CN209516304U - 高效率光纤固体相结合皮秒激光行波放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高效率光纤固体相结合皮秒激光行波放大器，包括沿光路依次设置的全光纤保偏锁模振荡器、第一级保偏光纤预放大器、第二级保偏光纤主放大器、第三级保偏光纤主放大器和固体行波放大器；全光纤保偏锁模振荡器用于产生皮秒锁模种子激光；依次放大；固体行波放大器用于放大第三级放大光，产生高重复频率、高平均功率放大激光。全光纤保偏锁模种子源具有体积小，成本低、稳定性好和偏振特性好等特点，固体行波放大器在双程放大中实现了信号光四次通过增益介质的皮秒脉冲放大，利用了增益介质的上能级反转粒子数，提高放大效率。实现高重复频率、高功率、高光束质量等特点的皮秒窄脉冲激光输出。

Description

高效率光纤固体相结合皮秒激光行波放大器

技术领域

本实用新型涉及激光技术领域，具体涉及一种高效率光纤固体相结合皮秒激光行波放大器。

背景技术

近些年实验发现，皮秒激光脉冲宽度短，可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，因此皮秒脉冲激光在对产业材料进行高质量微加工时更具有优势，皮秒脉冲激光进行微加工时也可以达到较高的精度和单位脉冲切除率。光纤激光器的优点在于光束质量好，并且通过锁模技术可以获得很窄的脉冲宽度，缺点在于提高峰值功率时光纤极易损坏。固体激光器可以承受非常高的峰值功率，但是固体激光器输出的脉冲宽度一般为十几到几十纳秒，直接获得亚纳秒甚至皮秒脉冲比较复杂，很难通过缩短脉冲宽度来提高激光脉冲的峰值功率。结合上述两种激光器优势的光纤固体相结合皮秒激光行波放大器，可以通过对光束质量的有效控制获得高功率高光束质量的激光放大系统。并且采用全保偏光纤具有极强的抗环境干扰能力，有利于提高系统的长期稳定性。

侧面泵浦的行波放大器会产生较强的热透镜效应，引起热退偏、热至双折射等现象，造成激光器光束质量恶化，也会限制放大器的最佳输出功率。本专利中固体行波放大器采用LD直接端面泵浦技术，在双通放大中实现了信号光四次通过Nd:YVO₄晶体的皮秒脉冲放大，与传统的双程放大相比更加有效利用了增益介质的上能级反转粒子数，提高了放大效率。与侧面泵浦激光器相比，LD直接端面泵浦激光器可以减小晶体热透镜效应，具有更高的光束质量。此外，在高功率抽运条件下，由于抽运光集中在激光增益介质很小的体积内，会形成强烈的热透镜效应，热透镜的球差效应会严重影响输出光的光束质量，尤其是在双通放大器中。因此，本专利在固体行波放大器中引入了球差补偿，将反射镜放置在激光放大器的焦点处，使得单通出来的激光几乎以相同的光分布返回到放大器中。这样，热透镜的球差效应引起的光束质量恶化，将完全由增益介质本身来补偿。

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高效率光纤固体相结合皮秒激光行波放大器。

为实现上述目的，本实用新型提供一种高效率光纤固体相结合皮秒激光行波放大器，包括沿光路依次设置的全光纤保偏锁模振荡器(1)、第一级保偏光纤预放大器(2)、第二级保偏光主纤放大器(3)、第三级保偏光纤主放大器(4)和固体行波放大器(5)；

所述全光纤保偏锁模振荡器用于产生锁模种子激光；所述第一级保偏光纤预放大器用于放大锁模种子激光；所述第二级保偏光纤主放大器用于放大第一级放大光；所述第三级保偏光纤主放大器用于放大第二级放大光；所述固体行波放大器用于将第三级放大光功率放大产生高功率空间放大光。

进一步的，所述全光纤保偏锁模振荡器(1)包括沿光路设置的保偏光纤布拉格光栅(6)、第一保偏波分复用器(8)、第一保偏增益光纤(9)、保偏分束器(10)和半导体可饱和吸收镜(11)，以及泵浦激光器A(7)；

所述保偏光纤布拉格光栅(6)用于反射信号光，构成光学谐振腔；

所述泵浦激光器A(7)用于提供泵浦源；

所述第一保偏增益光纤(9)用于放大腔内信号光；

所述保偏分束器(10)用于输出种子激光。

所述半导体可饱和吸收镜(11)用于产生锁模脉冲信号，且构成光学谐振腔；

进一步的，所述第一级保偏光纤预放大器(2)：包括沿光路设置的泵浦激光器B(12)、第二保偏波分复用器(13)、第二保偏增益光纤(14)和第一保偏隔离器(15)；

所述泵浦激光器B(12)用于提供泵浦光；

所述第二保偏波分复用器(13)用于将泵浦光耦合进入第二保偏增益光纤(14)；

所述第二保偏增益光纤(14)用于对信号光功率放大；

所述第一保偏隔离器(15)用于隔离后项传输的激光。

进一步的，所述第二级保偏光纤主放大器(3)包括沿光路设置的泵浦激光器C(16)、第一保偏合束器(17)、第三保偏增益光纤(18)和第二保偏隔离器(19)；

所述泵浦激光器C(16)用于提供泵浦光；

所述第一保偏合束器(17)用于将泵浦光耦合进第三保偏增益光纤(18)；

所述第二保偏隔离器(19)用于隔离后项传输的激光。

进一步的，所述第三级保偏光纤主放大器(4)包括沿光路设置的泵浦激光器D(20)、第二保偏合束器(21)、第四保偏增益光纤(22)和光纤准直器(23)；

所述泵浦激光器D(20)用于提供泵浦光；

所述第二保偏合束器(21)用于将泵浦光耦合进第四保偏增益光纤(22)；

所述光纤准直器(23)用于准直光纤输出的信号光，输出类平行光束。

进一步的，所述种子注入系统(24)包括沿光路设置的λ/2波片A(26)、空间隔离器(27)、透镜A(28)、透镜B(29)、偏振片A(30)、法拉第旋光器(32)、λ/2波片B(33)、偏振片B(34)、λ/4波片(35)和第一全反镜 (36)；

所述λ/2波片A(26)用于旋转种子激光的偏振态，使信号光能够通过空间隔离器(27)中的起偏器；

所述空间隔离器(27)用于过滤信号光其他偏振态，只输出P光，且隔离后向传输的放大光；

所述透镜A(28)、透镜B(29)用于缩小信号光光斑直径；

所述偏振片A(30)、法拉第旋光器(32)和λ/2波片B(33)组成输出系统，用于输出已经被放大了的信号光；

所述偏振片B(34)用于反射S偏振态的信号光；

所述λ/4波片(35)用于将P偏振态的信号光旋转成S偏振态；

所述第一全反镜(36)用于反射信号光。

进一步的，行波放大系统(25)包括沿光路设置得第二全反镜(37)、Nd： YVO₄晶体(38)、注入镜(39)、透镜C(40)、透镜D(41)、泵浦激光器E (42)和第三全反镜(43)；

所述第二全反镜(37)用于将信号光导入晶体，且与晶体轴向成一定夹角；

所述Nd：YVO₄晶体(38)用于放大信号光；

所述注入镜(39)用于反射信号光，注入泵浦光；

所述透镜C(40)、透镜D(41)用于将泵浦光汇聚到晶体中心位置，与信号光相匹配；

所述泵浦激光器E(42)用于提供泵浦光；

所述第三全反镜(43)用于反射信号光，且补偿热透镜效应引起的球差。

优选的，所述行波放大系统(25)中，信号光四次通过Nd：YVO₄晶体，且都是S偏振态。

在上述技术方案中，本实用新型实施例提供的高效率光纤固体相结合皮秒激光行波放大器，与现有技术相比具有以下优点：

1、光纤固体相结合皮秒激光行波放大器结合了光纤激光器与固体激光器的优点，通过对光束质量的有效控制获得高功率高光束质量的激光放大系统。并且光纤振荡器以及三级的光纤预放大器均采用全保偏光纤器件，具有极好的偏振输出特性，极强的抗环境干扰能力，有利于提高系统的长期稳定性。

2、固体行波放大器采用LD直接端面泵浦技术，在双通放大中实现了信号光四次通过Nd:YVO₄晶体的皮秒脉冲放大，信号光始终以S偏振态在晶体中被放大与现有传统的双程放大相比更加有效利用了增益介质的上能级反转粒子数，提高了放大效率。

3、在高功率抽运条件下，由于抽运光集中在激光增益介质很小的体积内，会形成强烈的热透镜效应，热透镜的球差效应会严重影响输出光的光束质量，尤其是在双通放大器中。因此，本专利在固体行波放大器中引入了球差补偿，将反射镜放置在激光放大器的焦点处，那么单通出来的激光几乎以相同的光分布返回到放大器中。这样，热透镜的球差效应引起的光束质量恶化，将完全由增益介质本身来补偿。

附图说明

图1为本实用新型一种高效率光纤固体相结合皮秒激光行波放大器的主视图；

图2为本实用新型一种高效率光纤固体相结合皮秒激光行波放大器全光纤保偏种子源内部结构示意图；

图3本实用新型一种高效率光纤固体相结合皮秒激光行波放大器的固体行波放大器结构示意图；

图中：1、全光纤保偏锁模振荡器；2、第一级保偏光纤预放大器；3、第二级保偏高线主放大器；4、第三级保偏光纤主放大器；5、固体行波放大器； 6、保偏光纤布拉格光栅；7、泵浦激光器A；8、第一保偏波分复用器；9、第一保偏增益光纤；10、保偏分束器；11、半导体可饱和吸收镜；12、泵浦激光器B；13、第二保偏波分复用器；14、第二保偏增益光纤；15第一保偏隔离器；16、泵浦激光器C；17、第一保偏合束器；18、第三保偏增益光纤；19、第二保偏隔离器；20、泵浦激光器D；21、第二保偏合束器；22、第四保偏增益光纤；23、光纤准直器；24、种子注入系统；25、行波放大系统；26、λ/2 波片A；27、空间隔离器；28、透镜A；29、透镜B；30、偏振片A；31、信号光输出端；32、法拉第旋光器；33、λ/2波片B；34、偏振片B；35、λ/4波片； 36、第一全反镜；37、第二全反镜；38、Nd：YVO₄晶体；39、注入镜；40、透镜C；41、透镜D；42、泵浦激光器E；43、第三全反镜。

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行波放大器。

如图1所示，所述光纤固体结合皮秒激光行波放大器包括沿光路设置的全光纤保偏锁模振荡器(1)、第一级保偏光纤预放大器(2)、第二级保偏光纤主放大器(3)、第三级保偏光纤主放大器(4)、固体行波放大器(5)。全光纤保偏锁模振荡器(1)用于产生锁模脉冲信号光；第一级保偏光纤预放大器(2)、第二级保偏光纤主放大器(3)和第三级保偏光纤主放大器(4)用于放大信号光；固体行波放大器(5)中使用种子注入系统(24)将种子光注入到行波放大系统(25)中，实现四次通过晶体的双程放大，得到高平均功率的皮秒激光。

如图2所示，全光纤保偏锁模振荡器(1)包括沿光路设置的保偏光纤布拉格光栅(6)、第一保偏波分复用器(8)、第一保偏增益光纤(9)、保偏分束器(10)和半导体可饱和吸收镜(11)，以及泵浦激光器A(7)。保偏光纤布拉格光栅(6)和半导体可饱和吸收镜(11)用于反射信号光，构成光学谐振腔；第一保偏波分复用器(8)将泵浦激光器A(7)提供的泵浦光耦合进入第一保偏增益光纤(9)；、保偏分束器(10)将腔内激光分为两束，其中一束作为输出端。

第一级保偏光纤预放大器(2)泵浦激光器B(12)、第二保偏波分复用器(13)、第二保偏增益光纤(14)和第一保偏隔离器(15)。

第二级保偏光纤主放大器(3)包括沿光路设置的泵浦激光器C(16)、第一保偏合束器(17)、第三保偏增益光纤(18)和第二保偏隔离器(19)；第三级保偏光纤主放大器(4)包括沿光路设置的泵浦激光器D(20)、第二保偏合束器(21)、第四保偏增益光纤(22)和光纤准直器(23)。经过两级的主放之后，信号光功率较大，为了保护前级的稳定性，在第二级保偏光纤主放大器(3)后端加入了第二保偏隔离器(19)；光纤准直器(23)用于准直光纤输出的信号光，输出类平行光束。

如图3所示，种子注入系统(24)包括沿光路设置的λ/2波片A(26)、空间隔离器(27)、透镜A(28)、透镜B(29)、偏振片A(30)、法拉第旋光器(32)、λ/2波片B(33)、偏振片B(34)、λ/4波片(35)和第一全反镜 (36)。λ/2波片A(26)用于将种子激光的偏振态旋转成与P光成45°夹角，这样才能通过后面的空间隔离器(27)的起偏器，当信号光从空间隔离器(27)检偏器输出时，信号光被旋转成P光，并且空间隔离器(27)能够隔离后向传输的信号光，保证种子源的稳定和光纤器件的安全；透镜A(28)和透镜B (29)组成的缩束系统，缩小信号光光斑直径，使信号光在晶体处与泵浦光匹配；偏振片A(30)、法拉第旋光器(32)和λ/2波片B(33)组成输出系统，用于输出已经被放大了的信号光；偏振片B(34)、λ/4波片(35)和第一全反镜(36)用来控制信号光的偏振态，从而控制信号光通过Nd：YVO₄晶体(38)的次数，当信号光两次经过λ/4波片(35)后变为S光，被反射进入Nd：YVO₄晶体(38)，当信号光四次通过Nd：YVO₄晶体(38)后，偏振态被旋转成P光，通过偏振片B(34)传输到输出系统。

行波放大系统(25)包括沿光路设置的第二全反镜(37)、Nd：YVO₄晶体(38)、注入镜(39)、透镜C(40)、透镜D(41)、泵浦激光器E(42)和第三全反镜(43)。第二全反镜(37)用于将信号光导入晶体，且与晶体轴向成一定夹角，这样信号光与泵浦光不同轴，既能抑制自激振荡，又能提高泵浦利用率，而且是四次通过Nd：YVO₄晶体(38)关键；Nd：YVO₄晶体(38) 左侧端面有切角，较小的晶体尺寸有利于散热，也是四次通过Nd：YVO₄晶体(38)所带来的优势，通过晶体的次数增加即变相增长了晶体长度，相比传统双程放大更具有优势；注入镜(39)用于反射信号光，注入泵浦光；透镜C(40)、透镜D(41)组成泵浦耦合系统，用于将泵浦光汇聚到晶体中心位置，与信号光相匹配；第三全反镜(43)用于反射信号光，且第三全反镜 (43)要放置在热透镜的焦点处，这样才能补偿多次经过晶体时热透镜效应引起的球差。

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)

1.一种高效率光纤固体相结合皮秒激光行波放大器，其特征在于，包括沿光路依次设置的全光纤保偏锁模振荡器(1)、第一级保偏光纤预放大器(2)、第二级保偏光纤主放大器(3)、第三级保偏光纤主放大器(4)和固体行波放大器(5)；

所述全光纤保偏锁模振荡器(1)用于产生皮秒锁模种子激光；所述第一级保偏光纤预放大器(2)用于放大皮秒锁模种子激光产生第一级放大激光；所述第二级保偏光纤主放大器(3)用于放大第一级放大激光产生第二级放大激光；所述第三级保偏光纤主放大器(4)用于放大第二级放大激光产生第三级放大激光；所述固体行波放大器(5)用于放大第三级放大激光产生高重频高功率的放大激光。

2.根据权利要求1所述的高效率光纤固体相结合皮秒激光行波放大器，其特征在于：所述全光纤保偏锁模振荡器(1)包括沿光路设置的保偏光纤布拉格光栅(6)、泵浦激光器A(7)、第一保偏波分复用器(8)、第一保偏增益光纤(9)、保偏分束器(10)和半导体可饱和吸收镜(11)；

所述保偏光纤布拉格光栅(6)、所述第一保偏波分复用器(8)、所述第一保偏增益光纤(9)、所述保偏分束器(10)和所述半导体可饱和吸收镜(11)构成所述全光纤保偏锁模振荡器(1)的线性腔结构，用于产生所述皮秒锁模种子激光；

所述泵浦激光器A(7)与所述第一保偏波分复用器(8)相连，用于为所述全光纤保偏锁模振荡器(1)提供泵浦光。

3.根据权利要求1所述的高效率光纤固体相结合皮秒激光行波放大器，其特征在于：所述第一级保偏光纤预放大器(2)包括沿光路设置的泵浦激光器B(12)、第二保偏波分复用器(13)、第二保偏增益光纤(14)和第一保偏隔离器(15)；

所述泵浦激光器B(12)用于提供泵浦光；

所述第二保偏波分复用器(13)用于将泵浦光耦合进第三保偏增益光纤(18)；

所述第二保偏增益光纤(14)用于放大信号光功率；

所述第一保偏隔离器(15)用于隔离后项传输的激光。

4.根据权利要求1所述的高效率光纤固体相结合皮秒激光行波放大器，其特征在于：所述第二级保偏光纤主放大器(3)包括沿光路设置的泵浦激光器C(16)、第一保偏合束器(17)、第三保偏增益光纤(18)和第二保偏隔离器(19)；

所述泵浦激光器C(16)用于提供泵浦光；

所述第一保偏合束器(17)用于将泵浦光耦合进第三保偏增益光纤(18)；

所述第三保偏增益光纤(18)用于放大信号光功率；

所述第二保偏隔离器(19)用于隔离后项传输的激光。

5.根据权利要求1所述的高效率光纤固体相结合皮秒激光行波放大器，其特征在于：所述第三级保偏光纤主放大器(4)包括沿光路设置的泵浦激光器D(20)、第二保偏合束器(21)、第四保偏增益光纤(22)和光纤准直器(23)；

所述泵浦激光器D(20)用于提供泵浦光；

所述第二保偏合束器(21)用于将泵浦光耦合进第四保偏增益光纤(22)；

所述光纤准直器(23)用于准直光纤输出的信号光，输出类平行光束。

6.根据权利要求5所述的高效率光纤固体相结合皮秒激光行波放大器，其特征在于：所述信号光4次通过增益晶体，且都为S偏振态；

所述信号光光轴与增益晶体轴向有夹角；

所述信号光与泵浦光在增益晶体中心处匹配。

7.根据权利要求1所述的高效率光纤固体相结合皮秒激光行波放大器，其特征在于：所述固体行波放大器(5)包括种子注入系统(24)和行波放大系统(25)；

所述种子注入系统(24)包括沿光路设置的λ/2波片A(26)、空间隔离器(27)、透镜A(28)、透镜B(29)、偏振片A(30)、法拉第旋光器(32)、λ/2波片B(33)、偏振片B(34)、λ/4波片(35)和第一全反镜(36)；

所述行波放大系统(25)包括沿光路设置的第二全反镜(37)、增益晶体、注入镜(39)、透镜C(40)、透镜D(41)、泵浦激光器E(42)和第三全反镜(43)。

8.根据权利要求7所述的高效率光纤固体相结合皮秒激光行波放大器，其特征在于：所述偏振片A(30)、法拉第旋光器(32)、λ/2波片B(33)用于输出被行波放大器放大后的激光，激光在输出端(31)处被导出种子注入系统(24)。

9.根据权利要求7所述的高效率光纤固体相结合皮秒激光行波放大器，其特征在于：所述注入镜(39)用于注入泵浦激光器E(42)所输出泵浦激光，并反射经过了一次和三次增益晶体的信号光，使信号光第二次、第四次经过增益晶体；

所述第三全反镜(43)用于反射经过了二次增益晶体的信号光，使信号光第三次经过增益晶体；

所述第三全反镜(43)放置增益晶体产生热透镜的焦点处，使得双通出来的激光以相同的光分布返回到增益晶体中，从而补偿第一次和第二次经过晶体时产生的球差。

10.根据权利要求1所述的高效率光纤固体相结合皮秒激光行波放大器，其特征在于：所述光纤种子源使用全保偏种子源，或者使用非保偏种子源；

所述固体行波放大器(5)使用Nd：YVO₄晶体作为增益晶体，或者使用Nd：YAG晶体作为增益晶体。