CN205248608U - 高功率飞秒光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高功率飞秒光纤激光器，该激光器包括电路及光路，所述电路包括电路板、声光调制驱动器以及作为泵浦的数个半导体二极管，光路包括振荡器、第一耦合器、第一级预放大器、声光调制器、第二耦合器、第二级预放大器、分离脉冲放大器、第一脉冲压缩器、主放大器及第二脉冲压缩器，光路器件依次沿光路连接。本实用新型在高精度激光切割、高精度激光深层焊接、材料表面特殊处理等方面具有无可替代的优势，具体应用包括蓝宝石及强化玻璃切割、心血管支架构造、薄膜太阳能电池高精度加工等。

Description

高功率飞秒光纤激光器

技术领域

本实用新型涉及光纤激光器，尤其是一种在工业加工中使用的高功率飞秒光纤激光器。

背景技术

光纤激光器作为新一代的激光技术，由于其优良的输出光束质量，良好的散热性能，极高的光电转换效率，简单方便的结构，极高的可靠性，免于维护且使用寿命长等优点正在吞噬着其他种类激光器的市场。业已形成的光纤激光器产品其应用覆盖材料处理、医疗、印刷、雷达、通信、激光切割、精密加工、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接、工业造船、大型基础建设、航空航天、军事国防安全等多个领域，市场对光纤激光器的需求也越来越大。受益于政府政策扶持力度的加大，应用市场的打开，国内光纤激光器产业犹如雨后春笋，正在蓬勃发展，但是，受限于国外核心技术及材料器件的封锁，国内的光纤激光器产品总体性能、稳定度等方面与国外一些公司的产品仍有差距。

适应国内市场的需求，光纤激光器将沿着高功率、窄线宽、大范围可调谐的方向发展，其中鉴于高功率光纤激光器在工业加工方面巨大的潜能，高功率光纤激光器无疑将成为最有发展前景的方向。

高功率超短脉冲激光集成了大能量脉冲激光器和高功率连续激光器的优点，在高精度激光切割、高精度激光深层焊接、材料表面特殊处理、特种合金加工、激光喷涂等方面具有无可替代的优势。它不但能提高焊接材料的有效载荷，满足运载工具向轻型发展的要求，同时具有高加工速度、微处理损伤的优点。

近年来得益于低损耗高掺杂稀土离子光纤的发展、高功率多模LD的发展、双包层光纤及包层泵浦技术的发展，掺镱光纤激光器输出功率获得极大提升，而大模场双包层光子晶体增益光纤的出现更是使得高平均功率，高脉冲能量，飞秒级脉冲宽度的光纤激光器成为现实。相较于普通的大模场双包层增益光纤，大模场双包层光子晶体增益光纤的优势在于其色散可控，普通双包层增益光纤由于其较大的纤芯直径使得激光在光纤里传输时可能存在多种模式，造成不可控且不可被补偿的模式色散，而光子晶体光纤独特的结构使得激光在光纤里能无截止单模传输，始终保证输出光斑的模式为基横模，方便放大后对脉冲进行压缩。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种有广泛的工业应用前景，特别是在高精度激光切割，高精度激光深层焊接，材料表面特殊处理等方面具有无可替代优势的高功率飞秒光纤激光器，具体应用包括蓝宝石及强化玻璃切割、心血管支架构造、薄膜太阳能电池高精度加工等。

实现本实用新型目的的具体技术方案是：

一种高功率飞秒光纤激光器，特点在于该激光器包括电路及光路，其中：

所述电路包括电路板、声光调制驱动器以及作为泵浦的数个半导体二极管，电路板上固定有低功率泵浦控制模块、声光调制驱动器控制模块及高功率泵浦控制模块，声光调制驱动器控制模块连接声光调制驱动器；低功率泵浦控制模块连接数个小功率泵浦半导体二极管；高功率泵浦控制模块连接数个高功率泵浦半导体二极管；电路板由外部电源进行供电；

所述光路包括振荡器、第一级预放大器、声光调制器、第二级预放大器、分离脉冲放大器、第一脉冲压缩器、主放大器、第二脉冲压缩器、第一耦合器及第二耦合器，振荡器、第一耦合器、第一级预放大器、声光调制器、第二耦合器、第二级预放大器、分离脉冲放大器、第一脉冲压缩器、主放大器及第二脉冲压缩器依次沿光路连接；

振荡器连接一小功率泵浦半导体二极管及电路板；第一耦合器输出端与电路板之间连接一光电二极管；第一级预放大器分别连接一小功率泵浦半导体二极管、一高功率泵浦半导体二极管；声光调制器连接声光调制驱动器；第二耦合器输出端与电路板之间连接一光电二极管；第二级预放大器连接一小功率泵浦半导体二极管；分离脉冲放大器分别连接一小功率泵浦半导体二极管、一高功率泵浦半导体二极管；主放大器连接两高功率泵浦半导体二极管；其两高功率泵浦半导体二极管串联连接。

所述振荡器为全光纤结构的锁模脉冲振荡器，采用非线性偏振旋转效应实现稳定的锁模脉冲输出；该振荡器包括带隔离器的波分复用器、第一增益光纤、电控偏振控制器、偏振分束器及滤波器，各器件依次按照光路顺序首尾相连，构成环路。激光器开启后，振荡器自启锁模，无需调谐。

所述第一级预放大器包括第一保偏隔离器、第一保偏波分复用器、第二增益光纤和第一保偏合束器，各器件依次按照光路顺序首尾连接。

所述分离脉冲放大器由分离脉冲部分和光纤放大器部分组成，分离脉冲部分和光纤放大器部分按光路连接；

所述分离脉冲部分包括保偏准直器、第一空间隔离器、二分之一波片、偏振分束器、二分之一波片、分离脉冲晶体和高功率准直器，各器件依次按光路顺序设置；

所述光纤放大器部分采用纤芯泵浦和包层泵浦相结合的方式对信号光进行放大，其为一光纤放大器，它包括第三波分复用器、第四增益光纤、第二保偏合束器和法拉第旋转镜，各器件依次按光路顺序连接。

本实用新型包括电路和光路两部分组成。电路部分控制该激光器的开启及运转；光路部分用于产生并输出高功率飞秒脉冲激光，实现激光器的功能。

所述电路部分包括电路板、声光调制驱动器及若干个半导体二极管。电路板控制激光器的开启并实时监测及控制激光器运行；声光调制驱动器受电路板控制去驱动声光调制器工作实现选脉冲功能；半导体二极管作为激光器光路部分所需的泵浦，为激光器提供泵浦激光。

电路板上固定有低功率泵浦控制模块、声光调制器驱动控制模块、低功率泵浦控制模块。

所述的低功率、高功率泵浦控制模块用于控制激光器中的半导体二极管输出泵浦激光，半导体二极管按功率可分为小功率泵浦和高功率泵浦，小功率泵浦最高输出功率小于1W，驱动方式为电压驱动；高功率泵浦最高输出功率为9W或25W，驱动方式为电流驱动。泵浦输出功率由电路板上的泵浦控制模块驱动控制，连续可调。

声光调制器驱动控制模块用于驱动声光调制器实现选频功能。

所述的振荡器用于产生功率稳定的皮秒锁模脉冲激光，作为高功率偏振稳定皮秒光纤激光器的种子源。该振荡器的锁模方式可以是利用可饱和吸收镜的全光纤脉冲振荡器，也可以是利用非线性偏振旋转实现锁模。利用可饱和吸收镜锁模的脉冲振荡器的优势是稳定性较高，只需调节泵浦功率即可实现锁模；利用非线性偏振旋转实现锁模的振荡器优势是输出功率较高，可以达到100mW，脉冲的重复频率可以提高到百兆赫兹以上。

所述的第一级预放大器用于将振荡器获得的种子脉冲的功率进行初步提升，将种子光的平均功率由十毫瓦量级提升至百毫瓦量级。为了保证预放大器的放大效果，可以采用级联放大结构对种子光进行放大，也可采用双向泵浦的方式放大。

低功率放大过程中泵浦通常选择较小功率的半导体二极管，增益光纤通常为单模增益光纤，放大过程中，泵浦光和信号光经由波分复用器一起耦合到单模增益光纤的纤芯中，即纤芯泵浦放大。高功率放大过程多采用包层泵浦放大方式，泵浦通常为高功率半导体二极管，泵浦输出尾纤为多模光纤，增益光纤则通常选择高掺杂的双包层增益光纤，泵浦光和信号光经由合束器一起耦合到双包层增益光纤中，其中信号光在纤芯里传输，泵浦光在内包层和纤芯之间来回穿梭，极大地提高了泵浦耦合效率，更适用于高功率放大过程。

本实用新型的第一级预放大器结构采用纤芯泵浦和包层泵浦结合的方式，泵浦选择一个500mW的半导体二极管作为前向泵浦，一个9W的半导体二极管作为后向泵浦，增益光纤选用一段双包层光纤，采用双向泵浦的方式对信号光进行放大。其优势在于利用这种放大结构可以将信号光放大至瓦量级，而且放大过程中，由于双包层增益光纤较大的模场直径能够有效抑制功率提升时非线性效应的产生，保证放大效果。

所述的声光调制器用于降低脉冲的重复频率，即选择部分脉冲进入主放大器进行后续的放大。声光调制器由声光介质和压电换能器构成。当有光脉冲通过声光调制器时，如果其驱动源以某种特定载波频率（通常是振荡器重复频率的整数分之一）驱动换能器，换能器即产生同一频率的超声波并传入声光介质，在介质内形成折射率变化，振荡器产生的种子光束通过介质是即发生相互作用从而从声光调制器输出端输出，其余的脉冲序列则被损耗掉。

所述的第二级预放大器将经声光调制器选出来的脉冲放大到一百毫瓦，为后续放大过程提供充足的信号光。

所述的分离脉冲放大器由分离脉冲晶体部分和光纤放大器部分组成。具体实施过程为第二级预放大器输出的信号光经过分离脉冲晶体后，一个脉冲在时间上被等分为八个脉冲，然后再进行放大，放大之后法拉第旋转镜将其偏振角度旋转90度后原路返回，再次经过分离脉冲晶体后八个脉冲又合为一个脉冲输出。该结构放大器的优势在于信号光经过分离脉冲晶体后脉冲在时域一分为八，其能量也被平均分配到各个小脉冲中，脉冲的峰值功率下降为原脉冲的八分之一，脉冲放大过程中如果峰值功率过高会产生较强的非线性效应，导致脉冲光谱变化，不利于放大的进行，因此选择八个小脉冲在光纤中进行放大，降低其峰值功率，放大之后脉冲在空间中又合成一个。所述的分离脉冲晶体可以采用钒酸钇晶体或者是偏振分束器与反射镜的组合。

所述的第一脉冲压缩器用于将分离脉冲放大后的信号光进行脉冲压缩，将其去啁啾后获得最窄的脉冲再进行主放大。其压缩原理如下，光脉冲在光纤中传输时由于色散效应导致不同频率的光传播速度不同。使得脉冲会在时域上被展宽或者压缩，对于本实用新型而言，光脉冲在光纤中传输时色散效应导致其单调展宽，因此采用一对光栅对脉冲进行时域压缩，由于光栅的衍射效应，脉冲中的不同频率会被分开，他们走的路径不同，光程也会有所不同，通过改变他们的光程差来补偿光纤中引起的色散。

主放大器将去啁啾后的脉冲功率提升至数十瓦量级，具体功率视选用的高功率泵浦的数目。主放大器采用包层泵浦方式对信号光进行放大，增益光纤选用大模场的保偏光子晶体光纤，其优势在于输出激光光束质量好，输出模式为基横模，且放大过程中激光偏振态始终保持不变。

所述的第二级压缩器将主放大器输出激光去啁啾后获得高功率飞秒激光。

所述的耦合器用于将信号光按固定的比例一分为二，其中振荡器后面的耦合器将种子光一分为二，其中一束用于后续的放大过程，另一束信号反馈到电路模块中对振荡器的锁模参数进行实时监测；声光调制器后面的耦合器将选出来的信号光一分为二，一束作为后续光路中的种子光，另一束反馈到电路模块中对声光调制器及预放大器进行监测。

本实用新型通过对振荡器输出种子脉冲的放大、降频、再放大以及压缩的过程，有效地将激光器主放大器输出功率提升至20W，单个脉冲携带能量为40uJ，经过第二级压缩后最终输出功率10W，单脉冲能量20uJ，脉冲宽度<500fs，脉冲峰值功率>40MW。整个激光器光路部分采用全保偏的光路结构，除了分离脉冲放大器，其他部分均使用偏振保持的光纤元器件，始终保证激光器中光脉冲的偏振态不变，保证压缩效率且极大地提高了激光器的稳定性，对恶劣的外界环境有较强的耐受能力，以满足工业的需求。

本实用新型的有益效果：

1、激光器最终输出功率10W，脉冲重复频率500kHz，单脉冲能量20uJ，脉冲宽度<500fs，峰值功率>40MW，输出激光为水平方向的线偏振光。

2、激光器采用新型的放大结构，即纤芯泵浦和包层泵浦相结合的结构对信号光进行放大，优势在于可以将信号光放大到瓦量级，且有效抑制放大过程中产生的非线性效应。

3、激光器采用分离脉冲放大的方式对选频后的脉冲进行放大，降低脉冲放大过程中因为峰值功率过高产生的非线性效应。

4、激光器内部采用光电分离的结构，将光路部分和电路部分有效分离，整个系统简洁明了。

5、激光器光路部分全部采用偏振保持的放大结构，保证最后输出信号光为线偏振，偏振消光比>20Db。

6、激光器电路部分实时监测振荡器锁模状态，如果振荡器锁模突然跳掉，电路板会瞬间将主放大器，预放大器，振荡器所用到的泵浦依次断电，确保激光器不会被打坏。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型振荡器结构示意图；

图3为本实用新型第一耦合器分光示意图；

图4为本实用新型第一级预放大器光路结构图；

图5为本实用新型声光调制器及第二耦合器光路结构图；

图6为本实用新型第二级预放大器光路结构图；

图7为本实用新型分离脉冲放大器光路结构图；

图8为图7中光纤放大器光路结构图；

图9为本实用新型第一脉冲压缩器光路结构图；

图10为本实用新型主放大器光路结构图；

图11为本实用新型第二脉冲压缩器光路结构图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施方案对本实用新型特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解。

实施例

参阅图1，本实用新型的高功率光纤激光器光谱中心波长1064nm，脉冲的重复频率500kHz，平均功率10W，单脉冲能量20μJ，脉冲宽度<500fs，脉冲峰值功率40MW。

所述激光器包括电路部分1100及光路部分1200。

所述电路部分1100由电路板1110、声光调制驱动器1120及8个泵浦源组成，电路板1110由外部电源进行供电，电路板1110上固定有低功率泵浦控制模块1111、声光调制驱动器控制模块1112及高功率泵浦控制模块1113，声光调制驱动器控制模块1112连接声光调制驱动器1120；低功率泵浦控制模块1111连接4个小功率泵浦ld₁、ld₂、ld₃和ld₄；高功率泵浦控制模块1113连接4个高功率泵浦LD₁、LD₂、LD₃和LD₄；电路部分1100控制激光器的开启、运行并输出高功率激光。

本实施例选用的小功率泵浦ld₁、ld₂、ld₃和ld₄为4个单模光纤耦合的半导体二极管，输出激光波长为976nm，最大输出功率500mW，输出功率由低功率泵浦控制模块控制，连续可调，输出尾纤类型为6/125的单模光纤；选用的高功率泵浦LD₁、LD₂、LD₃和LD₄为多模光纤耦合的半导体二极管，输出激光波长为976nm，其中LD₁和LD₂是2个最高输出功率9W的泵浦，LD₃和LD₄是2个最高输出功率25W的泵浦，输出功率由高功率泵浦控制模块1113控制，连续可调，输出尾纤类型为105/125的多模光纤。8个半导体泵浦源输出尾纤与激光器光路部分的泵浦输入尾纤采用光纤熔接机熔接在一起，熔接损耗小于0.01dB。

所述光路部分1200包括振荡器1210、第一耦合器1、第一级预放大器1220、声光调制器1230、第二耦合器2、第二级预放大器1240、分离脉冲放大器1250、第一脉冲压缩器1260、主放大器1270及第二脉冲压缩器1280，所述各部件依次沿光路连接。

振荡器1210连接一小功率泵浦ld₁；第一耦合器1输出端与电路板1110之间连接一光电二极管PD；第一级预放大器1220分别连接一小功率泵浦ld₂、一高功率泵浦LD₁；声光调制器1230连接声光调制驱动器1120；第二耦合器输出端与电路板1110之间连接一光电二极管PD；第二级预放大器1240连接一小功率泵浦ld₃；分离脉冲放大器1250分别连接一小功率泵浦ld₄、一高功率泵浦LD₂；主放大器1270连接两高功率泵浦LD₃和LD₄，两高功率泵浦串联工作。第一耦合器1、第二耦合器2用于光路连接及输出监测信号。

电路板1110连入电源后激光器开始工作，首先低功率泵浦控制模块1111控制振荡器泵浦ld₁输出泵浦光，实现振荡器自启动锁模，使其能输出稳定的锁模脉冲，然后开启第一级预防大器1220将振荡器输出信号光放大，控制声光调制器1230实现选频功能，再逐级开启第二级预放大器1240、分离脉冲放大器1250及主放大器1270，最终输出高功率、高脉冲能量的飞秒脉冲激光。振荡器锁模成功后，电路板1110即对激光器的工作状态实时监测控制，包括对振荡器1210是否稳定锁模的监测，对声光调制器1230选频效果的监测以及对各个放大器的控制与保护。

所述的声光调制驱动器1120通过电路板1110供电后，电路板1110输入的选频信号通过射频连接线输入到声光调制驱动器1120中，声光调制驱动器1120将其加以调制通过射频连接线送到声光调制器1230中，实现选频功能。

所述的振荡器1210用于产生稳定锁模的低能量皮秒种子脉冲。本实施例振荡器采用非线性偏振旋转效应实现锁模，输出信号光ω₁由保偏光纤输出，具体参数为重复频率20MHz，平均功率40mW，光谱中心波长1064nm，脉冲宽度（半高全宽）<20ps，去啁啾后脉冲宽度<200fs。

参阅图2，为本实用新型振荡器1210结构示意图，小功率泵浦ld₁输出的泵浦光经带隔离器的波分复用器1211注入第一增益光纤1212，在增益光纤中增益介质受泵浦光激发后辐射出激光，辐射出的激光经电控偏振控制器1213改变偏振态后入射到偏振分束器1214中，偏振分束器1214将激光按偏振态分为两束，一束作为信号光ω₁输出，另一束则由滤波器1215将激光波长固定后继续在谐振腔内振荡。振荡器1210的锁模原理为非线性偏振旋转，激光器开启后由电路板控制其自启动并输出稳定的锁模脉冲。振荡器1210中各器件和光纤之间按照光路结构通过光纤熔接机熔在一起，熔接损耗小于0.01dB。

所述的带隔离器的波分复用器1211为内置光隔离器的波分复用器，其工作波长为976/1064nm，最大承受光功率300mW，由泵浦端、信号端和公共端组成，三端的尾纤类型均为单模光纤。内置的光隔离器用来确保激光在振荡器内单向循环，隔离度>30dB。

所述的第一增益光纤1212为一段掺杂有镱离子的单模增益光纤，受976nm的泵浦激光激发后辐射出1020-1090nm的激光。

所述的电控偏振控制器1213依靠电路板1110输入的电压信号的改变来挤压光纤，从而改变激光在光纤传输时的偏振态实现振荡器锁模。其工作波长为1064nm，尾纤类型为单模光纤。

所述的偏振分束器1214将激光按照其偏振态分为两束，一束输出信号光ω₁另一束继续在谐振腔内振荡。偏振分束器1214工作波长为1064nm，输出端尾纤类型为保偏单模光纤，另外两端均为普通单模光纤。

所述的滤波器1215为中心工作波长1064nm的带通滤波器，通带宽度为8nm，最高承受光功率300mW，尾纤类型为单模光纤。

参阅图3，为本实用新型第一耦合器1分光示意图，振荡器1210输出的稳定锁模脉冲信号光ω₁经由第一耦合器1按固定比例分为两束ω₂和ω₃。ω₂进入到第一级预放大器1220进行放大，ω₃通过光电二极管PD转化为电信号后反馈到电路板1110一方面对振荡器1210的锁模状态进行监测，另一方面输入到电路板1110中经过处理后，作为选频信号。第一耦合器1分束比为95:5，工作波长1064nm，尾纤类型为保偏单模光纤。第一耦合器1输入端与振荡器1210输出端尾纤采用保偏熔接机熔接在一起，保持信号光传输过程中偏振态保持不变，熔接损耗小于0.01dB。

参阅图4，为本实用新型第一级预放大器1220具体结构图，信号光ω₂透过第一保偏隔离器1221后连入第一保偏波分复用器1222的信号端，从其公共端输出后注入第二增益光纤1223，然后再连接第一保偏合束器1224的输出端，由保偏合束器1224的信号端输出，第二增益光纤1223内的信号光被两个泵浦ld₂和LD₁泵浦放大，放大后的信号光ω₄进入声光调制器1230进行选频。信号光ω₄平均功率600mW，重复频率20MHz，中心波长1064nm。第一级预放大器1220的输入端与耦合器1的输出端以及第一级预放大器1220中的光纤器件和增益光纤按光路结构采用保偏熔接机熔接在一起保持信号光传输过程中偏振态保持不变，熔接损耗小于0.01dB。

所述的保偏隔离器1221工作中心波长为1064nm，最大承受光功率300mW，隔离度>30dB。其主要作用为确保信号光ω₂在第一级预放大器1220中单向传输，且防止第一级预放大器中产生的反向激光进入振荡器1210中，影响振荡器锁模。

所述的保偏波分复用器1222工作波长为976/1064nm，由泵浦端、信号端和公共端组成，泵浦端连接泵浦，信号端用于信号光的输入，公共端连接增益光纤用于将信号光放大。

所述的第二增益光纤1223为一段保偏双包层增益光纤，纤芯直径10um，外包层直径125um。相较于第一增益光纤，其优势在于独特的双包层结构使得泵浦激光能在包层和纤芯之间来回穿梭，提高泵浦耦合效率，更适用于高功率放大过程，较大的纤芯直径也能够抑制功率提升过程中光纤非线性效应的产生，提高放大效率。

所述的第一保偏合束器1224是一个（1+1）×1的保偏合束器，它由一个泵浦端、一个信号端以及一个输出端组成，泵浦端尾纤类型为105/125的多模光纤，可以将高功率的泵浦光以包层泵浦的方式耦合入输出端。信号端和输出端尾纤类型为10/125的保偏双包层光纤，分别用于输出信号光ω₄和连接第二增益光纤1223。

参阅图5，为本实用新型声光调制器1230及第二耦合器2光路结构图，声光调制器1230将信号光ω₄重复频率降低。以40分频为例具体介绍其工作原理，第一耦合器1输出的重复频率为20MHz的信号光ω₂经过光电二极管PD转化为电信号后进入电路板1110后，一方面实时监测振荡器1210工作，另一方面从每40个脉冲等间隔地选出一个脉冲，作为分频信号。分频信号作用于声光调制驱动器1120加以调制后控制声光调制器1230使其输出信号光ω₅。信号光ω₅平均功率10mW左右，重复频率500kHz，中心波长1064nm。

所述的声光调制器1230，其输入输出端均为保偏单模光纤，确保信号光传输过程中偏振态保持不变，插入损耗为2~3dB。声光调制器1230输入端与第一级预放大器1220的输出端采用保偏熔接机熔接在一起，熔接损耗小于0.01dB。

所述信号光ω₅经由第二耦合器2按固定比例分为两束ω₆和ω₇，分束比为95:5，信号光ω₆进入到第二级预放大器1240中继续放大，ω₇转化为电信号后反馈到电路板1110对声光调制器1230及第一级预放大器1220的工作状态实时监测。第二耦合器2工作波长1064nm，尾纤类型为保偏单模光纤。第二耦合器2输入端和声光调制器1230的输出端采用保偏熔接机熔接在一起，熔接损耗小于0.01dB。

参阅图6，为本实用新型第二级预放大器1240具体结构图，第二级预放大器1240采用纤芯泵浦的方式对信号光ω₆进行放大。由第二耦合器2输出的信号光ω₆连入第二保偏波分复用器1241的信号端，从公共端注入第三增益光纤1242，保偏波分复用器1241的泵浦端则连接泵浦ld₃，第三增益光纤1242中的信号光受泵浦光激发放大后进入保偏带通滤波器1243，由其输出端输出信号光ω₈。信号光ω₈平均功率120mW，重复频率500kHz，中心波长1064nm。第二级预放大器1240的输入端与第二耦合器2的输出端以及第二级预放大器1240中的光纤器件和增益光纤按光路结构采用保偏熔接机熔接在一起保持信号光传输过程中偏振态保持不变，熔接损耗小于0.01dB。

所述的第三增益光纤1242是一段掺杂镱离子的保偏单模光纤，受976nm的泵浦光激发后辐射出1020-1090nm的激光，用作放大器的增益光纤。

所述的保偏带通滤波器1243，其重要参数如下，工作中心波长1064nm，通带宽度8nm，通带范围内插入损耗<1dB。

参阅图7，为本实用新型分离脉冲放大器1250光路结构图，信号光ω₈进入分离脉冲放大器1250进行放大。所述的分离脉冲放大器1250包括分离脉冲部分510和光纤放大部分520。分离脉冲部分510包括保偏准直器511、第一空间隔离器512、二分之一波片513和515、偏振分束器514、分离脉冲晶体516和高功率准直器517，各个器件按光路顺序依次摆放。其工作原理为信号光ω₈经由保偏准直器511准直输出到空间中，第一空间隔离器512保证其单向传输且防止回返光返回第二级预放大器1240，信号光ω₈透过二分之一波片513、515和偏振分束器514后进入分离脉冲晶体516中，通过调整二分之一波片513可以改变透过偏振分束器514的信号光功率，调整二分之一波片515可以改变入射光进入分离脉冲晶体516时光轴的角度。信号光透过分离脉冲晶体516后脉冲在时域上一分为八，降低了脉冲的峰值功率，脉冲分离后的信号光被高功率准直器517重新收集到光纤中进行放大。

所述的保偏准直器511用于将信号光ω₈准直输出到空间中，工作波长1064nm，最大承受光功率300mW，工作距离300mm。保偏准直器511和第二级预放大器1240输出端采用保偏熔接机熔接在一起，熔接损耗小于0.01dB。

所述的第一空间隔离器512，工作波长1064nm，最高承受光功率700mW，通光孔径2.8mm，插入损耗<1dB，反向隔离度>30dB，其功能在于，保证信号光ω₈单向传输并防止分离脉冲放大器中产生的回返光回到第二级预放大器1240影响其工作。

通过旋转二分之一波片513和515可以改变入射光的偏振角度，波片镜面镀增透膜，对信号光损耗极小。

所述的偏振分束器514可以将信号光按偏振态分成两束，竖直偏振光经偏振分束器透射而出，水平偏振光则被偏振分束器反射，旋转二分之一波片513可以改变偏振分束器514输出两端的分束比。

所述的分离脉冲晶体516包括三个长度倍增的钒酸钇晶体，其分离脉冲的原理如下，信号光偏振角度与晶体光轴成45°入射，由于钒酸钇晶体较高的双折射效应，寻常光光轴和非寻常光光轴传播速度不同，两部分脉冲分量逐渐分离，且晶体足够长，直至脉冲分离为两个独立的脉冲。采用三个长度倍增且后一块晶体光轴始终与前一块成45°的晶体，最终脉冲将被分为八个等强度、等时间间隔的脉冲串。分离过的脉冲放大后重新返回时，由于偏振角度转90°，8个脉冲将重新合成为一个脉冲。

信号光经过分离脉冲晶体516后重新被高功率准直器517收集到光纤之中进行放大。所述的高功率准直器517，工作波长为1064nm，最高承受光功率20W，工作距离500mm。

参阅图8，为图7中光纤放大器520光路结构图，光纤放大器520采用纤芯泵浦和包层泵浦相结合的方式对信号光进行放大。光纤放大器520结构同第一级预放大器相似，信号光和较低功率的泵浦光经由第三波分复用器521耦合到第四增益光纤522中，第四增益光纤522另一端连接第二合束器523的公共端，高功率的泵浦反向泵浦第四增益光纤522，信号光放大后从第二保偏合束器523信号端输出，在经过法拉第旋转镜524反射后原路返回，从高功率准直器517输出到空间中，再次经过分离脉冲部分后脉冲重新合而为一，从偏振分束器514的反射端输出。分离脉冲放大器1250的输入端与高功率准直器517的输出端采用光纤熔接机熔在一起，熔接损耗小于0.01dB。

所述第三波分复用器521、第四增益光纤522和第二合束器523均为不保偏的光纤元器件。作用同第一级预放大器1220中的第一保偏波分复用器1222、第二增益光纤1223和第一保偏合束器1224。各个器件及增益光纤按光路结构采用光纤熔接机首尾熔接在一起，熔接损耗小于0.01dB。

信号光ω₈被放大后经由法拉第旋转镜524反射，偏振角度旋转90度，原路返回再次经过分离脉冲晶体516后，分开的脉冲将重新合为一个脉冲后作为ω₉从偏振分束器514的反射端输出。所述的法拉第旋转镜524工作波长为1064nm，最高承受光功率2W，尾纤类型为10/125双包层光纤。

信号光ω₉平均功率为800mW，单脉冲能量1.6uJ，脉冲宽度<20ps，脉冲峰值功率>80kW，被第一脉冲压缩器1260压缩至最窄后输出信号光ω₁₀，其平均功率300mW，单脉冲能量0.6uJ，脉冲宽度<500fs，脉冲峰值功率>1.2MW。

参阅图9，为本实用新型第一脉冲压缩器1260光路结构图，所述的第一脉冲压缩器1260采用一对透射式光栅对脉冲进行压缩。按照光路顺序，第一压缩器1260包括二分之一波片1261、一对光栅1262和1263、反射镜1264和1265、高功率空间隔离器1266、二分之一波片1267以及保偏高功率光纤准直器1268，各个器件依序摆放。压缩器工作原理为偏振分束器514输出的信号光ω₉透过二分之一波片1261后入射到第一光栅1262上，由于光栅的衍射效应，信号光ω₉中不同频率的光衍射角度不同，即光束被分成一条连续的谱线后入射到与第一块光栅平行的第二光栅1263上，再次衍射后被第一反射镜1264反射后返回，反射镜角度略微下压使返回光和信号光能够区分开来，方便输出。激光压缩后被第二反射镜1265改变方向后进入第一高功率空间隔离器1266，隔离器1266输出信号光透过二分之一波片1267后被保偏高功率光纤准直器1268重新收集到光纤中进行主放大，信号光记为ω₁₀。

所述的二分之一波片1261工作波长为1064nm，通过旋转二分之一波片可以改变光栅的压缩效率，原因在于光栅为偏振敏感器件，改变信号光的偏振角度会影响信号光入射到光栅时透射光和衍射光的比例，从而改变压缩效率。

所述的透射式光栅1262和1263，工作波长1064nm，光栅线数为1200line/mm。其压缩脉冲原理为，信号光ω₉入射到光栅栅区时发生衍射，不同频率的光出射角度不同，导致他们在自由空间中走过的光程不同，信号光在光纤中传输时由于色散效应，脉冲被展宽，光栅压缩则通过改变信号光不同频率成分在空间中的光程差来补偿因为光纤产生的色散，从而达到压缩脉冲的效果。

所述的反射镜1264和1265为中心工作波长1064nm的反射镜，反射率大于99%，其中反射镜1264与信号光垂直略下倾放置，1265与信号光成45°放置。

所述的第一高功率空间隔离器1266为在自由空间中使用的光隔离器，其工作中心波长为1064nm，最高承受光功率2W，对回返光的隔离度>30dB，且要求信号光竖直偏振输入，水平偏振输出。隔离器的主要作用为确保信号光单向传输并防止主放大器中产生的回返光回到分离脉冲放大器1250中。

所述的保偏高功率光纤准直器1268用于将空间光束重新耦合入光纤中，其工作波长为1064nm，工作距离500mm，尾纤类型为10/125的保偏双包层光纤。通过旋转二分之一波片1267可以调整信号光在保偏高功率光纤准直器1268中传输时的偏振角度，使其能够保持偏振态不变传输。

参阅图10，为本实用新型主放大器1270光路结构图，信号光ω₁₀进入到主放大器1270中进行最后的功率放大。主放大器1270包括第三保偏合束器1271及第五增益光纤1272。信号光ω₁₀和两个高功率泵浦LD₃和LD₄输出的泵浦光经由第三保偏合束器1271一起耦合到第五增益光纤1272中，随着泵浦光的增加信号光被逐渐放大，最终输出信号光ω₁₁。ω₁₁特征如下，重复频率500kHz，平均功率20W，单脉冲能量40uJ，脉冲宽度3ps。主放大器1270输入端与保偏高功率光纤准直器1268输出端以及主放大器1270内部各光纤器件采用保偏熔接机首尾熔接在一起，保证信号光传输放大过程中偏振态保持不变，熔接损耗小于0.01dB。

所述的第三保偏合束器1271用于将高功率的泵浦光和信号光一起耦合到增益光纤中，包括两个泵浦端，一个信号端和一个输出端，泵浦端尾纤类型为105/125的多模光纤，正好与高功率泵浦的输出尾纤适配。信号端和输出端尾纤类型为10/125的双包层光纤。

所述的第五增益光纤1272为掺杂镱离子的保偏双包层光子晶体光纤，纤芯直径40um，内包层直径200um，较大的纤芯直径能够极大地抑制放大过程中非线性效应的产生；双包层结构使泵浦光在纤芯和内包层之间穿梭，极大地提高掺杂离子对泵浦光的吸收效率，提高放大效率；光子晶体的结构则确保信号光在光纤中始终保持单模传输，输出光斑模式为基横模，一方面确保输出光束质量，另一方面有利于压缩的进行。

参阅图11，为本实用新型第二脉冲压缩器1280光路结构图，信号光ω₁₁被第二脉冲压缩器1280压缩至飞秒量级后输出信号光ω₁₂，其平均功率为10W，重复频率500kHz，单脉冲能量20uJ，脉冲宽度<500fs，脉冲峰值功率>40MW。

第二脉冲压缩器1280采用一对透射式光栅对信号光ω₁₁进行压缩，其主要组成包括一个准直透镜1281、第三反射镜1282、二分之一波片1283、第三光栅1284、第四光栅1285、第四反射镜1286、第五反射镜1287以及第二高功率空间隔离器1288。信号光ω₁₂从第二高功率空间隔离器输出。

第二脉冲压缩器1280压缩脉冲的原理同第一脉冲压缩器1260。所述的准直透镜1281用于将第五增益光纤1272输出的信号光ω₁₁准直到自由空间中进行压缩，该透镜焦距为18mm，工作波长为1064nm。

所述的第三反射镜1282为镀增透膜的45°使用的高反镜，对976nm波长的光增透，对1020-1100nm的光高反，反射率>99%，可以有效地将信号光ω₁₁中未被吸收的泵浦光和信号光分离。

所述的二分之一波片1283、第三光栅1284、第四光栅1285、第四反射镜1286和第五反射镜1287，特征与作用同第一脉冲压缩器1260中用到的器件。

所述的第二高功率空间隔离器1288确保信号光ω₁₂单向传输且防止工业加工过程中回返光返回光路中。其工作波长1064nm，最高承受光功率20W，反向隔离度>30dB。

Claims (4)

1.一种高功率飞秒光纤激光器，其特征在于该激光器包括电路及光路，其中：

所述电路包括电路板、声光调制驱动器以及作为泵浦的数个半导体二极管，电路板上固定有低功率泵浦控制模块、声光调制驱动器控制模块及高功率泵浦控制模块，声光调制驱动器控制模块连接声光调制驱动器；低功率泵浦控制模块连接数个小功率泵浦半导体二极管；高功率泵浦控制模块连接数个高功率泵浦半导体二极管；电路板由外部电源进行供电；所述光路包括振荡器、第一级预放大器、声光调制器、第二级预放大器、分离脉冲放大器、第一脉冲压缩器、主放大器、第二脉冲压缩器、第一耦合器及第二耦合器，所述振荡器、第一耦合器、第一级预放大器、声光调制器、第二耦合器、第二级预放大器、分离脉冲放大器、第一脉冲压缩器、主放大器及第二脉冲压缩器依次沿光路连接；振荡器连接一小功率泵浦半导体二极管及电路板；第一耦合器输出端与电路板之间连接一光电二极管；第一级预放大器分别连接一小功率泵浦半导体二极管、一高功率泵浦半导体二极管；声光调制器连接声光调制驱动器；第二耦合器输出端与电路板之间连接一光电二极管；第二级预放大器连接一小功率泵浦半导体二极管；分离脉冲放大器分别连接一小功率泵浦半导体二极管、一高功率泵浦半导体二极管；主放大器连接两高功率泵浦半导体二极管；其两高功率泵浦半导体二极管串联连接。

2.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于所述振荡器为全光纤结构的锁模脉冲振荡器，采用非线性偏振旋转效应实现稳定的锁模脉冲输出；该振荡器包括波分复用器、第一增益光纤、电控偏振控制器、偏振分束器及滤波器，所述波分复用器、第一增益光纤、电控偏振控制器、偏振分束器及滤波器依次按照光路顺序首尾相连，构成环路。

3.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于所述第一级预放大器包括第一保偏隔离器、第一保偏波分复用器、第二增益光纤和第一保偏合束器，所述第一保偏隔离器、第一保偏波分复用器、第二增益光纤和第一保偏合束器依次按照光路顺序首尾连接。

4.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于所述分离脉冲放大器由分离脉冲部分和光纤放大器部分组成，分离脉冲部分和光纤放大器部分按光路连接；所述分离脉冲部分包括保偏准直器、第一空间隔离器、二分之一波片、偏振分束器、二分之一波片、分离脉冲晶体和高功率准直器，所述保偏准直器、第一空间隔离器、二分之一波片、偏振分束器、二分之一波片、分离脉冲晶体和高功率准直器依次按光路顺序设置；所述光纤放大器部分采用纤芯泵浦和包层泵浦相结合的方式对信号光进行放大，其为一光纤放大器，该光纤放大器包括第三波分复用器、第四增益光纤、第二保偏合束器和法拉第旋转镜，所述第三波分复用器、第四增益光纤、第二保偏合束器和法拉第旋转镜依次按光路顺序连接。