一种高功率2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器制造技术

本发明专利技术提供一种高功率2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器，立足于全光纤结构，使得光纤激光器具有结构紧凑、集成度高、稳定性好、转换效率高等优点，对工作环境中的振动等干扰因素不敏感，大大提高了激光器运行的稳定性和可靠性，适于工业化量产；同时，本发明专利技术利用光纤脉冲展宽器进行脉冲展宽，通过管理每一级放大的非线性效应和增益光纤的热效应，可提升光转换效率，采用被动锁模的方式获得种子激光，再经过多级放大器来放大激光功率，最后通过大模场双包层掺铥光纤来对功率进一步提升，最终获得百瓦级甚至千瓦级高功率、大能量的激光脉冲输出，更加有利于大型激光系统的建造。

A high power 2 \u03bc m mid infrared thulium doped fiber picosecond laser

【技术实现步骤摘要】
一种高功率2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器
本专利技术属于激光
，尤其涉及一种高功率2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器。
技术介绍
近年来，高功率大能量中红外全光纤激光器在大气探测、激光医学和雷达系统等领域有着广泛的应用，尤其是2微米波段光纤激光器在材料处理、气体传感、人眼安全雷达以及中红外宽带超连续光谱等领域的应用优势，使其成为高功率光纤激光器的研究热点。通常采用主振荡功率放大技术来提高超短脉冲掺铥光纤激光器的平均功率和峰值功率。在高峰值功率条件下，受激拉曼散射、自相位调制等非线性效应极大限制了超短脉冲掺铥光纤放大器平均功率和峰值功率的进一步提升。因此，通常采用啁啾脉冲放大技术来减小光纤放大器中的非线性效应，将激光种子源的脉宽先进行展宽以降低脉冲的峰值功率、减小非线性效应、积累线性啁啾，再输入到光纤放大器中进行功率放大，最后利用压缩器引入与展宽器相反的啁啾量，复原到原来的脉冲宽度，从而获得高平均功率、高峰值功率超短激光脉冲输出。2016年，北京工业大学采用啁啾脉冲放大技术，在大模场掺铥光纤后得到了平均功率71瓦、单脉冲能量2.04微焦的激光脉冲输出；2019年，深圳大学采用主振荡功率放大技术，将种子激光经过三级放大后获得平均功率104.3瓦、单脉冲能量0.33毫焦的2微米激光脉冲输出。然而，由于光纤强烈的非线性效应限制了激光单脉冲能量的进一步提高；由于热效应积累使得光纤端面易受激光损伤；由于激光器系统全光纤化程度不够导致环境稳定性相对较差。中红外超短脉冲光纤放大的非线性和复杂性，限制了2微米波段光纤激光器平均功率的提升，影响光纤激光器的输出性能，不能满足激光在工业加工、国防工业等领域的需求，因此高的平均输出功率仍是亟需挑战的重要课题。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种高功率2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器，能够获得百瓦级甚至千瓦级高功率、大能量的激光脉冲输出，具有结构紧凑、集成度高、稳定性好、转换效率高等优点。一种2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器，包括全光纤激光振荡器10、光纤展宽器40、第一级预放大模块、第二级预放大模块以及主放大器60；所述全光纤激光振荡器10用于产生2微米的锁模脉冲激光；所述第一级预放大模块用于将所述锁模脉冲激光的功率进行第一次预放大；所述光纤展宽器40用于将第一次预放大后的锁模脉冲激光进行脉冲展宽；所述第二级预放大模块用于将脉冲展宽后的锁模脉冲激光的功率进行第二次预放大；所述主放大器60用于将第二次预放大后的锁模脉冲激光的功率进行主放大，并将其输出。进一步地，所述全光纤激光振荡器10包括半导体可饱和吸收镜11、第一单模掺铥光纤12、部分反射的光纤布拉格光栅13、波分复用器14、1550nm单模半导体激光器15、第二单模掺铥光纤16、光纤耦合输出器17以及第一光纤隔离器18；所述1550nm单模半导体激光器15用于产生泵浦光，泵浦光通过波分复用器14输入并泵浦第一单模掺铥光纤12，使第一单模掺铥光纤12中产生受激辐射，得到种子光；种子光在半导体可饱和吸收镜11和光纤布拉格光栅13之间来回振荡；当种子光的增益大于损耗时，通过波分复用器14输出2微米的锁模脉冲激光；锁模脉冲激光依次通过第二单模掺铥光纤16、光纤耦合输出器17以及第一光纤隔离器18后进入所述多级预放大器；其中，所述第二单模掺铥光纤16用于吸收后续光路的形成的反馈光；所述光纤耦合输出器17包括两个端口，其中一个端口用于输出锁模脉冲激光，另一个端口用于探测锁模脉冲激光的稳定性；所述第一光纤隔离器18用于隔离后续光路的形成的反馈光。进一步地，所述第一级预放大模块包括第一级预放大器20与第二级预放大器30，第二级预放大模块包括第三级预放大器50；所述锁模脉冲激光依次通过第一级预放大器20与第二级预放大器30进行两级预放大；所述脉冲展宽后的锁模脉冲激光通过第三级预放大器50进行第二次预放大。进一步地，所述第一级预放大器20包括第一多模半导体激光器21、第一光纤合束器22、第一双包层掺铥光纤23以及第一光纤隔离器24；所述第一多模半导体激光器21用于产生第一泵浦光；所述第一光纤合束器22用于将所述第一泵浦光和锁模脉冲激光耦合输入第一双包层掺铥光纤23；所述第一双包层掺铥光纤23用于在第一泵浦光的泵浦下，为锁模脉冲激光提供增益介质，实现锁模脉冲激光的第一级预放大，然后将第一级预放大后的锁模脉冲激光通过所述第一光纤隔离器24进入第二级预放大器30；所述第一光纤隔离器24用于隔离后续光路形成的反馈光。进一步地，所述第二级预放大器30包括第二多模半导体激光器31、第二光纤合束器32、第二双包层掺铥光纤33、第一水冷板34以及第二光纤隔离器35；所述第二多模半导体激光器31用于产生第二泵浦光；所述第二光纤合束器32用于将所述第二泵浦光和第一级预放大后的锁模脉冲激光耦合输入第二双包层掺铥光纤33；所述第二双包层掺铥光纤33用于在第二泵浦光的泵浦下，为第一级预放大后的锁模脉冲激光提供增益介质，实现锁模脉冲激光的第二级预放大，得到完成第一次预放大的锁模脉冲激光，然后将第一次预放大后的锁模脉冲激光通过第二光纤隔离器35进入光纤脉冲展宽器40；所述第二光纤隔离器35用于隔离后续光路形成的反馈光；所述第一水冷板34用于放置并冷却所述第二双包层掺铥光纤33。进一步地，所述第三级预放大器50包括第三多模半导体激光器51、第三光纤合束器52、第三双包层掺铥光纤53、第二水冷板54以及第三光纤隔离器55；所述第三多模半导体激光器51用于产生第三泵浦光；所述第三光纤合束器52用于将所述第三泵浦光和脉冲展宽后的锁模脉冲激光耦合输入第三双包层掺铥光纤53；所述第三双包层掺铥光纤53用于在第三泵浦光的泵浦下，为脉冲展宽后的锁模脉冲激光提供增益介质，实现脉冲展宽后的锁模脉冲激光的第三级预放大，得到完成第二次预放大的锁模脉冲激光，然后将完成第二次预放大后的锁模脉冲激光通过第三光纤隔离器55进入主放大器60；所述第三光纤隔离器55用于隔离后续光路形成的反馈光；所述第二水冷板54用于放置并冷却所述第三双包层掺铥光纤53。进一步地，所述主放大器60包括环形器61、第四光纤合束器62、第四多模半导体激光器63、大模场双包层掺铥光纤64、第三水冷板65、大模场双包层无源光纤66；所述第四多模半导体激光器63用于产生第四泵浦光；所述环形器61用于将第二次预放大后的锁模脉冲激光转发至第四光纤合束器62，并用于隔离后续光路的形成的反馈光；所述第四光纤合束器62用于将所述第三泵浦光和脉冲展宽后的锁模脉冲激光耦合输入大模场双包层掺铥光纤64；所述大模场双包层掺铥光纤64用于在第四泵浦光的泵浦下，为第二次预放大后的锁模脉冲激光提供增益介质，实现锁模脉冲激光的主放大；所述大模场双包层无源光纤66用于输出主放大后的锁模脉冲激光；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器，其特征在于，包括全光纤激光振荡器(10)、光纤展宽器(40)、第一级预放大模块、第二级预放大模块以及主放大器(60)；/n所述全光纤激光振荡器(10)用于产生2微米的锁模脉冲激光；/n所述第一级预放大模块用于将所述锁模脉冲激光的功率进行第一次预放大；/n所述光纤展宽器(40)用于将第一次预放大后的锁模脉冲激光进行脉冲展宽；/n所述第二级预放大模块用于将脉冲展宽后的锁模脉冲激光的功率进行第二次预放大；/n所述主放大器(60)用于将第二次预放大后的锁模脉冲激光的功率进行主放大，并将其输出。/n

【技术特征摘要】
1.一种2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器，其特征在于，包括全光纤激光振荡器(10)、光纤展宽器(40)、第一级预放大模块、第二级预放大模块以及主放大器(60)；
所述全光纤激光振荡器(10)用于产生2微米的锁模脉冲激光；
所述第一级预放大模块用于将所述锁模脉冲激光的功率进行第一次预放大；
所述光纤展宽器(40)用于将第一次预放大后的锁模脉冲激光进行脉冲展宽；
所述第二级预放大模块用于将脉冲展宽后的锁模脉冲激光的功率进行第二次预放大；
所述主放大器(60)用于将第二次预放大后的锁模脉冲激光的功率进行主放大，并将其输出。


2.如权利要求1所述的一种2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器，其特征在于，所述全光纤激光振荡器(10)包括半导体可饱和吸收镜(11)、第一单模掺铥光纤(12)、部分反射的光纤布拉格光栅(13)、波分复用器(14)、1550nm单模半导体激光器(15)、第二单模掺铥光纤(16)、光纤耦合输出器(17)以及第一光纤隔离器(18)；
所述1550nm单模半导体激光器(15)用于产生泵浦光，泵浦光通过波分复用器(14)输入并泵浦第一单模掺铥光纤(12)，使第一单模掺铥光纤(12)中产生受激辐射，得到种子光；种子光在半导体可饱和吸收镜(11)和光纤布拉格光栅(13)之间来回振荡；当种子光的增益大于损耗时，通过波分复用器(14)输出2微米的锁模脉冲激光；锁模脉冲激光依次通过第二单模掺铥光纤(16)、光纤耦合输出器(17)以及第一光纤隔离器(18)后进入所述多级预放大器；
其中，所述第二单模掺铥光纤(16)用于吸收后续光路的形成的反馈光；
所述光纤耦合输出器(17)包括两个端口，其中一个端口用于输出锁模脉冲激光，另一个端口用于探测锁模脉冲激光的稳定性；
所述第一光纤隔离器(18)用于隔离后续光路的形成的反馈光。


3.如权利要求1所述的一种2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器，其特征在于，所述第一级预放大模块包括第一级预放大器(20)与第二级预放大器(30)，第二级预放大模块包括第三级预放大器(50)；
所述锁模脉冲激光依次通过第一级预放大器(20)与第二级预放大器(30)进行两级预放大；
所述脉冲展宽后的锁模脉冲激光通过第三级预放大器(50)进行第二次预放大。


4.如权利要求3所述的一种2微米中红外掺铥光纤皮秒激光器，其特征在于，所述第一级预放大器(20)包括第一多模半导体激光器(21)、第一光纤合束器(22)、第一双包层掺铥光纤(23)以及第一光纤隔离器(24)；
所述第一多模半导体激光器(21)用于产生第一泵浦光；
所述第一光纤合束器(22)用于将所述第一泵浦光和锁模脉冲激光耦合输入第一双包层掺铥光纤(23)；
所述第一双包层掺铥光纤(23)用于在第一泵浦光的泵浦下，为锁模脉冲激光提供增益介质，实现锁模脉冲激光的第一级预放大，然后将第一级预放大后的锁模脉冲激光通过所述第一光纤隔离器(24)进入第二级预放大器(30...

【专利技术属性】
技术研发人员：李平雪，王萱，姚传飞，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11