脉宽可调重频可调的窄线宽全光纤超短脉冲放大系统的制作方法
【专利摘要】脉宽可调重频可调的窄线宽全光纤超短脉冲放大系统。本发明属于激光【技术领域】，是一种脉冲宽度可调和重复频率可调的窄线宽全光纤超短脉冲激光放大系统，该放大系统包括依次连接的窄线宽皮秒锁模激光振荡器、单模光纤放大器、第一光纤隔离器、可进行多路切换的光开关、多个连接啁啾光纤光栅的光纤环形器、光纤耦合器、第一双包层光纤放大器、第二光纤隔离器、可发射不同重复频率射频信号的声光调制器和第二双包层光纤放大器，其中各个光纤环形器的输入端分别与光开关的不同输出端连接，每个光纤环形器连接一个啁啾光纤光栅，各个啁啾光纤光栅的色散系数不同。本发明可以根据需要输出不同脉宽和不同重复频率的高能量超短脉冲激光。
【专利说明】脉宽可调重频可调的窄线宽全光纤超短脉冲放大系统
【技术领域】
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[0001]本发明属于激光【技术领域】，涉及一种全光纤脉冲激光放大系统，尤其涉及一种脉宽可调重频可调的窄线宽大能量的超短脉冲激光放大系统。
【背景技术】
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[0002]在相干合束、非线性频率转换、雷达等方面，都需要高功率、高光束质量、窄线宽的脉冲激光。而光纤激光器具有体积小、集成度高、稳定性好、免调试等优点，加之脉冲展宽技术和大模场的双包层光纤拉制技术的成熟，使得高功率的超短脉冲激光可以在光纤中实现。
[0003]超短皮秒级激光器在激光微加工领域已越来越呈现出自己的优势，成功地应用于太阳能电池的制造、硅电路板的刻画和高精度微孔加工等领域。相对纳秒激光脉冲，皮秒脉冲的激光具有更小的热效应区，纳秒激光器最高重复频率限制在几十KHz，而皮秒激光器就具有更高的重复频率，完全可以满足高重频的加工需要，以此满足加工速度的要求。但对于不同材料的加工，其对于激光器输出的参数也具有不同的要求，尤其对脉冲宽度，重复频率的要求不同。如果不同材料选用不同的激光器，其加工成本必然极大的提高。
【发明内容】
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[0004]本发明所要解决的问题是提供一种脉冲宽度可调和重复频率可调的窄线宽全光纤超短脉冲激光放大系统，这里所称的超短脉冲指皮秒级脉冲。
[0005]解决上述问题的思路是:将种子源输出的窄线宽皮秒锁模激光经过一级单模光纤放大之后，通过光开关配合不同色散量的啁啾光纤光栅，实现同一台激光器的不同脉宽输出的切换，然后采用一级双包层光纤将输出的脉冲功率进行提升，用声光调制器对高重频激光脉冲进行降频，实现不同的重复频率的激光脉冲输出。考虑到降频之后的功率较低，可以再采用一级大模场的光纤对输出的脉冲进行放大，最终输出脉宽可调、重频可调的高功率的窄线宽皮秒激光脉冲。
[0006]本发明解决上述问题的技术方案是:所提供的脉宽可调重频可调的窄线宽全光纤超短脉冲放大系统包括依次连接的窄线宽皮秒锁模激光振荡器、单模光纤放大器、第一光纤隔离器、可进行多路切换的光开关、多个连接啁啾光纤光栅的光纤环形器、光纤耦合器、第一双包层光纤放大器、第二光纤隔离器、可发射不同重复频率射频信号的声光调制器，其中各个光纤环形器的输入端分别与光开关的不同输出端连接，每个光纤环形器连接一个啁啾光纤光栅，各个啁啾光纤光栅的色散系数不同。窄线宽皮秒锁模激光振荡器发出超短脉冲激光，经单模光纤放大器放大，然后根据需要的脉冲宽度选择对应的啁啾光纤光栅，其连接是通过光开关切换来实现的；此时，由光纤环形器输出的就是具有所需脉宽的激光，再经第一双包层光纤放大器放大后送至声光调制器，对高重复频率激光脉冲进行降频，实现所需的重复频率的激光脉冲输出。
[0007]为了进一步提高降频之后的功率，可以再采用一级放大，即:在上述声光调制器的输出端连接第二双包层光纤放大器，对输出的脉冲进行放大，最终输出脉宽可调，重频可调的高功率的窄线宽皮秒激光脉冲。
[0008]上述单模光纤放大器由单模抽运半导体激光器、光纤波分复用器和掺镱单模光纤组成，其中，光纤波分复用器的信号输入端与窄线宽皮秒锁模激光振荡器的输出端连接，光纤波分复用器的输出端通过掺镱单模光纤与第一光纤隔离器连接，单模抽运半导体激光器与光纤波分复用器的泵浦输入端连接。
[0009]上述第一双包层光纤放大器由第一多模抽运半导体激光器、光纤合束器和第一双包层掺镱增益光纤组成，其中第一多模抽运半导体激光器与光纤合束器的泵浦输入端连接，光纤合束器的信号输入端与光纤耦合器的输出端连接，光纤合束器的输出端通过第一双包层掺镱增益光纤与第二光纤隔离器连接。
[0010]上述第二双包层光纤放大器由第二多模抽运半导体激光器、泵浦合束器和第二双包层掺镱增益光纤组成，其中第二多模抽运半导体激光器与泵浦合束器的泵浦端连接，光纤合束器的输出端连接第二双包层掺镱增益光纤。
[0011]本发明采用同一台激光器通过具有多路输出的光开关，配合不同色散量的啁啾光纤光栅，实现了不同脉宽输出的需求，采用声光调制器实现不同重频的脉冲输出，采用两级的双包层光纤放大器保证了最终的高能量输出要求，满足了对不同材料的激光加工需要，且可大大降低成本；另外，整个系统采用全光纤结构，其集成度高，稳定性好。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明所提供的超短脉冲激光放大系统的光路结构示意图。
[0013]图中编号:1_窄线宽锁模光纤激光振荡器；2-单模抽运半导体激光器；3-光纤波分复用器；4_掺镱单模增益光纤；5_第一光纤隔离器；6_多路切换光开关；7a、7b、7c、7d-第一、第二、第三、第四光纤环形器；8a、8b、8c、8d-第一、第二、第三、第四啁啾光纤光栅；9_光纤親合器；10_第一多模抽运半导体激光器；11_光纤合束器1，12-第一掺镱双包层增益光纤；13_第二光纤隔离器；14_声光调制器；15_第二多模抽运半导体激光器；16-泵浦合束器；17-第二掺镱双包层增益光纤。
【具体实施方式】
[0014]以下结合附图对本发明的内容加以详细说明。
[0015]图1给出了本发明的一个实例。窄线宽锁模光纤激光振荡器I输出的激光重复频率为30MHz，谱线宽度小于0.lnm，脉宽25ps，功率20mW ;单模光纤放大器放大由单模抽运半导体激光器2、光纤波分复用器3和掺镱单模光纤4 (纤芯直径6 μ m，包层直径125 μ m)组成，经单模光纤放大器放大，放大之后由于光纤的非线性光谱展宽，单模放大后信号光谱宽度变为0.3nm，其输出端通过第一光纤隔离器5与多路切换光开关6连接。多路切换光开关6为1*4型光开关，包括一个输入端和四个输出端，输入端与单模光纤放大器输出端相接，可以实现光路的四路切换。第一路由第一光纤环形器7a和第一啁啾光纤光栅8a组成，第二路由第二光纤环形器7b和第二啁啾光纤光栅Sb组成，第三路由第三光纤环形器7c和第三啁啾光纤光栅8c组成，第四路由第四光纤环形器7d和第四啁啾光纤光栅8d组成；各光纤环形器包括光输入端、光输出端以及连接啁啾光纤光栅的连接端，光开关的输出端连接光纤环形器的输入端，光纤环形器通过输出端接入光纤耦合器9。上述四个啁啾光纤光栅具有固定带宽和正色散特性，但它们的色散系数不同，分别为50ps/nm、100ps/nm、400ps/nm、800ps/nm，可以直接通过光纤焊接的方式连接到放大光路中。四个不同色散系数的啁啾光纤光栅可实现四种不同脉宽输出，脉宽范围可覆盖几十皮秒到几百皮秒，本实例输出的激光脉宽分别约为40ps、55ps、145ps、265ps。光纤親合器9具有四个输入端和一个输出端，光纤环形器的输出端连接光纤親合器的输入端，光纤親合器9的输出端与第一双包层光纤放大器的光纤合束器11连接，光纤耦合器9输出的激光经第一双包层光纤放大器放大，提升脉冲能量。第一双包层光纤放大器由多模抽运半导体激光器10、光纤合束器11和第一掺镱双包层增益光纤12 (光纤纤芯直径为10 μ m，包层直径为125 μ m)组成；第一双包层光纤放大器的输出端通过高功率光纤隔离器13与声光调制器14输入端连接。声光调制器14通过发射不同重重复频率的射频信号，将输入的高重频的激光脉冲进行降频，可以将脉冲的重复频率降到10KHz、574KHz、IMHz、1MHz。如果再通过一级放大器就可以大幅度的提高单脉冲的能量。本实例的第二双包层光纤放大器由第二多模抽运半导体激光器15，泵浦合束器16和第二双包层掺镱增益光纤17 (光纤纤芯直径为30 μ m，包层直径为250 μ m)组成，泵浦合束器16与声光调制器14连接；第二双包层光纤放大器放大最终降频后的脉冲，进一步的提升脉冲能量。本发明根据需要，也可以设计成5-8种不同脉宽的输出。
【权利要求】
1.一种脉宽可调重频可调的窄线宽全光纤超短脉冲放大系统，其特征是包括依次连接的窄线宽皮秒锁模激光振荡器、单模光纤放大器、第一光纤隔离器、可进行多路切换的光开关、多个连接啁啾光纤光栅的光纤环形器、光纤耦合器、第一双包层光纤放大器、第二光纤隔离器、可发射不同重复频率射频信号的声光调制器，其中各个光纤环形器的输入端分别与光开关的不同输出端连接，每个光纤环形器连接一个啁啾光纤光栅，各个啁啾光纤光栅的色散系数不同。
2.根据权利要求1所述的超短脉冲激光放大系统，其特征是声光调制器的输出端连接第二双包层光纤放大器。
3.根据权利要求1或2所述的超短脉冲激光放大系统，其特征是单模光纤放大器由单模抽运半导体激光器、光纤波分复用器和掺镱单模光纤组成，其中，光纤波分复用器的信号输入端与窄线宽皮秒锁模激光振荡器的输出端连接，光纤波分复用器的输出端通过掺镱单模光纤与第一光纤隔离器连接，单模抽运半导体激光器与光纤波分复用器的泵浦输入端连接。
4.根据权利要求3所述的超短脉冲激光放大系统，其特征是第一双包层光纤放大器由第一多模抽运半导体激光器、光纤合束器和第一双包层掺镱增益光纤组成，其中第一多模抽运半导体激光器与光纤合束器连接，光纤合束器的输入端与光纤耦合器的输出端连接，光纤合束器的输出端通过第一双包层掺镱增益光纤与第二光纤隔离器连接。
5.根据权利要求2所述的超短脉冲激光放大系统，其特征是单模光纤放大器由单模抽运半导体激光器、光纤波分复用器和掺镱单模光纤组成，其中，光纤波分复用器的信号输入端与窄线宽皮秒锁模激光振荡器的输出端连接，光纤波分复用器的输出端通过掺镱单模光纤与第一光纤隔离器连接，单模抽运半导体激光器与光纤波分复用器的泵浦输入端连接；第一双包层光纤放大器由第一多模抽运半导体激光器、光纤合束器和第一双包层掺镱增益光纤组成，其中第一多模抽运半导体激光器与光纤合束器的泵浦输入端连接，光纤合束器的信号输入端与光纤耦合器的输出端连接，光纤合束器的输出端通过第一双包层掺镱增益光纤与第二光纤隔离器连接；第二双包层光纤放大器由第二多模抽运半导体激光器、泵浦合束器和第二双包层掺镱增益光纤组成，其中第二多模抽运半导体激光器与泵浦合束器的泵浦输入端连接，光纤合束器的输出端连接第二双包层掺镱增益光纤。
6.根据权利要求5所述的超短脉冲激光放大系统，其特征是第一掺镱双包层增益光纤的纤芯直径为10 μ m，包层直径为125 μ m，第二双包层掺镱增益光纤的纤芯直径为30 μ m，包层直径为250 μ m。
【文档编号】H01S3/10GK104505699SQ201410741702
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月5日 优先权日:2014年12月5日
【发明者】李峰, 杨直, 张挺, 王屹山 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所