CN115459033A - 一种基于掺镱晶体吸收特性作为ASE滤波器的1064nm激光放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于掺镱晶体吸收特性作为ASE滤波器的1064nm激光放大器，该激光放大器充分利用掺镱晶体在1030nm波段的高吸收以及在1064nm波段的低损耗特性，从而可以作为1064nm激光放大器的一种低损耗ASE滤波器件。同时，掺镱晶体具有优异的机械性能和光学特性，极高的光损伤阈值使其适用于高功率、大能量的1064nm激光器系统。
Description
技术领域
本发明提供一种基于掺镱晶体吸收特性作为ASE滤波器的1064nm激光放大器，属于激光放大器的技术领域。
背景技术
激光增益介质作为激光器的核心器件，其通常具有较宽的激光发射光谱，且部分增益介质具有多个波段的激光发射截面。其中，掺镱(Yb)棒状光子晶体光纤是一种性能优异的激光增益介质，常用于高功率的1030nm连续激光或超短脉冲激光放大器。但是，该类型光纤的最佳增益波长通常位于1030nm附近，如果对1064nm的信号光进行放大，则极易出现1030nm附近的放大自发辐射(ASE)。因此，为了提升掺镱(Yb)棒状光子晶体光纤放大器在1064nm波长处的增益特性，通常需要采用双通或四通的结构设计。然而，目前可行的双通或四通放大器方案均需要在系统中使用0度反射镜等类似光学器件，而此时0度反射镜和掺镱棒状光子晶体光纤的其中一个端面就会形成激光谐振腔，从而在较低的功率下就会出现严重的ASE自激振荡。不同于单纯的ASE噪声，ASE自激振荡激光会迅速被放大，相应的1064nm信号光的增益则急剧降低，放大器会变得非常不稳定，且极易损伤光学器件。
通常，为了解决上述问题需要在放大器中插入相应的ASE滤波器件，其中比较常用的是带通滤波器。从实际效果来看，带通滤波器的确可以实现较好的滤波效果。但是，由于滤波器基质材料和镀膜材料的限制，其损伤阈值通常比较低，因而仅适用于低功率、小能量的激光放大器系统。此外，该类滤波器在滤除ASE噪声的同时，对信号光功率也存在一定的损耗。特别是对于双通或四通结构的激光放大器而言，信号光需要多次通过滤波器，从而造成信号光的多次功率损耗，进而导致整个放大器效率的降低。
相比之下，掺镱晶体或陶瓷材料具有非常优异的机械性能和光学特性，且在1030-1040nm波段具有较大的激光发射截面，因而被广泛用于高功率、大能量的激光振荡器或激光放大器。值得注意的是，部分掺镱晶体或陶瓷材料在1030-1040nm波段同时也具有较大的激光吸收截面，但是在1064nm波长附近却几乎没有吸收。以Yb:YAG晶体或陶瓷为例，其在1030nm波长附近具有较大的吸收系数，而在1064nm处的吸收几乎为零。此外，Yb:YAG晶体的吸收强度还主要取决于Yb离子的掺杂浓度，如图1所示，随着Yb离子掺杂浓度的增加，Yb:YAG晶体在1030nm波段的吸收强度不断提高。除了Yb:YAG晶体以外，类似的晶体还包括Yb:KGW、Yb:CaF2、Yb:CALGO等。然而根据已知的报道，掺镱晶体或陶瓷材料目前仅被广泛用作激光振荡器或激光放大器的增益介质，而从未作为被动的光学滤波器件使用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于掺镱晶体吸收特性作为ASE滤波器的1064nm激光放大器。该激光放大器充分利用掺镱晶体在1030nm波段的高吸收以及在1064nm波段的低损耗特性，从而作为1064nm激光放大器的一种低损耗ASE滤波器件。同时，掺镱晶体具有优异的机械性能和光学特性，极高的光损伤阈值使其适用于高功率、大能量的1064nm激光系统。
术语解释：
1、ASE：放大自发辐射。
2、Yb:YAG：掺镱钇铝石榴石。
3、Yb:KGW：掺镱钨酸钾钆。
4、Yb:CaF2：掺镱氟化钙。
5、Yb:CALGO：掺镱轧铝酸钙。
本发明技术方案为：
一种基于掺镱晶体吸收特性的ASE滤波器，所述ASE滤波器为掺镱晶体，利用掺镱晶体在1030nm波段的高吸收特性以及在1064nm波段的低损耗特性，从而作为1064nm激光放大器的ASE滤波器。
根据本发明优选的，所述掺镱晶体为Yb:YAG、Yb:KGW、Yb:CaF2、Yb:CALGO等类似晶体或陶瓷中任一种。
根据本发明优选的，所述掺镱晶体的Yb掺杂浓度视应用场景而定，常规的Yb掺杂浓度在1at.％至30at.％之间；
进一步优选的，掺镱晶体的Yb掺杂浓度在5at.％至20at.％之间。
一种基于所述ASE滤波器的1064nm激光放大器，包括沿光路依次设置的种子光、第一λ/2波片、光隔离器、第一45度反射镜、第二45度反射镜、第二λ/2波片、偏振分束器、泵浦光阑、第一平凸透镜、掺镱棒状光子晶体光纤、第一非球面透镜、双色镜，双色镜的反射光路上依次设置ASE滤波器、λ/4波片、0度反射镜，双色镜的透射光路上由远至近依次设置976nm半导体激光器、第二非球面透镜、第三45度反射镜、第四45度反射镜；
对于信号光：种子光输出的信号光首先经过第一λ/2波片和光隔离器，然后依次被第一45度反射镜和第二45度反射镜反射，然后经过第二λ/2波片调整至水平偏振态之后，依次透过偏振分束器和泵浦光阑，并经第一平凸透镜聚焦后进入掺镱棒状光子晶体光纤中进行第一次放大；第一次放大后的信号光被双色镜反射，然后经过掺镱晶体进行ASE滤波；接下来信号光经过λ/4波片后被0度反射镜反射沿着原路返回，并再次经过λ/4波片，此时信号光由水平偏振态转变为垂直偏振态；信号光依次经过掺镱晶体和双色镜，并经第一非球面透镜聚焦之后再次进入掺镱棒状光子晶体光纤中实现第二次放大；第二次放大后的信号光依次经过第一平凸透镜和泵浦光阑，其中泵浦光阑用于隔离未被掺镱棒状光子晶体光纤吸收的剩余泵浦激光，最后信号光从偏振分束器的垂直偏振方向反射输出；
对于泵浦光：976nm半导体激光器输出的泵浦光首先经过第二非球面透镜进行光束准直；然后依次被第三45度反射镜和第四45度反射镜反射，泵浦光透过双色镜并经第一非球面透镜聚焦之后进入掺镱棒状光子晶体光纤中为信号光提供泵浦能量。
所述光隔离器只允许信号光正向通过而隔离反向传输激光，从而达到保护种子光的目的。
根据本发明优选的，所述第一平凸透镜用于聚焦信号光，使得信号光斑直径小于掺镱棒状光子晶体光纤的纤芯直径，从而保证信号光顺利耦合进入纤芯当中。
根据本发明优选的，所述第一非球面透镜用于信号光的聚焦，以及调整泵浦光斑直径小于掺镱棒状光子晶体光纤的包层直径，从而保证泵浦光顺利耦合进入光纤包层当中。
根据本发明优选的，所述种子光的中心波长为1064nm，种子光为连续激光、准连续激光以及超短脉冲激光中任一种。
根据本发明优选的，所述双色镜对信号光45度高反，反射率大于99％，对泵浦光45度高透，透过率大于98％；其中，45度指光的传输方向与双色镜法线的夹角大小。
根据本发明优选的，所述976nm半导体激光器输出光纤的芯径为100/105μm或200/220μm，纤芯数值孔径NA为0.22。
本发明的有益效果为：
1、本发明所述激光放大器充分利用掺镱晶体在1030nm波段的高吸收以及在1064nm波段的低损耗特性，从而作为1064nm激光放大器一种接近无损耗的ASE滤波器件。
2、得益于掺镱晶体优异的机械性能和光学特性，极高的光损伤阈值使其适用于高功率、大能量的1064nm激光器系统，且无需担心滤波器件的光损伤问题。以Yb:YAG作为ASE滤波器为例，其损伤阈值通常在10J/cm2量级以上，而普通1064nm激光器ASE滤波器的损伤阈值通常在1J/cm2量级。
3、因为掺镱晶体的吸收特性主要取决于Yb离子的掺杂浓度，所以可以通过改变Yb离子的掺杂浓度获得增益可调的ASE滤波器件，从而具有更佳的灵活和适用性。
附图说明
图1为本发明所述Yb:YAG晶体的吸收光谱图。
图2为本发明所述基于掺镱晶体吸收特性作为ASE滤波器的1064nm激光放大器示意图。
图3a为对比例1中激光放大器得到的信号光谱。
图3b为当泵浦功率达到90W时，对比例1中激光放大器得到的信号光谱。
图4为本发明实施例1中1064nm激光放大器得到的信号光谱。
1、种子光，2、第一λ/2波片，3、光隔离器，4、第一45度反射镜，5、第二45度反射镜，6、第二λ/2波片，7、偏振分束器，8、泵浦光阑，9、第一平凸透镜，10、掺镱棒状光子晶体光纤，11、第一非球面透镜，12、双色镜，13、Yb:YAG晶体，14、λ/4波片，15、0度反射镜，16、976nm半导体激光器，17、第二非球面透镜，18、第三45度反射镜，19、第四45度反射镜。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
一种基于掺镱晶体吸收特性作为ASE滤波器的1064nm激光放大器，如图2所示，包括沿光路依次设置的种子光1、第一λ/2波片2、光隔离器3、第一45度反射镜4、第二45度反射镜5、第二λ/2波片6、偏振分束器7、泵浦光阑8、第一平凸透镜9、掺镱棒状光子晶体光纤10、第一非球面透镜11、双色镜12，双色镜12的反射光路上依次设置有ASE滤波器、λ/4波片14、0度反射镜15，双色镜12的透射光路上由远至近依次设置有976nm半导体激光器16、第二非球面透镜17、第三45度反射镜18、第四45度反射镜19；
本实施例中，ASE滤波器为Yb:YAG晶体13。
对于信号光：种子光1输出的信号光首先经过第一λ/2波片2和光隔离器3，然后依次被第一45度反射镜4和第二45度反射镜5反射，然后经过第二λ/2波片6调整至水平偏振态之后，依次透过偏振分束器7和泵浦光阑8，并经第一平凸透镜9聚焦进入掺镱棒状光子晶体光纤10中进行第一次放大；
第一次放大后的信号光被双色镜12反射，然后经过掺镱晶体进行ASE滤波；接下来信号光经过λ/4波片14后被0度反射镜15反射沿着原路返回，并再次经过λ/4波片14，此时信号光由水平偏振态转变为垂直偏振态；信号光依次经过掺镱晶体和双色镜12，并经第一非球面透镜11聚焦之后再次进入掺镱棒状光子晶体光纤10中实现第二次放大；放大后的信号光依次经过第一平凸透镜9和泵浦光阑8，其中泵浦光阑8用于隔离未被掺镱棒状光子晶体光纤10吸收的剩余泵浦激光，最后从偏振分束器7的垂直方偏振向反射输出；
对于泵浦光：976nm半导体激光器16输出的泵浦光首先经过第二非球面透镜17进行光束准直；然后依次被第三45度反射镜18和第四45度反射镜19反射，泵浦光透过双色镜12并经第一非球面透镜11聚焦之后进入掺镱棒状光子晶体光纤10中为信号光提供泵浦能量。
光隔离器3只允许信号光正向通过而隔离反向传输激光，从而达到保护种子光1的目的；
种子光1输出的信号光为超短脉冲激光，其中心波长为1064nm，平均功率为200mW，脉冲宽度为1ps，脉冲重复频率为500kHz；
第一45度反射镜4和第二45度反射镜5对信号光45度高反，反射率大于99％；其中，45度指光的传输方向与45度反射镜法线的夹角大小；
第一平凸透镜9的焦距为60mm；
掺镱棒状光子晶体光纤10的长度为80cm，纤芯直径为85μm，包层直径为260μm；
第一非球面透镜11的焦距为17.5mm，数值孔径NA为0.7；
第二非球面透镜17的焦距为20mm，数值孔径NA为0.6；
双色镜12对信号光45度高反，反射率大于99％，对泵浦光45度高透，透过率大于98％；其中，45度指光的传输方向与双色镜12法线的夹角大小；
Yb:YAG晶体13为细棒状结构，晶体的长度为30mm，晶体的直径为2mm，Yb掺杂浓度为2at.％；
976nm半导体激光器16输出连续激光，激光中心波长为976nm，平均功率为120W，输出光纤的芯径为200/220μm，纤芯数值孔径NA为0.22；
第三45度反射镜18和第四45度反射镜19对泵浦光45度高反，反射率大于99％；其中，45度指光的传输方向与45度反射镜法线的夹角大小。
对比例1
一种基于掺镱晶体吸收特性作为ASE滤波器的1064nm激光放大器，与实施例1的区别之处在于：
在1064nm激光放大器中没有设置Yb:YAG晶体13作为ASE滤波器，其他与实施例1中的结构相同。
实验例
对实施例1和对比例1提供的激光放大器性能进行测试，主要对比Yb:YAG晶体13作为ASE滤波器对输出信号光谱的影响。
针对对比例1提供的1064nm激光放大器，当没有加入Yb:YAG晶体13时，随着泵浦功率的增加，在1030nm波长附近逐渐产生ASE噪声，对应光谱如图3a所示。而随着泵浦功率的进一步增大，当泵浦功率达到90W时，ASE开始产生自激振荡并被迅速放大，对应光谱如图3b所示。激光放大器开始变得不稳定，且随着泵浦功率的增加，ASE自激振荡会迅速超过1064nm信号光的功率，此时放大器不能继续正常工作。
针对实施例1提供的基于掺镱晶体吸收特性作为ASE滤波器的1064nm激光放大器，当加入Yb:YAG晶体13之后，随着泵浦功率的增加，如图4所示，信号光的光谱始终没有1030nm波长处的ASE噪声产生。
上述实验结果证明，Yb:YAG晶体13对于1030nm波长处ASE噪声的抑制具有显著的效果，并且信号光的功率几乎没有额外损耗。
Claims (9)
1.一种基于掺镱晶体吸收特性的ASE滤波器，其特征在于，所述ASE滤波器为掺镱晶体，利用掺镱晶体在1030nm波段的吸收特性以及在1064nm波段的损耗特性，从而作为1064nm激光放大器的ASE滤波器。
2.根据权利要求1所述的一种基于掺镱晶体吸收特性的ASE滤波器，其特征在于，所述掺镱晶体为Yb:YAG、Yb:KGW、Yb:CaF2、Yb:CALGO中任一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于掺镱晶体吸收特性的ASE滤波器，其特征在于，所述掺镱晶体中Yb掺杂浓度视应用场景而定，Yb掺杂浓度在1at.％至30at.％之间；
进一步优选的，掺镱晶体的Yb掺杂浓度在5at.％至20at.％之间。
4.一种基于如权利要求1-3任一项所述ASE滤波器的1064nm激光放大器，其特征在于，包括沿光路依次设置的种子光、第一λ/2波片、光隔离器、第一45度反射镜、第二45度反射镜、第二λ/2波片、偏振分束器、泵浦光阑、第一平凸透镜、掺镱棒状光子晶体光纤、第一非球面透镜、双色镜，双色镜的反射光路上依次设置ASE滤波器、λ/4波片、0度反射镜，双色镜的透射光路上由远至近依次设置976nm半导体激光器、第二非球面透镜、第三45度反射镜、第四45度反射镜；
对于信号光：种子光输出的信号光首先经过第一λ/2波片和光隔离器，然后依次被第一45度反射镜和第二45度反射镜反射，然后经过第二λ/2波片调整至水平偏振态之后，依次透过偏振分束器和泵浦光阑，并经第一平凸透镜聚焦进入掺镱棒状光子晶体光纤中进行第一次放大；第一次放大后的信号光被双色镜反射，然后经过掺镱晶体进行ASE滤波；接下来信号光经过λ/4波片后被0度反射镜反射沿着原路返回，并再次经过λ/4波片，此时信号光由水平偏振态转变为垂直偏振态；信号光依次经过掺镱晶体和双色镜，并经第一非球面透镜聚焦之后再次进入掺镱棒状光子晶体光纤中实现第二次放大；第二次放大后的信号光依次经过第一平凸透镜和泵浦光阑，泵浦光阑用于隔离未被掺镱棒状光子晶体光纤吸收的剩余泵浦激光，最后从偏振分束器的垂直偏振方向反射输出；
对于泵浦光：976nm半导体激光器输出的泵浦光首先经过第二非球面透镜进行光束准直；然后依次被第三45度反射镜和第四45度反射镜反射，泵浦光透过双色镜并经第一非球面透镜聚焦之后进入掺镱棒状光子晶体光纤中为信号光提供泵浦能量。
5.根据权利要求4所述的一种基于ASE滤波器的1064nm激光放大器，其特征在于，所述第一平凸透镜用于聚焦信号光，使得信号光斑直径小于掺镱棒状光子晶体光纤的纤芯直径，从而保证信号光顺利耦合进入纤芯当中。
6.根据权利要求4所述的一种基于ASE滤波器的1064nm激光放大器，所述第一非球面透镜用于信号光的聚焦，以及调整泵浦光斑直径小于掺镱棒状光子晶体光纤的包层直径，从而保证泵浦光顺利耦合进入光纤包层当中。
7.根据权利要求4所述的一种基于ASE滤波器的1064nm激光放大器，所述种子光的中心波长为1064nm，种子光为连续激光、准连续激光以及超短脉冲激光中任一种。
8.根据权利要求4所述的一种基于ASE滤波器的1064nm激光放大器，所述双色镜对信号光45度高反，反射率大于99％，对泵浦光45度高透，透过率大于98％。
9.根据权利要求4所述的一种基于ASE滤波器的1064nm激光放大器，所述976nm半导体激光器输出光纤的芯径为100/105μm或200/220μm，纤芯数值孔径NA为0.22。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211192819.3A Pending CN115459033A (zh) | 2022-09-28 | 2022-09-28 | 一种基于掺镱晶体吸收特性作为ASE滤波器的1064nm激光放大器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115459033A (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090274183A1 (en) * | 2008-04-30 | 2009-11-05 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Optical amplification module and laser light source apparatus |
| US7876803B1 (en) * | 2007-03-21 | 2011-01-25 | Lockheed Martin Corporation | High-power, pulsed ring fiber oscillator and method |
| CN106207725A (zh) * | 2016-09-26 | 2016-12-07 | 中国工程物理研究院应用电子学研究所 | 一种基于掺镱光纤的1030nm激光放大器 |
| CN107591670A (zh) * | 2017-09-27 | 2018-01-16 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种双掺晶体激光产生方法及装置 |
| CN111541140A (zh) * | 2020-04-02 | 2020-08-14 | 山东大学 | 一种基于亮度级联泵浦的Yb:YAG超短脉冲激光放大器 |
| CN111884023A (zh) * | 2020-06-11 | 2020-11-03 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种用于滤除超快光纤激光放大器ase噪声的方法及滤波器 |
-
2022
- 2022-09-28 CN CN202211192819.3A patent/CN115459033A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| QIKAI ZHAO ET AL,: "High-repetition-rate, 50-μJ-level, 1064-nm, CPA laser system based on a single-stage double-pass Yb-doped rod-type fiber amplifier", OPTICAL EXPRESS, vol. 30, no. 3, 31 January 2022 (2022-01-31), pages 3611 - 3619 * |
| 赵智刚 等: "基于掺镱块材料的超短脉冲激光放大器综述", 激光与光电子学进展, vol. 57, no. 7, 30 April 2020 (2020-04-30), pages 071605 * |
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