CN115632298A - 一种大能量单模皮秒光纤激光振荡器 - Google Patents

一种大能量单模皮秒光纤激光振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大能量单模皮秒光纤激光振荡器，包括：半导体可饱和吸收镜，设有泵浦输入端与信号输出端，半导体可饱和吸收镜由可饱和吸收材料与反射镜组合形成，可输出皮秒级超短脉冲激光；有源手性耦合纤芯光纤，作为激光振荡器的增益光纤，具备两条纤芯，有源手性耦合纤芯光纤的一端通过无源光纤与信号输出端连接，有源手性耦合纤芯光纤中掺杂有稀土离子，有源手性耦合纤芯光纤的另一端刻写有大模场光纤光栅；半导体可饱和吸收镜与大模场光纤光栅构成激光谐振腔；多模半导体激光二极管，其输出端与泵浦输入端连接，多模半导体激光二极管作为大能量单模皮秒光纤激光振荡器的泵浦源。采用本发明，使产生的皮秒脉冲能量有显著提高。

Description

一种大能量单模皮秒光纤激光振荡器
技术领域
本发明涉及激光领域，尤其涉及一种大能量单模皮秒光纤激光振荡器。
背景技术
激光在科研、医疗、通信等相关领域扮演着极其重要的角色，而近年来超快激光技术更是得到了极大的推动发展。超快脉冲激光，得益于超短持续时间和极高的峰值功率，当作用于物质表面时，不会引起较多的分子振动，极大地减小了热量的产生。当下，主流大能量皮秒脉冲激光器一般由光纤激光器和固体放大器所组成，光纤激光器作为前端，固体激光放大器作为后端。目前前端主要采用基于MOPA结构的光纤激光器，其中锁模光纤激光振荡器的光纤通常为单包层结构，为维持单模传输，光纤的纤芯一般不超过6μm，受限于光纤非线性效应，输出的功率也仅仅为数十毫瓦甚至更低的水平，远远达不到固体激光器对前端输出功率的要求。
发明内容
本发明实施例提供一种大能量单模皮秒光纤激光振荡器，用以至少解决现有技术中光纤激光振荡器的输出功率过低无法满足实际需求的问题。
本发明提出一种大能量单模皮秒光纤激光振荡器，包括：
半导体可饱和吸收镜，设有泵浦输入端与信号输出端，所述半导体可饱和吸收镜由可饱和吸收材料与反射镜组合形成，可输出皮秒级超短脉冲激光；
有源手性耦合纤芯光纤，作为激光振荡器的增益光纤，具备两条纤芯，所述有源手性耦合纤芯光纤的一端通过无源光纤与所述信号输出端连接，所述有源手性耦合纤芯光纤中掺杂有稀土离子，所述有源手性耦合纤芯光纤的另一端刻写有大模场光纤光栅；
所述半导体可饱和吸收镜与所述大模场光纤光栅构成激光谐振腔；
多模半导体激光二极管，其输出端与所述泵浦输入端连接，所述多模半导体激光二极管作为所述大能量单模皮秒光纤激光振荡器的泵浦源。
根据本发明的一些实施例，所述大能量单模皮秒光纤激光振荡器还包括：
多模泵浦保护器，一端与所述泵浦输入端连接，另一端与所述多模半导体激光二极管的输出端连接。
根据本发明的一些实施例，所述大能量单模皮秒光纤激光振荡器还包括：
光纤准直器，一端与所述大模场光纤光栅的输出端连接，另一端与尾纤连接。
根据本发明的一些实施例，所述有源手性耦合纤芯光纤为内外双包层结构，内包层中包括一条沿光纤轴向分布的中央纤芯，以及偏离光纤轴向螺旋围绕所述中央纤芯的侧芯，所述中央纤芯的直径为20-60μm，所述内包层直径为200-600μm。
根据本发明的一些实施例，所述中央纤芯的直径大于所述侧芯的直径。
根据本发明的一些实施例，所述有源手性耦合纤芯光纤中所掺杂的稀土离子为Yb3+、Er3+、Tm3+、Ho3+中的一种。
根据本发明的一些实施例，所述半导体可饱和吸收镜外部集成有二向色镜。
根据本发明的一些实施例，所述大模场光纤光栅的刻写位置为所述手性耦合纤芯光纤另一端的纤芯。
根据本发明的一些实施例，所述大模场光纤光栅对信号光反射率为50％-70％。
根据本发明的一些实施例，所述无源光纤、有源手性耦合纤芯光纤尾纤均为保偏光纤。
采用本发明实施例的技术方案，大能量单模皮秒光纤激光振荡器在有源手性耦合纤芯光纤中直接刻写光栅，使得激光谐振腔内只出现一个熔接点，规避了谐振腔因多个有源光纤与无源光纤熔接导致的信号光泄露和发热的问题。可以显著的抑制光纤的非线性效应，使得激光谐振腔内可以承受更大的能量，进而使激光振荡器产生的皮秒脉冲能量不需要增加任何放大器也会有显著的提高，且可以直接获得单一线性偏振激光输出，不易受到外界干扰因素的影响，降低了使用成本，结构更加的简单紧凑，易于在各领域进行集成应用。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，即可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明实施例中大能量单模皮秒光纤激光振荡器的结构示意图；
图2是本发明实施例中手性耦合纤芯光纤的横截面示意图；
图3是本发明实施例中手性耦合纤芯光纤的结构示意图；
图4是本发明实施例中采用大能量单模皮秒光纤激光振荡器的机械装置结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以通过各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明提出一种大能量单模皮秒光纤激光振荡器，参考图1，包括：
半导体可饱和吸收镜1，设有泵浦输入端与信号输出端，所述半导体可饱和吸收镜1是由可饱和吸收材料与反射镜结合形成的锁模器件，通过选择适当的调制深度与弛豫时间，并加以适当的反馈，可以直接输出皮秒级超短脉冲激光。
有源手性耦合纤芯光纤4，作为振荡器的增益光纤，具备两条纤芯，所述有源手性耦合纤芯光纤4一端通过无源光纤与所述半导体可饱和吸收镜1的信号输出端连接，所述有源手性耦合纤芯光纤4中掺杂有稀土离子，所述有源手性耦合纤芯光纤4另一端刻写有大模场光纤光栅5。
所述半导体可饱和吸收镜1与所述大模场光纤光栅5构成激光谐振腔；所述大模场光纤光栅5作为所述激光谐振腔的滤波器与高反镜。
多模半导体激光二极管2，其输出端与所述多模泵浦保护器3输入端连接，所述多模半导体激光二极管2作为大能量单模皮秒光纤激光振荡器的泵浦源，用于将有源手性耦合纤芯光纤4中的稀土离子从基态激励到高能级的激发态，以使粒子数发生反转。多模半导体激光二极管2提供的泵浦光主要根据有源手性耦合纤芯光纤4中所掺杂的稀土离子的吸收带所决定。
采用本发明实施例的技术方案，大能量单模皮秒光纤激光振荡器在有源手性耦合纤芯光纤中直接刻写光栅，使得激光谐振腔内只出现一个熔接点，规避了谐振腔因多个有源光纤与无源光纤熔接导致的信号光泄露和发热的问题。可以显著的抑制光纤的非线性效应，使得激光谐振腔内可以承受更大的能量，进而使激光振荡器产生的皮秒脉冲能量不需要增加任何放大器也会有显著的提高，且可以直接获得单一线性偏振激光输出，不易受到外界干扰因素的影响，降低了使用成本，结构更加的简单紧凑，易于在各领域进行集成应用。
在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。
根据本发明的一些实施例，半导体可饱和吸收镜1的信号输出端的尾纤采用的是无源手性耦合纤芯光纤，无源手性耦合纤芯光纤的尺寸规格与有源手性耦合纤芯光纤4保持一致，且半导体可饱和吸收镜1信号输出端的尾纤与有源手性耦合纤芯光纤4通过熔接的方式进行连接，采用相同的尺寸避免了因模场不匹配导致的信号光泄露以及熔接点发热的问题，并提升了效率。例如，采用的手性耦合纤芯光纤的纤芯直径为34μm，包层直径为250μm。
根据本发明的一些实施例，参考图1，所述大能量单模皮秒光纤激光振荡器还包括：
多模泵浦保护器3，一端与所述半导体可饱和吸收镜1泵浦输入端连接，另一端与所述多模半导体激光二极管2的输出端连接。多模泵浦保护器3用于防止激光谐振腔中的回返信号光击伤多模半导体激光二极管2。
根据本发明的一些实施例，半导体可饱和吸收镜1的泵浦输入端的光纤与多模半导体激光二极管2以及多模泵浦保护器3的尾纤型号均保持一致。
根据本发明的一些实施例，参考图1，所述大能量单模皮秒光纤激光振荡器还包括：
光纤准直器6，一端与所述大模场光纤光栅的输出端连接，另一端与尾纤连接。尾纤采用与增益光纤(有源手性耦合纤芯光纤4)相同尺寸规格的无源手性耦合纤芯光纤，与所述大模场光纤光栅5以熔接的方式进行连接。
根据本发明的一些实施例，参考图2-3，所述有源手性耦合纤芯光纤4为内外双包层结构，内包层中包括一条沿光纤轴向分布的中央纤芯，以及偏离光纤轴向螺旋围绕所述中央纤芯的侧芯，所述中央纤芯的直径为20-60μm，所述内包层直径为200-600μm。由于其具备两条纤芯，所以中央纤芯的高阶模可以耦合进侧芯并对其产生高损耗，使得中央纤芯中的基模可以近乎无损耗地传输，实现高阶模与基模之间的模式转换，从而使得只有LP01模在中心纤芯中传输。所以，手性耦合纤芯光纤不依靠任何模式控制技术便可在实现大模场面积的同时保持单模传输，避免了光纤激光器高阶模的问题。采用多模泵浦的方式，泵浦光与信号光分别在内包层与中央纤芯中独立传播，极大的降低了多模泵浦源损伤的风险。且双包层结构可以显著的抑制光纤的非线性效应，使谐振腔内可以承受更大的能量，使得最终产生的脉冲能量有明显提高。
根据本发明的一些实施例，所述有源手性耦合纤芯光纤4的中央纤芯的直径大于所述侧芯的直径。
根据本发明的一些实施例，有源手性耦合纤芯光纤4中所掺杂的稀土离子可以是Yb3+、Er3+、Tm3+、Ho3+等离子中的一种，或者为其他适用的稀土离子。
根据本发明的一些实施例，所述半导体可饱和吸收镜1外部集成有二向色镜结构。这种集成结构是在传统的半导体可饱和吸收镜外部增加了二向色镜，泵浦光会被二向色镜反射，而信号光可以通过二向色镜进入可饱和吸收镜。这种结构中泵浦光与半导体可饱和吸收镜1不会直接接触，可以在一定程度上避免器件的损伤，并减少了激光谐振腔无源光纤器件的使用数量。
根据本发明的一些实施例，所述大模场光纤光栅5的刻写位置为所述有源手性耦合纤芯光纤4另一端的纤芯中，以反射纤芯中传播的信号光，避免对内包层中传播的泵浦光产生任何影响。
根据本发明的一些实施例，所述大模场光纤光栅5对信号光反射率为50％-70％，使透射的脉冲激光作为大能量单模皮秒光纤激光振荡器的信号输出。
根据本发明的一些实施例，大能量单模皮秒光纤激光振荡器的激光谐振腔及光纤准直器6所涉及到光纤均为保偏光纤，以使得输出的是单一线性偏振激光，不易受到外界干扰因素的影响。
根据本发明的一些实施例，参考图4，采用本发明中的大能量单模皮秒光纤激光振荡器制作如图所示的机械结构10，其内含有直流电源9，该机械结构10用于安装本发明实施例中的大能量单模皮秒光纤激光振荡器，可极大的方便后续使用大能量单模皮秒光纤激光振荡器进行相关工作。
下面以一个具体的实施例详细描述根据本发明实施例的大能量单模皮秒光纤激光振荡器。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本发明的具体限制。凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
在本实施例中，参考图1，大能量单模皮秒光纤激光振荡器包括半导体可饱和吸收镜1、多模半导体激光二极管2、多模泵浦保护器3、有源手性耦合纤芯光纤4、大模场光纤光栅5、光纤准直器6。
半导体可饱和吸收镜1采用集成结构，在半导体可饱和吸收镜1的外部增加了二向色镜，既降低了半导体可饱和吸收镜受损的风险，又提高了系统的紧凑化程度。一般情况下，为了实现稳定的锁模，半导体可饱和吸收镜1上的脉冲通量至少是它的饱和通量的三倍。由于大能量单模皮秒光纤激光振荡器采用的是大芯径双包层光纤，在保证半导体可饱和吸收镜1能量密度不变的情况下，可以满足更大的脉冲能量振荡，相比于单包层小芯径光纤激光振荡器，输出的脉冲能量也会显著提高。
多模半导体激光二极管2作为激光振荡器的泵浦源，中心波长为976nm，最大平均功率为9W，实际输出功率由直流电源9控制。多模半导体激光二极管2的输出尾纤的纤芯直径是105μm，包层直径为125μm。
多模泵浦保护器3的输入端与多模半导体激光二极管2的输出端相连接，多模泵浦保护器3的输出端与半导体可饱和吸收镜1的泵浦输入端相连接，多模泵浦保护器3的输入和输出端尾纤纤芯直径均为105μm，包层直径为125μm。
有源手性耦合纤芯光纤4作为增益光纤，其掺杂的稀土离子为Yb3+，纤芯直径为34μm，包层直径为250μm。由于掺Yb3+手性耦合纤芯光纤4的泵浦吸收系数较低，为了充分吸收泵浦光，因此增益光纤的长度优选为5m。有源手性耦合纤芯光纤4的一端通过无源光纤与半导体可饱和吸收镜1的信号输出端连接，具体的，采用熔接的方式将有源手性耦合纤芯光纤4的一端与半导体可饱和吸收镜1的信号输出端的无源光纤进行连接仅形成一个熔接点7。有源手性耦合纤芯光纤4另一端的纤芯中刻写有大模场光纤光栅5，大模场光纤光栅5与半导体可饱和吸收镜1组成激光谐振腔，大模场光纤光栅5的反射中心波长为1064nm，反射率为60％，带宽为0.1nm。
光纤准直器6，一端与大模场光纤光栅5的输出端连接，用于准直从大模场光纤光栅5输出的超短脉冲，另一端与尾纤连接，光纤准直器6的尾纤同样使用纤芯直径为34μm，包层直径为250μm的保偏无源手性耦合纤芯光纤。光纤准直器6的尾纤与有源手性耦合纤芯光纤4中的大模场光纤光栅5采用熔接的方式进行连接，形成一个熔接点8。为了保证最终输出的激光没有残余泵浦光成分，因此，在大模场光纤光栅5与光纤准直器6尾纤熔接时，在熔接点8周围涂上高折射率紫外胶，以使得包层中残余的泵浦光泄露出来。典型的大能量单模皮秒光纤激光振荡器输出参数：中心波长为1064nm、重复频率为10～20MHz、平均功率为百毫瓦量级、脉冲宽度为10～50ps，光束质量小于1.1。
采用本实施例中的技术方案，通过如上所述的结构的设计，使得一台大能量单模皮秒光纤激光振荡器可实现获取高能量、窄脉冲、单模且线性的偏振激光输出，且结构简单稳定，适用于各种集成化场景中。尤其适合充当Nd：YAG固体激光器的前端，规避了目前主流方案所采用的基于单包层光纤振荡器加放大器方案所带来的各种弊端。
需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。
需要说明的是，在本说明书的描述中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

Claims (10)

1.一种大能量单模皮秒光纤激光振荡器，其特征在于，包括：
半导体可饱和吸收镜，设有泵浦输入端与信号输出端，所述半导体可饱和吸收镜由可饱和吸收材料与反射镜组合形成，可输出皮秒级超短脉冲激光；
有源手性耦合纤芯光纤，作为激光振荡器的增益光纤，具备两条纤芯，所述有源手性耦合纤芯光纤的一端通过无源光纤与所述信号输出端连接，所述有源手性耦合纤芯光纤中掺杂有稀土离子，所述有源手性耦合纤芯光纤的另一端刻写有大模场光纤光栅；
所述半导体可饱和吸收镜与所述大模场光纤光栅构成激光谐振腔；
多模半导体激光二极管，其输出端与所述泵浦输入端连接，所述多模半导体激光二极管作为所述大能量单模皮秒光纤激光振荡器的泵浦源。
2.如权利要求1所述的大能量单模皮秒光纤激光振荡器，其特征在于，所述大能量单模皮秒光纤激光振荡器还包括：
多模泵浦保护器，一端与所述泵浦输入端连接，另一端与所述多模半导体激光二极管的输出端连接。
3.如权利要求1所述的大能量单模皮秒光纤激光振荡器，其特征在于，所述大能量单模皮秒光纤激光振荡器还包括：
光纤准直器，一端与所述大模场光纤光栅的输出端连接，另一端与尾纤连接。
4.如权利要求1所述的大能量单模皮秒光纤激光振荡器，其特征在于，所述有源手性耦合纤芯光纤为内外双包层结构，内包层中包括一条沿光纤轴向分布的中央纤芯，以及偏离光纤轴向螺旋围绕所述中央纤芯的侧芯，所述中央纤芯的直径为20-60μm，所述内包层直径为200-600μm。
5.如权利要求4所述的大能量单模皮秒光纤激光振荡器，其特征在于，所述中央纤芯的直径大于所述侧芯的直径。
6.如权利要求1所述的大能量单模皮秒光纤激光振荡器，其特征在于，所述有源手性耦合纤芯光纤中所掺杂的稀土离子为Yb3+、Er3+、Tm3+、Ho3+中的一种。
7.如权利要求1所述的大能量单模皮秒光纤激光振荡器，其特征在于，所述半导体可饱和吸收镜外部集成有二向色镜。
8.如权利要求1所述的大能量单模皮秒光纤激光振荡器，其特征在于，所述大模场光纤光栅的刻写位置为所述手性耦合纤芯光纤另一端的纤芯。
9.如权利要求8所述的大能量单模皮秒光纤激光振荡器，其特征在于，所述大模场光纤光栅对信号光反射率为50％-70％。
10.如权利要求3所述的大能量单模皮秒光纤激光振荡器，其特征在于，所述无源光纤、有源手性耦合纤芯光纤尾纤均为保偏光纤。
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