一种基于全大模场光纤的皮秒种子激光器

摘要

本发明公开了一种基于全大模场光纤的皮秒种子激光器，包括大模场光纤锁模皮秒振荡器和单级大模场光纤放大器。其中，光纤锁模皮秒振荡器包括多模半导体泵浦激光器，多模泵浦保护器，多模泵浦分束器，双包层大模场光纤光栅，第一双包层大模场增益光纤，大模场光纤耦合器，半导体可饱和吸收反射镜和光电探测器；单级大模场光纤放大器由大模场光纤隔离器，可选的脉冲选择器，多模泵浦合束器，第二双包层大模场增益光纤和输出准直器组成。本发明属于光纤激光技术领域，具体是指一种实现100nJ级大能量皮秒脉冲输出，或者平均功率大于1W的高功率皮秒脉冲输出，有效降低成本的全大模场光纤的皮秒种子激光器。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤激光技术领域，尤其涉及一种基于全大模场光纤的皮秒种子激光器。

背景技术

高功率皮秒脉冲激光器在材料加工、生物医疗、空间激光测距和激光与大气探测等领域具有广泛的应用。目前，高功率皮秒激光器仍主要使用主振荡功率放大(MOPA)结构，即种子振荡器通过锁模原理产生低能量、高重频超短种子脉冲，经过脉冲选择器后将重复频率降低，再送至单级或多级放大器进行高功率放大后输出。根据工作物质形态，超快激光器一般涉及固体激光技术和光纤激光技术。相对固体激光器，光纤激光器虽然具有体积小，重量轻，散热面积大等优势，但受限于自相位调制、受激拉曼散射等非线性效应，不适合直接放大脉冲宽度小于10ps的大能量激光脉冲，而只适合用作皮秒振荡器和初级放大器。基于空间光路的固体激光技术虽然体积较大，但增益介质内由于激光模场光斑较大，可以有效降低非线性效应的影响，从而实现高功率皮秒激光的直接放大。其中，波长在1064nm附近的掺钕(Nd)固体激光放大器可以使用半导体激光器直接泵浦，目前技术已经十分成熟，所用激光晶体如Nd:YVO4或Nd:YAG的制作技术也十分成熟，成本也较为低廉。所以，由光纤皮秒振荡器和光纤预放大器组成前端，固体功率放大器作为后端是当前高功率皮秒激光器的主流技术方案。

附图1是现有前端光纤皮秒种子激光器的典型技术方案示意图。其中，单模光纤皮秒振荡器11的谐振腔由纤芯直径在6μm左右的单模增益光纤和带有单模无源光纤的器件构成，由单模半导体激光器泵浦，振荡器的输出功率一般不超过10mW；为保证振荡器稳定工作，振荡器之后连有单模光纤隔离器一12；由于振荡器产生的单脉冲能量太低，需要用单模光纤预放大器13把平均功率提升至数十毫瓦；之后由单模光纤脉冲选择器14将重复频率由数十兆赫兹降为数百千赫兹至1～2MHz；为降低单模光纤预放大器13带来的波长在1030nm附近的放大自发辐射(ASE)对1064nm激光在进一步放大时的不利影响，一般需要连有单模光纤隔离器二15——也可以置于单模光纤脉冲选择器14之前；为降低非线性效应的不利影响，光纤放大器17一般采用纤芯直径更大的大模场增益光纤，这就需要在放大器11之前加入模场适配器16，以降低模场失配带来的插入损耗。这种技术方案有如下不足之处：1.至少需要两级预放大器，而每级预放大器都至少需要一个波分复用器和一段增益光纤；2.即使单模光纤皮秒振荡器11和单模光纤预放大器13共用一个单模半导体泵浦源，但单个泵浦激光器的最大输出功率只有数百毫瓦，所以光纤放大器17必须使用另一个独立的泵浦激光器，即整个前端种子激光器就需要使用2～3个泵浦激光器；3.单模泵浦激光器属于高值易损坏器件，因为泵浦光和激光同在单模纤芯中传播，信号回光极易损坏单模泵浦激光器；4.多级放大器和多个泵浦半导体激光器及其驱动电路必然导致整个前端光纤种子激光器结构较为复杂，体积较大，工作可靠性降低，同时成本相较固体皮秒种子源其实并没有优势。

发明内容

为了解决上述难题，本发明提供了一种可以由光纤振荡器加一级放大器就实现100nJ级大能量皮秒脉冲输出，或者平均功率大于1W的高功率皮秒脉冲输出，光纤振荡器和放大器可以共用一个低成本多模半导体泵浦激光器，从而显著简化整个激光器的结构并有效降低成本的基于全大模场光纤的皮秒种子激光器。

1.为了实现上述功能，本发明采取的技术方案如下：一种基于全大模场光纤的皮秒种子激光器，包括大模场光纤皮秒振荡器，大模场光纤隔离器，大模场光纤脉冲选择器和大模场光纤放大器。其中，所述大模场光纤皮秒振荡器包括多模半导体泵浦源、多模泵浦保护器、多模泵浦分束器、双包层大模场光纤光栅、第一双包层大模场增益光纤、大模场光纤耦合器、半导体可饱和吸收反射镜和光电探测器；所述光纤光栅和所述半导体可饱和吸收反射镜组成光纤激光器谐振腔；所述第一双包层大模场增益光纤作为所述谐振腔中的工作物质；所述耦合器也在所述谐振腔内，共有四个端口，其中三个端口分别与所述反射镜、所述光电探测器、所述增益光纤相连，第四端口与所述大模场光纤隔离器的输入端口相连，输出大模场光纤皮秒振荡器产生的皮秒种子脉冲，所述耦合器输出耦合比大于50％；所述增益光纤的另一端与所述光栅的一端连接；所述光栅的另一端与所述多模泵浦分束器的一个输出端口相连；所述多模泵浦分束器的另一个输出端口与所述大模场光纤放大器的合束器输入端口相连；所述多模泵浦分束器的输入端口与所述多模泵浦保护器的输出端口相连；所述多模泵浦保护器的输入端口与所述多模半导体泵浦源连接，用于保护所述多模半导体泵浦源；所述大模场光纤脉冲选择器可以是声光调制器或电光调制器，其光学输入、输出端口都由大模场光纤组成，其输入端口与所述大模场光纤隔离器的输出端口相连，在将振荡器产生的数十兆赫兹的脉冲重复频率降至100kHz～2MHz后，从输出端口输出；所述大模场光纤放大器包括多模泵浦合束器，第二双包层大模场增益光纤和大模场输出准直器；所述多模泵浦合束器有两个输入端口和一个输出端口；其中，一个多模泵浦输入端口与所述振荡器的所述多模泵浦分束器的一个输出端口相连；一个双包层大模场信号输入端口与所述脉冲选择器的输出端口相连；一个双包层大模场信号输出端口与所述第二双包层大模场增益光纤相连；所述第二双包层大模场增益光纤的另一端与所述输出准直器相连，用于输出经过放大后的重复频率为100kHz～2MHz的大能量皮秒激光脉冲；所述大模场光纤皮秒振荡器和所述大模场光纤脉冲选择器之间不需要预放大器。

相比于现有皮秒种子激光器，本发明采取上述结构取得有益效果：

1.体积更小，结构更紧凑：所述振荡器采用大模场光纤和较高输出耦合比，使得振荡器直接输出较高平均功率，因此进入脉冲选择器之前不需要预放大器，整个光纤激光器只需要在脉冲选择器之后设置一级光纤放大器，这就至少省去一级放大器及相关所需器件；而且振荡器和放大器可以共用一个高功率多模半导体泵浦源，即整个激光器只需要一个半导体泵浦源就能输出两到三个单模半导体泵浦源才能达到的指标；

2.可靠性更高：使用多模泵浦，泵浦光主要在光纤包层中传播，激光在纤芯中传播，二者几乎是分离的，因此多模泵浦源比单模泵浦源抗损伤性能更好，而且多模泵浦保护器的隔离度也更高；只需要一个半导体泵浦源及相关驱动电源；

3.成本更低：大模场光纤成本虽然比单模光纤成本略高，但其实整个激光器的成本主要在光纤器件上，而大模场光纤器件与单模光纤器件制作原理和过程基本相同，因此单个器件的成本是接近的，所以本发明更为精简的结构将显著降低整体材料成本。

附图说明

图1是现有的基于单模光纤的皮秒种子激光器的典型技术方案示意图。

图2是本发明一种基于全大模场光纤的皮秒种子激光器的实施例一的方案示意图。

图3是本发明一种基于全大模场光纤的皮秒种子激光器的实施例二的方案示意图。

图4是本发明一种基于全大模场光纤的大模场光纤皮秒振荡器的结构示意图。

图5是图2中大模场光纤放大器的结构示意图。

图6是图3中大模场光纤放大器的结构示意图。

图7是本发明一种基于全大模场光纤的皮秒种子激光器的大模场输出准直器的一个实施例结构示意图。

图8是本发明一种基于全大模场光纤的皮秒种子激光器的大模场输出准直器的另一个实施例结构示意图。

其中，11、单模光纤皮秒振荡器，12、单模光纤隔离器一，13、单模光纤预放大器，14、单模光纤脉冲选择器，15、单模光纤隔离器二，16、模场适配器，17、光纤放大器，101、多模半导体泵浦激光器，102、多模泵浦保护器，103、多模泵浦分束器，104、双包层大模场光纤光栅，105、第一双包层大模场增益光纤，106、光电探测器，107、大模场光纤耦合器，108、半导体可饱和吸收反射镜，21、大模场光纤皮秒振荡器，22、大模场光纤隔离器，23、大模场光纤脉冲选择器，24、大模场光纤放大器，201、多模泵浦合束器，202、第二双包层大模场增益光纤，203、大模场输出准直器，204、斜口端面，205、平凸透镜，206、熔接点，207、匹配无源光纤。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。以下结合附图，对本发明做进一步详细说明。

实施例一：

如图2所示，该方案适用于输出大能量皮秒脉冲激光。本发明一种基于全大模场光纤的皮秒种子激光器包括大模场光纤皮秒振荡器21，大模场光纤隔离器22，大模场光纤脉冲选择器23和大模场光纤放大器24。其中，所述大模场光纤皮秒振荡器21和所述大模场光纤放大器24优选共用一个半导体泵浦源，优选为多模半导体泵浦激光器，也可以独立使用两个半导体泵浦激光器。所述大模场光纤皮秒振荡器21产生的脉冲宽度小于10ps，也可以大于10ps；重复频率数十兆赫兹，典型值为20～30MHz；平均输出功率数十毫瓦，典型值为30～40mW。所述大模场光纤隔离器22输入端与所述大模场光纤皮秒振荡器21输出端相连，输出端与所述大模场光纤脉冲选择器23输入端相连。所述大模场光纤隔离器22输入端光纤和输出端光纤都是大模场无源光纤，优选为单模大模场无源光纤，优选为保偏单模大模场无源光纤，纤芯直径典型值为10μm。所述大模场光纤脉冲选择器23可以将脉冲重复频率降低，典型输出脉冲重复频率值为100kHz～2MHz。所述大模场光纤脉冲选择器23输入端光纤和输出端光纤都是大模场无源光纤，优选为单模大模场无源光纤，优选为保偏单模大模场无源光纤，纤芯直径典型值为10μm。所述大模场光纤放大器24输入端与所述大模场光纤脉冲选择器23输出端相连。所述大模场光纤放大器24输入端光纤是双包层大模场无源光纤，优选为单模双包层大模场无源光纤，优选为保偏单模双包层大模场无源光纤，纤芯直径典型值为10μm。所述大模场光纤放大器24输出端光纤是双包层大模场无源光纤，优选为单模双包层大模场无源光纤，优选为保偏单模双包层大模场无源光纤，纤芯直径典型值为10μm。所述大模场光纤放大器24输出端光纤也可以是少模双包层大模场光纤，优选为保偏少模双包层大模场光纤，纤芯直径典型值为15～30μm。所述大模场光纤放大器24可以将单脉冲能量放大至数十纳焦，甚至100nJ以上而保持原脉冲宽度基本不变，最后从所述大模场光纤放大器24输出。

本发明一种基于全大模场光纤的皮秒种子激光器的大模场光纤皮秒振荡器21的结构示意图如图4所示，包括多模半导体泵浦激光器101，多模泵浦保护器102，多模泵浦分束器103，双包层大模场光纤光栅104，第一双包层大模场增益光纤105，光电探测器106，大模场光纤耦合器107和半导体可饱和吸收反射镜108。所述双包层大模场光纤光栅104和所半导体可饱和吸收反射镜108组成光纤激光器谐振腔。所述双包层大模场光纤光栅104对激光波长高反，典型反射波长为1064nm，典型反射率大于99.9％。特别地，泵浦光可以无损耗通过所述双包层大模场光纤光栅104。所述双包层大模场光纤光栅104刻写在双包层大模场无源光纤的纤芯，优选为单模双包层大模场无源光纤的纤芯，优选为保偏单模双包层大模场无源光纤的纤芯，纤芯直径典型值为10μm。所述第一双包层大模场增益光纤105作为所述谐振腔中的工作物质，优选为单模双包层大模场掺镱(Yb)光纤，优选为保偏单模双包层大模场掺Yb光纤，纤芯直径典型值为10μm。特别地，所述第一双包层大模场增益光纤105也可以是掺铒(Er)，Er-Yb共掺，掺钬(Ho)，掺铥(Tm)等其它元素的激活离子，以产生其它波长的激光。所述大模场光纤耦合器107也在所述谐振腔内，共有四个端口。其中，端口③与所述第一双包层大模场增益光纤105相连；端口④与所述光电探测器106相连；端口⑤与所半导体可饱和吸收反射镜108相连；端口⑥输出所述大模场光纤皮秒振荡器21产生的皮秒脉冲激光。所述大模场光纤耦合器107四个端口的光纤全部是大模场无源光纤，优选为单模大模场无源光纤，优选为保偏单模大模场无源光纤，纤芯直径典型值为10μm。特别地，所述大模场光纤耦合器107的端口⑥的输出耦合比较高，优选大于50％。所述光电探测器106用于将皮秒脉冲激光信号转化为时序电信号。进行所述多模半导体泵浦激光器101平均输出功率大于1W，典型值是9W。所述多模半导体泵浦激光器101输出光纤是多模光纤，纤芯直径典型值为105μm。优选地，所述多模半导体泵浦激光器101带有锁波长功能，即输出功率和波长随温度漂移量较小。所述多模泵浦保护器102输入端与所述多模半导体泵浦激光器101输出端相连，输出端与所述多模泵浦分束器103输入端口相连。所述多模泵浦保护器102输入端光纤和输出端光纤都是多模光纤，纤芯直径典型值为105μm。所述多模泵浦分束器103也在所述谐振腔内，共有四个端口。所述多模泵浦分束器103共有两个输出端口，其中端口①与所述大模场光纤放大器24的合束器输入端口相连，用于泵浦所述大模场光纤放大器24；端口②与所述双包层大模场光纤光栅104相连，用于泵浦所述大模场光纤皮秒振荡器21。所述半导体可饱和吸收反射镜108的工作特性与入射脉冲能量密度相关，本发明所述大模场光纤皮秒振荡器21全部采用大模场光纤，在保持入射到所半导体可饱和吸收反射镜108脉冲能量密度和脉冲重复频率不变的情况下，所述谐振腔内可以支持更大的脉冲能量振荡，建立稳定的连续锁模状态，再结合所述大模场光纤耦合器107端口⑥具有更大的输出耦合比，所述振荡器可以输出比现有基于单模光纤的皮秒激光振荡器的更高的平均功率，典型值为30～40mW。

图2中的大模场光纤放大器24的结构示意图如图5所示。所述大模场光纤放大器24包括多模泵浦合束器201，第二双包层大模场增益光纤202和大模场输出准直器203。所述多模泵浦合束器201有两个输入端口和一个输出端口。其中，输入端口⑦光纤是双包层大模场无源光纤，优选为单模双包层大模场无源光纤，优选为保偏单模双包层大模场无源光纤，纤芯直径典型值为10μm，其与所述大模场光纤脉冲选择器23相连。输入端口⑧光纤是多模光纤，纤芯直径典型值是105μm，其与所述大模场光纤皮秒振荡器21的所述多模泵浦分束器103的输出端口①相连。所述多模泵浦合束器201输出端口⑨光纤是双包层大模场无源光纤，优选为单模双包层大模场无源光纤，优选为保偏单模双包层大模场无源光纤，纤芯直径典型值为10μm；也可以是少模双包层大模场无源光纤，优选为保偏少模双包层大模场无源光纤，纤芯直径典型值为15～30μm，其与所述第二双包层大模场增益光纤202相连。所述第二双包层大模场增益光纤202作为所述大模场光纤放大器24的工作物质，优选为单模双包层大模场掺Yb光纤，优选为保偏单模双包层大模场掺Yb光纤，纤芯直径典型值为10μm；也可以是少模双包层大模场掺Yb光纤，优选为保偏少模双包层大模场掺Yb光纤，纤芯直径典型值为15～30μm，特别地，所述第二双包层大模场增益光纤202也可以是掺铒(Er)，Er-Yb共掺，掺钬(Ho)，掺铥(Tm)等其它元素的激活离子，以产生其它波长的激光。所述第二双包层大模场增益光纤202长度较短，典型值为小于1m，目的是降低非线性效应对放大后的大能量脉冲时域和光谱特性的不利影响。所述第二双包层大模场增益光纤202的另一端与所述大模场输出准直器203相连，用于输出经过放大后的重复频率为100kHz～2MHz的大能量皮秒激光脉冲，输出单脉冲能量可达数十纳焦甚至100nJ以上，而原脉冲宽度基本保持不变。图7是根据本发明的大模场输出准直器203的一个优选实施例结构示意图。如图所示，将所述第二双包层大模场增益光纤202的输出端口处理成斜口端面204，斜度角典型值为8°，目的是尽量减小放大后的脉冲经过的光纤长度，从而降低非线性效应对放大后的大能量脉冲时域和光谱特性的不利影响。所述放大后的激光脉冲从所述斜口端面204耦合到自由空间中后被平凸透镜205准直，最终输出。特别地，本实施例所述大模场输出准直器203输出光中还混有一定剩余泵浦光，但功率较小，典型值仅数百毫瓦。因为剩余泵浦光发散角远大于大能量激光脉冲，且波长不同于激光脉冲波长，所以很容易采取一定空间光路措施进行滤除，本发明不进行专门描述。

实施例二：

如图3所示，该方案可输出高功率皮秒脉冲激光。有的应用不需要降低振荡器产生的脉冲重复频率，而希望输出较高的平均功率。光纤皮秒种子激光器包括大模场光纤皮秒振荡器21，大模场光纤隔离器22和大模场光纤放大器24。其中，所述大模场光纤皮秒振荡器21和所述大模场光纤放大器24优选共用一个半导体泵浦源，优选为多模半导体泵浦激光器，也可以独立使用两个半导体泵浦激光器。所述大模场光纤皮秒振荡器21产生的脉冲宽度小于10ps，也可以大于10ps；重复频率数十兆赫兹，典型值为20～30MHz；平均输出功率数十毫瓦，典型值为30～40mW。所述大模场光纤隔离器22输入端与所述大模场光纤皮秒振荡器21输出端相连，输出端与所述大模场光纤放大器24输入端相连。所述大模场光纤隔离器22输入端光纤和输出端光纤都是大模场无源光纤，优选为单模大模场无源光纤，优选为保偏单模大模场无源光纤，纤芯直径典型值为10μm。所述大模场光纤放大器24输入端光纤是大模场无源光纤，优选为单模大模场无源光纤，优选为保偏单模大模场无源光纤，纤芯直径典型值为10μm。所述大模场光纤放大器24输出端光纤是大模场光纤，优选为单模大模场光纤，优选为保偏单模大模场光纤，纤芯直径典型值为10μm。所述大模场光纤放大器24输出端光纤也可以是少模双包层大模场光纤，优选为保偏少模双包层大模场光纤，纤芯直径典型值为15～30μm。所述大模场光纤放大器24可以将平均功率放大至数百毫瓦，甚至1W以上而保持原脉冲宽度基本不变，最后从所述大模场光纤放大器24输出。

图3中的大模场光纤放大器24的结构示意图如图6所示。所述大模场光纤放大器24包括多模泵浦合束器201，第二双包层大模场增益光纤202和大模场输出准直器203。所述多模泵浦合束器201有两个输入端口和一个输出端口。其中，输入端口⑦光纤是双包层大模场无源光纤，优选为单模双包层大模场无源光纤，优选为保偏单模双包层大模场无源光纤，纤芯直径典型值为10μm，其与所述大模场光纤隔离器22相连。输入端口⑧光纤是多模光纤，纤芯直径典型值是105μm，其与所述大模场光纤皮秒振荡器21的所述多模泵浦分束器103的输出端口①相连。所述多模泵浦合束器201输出端口⑨光纤是双包层大模场无源光纤，优选为单模双包层大模场无源光纤，优选为保偏单模双包层大模场无源光纤，纤芯直径典型值为10μm；也可以是少模双包层大模场无源光纤，优选为保偏少模双包层大模场无源光纤，纤芯直径典型值为15～30μm，其与所述第二双包层大模场增益光纤202相连。所述第二双包层大模场增益光纤202作为所述大模场光纤放大器24的工作物质，优选为单模双包层大模场掺Yb光纤，优选为保偏单模双包层大模场掺Yb光纤，纤芯直径典型值为10μm；也可以是少模双包层大模场掺Yb光纤，优选为保偏少模双包层大模场掺Yb光纤，纤芯直径典型值为15～30μm，特别地，所述第二双包层大模场增益光纤202也可以是掺铒(Er)，Er-Yb共掺，掺钬(Ho)，掺铥(Tm)等其它元素的激活离子，以产生其它波长的激光。所述第二双包层大模场增益光纤202长度较长，典型值为大于2m，目的是充分吸收泵浦光，对激光脉冲进行高功率放大。所述第二双包层大模场增益光纤202的另一端与所述大模场输出准直器203相连，用于输出经过放大后的重复频率为数十兆赫兹的高功率皮秒激光脉冲，输出平均功率可达数百毫瓦，甚至1W以上，而原脉冲宽度基本保持不变。

图8是大模场输出准直器203的一个优选实施例结构示意图。如图所示，将所述第二双包层大模场增益光纤202与一段匹配无源光纤207相连，熔接点206处附近涂有高折射率材料，可将包层中剩余的泵浦光泄露出来。所述匹配无源光纤207的另一端处理成斜口端面204，斜度角典型值为8°。所述放大后的激光脉冲从所述斜口端面204耦合到自由空间中后被平凸透镜205准直，最终输出。特别地，本实施例所述大模场输出准直器203输出光中没有剩余泵浦光。此外，所述大模场输出准直器203也可以采用图7中实施例的结构。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。