一种低色散差异全光纤脉冲频率倍增器制造技术

本发明专利技术提供了一种低色散差异全光纤脉冲频率倍增器，包括：1

【技术实现步骤摘要】
一种低色散差异全光纤脉冲频率倍增器


[0001]本专利技术涉及激光
，特别是涉及一种低色散差异全光纤脉冲频率倍增器。

技术介绍

[0002]飞秒激光具有超快速时间和超高峰值功率的特性，将其用于材料加工时，能够以极快的速度将其全部能量注入到很小的作用区域，瞬间内的高能量密度沉积将使电子的吸收和运动方式发生变化，避免了激光线性吸收而导致能量转移和扩散等的影响，从而在根本上改变了激光与物质相互作用的方式，使飞秒激光加工成为具有超高精度，超高空间分辨率，以及广泛性的材料适应性的非热熔冷处理过程，开创了激光加工的崭新领域。
[0003]获得飞秒超短脉冲的主要方法就是利用锁模技术实现不同的振荡纵模相位关系的锁定，从而使各个模式相干叠加得到超短脉冲。锁模的方法主要有两种：主动锁模和被动锁模。除了主动相位调制之外，一般都是通过损耗调制的方式实现锁模，其中最常用的是通过饱和吸收效应产生锁模。饱和吸收效应，即光强越强，工作物质的吸收越弱，当光强足够强时，饱和吸收体被“漂白”，对光不再吸收。饱和吸收的弛豫时间越短，能支持的锁模脉冲宽度越窄，重频的上限也越高。当前工业级的飞秒激光器普遍采用光纤锁模种子源，具有高稳定性、易耦合、成本低等特点。受到增益介质和器件尾纤长度、非线性和色散管理等条件的限制，振荡器产生的超短脉冲激光的重复频率一般为10MHz-100 MHz。
[0004]传统的飞秒激光微加工通常及长期运行在低平均功率和较低重复频率(<1MHz)下，飞秒脉冲积累的热量可以忽略不计，能够实现冷加工的效果。然而今年来研究发现，将更高重复频率的GHz飞秒激光用于材料加工时，并没有导致加工质量的下降，激光与材料作用时产生的热量反而有助于消融效率的提高，其烧蚀效率可以达到纳秒激光所达到的烧蚀效率，而且与热相关的副作用有限且可控，这不仅可以提高生产力，还可以改善对热效应的控制，Can Kerse等人于2016年在Nature上发表的“Ablation-cooled material removal with ultrafast bursts of pulses”中阐释了这一机理，这一机理表明了低单脉冲能量、高重复频率的飞秒光纤激光器在工业加工中具有很高的应用和商业价值。
[0005]目前，获得高重频超短脉冲激光的方法主要有以下几种：
[0006](1)固体锁模激光器，固体增益介质短能够同时更短的腔长来实现GHz重频脉冲输出。Selina Pekarek在文章“Diode-pumped gigahertz femtosecond Yb:KGW laser witha peak power of 3.9kW”公开了一种基于可饱和吸收体和Yb:KGW增益晶体的GHz飞秒激光振荡器，但此种方法试用全固态空间耦合方式，抗环境(振动、温漂)性能差，且与光纤激光系统兼容度不高。
[0007](2)光纤振荡器腔内高重频方法，主要利用短磷酸盐增益光纤，但是该光纤技术尚不成熟，没有商业化光纤，而且色散管理比较困难，很难获得足以支持飞秒脉冲的光谱；光纤振荡腔内高重频方法，主要利用高增益短磷酸盐、硅酸盐光纤，《中国知网》2019年收录的华南理工大学的王文龙硕士论文《1.0μm波段高重复频率被动锁模光纤激光器的研究》中阐述了此种方法，但是该光纤技术尚不成熟，没有商业化光纤，而且色散管理比较困难，很难
获得足以支持飞秒脉冲的光谱。
[0008](3)谐波锁模激光器，于晋龙，董孝义等人在《主动锁模光纤激光器有理数谐波锁模与重复频率的分频现象》一文中阐述了此种方法，但是这种方案实现难度高，且稳定性很差，容易出现脉冲漂移和类噪声脉冲；利用高频电光调制器，主、被动混合锁模激光器，由于调制带宽的限制不易获得飞秒脉冲，其脉冲宽度大多都大于10皮秒。
[0009](4)腔外频率倍增技术，基于成熟的较低重频(10M-100MHz)飞秒振荡器作为前端，通过分束、延迟、再合束的方案，目前实现方案主要为1、采用空间光学组件，日本早稻田大学的T.Kobayashi等人报道的“Study on frequency multiplier ofa pulsed laser repetition using an optical cavity”中提及了此种方法，成功的将36.0MHz的光脉冲倍增至144MHz，若将重复频率为10M-100MHz的飞秒振荡器倍增至GHz，延迟量差异约为1-100ns，光程最大达到了30米，因此空间结构的方案体积异常巨大，且需要解决传输带来光束变化的难题；2、采用光纤分束延迟合成方案，F.Ilday等人在“3.5-GHz intra-burst repetition rate ultrafast Yb-doped fiber laser”文章中报道了通过级联普通光纤的方法获得3.5GHz脉冲的方法，这种方案采用不同长度的介质光纤作为延迟光纤会导致各分路色散积累不一致，不能保证在同一脉冲压缩器中实现所有脉冲的完美压缩，表现在测得的脉冲自相关迹有很明显的底座。

技术实现思路

[0010]鉴于以上技术缺点，本专利技术提供了一种低色散差异全光纤脉冲频率倍增器，用于解决光纤激光器中飞秒脉冲频率的倍增技术难题，获得脉冲宽度一致的GHz或更高频率的飞秒激光脉冲。
[0011]本专利技术解决技术缺点所采取的技术方案为：一种低色散差异全光纤脉冲频率倍增器，其系统结构如图1所示。包括：1
×
N光纤分束耦合器，低色散空芯光纤，N
×
1光纤合束耦合器。其特征在于：所述的1
×
N光纤分束耦合器，其N端的尾纤长度一致，功能是将种子光脉冲分为N路的同时还保证了其色散一致性，N取决于飞秒种子脉冲的重频和需要倍增的目标重频。如图2脉冲时序关系所示，假设飞秒种子脉冲的重频为f0，对应的脉冲周期为需要倍增的目标重频为f
out
，则N＝f
out
/f0，N取整数，对应的脉冲周期变为连接方式为：1
×
N光纤分束耦合器的1端尾纤与飞秒种子源相连，其中1
×
N光纤分束耦合器的光纤材料可为石英玻璃、软玻璃或聚合物。
[0012]所述的低色散空芯光纤，可以为反谐振光纤，Kagome光纤等，其色散系数通常小于1ps/nm/km，其连接方式为：1
×
N光纤分束耦合器的N端尾纤与低色散空芯光纤相连，各通路中的低色散空芯光纤长度存在差异，用于获得不同的脉冲延迟，其脉冲延迟与种子脉冲的重频和需要倍增的目标重频相关，长度差为ΔL＝Δt
×
c/n(c为光速，n为光纤有效折射率；对于空芯光纤，n＝1
±
0.001，可视为1)，其结构关系如图3所示。其中，1
×
N光纤分束耦合器的N端光纤与低色散空芯光纤的连接方式可以是熔接也可以是微光学器件耦合封装。
[0013]所述的N
×
1光纤合束耦合器，其N端的尾纤长度一致，功能是将N路延迟光脉冲合为一路输出，N端本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低色散差异全光纤脉冲频率倍增器，包括：1
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N光纤分束耦合器，低色散空芯光纤，N
×
1光纤合束耦合器；其特征在于，所述的1
×
N光纤分束耦合器，其N端的尾纤长度一致，保证了色散一致性，N取决于飞秒种子脉冲的重频和需要倍增的目标重频，假设飞秒种子脉冲的重频为f0，需要倍增的目标重频为f
out
，则N＝f
out
/f0，N取整数；连接方式为：1
×
N光纤分束耦合器的1端尾纤与飞秒种子源相连，其中1
×
N光纤分束耦合器的光纤材料为石英玻璃、软玻璃或聚合物。2.根据权利要求1所述的一种低色散差异全光纤脉冲频率倍增器，其特征在于，所述的低色散空芯光纤，为反谐振光纤或Kagome光纤，其色散系数小于1ps/nm/km，飞秒激光脉冲在这种光纤中传输，脉冲宽度的变化几乎为零；其连接方式为：1...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙彪，李伟伟，胡小豹，白振岙，王雪娇，
申请(专利权)人：杭州奕力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：