CN212033421U

CN212033421U - 一种倍频脉冲激光器

Info

Publication number: CN212033421U
Application number: CN202021053854.3U
Authority: CN
Inventors: 杨松
Original assignee: Shanghai Hanyu Optical Fiber Communication Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Hanyu Optical Fiber Communication Technology Co ltd
Priority date: 2020-06-09
Filing date: 2020-06-09
Publication date: 2020-11-27
Anticipated expiration: 2030-06-09

Abstract

本实用新型实施例公开了一种倍频脉冲激光器。该倍频脉冲激光器包括种子光源、放大模块以及倍频模块；种子光源用于输出种子脉冲光束；放大模块设置于种子光源的输出端，放大模块包括至少一级光纤放大单元，光纤放大单元用于放大种子脉冲光束；倍频模块设置于放大模块的输出端，倍频模块包括三硼酸锂晶体和温度控制单元，三硼酸锂晶体用于使放大后的脉冲光束转换为二倍频脉冲光束，温度控制单元用于控制三硼酸锂晶体处于预设温度。本实用新型实施例的技术方案，以脉冲激光器为激发光源，利用光纤放大单元进行功率放大，利用三硼酸锂晶体实现倍频光输出，具有结构简单、成本低、转换效率高的优点，可以用于更多的科研与工业应用方向。

Description

一种倍频脉冲激光器

技术领域

本实用新型实施例涉及激光器技术，尤其涉及一种倍频脉冲激光器。

背景技术

非线性频率转换是一种利用非线性效应实现频率转换，产生新频率的光子的技术。当传播的光场强度(电磁场强度)较强时，非线性介质的感应极化场表现出非线性的性质，出射光和入射光不再保持简单的线性关系，电磁场之间发生能量交换，产生新频率的光场。

绿光激光器不仅在医疗、显示、存储等领域有着广泛的用途，而且在生物和材料处理等领域起着不可替代的作用，比如陶瓷、强反射金属等特殊材料的精密加工。此外，由于绿光拥有更小的光斑直径、对大多数材料有着更高的吸收率，因此在高端激光应用方面也有着广泛前景。一般产生绿光的方法是由固体半导体激光器作为泵浦光源，再结合非线性倍频技术产生二倍频绿光。然而，用这种方法产生的绿光多为连续型多模激光，光束质量不好，不能满足工业上精细加工的需求。且系统中要使用大量光学元件，结构复杂，增加了调节难度，不利于工业化大批量生产。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的是提供一种倍频脉冲激光器，该倍频脉冲激光器以脉冲激光器为激发光源，利用光纤放大单元进行功率放大，利用三硼酸锂晶体实现倍频光输出，具有结构简单、成本低、转换效率高的优点，可以用于更多的科研与工业应用方向。

本实用新型实施例提供一种倍频脉冲激光器，包括种子光源、放大模块以及倍频模块；

所述种子光源用于输出种子脉冲光束；

所述放大模块设置于所述种子光源的输出端，所述放大模块包括至少一级光纤放大单元，所述光纤放大单元用于放大所述种子脉冲光束；

所述倍频模块设置于所述放大模块的输出端，所述倍频模块包括三硼酸锂晶体和温度控制单元，所述三硼酸锂晶体用于使放大后的脉冲光束转换为二倍频脉冲光束，所述温度控制单元用于控制所述三硼酸锂晶体处于预设温度。

可选的，所述倍频模块还包括准直器、二分之一波片、第一透镜、第二透镜、二向色镜以及滤光片；

所述准直器、所述二分之一波片、所述第一透镜、所述三硼酸锂晶体、所述第二透镜、所述二向色镜和所述滤光片依次共光轴排列。

可选的，所述预设温度为151.2℃。

可选的，所述放大模块包括一级预放大光纤放大单元和二级主放大光纤放大单元。

可选的，所述一级预放大光纤放大单元为单向泵浦或者双向泵浦的第一保偏型掺镱光纤放大器，所述二级主放大光纤放大单元为单向泵浦或者双向泵浦的第二保偏型掺镱光纤放大器。

可选的，所述第一保偏型掺镱光纤放大器包括单包层掺镱光纤，所述第二保偏型掺镱光纤放大器包括双包层掺镱光纤。

可选的，还包括单向传输模块，所述单向传输模块包括第一隔离器、第二隔离器和第三隔离器；

所述第一隔离器的输入端与所述种子光源的输出端连接，输出端与所述一级预放大光纤放大单元的输入端连接；

所述第二隔离器的输入端与所述一级预放大光纤放大单元的输出端连接，输出端与所述二级主放大光纤放大单元的输入端连接；

所述第三隔离器的输入端与所述二级主放大光纤放大单元的输出端连接。

可选的，还包括包层功率剥离器，所述包层功率剥离器的输入端与所述放大模块的最后一级光纤放大单元的输出端连接。

可选的，所述种子脉冲光束为1064nm波长的保偏脉冲光束。

可选的，所述倍频脉冲激光器中所用光纤均为保偏光纤。

本实用新型实施例提供的倍频脉冲激光器，包括种子光源、放大模块以及倍频模块；种子光源用于输出种子脉冲光束；放大模块设置于种子光源的输出端，放大模块包括至少一级光纤放大单元，光纤放大单元用于放大种子脉冲光束；倍频模块设置于放大模块的输出端，倍频模块包括三硼酸锂晶体和温度控制单元，三硼酸锂晶体用于使放大后的脉冲光束转换为二倍频脉冲光束，温度控制单元用于控制三硼酸锂晶体处于预设温度。通过种子光源提供用于激发倍频晶体的种子脉冲光束，通过放大模块中的光纤放大单元放大种子脉冲光束，使脉冲光束的功率达到倍频所需的功率条件，通过三硼酸锂晶体作为倍频晶体，温度控制单元控制三硼酸锂晶体处于倍频效率最高的预设温度，实现高效率的二倍频激光输出，且该倍频脉冲激光器具有结构简单、成本低的优点。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种倍频脉冲激光器的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种倍频模块的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的放大模块的结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的另一种倍频脉冲激光器的结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的倍频脉冲激光器的放大模块输出的光谱示意图；

图6是本实用新型实施例提供的倍频脉冲激光器的输出光谱示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。需要注意的是，本实用新型实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本实用新型实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

图1所示为本实用新型实施例提供的一种倍频脉冲激光器的结构示意图。参考图1，本实施例提供的倍频脉冲激光器包括种子光源10、放大模块20以及倍频模块30；种子光源10用于输出种子脉冲光束；放大模块20设置于种子光源10的输出端，放大模块20包括至少一级光纤放大单元(图1中未示出)，光纤放大单元用于放大种子脉冲光束；倍频模块30设置于放大模块20的输出端，倍频模块30包括三硼酸锂晶体31和温度控制单元32，三硼酸锂晶体31用于使放大后的脉冲光束转换为二倍频脉冲光束，温度控制单元32用于控制三硼酸锂晶体31处于预设温度。

可以理解的是，三硼酸锂(LiB₃O₅，LBO)是一种非线性介质，光波在非线性介质中传输，本质上是电磁场与非线性介质相互作用的过程，非线性介质会产生相应的感应极化场。感应极化场的性质主要由电磁场决定。电磁场在非线性介质中传播有两种情况，即线性传播和非线性传播。两种传播方式会产生相应的感应极化场。当传播的光场强度(辐照强度)较弱时，非线性介质中产生的感应极化场是线性的，各电磁场之间，电磁场与介质之间均不会发生相互作用，传播过程中互不影响，出射光和入射光之间保持线性的关系；当传播的光场强度(电磁场强度)较强时，非线性介质的感应极化场表现出非线性的性质，出射光和入射光不再保持简单的线性关系，电磁场之间发生能量交换，产生新频率的光场。本实施例中种子光源10可以为脉冲光纤激光器，脉冲光源10通过光纤与放大模块20连接，光纤放大单元包括泵浦源、波分复用器、掺杂光纤等器件，用于对脉冲种子光束进行放大，具体实施时，可以采用单级放大或多级放大的方式实现大功率脉冲输出，相对于单级放大，多级放大可以达到更大的输出功率。另外本实施例采用脉冲激光，与连续激光相比具有更大的峰值功率，在相同的平均功率下可以达到更高的倍频效率。

本实施例的技术方案，通过种子光源提供用于激发倍频晶体的种子脉冲光束，通过放大模块中的光纤放大单元放大种子脉冲光束，使脉冲光束的功率达到倍频所需的功率条件，通过三硼酸锂晶体作为倍频晶体，温度控制单元控制三硼酸锂晶体处于倍频效率最高的预设温度，实现高效率的二倍频激光输出，且该倍频脉冲激光器具有结构简单、成本低的优点。

在上述实施例的基础上，图2所示为本实用新型实施例提供的一种倍频模块的结构示意图。参考图2，可选的，倍频模块还包括准直器33、二分之一波片34、第一透镜35、第二透镜36、二向色镜37以及滤光片38；准直器33、二分之一波片34、第一透镜35、三硼酸锂晶体31、第二透镜36、二向色镜37和滤光片38依次共光轴排列。

其中，准直器33用于准直放大模块输出的光束，提升光束质量；二分之一波片34用于调整光束的偏振态，以与三硼酸锂晶体31匹配；第一透镜35用于将光束汇聚在三硼酸锂晶体31上；第二透镜36与第一透镜35匹配，用于汇聚三硼酸锂晶体31的出射光；二向色镜37用于反射基频光，透射倍频光，本实施例中，基频光可以为种子光源出射的1064nm红外脉冲光，倍频光为532nm的绿光；滤光片38用于滤除杂光。

需要说明的是，本实施例中，准直器33、二分之一波片34、第一透镜35、三硼酸锂晶体31、第二透镜36、二向色镜37和滤光片38依次共光轴排列仅是示例性的实施例，在其他实施例中，还可以设置反射镜等器件折转光束传输方向，具体实施时可以根据实际需求设计。

图3所示为本实用新型实施例提供的一种放大模块的结构示意图。参考图3，可选的，放大模块包括一级预放大光纤放大单元21和二级主放大光纤放大单元22。

由于单级放大获取的功率可能达不到倍频所需的功率要求，通过设置放大模块包括两级光纤放大单元，一级预放大光纤放大单元21先将种子脉冲光束放大一个功率，然后二级主放大光纤放大单元22将脉冲光束放大到需求功率。在其他实施例中，放大模块可以包括更多级光纤放大单元，具体实施时可以根据实际条件选择。

可选的，一级预放大光纤放大单元为单向泵浦或者双向泵浦的第一保偏型掺镱光纤放大器，二级主放大光纤放大单元为单向泵浦或者双向泵浦的第二保偏型掺镱光纤放大器。

示例性的，继续参考图3，一级预放大光纤放大单元21为双向泵浦的第一保偏型掺镱光纤放大器，包括第一泵浦源211、第一波分复用器212、第二泵浦源213、第二波分复用器214和第一保偏型掺镱光纤215，第一泵浦源211和第二泵浦源214为第一保偏型掺镱光纤215提供双向泵浦；二级主放大光纤放大单元22为单向泵浦的第二保偏型掺镱光纤放大器，包括第三泵浦源221、第三波分复用器222和第二保偏型掺镱光纤223，在其他实施例中，第三泵浦源221还可以设置为多个。可选的，第一保偏型掺镱光纤放大器包括单包层掺镱光纤，第二保偏型掺镱光纤放大器包括双包层掺镱光纤。双包层掺镱光纤的内纤芯传输信号光(待放大的光)，内包层传输泵浦光，第三泵浦源331可以用多模激光二极管，泵浦光以斜入射方式注入到掺杂光纤的内包层，并以折线的方式反复穿越纤芯，从而导致泵浦光被纤芯中的镱离子吸收，实现高功率的激光输出。

在其他实施例中，一级预放大光纤放大单元21也可以采用单向泵浦方式，二级主放大光纤放大单元22也可以采用双向泵浦方式，本实施例对此不作限定。

图4所示为本实用新型实施例提供的另一种倍频脉冲激光器的结构示意图。参考图4，可选的，本实施例提供的倍频脉冲激光器还包括单向传输模块40，单向传输模块40包括第一隔离器41、第二隔离器42和第三隔离器43；第一隔离器41的输入端与种子光源10的输出端连接，输出端与一级预放大光纤放大单元21的输入端连接；第二隔离器42的输入端与一级预放大光纤放大单元21的输出端连接，输出端与二级主放大光纤放大单元22的输入端连接；第三隔离器43的输入端与二级主放大光纤放大单元22的输出端连接。

通过设置单向传输模块，可以保证激光的单向传输，防止光路中的接头、端面等反射光返回，影响输出激光的稳定性。

可选的，继续参考图4，该倍频脉冲激光器还包括包层功率剥离器50，包层功率剥离器50的输入端与放大模块的最后一级光纤放大单元的输出端连接。包层功率剥离器50用于滤除光纤中多余的泵浦光。

可选的，种子脉冲光束为1064nm波长的保偏脉冲光束。可选的，倍频脉冲激光器中所用光纤均为保偏光纤。可选的，预设温度为151.2℃。

具体的，在某一实施例中，采用图4所示的结构，种子光源10采用QDLASER保偏1064nm脉冲激光器，输出功率为16μW，经过第一隔离器41后输入一级预放大光纤放大单元21，一级预放大光纤放大单元21的最大输出功率为600mW。第一泵浦源211和第二泵浦源212采用974nm的半导体激光器，第一波分复用器212和第二波分复用器214为980/1064nm的波分复用器，第一保偏型掺镱光纤215为5m长度的PM-YSF-HI保偏掺镱光纤，一级预放大光纤放大单元21输出功率为200mW，脉冲经过第二隔离器42后进入第三波分复用器222，二级主放大光纤放大单元22以最大输出功率为20W、中心波长为940nm的半导体激光器为泵浦源，通过第三波分复用器222将泵浦光耦合进4m长的第二保偏型掺镱光纤223(PLMA-YDF-25/250)中。在经过包层功率剥离器50滤除多余的泵浦光后，经过第三隔离器43输出，输出1064nm脉冲激光的功率为4W@5ns，40kHz。通过采用保偏光纤，使得输出的1064nm激光的偏振态不会随着温度而改变，从而提高倍频效率和功率稳定性。示例性的，图5所示为本实用新型实施例提供的倍频脉冲激光器的放大模块输出的光谱示意图。

1064nm保偏脉冲通过准直器33准直，准直器33的焦距为18.6mm，NA＝0.15，准直光束直径3.6mm。准直后的脉冲通过二分之一波片34调整与三硼酸锂晶体31匹配的偏振态，从而保证倍频效率达到最高。在脉冲进入三硼酸锂晶体31之前，需要通过第一透镜35聚焦，并且不断调整透镜位置，保证焦点处于三硼酸锂晶体31中心位置，从而保证倍频效率达到最高。第一透镜35的焦距为50mm，所镀增透膜为1050nm-1700nm。三硼酸锂晶体31尺寸为3mm×3mm×20mm，非临界相位匹配晶体。在通过温度控制单元32不断调整晶体温度后，在151.2℃的温控下，倍频效率达到50％的最高效率。倍频获得的532nm脉冲通过第二透镜36准直，第二透镜36的焦距为50mm，所镀增透膜为400nm-700nm。二向色镜37的截止波长为950nm，532nm光透射，1064nm光反射，从而滤除倍频过程中多余的1064nm光。最后通过滤光片38输出，滤光片38同时充当了窗口镜片的作用，从而保证倍频模块的密闭性。滤光片38的中心波长为532nm，带宽2nm。最终输出的532nm脉冲的功率为2W@5ns，40kHz。示例性的，图6所示为本实用新型实施例提供的倍频脉冲激光器的输出光谱示意图，由图6可知输出激光波长为532nm。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种倍频脉冲激光器，其特征在于，包括种子光源、放大模块以及倍频模块；

所述种子光源用于输出种子脉冲光束；

2.根据权利要求1所述的倍频脉冲激光器，其特征在于，所述倍频模块还包括准直器、二分之一波片、第一透镜、第二透镜、二向色镜以及滤光片；

3.根据权利要求1所述的倍频脉冲激光器，其特征在于，所述预设温度为151.2℃。

4.根据权利要求1所述的倍频脉冲激光器，其特征在于，所述放大模块包括一级预放大光纤放大单元和二级主放大光纤放大单元。

5.根据权利要求4所述的倍频脉冲激光器，其特征在于，所述一级预放大光纤放大单元为单向泵浦或者双向泵浦的第一保偏型掺镱光纤放大器，所述二级主放大光纤放大单元为单向泵浦或者双向泵浦的第二保偏型掺镱光纤放大器。

6.根据权利要求5所述的倍频脉冲激光器，其特征在于，所述第一保偏型掺镱光纤放大器包括单包层掺镱光纤，所述第二保偏型掺镱光纤放大器包括双包层掺镱光纤。

7.根据权利要求4所述的倍频脉冲激光器，其特征在于，还包括单向传输模块，所述单向传输模块包括第一隔离器、第二隔离器和第三隔离器；

8.根据权利要求1所述的倍频脉冲激光器，其特征在于，还包括包层功率剥离器，所述包层功率剥离器的输入端与所述放大模块的最后一级光纤放大单元的输出端连接。

9.根据权利要求1所述的倍频脉冲激光器，其特征在于，所述种子脉冲光束为1064nm波长的保偏脉冲光束。

10.根据权利要求1～9任一所述的倍频脉冲激光器，其特征在于，所述倍频脉冲激光器中所用光纤均为保偏光纤。