CN207542560U - 基于单晶光纤偏振控制的多通超短脉冲激光放大器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于激光技术领域,具体涉及一种基于单晶光纤偏振控制的多通超短脉冲激光放大器。该放大器包括信号光调节单元、单晶光纤、偏振旋转单元、双色镜单元和泵浦光调节单元;线偏振光经过信号光调节单元后进入单晶光纤的第一端面,由单晶光纤的第二端面出射的信号光经双色镜单元反射后进入偏振旋转单元,由偏振旋转单元出射的信号光沿原光路再经双色镜单元反射后进入单晶光纤的第二端面;由泵浦光调节单元发出的泵浦光经双色镜单元透射后进入单晶光纤的第二端面。本实用新型利用对超短脉冲激光的偏振控制,使得放大的激光可以在新型的放大介质单晶光纤中多次通过,提取增益介质中的储存能量,从而实现高功率高能量的超短脉冲激光输出。
Description
技术领域
本实用新型属于激光技术领域,具体涉及一种基于单晶光纤偏振控制的多通超短脉冲激光放大器。
背景技术
高功率高能量飞秒激光具有脉宽窄、峰值功率高等优点,在超精细微加工、微光子器件制造、超快非线性光学、太赫兹产生、纳米生物工程、国防激光武器等领域有着广泛的应用,具有高功率高能量的超短脉冲激光器一直是研究的重点。目前在超快激光放大过程中,典型的放大方式有光纤激光放大和固体激光放大,但是这两种不同的超短脉冲放大器都具有自身的优缺点。光纤放大器具有体积小、集成度高、稳定性好、免维护和光束质量好等优点,因此得到了广泛的研究。加之此类激光器具有大的表面体积比,散热性能好,热光效应引起的光束畸变小,尤其适合高功率激光的输出,因此采用此种结构已经实现了万瓦级的连续激光输出。但是,在超快激光放大中,由于光纤的有限模场面积限制,使得超短激光脉冲在光纤中传输时,会产生严重的非线性效应,导致脉冲的时域畸变,波长转移等,因此在光纤中通常情况下很难实现高能量的超短脉冲输出。而固体激光器具备较大的模场面积,非线性效应小,可以输出高的脉冲能量以及峰值功率,但是在高功率放大过程中,由于固体放大介质容易受热效应的影响,输出光束质量无法有效保证,而且放大增益比较低,通常得借助于再生放大或者复杂的多通放大,结构复杂,稳定性较差。
实用新型内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题,本实用新型提供一种基于单晶光纤偏振控制的多通超短脉冲激光放大器。
本实用新型的技术解决方案是:一种基于单晶光纤偏振控制的多通超短脉冲激光放大器,其特殊之处在于:包括信号光调节单元、单晶光纤、偏振旋转单元、双色镜单元和泵浦光调节单元;
线偏振光经过信号光调节单元后进入单晶光纤的第一端面,由单晶光纤的第二端面出射的信号光经双色镜单元反射后进入偏振旋转单元,由偏振旋转单元出射的信号光沿原光路再经双色镜单元反射后进入单晶光纤的第二端面;
由泵浦光调节单元发出的泵浦光经双色镜单元透射后进入单晶光纤的第二端面。
进一步地,上述信号光调节单元包括半波片和偏振分光棱镜,线偏振光依次穿过半波片和偏振分光棱镜后进入单晶光纤的第一端面。
进一步地,上述偏振旋转单元包括四分之一波片和信号光反射镜,信号光穿过四分之一波片后入射信号光反射镜,经信号光反射镜反射并再次穿过四分之一波片出射的信号光偏振旋转90°。
进一步地,上述偏振旋转单元与双色镜单元之间设置有信号光聚焦透镜,所述信号光聚焦透镜将入射偏振旋转单元的信号光聚焦成像在信号光反射镜上。
进一步地,上述双色镜单元包括相互垂直设置的第一双色镜和第二双色镜,所述第一双色镜和第二双色镜均对信号光高反并对泵浦光高透。
进一步地,上述泵浦光调节单元包括半导体激光器、泵浦光准直透镜和泵浦光聚焦透镜,半导体激光器发出的泵浦光依次穿过泵浦光准直透镜和泵浦光聚焦透镜后进入双色镜单元。
优选地,上述信号光调节单元与单晶光纤之间设置有信号光二次调节单元,所述信号光二次调节单元包括45°旋光器、第二半波片和第二偏振分光棱镜,第二偏振分光棱镜的反射光方向依次设置有第二信号光聚焦透镜和第二信号光反射镜;
由信号光调节单元出射的信号光依次穿过45°旋光器、第二半波片和第二偏振分光棱镜后进入单晶光纤的第一端面。
进一步地,信号光调节单元的前端设置有信号光方向控制单元。
进一步地,上述信号光方向控制单元包括沿信号光传输方向依次设置的两个信号光高反镜。
本实用新型的有益效果在于:本实用新型利用对超短脉冲激光的偏振控制,使得激光可以在新型的放大介质单晶光纤中多次通过,提取增益介质中的储存能量,保证多通放大结构简单的同时获得高的放大增益,从而实现高功率高能量的超短脉冲激光输出。
附图说明
图1为本实用新型实施例一光路结构示意图。
图2为本实用新型实施例二光路结构示意图。
其中,附图标记如下:1-信号光调节单元,11-半波片,12-偏振分光棱镜,2-单晶光纤,21-第一端面,22-第二端面,3-偏振旋转单元,31-四分之一波片,32-信号光反射镜,33-信号光聚焦透镜,4-双色镜单元,41-第一双色镜,42-第二双色镜,5-泵浦光调节单元,51-半导体激光器,52-泵浦光准直透镜,53-泵浦光聚焦透镜,6-信号光方向控制单元,61-第一信号光高反镜,62-第二信号光高反镜,7-信号光二次调节单元,71-45°旋光器,72-第二半波片,73-第二偏振分光棱镜,74-第二信号光聚焦透镜,75-第二信号光反射镜。
具体实施方式
实施例一
参见图1,本实施例为一种基于单晶光纤偏振控制的多通超短脉冲激光放大器,具体是一种双通放大器,其结构包括信号光调节单元1、单晶光纤2、偏振旋转单元3、双色镜单元4和泵浦光调节单元5;信号光调节单元1的前端设置有信号光方向控制单元6。
本实施例中的信号光为线偏振光,中心波长1030nm、功率600mW、重频200kHz。需说明的是,该组参数只是本实施例选用的参数,在其它场合,根据晶体的掺杂不同,波长也可以是其他的波长,功率、重频等也可以根据不同应用进行选择。
线偏振光经过信号光方向控制单元6和信号光调节单元1后进入单晶光纤2的第一端面21,由单晶光纤2的第二端面22出射的信号光经双色镜单元4反射后进入偏振旋转单元3,由偏振旋转单元3出射的信号光沿原光路再经双色镜单元4反射后进入单晶光纤的第二端面22;由泵浦光调节单元5发出的泵浦光经双色镜单元4透射后进入单晶光纤的第二端面22。
信号光方向控制单元6包括沿信号光传输方向依次设置的第一信号光高反镜61和第二信号光高反镜62,用于实现对输入信号光的高低左右方向调节控制。信号光高反镜为45°高反镜,对于1030nm的激光反射率大于99.5%。
信号光调节单元1包括半波片11和偏振分光棱镜12,线偏振光依次穿过半波片11和偏振分光棱镜12后进入单晶光纤的第一端面21。半波片11可以选用1030nm的宽带零级半波片。偏振分光棱镜12可以选用高损伤阈值偏振分光棱镜,其p光透过率大于95%,s光反射率达到99.5%。
单晶光纤2可以选用0.5%到1%离子浓度掺杂的YAG晶体(晶体掺杂稀土离子,如Nd,Yb,Ho等),直径小于1mm,长度为30-40mm,晶体端面镀膜,对信号光以及泵浦光均为高透,降低端面损耗,也可以阻止自激振荡。优选地,本实施例中的单晶光纤是离子掺杂浓度为1%,晶体直径1mm,长度30mm,晶体两个入射端面镀有覆盖1030nm、940nm的增透膜,晶体棒被包裹在水冷机械结构内部,与机械夹持件采用铟皮紧密接触。入射晶体的信号光为近似准直光,信号光可以在单晶光纤内自由传播,而泵浦光可以被侧壁多次反射与信号光形成更高的模式重叠,进而获得更高的放大增益。单晶光纤作为放大器的特点介于传统的光纤放大器和固体放大器之间,相对光纤放大器可以获得更高的超短脉冲能量输出,相对固体放大器,在相对简单的结构下,可以获得更高的增益和更高的输出功率,且其表面体积比大,散热好,因此具有良好的光束质量输出。
双色镜单元4包括相互垂直设置的第一双色镜41和第二双色镜42,第一双色镜41和第二双色镜42均是对1030nm信号光高反,对940nm泵浦光高透的双色镜,对于1030nm的信号光反射率大于99.5%,对940nm的泵浦光透过率大于97%。通过设置双色镜单元4一方面起到对信号光反射的作用,另一方面起到对信号光隔离的作用,防止信号光进入泵浦光调节单元5而导致其内部的激光器损坏。
偏振旋转单元3包括四分之一波片31和信号光反射镜32,信号光穿过四分之一波片31后入射信号光反射镜32,经信号光反射镜32反射并再次穿过四分之一波片31出射的信号光偏振旋转90°。偏振旋转单元3还包括位于四分之一波片31与双色镜单元4之间的信号光聚焦透镜33,信号光聚焦透镜33为短焦距平凸透镜,将入射偏振旋转单元的信号光聚焦成像在信号光反射镜32上。信号光反射镜32为1030nm的0°镀膜的高反镜,反射率大于99.5%。
泵浦光调节单元5包括半导体激光器51、泵浦光准直透镜52和泵浦光聚焦透镜53,半导体激光器51发出的泵浦光依次穿过泵浦光准直透镜52和泵浦光聚焦透镜53后进入双色镜单元4。半导体激光器51选用光纤耦合输出的高亮度LD,具体可以是140W的光纤耦合输出的940nm半导体激光器,输出激光的纤芯直径为105um,数值孔径NA=0.22。
本实施例进行激光放大的工作过程及原理为:
线偏振输入的激光作为信号激光,依次通过两个45°放置的第一信号光高反镜61和第二信号光高反镜62,实现对输入信号光的方向调节控制。输入的线偏振光需要进行准直输出,且保证进入单晶光纤的光斑尺寸合理的控制在单晶光纤的有效通光孔径范围之内。入射的信号光依次通过偏振器件半波片11(HWP)和偏振分光棱镜12(PBS),(PBS的特点是对平行偏振光高透,对垂直偏振光高反),半波片11是安装在波片架上的,光垂直打在波片上,波片可以绕光的传播方向旋转,利用功率计测量透过偏振分光棱镜12处的功率,得到最大值,固定半波片11的位置。这时入射的线偏振光已经被调整为水平偏振光(p光),因此几乎全部穿过了偏振分光棱镜12。
然后水平偏振光进入单晶光纤2的第一端面21,经过单晶光纤2的信号光由第二端面22出射后,经过第一双色镜41反射出来,穿过信号光聚焦透镜33和四分之一波片31后由0°的信号光反射镜32反射并沿原光路返回,信号光聚焦透镜33采用平凸透镜使得光斑聚焦成像于信号光反射镜32上面,同时调节四分之一波片31,使得信号光两次经过四分之一波片31后偏振旋转90°,变成垂直偏振光。垂直偏振光第二次穿过单晶光纤2后再经过偏振分光棱镜12直接反射输出。
以上为信号光的偏振变化和光路。单晶光纤2采用端面泵浦,半导体激光器51为光纤耦合输出的高亮度LD,输出的泵浦光经过泵浦光准直透镜52,泵浦光聚焦透镜53变换后,进入双色镜单元4,打入单晶光纤2的第二端面22。在双色镜单元4内,第一双色镜41和第二双色镜42都对泵浦光高透,对信号光高反。按照与本实施例类似的结构也可扩展为更多通的偏振控制的多通放大器。
实施例二
参见图2,本实施例提供另一种基于单晶光纤偏振控制的多通超短脉冲激光放大器,具体是一种四通放大器。本实施例的特点是在实施例一的放大器结构基础上,在信号光调节单元1与单晶光纤2之间增加设置信号光二次调节单元7,信号光二次调节单元7包括45°旋光器71、第二半波片72和第二偏振分光棱镜73,第二偏振分光棱镜73的反射光方向依次设置有第二信号光聚焦透镜74和第二信号光反射镜75;由信号光调节单元1出射的信号光先依次穿过45°旋光器、第二半波片72和第二偏振分光棱镜73,然后再进入单晶光纤2的第一端面21。
本实施例进行激光放大的工作过程及原理为:
线偏振输入的激光作为信号激光,依次通过两个45°放置的信号光高反镜61和62,实现对输入信号光的方向调节控制。输入的线偏振光需要进行准直输出,且保证进入单晶光纤的光斑尺寸合理的控制在单晶光纤的有效通光孔径范围之内。入射的信号光依次通过偏振器件半波片11(HWP)和偏振分光棱镜12(PBS),(PBS的特点是对平行偏振光高透,对垂直偏振光高反),半波片11是安装在波片架上的,光垂直打在波片上,波片可以绕光的传播方向旋转,利用功率计测量透过偏振分光棱镜12处的功率,得到最大值,固定半波片11的位置。这时入射的线偏振光已经被调整为水平偏振光(p光),因此几乎全部穿过了偏振分光棱镜12。
水平偏振光经过45°度旋光器71后,偏振方向旋转45°,然后依次穿过第二半波片72和第二偏振分光棱镜73,采用与信号光调节单元1内相同的调节方法,旋转第二半波片72,使得通过第二偏振分光棱镜73之后的功率达到最大,固定第二半波片72,光再次变为水平偏振。
通过二次调节单元7后的水平偏振光进入单晶光纤2的第一端面21,经过单晶光纤2的信号光由第二端面22出射后,经过第一双色镜41反射出来,穿过信号光聚焦透镜33和四分之一波片31后由0°的信号光反射镜32反射并沿原光路返回,依次穿过四分之一波片31和信号光聚焦透镜33后由第一双色镜41反射进入单晶光纤2的第二端面22。信号光聚焦透镜33采用平凸透镜使得光斑聚焦成像于信号光反射镜32上面,同时调节四分之一波片31,使得信号光两次经过四分之一波片31后偏振旋转90°,变成垂直偏振光。
垂直偏振光第二次穿过单晶光纤2后,由第二偏振分光棱镜73反射进入第二信号光聚焦透镜74,第二信号光聚焦透镜74将垂直偏振光聚焦在第二信号光反射镜75上并被第二信号光反射镜75反射后再次返回第二偏振分光棱镜73。
第二偏振分光棱镜73将垂直偏振光反射,第三次进入单晶光纤2,通过单晶光纤2后再次经过第一双色镜41反射出来,穿过信号光聚焦透镜33和四分之一波片31后再次由0°的信号光反射镜32反射并沿原光路返回,依次穿过四分之一波片31和信号光聚焦透镜33后由第一双色镜41反射进入单晶光纤2的第二端面22。
这时由于两次经过了四分之一波片31,偏振已经变成水平偏振,因此当信号光第四次穿过单晶光纤2后将透过第二偏振分光棱镜73,然后依次穿过第二半波片72和45°度旋光器71变成垂直偏振,然后到达偏振分光棱镜12后由偏振分光棱镜12直接反射输出。
以上为信号光的偏振变化和光路,本实施例中的泵浦光光路部分与实施例一相同。
通过四通放大,当注入泵浦光140W时,激光放大实现了20W的高光束质量的高功率皮秒激光输出。
本实施例结构也可以采用多级级联的方式实现更高功率,更高能量的皮秒脉冲放大。另外还可以作为高功率高能量啁啾脉冲放大的主放大系统,通过将展宽的啁啾脉冲进行放大,然后再压缩获得飞秒脉冲输出,也可以直接对高功率高重频的飞秒脉冲进行放大。
Claims (9)
1.一种基于单晶光纤偏振控制的多通超短脉冲激光放大器,其特征在于:包括信号光调节单元、单晶光纤、偏振旋转单元、双色镜单元和泵浦光调节单元;
线偏振光经过信号光调节单元后进入单晶光纤的第一端面,由单晶光纤的第二端面出射的信号光经双色镜单元反射后进入偏振旋转单元,由偏振旋转单元出射的信号光沿原光路再经双色镜单元反射后进入单晶光纤的第二端面;
由泵浦光调节单元发出的泵浦光经双色镜单元透射后进入单晶光纤的第二端面。
2.根据权利要求1所述的基于单晶光纤偏振控制的多通超短脉冲激光放大器,其特征在于:所述信号光调节单元包括半波片和偏振分光棱镜,线偏振光依次穿过半波片和偏振分光棱镜后进入单晶光纤的第一端面。
3.根据权利要求1所述的基于单晶光纤偏振控制的多通超短脉冲激光放大器,其特征在于:所述偏振旋转单元包括四分之一波片和信号光反射镜,信号光穿过四分之一波片后入射信号光反射镜,经信号光反射镜反射并再次穿过四分之一波片出射的信号光偏振旋转90°。
4.根据权利要求3所述的基于单晶光纤偏振控制的多通超短脉冲激光放大器,其特征在于:所述偏振旋转单元与双色镜单元之间设置有信号光聚焦透镜,所述信号光聚焦透镜将入射偏振旋转单元的信号光聚焦成像在信号光反射镜上。
5.根据权利要求1所述的基于单晶光纤偏振控制的多通超短脉冲激光放大器,其特征在于:所述双色镜单元包括相互垂直设置的第一双色镜和第二双色镜,所述第一双色镜和第二双色镜均对信号光高反并对泵浦光高透。
6.根据权利要求1所述的基于单晶光纤偏振控制的多通超短脉冲激光放大器,其特征在于:所述泵浦光调节单元包括半导体激光器、泵浦光准直透镜和泵浦光聚焦透镜,半导体激光器发出的泵浦光依次穿过泵浦光准直透镜和泵浦光聚焦透镜后进入双色镜单元。
7.根据权利要求1-6中任一所述的基于单晶光纤偏振控制的多通超短脉冲激光放大器,其特征在于:所述信号光调节单元与单晶光纤之间设置有信号光二次调节单元,所述信号光二次调节单元包括45°旋光器、第二半波片和第二偏振分光棱镜,第二偏振分光棱镜的反射光方向依次设置有第二信号光聚焦透镜和第二信号光反射镜;
由信号光调节单元出射的信号光依次穿过45°旋光器、第二半波片和第二偏振分光棱镜后进入单晶光纤的第一端面。
8.根据权利要求1-6中任一所述的基于单晶光纤偏振控制的多通超短脉冲激光放大器,其特征在于:信号光调节单元的前端设置有信号光方向控制单元。
9.根据权利要求8所述的基于单晶光纤偏振控制的多通超短脉冲激光放大器,其特征在于:所述信号光方向控制单元包括沿信号光传输方向依次设置的两个信号光高反镜。
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KR20200048059A (ko) * | 2018-10-29 | 2020-05-08 | 한국전기연구원 | 선택적 도핑농도를 가지는 이득매질 및 이를 포함하는 광 증폭 장치 |
CN113783095A (zh) * | 2021-09-10 | 2021-12-10 | 安徽光智科技有限公司 | 一种端面泵浦固体激光器 |
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