CN211088739U - 一种飞秒激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供的飞秒激光器，自锁模光纤振荡器产生并输出飞秒种子脉冲激光束，展宽器‑压缩器展宽所述的飞秒种子脉冲激光束的持续时间，放大器接收从展宽器‑压缩器展宽的飞秒种子脉冲激光束并对经展宽后的飞秒种子脉冲激光束的幅度进行放大，放大后的展宽脉冲激光束返回至展宽器‑压缩器，展宽器‑压缩器接收放大的展宽脉冲激光束并压缩放大的展宽脉冲激光束的持续时间并输出，经压缩的展宽脉冲激光束经过带通滤波器整形后返回至放大器并输出脉冲飞秒脉冲激光束，本实用新型提供的飞秒激光器具有特殊腔体结构和自锁模光纤振荡器作为飞秒脉冲种子源，对飞秒脉冲激光束选取和整形，得到应用重复频率范围大高稳定低噪声无抖动的待放大飞秒脉冲。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光光学技术领域，特别涉及一种飞秒激光器。
背景技术
最初的光学频率梳是基于钛宝石固态飞秒激光器的系统，钛宝石飞秒激光器具有噪声低和能够产生高重复频率梳齿等优点，但是其系统庞大、维护费用高，并且系统环境适应能力差，不能满足各种应用领域的需求。近年来，随着光纤激光技术的进步，基于超短脉冲光纤激光器构建的光学频率梳系统由于具有紧凑化结构、较高的转化效率以及长期稳定运转等特性，被广泛应用于众多应用研究领域，其中以光纤飞秒激光器的应用研究最为典型。光纤飞秒激光器中通常使用的锁模技术包括可饱和吸收体锁模、非线性偏振旋转锁模和非线性光纤放大环形镜锁模等，这些锁模技术对输出锁模脉冲特性和激光器系统参数具有极大的影响。
光纤激光以高效率、易集成、优异的光束质量等特性在激光技术发展中迅速崛起，成为学术界和产业界的热点研究课题。飞秒光纤激光技术的多领域应用与潜在发展，对激光器输出性能也提出了更高要求，需要兼具高激光功率与高可靠性等特性。现有激光器存在输出平均功率、峰值功率低，锁模阈值高、脉冲宽、性能稳定性较低或结构复杂、体积庞大不利于实际应用等不足是研究人员所关注的重要研究内容。
实用新型内容
有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种能够实现高平均功率与高峰值功率全光纤飞秒激光输出，同时也保证了装置的结构紧凑性与环境稳定性的飞秒激光器。
为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：
一种飞秒激光器，包括：自锁模光纤振荡器、放大器、展宽器-压缩器及带通滤波器；其中：
所述的自锁模光纤振荡器产生并输出飞秒种子脉冲激光束，所述的展宽器-压缩器展宽所述的飞秒种子脉冲激光束地持续时间，降低峰值功率；
所述的放大器接收从所述的展宽器-压缩器展宽的飞秒种子脉冲激光束并对经展宽后的飞秒种子脉冲激光束的幅度进行放大，放大后的展宽脉冲激光束返回至所述的展宽器-压缩器，所述的展宽器-压缩器接收放大的展宽脉冲激光束并压缩所述放大的展宽脉冲激光束的持续时间并输出；
经压缩的所述展宽脉冲激光束经过所述带通滤波器整形后返回至所述放大器并输出飞秒脉冲激光束。
在一些较佳的实施例中，所述的自锁模光纤振荡器为二极管泵浦光纤振荡器。
在一些较佳的实施例中，所述放大器包括泵浦模块和第一保偏光纤，所述第一保偏光纤接收并展宽飞秒种子脉冲激光束，所述的泵浦模块放大经展宽后的飞秒种子脉冲激光束。
在一些较佳的实施例中，所述第一保偏光纤为保偏光子晶体光纤，所述保偏光子晶体光纤长度为10～20cm，模场直径为4.2μm。
在一些较佳的实施例中，所述展宽器-压缩器包括啁啾体布拉格光栅及激光反射镜，所述泵浦模块和所述啁啾体布拉格光栅通过所述第一保偏光纤连接，所述激光反射镜可将飞秒种子脉冲激光束的持续时间压缩至少于1000飞秒并返回至所述啁啾体布拉格光栅后输出。
在一些较佳的实施例中，所述激光反射镜为平面反射镜。
在一些较佳的实施例中，所述啁啾体布拉格光栅对引入飞秒种子脉冲激光束的色散进行补偿，通过调节所述激光反射镜与所述啁啾体布拉格光栅之间的距离以调整飞秒种子脉冲激光束色散的大小，使得输出的飞秒种子脉冲激光束脉冲的脉宽可被压缩至最短。
在一些较佳的实施例中，所述带通滤波器包括依次熔融拼接的偏振隔离器、第二保偏光纤、非线性偏振器和偏振控制器，所述啁啾体布拉格光栅和所述偏振隔离器通过所述第二保偏光纤连接，所述偏振隔离器、所述非线性偏振器和所述偏振控制器通过所述第二保偏光纤依次无缝熔接构成全光纤环腔。
在一些较佳的实施例中，所述偏振隔离器、第二保偏光纤、非线性偏振器和偏振控制器的光纤模场直径均为6.2μm，所述偏振隔离器、所述非线性偏振器和所述偏振控制器的偏振光轴分别按30°角与所述第二保偏光纤的偏振光轴无缝熔接。
在一些较佳的实施例中，所述偏振控制器为两个，其中一所述偏振控制器位于所述啁啾体布拉格光栅与所述偏振隔离器之间，其两端分别与所述啁啾体布拉格光栅与所述偏振隔离器相连；另一所述偏振控制器位于所述非线性偏振器与所述泵浦模块之间，其两端分别与所述非线性偏振器与所述泵浦模块相连。
本实用新型采用上述技术方案的优点是：
本实用新型提供的飞秒激光器，包括：自锁模光纤振荡器、放大器、展宽器-压缩器及带通滤波器，所述的自锁模光纤振荡器产生并输出飞秒种子脉冲激光束，所述的展宽器-压缩器展宽所述的飞秒种子脉冲激光束地持续时间，降低峰值功率，所述的放大器接收从所述的展宽器-压缩器展宽的飞秒种子脉冲激光束并对经展宽后的飞秒种子脉冲激光束的幅度进行放大，放大后的展宽脉冲激光束返回至所述的展宽器-压缩器，所述的展宽器-压缩器接收放大的展宽脉冲激光束并压缩所述放大的展宽脉冲激光束的持续时间并输出，经压缩的所述展宽脉冲激光束经过所述带通滤波器整形后返回至所述放大器并输出脉冲飞秒脉冲激光束，本实用新型提供的飞秒激光器具有特殊腔体结构和自锁模光纤振荡器作为飞秒脉冲种子源，对飞秒脉冲激光束选取和整形，无需光路机械调整，得到应用重复频率范围大、高稳定、低噪声、无抖动的待放大飞秒脉冲。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本实用新型提供的飞秒激光器的结构示意图。
图2为本实用新型提供的飞秒激光器的激光束生成方法的步骤流程图。
其中：1为自锁模光纤振荡器、2为泵浦模块、3为第一保偏光纤、4为啁啾体布拉格光栅、5为偏振隔离器、6为第二保偏光纤、7为非线性偏振器、8为偏振控制器。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例一
请参阅图1，为本实用新型提供的一种飞秒激光器的结构示意图，包括：自锁模光纤振荡器1、放大器、展宽器-压缩器及带通滤波器。
本实用新型提供的飞秒激光器其工作原理如下：
所述的自锁模光纤振荡器1产生并输出飞秒种子脉冲激光束，所述的展宽器-压缩器展宽所述的飞秒种子脉冲激光束的持续时间，降低峰值功率；所述的放大器接收从所述的展宽器-压缩器展宽的飞秒种子脉冲激光束并对经展宽后的飞秒种子脉冲激光束的幅度进行放大，放大后的展宽脉冲激光束返回至所述的展宽器-压缩器，所述的展宽器-压缩器接收放大的展宽脉冲激光束并压缩所述放大的展宽脉冲激光束的持续时间并输出；经压缩的所述展宽脉冲激光束经过所述带通滤波器整形后返回至所述放大器并输出脉冲飞秒脉冲激光束。
在一些较佳的实施例中，所述的自锁模光纤振荡器1为二极管泵浦光纤振荡器，二极管泵浦光纤振荡器产生并输出飞秒种子脉冲激光束。
请再参阅图1，所述放大器包括泵浦模块2和第一保偏光纤3。所述第一保偏光纤3为保偏光子晶体光纤，所述保偏光子晶体光纤长度为10～20cm，模场直径为4.2μm。
可以理解，本实用新型采用以种子/泵浦光纤耦合器，具有光纤输出的泵浦模块2和第一保偏光纤3组成的放大器，通过外泵浦光的作用，在光纤内形成高功率密度，从纤芯输出激光，对种子飞秒脉冲进行高增益，无畸变放大。
具体地，所述的第一保偏光纤3接收从所述的展宽器-压缩器展宽的飞秒种子脉冲激光束，所述的泵浦模块2放大所选的展宽种子脉冲的幅度并输出放大的展宽脉冲激光束返回至所述的展宽器-压缩器，所述的展宽器-压缩器压缩返回的脉冲激光束的持续时间并输出飞秒脉冲激光束，从而实现脉冲功率的放大，提高了飞秒脉冲激光器输出的脉冲激光的平均功率，其具有高的泵浦吸收效率，在具有大模场直径的同时保持单模输出，减小非线性效果，使得输出激光保持高光束质量。
请再参阅图1，所述展宽器-压缩器包括啁啾体布拉格光栅4及激光反射镜9，所述泵浦模块2和所述啁啾体布拉格光栅4通过所述第一保偏光纤3连接，所述激光反射镜可将飞秒种子脉冲激光束的持续时间压缩至少于1000飞秒并返回至所述啁啾体布拉格光栅4后输出。
在一些较佳的实施例中，所述的激光反射镜为平面反射镜，所述平面反射镜可用于入射光的导入和出射光的导出，结构简单。
进一步地，啁啾体布拉格光栅4先对入射的飞秒种子脉冲激光束的色散进行补偿，通过调节平面反射镜与啁啾体布拉格光栅4之间的距离，可以调整补偿色散的大小，输出脉冲的脉宽可被压缩至最短，从而实现飞秒脉冲激光器低重频、高能量、高峰值功率的飞秒脉冲激光输出；然后对自锁模光纤振荡器1输出种子脉冲激光束展宽，降低其峰值功率。
进一步地，所述泵浦模块2和所述啁啾体布拉格光栅4通过所述第一保偏光纤3连接，采用一段较长的全保偏光纤，不附加任何光学器件即可实现种子脉冲激光的展宽，采用保偏光纤实现脉冲展宽，可有效降低飞秒脉冲激光器的调节难度，简化飞秒脉冲激光器的结构，缩小激光器体积，减少空间光器件的使用，提高飞秒脉冲激光器的长期稳定性，有利于实现批量产品化。
请再参阅图1，所述带通滤波器包括依次熔融拼接的偏振隔离器5、第二保偏光纤6、非线性偏振器7和偏振控制器8，所述啁啾体布拉格光栅4和所述偏振隔离器5通过所述第二保偏光纤6连接，所述偏振隔离器5、所述非线性偏振器7和所述偏振控制器8通过所述第二保偏光纤6依次无缝熔接构成全光纤环腔。
进一步地，所述偏振隔离器5、第二保偏光纤6、非线性偏振器7和偏振控制器8的光纤模场直径均为6.2μm；偏振隔离器5、非线性偏振器7和偏振控制器8的偏振光轴分别按30°角与第二保偏光纤6的偏振光轴无缝熔接，从而可实现高平均功率与高峰值功率飞秒输出，显著提升锁模激光输出平均功率与峰值功率，有效降低锁模阈值，保证获取高光束质量的飞秒脉冲。
可以理解，本实用新型提供的带通滤波器采用全光纤环腔替代传统激光器中的腔镜，构成谐振腔，无需后期调整和维护光路，对环境变化有很强的抗干扰能力，提高了系统的稳定性。
在一些较佳的实施例中，所述偏振控制器8为两个，其中一所述偏振控制器8位于所述啁啾体布拉格光栅4与所述偏振隔离器5之间，其两端分别与所述啁啾体布拉格光栅4与所述偏振隔离器5相连；另一所述偏振控制器8位于所述非线性偏振器7与所述泵浦模块2之间，其两端分别与所述非线性偏振器7与所述泵浦模块2相连。
可以理解，本实用新型采用自锁模光纤振荡器1和两个偏振控制器8，实现了整个飞秒激光器可以自锁模且稳定运转。
本实用新型提供的飞秒激光器，具有特殊腔体结构和自锁模光纤振荡器作为飞秒脉冲种子源，对飞秒脉冲激光束选取和整形，无需光路机械调整，得到应用重复频率范围的、高稳定、低噪声、无抖动的待放大飞秒脉冲。
实施例二
请参阅图2，为本实用新型上述实施例提供的飞秒激光器的激光束生成方法，包括以下步骤：
步骤S110：所述的自锁模光纤振荡器1产生并输出飞秒种子脉冲激光束；
步骤S120：所述的啁啾体布拉格光栅4展宽所述的飞秒种子脉冲激光束的持续时间，降低峰值功率；
步骤S130：所述的第一保偏光纤3接收从所述的啁啾体布拉格光栅4展宽的飞秒种子脉冲激光束并对经展宽后的飞秒种子脉冲激光束的幅度进行放大，放大后的展宽脉冲激光束返回至所述的啁啾体布拉格光栅4；
步骤S140：所述的啁啾体布拉格光栅4接收所述的放大的展宽脉冲激光束，压缩所述的放大的展宽脉冲激光束的持续时间并输出；
优选地，压缩所述的放大的展宽脉冲激光束的持续时间至少于1000飞秒。
步骤S150：经压缩的所述展宽脉冲激光束经过偏振隔离器5、第二保偏光纤6、非线性偏振器7组成的带通滤波器整形后返回至泵浦模块2并输出飞秒脉冲激光束。
优选地，输出的脉冲持续时间小于1000飞秒。
本实用新型提供的飞秒激光器的的激光束生成方法，对飞秒脉冲激光束选取和整形，无需光路机械调整，得到应用重复频率范围的、高稳定、低噪声、无抖动的待放大飞秒脉冲。
实施例
在本实施例中，自锁模光纤振荡器1由泵浦模块2和第一保偏光纤3进行泵浦实现自锁模，输出飞秒激光束的典型波长为1030nm，脉冲宽度为500fs
-600fs，脉冲频率100kHz-200kHz，脉冲能量10μJ-30μJ，光束直径3±1μm，光束质量M2<1.2；
经啁啾体布拉格光栅4后经压缩的脉冲激光束经过偏振隔离器5、第二保偏光纤6、非线性偏振器7组成的带通滤波器整形后返回至泵浦模块2并输出脉冲频率200KHZ、脉宽600fs的激光输出，单脉冲能量为30uJ，光束直径3±1μm，光束质量M2<1.2，持续时间小于1000飞秒。
当然本实用新型的飞秒激光器还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本实用新型的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。
Claims (10)
1.一种飞秒激光器，其特征在于，包括：自锁模光纤振荡器、放大器、展宽器-压缩器及带通滤波器；其中：
所述的自锁模光纤振荡器产生并输出飞秒种子脉冲激光束，所述的展宽器-压缩器展宽所述的飞秒种子脉冲激光束的持续时间，降低峰值功率；
所述的放大器接收从所述的展宽器-压缩器展宽的飞秒种子脉冲激光束并对经展宽后的飞秒种子脉冲激光束的幅度进行放大，放大后的展宽脉冲激光束返回至所述的展宽器-压缩器，所述的展宽器-压缩器接收放大的展宽脉冲激光束并压缩所述放大的展宽脉冲激光束的持续时间并输出；
经压缩的所述展宽脉冲激光束经过所述带通滤波器整形后返回至所述放大器并输出飞秒脉冲激光束。
2.如权利要求1所述的一种飞秒激光器，其特征在于，所述的自锁模光纤振荡器为二极管泵浦光纤振荡器。
3.如权利要求1所述的一种飞秒激光器，其特征在于，所述放大器包括泵浦模块和第一保偏光纤，所述第一保偏光纤接收并展宽飞秒种子脉冲激光束，所述的泵浦模块放大经展宽后的飞秒种子脉冲激光束。
4.如权利要求3所述的一种飞秒激光器，其特征在于，所述第一保偏光纤为保偏光子晶体光纤，所述保偏光子晶体光纤长度为10～20cm，模场直径为4.2μm。
5.如权利要求4所述的一种飞秒激光器，其特征在于，所述展宽器-压缩器包括啁啾体布拉格光栅及激光反射镜，所述泵浦模块和所述啁啾体布拉格光栅通过所述第一保偏光纤连接，所述激光反射镜可将飞秒种子脉冲激光束的持续时间压缩至少于1000飞秒并返回至所述啁啾体布拉格光栅后输出。
6.如权利要求5所述的一种飞秒激光器，其特征在于，所述激光反射镜为平面反射镜。
7.如权利要求6所述的一种飞秒激光器，其特征在于，所述啁啾体布拉格光栅对引入飞秒种子脉冲激光束的色散进行补偿，通过调节所述激光反射镜与所述啁啾体布拉格光栅之间的距离以调整飞秒种子脉冲激光束色散的大小，使得输出的飞秒种子脉冲激光束脉冲的脉宽可被压缩至最短。
8.如权利要求7所述的一种飞秒激光器，其特征在于，所述带通滤波器包括依次熔融拼接的偏振隔离器、第二保偏光纤、非线性偏振器和偏振控制器，所述啁啾体布拉格光栅和所述偏振隔离器通过所述第二保偏光纤连接，所述偏振隔离器、所述非线性偏振器和所述偏振控制器通过所述第二保偏光纤依次无缝熔接构成全光纤环腔。
9.如权利要求8所述的一种飞秒激光器，其特征在于，所述偏振隔离器、第二保偏光纤、非线性偏振器和偏振控制器的光纤模场直径均为6.2μm，所述偏振隔离器、所述非线性偏振器和所述偏振控制器的偏振光轴分别按30°角与所述第二保偏光纤的偏振光轴无缝熔接。
10.如权利要求9所述的一种飞秒激光器，其特征在于，所述偏振控制器为两个，其中一所述偏振控制器位于所述啁啾体布拉格光栅与所述偏振隔离器之间，其两端分别与所述啁啾体布拉格光栅与所述偏振隔离器相连；另一所述偏振控制器位于所述非线性偏振器与所述泵浦模块之间，其两端分别与所述非线性偏振器与所述泵浦模块相连。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN110970790A (zh) * | 2019-12-25 | 2020-04-07 | 季华实验室 | 一种飞秒激光器 |
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2019
- 2019-12-25 CN CN201922393378.3U patent/CN211088739U/zh active Active
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| CN110970790A (zh) * | 2019-12-25 | 2020-04-07 | 季华实验室 | 一种飞秒激光器 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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