一种飞秒光纤激光器及其工作方法与流程

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种飞秒光纤激光器及其工作方法。

背景技术：

近年来，随着光纤激光技术的进步，基于超短脉冲光纤激光器构建的系统由于具有紧凑化结构、较高的转化效率以及长期稳定运转等特性，被广泛应用于众多应用研究领域，其中以光纤飞秒激光器的应用研究最为典型。光纤激光以高效率、易集成、优异的光束质量等特性在激光技术发展中迅速崛起，成为学术界和产业界的热点研究课题。飞秒光纤激光技术的多领域应用与潜在发展，对激光器输出性能也提出了更高要求，需要兼具高激光功率与高可靠性等特性。

目前光纤工业市场上为了在单光纤中实现高功率激光输出，多采用主振荡功率放大结构的光纤激光器，它包括：种子激光发射部分和功率放大部分，但存在诸多缺点。首先，需要复杂控制系统，例如，激光开启时必须先开启种子激光，当种子激光稳定后，才能开启功率放大级；在激光关闭时，必须先关闭功率放大级，确定完成后，才能关闭种子激光。如果操作错误、者控制系统出错或者温度过高，将导致功率放大级中产生较强的激光自生振荡，烧坏增益光纤，甚至烧坏全部光路器件。其次，在种子激光光源和功率放大级中分别使用泵浦半导体激光器，并使用不同的驱动电路和复杂的控制电路，导致成本增加。再次，因在种子光源和功率放大级之间使用泵浦/信号光纤合束器，不容易实现注入信号光纤与输出光纤的纤芯模场匹配，限制了光纤的输出功率。因此，亟需一种解决上述问题的飞秒光纤激光器的出现。

技术实现要素：

有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种能够实现高平均功率稳定输出的飞秒光纤激光输出，同时也保证了装置的结构简单性与电路安全性的飞秒激光器。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种飞秒光纤激光器，包括：自锁模光纤振荡器、泵浦模块、第一有源光纤、第一布拉格光栅、第二有源光纤、保偏光纤及放大器，所述第二有源光纤包层刻有第二布拉格光栅；其中：

所述自锁模光纤振荡器产生并输出第一飞秒脉冲激光束，所述第一飞秒脉冲激光束通过保偏光纤进入所述泵浦模块形成泵浦光，所述泵浦光进入所述的第一有源光纤并在所述第一布拉格光栅和所述第二布拉格光栅形成的谐振器内振荡形成第二飞秒脉冲激光束，所述第二飞秒脉冲激光束通过所述第二布拉格光栅传输至所述放大器进行功率放大后形成第三飞秒脉冲激光束，所述第三飞秒脉冲激光束并输出至所述自锁模光纤振荡器，所述自锁模光纤振荡器接收并输出预定能量的飞秒激光束。

在其中一些实施例中，所述的自锁模光纤振荡器为全光纤振荡器。

在其中一些实施例中，所述的泵浦模块为二极管泵浦。

在其中一些实施例中，所述保偏光纤为单模场光子晶体光纤，模场直径为9.2±0.5μm。

在其中一些实施例中，所述有源光纤内均掺有增益离子。

在其中一些实施例中，所述增益离子为钕、镱、铒、铥、钬、镝或镨中的一种或多种。

在其中一些实施例中，所述有源光纤纤芯直径为6.2±0.5μm，模场直径为9.2±0.5μm。

在其中一些实施例中，所述第一布拉格光栅的反射率等于或高于所述第二布拉格光栅，所述第二布拉格光栅为再生型啁啾体布拉格光栅。

在其中一些实施例中，所述第一有源光纤纤芯直径小于所述第二有源光纤的纤芯直径，所述第一有源光纤包层直径大于所述第二有源光纤的包层直径。

在其中一些实施例中，所述第一飞秒脉冲激光束的波长为1030nm±5nm，脉冲宽度小于500fs，脉冲频率100-200khz，脉冲能量20μj，光束直径3±1μm，光束质量m2<1.2，脉冲能量稳定性<2％rms，平均功率为2.5w，峰值功率为>40mw。

此外，本发明还提供了一种所述的一种飞秒光纤激光器的工作方法，包括下述步骤：

所述自锁模光纤振荡器产生并输出第一飞秒脉冲激光束；

所述第一飞秒脉冲激光束通过保偏光纤进入所述泵浦模块形成泵浦光；

所述泵浦光进入所述的第一有源光纤并在所述第一布拉格光栅和所述第二布拉格光栅形成的谐振器内振荡形成第二飞秒脉冲激光束；

所述第二飞秒脉冲激光束通过所述第二布拉格光栅传输至所述放大器进行功率放大后形成第三飞秒脉冲激光束；

所述第三飞秒脉冲激光束并输出至所述自锁模光纤振荡器，所述自锁模光纤振荡器接收并输出预定能量的飞秒激光束。

本发明采用上述技术方案的优点是：

本发明提供的飞秒光纤激光器，所述自锁模光纤振荡器产生并输出第一飞秒脉冲激光束，所述第一飞秒脉冲激光束通过保偏光纤进入所述泵浦模块形成泵浦光，所述泵浦光进入所述的第一有源光纤并在所述第一布拉格光栅和所述第二布拉格光栅形成的谐振器内振荡形成第二飞秒脉冲激光束，所述第二飞秒脉冲激光束通过所述第二布拉格光栅传输至所述放大器进行功率放大后形成第三飞秒脉冲激光束，所述第三飞秒脉冲激光束并输出至所述自锁模光纤振荡器，所述自锁模光纤振荡器接收并输出预定能量的飞秒激光束，本发明提供的飞秒光纤激光器具有特殊腔体结构，无需光路机械调整，能够实现高平均功率稳定输出的飞秒光纤激光输出，同时也保证了装置的结构简单性与电路安全性；能够光学元器件的使用数量，减少无源光纤的使用，抑制非线性效应，降低了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明提供的飞秒光纤激光器的结构示意图。

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它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1，为本发明提供的一种飞秒光纤激光器的结构示意图，包括：自锁模光纤振荡器110、泵浦模块120、第一有源光纤130、第一布拉格光栅140、第二有源光纤150、保偏光纤160及放大器170，所述第二有源光纤150包层刻有第二布拉格光栅。

具体地，所述保偏光纤160置于所述自锁模光纤振荡器110和所述泵浦模块120之间，所述第一有源光纤130置于所述第一布拉格光栅140和所述第二有源光纤150之间，自锁模光纤振荡器110、保偏光纤160、泵浦模块120、第一有源光纤130、第一布拉格光栅150、第二有源光纤160及放大器170依次无缝熔接构成全光纤环腔。

可以理解，单模结构的全光纤环腔也起到激光传感器作用，可以提高飞秒光纤激光器的精密度和稳定性。

上述飞秒光纤激光器的工作原理如下：

所述自锁模光纤振荡器110产生并输出第一飞秒脉冲激光束，所述第一飞秒脉冲激光束通过保偏光纤进入所述泵浦模块形成泵浦光，所述泵浦光进入所述的第一有源光纤并在所述第一布拉格光栅和所述第二布拉格光栅形成的谐振器内振荡形成第二飞秒脉冲激光束，所述第二飞秒脉冲激光束通过所述第二布拉格光栅传输至所述放大器进行功率放大后形成第三飞秒脉冲激光束，所述第三飞秒脉冲激光束并输出至所述自锁模光纤振荡器，所述自锁模光纤振荡器接收并输出预定能量的飞秒激光束。

可以理解，本发明提供的全光纤环腔替代传统激光器中的腔镜，构成谐振腔，无需后期调整和维护光路，对环境变化有很强的抗干扰能力，提高了系统的稳定性。

进一步地，所述的自锁模光纤振荡器110为全光纤振荡器。可以理解，本发明采用全光纤振荡器实现高平均功率与高峰值功率飞秒输出，显著提升锁模激光输出平均功率与峰值功率，有效降低锁模阈值，保证获取高光束质量的飞秒脉冲。

在一些实施例中，所述的泵浦模块120为二极管泵浦并作为后续光学器件的泵浦。

具体地，所述的保偏光纤160接收从所述的自锁模光纤振荡器110输出的飞秒种子脉冲激光束，所述的泵浦模块120进行再生放大并输出至所述的第一有源光纤130进行增益，从而实现脉冲功率的放大，提高了飞秒脉冲激光器输出的脉冲激光的平均功率，其具有高的泵浦吸收效率，在具有大模场直径的同时保持单模输出，减小非线性效果，使得输出激光保持高光束质量。

可以理解，本发明采用以种子/泵浦光纤耦合器，通过泵浦光的作用，在光纤内形成高功率密度，从纤芯输出激光，对种子飞秒脉冲进行高增益，无畸变放大。

进一步地，在一些较佳的实施例中，所述保偏光纤为单模场光子晶体光纤，长度为50-100cm，模场直径为9.2±0.5μm。

可以理解，采用一段较长的全保偏光纤，可有效降低飞秒脉冲激光器的调节难度，简化飞秒脉冲激光器的结构，缩小激光器体积，减少空间光器件的使用，提高飞秒脉冲激光器的长期稳定性，有利于实现批量产品化。

在其中一些实施例中，所述第一有源光纤130及第二有源光纤160内均掺有增益离子，所述增益离子为钕、镱、铒、铥、钬、镝或镨中的一种或多种，所述第一有源光纤130纤芯直径小于所述第二有源光纤160的纤芯直径，所述第一有源光纤130包层直径大于所述第二有源光纤160的包层直径。

在其中一些实施例中，所述第一布拉格光栅150的反射率等于或高于所述第二布拉格光栅，所述第二布拉格光栅为再生型啁啾体布拉格光栅。

可以理解，所述第一布拉格光栅130和所述第二有源光纤160组成一个谐振器，所述第一有源光纤130和谐振器相当于种子光振荡级，泵浦光在所述第一有源光纤130和谐振器中会变成种子激光。

在其中一些实施例中，所述第一飞秒脉冲激光束的波长为1030nm±5nm，脉冲宽度小于500fs，脉冲频率100-200khz，脉冲能量20μj，光束直径3±1μm，光束质量m2<1.2，脉冲能量稳定性<2％rms，平均功率为2.5w，峰值功率为>40mw。

可以理解，上述参数可根据实际需要进行调整。

本发明提供上述实施例提供的飞秒光纤激光器具有特殊腔体结构，无需光路机械调整，能够实现高平均功率稳定输出的飞秒光纤激光输出，同时也保证了装置的结构简单性与电路安全性；能够光学元器件的使用数量，减少无源光纤的使用，抑制非线性效应，降低了成本。

实施例2

本发明还提供了一种实施例1所述的一种飞秒光纤激光器的工作方法，包括下述步骤：

步骤s110：所述自锁模光纤振荡器110产生并输出第一飞秒脉冲激光束；

步骤s120：所述第一飞秒脉冲激光束通过保偏光纤160进入所述泵浦模块120形成泵浦光；

步骤s130：所述泵浦光进入所述的第一有源光纤130并在所述第一布拉格光栅140和所述第二布拉格光栅形成的谐振器内振荡形成第二飞秒脉冲激光束；

步骤s140：所述第二飞秒脉冲激光束通过所述第二布拉格光栅传输至所述放大器170进行功率放大后形成第三飞秒脉冲激光束；

步骤s150：所述第三飞秒脉冲激光束并输出至所述自锁模光纤振荡器110，所述自锁模光纤振荡器110接收并输出预定能量的飞秒激光束。

本发明提供上述实施例提供的飞秒光纤激光器具有特殊腔体结构，无需光路机械调整，能够实现高平均功率稳定输出的飞秒光纤激光输出，同时也保证了装置的结构简单性与电路安全性；能够光学元器件的使用数量，减少无源光纤的使用，抑制非线性效应，降低了成本。

当然本发明的飞秒光纤激光器还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。