一种光纤激光器及其种子源的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种光纤激光器及其种子源，其中，种子源包括泵浦激光器以及激光腔；所述激光腔包括全保偏器件及保偏光纤；所述激光腔中还设置一半导体可饱和吸收体，所述半导体可饱和吸收体内置一反射镜。采用上述方案，本发明采用半导体可饱和吸收镜技术，实现了皮秒脉冲，产品性能稳定，提高了功耗转换效率，避免了开机需要预热的问题，且在搬动或移动激光器后无需重新校准，具有很高的市场应用价值。
【专利说明】一种光纤激光器及其种子源
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤激光器，尤其涉及的是，一种光纤激光器及其种子源。
【背景技术】
[0002] 目前的 ΜΟΡΑ (Master Oscillator Power-Amplifier，主控振荡器功率放大器）脉 冲高功率光纤激光器的脉宽主要是在纳秒范围。从几个纳秒到几百纳秒不等。而在材料的 加工中，较宽的脉宽容易产生热效应的问题，因此需要脉宽更窄的高功率脉冲激光器。
[0003] 对于脉宽更窄的高功率脉冲激光器，皮秒脉冲激光器就是一个较好的选择，而目 前工业使用的皮秒脉冲光纤激光器采用DPSS (Diode Pumped Solid State Laser,二极 管端面泵浦固体激光器)，然而，其采用分离光学元器件的空间光学的方式进行制造，功耗 转换效率低，开机需要预热，并且，由于其采用空间光学的方法，因此，当搬动或移动激光器 后，需重新校准。综上，这种DPSS激光器与光纤激光器相比，存在上述许多缺点，需要改进。
【发明内容】
[0004] 本发明提供一种新的光纤激光器及其种子源，所要解决的技术问题包括如何采用 皮秒脉冲、性能稳定、提高功耗转换效率，避免开机需要预热，且在搬动或移动激光器后无 需重新校准等。本发明的其他技术方案还解决了如何设计全光纤高功率脉冲激光器、采用 掺镱光纤、提高峰值功率、实现高功率输出等技术问题。
[0005] 本发明的技术方案如下：一种光纤激光器的种子源，其包括泵浦激光器以及激光 腔；所述激光腔包括全保偏器件及保偏光纤；所述激光腔中还设置一半导体可饱和吸收 体，所述半导体可饱和吸收体内置一反射镜。
[0006] 优选的，所述激光腔包括顺序首尾通过保偏光纤连接的波分复用器、带宽滤波器 以及光纤耦合器；所述泵浦激光器连接所述波分复用器；所述光纤耦合器还连接一半导体 可饱和吸收体，所述半导体可饱和吸收体内置一反射镜；所述光纤耦合器的一输出端用作 所述种子源的脉冲输出端。
[0007] 优选的，所述激光腔还包括一环行器，其设置于所述光纤耦合器与所述波分复用 器之间；所述半导体可饱和吸收体通过所述环行器连接所述光纤耦合器。
[0008] 优选的，所述波分复用器与所述带宽滤波器之间设置掺镱光纤。
[0009] 优选的，所述激光腔中的泵浦激光器为单模泵浦激光器。
[0010] 优选的，所述单模泵浦激光器的中心波长为976nm。
[0011] 优选的，所述光纤耦合器的输出脉冲的中心波长为l〇64nm。
[0012] 优选的，所述光纤为掺镱光纤。
[0013] 本发明又一技术方案如下：一种光纤激光器，其包括顺序连接的任一上述种子源、 第一级放大装置、第二级放大装置、第三级放大装置以及隔离输出装置。
[0014] 优选的，所述第一级放大装置、所述第二级放大装置、所述第三级放大装置中均设 置掺镱光纤。
[0015] 优选的，所述第一级放大装置、所述第二级放大装置、所述第三级放大装置中的各 光纤的纤芯直径依次增大。
[0016] 优选的，所述第一级放大装置、所述第二级放大装置、所述第三级放大装置中的各 光纤的纤芯直径分别为6微米、20微米、30微米。
[0017] 优选的，所述第三级放大装置中的光纤的纤芯直径与所述第二级放大装置中的光 纤的纤芯直径的比例，大于所述第二级放大装置中的光纤的纤芯直径与所述第一级放大装 置中的光纤的纤芯直径的比例。
[0018] 优选的，所述第一级放大装置设置单模泵浦激光器。
[0019] 优选的，所述第一级放大装置设置第一泵浦激光器，以及顺序连接的第一隔离器、 第一泵浦合束器、掺镱单包层光纤；所述第一泵浦激光器连接所述第一泵浦合束器的一输 入端；所述种子源通过所述第一隔离器连接所述第一泵浦合束器的另一输入端；所述掺镱 单包层光纤连接所述第二级放大装置。
[0020] 优选的，所述第二级放大装置设置第二泵浦激光器，以及顺序连接的二隔离器、第 一放大自发辐射滤波器、第一掺镱双包层光纤、第二泵浦合束器；所述第二泵浦激光器连接 所述第二泵浦合束器的一输入端；所述第二泵浦合束器的输出端连接所述第三级放大装 置。
[0021] 优选的，所述第三级放大装置设置第三泵浦激光器，以及顺序连接的第三隔离器、 第二放大自发辐射滤波器、第二掺镱双包层光纤、第三泵浦合束器；所述第三泵浦激光器连 接所述第三泵浦合束器的一输入端；所述第三泵浦合束器的输出端连接所述第三级放大装 置。
[0022] 优选的，所述掺镱单包层光纤、所述第一掺镱双包层光纤、所述第二掺镱双包层光 纤的纤芯的直径依次增大。
[0023] 采用上述方案，本发明采用半导体可饱和吸收镜技术，实现了皮秒脉冲，产品性能 稳定，提高了功耗转换效率，避免了开机需要预热的问题，且在搬动或移动激光器后无需重 新校准，具有很高的市场应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1为本发明的一个实施例的种子源光路示意图； 图2为图1所示实施例的种子源结构示意图； 图3为本发明的又一个实施例的种子源光路示意图； 图4为图3所示实施例的种子源结构示意图； 图5为本发明的一个实施例的光纤激光器的示意图； 图6为本发明的又一个实施例的光纤激光器的示意图； 图7为本发明的另一个实施例的光纤激光器的示意图。
【具体实施方式】
[0025] 为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。 本说明书及其附图中给出了本发明的较佳的实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式 来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明 的公开内容的理解更加透彻全面。
[0026] 需要说明的是，当某一元件固定于另一个元件，包括将该元件直接固定于该另一 个元件，或者将该元件通过至少一个居中的其它元件固定于该另一个元件。当一个元件连 接另一个元件，包括将该元件直接连接到该另一个元件，或者将该元件通过至少一个居中 的其它元件连接到该另一个元件。
[0027] 本发明米用 SESAM (semiconductor saturable absorber mirror，半导体可饱和 吸收镜）作为锁模技术产生皮秒种子源，之后采用ΜΟΡΑ多级放大技术，对此种子源脉冲进 行放大，最终输出达到工业应用要求的全光纤高功率脉冲激光器，可以克服上述现有技术 的缺点。例如，本发明的一个实施例是，一种光纤激光器的种子源，其包括泵浦激光器以及 激光腔；所述激光腔包括全保偏器件及保偏光纤；采用全保偏器件及保偏光纤，有助于实 现SESAM锁模技术，从而产生皮秒种子源；此时，所述激光腔中还设置一半导体可饱和吸收 体，所述半导体可饱和吸收体内置一反射镜。例如，所述激光腔由全保偏器件及保偏光纤 组成。又如，半导体可饱和吸收镜包括反射镜与半导体可饱和吸收体，其底层为半导体反射 镜，其上生长设置一层半导体可饱和吸收体薄膜，最上层生长一层反射镜或直接利用半导 体与空气的界面作为反射镜，这样上下两个反射镜就形成了一个法布里-珀罗腔，通过改 变吸收体的厚度以及两反射镜的反射率，可以调节吸收体的调制深度和反射镜的带宽。一 般来说半导体的吸收有两个特征弛豫时间，带内热平衡（intraband thermalization)弛豫 时间和带间跃迁（interband transition)弛豫时间。带内热平衡弛豫时间很短，在100-200 fs (飞秒）左右，而带间跃迁弛豫时间则相对较长，从几 ps (皮秒）到几百ps。带内热平衡 弛豫时间基本上无法控制，而带间跃迁弛豫时间主要取决于半导体生长时衬底的温度，生 长时的温度越低，带间跃迁弛豫时间越短。在SESAM锁模过程中，响应时间较长的带间跃迁 (如载流子重组）提供了锁模的自启动机制，而响应时间很短的带内热平衡可以有效压缩脉 宽、维持锁模。这样，采用SESAM锁模技术，能够实现皮秒级的种子源。
[0028] 如图1与图2所示，本发明的一个实施例是，一种光纤激光器的种子源，其包括泵 浦激光器以及激光腔，所述激光腔包括顺序首尾通过保偏光纤连接的波分复用器、带宽滤 波器以及光纤耦合器；优选的，所述波分复用器与所述带宽滤波器之间设置一增益光纤，例 如，采用保偏光纤生产的光器件及其与波分复用器、带宽滤波器以及光纤耦合器的连接等， 或者波分复用器、带宽滤波器以及光纤耦合器等，均为PM (保偏）器件，又如，采用保偏连接 器连接保偏光纤与各保偏器件；优选的，所述增益光纤为掺镱光纤。所述泵浦激光器连接所 述波分复用器；所述光纤耦合器还连接一半导体可饱和吸收体，所述半导体可饱和吸收体 内置一反射镜；所述光纤耦合器的一输出端用作所述种子源的脉冲输出端。优选的，所述光 纤为掺镱光纤。并且，所述光纤为保偏光纤。如图1所不，光路中包括976nm Pumping LD (976nm泵浦激光器)、WDM (波分复用器)、YDF (掺镱光纤)、BPF (带宽滤波器)、0C (光纤耦 合器)、SESAM (半导体可饱和吸收镜)。例如，所述波分复用器与所述带宽滤波器之间设置 掺镱光纤。优选的，所述激光腔中的泵浦激光器为单模泵浦激光器。优选的，如图1所示， 所述单模泵浦激光器的中心波长为976nm。优选的，所述光纤耦合器的输出脉冲的中心波长 为1064nm。为了确保光路的单向性，优选的，所述激光腔还包括一环行器（Circulator)，其 设置于所述光纤耦合器与所述波分复用器之间；所述半导体可饱和吸收体通过所述环行器 连接所述光纤耦合器，需要注意的是，此实施例中，所述半导体可饱和吸收体不是直接连接 光纤耦合器，而是通过环行器连接光纤耦合器。优选的，所述环行器为微带式、波导式、带状 线或同轴式环行器。
[0029] 又如，如图3与图4所示，本发明的一个实施例是，一种光纤激光器的种子源，其 包括泵浦激光器以及激光腔，所述激光腔包括顺序首尾通过保偏光纤连接的波分复用器、 带宽滤波器、光纤耦合器以及环行器；波分复用器与带宽滤波器之间，还设置掺镱单包层光 纤。例如，环行器为三端口器件。其中，所述泵浦激光器连接所述波分复用器；所述环行器 还连接一半导体可饱和吸收体，所述半导体可饱和吸收体内置一反射镜；所述光纤耦合器 的一输出端用作所述种子源的脉冲输出端；这样，所述半导体可饱和吸收体通过所述环行 器连接所述光纤耦合器。优选的，如图3所示，所述单模泵浦激光器的中心波长为976nm，例 如，所述单模泵浦激光器的中心波长为915nm或是940nm附近的波长，但是经实验测试，单 模泵浦激光器的中心波长为976nm时，吸收效率最高。
[0030] 如图5所示，本发明又一实施例是，一种光纤激光器，其包括顺序连接的任一上述 种子源、第一级放大装置、第二级放大装置、第三级放大装置以及隔离输出装置。例如，光纤 激光器，包括SESAM锁模的皮秒级种子源，Isolator (隔离器)，Single Mode Pump (单模泵 浦激光器)，Pump (泵浦激光器)，PC (泵浦合束器)，Yb-SCF (掺镱单模光纤，或称为掺镱单 包层光纤)，Yb_DCF (掺镱双包层光纤)，ASE Filter (放大自发辐射滤波器）等。
[0031] 优选的，所述第一级放大装置、所述第二级放大装置、所述第三级放大装置中均设 置掺镱光纤。优选的，所述第一级放大装置、所述第二级放大装置、所述第三级放大装置中 的各光纤的纤芯直径依次增大。例如，第三级放大装置中的光纤的纤芯直径为30微米，第 二级放大装置中的光纤的纤芯直径为20微米，第一级放大装置中的光纤的纤芯直径为6微 米。优选的，所述第三级放大装置中的光纤的纤芯直径与所述第二级放大装置中的光纤的 纤芯直径的比例，大于所述第二级放大装置中的光纤的纤芯直径与所述第一级放大装置中 的光纤的纤芯直径的比例；或者，所述第三级放大装置中的光纤的纤芯直径与所述第二级 放大装置中的光纤的纤芯直径的比例，小于所述第二级放大装置中的光纤的纤芯直径与所 述第一级放大装置中的光纤的纤芯直径的比例。例如，第三级放大装置中的光纤的纤芯直 径为12微米，第二级放大装置中的光纤的纤芯直径为6微米，第一级放大装置中的光纤的 纤芯直径为4微米；所述第三级放大装置中的光纤的纤芯直径与所述第二级放大装置中的 光纤的纤芯直径的比例为2 ;所述第二级放大装置中的光纤的纤芯直径与所述第一级放大 装置中的光纤的纤芯直径的比例为1. 5,前者大于后者，这样有利于获得一个较大的峰值功 率。优选的，所述第一级放大装置设置单模泵浦激光器。
[0032] 例如，如图6所示，一种光纤激光器，其包括顺序连接的任一上述种子源、第一级 放大装置、第二级放大装置、第三级放大装置以及隔离输出装置；其中，所述第一级放大装 置设置单模泵浦激光器，以及顺序连接的隔离器、泵浦合束器、掺镱单包层光纤；所述单模 泵浦激光器连接所述泵浦合束器的一输入端；所述种子源通过所述隔离器连接所述泵浦合 束器的另一输入端；所述掺镱单包层光纤连接所述第二级放大装置；所述第二级放大装置 设置一泵浦激光器，以及顺序连接的隔离器、ASE (放大自发辐射)滤波器、掺镱双包层光纤、 泵浦合束器；所述泵浦激光器连接所述泵浦合束器的一输入端；所述泵浦合束器的输出端 连接所述第三级放大装置；并且，所述第三级放大装置也设置一泵浦激光器，以及顺序连接 的隔离器、ASE滤波器、掺镱双包层光纤、泵浦合束器；所述泵浦激光器连接所述泵浦合束 器的一输入端；所述泵浦合束器的输出端连接所述隔离输出装置。优选的，所述第一级放 大装置设置第一泵浦激光器，以及顺序连接的第一隔离器、第一泵浦合束器、掺镱单包层光 纤；所述第一泵浦激光器连接所述第一泵浦合束器的一输入端；所述种子源通过所述第一 隔离器连接所述第一泵浦合束器的另一输入端；所述掺镱单包层光纤连接所述第二级放大 装置。优选的，所述第二级放大装置设置第二泵浦激光器，以及顺序连接的二隔离器、第一 放大自发辐射滤波器、第一掺镱双包层光纤、第二泵浦合束器；所述第二泵浦激光器连接所 述第二泵浦合束器的一输入端；所述第二泵浦合束器的输出端连接所述第三级放大装置。 优选的，所述第三级放大装置设置第三泵浦激光器，以及顺序连接的第三隔离器、第二放大 自发辐射滤波器、第二掺镱双包层光纤、第三泵浦合束器；所述第三泵浦激光器连接所述第 三泵浦合束器的一输入端；所述第三泵浦合束器的输出端连接所述第三级放大装置。
[0033] 优选的，所述掺镱单包层光纤、所述第一掺镱双包层光纤、所述第二掺镱双包层光 纤的纤芯的直径依次增大。
[0034] 例如，如图7所示，一种光纤激光器，其包括顺序连接的任一上述种子源、第一级 放大装置、第二级放大装置、第三级放大装置以及隔离输出装置；其中，所述第一级放大装 置设置第一泵浦激光器，以及顺序连接的第一隔离器、第一泵浦合束器、掺镱单包层光纤； 所述第一泵浦激光器连接所述第一泵浦合束器的一输入端；所述种子源通过所述第一隔离 器连接所述第一泵浦合束器的另一输入端；所述掺镱单包层光纤连接所述第二级放大装 置；所述第二级放大装置设置第二泵浦激光器，以及顺序连接的第二隔离器、第一放大自发 辐射滤波器、第一掺镱双包层光纤、第二泵浦合束器；所述第二泵浦激光器连接所述第二泵 浦合束器的一输入端；所述第二泵浦合束器的输出端连接所述第三级放大装置；并且，所 述第三级放大装置设置第三泵浦激光器，以及顺序连接的第三隔离器、第二放大自发辐射 滤波器、第二掺镱双包层光纤、第三泵浦合束器；所述第三泵浦激光器连接所述第三泵浦合 束器的一输入端；所述第三泵浦合束器的输出端连接所述隔离输出装置。
[0035] 这样，从SESAM锁模产生的皮秒脉冲通过三级放大，脉冲能量由小到大。在最终输 出端达到至少100KW以上的峰值，从而实现高功率输出；其中，三级放大中的光纤纤芯的直 径是逐步增大，具体大小可以基于不同的光纤供应商进行选择。从而达到较高的峰值功率。 例如，第一级采用5 μ m芯径光纤，第二级采用7 μ m，第三级采用30 μ m。又如，第一级采用 6 μ m芯径光纤，第二级采用20 μ m，第三级采用30 μ m，此时对应的峰值功率为第一级达到 10W以上，第二级1KW以上，第三级100KW以上。现有技术采用非全光纤结构，比如说第三级 放大采用的是PCF晶体光纤；或者其锁模元器件不是采用SESAM，因此在工业应用上的稳定 性要求很难满足生产的要求。
[0036] 本发明各实施例所述光纤激光器，与DPSS激光器相比，具有低能耗，无需预热，免 维护等优点，与其他锁模光纤激光器相比，具有高峰值功率，稳定性高，可用来进行工业加 工以及批量生产制造。与采用其他方式相比，例如碳纳米管或是M 〇S2等，SESAM具有该可 饱和吸收体的性能稳定，可以商业化批量采购，在技术的批量实现上没有障碍，市场前景很 好。
[0037] 又如，所述第一级放大装置以及所述第二级放大装置之间，和/或，所述第二 级放大装置以及所述第三级放大装置之间，还设置波分复用（Wavelength Division Multiplexing, WDM)装置；所述波分复用装置的输入端还连接一激光二极管，用于输出预 设波长激光。例如，采用640nm LD输出波长为640nm的可见引导激光，LD就是所谓的激光 二极管，在半导体激光器中起泵浦作用的。同时它也是一种激光器可发出激光。这样，在 ΜΟΡΑ型激光器中，第一级放大装置与第二级放大装置之间，和/或，所述第二级放大装置以 及所述第三级放大装置之间，设置一波分复用及输出引导激光的激光二极管。优选的，各级 放大装置之间的光纤采用单模光纤熔接设置所述波分复用装置；这样，在此熔接加入WDM， WDM对原光路几乎不会增加插损，经测试损耗低于0. 3dB，并可以使得640nm的红光在此耦 合进入光路，解决了红外光光纤系统中引入可见红光的问题。优选的，考虑到光路最后的输 出隔离器对红光会产生很大损耗，因此应对其作针对性改良，例如，在隔离器内部增加镀膜 层，使其对640nm增透，降低红光插损。所述激光二极管输出预设波长激光，其中，所述预设 波长激光为可见波长范围的激光，即可见激光。优选的，所述激光二极管用于输出640nm激 光。或者，根据实际情况，所述激光二极管包括各种类型的激光二极管，输出预设波长激光。 优选的，各级放大装置中的隔离器内部设置640nm增透膜层。例如，所述第二级放大装置和 /或所述第三级放大装置中的隔离器内部设置640nm增透膜层。优选的，所述增透膜层镀 膜设置。例如，所述增透膜层为镀膜层。这样，在光路中设置WDM作为耦合进红光的位置并 利用WDM进行红光耦合，还在最终隔离器进行改良，大大降低了引导红光的损耗，采用本发 明各实施例，不用单独作红光光路校准，可以与原光路同轴；不影响原光路输出的功率；并 且，现有技术在激光输出外加入引导红光时，会造成原光路约10%的损耗，而用本发明各实 施例则基本上没有这个损耗。
[0038] 进一步地，本发明的实施例还包括，上述各实施例的各技术特征，相互组合形成的 光纤激光器及其种子源，通过采用SESAM作为皮秒脉冲种子源，通过三级放大做出的高功 率全光纤脉冲激光器，功率高，脉宽窄，可以到几十皮秒，例如20皮秒或30皮秒等。
[0039] 需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例， 均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加 以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【权利要求】
1. 一种光纤激光器的种子源，其特征在于，包括泵浦激光器以及激光腔； 所述激光腔包括全保偏器件及保偏光纤； 所述激光腔中还设置一半导体可饱和吸收体，所述半导体可饱和吸收体内置一反射 镜。
2. 根据权利要求1所述种子源，其特征在于，所述激光腔中的泵浦激光器为单模泵浦 激光器。
3. 根据权利要求2所述种子源，其特征在于，所述单模泵浦激光器的中心波长为 976nm〇
4. 根据权利要求3所述种子源，其特征在于，所述光纤耦合器的输出脉冲的中心波长 为 1064nm。
5. 根据权利要求4所述种子源，其特征在于，所述光纤为掺镱光纤。
6. -种光纤激光器，其特征在于，包括顺序连接的如权利要求1至5任一所述种子源、 第一级放大装置、第二级放大装置、第三级放大装置以及隔离输出装置。
7. 根据权利要求6所述光纤激光器，其特征在于，所述第一级放大装置、所述第二级放 大装置、所述第三级放大装置中均设置掺镱光纤。
8. 根据权利要求7所述光纤激光器，其特征在于，所述第一级放大装置、所述第二级放 大装置、所述第三级放大装置中的各光纤的纤芯直径依次增大。
9. 根据权利要求8所述光纤激光器，其特征在于，所述第一级放大装置、所述第二级放 大装置、所述第三级放大装置中的各光纤的纤芯直径分别为6微米、20微米、30微米。
10. 根据权利要求9所述光纤激光器，其特征在于，所述第一级放大装置设置单模泵浦 激光器。
【文档编号】H01S3/067GK104158080SQ201410418092
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月22日 优先权日:2014年8月22日
【发明者】刘猛, 沈平, 张梦, 成学平 申请人:穆林冉