CN116759879A - 激光脉冲的光谱展宽装置及激光器 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种激光脉冲的光谱展宽装置及激光器，该装置包括：能量控制模块、设定长度和参数的第一无源被动光纤以及设定长度和参数的第二无源被动光纤；所述能量控制模块设于在光光源的输出口，所述第一无源被动光纤通过熔接方式连接在所述激光光源的输出口；所述第一无源被动光纤和第二无源被动光纤连接；其中，所述能量控制模块用于对激光光源输出的激光脉冲的能量进行控制，所述第一无源被动光纤调节激光脉冲的啁啾大小，所述第二无源被动光纤通过对激光脉冲产生非线性相位位移以实现光谱展宽；本申请的技术方案，可以采用光纤熔接方式连接，避免了采用空间耦合方式，提升激光器在设备制造中的耦合效率和使用中的稳定性。
Description
本申请是申请日为2020年09月16日、申请号为202010977381.4、发明名称为“激光脉冲的光谱展宽装置及激光器”的专利申请的分案申请。
技术领域
本申请涉及激光技术领域，尤其是一种激光脉冲的光谱展宽装置及激光器。
背景技术
自激光技术诞生以来，对其应用一直处于发展当中，在各个领域发挥了重要作用，近年来，随着飞秒激光的发现和应用，更是激发了各国对其进行研究的热潮。
在飞秒激光应用中，可以对样品进行激发获取分子影像，如在中国专利申请201710916860.3中，通过近红外波段脉冲生成装置(激光光源)产生激光脉冲，然后通过具有强非线性的光学媒介传输至脉冲测量压缩控制模块进行压缩得到飞秒激光进行使用。
由于在一些显微镜应用场景中，激光光源需要处于特定波长的超宽激光光谱，为了得到所需的超宽光谱，现有技术往往是利用自相位调制(Self-phase modulation，缩写SPM)现象产生的激光光谱，通过光谱截取或者滤片获取所需要的光谱范围。在该技术中，大量的光谱能量被过滤，严重影响了激光能量利用效率。而且自相位调制使用的强非线性光学媒介通常是采用光子晶体光纤(Photonic crystal fiber，缩写PCF)，然后通过空间耦合方式将激光光源输出的激光脉冲聚焦到PCF光纤的纤芯上，由于PCF光纤相对难以制造，成品率较低，且只能采用空间耦合方式将激发光源导入光纤中，耦合难度高，稳定性差。
发明内容
本申请的目的旨在解决上述的技术缺陷之一，特别是采用空间耦合方式将激发光源导入光纤中，耦合难度高，稳定性差的缺陷，提供一种激光脉冲的光谱展宽装置及激光器。
一种激光脉冲的光谱展宽装置，包括：能量控制模块、设定长度和参数的第一无源被动光纤以及设定长度和参数的第二无源被动光纤；
所述能量控制模块设于在光光源的输出口，所述第一无源被动光纤通过熔接方式连接在所述激光光源的输出口；所述第一无源被动光纤和第二无源被动光纤连接；
其中，所述能量控制模块用于对激光光源输出的激光脉冲的能量进行控制，所述第一无源被动光纤调节激光脉冲的啁啾大小，所述第二无源被动光纤通过对激光脉冲产生非线性相位位移以实现光谱展宽。
在一个实施例中，所述第一无源被动光纤和第二无源被动光纤构成一根完整的长度为L1+L2的无源被动光纤；其中，L1为第一无源被动光纤的长度，L2为第二无源被动光纤的长度。
在一个实施例中，所述能量控制模块包括泵浦控制模块和能量衰减器；
所述泵浦控制模块用于在设定范围内控制激光脉冲的泵浦能量；所述能量衰减器用于在可调范围内对激光脉冲的能量进行精确调节。
在一个实施例中，所述第一无源被动光纤采用光纤熔接方式连接至所述光纤衰减器。
在一个实施例中，所述第一无源被动光纤对所述激光脉冲的啁啾大小进行调节，输出包含正啁啾的激光脉冲；所述第二无源被动光纤对所述包含正啁啾的激光脉冲进行光谱展宽。
在一个实施例中，所述能量控制模块通过增加泵浦能量方式来提高所述激光脉冲能量，所述第一无源被动光纤调节所述脉冲激光的啁啾大小，使得包含正啁啾的激光脉冲经过所述第二无源被动光纤进行光谱展宽后，光谱能量分布在光谱两端且光谱两端波长位置且波长范围可控。
在一个实施例中，所述光谱展宽装置结构上划分为能量控制模块、啁啾调节模块和光谱展宽模块三部分；其中，所述第一无源被动光纤内置于啁啾调节模块中，所述第二无源被动光纤内置于光谱展宽模块中。
一种激光器，其特征在于，包括：激光光源以及所述的激光脉冲的光谱展宽装置。
在一个实施例中，所述激光光源采用近红外波段激光，中心波长为1010纳米至1100纳米。
在一个实施例中，所述激光器应用于激光显微影响系统中，为显微系统提供展宽的激光脉冲。
上述激光脉冲的光谱展宽装置及激光器，采用一定长度和参数的第一无源被动光纤作为非线性光学媒介使激光脉冲产生相移，实现啁啾调节功能；采用设定长度和参数的第二无源被动光纤来进行光谱展宽，第一无源被动光纤与第二无源被动光纤形成一体，采用一根完整的无源被动光纤实现，通过该无源被动光纤可以采用光纤耦合方式直接进行连接到激光光源上，避免了空间耦合，大幅度降低了耦合难度，提升了耦合效率和稳定性。
同时，通过能量控制模块和啁啾调节组合作用，分别控制激光脉冲的能量能量和调节激光脉冲的啁啾得到包含正啁啾的激光脉冲，再通过对激光脉冲产生非线性相位位移以实现光谱展宽，得到光谱能量分布在光谱两端激光脉冲，实现了展宽激光脉冲的光谱范围和控制光谱能量分布，利用第一无源被动光纤与第二无源被动光纤的不同参数组合来控制激光光谱两端的波长位置和波长范围，保证了能量大部分分布在显微镜应用所需的光谱范围之内，降低了光谱能量浪费，极大提升了激光的能源利用效率。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本申请激光脉冲的光谱展宽装置结构示意图；
图2是光谱能量分布示意图；
图3是一个实施例的能量控制模块结构示意图；
图4是一个实施例的能量衰减器的结构示意图；
图5是一个实施例的啁啾调节模块的结构示意图；
图6是另一个实施例的啁啾调节模块的结构示意图；
图7是另一个实施例的激光脉冲的光谱展宽装置的结构示意图；
图8是本申请的光纤耦合方式的示意图图；
图9是传统的空间耦合方式的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能解释为对本申请的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作。
参考图1所示，图1是本申请激光脉冲的光谱展宽装置结构示意图，该装置包括：依次连接的能量控制模块、啁啾调节模块和光谱展宽模块；其中，能量控制模块接收所述激光光源输出的激光脉冲，对所述激光脉冲的能量进行控制；啁啾调节模块对所述激光脉冲的啁啾大小进行调节，输出包含正啁啾的激光脉冲；光谱展宽模块对所述包含正啁啾的激光脉冲进行光谱展宽；以实现激光脉冲的光谱能量分布。
如图1中，能量控制模块连接至激光光源的输出口，对激光脉冲的能量进行控制，实际产品设计中，可以将相关光学器件安装到激光光源的输出口以实现能量控制功能。啁啾调节模块对激光脉冲的啁啾大小进行调节得到包含正啁啾的激光脉冲，然后通过光谱展宽模块进行光谱展宽，从而可以调节了光谱能量的分布，在能量控制和啁啾调节的参数合适情况下，可以得到所需光谱范围的激光脉冲。
本实施例的技术方案，降低了光谱能量浪费，通过能量控制模块和啁啾调节模块的组合作用，分别控制激光脉冲的能量能量和调节激光脉冲的啁啾大小得到包含正啁啾的激光脉冲，然后将其输入光谱展宽模块得到光谱能量分布在光谱两端激光脉冲，而且可以通过能量控制模块和啁啾调节模块的不同参数组合来控制激光光谱两端的波长位置和波长范围，保证了能量大部分分布在显微镜应用所需的光谱范围之内，极大提升了激光光源的能源利用效率。
作为实施例，如图2所示，图2是光谱能量分布示意图，图中横坐标是波长，纵坐标是光谱能量，从图中可以看出，当需要激光光源在特定波长的超宽光谱范围时，可以通过本申请的技术方案控制激光脉冲的光谱能量分布在光谱两端，并可以根据需求来控制光谱两端的波长位置和波长范围。如图中，光谱展宽能量向两端波长分布。
如上述激光脉冲的光谱展宽装置，特别适用于超宽光谱范围的需求场景；相对于利用自相位调制现象引发激光脉冲的光谱展宽然后再通过光谱截取或者滤片获取所需要的光谱范围的技术，该技术方案既可以得到所需的光谱范围的激光脉冲，又可以大量保留激光脉冲的光谱能量，显著提升了激光使用效率。
下面针对能量控制模块结构阐述若干实施例。
在一个实施例中，参考图3所示，图3是一个实施例的能量控制模块结构示意图，其中，能量控制模块可以包括泵浦控制模块和能量衰减器；泵浦控制模块用于在设定范围内控制激光脉冲的泵浦能量；能量衰减器用于在可调范围内对激光脉冲的能量进行精确调节。
对于泵浦控制模块，可以通过控制激光光源内的泵浦光源功率来控制激光脉冲能量，对于能量衰减器，主要是对能量进行精确调整的作用，可以是声光晶体、光纤衰减器、或者半波片和偏振片的组合；其中，声光晶体通过声光效应对激光脉冲的能量进行控制利用激光脉冲在晶体中传播时产生弹性应力，使晶体折射率发生周期性变化从而形成超声光栅效应，通过超声光栅效应对激光脉冲光进行能量控制，光纤衰减器可以便于与光纤进行连接。
对于半波片和偏振片组合，参考图4所示，图4是一个实施例的能量衰减器结构示意图，能量衰减器包括依次排列的半波片和偏振片；该半波片用于将法向入射的激光脉冲进行角度旋转，该偏振片用于对激光脉冲进行偏振处理得到特定方向上的偏振光。
通过半波片的使用，可以对偏振光进行旋转，如果激光脉冲入射时振动面与半波片晶体主截面之间的夹角为θ，对应透射出来的线偏振光的振动面转过2θ角度范围；对于半波片是指：即当法向入射的光透过时，寻常光(o光)和非常光(e光)之间的位相差等于π或其奇数倍的晶片。通过偏振片对激光脉冲进行偏振处理，从而得到特定方向上的偏振光，以以达到控制光的偏振角度的目的；对于偏振片，是指对入射光具有遮蔽和透过的功能,可使纵向光或横向光一种透过、一种遮蔽的光学器件。
在上述实施例的技术方案中，通过半波片和偏振片可以对激光脉冲进行旋转和遮蔽/透过处理，从而可以根据需求来控制激光脉冲的能量。进一步的，还可以包括连接半波片的转动机构，用于接收控制信号对所述半波片进行旋转，以根据展宽后的光谱分布和实际需求调整激光脉冲的能量。
对于半波片，可以设置相应的结构来对其角度进行调整，以调整旋转角度θ从而控制偏转，例如手动调节，当然，为了使得调节实现智能化，也可以采用电动调节方案，如图4中，通过驱动转动机构，由控制器输出控制信号给转动机构，由转动机构在受控情况下自动对旋转角度θ进行调整，实现精确化控制的目标。
下面针对啁啾调节模块结构阐述若干实施例。
在一个实施例中，参考图5所示，图5是一个实施例的啁啾调节模块的结构示意图，啁啾调节模块可以采用设定长度的玻璃棒，用于调节激光脉冲的啁啾大小。另外，参考图6所示，图6是另一个实施例的啁啾调节模块的结构示意图，啁啾调节模块也可以采用可调节光栅对，通过调整可调节光栅对的距离调整激光脉冲的啁啾大小。
在一个实施例中，参考图7所示，图7是另一个实施例的光谱展宽装置的结构示意图，如图7中，啁啾调节模块采用设定长度和光纤参数的第一无源被动光纤，实现啁啾大小调节功能，光谱展宽模块采用设定长度和光纤参数的第二无源被动光纤，实现光谱展宽功能。
当采用无源光纤来实现啁啾调节功能时，为了提升光纤耦合效率和稳定性，本申请的能量控制模块采用泵浦控制模块控制泵浦光源以及光纤衰减器组合的结构，如图8所示，图8是本申请的光纤耦合连接方式示意图，第一无源被动光纤通过光纤衰减器可以采用光纤熔接连接，从而极大提高耦合效率和稳定性。而且，第一无源被动光纤(长度L1)和第二无源被动光纤(长度L2)可以通过一根完整的无源被动光纤实现，如图中L1+L2长度的无源被动光纤，降低了设备耦合和安装难度，进一步提升耦合效率和稳定性。
而传统的技术方案，如图9所示，图9是的空间耦合连接方式示意图，空间耦合方式需要将激光脉冲光速聚焦到PCF光纤的纤芯中，要达到微米级的精度。
上述实施例的方案，可以采用直接进行光纤耦合方式，避免了采用空间耦合方式，在通过无源被动光纤对激光脉冲产生非线性相位位移以实现的光谱展宽的基础上，又提升了耦合效率和稳定性。
下面阐述本申请的激光器的实施例。
本申请提供的一种激光器主要包括激光光源以及上述实施例中的激光脉冲的光谱展宽装置。具体来说，该激光光源可以采用近红外波段激光，中心波长可以为1010纳米至1100纳米；该激光器可以应用于激光显微影响系统中，为显微系统提供展宽的激光脉冲。
由于采用了本申请中提供的激光脉冲的光谱展宽装置，本申请的激光器在输出激光脉冲后，避免对光谱能量进行过滤和截取，即可得到所需的光谱范围的激光脉冲，具有更高的使用效率。而且提供的激光脉冲的光谱能量分布在光谱两端，并控制其波长位置和波长范围，便于根据实际需求获取合适的光谱范围。并且激光器采用设定长度和光纤参数的无源被动光纤作为非线性光学媒介，该无源被动光纤可以采用光纤熔接方式连接，避免了采用空间耦合方式，提升激光器在设备制造中的耦合效率和使用中的稳定性。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种激光脉冲的光谱展宽装置，其特征在于，包括：能量控制模块、设定长度和参数的第一无源被动光纤以及设定长度和参数的第二无源被动光纤；
所述能量控制模块设于在光光源的输出口，所述第一无源被动光纤通过熔接方式连接在所述激光光源的输出口；所述第一无源被动光纤和第二无源被动光纤连接；
其中，所述能量控制模块用于对激光光源输出的激光脉冲的能量进行控制，所述第一无源被动光纤调节激光脉冲的啁啾大小，所述第二无源被动光纤通过对激光脉冲产生非线性相位位移以实现光谱展宽。
2.根据权利要求1所述的激光脉冲的光谱展宽装置，其特征在于，所述第一无源被动光纤和第二无源被动光纤构成一根完整的长度为L1+L2的无源被动光纤；其中，L1为第一无源被动光纤的长度，L2为第二无源被动光纤的长度。
3.根据权利要求1所述的激光脉冲的光谱展宽装置，其特征在于，所述能量控制模块包括泵浦控制模块和能量衰减器；
所述泵浦控制模块用于在设定范围内控制激光脉冲的泵浦能量；所述能量衰减器用于在可调范围内对激光脉冲的能量进行精确调节。
4.根据权利要求3所述的激光脉冲的光谱展宽装置，其特征在于，所述第一无源被动光纤采用光纤熔接方式连接至所述光纤衰减器。
5.根据权利要求1-4任一项所述的激光脉冲的光谱展宽装置，其特征在于，所述第一无源被动光纤对所述激光脉冲的啁啾大小进行调节，输出包含正啁啾的激光脉冲；所述第二无源被动光纤对所述包含正啁啾的激光脉冲进行光谱展宽。
6.根据权利要求5所述的激光脉冲的光谱展宽装置，其特征在于，所述能量控制模块通过增加泵浦能量方式来提高所述激光脉冲能量，所述第一无源被动光纤调节所述脉冲激光的啁啾大小，使得包含正啁啾的激光脉冲经过所述第二无源被动光纤进行光谱展宽后，光谱能量分布在光谱两端且光谱两端波长位置且波长范围可控。
7.根据权利要求6所述的激光脉冲的光谱展宽装置，其特征在于，所述光谱展宽装置结构上划分为能量控制模块、啁啾调节模块和光谱展宽模块三部分；其中，所述第一无源被动光纤内置于啁啾调节模块中，所述第二无源被动光纤内置于光谱展宽模块中。
8.一种激光器，其特征在于，包括：激光光源以及权利要求1-7所述的激光脉冲的光谱展宽装置。
9.根据权利要求8所述的激光器，其特征在于，所述激光光源采用近红外波段激光，中心波长为1010纳米至1100纳米。
10.根据权利要求8或9所述的激光器，其特征在于，所述激光器应用于激光显微影响系统中，为显微系统提供展宽的激光脉冲。
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