可調皮秒光纖激光系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種可調皮秒光纖激光系統，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、光纖主放大器和輸出耦合端，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境干擾，確保振蕩器種子脈沖的長期穩定輸出，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；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】
可調皮秒光纖激光系統
技術領域
[0001]本發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光纖激光系統。
【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輻射較高。較高比例的自發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。
【發明內容】
[0005]本發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光纖激光系統，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。
[0006]本發明的技術方案為:一種可調皮秒光纖激光系統，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、光纖主放大器和輸出耦合端，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輸出耦合端，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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011 ]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。
[0012]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。
[0013]本發明的有益效果在于:本發明可調皮秒光纖激光系統，設計的全保偏結構的光纖鏈路可以抵抗環境干擾，確保振蕩器種子脈沖的長期穩定輸出，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;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】
[0014]圖1為本發明可調皮秒光纖激光系統結構示意圖。
【具體實施方式】
[0015]如圖1所示可調皮秒光纖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、輸出耦合端。
[0016]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，其中，延遲光纖的長度用于匹配所需的重復頻率。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]波分復用器I用于將栗浦源發射出的栗浦光耦合入增益光纖I上。
[0020]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；另一束由監測端輸出，用于監控激光器的工作狀態。
[0021]光開關用于選取后續工作的光纖鏈路。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、或能起到切換后續光路的其他種類光開關。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]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。
[0027]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。
[0028]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作為光纖主放大器的輸出端。
[0029]光纖主放大器的輸出端連接有輸出耦合端。增益光纖3連接有輸出端冒，用于保護增益光纖3的切面。準直透鏡用于將輸出端帽輸出的發散光準直為平行光。反射鏡I和反射鏡2用于調整準直輸出激光的飛行光路，耦合入后續的輸出隔離器。隔離器用于實現逆向光光隔離，保護輸出端冒和增益光纖3。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。
[0030]由光開關為整個激光系統選取工作參數。
[0031]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。
[0032]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。
[0033]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。
[0034]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，可實現可調皮秒激光系統在預設的各個激光參數之間切換輸出。
[0035]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輻射譜匹配即可。
[0036]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。
[0037]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。
[0038]不限定光纖鏈路中光纖預放大的數目和位置，滿足后續光路對注入光的要求即可。
[0039]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。
【主權項】
1.一種可調皮秒光纖激光系統，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、光纖主放大器和輸出耦合端，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輸出耦合端，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所述可調皮秒光纖激光系統，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所述可調皮秒光纖激光系統，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所述可調皮秒光纖激光系統，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所述可調皮秒光纖激光系統，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所述可調皮秒光纖激光系統，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光纖激光系統，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。
【文檔編號】H01S3/10GK105896262SQ201610447525
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月21日
【發明人】郝強, 楊松, 曾和平
【申請人】上海理工大學