专利名称：高脉冲能量包层泵浦超快光纤激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高脉冲能量包层泵浦超快光纤激光器，属于激光技术和非线性光学领域。
背景技术：
光纤激光器具有体积小、重量轻、转换效率高、输出光束质量好等优点，近年来得到了迅猛发展。而高功率光纤激光器，特别是高功率超短脉冲光纤激光器，通常由低功率种子源和多级功率放大器组成，英文通称缩写为MOPA(Master Oscillator Power Amplifier)。低功率种子源决定了激光输出的波长、脉宽、重复频率等关键性能，而功率放大器决定了激光输出的峰值功率、平均功率和脉冲能量等。目前超短脉冲光纤激光种子源都是使用单模半导体激光器泵浦，由于单模半导体激光器的输出功率小于瓦级水平，因此超短脉冲光纤激光种子源的单脉冲能量一般在皮焦(PJ)量级，最高也只有几十个纳焦 (nj)。为了得到更高的单脉冲能量(μ J或mj)，往往需要对光纤激光种子光进行多级放大，而放大过程不仅增加了激光系统的成本而且会对脉冲的性能及激光系统的稳定性造成一定的影响，很大程度上限制了超短脉冲光纤激光器的产业化应用。因此，直接从光纤激光振荡级获得高脉冲能量的超短激光脉冲输出有着非常重大的现实意义。然而多模半导体激光器泵浦双包层光纤或光子晶体光纤使超短脉冲光纤激光器单脉冲能量提高几个数量级 (几百nj)成为一种可能。泵浦光在双包层光纤的内包层传输过程中不断被掺稀土离子的纤芯吸收而得到放大，最终获得高脉冲能量的超短激光脉冲输出。
发明内容
多模半导体激光器作为光纤激光器的抽运源具有输出功率大、价格低廉以及稳定性好等优势。本发明利用多模半导体激光器作为双包层掺杂光纤或光子晶体光纤的抽运源，不仅可以实现高重复频率、高脉冲能量的超短脉冲输出，而且还能减少激光放大系统的级数，提高系统稳定性的同时降低了生产成本。高脉冲能量包层泵浦超快光纤激光器不仅可以作为高功率超短脉冲激光器的种子源以及中红外激光器的泵浦源，也可直接应用于材料微加工等，有着广泛的应用前景。为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。主要包括多模半导体激光器、泵浦合束器、掺杂光纤、激光分束器、环形器、可饱和吸收体、偏振控制器、偏振相关隔离器、全反射镜、光纤光栅、偏振无关隔离器等。一种高脉冲能量包层泵浦超快光纤激光器，其特征在于多模半导体激光器连接泵浦合束器的泵浦输入端；泵浦合束器的公共端连接掺杂光纤；掺杂光纤的另一端连接激光分束器；激光分束器有两路输出，一路作为激光输出端，一路与环形器的输入端相连，可饱和吸收体位于环形器的公共端的位置；环形器的输出端连接泵浦合束器的信号端；多模半导体激光器、泵浦合束器、掺杂光纤、激光分束器、环形器、可饱和吸收体一起构成环形腔结构的超快光纤激光器，所述的可饱和吸收体采用反射式结构。
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—种高脉冲能量包层泵浦超快光纤激光器，其特征在于多模半导体激光器连接泵浦合束器的泵浦输入端；泵浦合束器的公共端连接掺杂光纤；掺杂光纤的另一端连接激光分束器；激光分束器有两路输出，一路作为激光输出端，而另一路连接偏振无关隔离器； 偏振无关隔离器的另一端连接可饱和吸收体；而可饱和吸收体的另一端与泵浦合束器的信号端连接；多模半导体激光器、泵浦合束器、掺杂光纤、激光分束器、偏振无关隔离器、可饱和吸收体一起构成环形腔结构的超快光纤激光器；所述的可饱和吸收体采用透射式结构。一种高脉冲能量包层泵浦超快光纤激光器，其特征在于多模半导体激光器连接泵浦合束器的泵浦输入端；泵浦合束器的公共端连接掺杂光纤；掺杂光纤的另一端连接激光分束器；激光分束器有两路输出，一路作为激光输出端，而另一路与偏振控制器的一端相连；偏振控制器的另一端连接偏振相关隔离器，偏振相关隔离器的另一端与偏振控制器相连；偏振控制器的另一端连接泵浦合束器的信号端，多模半导体激光器、泵浦合束器、掺杂光纤、激光分束器、偏振控制器、偏振相关隔离器一起构成环形腔结构的超快光纤激光器。一种高脉冲能量包层泵浦超快光纤激光器，其特征在于多模半导体激光器连接泵浦合束器的泵浦输入端；泵浦合束器的公共端连接掺杂光纤；掺杂光纤的另一端连接激光分束器；激光分束器有两路输出，一路作为激光输出端，而另一路与全反射镜直接耦合； 而泵浦合束器的信号端也直接与可饱和吸收体耦合，在可饱和吸收体与全反射镜之间形成线形激光谐振腔，激光分束器的输出端输出锁模脉冲激光；所述的可饱和吸收体采用反射式结构。一种高脉冲能量包层泵浦超快光纤激光器，其特征在于多模半导体激光器连接泵浦合束器的泵浦输入端；泵浦合束器的公共端连接掺杂光纤；掺杂光纤的另一端连接光纤光栅；而泵浦合束器的信号端直接与可饱和吸收体耦合，在可饱和吸收体与光纤光栅之间形成线形激光谐振腔，光纤光栅输出锁模脉冲激光；所述的可饱和吸收体采用反射式结构；所述的光纤光栅的反射率为R，l%< R < 99%。上述的多模半导体激光器的中心波长为λ，500ηπι< λ < 2000nm。上述的掺杂光纤可以为掺稀土元素(镱、铒、钬、铥等)中的一种或多种掺杂的单模光纤或大芯径多模光纤以及光子晶体光纤等。上述的可饱和吸收体可以为半导体可饱和吸收镜(SESAM)、碳纳米管(SWNT)、石墨烯(Graphene)、氧化石墨烯以及石墨烯的聚合物等。上述的激光分束器的分束比为T (1-T)，其中0<T< 1。上述的超快光纤激光器可直接使用或作为光纤放大器的种子源使用。上述的泵浦合束器、掺杂光纤、激光分束器、环形器、光纤光栅等可为保偏型或非保偏型。本发明高脉冲能量包层泵浦超快光纤激光器具有以下优点1、本发明采用多模半导体激光器包层泵浦增益光纤，由于多模半导体激光器具有价格低廉及稳定性好，因此包层泵浦有利于降低激光系统的成本和系统复杂性。2、本发明采用多模半导体激光器包层泵浦增益光纤，由于多模半导体激光器具有输出功率高，因此激光振荡级就能够产生高平均功率、高脉冲能量的超短脉冲激光输出，有利于减少激光放大系统的级数，降低生产成本，易于产业化应用。
图1为实施例1的原理结构图。
图2为实施例2的原理结构图。图3为实施例3的原理结构图。图4为实施例4的原理结构图。图5为实施例5的原理结构图。图中1、多模半导体激光器，2、泵浦合束器，3、掺杂光纤，4、激光分束器，5、环形器，6、可饱和吸收体，7、偏振控制器，8、偏振相关隔离器，9、偏振控制器，10、全反射镜，11、 光纤光栅，12、偏振无关隔离器。
具体实施例方式下面结合图示1-5对本发明作进一步说明，但不仅限于以下几种实施例。实施例1一种高脉冲能量包层泵浦超快光纤激光器采用如图1所示的环形腔结构。主要包括输出功率为low、中心波长为976nm的多模半导体激光器1，(2+1) xl结构的泵浦合束器 2，3米长的掺镱光纤3，1x2结构、分束比为10 90的激光分束器4，三端口光纤环形器5， 调制深度为30%反射式结构的半导体可饱和吸收镜6。其中中心波长为976nm，输出功率为IOW的多模半导体激光器1连接泵浦合束器2的泵浦输入端；泵浦合束器2的公共端连接:3m长的掺镱双包层光纤3，掺镱双包层光纤3的纤芯直径为6. 5 μ m，包层直径为1 μ m， 掺镱双包层光纤3的另一端连接分光比为10 90的激光分束器4;激光分束器4将光分为两束，90%的光从分束器4的输出端输出，另外10%光到达环形器5的输入端；由于光只能单向顺序通过环形器5的三个端口，因而光由环形器5的输入端进入，由环形器5的公共端出来的光经过反射式的半导体可饱和吸收镜6后，到达环形器5的信号端，最后进入泵浦合束器2的信号端。半导体可饱和吸收镜6作为锁模装置，锁模激光脉冲将从激光分束器 4的90%的输出端输出，由于反馈回激光腔内的光只占10%，激光腔内功率密度低，非线性效应弱，不易发生脉冲分裂现象，所以能够实现高脉冲能量激光脉冲输出。实施例2一种高脉冲能量包层泵浦超快光纤激光器采用如图2所示的环形腔结构。主要包括输出功率为low、中心波长为976nm的多模半导体激光器1，(2+1) xl结构的泵浦合束器 2，3米长的掺镱光纤3，1x2结构、分束比为20 80的激光分束器4，偏振无关隔离器12， 碳纳米管可饱和吸收体6。其中中心波长为976nm，输出功率为IOW的多模半导体激光器 1连接泵浦合束器2的泵浦输入端；泵浦合束器2的公共端连接: 长的掺镱双包层光纤3， 掺镱双包层光纤3的纤芯直径为6 μ m,包层直径为125 μ m,掺镱双包层光纤3的另一端连接分光比为20 80的激光分束器4 ；激光分束器4将光分为两束，80%的光从分束器4的输出端输出，另外20%光经过偏振无关隔离器12后到达透射式的碳纳米管饱和吸收体6， 最后反馈回泵浦合束器2的信号端。碳纳米管饱和吸收体6作为锁模装置，由于激光分束器80 %的光从输出端输出，所以整个包层泵浦超快光纤激光器不易发生脉冲分裂，能够实现高脉冲能量激光脉冲输出。实施例3
一种高脉冲能量包层泵浦超快光纤激光器采用如图3所示的环形腔结构。主要包括输出功率为low、中心波长为976nm的多模半导体激光器1，(2+1) xl结构的泵浦合束器 2，3米长的掺镱光纤3，1x2结构、分束比为10 90的激光分束器4，偏振相关隔离器8，偏振控制器7和9。其中中心波长为976nm，输出功率为IOW的多模半导体激光器1连接泵浦合束器2的泵浦输入端；泵浦合束器2的公共端连接: 长的掺镱双包层光纤3，掺镱双包层光纤3的纤芯直径为6 μ m，包层直径为125 μ m，掺镱双包层光纤3的另一端连接分光比为10 90的激光分束器4;激光分束器4将光分为两束，90%的光从分束器4的输出端输出，另外10%光经过偏振控制器7后到达偏振相关隔离器8的一端，最后从偏振相关隔离器 8的另一端输出进入另一偏振控制器9，然后反馈回泵浦合束器2的信号端。偏振控制器7 和9与偏振相关隔离器8作为锁模装置，由于激光分束器90%的光从激光分束器4的输出端输出，所以整个包层泵浦超快光纤激光器容易实现高脉冲能量激光脉冲输出。实施例4一种高脉冲能量包层泵浦超快光纤激光器采用如图4所示的线形腔结构。主要包括输出功率为20W、中心波长为793nm的多模半导体激光器1，(2+1) xl结构的泵浦合束器 2，5米长的掺铥光纤3，1x2结构、分束比为30 70的激光分束器4，镀金全反射镜10，调制深度为30%反射式结构的半导体可饱和吸收镜6。其中中心波长为793nm，输出功率为 20W的多模半导体激光器1连接泵浦合束器2的泵浦输入端；泵浦合束器2的公共端连接 5m长的掺铥双包层光纤3，掺铥双包层光纤3的纤芯直径为10 μ m，包层直径为125 μ m，掺铥双包层光纤3的另一端连接分光比为30 70的激光分束器4;激光分束器4将光分为两束，70%的光从分束器4的输出端输出，30%的另一束反馈回激光腔内；激光分束器4的另一端与镀金全反射镜10直接耦合；而泵浦合束器2的信号端也直接与调制深度为30%反射式结构的半导体可饱和吸收镜6耦合，因而可饱和吸收镜6将与镀金全反射镜10形成激光谐振腔，半导体可饱和吸收镜6作为锁模装置，被动锁模掺铥脉冲激光将从激光分束器4 的70%的输出端输出。实施例5一种高脉冲能量包层泵浦超快光纤激光器采用如图5所示的线形腔结构。主要包括输出功率为10W，中心波长为976nm的多模半导体激光器1，(2+1) xl结构的泵浦合束器 2，10米长的掺铒光纤3，中心波长为1550nm;3dB带宽为IOnm ；反射率为20%的啁啾光栅 11，反射式结构的石墨烯可饱和吸收体6。其中中心波长为976nm，输出功率为IOW的多模半导体激光器1连接泵浦合束器2的泵浦输入端；泵浦合束器2的公共端连接IOm长的掺铒双包层光纤3，掺铒双包层光纤3的纤芯直径为20 μ m,包层直径为125 μ m ；掺铒双包层光纤3的另一端连接啁啾光栅11 ；泵浦合束器2的信号端直接与反射式结构的石墨烯可饱和吸收体6耦合，因而石墨烯可饱和吸收体6将与反射率为20%的啁啾光栅11形成激光谐振腔，石墨烯可饱和吸收体6作为锁模装置，被动锁模脉冲激光将从反射率为20%的啁啾光栅11输出。此线形腔超快光纤激光器结构简单，能够实现高脉冲能量超快激光脉冲输出ο
权利要求
1.一种高脉冲能量包层泵浦超快光纤激光器，其特征在于多模半导体激光器(1)连接泵浦合束器O)的泵浦输入端；泵浦合束器O)的公共端连接掺杂光纤(3)；掺杂光纤 (3)的另一端连接激光分束器；激光分束器(4)有两路输出，一路作为激光输出端，一路与环形器(5)的输入端相连，可饱和吸收体(6)位于环形器(5)的公共端的位置；环形器 (5)的输出端连接泵浦合束器( 的信号端；多模半导体激光器(1)、泵浦合束器O)、掺杂光纤(3)、激光分束器G)、环形器(5)、可饱和吸收体(6) —起构成环形腔结构的超快光纤激光器，所述的可饱和吸收体(6)采用反射式结构。
2.一种高脉冲能量包层泵浦超快光纤激光器，其特征在于多模半导体激光器(1)连接泵浦合束器O)的泵浦输入端；泵浦合束器O)的公共端连接掺杂光纤(3)；掺杂光纤 (3)的另一端连接激光分束器；激光分束器(4)有两路输出，一路作为激光输出端，而另一路连接偏振无关隔离器(12)；偏振无关隔离器(12)的另一端连接可饱和吸收体(6)；而可饱和吸收体(6)的另一端与泵浦合束器( 的信号端连接；多模半导体激光器(1)、泵浦合束器O)、掺杂光纤(3)、激光分束器G)、偏振无关隔离器(12)、可饱和吸收体(6) —起构成环形腔结构的超快光纤激光器；所述的可饱和吸收体(6)采用透射式结构。
3.一种高脉冲能量包层泵浦超快光纤激光器，其特征在于多模半导体激光器(1)连接泵浦合束器O)的泵浦输入端；泵浦合束器O)的公共端连接掺杂光纤(3)；掺杂光纤 (3)的另一端连接激光分束器(4)；激光分束器(4)有两路输出，一路作为激光输出端，而另一路与偏振控制器(7)的一端相连；偏振控制器(7)的另一端连接偏振相关隔离器(8)， 偏振相关隔离器(8)的另一端与偏振控制器(9)相连；偏振控制器(9)的另一端连接泵浦合束器O)的信号端，多模半导体激光器(1)、泵浦合束器O)、掺杂光纤(3)、激光分束器 G)、偏振控制器(7、9)、偏振相关隔离器(8) —起构成环形腔结构的超快光纤激光器。
4.一种高脉冲能量包层泵浦超快光纤激光器，其特征在于多模半导体激光器(1)连接泵浦合束器O)的泵浦输入端；泵浦合束器O)的公共端连接掺杂光纤(3)；掺杂光纤 (3)的另一端连接激光分束器(4)；激光分束器(4)有两路输出，一路作为激光输出端，而另一路与全反射镜(10)直接耦合；而泵浦合束器( 的信号端也直接与可饱和吸收体(6)耦合，在可饱和吸收体(6)与全反射镜(10)之间形成线形激光谐振腔，激光分束器的输出端输出锁模脉冲激光；所述的可饱和吸收体(6)采用反射式结构。
5.一种高脉冲能量包层泵浦超快光纤激光器，其特征在于多模半导体激光器(1)连接泵浦合束器O)的泵浦输入端；泵浦合束器O)的公共端连接掺杂光纤(3)；掺杂光纤 (3)的另一端连接光纤光栅(11)；而泵浦合束器O)的信号端直接与可饱和吸收体(6)耦合，在可饱和吸收体(6)与光纤光栅(11)之间形成线形激光谐振腔，光纤光栅(11)输出锁模脉冲激光；所述的可饱和吸收体(6)采用反射式结构；所述的光纤光栅的反射率为R，l% < R < 99%。
6.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4或权利要求5所述的一种高脉冲能量包层泵浦超快光纤激光器，其特征在于所述的多模半导体激光器(1)的中心波长为 λ，500nm < λ < 2000nm。
7.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4或权利要求5所述的一种高脉冲能量包层泵浦超快光纤激光器，其特征在于所述的掺杂光纤C3)为掺稀土元素中的一种或多种掺杂的单模光纤或大芯径多模光纤或光子晶体光纤。
8.根据权利要求1或权利要求2或权利要求4或权利要求5所述的一种高脉冲能量包层泵浦超快光纤激光器，其特征在于所述的可饱和吸收体(6)可以为半导体可饱和吸收镜SESAM、碳纳米管SWNT、石墨烯Graphene、氧化石墨烯以及石墨烯的聚合物等。
9.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4所述的一种高脉冲能量包层泵浦超快光纤激光器，其特征在于所述的激光分束器的分束比为T (I-T)，其中 0 < T < 1。
10.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3或权利要求4或权利要求5所述的一种高脉冲能量包层泵浦超快光纤激光器，其特征在于所述的超快光纤激光器可直接使用或作为光纤放大器的种子源使用；所述的泵浦合束器O)、掺杂光纤(3)、激光分束器0)、 环形器(5)、光纤光栅(11)等为保偏型或非保偏型。
全文摘要
本发明涉及一种高脉冲能量包层泵浦超快光纤激光器，属于激光技术和非线性光学领域。主要包括多模半导体激光器、泵浦合束器、掺杂光纤、激光分束器、环形器、可饱和吸收体、偏振控制器、隔离器、全反射镜、光纤光栅等。利用多模半导体激光器作为双包层掺杂光纤的抽运源，不仅实现了高平均功率、高脉冲能量的超短脉冲激光输出，而且还减少了激光放大系统的级数，提高系统稳定性的同时降低了生产成本，易于产业化应用。
文档编号H01S3/067GK102208739SQ20111010753
公开日2011年10月5日 申请日期2011年4月27日 优先权日2011年4月27日
发明者刘江, 王璞 申请人:北京工业大学