单晶光纤超短脉冲放大系统共轴调节方法与流程

本发明涉及大能量超短脉冲激光放大系统领域，更具体地说，涉及单晶光纤超短脉冲放大系统共轴调节方法。

背景技术：

高能超短脉冲与物质相互作用过程中，由于其具有热效应小，加工材料孔径周围几乎没有熔融区，对加工材料无选择性等特点，使得高能超短脉冲激光目前已经用于超精细的刻蚀，微光子器件的制造，医学心脏支架的制造，高精度的微孔加工等，突破了加工领域能设计，不能加工的技术现状。目前的高能的超短脉冲放大系统，根据增益介质的不同，主要有板条放大器，碟片放大器，光纤放大器，单晶光纤放大器等。板条放大和碟片放大技术，由于增益介质模场面积大，系统非线性弱，有利于大能量超短脉冲放大，但是这两种放大方式系统复杂，板条放大一般需要借助于多通放大技术和光束整形，而碟片放大一般需要借助于再生放大结构，而且，增益介质散热封装要求高，光束质量难于控制，环境适应性较差。而光纤激光放大结构，信号可以单次串行放大，结构简单，光纤的表面体积比大，散热容易，而且光纤的波导结构，保证了光纤放大输出优异的光束质量，但是放大过程中的非线性强是光纤放大器的一大缺点，也是限制高能超短脉冲放大输出的瓶颈。单晶光纤放大特点介于光纤和固体之间，是一种新型的放大技术，其增益介质特点为直径为百μm到1mm，长度为几十mm，细棒增益介质侧面具有很高的光洁度，在放大的过程中，其信号在单晶光纤中自由传播，而泵浦激光在单晶光纤中可以实现如同光纤内的波导式传播，这样的特点，决定了该放大器较传统的晶体棒放大方式，具有更高的增益和能量提取效率，同时，其细长的结构使得在高功率泵浦的情况下，单晶光纤具有更加好的散热效果和良好的光束质量输出。因此可以采用相对简单的单通、双通或者四通放大结构，实现高增益的放大。同时，由于其模场面积较光纤有了显著的提升，并且其长度相对光纤有了明显的变短，放大过程中，非线性积累明显降低，可以实现大能量的飞秒放大输出，因此可以说，单晶光纤放大兼具了固体放大介质的高能输出能力和光纤放大介质的高增益高光束质量放大特点。但是，如何实现单晶光纤的有效放大，其中一个很重要的问题就是要解决单晶光纤放大过程中，激光信号，泵浦信号，和单晶光纤三者精密共轴的调节。只有实现了泵浦、信号以及单晶光纤的精密共轴，才有可能实现高增益高光束质量的放大输出，同时也是防止晶体损伤出现的一个重要的保障。

单晶光纤本身的直径仅1mm，而长度相对较长，为几十mm，如果信号激光、泵浦激光和单晶光纤没有做到精密共轴，首先会造成信号激光和泵浦激光的模式重叠率下降，造成放大增益降低，同时，如果信号在侧壁有反射的话，会严重影响放大输出的光束质量。目前信号激光的调节通常依赖于穿过晶体的功率和光斑模式来判断，这样的判断标准是不充分的，一般在放大过程中，信号激光被准直到几百μm，其穿过单晶光纤的过程中，与晶体的共轴偏差不是很大的话，穿过晶体的功率和光斑模式都不会产生明显的区别。因此，依赖于穿过晶体的功率和光斑模式来判断共轴，其调节精度是不足的，也无法保证最终的放大效率。

技术实现要素：

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供单晶光纤超短脉冲放大系统共轴调节方法，它可以实现单晶光纤，信号激光，泵浦激光三者的严格共轴，以此来保证放大增益和放大输出的光束质量，并降低高峰值功率密度的信号激光造成的单晶光纤的损伤问题。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

单晶光纤超短脉冲放大系统共轴调节方法，包括以下调节步骤：

s1、从前至后依次放置好he-ne激光器、第一反射镜组、单晶光纤和小孔光阑组，所述第一反射镜组包括第一反射镜和第二反射镜，且第一反射镜和第二反射镜上下对称设置，所述单晶光纤放置于水冷睡式c型放置槽中，所述小孔光阑组从前至后依次包括前置小孔光阑和后置小孔光阑；

采用准直性能良好的he-ne激光作为导引光，第一反射镜和第二反射镜负责对he-ne激光器的反射和高低俯仰的调节，实现he-ne激光注入单晶光纤的精密共轴调节；

s2、对第一反射镜和第二反射镜进行高低俯仰调节，与单晶光纤进行共轴调节，调节好之后，确定好前置小孔光阑和后置小孔光阑；安装好两个小孔光阑，光阑直径1mm，两个光阑之间的距离可以控制在较大距离，比如1m，让穿过单晶光纤的he-ne激光能量中心穿过光阑，靠这两个光阑点确定信号激光入射方向；

s3、撤掉he-ne激光器、第一反射镜和第二反射镜，在单晶光纤远离小孔光阑组的一侧放置第一二维调整架组，所述第一二维调整架组包括二维调整架一和二维调整架二，且二维调整架二和二维调整架一上下平行设置，将准直好的信号激光在小信号条件下，通过装有信号激光高反镜的第一二维调整架组导入晶体，通过高低左右调节，使得信号激光通过晶体后依次通过前置小孔光阑和后置小孔光阑的正中心，完成信号和激光的准直注入；

s4、完成信号和晶体的共轴耦合，信号穿出晶体后，撤掉小孔光阑组并将第一二维调整架组替换为第二二维调整架组，所述第二二维调整架组包括二维调整架三和二维调整架四，且二维调整架四和二维调整架三同样上下平行设置，在单晶光纤前侧放置泵浦ld，在泵浦ld与单晶光纤之间插入45°双色镜，(信号激光高反，泵浦激光高透)，将信号光反射出去，这时就可以加大注入信号，由于信号高反，并不是100％高反，所以在双色镜后面可以穿过很小的信号光，这样就可以利用该信号激光作为导引光，高低左右调节泵浦ld确定出光方向，使得泵浦光和信号光在传播过程中都能共轴传播；然后插入泵浦耦合透镜组中的准直透镜，(泵浦ld、准直透镜和聚焦透镜共同组成泵浦耦合透镜组)其中3-5准直透镜具有安装于高达左右可调的二维透镜调整架之中，上下左右调整准直透镜，使得泵浦激光通过准直透镜中心，通过前后移动准直透镜的位置，使得经过准直透镜之后的泵浦激光近准直输出，并保持和信号光的共轴传播；然后加入聚焦透镜，完成泵浦ld的聚焦，聚焦之后注入到单晶光纤内，完成信号激光、泵浦激光、单晶光纤的三维精密共轴。

本方案可以实现单晶光纤，信号激光，泵浦激光三者的严格共轴，以此来保证放大增益和放大输出的光束质量，并降低高峰值功率密度的信号激光造成的单晶光纤的损伤问题。

进一步的，s1中，所述he-ne激光器的光斑直径大于单晶光纤的直径。

进一步的，所述单晶光纤的长度为几十mm，直径为几百μm到一mm。

进一步的，所述小孔光阑和后置小孔光阑的光阑直径均为1-2mm，所述小孔光阑和后置小孔光阑之间的距离为1m，在设置上，采用两个光阑的距离越大越好，这样可以保证较高的调节精度。

进一步的，s2中，对第一反射镜和第二反射镜进行高低俯仰调节的调节标准为穿过单晶光纤的he-ne激光的能量分布，出现明显的环状的光斑(内部没有激光能量)或者能量分布偏心(环上能量分布不均)则需要进行优化处理，优化处理包括：光在单晶光纤中仰着传播，那么第一反射镜的调整架需要往下压光的传播方向，同时第二反射镜需要往上抬光的传播方向，每次小量调节，多次逼近，根据穿过激光的能量分布来判断方向是不是正确，如果能量越来越往环状光斑内部集中，方向就是正确的，反之，第一反射镜和第二反射镜的俯仰反过来调节。高低优化完成后，同理进行左右方向的优化。最终优化完成后，可以看到穿过单晶光纤的光斑是一个中心激光能量非常集中的光点，并且可以看见微弱的对称的衍射环存在于能量的中心。

进一步的，所述单晶光纤由内而外依次包括单晶光纤纤芯、单晶光纤包层和单晶光纤涂覆层，所述单晶光纤涂覆层表面包裹有疏水浮层，所述疏水浮层采用改性导热硅胶材料制作而成，一方面可使得单晶光纤稳定散热，另一方面，利用疏水浮层的浮力可使得单晶光纤在冷却水中始终保持水平状态，无需人工干预调节，所述水冷睡式c型放置槽中放置有冷却水，水冷睡式c型放置槽中放置的冷却水可辅助单晶光纤更好的散热，降低单晶光纤纤芯的温度，提高信号激光输出功率。

进一步的，所述水冷睡式c型放置槽内底端固定连接有微型温度传感器，所述水冷睡式c型放置槽上端固定连接有警示灯，且警示灯与微型温度传感器之间通过控制器电性连接，微型温度传感器可监测水冷睡式c型放置槽中冷却水的温度，当单晶光纤在长时间使用过程中出现过度发热现象，热量通过冷却水被微型温度传感器检测到超过其自身的人工预设值时，通过控制器控制警示灯工作，提醒操作人员及时采取应对措施，如停止调节。

进一步的，所述单晶光纤采用微下拉方法制备，使用的原料非常少(通常只需几克)，生长速度快；贵金属坩埚小，坩埚后处理简单，光纤直径从微米至毫米可调,晶体(截面)形状可控，同时生长多条光纤。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本方案可以实现单晶光纤，信号激光，泵浦激光三者的严格共轴，以此来保证放大增益和放大输出的光束质量，并降低高峰值功率密度的信号激光造成的单晶光纤的损伤问题。

(2)小孔光阑和后置小孔光阑的光阑直径均为1-2mm，小孔光阑和后置小孔光阑之间的距离为1m，在设置上，采用两个光阑的距离越大越好，这样可以保证较高的调节精度。

(3)单晶光纤由内而外依次包括单晶光纤纤芯、单晶光纤包层和单晶光纤涂覆层，单晶光纤涂覆层表面包裹有疏水浮层，疏水浮层采用改性导热硅胶材料制作而成，一方面可使得单晶光纤稳定散热，另一方面，利用疏水浮层的浮力可使得单晶光纤在冷却水中始终保持水平状态，无需人工干预调节，水冷睡式c型放置槽中放置有冷却水，水冷睡式c型放置槽中放置的冷却水可辅助单晶光纤更好的散热，降低单晶光纤纤芯的温度，提高信号激光输出功率。

(4)水冷睡式c型放置槽内底端固定连接有微型温度传感器，水冷睡式c型放置槽上端固定连接有警示灯，且警示灯与微型温度传感器之间通过控制器电性连接，微型温度传感器可监测水冷睡式c型放置槽中冷却水的温度，当单晶光纤在长时间使用过程中出现过度发热现象，热量通过冷却水被微型温度传感器检测到超过其自身的人工预设值时，通过控制器控制警示灯工作，提醒操作人员及时采取应对措施，如停止调节。

附图说明

图1为本发明调节好信号和晶体共轴的光路结构示意图；

图2为本发明的单晶光纤信号耦合结构示意图；

图3为本发明的信号激光和单晶光纤精密共轴示意图结构示意图；

图4为本发明穿过晶体的he-ne激光光斑形状示意图；

图5为本发明的单晶光纤放置于水冷睡式c型放置槽中状态下的结构示意图；

图6为本发明的单晶光纤的截面结构示意图。

图中标号说明：

1-1he-ne激光器、1-2第一反射镜、1-3第二反射镜、1-4单晶光纤、1-4-1单晶光纤纤芯、1-4-2单晶光纤包层、1-4-3单晶光纤涂覆层、1-4-4疏水浮层、1-5前置小孔光阑、1-6后置小孔光阑、2-1二维调整架一、2-2二维调整架二、3-1二维调整架三、3-2二维调整架四、3-345°双色镜、3-4聚焦透镜、3-5准直透镜、3-6泵浦ld、4水冷睡式c型放置槽、5警示灯、6微型温度传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

请参阅图1、图2和图3，单晶光纤超短脉冲放大系统共轴调节方法，包括以下调节步骤：

s1、从前至后依次放置好he-ne激光器1-1、第一反射镜组、单晶光纤1-4和小孔光阑组，第一反射镜组包括第一反射镜1-2和第二反射镜1-3，且第一反射镜1-2和第二反射镜1-3上下对称设置，请参阅图5，单晶光纤1-4放置于水冷睡式c型放置槽4中，小孔光阑组从前至后依次包括前置小孔光阑1-5和后置小孔光阑1-6；

采用准直性能良好的he-ne激光作为导引光，第一反射镜1-2和第二反射镜1-3负责对he-ne激光器1-1的反射和高低俯仰的调节，实现he-ne激光注入单晶光纤1-4的精密共轴调节；

s2、对第一反射镜1-2和第二反射镜1-3进行高低俯仰调节，与单晶光纤1-4进行共轴调节，调节好之后，确定好前置小孔光阑1-5和后置小孔光阑1-6；安装好两个小孔光阑，光阑直径1mm，两个光阑之间的距离可以控制在较大距离，比如1m，让穿过单晶光纤1-4的he-ne激光能量中心穿过光阑。靠这两个光阑点确定信号激光入射方向；

s3、撤掉he-ne激光器1-1、第一反射镜1-2和第二反射镜1-3，在单晶光纤1-4远离小孔光阑组的一侧放置第一二维调整架组，第一二维调整架组包括二维调整架一2-1和二维调整架二2-2，且二维调整架二2-2和二维调整架一2-1上下平行设置，将准直好的信号激光在小信号条件下，通过装有信号激光高反镜的第一二维调整架组导入晶体，通过高低左右调节，使得信号激光通过晶体后依次通过前置小孔光阑1-5和后置小孔光阑1-6的正中心，完成信号和激光的准直注入；

s4、完成信号和晶体的共轴耦合，信号穿出晶体后，撤掉小孔光阑组并将第一二维调整架组替换为第二二维调整架组，第二二维调整架组包括二维调整架三3-1和二维调整架四3-2，且二维调整架四3-2和二维调整架三3-1同样上下平行设置，在单晶光纤1-4前侧放置泵浦ld3-6，在泵浦ld3-6与单晶光纤1-4之间插入45°双色镜3-3，(信号激光高反，泵浦激光高透)，将信号光反射出去，这时就可以加大注入信号，由于信号高反，并不是100％高反，所以在双色镜后面可以穿过很小的信号光，这样就可以利用该信号激光作为导引光，高低左右调节泵浦ld3-6确定出光方向，使得泵浦光和信号光在传播过程中都能共轴传播；然后插入泵浦耦合透镜组中的准直透镜3-5，(泵浦ld3-6、准直透镜3-5和聚焦透镜3-4共同组成泵浦耦合透镜组)其中3-5准直透镜具有安装于高达左右可调的二维透镜调整架之中，上下左右调整准直透镜3-5，使得泵浦激光通过准直透镜3-5中心，通过前后移动准直透镜3-5的位置，使得经过准直透镜3-5之后的泵浦激光近准直输出，并保持和信号光的共轴传播；然后加入聚焦透镜3-4，完成泵浦ld3-6的聚焦，聚焦之后注入到单晶光纤1-4内，完成信号激光、泵浦激光、单晶光纤1-4的三维精密共轴。

本方案可以实现单晶光纤，信号激光，泵浦激光三者的严格共轴，以此来保证放大增益和放大输出的光束质量，并降低高峰值功率密度的信号激光造成的单晶光纤1-4的损伤问题。

s1中，he-ne激光器1-1的光斑直径大于单晶光纤1-4的直径。

单晶光纤1-4的长度为几十mm，直径为几百μm到一mm。

小孔光阑1-5和后置小孔光阑1-6的光阑直径均为1-2mm，小孔光阑1-5和后置小孔光阑1-6之间的距离为1m，在设置上，采用两个光阑的距离越大越好，这样可以保证较高的调节精度。

s2中，对第一反射镜1-2和第二反射镜1-3进行高低俯仰调节的调节标准为穿过单晶光纤1-4的he-ne激光的能量分布，出现明显的环状的光斑(内部没有激光能量)或者能量分布偏心(环上能量分布不均)则需要进行优化处理，优化处理包括：光在单晶光纤1-4中仰着传播，那么第一反射镜1-2的调整架需要往下压光的传播方向，同时第二反射镜1-3需要往上抬光的传播方向，每次小量调节，多次逼近，根据穿过激光的能量分布来判断方向是不是正确，如果能量越来越往环状光斑内部集中，方向就是正确的，反之，第一反射镜1-2和第二反射镜1-3的俯仰反过来调节。高低优化完成后，同理进行左右方向的优化。最终优化完成后，请参阅图4，可以看到穿过单晶光纤1-4的光斑是一个中心激光能量非常集中的光点，并且可以看见微弱的对称的衍射环存在于能量的中心。

请参阅图6，单晶光纤1-4由内而外依次包括单晶光纤纤芯1-4-1、单晶光纤包层1-4-2和单晶光纤涂覆层1-4-3，单晶光纤涂覆层1-4-3表面包裹有疏水浮层1-4-4，疏水浮层1-4-4采用改性导热硅胶材料制作而成，一方面可使得单晶光纤1-4稳定散热，另一方面，利用疏水浮层1-4-4的浮力可使得单晶光纤1-4在冷却水中始终保持水平状态，无需人工干预调节，水冷睡式c型放置槽4中放置有冷却水，水冷睡式c型放置槽4中放置的冷却水可辅助单晶光纤1-4更好的散热，降低单晶光纤纤芯1-4-1的温度，提高信号激光输出功率。

请参阅图5，水冷睡式c型放置槽4内底端固定连接有微型温度传感器6，水冷睡式c型放置槽4上端固定连接有警示灯5，且警示灯5与微型温度传感器6之间通过控制器电性连接，微型温度传感器6可监测水冷睡式c型放置槽4中冷却水的温度，当单晶光纤1-4在长时间使用过程中出现过度发热现象，热量通过冷却水被微型温度传感器6检测到超过其自身的人工预设值时，通过控制器控制警示灯5工作，提醒操作人员及时采取应对措施，如停止调节。

单晶光纤1-4采用微下拉方法制备，使用的原料非常少(通常只需几克)，生长速度快；贵金属坩埚小，坩埚后处理简单，光纤直径从微米至毫米可调,晶体(截面)形状可控，同时生长多条光纤。

相较于传统技术中单晶光纤超短脉冲放大系统共轴调节方法依赖于穿过晶体的功率和光斑模式来判断共轴，其调节精度不足，无法保证最终的放大效率的问题，本发明可以实现单晶光纤，信号激光，泵浦激光三者的严格共轴，以此来保证放大增益和放大输出的光束质量，并降低高峰值功率密度的信号激光造成的单晶光纤的损伤问题；将单晶光纤1-4放置于水冷睡式c型放置槽4中，水冷睡式c型放置槽4中放置的冷却水可辅助单晶光纤1-4更好的散热，降低单晶光纤纤芯1-4-1的温度，提高信号激光输出功率，且在单晶光纤1-4表面包裹采用改性导热硅胶材料制作而成的疏水浮层1-4-4，一方面可使得单晶光纤1-4稳定散热，另一方面，利用疏水浮层1-4-4的浮力可使得单晶光纤1-4在冷却水中始终保持水平状态，无需人工干预调节。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。