调节波长的飞秒激光系统，并对承载机体8的驱动电源83预充电；
S2，激光调节输出，完成S1步骤后，首先根据使用需要驱动飞秒激光器1运行，产生的激光光束由光子晶体光纤4引导至激光振荡器3处，并由激光振荡器3对激光光线根据使用需要进行预处理，对激光光线调制，然后将调制后的激光光束输送至波长调节机构2中，并使激光光束在通过波长调节机构2时，首先由波长调节机构2的调节透镜组7对激光光束进行滤波调制，获得所需特定波长、频率激光光纤，然后依次通过各级串联的条条形受激拉曼散射晶体23，再次对激光光束的波长、频率调节，并在通过条形受激拉曼散射晶体23调节中，另由光栅滤波器21对激光光纤进行重复滤波，最后通过波长调节后的激光光束通过激光功率放大器22进行功率放大调节后由聚焦物镜组6输出即可。
特别说明的，所述的S2步骤中，在进行激光调节输出中，一方面通过承载机体8内的调节机构84对与聚焦物镜组6连通的调节透镜组7及与波长调节机构2的调节透镜组7位置调整，达到激光焦距调节的目的；另一方面通过与波长调节机构2的条形受激拉曼散射晶体23连接的调节机构84，在实现对相邻两条形受激拉曼散射晶体23位置调整的同时，对相邻两条形受激拉曼散射晶体23间光路反射角度调节，从而达到对激光波长调节的目的。
本发明系统结构集成化程度、波长调节范围广，可在有效的简化飞秒激光器结构的同时，实现根据使用需要灵活调整飞秒激光器输出激光波长，且激光波长调节范围广、并可实现波长范围连续调节，激光波长调节范围精度高，同时也有效的实现对飞秒激光器输出功率、频率调节的目的，并有效的提高激光光线输出质量，从而极大的提高了飞秒激光器使用的灵活性、通用性及可靠性。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种可调节波长的飞秒激光系统，其特征在于：所述的可调节波长的飞秒激光系统包括调节透镜组、飞秒激光器（1）、波长调节机构（2）、激光振荡器（3）、光子晶体光纤（4）、光耦合装置（5）、聚焦物镜组（6），所述飞秒激光器（1）输出端面通过光耦合装置（5）与光子晶体光纤（4）连通，所述光子晶体光纤（4）另通过光耦合装置（5）与激光振荡器（3）连通，所述激光振荡器（3）另与波长调节机构（2）连通，所述波长调节机构（2）另通过调节透镜组与聚焦物镜组（6）连通，且波长调节机构（2）另通过调节透镜组与聚焦物镜组（6）光轴间同轴分布；
所述的波长调节机构（2）包括调节透镜组、光栅滤波器（21）、激光功率放大器（22）、条形受激拉曼散射晶体（23），所述条形受激拉曼散射晶体（23）至少两个，各条形受激拉曼散射晶体（23）间串联并同轴分布，相邻两个条形受激拉曼散射晶体（23）间通过光栅滤波器（21）连通，所述条形受激拉曼散射晶体（23）中，其中一个条形受激拉曼散射晶体（23）通过激光功率放大器（22）与聚焦物镜组（6）连通，另一个条形受激拉曼散射晶体（23）通过激光振荡器（3）与波长调节机构（2）中的调节透镜组连通；
所述的调节透镜组顺次包括半波片（71）、偏振控制器（72）、倍频晶体（73）、分束器（74）、衰减片（75）、二相色镜（76）及凹凸透镜组（77），其中所述半波片（71）、偏振控制器（72）、倍频晶体（73）、分束器（74）、衰减片（75）、二相色镜（76）及凹凸透镜组（77）间同轴分布，且其间距均为0—50毫米；
所述的飞秒激光器（1）、波长调节机构（2）、激光振荡器（3）、光子晶体光纤（4）、光耦合装置（5）、聚焦物镜组（6）均位于同一承载机体（8）内，所述承载机体（8）包括主承载壳（81）、辅助承载壳（82）、驱动电源（83）、调节机构（84）及驱动电路（85），所述主承载壳（81）为轴向截面呈矩形的腔体结构，所述聚焦物镜组（6）嵌于主承载壳（81）前端面并与主承载壳（81）同轴分布，所述聚焦物镜组（6）、调节透镜组、波长调节机构（2）、激光振荡器（3）、光子晶体光纤（4）及飞秒激光器（1）沿着主承载壳（81）轴线方向从前至后分布，且所述调节透镜组、波长调节机构（2）均通过调节机构（84）与主承载壳（81）内表面滑动连接，所述调节机构（84）至少两个，环绕主承载壳（81）轴线均布，所述驱动电源（83）、驱动电路（85）均嵌于辅助承载壳（82）内，且驱动电路（85）分别与驱动电源（83）、调节机构（84）、飞秒激光器（1）、波长调节机构（2）、激光振荡器（3）电气连接，此外辅助承载壳（82）另与主承载壳（81）外表面间相互连接；
所述的调节机构（84）中，与聚焦物镜组（6）连通的调节透镜组及与波长调节机构（2）的调节透镜组所连接的调节机构（84）均为与主承载壳（81）轴线平行分布的直线驱动导轨；与波长调节机构（2）的条形受激拉曼散射晶体（23）连接的调节机构（84）为环绕主承载壳（81）轴线呈螺旋结构分布的圆弧驱动导轨。
2.根据权利要求1所述的一种可调节波长的飞秒激光系统，其特征在于：所述的凹凸透镜组（77）包括至少一个凸透镜、一个凹透镜镜面和一个平面镜。
3.根据权利要求1所述的一种可调节波长的飞秒激光系统，其特征在于：所述的驱动电路（85）为基FPGA芯片及DSP芯片中任意一种为基础的电路系统。
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