可調皮秒固體激光系統的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種可調皮秒固體激光系統，依次包括被動鎖模的可調皮秒激光振蕩器、光纖預放大器、脈沖選擇開關、光纖主放大器和固體放大器，設計的可調皮秒激光振蕩器全保偏結構的光纖鏈路可以抵抗環(huán)境干擾，確保振蕩器種子脈沖的長期穩(wěn)定輸出，同時確保激光功率放大過程的偏振對比度；可預先設定應用所需的多種脈沖寬度、工作波長、重復頻率。通過光開關，可在多個激光輸出參數中靈活切換，滿足應用需求，通過切換脈沖參數，可以及時有效的觀察到應用效果；固體放大器可避免皮秒脈沖放大過程的非線性效應，確保皮秒脈沖在時間域和頻率域上均無畸變放大；模塊化設計的功能組件，可靈活組裝，便于實際應用。
【專利說明】
可調皮秒固體激光系統
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種激光技術，特別涉及一種重復頻率可變、脈沖寬度可變、輸出波長可變的皮秒固體激光系統。
【背景技術】
[0002]皮秒激光可對金屬、金屬碳化物、硅片、藍寶石、陶瓷等工業(yè)材料進行高精度加工，特別是5ps-100ps左右的激光脈沖寬度更具優(yōu)勢。與MOPA納秒脈沖和電調制百皮秒以上的脈沖相比，5ps_100ps脈沖具有更窄的脈沖寬度，能產生更高的激光峰值功率。更重要的是，皮秒脈沖的時間寬度之短，可有效的減少激光輻射帶來的熱效應，達到材料的消融臨界點所需要的峰值能量密度。
[0003]目前，脈寬可調的皮秒脈沖均為電調制半導體激光器。該種激光器的輸出脈沖寬度受控于電調制脈沖信號的脈寬。為了獲得皮秒脈沖的光信號，電調制脈沖信號占空比極低，因此，半導體激光器的輸出平均功率很低。較低的平均功率難以滿足后續(xù)功率放大對種子光功率的要求。
[0004]目前，高功率皮秒激光系統中使用的較長的光纖增益介質使得自發(fā)輻射較高。較高比例的自發(fā)輻射會顯著降低脈沖信噪比，而是激光系統無法滿足應用需求。
[0005]固體放大技術與光纖預放大技術相結合可以有效克服皮秒脈沖在高能量激光放大過程的中非線性效應，確保皮秒脈沖在時間和頻率域上無畸變放大。
【發(fā)明內容】
[0006]本發(fā)明是針對皮秒激光運用中存在的問題，提出了一種可調皮秒固體激光系統，設計的系統輸出波長可變、脈沖寬度可變、重復頻率可變，適應應用需要。
[0007]本發(fā)明的技術方案為:一種可調皮秒固體激光系統，依次包括被動鎖模的可調皮秒激光振蕩器、光纖預放大器、脈沖選擇開關、光纖主放大器和固體放大器，可調皮秒激光振蕩器由全保偏光纖器件連接構成，可調皮秒激光振蕩器的一端為可飽和吸收器件，之后依次連接有第一增益光纖、第一波分復用器、分束器、光開關、數條延遲光纖和對應的與延遲光纖一一連接的光纖光柵;第一波分復用器的另一輸入端口連接第一栗浦源，分束器的另兩個端口分別作為振蕩器輸出端和監(jiān)測端;可調皮秒激光振蕩器的輸出波長由光開關選取的參數與激光振蕩的光纖光柵的反射波長決定;脈沖寬度由光開關選取的參數與激光振蕩的光纖光柵的反射帶寬決定;重復頻率由光開關選取的參數與激光振蕩的光纖鏈路長度決定，延遲光纖的長度用于匹配所需的重復頻率;可調皮秒激光振蕩器輸出的脈沖激光進入光纖預放大器，經預放大的脈沖激光通過脈沖選擇開關實現脈沖選取，進入光纖主放大器進一步提升脈沖激光的平均功率，光纖主放大器輸出的激光進入固體放大器，實現滿足應用需求的功率或能量后，再被光學器件耦合入輸出隔離器，實現逆向光光隔離再通過擴束器輸出所需光斑大小的激光。
[0008]所述光纖光柵為可調皮秒激光振蕩器提供諧振的反饋信號，通過光開關選取工作的光纖光柵，實現多個波長之間切換輸出。
[0009]所述光纖預放大器的輸入端與可調皮秒激光振蕩器輸出端連接，之后依次連接有第一隔離器、第二波分復用器及第二增益光纖;第二波分復用器的另一輸入端連接有第二栗浦源，為光纖預放大器提供栗浦光。
[0010]所述光纖主放大器的輸入端與可調皮秒激光振蕩器的輸出端連接，之后依次連接有第二隔離器、合束器及第三增益光纖;合束器的另一輸入端連接有栗浦源，為光纖主放大器提供栗浦光。
[0011]所述合束器為(2+1) X I或(n+1) X I的合束器，耦合多路栗浦光進入第三增益光纖中。
[0012]所述第三增益光纖為雙包層增益光纖，或雙包層光子晶體增益光纖，或大模場增益光纖。
[0013]所述第三增益光纖連接有輸出端冒，用于保護第三增益光纖的切面。
[0014]所述固體放大器為由光學器件、多個固體增益介質、對應固體增益介質個數的多模半導體模塊、輸出隔離器及擴束器組成的多級放大器。
[0015]所述光纖主放大器輸出的激光被光學器件聚焦到固體增益介質，多模半導體模塊輸出的栗浦光經組合光學器件耦合照射在固體增益介質上，通過調整組合光學器件實現栗浦光斑和激光光斑的大小和位置匹配。所述固體增益介質置于冷卻固件上，用于移除激光放大過程中的熱效應。
[0016]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明可調皮秒固體激光系統，設計的全保偏結構的光纖鏈路可以抵抗環(huán)境干擾，確保振蕩器種子脈沖的長期穩(wěn)定輸出，同時確保激光功率放大過程的偏振對比度;可預先設定應用所需的多種脈沖寬度、工作波長、重復頻率。通過光開關，可在多個激光輸出參數中靈活切換，滿足應用需求，通過切換脈沖參數，可以及時有效的觀察到應用效果；固體放大器可避免皮秒脈沖放大過程的非線性效應，確保皮秒脈沖在時間域和頻率域上均無畸變放大;模塊化設計的功能組件，可靈活組裝，便于實際應用。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明可調皮秒固體激光系統結構示意圖。
【具體實施方式】
[0018]如圖1所示可調皮秒固體激光系統結構示意圖，系統依次包括被動鎖模的可調皮秒激光振蕩器、光纖預放大器、脈沖選擇開關、光纖主放大器、固體放大器。
[0019]被動鎖模的可調皮秒激光振蕩器由全保偏光纖器件連接構成，采用可飽和吸收器件實現被動鎖模。振蕩器的一端為可飽和吸收器件，之后依次連接有增益光纖1、波分復用器1、分束器、光開關、數條延遲光纖和對應的與延遲光纖一一連接的光纖光柵。波分復用器I的另一輸入端口連接有栗浦源I。分束器的另外兩個端口分別作為振蕩器輸出端和監(jiān)測端?？烧{皮秒激光振蕩器的輸出波長由光開關選取的參數與激光振蕩的光纖光柵的反射波長決定;脈沖寬度由光開關選取的參數與激光振蕩的光纖光柵的反射帶寬決定;重復頻率由光開關選取的參數與激光振蕩的光纖鏈路長度決定，其中，延遲光纖的長度用于匹配所需的重復頻率。
[0020]可飽和吸收器件為含有可飽和吸收器件的光纖耦合器件；其中，可飽和吸收器件可為透射式或者反射式半導體可飽和體、石墨烯、碳納米管等能起到非線性飽和吸收作用的光學材料。
[0021]增益光纖I為摻稀土元素的有源光纖，吸收栗浦光并產生激光。
[0022]波分復用器I用于將栗浦源發(fā)射出的栗浦光耦合入增益光纖I上。
[0023]分束器用于輸出兩束激光。其中，一束由輸出端輸出，用于實際應用；另一束由監(jiān)測端輸出，用于監(jiān)控激光器的工作狀態(tài)。
[0024]光開關用于選取后續(xù)工作的光纖鏈路。光開關可為機械光開關、或電光晶體及驅動電源組成的電光開關、或由聲光晶體及驅動電源組成的聲光開關、或能起到切換后續(xù)光路的其他種類光開關。
[0025]延遲光纖用于匹配激光器所需的重復頻率。依據激光器所需的重復頻率，計算得出激光器的光纖鏈路長度，除去各個光纖耦合器件及其尾纖、增益光纖，即為延遲光纖的長度。
[0026]光纖光柵為激光器提供諧振的反饋信號。光纖光柵的反射波長決定了激光器的工作波長。
[0027]光纖光柵為激光器提供諧振的反饋信號。根據皮秒脈沖的時間帶寬積特性，即脈沖寬度與光譜寬度成反比例關系，因此，光纖光柵的反射帶寬決定了激光器的輸出脈寬。比如1064nm波長的激光0.01醒光譜帶寬對應165?8脈沖寬度，0.1醒光譜帶寬對應于16.5?8。Inm光譜帶寬對應于I.65ps。
[0028]振蕩器輸出端連接有光纖預放大器，用于初步提升脈沖激光的平均功率。光纖預放大器的輸入端與可調皮秒激光振蕩器輸出端連接，之后依次連接有隔離器2、波分復用器
2、增益光纖2;波分復用器2的另一輸入端連接有栗浦源2，為光纖預放大器提供栗浦光。
[0029]光纖預放大器的輸出端連接有脈沖選擇開關，用于降低激光脈沖的重復頻率，滿足實際應用過程對脈沖數目的需求。同時，通過控制驅動電脈沖重復頻率和電脈沖寬度可以實現對重復頻率，可實現對光脈沖重復頻率和脈沖數的控制。
[0030]脈沖選擇開關的輸出端連接有光纖主放大器的輸入端，用于大幅提升脈沖激光的平均功率。光纖主放大器的輸入端與可調皮秒激光振蕩器的輸出端連接，之后依次連接有隔離器3、合束器3、增益光纖3;合束器的另一輸入端連接有栗浦源3，為光纖主放大器提供栗浦光。合束器可為(2+1) X I也可為(n+1) X I的合束器，耦合多路栗浦光進入增益光纖3中。
[0031]增益光纖3可為雙包層增益光纖，可為雙包層光子晶體增益光纖，可為大模場增益光纖等能提供較高增益的光纖。增益光纖3連接有輸出端冒，用于保護增益光纖3的切面。透鏡I用于將輸出端帽輸出的發(fā)散光準直為空間平行光。反射鏡I用于將準直后的平行光注入固體放大器中。
[0032]反射鏡2、反射鏡3和透鏡2相結合，用于調整準直輸出激光的飛行光路并聚焦在固體增益介質I中。
[0033]反射鏡4為雙色鏡，鍍膜為栗浦光增透和激光高反。
[0034]反射鏡4，透鏡3和反射鏡5用于將固體增益介質I放大后的激光再聚焦在固體增益介質2上再次放大。
[0035]多模半導體模塊I輸出的栗浦光經由栗浦耦合透鏡組I和反射鏡4照射在固體增益介質I上。通過調整栗浦耦合透鏡組1、反射鏡2，透鏡2和反射鏡3實現栗浦光斑和激光光斑的大小和位置匹配。多模半導體模塊2輸出的栗浦光經由栗浦耦合透鏡組2和反射鏡5照射在固體增益介質2上。通過調整栗浦耦合透鏡組2、反射鏡4，透鏡3和反射鏡5實現栗浦光斑和激光光斑的大小和位置匹配。
[0036]固體增益介質為對入射激光由增益特性的晶體、陶瓷等。固體增益介質置于冷卻固件上，用于移除激光放大過程中的熱效應。冷卻固件上累積的熱量可通過水循環(huán)冷卻、半導體制冷、風冷等多種方式移除。
[0037]反射鏡6和透鏡4用于將經過固體增益介質2放大后的激光準直并調整空間傳播方向，耦合入輸出隔離器。
[0038]輸出隔離器用于實現逆向光光隔離，保護固體放大器。擴束器用于將輸出隔離器的輸出的激光擴束，滿足實際應用對激光光斑大小的需要。
[0039]由光開關為整個激光系統選取工作參數。
[0040]由光纖光柵為可調皮秒激光振蕩器提供諧振的反饋信號。光纖光柵的反射波長決定了激光器的工作波長。比如，光纖光柵I的反射波長為1030nm，光纖光柵I的反射波長為1040nm，光纖光柵I的反射波長為1050nm。即通過光開關選取工作的光纖光柵，即可實現可調皮秒激光系統在1030nm、1040nm、1050nm三個甚至多個波長之間切換輸出。
[0041]由光纖光柵為可調皮秒激光振蕩器提供諧振的反饋信號。根據皮秒脈沖的時間帶寬積特性，即脈沖寬度與光譜寬度成反比例關系，因此，光纖光柵的反射帶寬決定了激光器的輸出脈寬。比如，工作波長為1064nm光纖光柵，光纖光柵I的光譜帶寬為0.0lnm(對應165ps脈沖寬度)，光纖光柵2的光譜帶寬0.111111(對應16.5?8脈沖寬度)，光纖光柵3的光譜帶寬Inm(對應1.65ps脈沖寬度)。即通過光開關選取工作的光纖光柵，即可實現可調皮秒激光系統在165ps、16.5ps、1.65ps三個甚至多個脈沖寬度之間切換輸出。
[0042]延遲光纖的長度用于匹配激光器所需的重復頻率。依據激光器所需的重復頻率，計算得出激光器的光纖鏈路長度，除去各個光纖耦合器件及其尾纖、增益光纖，即為延遲光纖的長度。
[0043]光纖光柵的反射波長和反射帶寬以及延遲光纖的長度參數可以任意匹配，可實現可調皮秒固體激光系統在預設的各個激光參數之間切換輸出。
[0044]不限定增益光纖1、增益光纖2、增益光纖3的種類，增益光纖可以為摻鐿、鉺、銩、釹等多種光纖，光路中其他器件的工作波段與所用增益光纖自發(fā)輻射譜匹配即可。
[0045]不限定光纖光柵的反射率，能夠滿足產生鎖模脈沖的反射率即可。
[0046]不限定光開關的種類，光開關的插入損耗不超過鎖模脈沖起振的腔內損耗即可。
[0047]不限定光纖鏈路中光纖預放大的數目和位置，滿足后續(xù)光路對注入光的要求即可。
[0048]不限定光纖鏈路中光纖主放大的數目和位置，滿足實際應用對激光功率和能量的要求即可。
[0049]不限定放大器的栗浦方式，可以為端面栗浦、側面栗浦等多種栗浦方式。
[0050]不限定增益介質的形狀，可以為長方體、圓柱體、板條式等多種形狀。增益介質形狀與栗浦方式相配合即可。
[0051]不限定固體放大器內部的放大級數，可以為一級放大結構，也可為多級放大結構。
[0052]不限定固體增益介質上栗浦和激光的耦合方式，可以為單通放大結構，也可為雙通甚至多通放大結構。
[0053]不限定固體放大器中器件的個數，通過多種光學鍍膜方式，可以省去放大器中的某些部件。任何多合一功能器件都在該專利的保護范圍內。
【主權項】
1.一種可調皮秒固體激光系統，其特征在于，依次包括被動鎖模的可調皮秒激光振蕩器、光纖預放大器、脈沖選擇開關、光纖主放大器和固體放大器，可調皮秒激光振蕩器由全保偏光纖器件連接構成，可調皮秒激光振蕩器的一端為可飽和吸收器件，之后依次連接有第一增益光纖、第一波分復用器、分束器、光開關、數條延遲光纖和對應的與延遲光纖一一連接的光纖光柵;第一波分復用器的另一輸入端口連接第一栗浦源，分束器的另兩個端口分別作為振蕩器輸出端和監(jiān)測端;可調皮秒激光振蕩器的輸出波長由光開關選取的參數與激光振蕩的光纖光柵的反射波長決定;脈沖寬度由光開關選取的參數與激光振蕩的光纖光柵的反射帶寬決定;重復頻率由光開關選取的參數與激光振蕩的光纖鏈路長度決定，延遲光纖的長度用于匹配所需的重復頻率;可調皮秒激光振蕩器輸出的脈沖激光進入光纖預放大器，經預放大的脈沖激光通過脈沖選擇開關實現脈沖選取，進入光纖主放大器進一步提升脈沖激光的平均功率，光纖主放大器輸出的激光進入固體放大器，實現滿足應用需求的功率或能量后，再被光學器件耦合入輸出隔離器，實現逆向光光隔離再通過擴束器輸出所需光斑大小的激光。2.根據權利要求1所述可調皮秒固體激光系統，其特征在于，所述光纖光柵為可調皮秒激光振蕩器提供諧振的反饋信號，通過光開關選取工作的光纖光柵，實現多個波長之間切換輸出。3.根據權利要求1所述可調皮秒固體激光系統，其特征在于，所述光纖預放大器的輸入端與可調皮秒激光振蕩器輸出端連接，之后依次連接有第一隔離器、第二波分復用器及第二增益光纖;第二波分復用器的另一輸入端連接有第二栗浦源，為光纖預放大器提供栗浦光。4.根據權利要求1所述可調皮秒固體激光系統，其特征在于，所述光纖主放大器的輸入端與可調皮秒激光振蕩器的輸出端連接，之后依次連接有第二隔離器、合束器及第三增益光纖;合束器的另一輸入端連接有栗浦源，為光纖主放大器提供栗浦光。5.根據權利要求4所述可調皮秒固體激光系統，其特征在于，所述合束器為(2+1)X I或(n+1) X I的合束器，耦合多路栗浦光進入第三增益光纖中。6.根據權利要求4所述可調皮秒固體激光系統，其特征在于，所述第三增益光纖為雙包層增益光纖，或雙包層光子晶體增益光纖，或大模場增益光纖。7.根據權利要求4、5或6中任意一項所述可調皮秒固體激光系統，其特征在于，所述第三增益光纖連接有輸出端冒，用于保護第三增益光纖的切面。8.根據權利要求1所述可調皮秒固體激光系統，其特征在于，所述固體放大器為由光學器件、多個固體增益介質、對應固體增益介質個數的多模半導體模塊、輸出隔離器及擴束器組成的多級放大器。9.根據權利要求8所述可調皮秒固體激光系統，其特征在于，所述光纖主放大器輸出的激光被光學器件聚焦到固體增益介質，多模半導體模塊輸出的栗浦光經組合光學器件耦合照射在固體增益介質上，通過調整組合光學器件實現栗浦光斑和激光光斑的大小和位置匹配。10.根據權利要求8或9所述可調皮秒固體激光系統，其特征在于，所述固體增益介質置于冷卻固件上，用于移除激光放大過程中的熱效應。
【文檔編號】H01S3/067GK105896255SQ201610448001
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月21日
【發(fā)明人】郝強, 趙明, 楊康文, 曾和平
【申請人】上海理工大學