可调皮秒光纤激光系统技术方案

本发明专利技术涉及一种可调皮秒光纤激光系统，依次包括被动锁模的可调皮秒激光振荡器、光纤预放大器、脉冲选择开关、光纤主放大器和输出耦合端，设计的可调皮秒激光振荡器全保偏结构的光纤链路可以抵抗环境干扰，确保振荡器种子脉冲的长期稳定输出，同时确保激光功率放大过程的偏振对比度；可预先设定应用所需的多种脉冲宽度、工作波长、重复频率。通过光开关，可在多个激光输出参数中灵活切换，满足应用需求，通过切换脉冲参数，可以及时有效的观察到应用效果；模块化设计的功能组件，可灵活组装，便于实际应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种激光技术，特别涉及一种重复频率可变、脉冲宽度可变、输出波长可变的皮秒光纤激光系统。
技术介绍
皮秒激光可对金属、金属碳化物、硅片、蓝宝石、陶瓷等工业材料进行高精度加工，特别是5ps-100ps左右的激光脉冲宽度更具优势。与MOPA纳秒脉冲和电调制百皮秒以上的脉冲相比，5ps-100ps脉冲具有更窄的脉冲宽度，能产生更高的激光峰值功率。更重要的是，皮秒脉冲的时间宽度之短，可有效的减少激光辐射带来的热效应，达到材料的消融临界点所需要的峰值能量密度。目前，脉宽可调的皮秒脉冲均为电调制半导体激光器。该种激光器的输出脉冲宽度受控于电调制脉冲信号的脉宽。为了获得皮秒脉冲的光信号，电调制脉冲信号占空比极低，因此，半导体激光器的输出平均功率很低。较低的平均功率难以满足后续功率放大对种子光功率的要求。 目前，高功率皮秒激光系统中使用的较长的光纤增益介质使得自发辐射较高。较高比例的自发辐射会显著降低脉冲信噪比，而是激光系统无法满足应用需求。
技术实现思路
本专利技术是针对皮秒激光运用中存在的问题，提出了一种可调皮秒光纤激光系统，设计的系统输出波长可变、脉冲宽度可变、重复频率可变，适应应用需要。本专利技术的技术方案为：一种可调皮秒光纤激光系统，依次包括被动锁模的可调皮秒激光振荡器、光纤预放大器、脉冲选择开关、光纤主放大器和输出耦合端，可调皮秒激光振荡器由全保偏光纤器件连接构成，可调皮秒激光振荡器的一端为可饱和吸收器件，之后依次连接有第一增益光纤、第一波分复用器、分束器、光开关、数条延迟光纤和对应的与延迟光纤一一连接的光纤光栅；第一波分复用器的另一输入端口连接第一泵浦源，分束器的另两个端口分别作为振荡器输出端和监测端；可调皮秒激光振荡器的输出波长由光开关选取的参数与激光振荡的光纤光栅的反射波长决定；脉冲宽度由光开关选取的参数与激光振荡的光纤光栅的反射带宽决定；重复频率由光开关选取的参数与激光振荡的光纤链路长度决定，延迟光纤的长度用于匹配所需的重复频率；可调皮秒激光振荡器输出的脉冲激光进入光纤预放大器，经预放大的脉冲激光通过脉冲选择开关实现脉冲选取，进入光纤主放大器进一步提升脉冲激光的平均功率，光纤主放大器输出的激光进入输出耦合端，被光学器件耦合入输出隔离器，实现逆向光光隔离再通过扩束器输出所需光斑大小的激光。所述光纤光栅为可调皮秒激光振荡器提供谐振的反馈信号，通过光开关选取工作的光纤光栅，实现多个波长之间切换输出。所述光纤预放大器的输入端与可调皮秒激光振荡器输出端连接，之后依次连接有第一隔离器、第二波分复用器及第二增益光纤；第二波分复用器的另一输入端连接有第二泵浦源，为光纤预放大器提供泵浦光。所述光纤主放大器的输入端与可调皮秒激光振荡器的输出端连接，之后依次连接有第二隔离器、合束器及第三增益光纤；合束器的另一输入端连接有泵浦源，为光纤主放大器提供泵浦光。所述合束器为（2+1）×1或（n+1）×1的合束器，耦合多路泵浦光进入第三增益光纤中。所述第三增益光纤为双包层增益光纤，或双包层光子晶体增益光纤，或大模场增益光纤。所述第三增益光纤连接有输出端冒，用于保护第三增益光纤的切面。本专利技术的有益效果在于：本专利技术可调皮秒光纤激光系统，设计的全保偏结构的光纤链路可以抵抗环境干扰，确保振荡器种子脉冲的长期稳定输出，同时确保激光功率放大过程的偏振对比度；可预先设定应用所需的多种脉冲宽度、工作波长、重复频率。通过光开关，可在多个激光输出参数中灵活切换，满足应用需求，通过切换脉冲参数，可以及时有效的观察到应用效果；模块化设计的功能组件，可灵活组装，便于实际应用。附图说明图1为本专利技术可调皮秒光纤激光系统结构示意图。具体实施方式如图1所示可调皮秒光纤激光系统结构示意图，系统依次包括被动锁模的可调皮秒激光振荡器、光纤预放大器、脉冲选择开关、光纤主放大器、输出耦合端。被动锁模的可调皮秒激光振荡器由全保偏光纤器件连接构成，采用可饱和吸收器件实现被动锁模。振荡器的一端为可饱和吸收器件，之后依次连接有增益光纤1、波分复用器1、分束器、光开关、数条延迟光纤和对应的与延迟光纤一一连接的光纤光栅。波分复用器1的另一输入端口连接有泵浦源1。分束器的另外两个端口分别作为振荡器输出端和监测端。可调皮秒激光振荡器的输出波长由光开关选取的参数与激光振荡的光纤光栅的反射波长决定；脉冲宽度由光开关选取的参数与激光振荡的光纤光栅的反射带宽决定；重复频率由光开关选取的参数与激光振荡的光纤链路长度决定，其中，延迟光纤的长度用于匹配所需的重复频率。可饱和吸收器件为含有可饱和吸收器件的光纤耦合器件；其中，可饱和吸收器件可为透射式或者反射式半导体可饱和体、石墨烯、碳纳米管等能起到非线性饱和吸收作用的光学材料。增益光纤1为掺稀土元素的有源光纤，吸收泵浦光并产生激光。波分复用器1用于将泵浦源发射出的泵浦光耦合入增益光纤1上。分束器用于输出两束激光。其中，一束由输出端输出，用于实际应用；另一束由监测端输出，用于监控激光器的工作状态。光开关用于选取后续工作的光纤链路。光开关可为机械光开关、或电光晶体及驱动电源组成的电光开关、或由声光晶体及驱动电源组成的声光开关、或能起到切换后续光路的其他种类光开关。延迟光纤用于匹配激光器所需的重复频率。依据激光器所需的重复频率，计算得出激光器的光纤链路长度，除去各个光纤耦合器件及其尾纤、增益光纤，即为延迟光纤的长度。光纤光栅为激光器提供谐振的反馈信号。光纤光栅的反射波长决定了激光器的工作波长。光纤光栅为激光器提供谐振的反馈信号。根据皮秒脉冲的时间带宽积特性，即脉冲宽度与光谱宽度成反比例关系，因此，光纤光栅的反射带宽决定了激光器的输出脉宽。比如1064nm波长的激光0.01nm光谱带宽对应165ps脉冲宽度，0.1nm光谱带宽对应于16.5ps。1nm光谱带宽对应于1.65ps。振荡器输出端连接有光纤预放大器，用于初步提升脉冲激光的平均功率。光纤预放大器的输入端与可调皮秒激光振荡器输出端连接，之后依次连接有隔离器2、波分复用器2、增益光纤2；波分复用器2的另一输入端连接有泵浦源2，为光纤预放大器提供泵浦光。光纤预放大器的输出端连接有脉冲选择开关，用于降低激光脉冲的重复频率，满足实际应用过程对脉冲数目的需求。同时，通过控制驱动电脉冲重复频率和电脉冲宽度可以实现对重复频率，可实现对光脉冲重复频率和脉冲数的控制。脉冲选择开关的输出端连接有光纤主放大器的输入端，用于大幅提升脉冲激光的平均功率。光纤主放大器的输入端与可调皮秒激光振荡器的输出端连接，之后依次连接有隔离器3、合束器3、增益光纤3；合束器的另一输入端连接有泵浦源3，为光纤主放大器提供泵浦光。合束器可为（2+1）×1也可为（n+1）×1的合束器，耦合多路泵浦光进入增益光纤3中。增益光纤3可为双包层增益光纤，可为双包层光子晶体增益光纤，可为大模场增益光纤等能提供较高增益的光纤。增益光纤3作为光纤主放大器的输出端。光纤主放大器的输出端连接有输出耦合端。增益光纤3连接有输出端冒，用于保护增益光纤3的切面。准直透镜用于将输出端帽输出的发散光准直为平行光。反射镜1和反射镜2用于调整准直输出激光的飞行光路，耦合入后续的输出隔离器。隔离器用于实现逆向光光隔离，保护输出端冒和增益光纤3。扩束器用于将输出隔离器的输出的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可调皮秒光纤激光系统，其特征在于，依次包括被动锁模的可调皮秒激光振荡器、光纤预放大器、脉冲选择开关、光纤主放大器和输出耦合端，可调皮秒激光振荡器由全保偏光纤器件连接构成，可调皮秒激光振荡器的一端为可饱和吸收器件，之后依次连接有第一增益光纤、第一波分复用器、分束器、光开关、数条延迟光纤和对应的与延迟光纤一一连接的光纤光栅；第一波分复用器的另一输入端口连接第一泵浦源，分束器的另两个端口分别作为振荡器输出端和监测端；可调皮秒激光振荡器的输出波长由光开关选取的参数与激光振荡的光纤光栅的反射波长决定；脉冲宽度由光开关选取的参数与激光振荡的光纤光栅的反射带宽决定；重复频率由光开关选取的参数与激光振荡的光纤链路长度决定，延迟光纤的长度用于匹配所需的重复频率；可调皮秒激光振荡器输出的脉冲激光进入光纤预放大器，经预放大的脉冲激光通过脉冲选择开关实现脉冲选取，进入光纤主放大器进一步提升脉冲激光的平均功率，光纤主放大器输出的激光进入输出耦合端，被光学器件耦合入输出隔离器，实现逆向光光隔离再通过扩束器输出所需光斑大小的激光。

【技术特征摘要】
1.一种可调皮秒光纤激光系统，其特征在于，依次包括被动锁模的可调皮秒激光振荡器、光纤预放大器、脉冲选择开关、光纤主放大器和输出耦合端，可调皮秒激光振荡器由全保偏光纤器件连接构成，可调皮秒激光振荡器的一端为可饱和吸收器件，之后依次连接有第一增益光纤、第一波分复用器、分束器、光开关、数条延迟光纤和对应的与延迟光纤一一连接的光纤光栅；第一波分复用器的另一输入端口连接第一泵浦源，分束器的另两个端口分别作为振荡器输出端和监测端；可调皮秒激光振荡器的输出波长由光开关选取的参数与激光振荡的光纤光栅的反射波长决定；脉冲宽度由光开关选取的参数与激光振荡的光纤光栅的反射带宽决定；重复频率由光开关选取的参数与激光振荡的光纤链路长度决定，延迟光纤的长度用于匹配所需的重复频率；可调皮秒激光振荡器输出的脉冲激光进入光纤预放大器，经预放大的脉冲激光通过脉冲选择开关实现脉冲选取，进入光纤主放大器进一步提升脉冲激光的平均功率，光纤主放大器输出的激光进入输出耦合端，被光学器件耦合入输出隔离器，实现逆向光光隔离再通过扩束器输出所需光斑大小的激光。2.根据权利要求1所述可调皮秒光纤激光系统，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝强，杨松，曾和平，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31