帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)及其倍頻系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)及其倍頻系統(tǒng)，其中帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)包括：全光纖超短脈沖振蕩器和種子光放大模塊；全光纖超短脈沖振蕩器采用光纖耦合半導(dǎo)體泵浦激光器，用于輸出種子光，種子光為皮秒脈沖或飛秒脈沖；種子光放大模塊由光學(xué)器件組成，用于對種子光進行處理，提供滿足要求的輸出光；全光纖超短脈沖振蕩器與種子光放大模塊通過光纖進行連接，連接部件包括光纖準直器、隔離器。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、高功率、免維護、體積小和一體化的優(yōu)點。帶光纖種子的一體化超短脈沖激光倍頻系統(tǒng)包括：帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)和倍頻器。
【專利說明】帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)及其倍頻系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及皮秒、飛秒等超短激光系統(tǒng)方面的技術(shù)，尤其是涉及帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)及其倍頻系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]自20世紀80年代以來，隨著鎖模技術(shù)的發(fā)展，皮秒、飛秒激光器經(jīng)歷了從染料到克爾鎖模、半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)的發(fā)展。自鎖模摻鈦藍寶石振蕩器是迄今為止使用最廣泛的皮秒、飛秒固體振蕩器。高功率半導(dǎo)體泵浦532nm固體激光器技術(shù)、高功率光泵浦半導(dǎo)體激光器技術(shù)以及半導(dǎo)體激光器直接泵浦技術(shù)的發(fā)展促使皮秒、飛秒振蕩器以真正商業(yè)化產(chǎn)品的形態(tài)出現(xiàn)，脈沖寬度可以做到1fs以下，極大地推進了皮秒、飛秒時間分辨光譜術(shù)、飛秒化學(xué)、飛秒生物學(xué)、超快電子學(xué)等超快過程的研究。在過去的二十年中，皮秒、飛秒放大技術(shù)的不斷發(fā)展，如皮秒激光的再生放大、行波放大技術(shù)、飛秒激光的啁啾脈沖放大技術(shù)和光參量放大技術(shù)，促使了峰值功率達到TW甚至PW的超短超強脈沖激光的產(chǎn)生。超強超短脈沖在材料處理與工業(yè)加工方面呈現(xiàn)出良好的市場前景，還可用于強物理場領(lǐng)域的研究，如激光核聚變、激光等離子體、X射線激光、模擬宇宙學(xué)等。
[0003]隨著皮秒、飛秒技術(shù)的發(fā)展，超快激光放大系統(tǒng)不僅僅局限在對超短脈沖寬度、高平均功率、高峰值功率等方面的追求，而更進一步地追求實用、小巧，以滿足商用用戶的需求。目前的皮秒、飛秒超快放大系統(tǒng)，主要由超短脈沖振蕩器、再生放大器或行波放大器組成。首先從鎖模振蕩器開始，通過采用高功率半導(dǎo)體泵浦532nm固體激光器技術(shù)、高功率光泵浦半導(dǎo)體激光器技術(shù)以及半導(dǎo)體激光器直接泵浦技術(shù)，實現(xiàn)內(nèi)置泵浦源的一體化飛秒振蕩器。這樣，整個放大系統(tǒng)需要占據(jù)半張甚至一張實驗平臺，并且需要有從事激光維護經(jīng)驗的專業(yè)人員才能進行操作。振蕩器由眾多機械零件和分立光學(xué)零件組成，激光光束在其內(nèi)開放式傳輸，受周圍環(huán)境影響較大，穩(wěn)定性差。容易受到溫度、震動等環(huán)境因素的干擾而發(fā)生失調(diào)、失鎖，需要經(jīng)常性的維護，甚至每天都需要進行優(yōu)化調(diào)整，才能保證其正常運行。采用小型緊固鏡架雖能減小振蕩器受機械震動的影響，但并不能保證在環(huán)境惡劣情況下輸出穩(wěn)定可靠的超快激光。如圖1、圖2所示，鈦寶石鎖模振蕩器和可飽和吸收鎖模振蕩器的分立元件很多，因此調(diào)節(jié)起來較復(fù)雜。對科研用戶而言，雖然可為這套龐大的系統(tǒng)配備穩(wěn)固的實驗平臺和系統(tǒng)的操作人員，但仍需要專業(yè)的激光工作人員對其進行不斷的維護，并且維護費用高昂。利用鎖模振蕩器作為種子源的超短脈沖激光系統(tǒng)體積龐大，僅鎖模振蕩器的尺寸就可達600 X 300 X 200mm3ο對商用用戶而言，尤其是在工業(yè)加工領(lǐng)域，往往無法為這樣龐大的一套系統(tǒng)提供穩(wěn)定的環(huán)境。顯然，皮秒、飛秒固體激光放大系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域和用戶數(shù)量上始終受到結(jié)構(gòu)龐大、操作人員受限、維護費用昂貴、穩(wěn)定性不高等的限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有皮秒、飛秒激光系統(tǒng)存在的不穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)龐大和維護費用高等缺陷，從而提供一種將諧振腔各分立光學(xué)元件光路改進成光纖光路的系統(tǒng)，該系統(tǒng)將高穩(wěn)定超短脈沖光纖種子源和固體放大技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了高穩(wěn)定、高功率、免維護、體積小和一體化的優(yōu)點。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了帶光纖種子一體化超短脈沖激光系統(tǒng)及其倍頻系統(tǒng)，其中帶光纖種子一體化超短脈沖激光系統(tǒng)包括:全光纖超短脈沖振蕩器和種子光放大模塊；所述全光纖超短脈沖振蕩器采用光纖耦合半導(dǎo)體泵浦激光器，用于輸出種子光，所述種子光為皮秒脈沖或飛秒脈沖；所述種子光放大模塊由光學(xué)器件組成，用于對所述種子光進行處理，提供滿足要求的輸出光；全光纖超短脈沖振蕩器與種子光放大模塊通過光纖進行連接，連接部件包括光纖準直器、隔離器。
[0006]優(yōu)選地，所述光纖超短脈沖振蕩器包括:泵浦源、波分復(fù)用器、鎖模器、摻雜光纖和光纖光柵輸出鏡，所述摻雜光纖直接作為增益介質(zhì)，腔長不受空間限制。
[0007]優(yōu)選地，所述種子光放大模塊包括:脈沖展寬器、放大器和脈沖壓縮器；所述脈沖展寬器為棱鏡對或光柵對或體光柵；所述放大器為再生放大器或行波放大器，所述的放大器屬于固體放大器，采用塊狀或棒狀或薄片的增益介質(zhì)；所述的脈沖壓縮器為棱鏡對或光柵對或體光柵。
[0008]優(yōu)選地，所述種子光放大模塊為放大器。
[0009]優(yōu)選地，所述種子光放大模塊包括:單脈沖選擇模塊和行波放大器；所述的單脈沖選擇模塊包括泡克爾斯盒、偏振片和波片。
[0010]帶光纖種子的一體化超短脈沖激光倍頻系統(tǒng)，包括:所述帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)和倍頻器；所述的倍頻器是倍頻非線性晶體，所述的倍頻非線性晶體為下述中的任意一種:磷酸氧鈦鉀、磷酸二氫鉀、磷酸二氘鉀、硼酸鋇、三硼酸鋰、硼酸鋰銫。
[0011]所述帶光纖種子的一體化超短脈沖激光倍頻系統(tǒng)的輸出光的波長范圍為195nm ?532nm。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0013]1、本發(fā)明的帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)中的全光纖超短脈沖振蕩器采用光纖耦合半導(dǎo)體激光器泵浦，實現(xiàn)了全光纖結(jié)構(gòu)，消除了鎖模振蕩器中的光學(xué)鏡架不穩(wěn)定對輸出的種子光源的影響；而且其不受溫度、振動沖擊，可提供可靠的種子源；不需要曰常維護；
[0014]2、本發(fā)明的帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)可輸出高可靠性的毫焦量級、10瓦量級超短脈沖激光；
[0015]3、本發(fā)明采用全光纖超短脈沖振蕩器作為種子光源，整個系統(tǒng)集成在一個小巧、封閉的機箱內(nèi)；整個系統(tǒng)體積小、可靠性高、可方便移動，為實現(xiàn)工業(yè)化提供了基礎(chǔ)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為鈦寶石鎖模振蕩器原理圖；
[0017]圖2為可飽和吸收鏡鎖模振蕩器原理圖；
[0018]圖3為本發(fā)明的帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖4為本發(fā)明的全光纖超短脈沖振蕩器原理圖；
[0020]圖5為鎖模振蕩器和本發(fā)明的全光纖超短脈沖振蕩器的尺寸對比圖；
[0021]圖6為本發(fā)明的實施例1的帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖7為本發(fā)明的實施例2的帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖8為本發(fā)明的實施例3的帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖9為本發(fā)明的帶光纖種子的一體化超短脈沖激光倍頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
[0025]附圖標識
[0026]I全光纖超短脈沖振蕩器 2種子光放大模塊3脈沖展寬器
[0027]4放大器5脈沖壓縮器6單脈沖選擇模塊
[0028]7行波放大器8帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)
[0029]9倍頻器

【具體實施方式】
[0030]本發(fā)明的帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)采用全光纖超短脈沖振蕩器作為種子光源，全光纖超短脈沖振蕩器采用高可靠的光纖耦合半導(dǎo)體泵浦激光器，全光纖超短脈沖振蕩器的光路全部由光纖和光纖元件構(gòu)成，光纖和光纖元件之間采用光纖熔接技術(shù)連接，整個光路完全封閉在光纖波導(dǎo)中。全封閉性光路與外界環(huán)境隔離，使得全光纖超短脈沖振蕩器運轉(zhuǎn)更加可靠，可輸出高穩(wěn)定性的種子光，能夠在比較惡劣的環(huán)境下工作。光纖形態(tài)相對其他形態(tài)更易散熱，無需水冷。在保證必要的光學(xué)長度的情況下，可將光纖卷成半徑在損耗允許范圍內(nèi)的環(huán)形，使得結(jié)構(gòu)小巧化，不易受溫度沖擊，并且保證足夠的腔長。
[0031]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)及其倍頻系統(tǒng)作進一步說明。
[0032]如圖3所示，本發(fā)明的帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)包括:全光纖超短脈沖振蕩器I和種子光放大模塊2 ;全光纖超短脈沖振蕩器I采用光纖耦合半導(dǎo)體泵浦激光器，用于輸出種子光，所述種子光為皮秒脈沖或飛秒脈沖；種子光放大模塊2由光學(xué)器件組成，用于對所述種子光進行處理，提供滿足要求的輸出光；全光纖超短脈沖振蕩器I與種子光放大模塊2通過光纖進行連接，連接部件包括光纖準直器、隔離器。
[0033]如圖4所示，全光纖超短脈沖振蕩器I包括:泵浦源、波分復(fù)用器、鎖模器、摻雜光纖和光纖光柵輸出鏡；所述摻雜光纖直接作為增益介質(zhì)，腔長不受空間限制，可以任意加長。
[0034]如圖5所示，全光纖超短脈沖振蕩器I與鎖模振蕩器相比在尺寸上有較大幅度的減小，全光纖超短脈沖振蕩器I的尺寸僅為120X90X60mm3，平面尺寸比一張A5紙(210 X 148mm2)還要小。
[0035]本發(fā)明的帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)和鎖模振蕩器激光放大系統(tǒng)相t匕，種子光的注入功率降低很多；在輸出光的能量為l_6mj的要求下，鎖模振蕩器輸出的種子光采用的是空間注入的方法，需要IW的注入功率，而全光纖超短脈沖振蕩器I輸出的種子光采用光纖注入方式，注入功率只需要20mW。
[0036]全光纖超短脈沖振蕩器I受超高的峰值功率和相應(yīng)的非線性效應(yīng)的限制，單脈沖能量目前僅能達到nj量級，為了得到所需能量的輸出光，可以選擇不同的光學(xué)器件組成種子光放大模塊2 ;根據(jù)選擇的三種不同的種子光放大模塊2，本發(fā)明提供了三個實施例的帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)。
[0037]參考圖6，本發(fā)明的實施例1的帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)，包括:全光纖超短脈沖振蕩器1、脈沖展寬器3、放大器4和脈沖壓縮器5。全光纖超短脈沖振蕩器I輸出的種子光經(jīng)過所述脈沖展寬器3后在時域被展寬，之后送至放大器4，光脈沖經(jīng)過放大器4后脈沖能量增大；之后再送至脈沖壓縮器5，此時光脈沖在時域重新被壓縮，其光斑尺寸變大且峰值功率增加；脈沖壓縮器5的輸出光為滿足所需能量要求的光脈沖。
[0038]所述的脈沖展寬器3為棱鏡對或光柵對或體光柵；所述的放大器4為再生放大器或行波放大器，所述的放大器4屬于固體放大器，采用塊狀、棒狀、薄片的增益介質(zhì)；它們的泵浦源為半導(dǎo)體激光器或固體激光器、閃光燈；所述的脈沖壓縮器5為棱鏡對或光柵對或體光柵。
[0039]參考圖7，本發(fā)明的實施例2的帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)，包括:全光纖超短脈沖振蕩器I和放大器4。根據(jù)種子光產(chǎn)生的脈沖寬度的不同，種子光可以不經(jīng)過展寬直接放大。
[0040]參考圖8，本發(fā)明的實施例3的帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)，包括:全光纖超短脈沖振蕩器1、單脈沖選擇模塊6和行波放大器7。根據(jù)對單脈沖的需要，全光纖超短脈沖振蕩器I輸出的種子光先經(jīng)過單脈沖選擇模塊6再進行放大；所述的單脈沖選擇模塊6包括泡克爾斯盒、偏振片和波片。
[0041]鎖模振蕩器受機械結(jié)構(gòu)限制，腔長只能達到到1.5m-2.0m,因此重復(fù)頻率只能為75MHz-100MHz，而相應(yīng)的脈沖寬度為10ns。本發(fā)明的全光纖超短脈沖振蕩器I由于采用了光纖結(jié)構(gòu)，腔長不受限制，所以重復(fù)頻率可以做到20MHz-30MHz，相應(yīng)的脈沖寬度為50ns。對于單脈沖選擇模塊6中的電源部分，全光纖超短脈沖振蕩器I輸出的種子光減小了脈沖波形的上升沿和下降沿，由此降低了對高壓驅(qū)動模塊電路的要求，高壓驅(qū)動模塊電路的電磁輻射也會相應(yīng)地減小。
[0042]參考圖9，本發(fā)明的帶光纖種子的一體化超短脈沖激光倍頻系統(tǒng)，包括:帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)8和倍頻器9 ;根據(jù)對輸出光波長的要求，選擇合適的倍頻器9，實現(xiàn)腔外倍頻。
[0043]所述的帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)8為實施例1的系統(tǒng)或?qū)嵤├?的系統(tǒng)或?qū)嵤├?的系統(tǒng)。
[0044]所述的倍頻器9是倍頻非線性晶體，所述的倍頻非線性晶體為下述中的任意一種:KTP (磷酸氧鈦鉀)、KDP (磷酸二氫鉀)、KD*P (磷酸二氘鉀)、BBO (硼酸鋇)、LBO (三硼酸鋰)、CLBO (硼酸鋰銫)。
[0045]帶光纖種子的一體化超短脈沖激光倍頻系統(tǒng)輸出光的波長范圍為195nm?532nm。
[0046]最后所應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)，包括:全光纖超短脈沖振蕩器和種子光放大模塊；所述全光纖超短脈沖振蕩器采用光纖耦合半導(dǎo)體泵浦激光器，用于輸出種子光，所述種子光為皮秒脈沖或飛秒脈沖；所述種子光放大模塊由光學(xué)器件組成，用于對所述種子光進行處理，提供滿足要求的輸出光；全光纖超短脈沖振蕩器與種子光放大模塊通過光纖進行連接，連接部件包括光纖準直器、隔離器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖超短脈沖振蕩器包括:泵浦源、波分復(fù)用器、鎖模器、摻雜光纖和光纖光柵輸出鏡；所述摻雜光纖直接作為增益介質(zhì)，腔長不受空間限制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)，其特征在于，所述種子光放大模塊包括:脈沖展寬器、放大器和脈沖壓縮器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)，其特征在于，所述的脈沖展寬器為棱鏡對或光柵對或體光柵。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)，其特征在于，所述放大器為再生放大器或行波放大器，所述的放大器屬于固體放大器，采用塊狀或棒狀或薄片的增益介質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)，其特征在于，所述脈沖壓縮器為棱鏡對或光柵對或體光柵。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)，其特征在于，所述種子光放大模塊為放大器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)，其特征在于，所述種子光放大模塊包括:單脈沖選擇模塊和行波放大器；所述的單脈沖選擇模塊包括泡克爾斯盒、偏振片和波片。
9.帶光纖種子的一體化超短脈沖激光倍頻系統(tǒng)，基于權(quán)利要求1-8所述的帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)，其特征在于，包括:所述帶光纖種子的一體化超短脈沖激光系統(tǒng)和倍頻器；所述的倍頻器是倍頻非線性晶體，所述的倍頻非線性晶體為下述中的任意一種:磷酸氧鈦鉀、磷酸二氫鉀、磷酸二氘鉀、硼酸鋇、三硼酸鋰、硼酸鋰銫。
10.帶光纖種子的一體化超短脈沖激光倍頻系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)的輸出光的波長范圍為195nm?532nm。
【文檔編號】H01S3/067GK104201547SQ201410471889
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月16日
【發(fā)明者】彭海波, 彭俊 申請人:北京中科思遠光電科技有限公司, 鞍山中科思遠科技有限公司