CN206498079U - 一种光纤固体结合皮秒激光再生放大器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及激光技术领域，具体涉及一种光纤固体结合皮秒激光再生放大器，包括沿光路依次设置的全光纤锁模种子源、第一级光纤预放大器、第二级光纤主放大器和固体再生放大器；全光纤锁模种子源用于生成种子激光；第一级光纤预放大器用于将种子激光功率放大产生第一级放大光，第二级光纤主放大器用于将第一级放大光功率放大产生第二级放大光，固体再生放大器用于将第二级放大光再生放大产生毫焦耳量级的再生放大光。体积更小、性能稳定、抗干扰能力强、光束质量高的全光纤锁模种子源，通过固体再生放大器对锁模脉冲序列进行单选一个脉冲不断放大，实现高重复频率、单脉冲能量大、高峰值功率等特点的皮秒窄脉冲激光输出。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光技术领域，具体涉及一种光纤固体结合皮秒激光再生放大器。
背景技术
近些年实验证明，除了飞秒脉冲激光可进行高质量、高精度的材料微加工以外，皮秒脉冲激光也可以对金属和其它产业材料进行高质量微加工，并达到类似的精度和单位脉冲切除率。皮秒激光脉冲宽度短，足以避免能量因热扩散达到材料消融临界过程所需要的峰值能量密度。
能量在毫焦耳量级的皮秒激光放大系统的种子光通常由锁模固体振荡器或光纤固体混合激光器产生，但其温度稳定性差、体积大和成本高对其应用造成影响。
全光纤皮秒脉冲激光放大器重复频率一般在几十至几百MHz之间，输出功率为几百mW至几十W，但由于重复频率过高，锁模激光单脉冲能量只有几nJ至几百nJ，达不到材料所需的消融阈值(μJ量级)，需将锁模激光脉冲能量放大103～104倍以上才能用于加工。但锁模脉冲宽度很窄，传统的行波放大方式对锁模光的单程增益很低，需要多程放大才能将锁模光能量放大到103倍以上。
实用新型内容
针对上述问题中存在的不足之处，本实用新型提供一种光纤固体结合皮秒激光再生放大器。
为实现上述目的，本实用新型提供一种光纤固体结合皮秒激光再生放大器，包括：沿光路依次设置的全光纤锁模种子源、第一级光纤预放大器、第二级光纤主放大器和固体再生放大器；
所述全光纤锁模种子源用于产生种子激光；所述第一级光纤预放大器用于将所述种子激光功率放大产生第一级放大光，所述第二级光纤主放大器用于将所述第一级放大光功率放大产生第二级放大光，所述固体再生放大器用于将所述第二级放大光再生放大产生毫焦耳量级的再生放大光。
进一步的，所述全光纤锁模种子源包括沿光路设置的光纤布拉格光栅、第一波分复用器、增益光纤、分束器和半导体可饱和吸收镜，以及通过光纤与所述第一波分复用器连接的泵浦激光器A；
所述光纤布拉格光栅、所述增益光纤、所述分束器和所述半导体可饱和吸收镜构成线性腔结构，产生所述种子激光；
所述泵浦激光器A，用于给增益光纤8和第一放大器增益光纤15提供泵浦光。
进一步的，所述第一级光纤预放大器包括沿所述种子激光光路设置的分束器、带通滤波器、第二波分复用器、第一放大器增益光纤和第一单向隔离器，以及设置在所述分束器上的非保偏输出端；
所述分束器用于将所述种子激光分成两路；
在所述非保偏输出端上设置有灵敏光电探头；
所述带通滤波器用从所述全光纤锁模种子源中滤出1064nm波长激光；
第一放大器增益光纤用于将所述种子激光功率放大产生第一级放大光。
进一步的，所述第二级光纤主放大器包括沿所述第一级放大光光路设置的合束器、第二放大器增益光纤、第二单向隔离器和输出端准直器，以及通过光纤与所述合束器相连接的泵浦激光器B；
所述泵浦激光器B用于给第二放大器增益光纤提供泵浦光；
所述第二放大器增益光纤用于将所述第一级放大光功率进行放大产生第二级放大光。
进一步的，所述固体再生放大器包括隔离系统和再生放大腔；
所述隔离系统包括沿所述第二级放大光光路设置的第一偏振片、第一波片、第一法拉第旋转器、输出全反镜、第二偏振片、第二波片、第二法拉第旋转器和第一全反镜；
所述第一偏振片用于将所述第二级放大光变为P偏振光；
所述第一波片和第一法拉第旋转器用于阻止放大光返回所述第二级光纤主放大器；
所述第二波片和所述第二法拉第旋转器用于将所述P偏振光变为S偏振光；
所述第一全反镜用于将所述S偏振光导入所述再生放大腔。
进一步的，所述再生放大腔包括沿所述第二级放大光光路传播方向依序设置的第三偏振片、第三波片、普克尔盒、第一反射镜、第一45°全反射镜、第二45°全反镜(37)、泵浦模块、第三45°全反镜和第二反射镜；
所述第三偏振片用于接收所述S偏振光和导出再生放大光；
所述第三波片和所述普克尔盒构成偏振开关，使所述P偏振光和所述S偏振光相互变换；
所述第一反射镜和所述第二反射镜构成所述再生放大腔的两个腔镜；
所述泵浦模块用于将第二级放大光在再生放大腔中不断往返放大得到所述再生放大光。
进一步的，所述再生放大腔为折叠腔结构。
进一步的，所述第二偏振片用于将所述再生放大光反射到所述输出全反镜。
优选的，所述半导体可饱和吸收镜封装于两个FC/PC跳线之间，并通过法兰连接。
优选的，所述第一级光纤预放大器和第二级光纤主放大器采用MOPA(主控振荡器的功率放大器)级联放大结构。
在上述技术方案中，本实用新型实施例提供的光纤固体结合皮秒激光再生放大器，与现有技术相比具有以下优点：
1、种子源采用全光纤锁模种子源，通过光纤熔接工艺实现全光纤化，无需展宽器，直接对振荡级输出的种子激光进行放大。相比锁模固体振荡器和光纤固体混合激光器成本低且易于获得长期稳定的高功率皮秒脉冲激光，具有光束质量好、温度稳定性好、结构简单和体积小的优点。
2、通过隔离系统控制再生放大光不会沿第二级放大光光路返回，有效的消除了再生放大光对第二级放大光的影响。
3、采用固体再生放大器，与传统行波放大不同，固体再生放大器本身包含谐振腔，第二级放大光在再生放大腔的两个腔镜间往返传播，结构简单。通过电光开关控制往返传播的次数来控制放大次数，将第二级放大光的能量放大106倍甚至更高，且输出光具有良好的光束质量，再生放大腔采用折叠腔结构使得整个系统短小紧凑。
附图说明
图1为本实用新型光纤固体结合皮秒激光再生放大器的结构框图；
图2为本实用新型光纤固体结合皮秒激光再生放大器的全光纤锁模种子源、第一级光纤预放大器以及第二级光纤主放大器的结构示意图；
图3为本实用新型光纤固体结合皮秒激光再生放大器的固体再生放大器的结构示意图。
图中：1、全光纤锁模种子源；2、第一级光纤预放大器；3、第二级光纤主放大器；4、固体再生放大器；5、光纤布拉格光栅；6、泵浦激光器A；7、第一波分复用器；8、增益光纤；9、分束器；10、SESAM模块；11、分束器；12、非保偏输出端；13、带通滤波器；14、第二波分复用器；15、第一放大器增益光纤；16、第一单向隔离器；17、泵浦激光器B；18、合束器；19、第二放大器增益光纤；20、第二单向隔离器；21、输出端准直器；22、隔离系统；23、再生放大腔；24、第一偏振片；25、第一波片；26、第一法拉第旋转器；27、输出全反镜；28、第二偏振片；29、第二波片；30、第二法拉第旋转器；31、33°全反镜；32、第三偏振片；33、第三波片；34、普克尔盒；35、第一反射镜；36、第一45°全反镜；37、第二45°全反镜；38、泵浦模块；39、第三45°全反镜；40、第二反射镜。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细的描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不能用来限制本实用新型的范围。
本实用新型公开了一种光纤固体结合皮秒激光再生放大器。
如图1所示，本实用新型包括全光纤锁模种子源1，第一级光纤预放大器2，第二级光纤主放大器3和固体再生放大器4。全光纤锁模种子源1用于产生种子激光。第一级光纤预放大器2用于将种子激光功率放大产生第一级放大光，第二级光纤主放大器3用于将第一级放大光功率放大产生第二级放大光，固体再生放大器4用于将第二级放大光再生放大产生毫焦耳量级的再生放大光。全光纤锁模种子源1为基于SESAM模块10的皮秒光纤振荡器，呈线性腔结构。第一级光纤预放大器2和第二级光纤主放大器3采用MOPA级联放大结构。体积更小、性能稳定、抗干扰能力强、光束质量高的全光纤锁模种子源，通过固体再生放大器对锁模脉冲序列进行单选一个脉冲不断放大，实现高重复频率、单脉冲能量大、高峰值功率等特点的皮秒窄脉冲激光输出，可用于激光加工和前置放大器。
如图2所示，全光纤锁模种子源1包括沿光路设置的光纤布拉格光栅5、第一波分复用器7、增益光纤8、分束器9和半导体可饱和吸收镜10，以及通过光纤与第一波分复用器7连接的泵浦激光器A6。光纤布拉格光栅5、增益光纤8、分束器9和半导体可饱和吸收镜10构成线性腔结构，产生种子激光。泵浦激光器A6，用于给增益光纤8和第一放大器增益光纤15提供泵浦光，增益光纤8为单包层掺镱光纤。
第一级光纤预放大器2包括沿种子激光光路设置的分束器11、带通滤波器13、第二波分复用器14、第一放大器增益光纤15和第一单向隔离器16，以及设置在分束器11上的非保偏输出端12。分束器11用于将种子激光分成两路；在非保偏输出端12上设置有灵敏光电探头。带通滤波器13用于将种子激光滤出1064nm波长激光。第一放大器增益光纤15用于将种子激光功率放大产生第一级放大光。
第二级光纤主放大器3包括沿第一级放大光光路设置的合束器18、第二放大器增益光纤19、第二单向隔离器20和输出端准直器21，以及通过光纤与合束器18相连接的泵浦激光器B17，泵浦激光器B17用于给增益光纤18提供泵浦光。第二放大器增益光纤19用于将第一级放大光功率进行放大产生第二级放大光。第二放大器增益光纤19为大模场双包层掺镱光纤。
泵浦激光器6通过第一波分复用器7注入泵浦光，在光纤布拉格光栅5、增益光纤8、分束器9、SESAM模块10构成的线性腔中产生种子激光。种子激光在此谐振腔内来回振荡，实现稳定的连续锁模。半导体可饱和吸收镜10封装于两个FC/PC跳线之间，通过法兰进行连接，该封装方式是一种自主研制的封装方式，此种封装方式已经通过实验验证，将其熔接到谐振腔中可以实现稳定的连续锁模。光纤放大部分包括两级纤芯直径逐级递增的增益光纤，本实施例中选择两级MOPA级联放大技术，包括沿光路依次设置的第一级光纤预放大器2、第二级光纤主放大器3。第一级光纤预放大器2与全光纤锁模种子源1共用泵浦激光器6。第一级光纤预放大器2的第一放大器增益光纤15为单包层掺镱光纤，第二级光纤主放大器3的第二放大器增益光纤19为大芯径大模场双包层掺镱光纤。经过第一级光纤预放大器2后，种子激光在第二级光纤主放大器3最终被放大到400mW。第一单向隔离器16和第二单向隔离器20可以防止放大光沿光路返回。第二级放大光通过输出端准直器21后输出光斑直径为2mm。
如图3所示，固体再生放大器4包括隔离系统22和再生放大腔23。隔离系统22包括沿第二级放大光光路设置的第一偏振片24、第一波片25、第一法拉第旋转器26、输出全反镜27、第二偏振片28、第二波片29、第二法拉第旋转器30和33°全反镜31。第二偏振片28用于将再生放大光反射到输出全反镜27。第一偏振片24和第二偏振片28对激光P偏振光高透过率而对激光S偏振光高反射率且以布儒斯特角并呈倒八字形摆放，第二偏振片28为激光输出端口，放置输出全反镜27。再生放大腔23为腔长1.5m的折叠腔结构。
第一偏振片24用于将第二级放大光变为P偏振光。第一波片25和第一法拉第旋转器26用于阻止再生放大光返回第二级光纤主放大器3。第二波片29和第二法拉第旋转器30用于将P偏振光变为S偏振光；33°全反镜31用于将S偏振光导入再生放大腔23。
再生放大腔23包括沿第二级放大光光路传播方向依序设置的第三偏振片32、第三波片33、普克尔盒34、第一反射镜35、第一45°全反射镜36、第二45°全反镜37、泵浦模块38、第三45°全反镜39和第二反射镜40。第三偏振片32用于接收S偏振光以及导出再生放大光；第三波片33和普克尔盒34构成偏振开关，使P偏振光和S偏振光相互变换；第一反射镜35和第二反射镜40构成再生放大腔23的两个腔镜；泵浦模块38使第二级放大光在再生放大腔中不断放大得到再生放大光，再生放大腔23为折叠腔结构。
输出的第二级放大光通过隔离系统22的第一偏振片23产生P偏振光，其偏振态经过第一波片25旋转45°和第一法拉第旋转器26提供的反向旋转45°后仍为P偏振光。P偏振光经过第二偏振片，继续正向通过第二波片29和第二法拉第旋转器30各提供的45°偏振旋转，变为S偏振光。再经过33°全反镜31反射后注入再生放大腔23。对于放大后的激光仍为S偏振光，从再生放大腔23出射到第一全反镜36，经过第二法拉第旋转器30提供的45°偏振旋转被第二波片29所抵消，不改变偏振方向，因此被第二偏振片28反射到输出全反镜27输出。剩余的P偏振光透射第二偏振片28，通过第一法拉第旋转器26和第一波片25各提供的45°偏振旋转变为S偏振光，被第一偏振片24反射出系统，阻止了再生放大光返回第二级光纤主放大器，实现隔离作用。
当普克尔盒38处于无电压差状态时，不提供相位延迟，第二级放大光两次通过第三波片33变为P偏振态后通过第三偏振片32，经过泵浦模块38时得到放大，再两次经过第三波片33后变为S偏振态，最终被第三偏振片32反出，因此第二级放大光只能在再生放大腔23内震荡一次。当第二级放大光位置处于第二次和第三次经过普克尔盒34之间，此时给普克尔盒34施加λ/4电压，通过第三偏振片32的第二级放大光被捕获。此时普克尔盒34和第三波片33构成一个半波片，随后而来的第二级放大光两次经过这个复合半波片后不改变偏振态而直接被第三偏振片32反出。被捕获的第二级放大光在再生放大腔23内多次往返通过增益介质后得到放大。通过在非保偏输出端12放置灵敏光电探头，接收锁模种子激光脉冲，转化为电信号后提供给普克尔盒34的高压驱动源作为其时钟频率。当第一反射镜35后监视到的脉冲被放大到最大能量时，普克尔盒34两端电压降到零，放大脉冲两次经过第三波片33时变为S偏振光而被再生放大腔23输出。实现了腔内单选一个脉冲再生放大技术。设定普克尔盒34上高压开启的重复频率为1KHz，则最后固体再生放大器4输出重复频率为1KHz的皮秒激光脉冲。
本实用新型中，第一波片25和第二波片29均为λ/2波片，第三波片33为λ/4波片。泵浦模块为连续Nd:YAG侧面泵浦模块，泵浦模块38放置在再生放大腔32中间。
以上仅为本实用新型的优选并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，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)
1.一种光纤固体结合皮秒激光再生放大器，其特征在于，包括：沿光路依次设置的全光纤锁模种子源(1)、第一级光纤预放大器(2)、第二级光纤主放大器(3)和固体再生放大器(4)；
所述全光纤锁模种子源(1)用于产生种子激光；所述第一级光纤预放大器(2)用于将所述种子激光功率放大产生第一级放大光，所述第二级光纤主放大器(3)用于将所述第一级放大光功率放大产生第二级放大光，所述固体再生放大器(4)用于将所述第二级放大光再生放大产生毫焦耳量级的再生放大光。
2.根据权利要求1所述的光纤固体结合皮秒激光再生放大器，其特征在于：所述全光纤锁模种子源(1)包括沿光路设置的光纤布拉格光栅(5)、第一波分复用器(7)、增益光纤(8)、分束器(9)和半导体可饱和吸收镜(10)，以及通过光纤与所述第一波分复用器(7)连接的泵浦激光器A(6)；
所述光纤布拉格光栅(5)、所述增益光纤(8)、所述分束器(9)和所述半导体可饱和吸收镜(10)构成线性腔结构，产生所述种子激光；
所述泵浦激光器A(6)，用于给所述增益光纤(8)和第一放大器增益光纤(15)提供泵浦光。
3.根据权利要求1所述的光纤固体结合皮秒激光再生放大器，其特征在于：所述第一级光纤预放大器(2)包括沿所述种子激光光路设置的分束器(11)、带通滤波器(13)、第二波分复用器(14)、第一放大器增益光纤(15)和第一单向隔离器(16)，以及设置在所述分束器(11)上的非保偏输出端(12)；
所述分束器(11)用于将所述种子激光分成两路；
在所述非保偏输出端(12)上设置有灵敏光电探头；
所述带通滤波器(13)用于从所述全光纤锁模种子源(1)中滤出1064nm波长激光；
第一放大器增益光纤(15)用于将所述种子激光功率放大产生第一级放大光。
4.根据权利要求3所述的光纤固体结合皮秒激光再生放大器，其特征在于：所述第二级光纤主放大器(3)包括沿所述第一级放大光光路设置的合束器(18)、第二放大器增益光纤(19)、第二单向隔离器(20)和输出端准直器(21)，以及通过光纤与所述合束器(18)相连接的泵浦激光器B(17)；
所述泵浦激光器B(17)用于给所述第二放大器增益光纤(19)提供泵浦光；
所述第二放大器增益光纤(19)用于将所述第一级放大光进行功率放大产生所述第二级放大光。
5.根据权利要求4所述的光纤固体结合皮秒激光再生放大器，其特征在于：所述固体再生放大器(4)包括隔离系统(22)和再生放大腔(23)；
所述隔离系统(22)包括沿所述第二级放大光光路设置的第一偏振片(24)、第一波片(25)、第一法拉第旋转器(26)、输出全反镜(27)、第二偏振片(28)、第二波片(29)、第二法拉第旋转器(30)和33°全反镜(31)；
所述第一偏振片(24)用于将所述第二级放大光变为P偏振光；
所述第一波片(25)和第一法拉第旋转器(26)用于阻止放大光返回所述第二级光纤主放大器(3)；
所述第二波片(29)和所述第二法拉第旋转器(30)用于将所述P偏振光变为S偏振光；
所述33°全反镜(31)用于将所述S偏振光导入所述再生放大腔(23)。
6.根据权利要求5所述的光纤固体结合皮秒激光再生放大器，其特征在于：所述再生放大腔(23)包括沿所述第二级放大光光路传播方向依序设置的第三偏振片(32)、第三波片(33)、普克尔盒(34)、第一反射镜(35)、第一45°全反射镜(36)、第二45°全反镜(37)、泵浦模块(38)、第三45°全反镜(39)和第二反射镜(40)；
所述第三偏振片(32)用于接收所述S偏振光和导出再生放大光；
所述第三波片(33)和所述普克尔盒(34)构成偏振开关，使所述P偏振光和所述S偏振光相互变换；
所述第一反射镜(35)和所述第二反射镜(40)构成所述再生放大腔(23)的两个腔镜；
所述泵浦模块(38)用于将所述第二级放大光在再生放大腔中不断往返放大得到所述再生放大光。
7.根据权利要求6所述的光纤固体结合皮秒激光再生放大器，其特征在于：所述再生放大腔(23)为折叠腔结构。
8.根据权利要求6所述的光纤固体结合皮秒激光再生放大器，其特征在于：所述第二偏振片(28)用于将所述再生放大光反射到所述输出全反镜(27)。
9.根据权利要求2所述的光纤固体结合皮秒激光再生放大器，其特征在于，所述半导体可饱和吸收镜(10)封装于两个FC/PC跳线之间，并通过法兰连接。
10.根据权利要求1所述的光纤固体结合皮秒激光再生放大器，其特征在于，所述第一级光纤预放大器(2)和第二级光纤主放大器(3)采用MOPA级联放大结构。
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