CN115513756A - 一种声光合束高功率大能量飞秒激光器及其激光合束方法 - Google Patents

一种声光合束高功率大能量飞秒激光器及其激光合束方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115513756A
CN115513756A CN202211039647.6A CN202211039647A CN115513756A CN 115513756 A CN115513756 A CN 115513756A CN 202211039647 A CN202211039647 A CN 202211039647A CN 115513756 A CN115513756 A CN 115513756A
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical fiber
acousto
optic
laser
power
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202211039647.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115513756B (zh
Inventor
陈少祥
刘振林
刘磊
王嵩
万秋香
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan Huarui Ultra Fast Fiber Laser Technology Co ltd
Original Assignee
Wuhan Huarui Ultra Fast Fiber Laser Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan Huarui Ultra Fast Fiber Laser Technology Co ltd filed Critical Wuhan Huarui Ultra Fast Fiber Laser Technology Co ltd
Priority to CN202211039647.6A priority Critical patent/CN115513756B/zh
Publication of CN115513756A publication Critical patent/CN115513756A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115513756B publication Critical patent/CN115513756B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/11—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on acousto-optical elements, e.g. using variable diffraction by sound or like mechanical waves
    • G02F1/125—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on acousto-optical elements, e.g. using variable diffraction by sound or like mechanical waves in an optical waveguide structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0071—Beam steering, e.g. whereby a mirror outside the cavity is present to change the beam direction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0085—Modulating the output, i.e. the laser beam is modulated outside the laser cavity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/06754—Fibre amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/06791—Fibre ring lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10007—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating in optical amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/10084—Frequency control by seeding
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1123—Q-switching
    • H01S3/117—Q-switching using intracavity acousto-optic devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H01S3/136—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling devices placed within the cavity
    • H01S3/137—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling devices placed within the cavity for stabilising of frequency
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

本发明涉及超快激光技术领域，具体涉及一种声光合束高功率大能量飞秒激光器及其激光合束方法，包括飞秒光纤种子源、用于进行脉冲展宽的展宽器模块、用于对展宽后的光束进行预放大的一级光纤预放模块、用于将一级预放大后的光束分为多路激光光束的光纤分束器模块、用于对分束后的多路激光光束分别进行降频的光纤声光调制器模块、用于对降频后的多路激光光束分别进行预放大的二级光纤预放模块、用于将二级预放大后的多路激光光束分别进行功率放大的功率放大模块以及用于将功率放大后的多路激光光束空间重叠合为一束激光光束的空间声光合束模块。本发明在不需要相干合束的情况下，就能够获得重复频率、高功率、大能量和飞秒窄脉冲激光的稳定输出。

Description

一种声光合束高功率大能量飞秒激光器及其激光合束方法
技术领域
本发明涉及超快激光技术领域，特别是涉及超快光纤激光技术领域，具体涉及一种声光合束高功率大能量飞秒激光器及其激光合束方法。
背景技术
随着超快光纤激光器在工业加工领域应用的深入，当前应用于航空航天的碳纤维等新型复合材料的工艺加工对超快光纤激光参数要求呈现高功率、大能量、飞秒窄脉冲和高重频的趋势。
对于当前的超快光纤激光器，通常采用啁啾脉冲放大的方法来实现高功率大能量超快脉冲输出，包括种子源、光纤预放大、光纤功率放大和压缩模块。其中光纤预放大后通常采用声光调制器来使得飞秒种子源的重复频率降至几十kHz至几百kHz的范围，便于在功率放大阶段获得更高的单脉冲能量输出，然而无法满足当前新型复合材料和脆性材料对高重复频率的激光参数要求；另外其中脉冲功率放大阶段使用大模场的有源光纤来降低非线性相位积累来提高单脉冲输出能量，但受限于当前光纤制备的工艺水平，光纤纤芯直径通常小于100μm，相应的有效模场面积仍然偏小，导致脉冲放大过程中的非线性积累显著地高于超快固体激光器，使得在脉冲放大过程中因增益窄化现象而不能在输出功率提高的情况下保证飞秒窄脉冲输出；另一方面当输出功率高于一定阈值时，输出的光束模式出现横模不稳定型的现象，继续增加泵浦功率会降低输出功率和输出激光的光束质量。另外，通过相干合束可以实现高功率大能量飞秒脉冲输出，但是其复杂的相位控制和填充因子使得这种激光器很难满足当前工业加工对激光输出长期稳定的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种声光合束高功率大能量飞秒激光器及其激光合束方法，在不需要相干合束的情况下就能实现高重复频率、高功率、大能量和飞秒窄脉冲激光的稳定输出。
为实现上述目的，本发明的技术方案为一种声光合束高功率大能量飞秒激光器，包括飞秒光纤种子源、用于对飞秒光纤种子源提供的光束进行脉冲展宽的展宽器模块、用于对展宽后的光束进行预放大的一级光纤预放模块、用于将一级预放大后的光束分为多路激光光束的光纤分束器模块、用于对分束后的多路激光光束分别进行重复频率降频的光纤声光调制器模块、用于对降频后的多路激光光束分别进行预放大的二级光纤预放模块、用于将二级预放大后的多路激光光束分别进行功率放大的功率放大模块以及用于将功率放大后的多路激光光束空间重叠合为一束激光光束的空间声光合束模块。
进一步地，所述飞秒光纤种子源为飞秒毫瓦级光纤振荡器，振荡器为单模保偏光纤振荡器。
进一步地，所述展宽器模块包括保偏光纤环形器和展宽器，所述飞秒光纤种子源供的光束经所述保偏光纤环形器的第一端口进入所述保偏光纤环形器，再从所述保偏光纤环形器的第二端口进入所述展宽器，经所述展宽器内光栅展宽之后原路返回到所述保偏光纤环形器的第二端口进入所述保偏光纤环形器，然后从所述保偏光纤环形器的第三端口输出进入所述一级光纤预放模块。
进一步地，所述光纤分束器模块包括依次设置的零级光纤分束器、一级光纤分束器…n-1级光纤分束器，n为大于1的正整数，且下一级光纤分束器的个数为上一级光纤分束器个数的2倍，所述光纤分束器模块将激光束分束形成2n路激光光束，且所述2n路激光光束的重复频率与飞秒光纤种子源提供的光束的重复频率相同。
更进一步地，上一级光纤分束器分别通过两根光纤跳线与两个下一级光纤分束器连接，上一级光纤分束器与下一级光纤分束器之间的所有光纤跳线长度相同。
更进一步地，所述光纤声光调制器模块包括2n个光纤声光调制器，且所述光纤声光调制器与所述2n路激光光束一一对应且分别通过长度相同的光纤跳线连接。
更进一步地，所述二级光纤预放模块包括2n个二级光纤预放器，所述功率放大模块包括2n个功率放大器，所述二级光纤预放器和所述功率放大器均与所述2n路激光光束一一对应。
更进一步地，所述空间声光合束模块包括依次设置的n-1级空间声光合束装置、n-2级空间声光合束装置…零级空间声光合束装置，n为大于1的正整数，且所述n-1级空间声光合束装置的个数为2n-1，下一级空间声光合束装置的个数为上一级空间声光合束装置个数的一半，所述空间声光合束模块将2n路激光光束空间重叠合为一束重复频率是飞秒光纤种子源提供的光束重复频率
Figure BDA0003819649910000031
的高功率大能量脉冲，K为正整数。
更进一步地，每一级的空间声光合束装置均包括两对平面反射镜对和一个空间声光调制器，上一级的其中两路激光光束分别经两对平面反射镜对反射调整高功率大能量脉冲的位置和空间光传输方向后耦合到下一级的一个空间声光调制器中。
本发明还提供一种采用上述的声光合束高功率大能量飞秒激光器的激光合束方法，包括如下步骤：
S1、飞秒光纤种子源提供的重复频率为f0的光束源经展宽器模块展宽和一级光纤预放模块预放大后，通过光纤分束器模块分2n路激光光束；
S2、2n路激光光束分别通过对应的光纤声光调制器降低重复频率，降频后的重复频率
Figure BDA0003819649910000041
K为正整数，同时各路光纤声光调制器的Trigger模式下调制信号有均等的延时；
S3、2n路激光光束经频和延时处理后，分别通过二级光纤预放器预放大后，再通过功率放大器进行功率放大；
S4、将功率放大后的2n路激光光束按延时顺序两两分为一组，同为一组的两束光束经对应的平面反射镜对反射后，耦合到相应的n-1级空间声光调制器，激光光束的数量变为2n-1；将合束后的2n-1束激光光束按延时顺序两两分为一组，同为一组的两束光束经对应的平面反射镜对反射后，耦合到相应的n-2级空间声光调制器，激光光束的数量变为2n-2；以此类推，直到经过零级空间声光合束装置的合束，激光光束合为一束激光光束，重复频率为
Figure BDA0003819649910000042
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过光纤分束器模块将经展宽、预放大后的光束均等的分成多路激光光束，多路激光光束分别经过对应的光纤声光调制器降频和延迟、预放大和功率放大后，再通过空间声光合束模块将多路激光光束空间重叠合为一束激光光束，在不需要相干合束的情况下，通过简洁的电信号控制声光调制器开关，就能够获得重复频率、高功率、大能量和飞秒窄脉冲激光的稳定输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明提供的声光合束高功率大能量飞秒激光器的结构示意图(同一种子源分为2n束激光分束、放大和声光合束)；
图2是本发明具体实施例中同一种子源分为四束激光分束、放大和声光合束的示意图；
图3是本发明具体实施例中种子源飞秒激光脉冲、经TPSR(Tunable PulseStretcher,可调脉冲展宽器)和一级光纤预放大模块后的脉冲、以及经光纤耦合器分束后的四束激光脉冲的示意图；
图4是本发明具体实施例中四束激光脉冲经声光调制器选频后的脉冲示意图，各分脉冲激光光束之间有等距的延时；
图5是本发明具体实施例中四束功率放大后的激光脉冲经声光调制器合束的时域图；
图6是本发明具体实施例中最后一级经声光调制器合束输出重复频率4f1的高功率激光脉冲示意图；
图7是本发明中因各分光束空间光距离差引起的脉冲重复频率抖动的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1，本实施例提供一种声光合束高功率大能量飞秒激光器，包括飞秒光纤种子源、用于对飞秒光纤种子源提供的光束进行脉冲展宽的展宽器模块、用于对展宽后的光束进行预放大的一级光纤预放模块、用于将一级预放大后的光束分为多路激光光束的光纤分束器模块、用于对分束后的多路激光光束分别进行重复频率降频的光纤声光调制器模块、用于对降频后的多路激光光束分别进行预放大的二级光纤预放模块、用于将二级预放大后的多路激光光束分别进行功率放大的功率放大模块以及用于将功率放大后的多路激光光束空间重叠合为一束激光光束的空间声光合束模块。本实施例通过光纤分束器模块将经展宽、预放大后的光束均等的分成多路激光光束，多路激光光束分别经过降频和延迟、预放大、功率放大后，再通过空间声光合束模块将多路激光光束空间重叠合为一束激光光束，在不需要相干合束的情况下，通过简洁的电信号控制声光调制器开关，就能够获得重复频率、高功率、大能量和飞秒窄脉冲激光的稳定输出。
优化地，所述飞秒光纤种子源为飞秒毫瓦级光纤振荡器，通常重复频率f0为几十MHz，其中，振荡器优选为单模保偏光纤振荡器。
具体地，所述展宽器模块包括保偏光纤环形器和展宽器，所述飞秒光纤种子源供的光束经所述保偏光纤环形器的第一端口进入所述保偏光纤环形器，再从所述保偏光纤环形器的第二端口进入所述展宽器，经所述展宽器内光栅展宽之后原路返回到所述保偏光纤环形器的第二端口进入所述保偏光纤环形器，然后从所述保偏光纤环形器的第三端口输出进入所述一级光纤预放模块。所述一级光纤预放模块包括一级光纤预放大器。
细化上述实施例，所述光纤分束器模块包括依次设置的零级光纤分束器、一级光纤分束器…n-1级光纤分束器，n为大于1的正整数，且下一级光纤分束器的个数为上一级光纤分束器个数的2倍，所述光纤分束器模块将激光束分束形成2n路激光光束，且所述2n路激光光束的重复频率与飞秒光纤种子源提供的光束的重复频率相同。所有光纤分束器的信号功率分束比都是50：50，每个光纤分束器都可以将光束分为重复频率保持不变、单脉冲能量和峰值功率减半的两路脉冲，即经零级光纤分束器所得的两路脉冲重复频率仍为f0，单脉冲能量和峰值功率为一级光纤预放大器输出光的1/2，经零级光纤分束器所得的两路脉冲分别进入两个一级光纤分束器并得到四路脉冲，且四路脉冲重复频率仍为f0，单脉冲能量和峰值功率为一级光纤预放大器输出光的1/4，以此类推，经n-2级光纤分束器所得的2n-1路脉冲分别进入2n-1个n-1级光纤分束器并得到2n路脉冲，且2n路脉冲重复频率仍为f0，单脉冲能量和峰值功率为一级光纤预放大器输出光的
Figure BDA0003819649910000071
为尽量保持同一级的所有信号光束的同步，上一级光纤分束器分别通过两根光纤跳线与两个下一级光纤分束器连接，上一级光纤分束器与下一级光纤分束器之间的所有光纤跳线长度相同。
具体地，所述光纤声光调制器模块包括2n个光纤声光调制器，且所述光纤声光调制器与所述2n路激光光束一一对应且分别通过长度相同的光纤跳线连接，以保持信号光束的同步。更进一步地，所述二级光纤预放模块包括2n个二级光纤预放器，所述功率放大模块包括2n个功率放大器，所述二级光纤预放器和所述功率放大器均与所述2n路激光光束一一对应。经光纤分束器模块后所得的2n路激光光束分别经过对应的光纤声光调制器、二级光纤预放器、功率放大器后进入空间声光合束模块。
更进一步地，所述空间声光合束模块包括依次设置的n-1级空间声光合束装置、n-2级空间声光合束装置…零级空间声光合束装置，n为大于1的正整数，且所述n-1级空间声光合束装置的个数为2n-1，下一级空间声光合束装置的个数为上一级空间声光合束装置个数的一半，所述空间声光合束模块将2n路激光光束空间重叠合为一束重复频率是飞秒光纤种子源提供的光束重复频率
Figure BDA0003819649910000072
的高功率大能量脉冲，K为正整数。
更进一步地，每一级的空间声光合束装置均包括两对平面反射镜对和一个空间声光调制器，上一级的其中两路激光光束分别经两对平面反射镜对反射调整高功率大能量脉冲的位置和空间光传输方向后耦合到下一级的一个空间声光调制器中。n-1级空间声光合束装置包括2n对n-1级平面反射镜对和2n-1个n-1级空间声光调制器，经功率放大后的2n路激光光束分别进入2n对n-1级平面反射镜对中调节脉冲的位置和空间光传输方向，然后耦合到2n-1个n-1级空间声光调制器中，形成2n-1路激光光束；n-2级空间声光合束装置包括2n-1对n-2级平面反射镜对和2n-2个n-2级空间声光调制器，n-1级空间声光调制器输出的2n-1路激光光束分别进入2n-1对n-2级平面反射镜对中调节脉冲的位置和空间光传输方向，然后耦合到2n-2个n-2级空间声光调制器中，形成2n-2路激光光束；以此类推，1级空间声光调制器输出的2路激光光束分别进入2对1级平面反射镜对中调节脉冲的位置和空间光传输方向，然后耦合到1个零级空间声光调制器中，形成1路激光光束。
本发明还提供一种采用上述的声光合束高功率大能量飞秒激光器的激光合束方法，包括如下步骤：
S1、飞秒光纤种子源提供的重复频率为f0的光束源经展宽器模块展宽和一级光纤预放模块预放大后，通过光纤分束器模块将信号均等的分成多路激光光束，光束数量N＝2n，n为正整数；
S2、2n路激光光束分别通过对应的光纤声光调制器降低重复频率，降频后的重复频率
Figure BDA0003819649910000081
K为正整数，同时各路光纤声光调制器的Trigger模式下调制信号有均等的延时，延时间隔T等于激光最终合束后重复频率的倒数，即
Figure BDA0003819649910000082
S3、2n路激光光束经频和延时处理后，分别通过各二级光纤预放器预放大后，再通过功率放大器的透镜耦合到大模场有源光纤进行功率放大，得到低重复频率、大能量的啁啾脉冲激光输出，并且各路啁啾脉冲在时间上有均等的延时；
S4、将功率放大后的2n路激光光束按延时顺序两两分为一组，同为一组的两路激光脉冲各自经对应的平面反射镜对反射后，耦合到相应的n-1级空间声光调制器，通过控制空间声光调制器的Trigger信号和调节平面反射镜对的三维位置，使得所述分为一组的两束激光脉冲空间重叠上合为一束激光，在时间上将两路激光脉冲错位叠加，间距刚好也为延时间隔T，通过n-1级空间声光调制器的合束，激光光束的数量变为2n-1；将合束后的2n-1束激光光束按延时顺序两两分为一组，同为一组的两路激光脉冲各自经对应的平面反射镜对反射后，耦合到相应的n-2级空间声光调制器，通过控制空间声光调制器的Trigger信号和调节平面反射镜对的三维位置，使得所述分为一组的两束激光脉冲空间重叠上合为一束激光，在时间上将所述两路激光脉冲错位叠加，间距刚好为延时间隔T，这样通过n-2级空间声光调制器的合束，激光光束的数量变为2n-2；以此类推，直到经过零级空间声光调制器的合束，激光光束合为一束激光光束，重复频率为
Figure BDA0003819649910000091
即为飞秒光纤种子源重复频率的
Figure BDA0003819649910000092
(其中K为正整数)。对于既定的分光光束数量N，通过调节光纤声光调制器选频时的K值来改变合束后激光输出的重复频率。
下面以同一种子源分为四束激光分束、放大和声光合束为例进行详细说明。
参考图2，声光合束高功率大能量飞秒激光器包括：
飞秒种子源1，用于提供的光束；
保偏光纤环形器2；
展宽器3，用于对飞秒种子源1提供的光束经光纤环形器2进行脉冲展宽；
一级光纤预放大器4，用于对展宽的脉冲进行预放大；
零级光纤分束器5，用于对预放大后的脉冲信号进行分脉冲，信号功率分束比50：50；
两个相同规格的一级光纤分束器6和一级光纤分束器7，用于对零级光纤分束器5分束后的两路脉冲信号进行再次分脉冲；一级光纤分束器6和一级光纤分束器7的信号功率分束比50：50；
四个相同规格的声光调制器8、声光调制器9、声光调制器10和声光调制器11，用于对一级光纤分束器6和一级光纤分束器7分束后的四路脉冲信号分别进行重复频率选频；四个声光调制器的具体功能是降低分束后的四路脉冲信号的重复频率；
四个相同规格的二级光纤预放大器12、二级光纤预放大器13、二级光纤预放大器14和二级光纤预放大器15，用于对降频后四路脉冲信号进行放大；
四个相同规格的功率放大器16、功率放大器17、功率放大器18和功率放大器19，用于对经四个二级光纤预放大器放大后的四路脉冲信号进行再次放大；其中功率放大器所用增益介质为大模场增益光纤；
四组一级平面反射镜对M1(平面反射镜20，平面反射镜21)、M2(平面反射镜22，平面反射镜23)、M3(平面反射镜24，平面反射镜25)和M4(平面反射镜26，平面反射镜27)，用于对功率放大后的四路高功率大能量脉冲进行空间光方向调整；四组平面反射镜对的功能是调整四路高功率大能量脉冲的位置和空间光传输方向；
一级声光调制器28和一级声光调制器29，用于对经平面反射镜对M1-M4调整后的四路高功率大能量脉冲进行两两合束；
两组零级平面反射镜对M5(平面反射镜30，平面反射镜31)和M6(平面反射镜32，平面反射镜33)，用于对经一级声光调制器28和一级声光调制器29合束的两路高功率大能量脉冲进行空间光方向调整；
零级声光调制器34，用于对经平面反射镜对M5和平面反射镜对M6调整后的两路高功率大能量脉冲进行合束。
具体过程如下：
飞秒种子源1提供的光束重复频率f0固定为几十MHz，经保偏光纤环形器2的第一端口进入保偏光纤环形器2，再从保偏光纤环形器2的第二端口进入展宽器3，经展宽器3内光栅展宽之后原路返回到保偏光纤环形器2的第二端口进入保偏光纤环形器2，然后从保偏光纤环形器2的第三端口输出进入一级光纤预放大器4，此时脉冲宽度接近1ns，一级光纤预放大器4的功能是提高经展宽器3展宽和保偏光纤环形器2输出的脉冲功率，补偿保偏光纤环形器2的高损耗和每级光纤分束器因分光带来的损耗；
零级光纤分束器5的分光比为50：50，因此经零级光纤分束器5所得的两路脉冲重复频率保持不变，仍为f0，单脉冲能量和峰值功率为一级光纤预放大器4输出光的1/2，优选的，为尽量保持两路信号光束的同步，连接零级光纤分束器5与一级光纤分束器6和一级光纤分束器7的两个光纤跳线的长度设为一样；经一级光纤分束器6和一级光纤分束器7分光后所得的四路脉冲重复频率仍不变，为f0，单脉冲能量和峰值功率为一级光纤预放大器4输出光的1/4，形成四路重复频率为f0的光束，如图3所示，标记为光束1、光束2、光束3和光束4；
经一级光纤分束器6和一级光纤分束器7分光后所得的四路脉冲分别进入声光调制器8、声光调制器9、声光调制器10和声光调制器11进行重复频率选频；优选的，为尽量保持四路信号光束的同步，连接一级光纤分束器6和一级光纤分束器7与声光调制器8、声光调制器9、声光调制器10和声光调制器11的四个光纤跳线的长度设为一样；经过声光调制器选频后，四路信号光束的重复频率降为f1，通常为100kHz-1000kHz，并且此时的四路信号光束的平均功率5毫瓦，光谱宽度12nm，为了实现四路光束合束的目的，声光调制器8、声光调制器9、声光调制器10和声光调制器11之间在TRIG模式下的调制信号依次有等距的延迟，延迟间隔为
Figure BDA0003819649910000121
如图4所示；
经选频和延时处理后四路信号光束分别进入二级光纤预放大器12、二级光纤预放大器13、二级光纤预放大器14和二级光纤预放大器15进行放大，级二级光纤预放大器放大后四路信号光束平均功率达到1瓦，光谱宽度10nm，再分别经功率放大器16、功率放大器17、功率放大器18和功率放大器19放大后，四路信号光束的平均功率达到80-100W，光谱宽度8nm；放大后的四路高功率光束，分别经一级平面反射镜对M1(平面反射镜20，平面反射镜21)、一级平面反射镜对M2(平面反射镜22，平面反射镜23)、一级平面反射镜对M3(平面反射镜24，平面反射镜25)和一级平面反射镜对M4(平面反射镜26，平面反射镜27)调节后两两一组，分别耦合到一级声光调制器28和一级声光调制器29，如图5所示，具体的，通过控制TRIG模式下一级声光调制器28的调制信号，与光束2的信号同步：使得一级声光调制器28常开状态时100％通过功放后的激光光束1，一级声光调制器28在TRIG模式下由一级衍射通过功放后的激光光束2，实现激光光束1和激光光束2通过一级声光调制器28后沿同一光路传输，时域上脉冲重复频率加倍，即为图5所示的一次合束后的激光光束A；同样地，通过一级声光调制器29形成了一次合束后的激光光束B；激光光束A和激光光束B经零级平面反射镜对M5(平面反射镜30，平面反射镜31)和M6(平面反射镜32，平面反射镜33)调节后，通过零级声光调制器34在TRIG模式下的调制，实现激光光束A和激光光束B的合束，如图6所示，输出重复频率为4f1(相对应的周期为T1，T1＝1/f1)，平均功率达到300W以上，光谱宽度7nm，压缩后实现平均功率300W，重复频率400-4000MHz的飞秒激光输出。如图7所示，展示了功放后的激光光束1和激光光束2由于功率放大器16与一级声光调制器28之间空间距离差引起的激光光束1和激光光束2在时域上的间隔抖动t，通常t远小于T1和声光调制器门信号宽度T2，因此能合理的得到重复频率为4f1的激光脉冲输出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种声光合束高功率大能量飞秒激光器，其特征在于：包括飞秒光纤种子源、用于对飞秒光纤种子源提供的光束进行脉冲展宽的展宽器模块、用于对展宽后的光束进行预放大的一级光纤预放模块、用于将一级预放大后的光束分为多路激光光束的光纤分束器模块、用于对分束后的多路激光光束分别进行重复频率降频的光纤声光调制器模块、用于对降频后的多路激光光束分别进行预放大的二级光纤预放模块、用于将二级预放大后的多路激光光束分别进行功率放大的功率放大模块以及用于将功率放大后的多路激光光束空间重叠合为一束激光光束的空间声光合束模块。
2.如权利要求1所述的声光合束高功率大能量飞秒激光器，其特征在于：所述飞秒光纤种子源为飞秒毫瓦级光纤振荡器，振荡器为单模保偏光纤振荡器。
3.如权利要求1所述的声光合束高功率大能量飞秒激光器，其特征在于：所述展宽器模块包括保偏光纤环形器和展宽器，所述飞秒光纤种子源供的光束经所述保偏光纤环形器的第一端口进入所述保偏光纤环形器，再从所述保偏光纤环形器的第二端口进入所述展宽器，经所述展宽器内光栅展宽之后原路返回到所述保偏光纤环形器的第二端口进入所述保偏光纤环形器，然后从所述保偏光纤环形器的第三端口输出进入所述一级光纤预放模块。
4.如权利要求1所述的声光合束高功率大能量飞秒激光器，其特征在于：所述光纤分束器模块包括依次设置的零级光纤分束器、一级光纤分束器…n-1级光纤分束器，n为大于1的正整数，且下一级光纤分束器的个数为上一级光纤分束器个数的2倍，所述光纤分束器模块将激光束分束形成2n路激光光束，且所述2n路激光光束的重复频率与飞秒光纤种子源提供的光束的重复频率相同。
5.如权利要求4所述的声光合束高功率大能量飞秒激光器，其特征在于：上一级光纤分束器分别通过两根光纤跳线与两个下一级光纤分束器连接，上一级光纤分束器与下一级光纤分束器之间的所有光纤跳线长度相同。
6.如权利要求4所述的声光合束高功率大能量飞秒激光器，其特征在于：所述光纤声光调制器模块包括2n个光纤声光调制器，且所述光纤声光调制器与所述2n路激光光束一一对应且分别通过长度相同的光纤跳线连接。
7.如权利要求4所述的声光合束高功率大能量飞秒激光器，其特征在于：所述二级光纤预放模块包括2n个二级光纤预放器，所述功率放大模块包括2n个功率放大器，所述二级光纤预放器和所述功率放大器均与所述2n路激光光束一一对应。
8.如权利要求4所述的声光合束高功率大能量飞秒激光器，其特征在于：所述空间声光合束模块包括依次设置的n-1级空间声光合束装置、n-2级空间声光合束装置…零级空间声光合束装置，n为大于1的正整数，且所述n-1级空间声光合束装置的个数为2n-1，下一级空间声光合束装置的个数为上一级空间声光合束装置个数的一半，所述空间声光合束模块将2n路激光光束空间重叠合为一束重复频率是飞秒光纤种子源提供的光束重复频率
Figure FDA0003819649900000021
的高功率大能量脉冲，K为正整数。
9.如权利要求8所述的声光合束高功率大能量飞秒激光器，其特征在于：每一级的空间声光合束装置均包括两对平面反射镜对和一个空间声光调制器，上一级的其中两路激光光束分别经两对平面反射镜对反射调整高功率大能量脉冲的位置和空间光传输方向后耦合到下一级的一个空间声光调制器中。
10.一种采用权利要求1-9任一项所述的声光合束高功率大能量飞秒激光器的激光合束方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、飞秒光纤种子源提供的重复频率为f0的光束源经展宽器模块展宽和一级光纤预放模块预放大后，通过光纤分束器模块分2n路激光光束；
S2、2n路激光光束分别通过对应的光纤声光调制器降低重复频率，降频后的重复频率
Figure FDA0003819649900000031
K为正整数，同时各路光纤声光调制器的Trigger模式下调制信号有均等的延时；
S3、2n路激光光束经频和延时处理后，分别通过二级光纤预放器预放大后，再通过功率放大器进行功率放大；
S4、将功率放大后的2n路激光光束按延时顺序两两分为一组，同为一组的两束光束经对应的平面反射镜对反射后，耦合到相应的n-1级空间声光调制器，激光光束的数量变为2n-1；将合束后的2n-1束激光光束按延时顺序两两分为一组，同为一组的两束光束经对应的平面反射镜对反射后，耦合到相应的n-2级空间声光调制器，激光光束的数量变为2n-2；以此类推，直到经过零级空间声光合束装置的合束，激光光束合为一束激光光束，重复频率为
Figure FDA0003819649900000032
CN202211039647.6A 2022-08-29 2022-08-29 一种声光合束高功率大能量飞秒激光器及其激光合束方法 Active CN115513756B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211039647.6A CN115513756B (zh) 2022-08-29 2022-08-29 一种声光合束高功率大能量飞秒激光器及其激光合束方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211039647.6A CN115513756B (zh) 2022-08-29 2022-08-29 一种声光合束高功率大能量飞秒激光器及其激光合束方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115513756A true CN115513756A (zh) 2022-12-23
CN115513756B CN115513756B (zh) 2023-06-06

Family

ID=84502136

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211039647.6A Active CN115513756B (zh) 2022-08-29 2022-08-29 一种声光合束高功率大能量飞秒激光器及其激光合束方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115513756B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2624219A (en) * 2022-11-11 2024-05-15 Coherent Scotland Ltd Fiber-optic pulse picker and stretcher

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070177640A1 (en) * 2006-02-02 2007-08-02 Polaronyx, Inc. Practical approach for one mJ femtosecond fiber laser
CN102882108A (zh) * 2012-09-18 2013-01-16 广东汉唐量子光电科技有限公司 一种全光纤啁啾脉冲网络相干放大方法
CN109818242A (zh) * 2019-02-22 2019-05-28 四川沃飞光电科技有限公司 脉宽和功率可调谐的纳秒脉冲激光光源结构
CN111769428A (zh) * 2020-06-01 2020-10-13 浙江大学 一种基于2×3光开关的全光纤高能量脉冲再生放大装置及方法
CN113410739A (zh) * 2021-06-18 2021-09-17 中国科学院物理研究所 预啁啾管理飞秒脉冲激光相干合成放大装置及其系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070177640A1 (en) * 2006-02-02 2007-08-02 Polaronyx, Inc. Practical approach for one mJ femtosecond fiber laser
CN102882108A (zh) * 2012-09-18 2013-01-16 广东汉唐量子光电科技有限公司 一种全光纤啁啾脉冲网络相干放大方法
CN109818242A (zh) * 2019-02-22 2019-05-28 四川沃飞光电科技有限公司 脉宽和功率可调谐的纳秒脉冲激光光源结构
CN111769428A (zh) * 2020-06-01 2020-10-13 浙江大学 一种基于2×3光开关的全光纤高能量脉冲再生放大装置及方法
CN113410739A (zh) * 2021-06-18 2021-09-17 中国科学院物理研究所 预啁啾管理飞秒脉冲激光相干合成放大装置及其系统

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2624219A (en) * 2022-11-11 2024-05-15 Coherent Scotland Ltd Fiber-optic pulse picker and stretcher

Also Published As

Publication number Publication date
CN115513756B (zh) 2023-06-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ma et al. 7.1 kW coherent beam combining system based on a seven-channel fiber amplifier array
US8531761B2 (en) High peak power optical amplifier
Klenke et al. Coherent beam combination of ultrafast fiber lasers
US11201447B2 (en) Multi-pulse amplification
US9166355B2 (en) Directly driven source of multi-gigahertz, sub-picosecond optical pulses
US20110280581A1 (en) Systems and methods for producing high-power laser beams
Limpert et al. Performance scaling of ultrafast laser systems by coherent addition of femtosecond pulses
CN108448374B (zh) 基于空芯光纤空间相干组束的周期量级激光系统
US20210333565A1 (en) Multi-aperture laser system
CN113566983B (zh) 一种激光相干阵列分布式相位控制系统及控制方法
US8373924B2 (en) Frequency-tripled fiber MOPA
US9484709B2 (en) Optical amplifier arrangement
JP2014521218A (ja) 複数の光学増幅器のコヒーレント結合用受動装置および方法
JP6952709B2 (ja) 強度パルス形状修正を利用する超高速パルスレーザーシステム
CN115513756B (zh) 一种声光合束高功率大能量飞秒激光器及其激光合束方法
CN109818237B (zh) 基于光纤环循环调制时间光栅的超短激光脉冲整形系统
Jacqmin et al. Manifold coherent combining of few-cycle pulses in hollow-fiber compressors
CN105742953A (zh) 一种用脉冲堆积放大实现高功率超短脉冲激光的装置与方法
CN113067243B (zh) 光纤激光器及高能量飞秒脉冲生成方法
CN213660863U (zh) 一种模块化拉曼组束激光器
CN111525381B (zh) 一种单频布里渊组束激光器
CN117254337B (zh) 一种超短激光脉冲空域和时域合成系统及其合成方法
CN116169553B (zh) 一种GHz脉冲序列合成装置
CN220628475U (zh) 基于光谱调制的啁啾脉冲放大装置
Zhou et al. Resonant cavity based time-domain multiplexing techniques for coherently combined fiber laser systems

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant