[發明專利]一種低色散差異全光纖脈沖頻率倍增器

在審

• 申請號: 202011311295.6
• 申請日: 2020-11-20
• 公開（公告）號: CN112421359A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 孫彪;李偉偉;胡小豹;白振岙;王雪嬌
• 申請（專利權）人: 杭州奕力科技有限公司
• 主分類號: H01S3/067
• 分類號: H01S3/067;H01S3/094;H01S3/109
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 巴曉艷

本發明提供了一種低色散差異全光纖脈沖頻率倍增器，包括：1×N光纖分束耦合器，低色散空芯光纖，N×1光纖合束耦合器。飛秒光脈沖被1×N光纖分束耦合器分成N路，這N路光脈沖通過有長度差異的低色散空芯光纖后脈沖寬度保持基本不變，并且產生一個按梯度遞增的延遲光脈沖序列，光脈沖延遲差的梯度值取決于飛秒種子脈沖的重頻和需要倍增的目標重頻，經延遲后的N路光脈沖最終通過N×1光纖合束耦合器合頻輸出。該發明實現了低色散差異全光纖脈沖頻率倍增，可以獲得GHz或更高頻率的飛秒激光脈沖，解決了光纖激光器中飛秒脈沖頻率的倍增技術難題，適用于高重頻飛秒激光器系統。

技術領域

本發明涉及激光技術領域，特別是涉及一種低色散差異全光纖脈沖頻率倍增器。

背景技術

飛秒激光具有超快速時間和超高峰值功率的特性，將其用于材料加工時，能夠以極快的速度將其全部能量注入到很小的作用區域，瞬間內的高能量密度沉積將使電子的吸收和運動方式發生變化，避免了激光線性吸收而導致能量轉移和擴散等的影響，從而在根本上改變了激光與物質相互作用的方式，使飛秒激光加工成為具有超高精度，超高空間分辨率，以及廣泛性的材料適應性的非熱熔冷處理過程，開創了激光加工的嶄新領域。

獲得飛秒超短脈沖的主要方法就是利用鎖模技術實現不同的振蕩縱模相位關系的鎖定，從而使各個模式相干疊加得到超短脈沖。鎖模的方法主要有兩種：主動鎖模和被動鎖模。除了主動相位調制之外，一般都是通過損耗調制的方式實現鎖模，其中最常用的是通過飽和吸收效應產生鎖模。飽和吸收效應，即光強越強，工作物質的吸收越弱，當光強足夠強時，飽和吸收體被“漂白”，對光不再吸收。飽和吸收的弛豫時間越短，能支持的鎖模脈沖寬度越窄，重頻的上限也越高。當前工業級的飛秒激光器普遍采用光纖鎖模種子源，具有高穩定性、易耦合、成本低等特點。受到增益介質和器件尾纖長度、非線性和色散管理等條件的限制，振蕩器產生的超短脈沖激光的重復頻率一般為10MHz-100 MHz。

傳統的飛秒激光微加工通常及長期運行在低平均功率和較低重復頻率(1MHz)下，飛秒脈沖積累的熱量可以忽略不計，能夠實現冷加工的效果。然而今年來研究發現，將更高重復頻率的GHz飛秒激光用于材料加工時，并沒有導致加工質量的下降，激光與材料作用時產生的熱量反而有助于消融效率的提高，其燒蝕效率可以達到納秒激光所達到的燒蝕效率，而且與熱相關的副作用有限且可控，這不僅可以提高生產力，還可以改善對熱效應的控制，Can Kerse等人于2016年在Nature上發表的“Ablation-cooled material removalwith ultrafast bursts of pulses”中闡釋了這一機理，這一機理表明了低單脈沖能量、高重復頻率的飛秒光纖激光器在工業加工中具有很高的應用和商業價值。

目前，獲得高重頻超短脈沖激光的方法主要有以下幾種：

(1)固體鎖模激光器，固體增益介質短能夠同時更短的腔長來實現GHz重頻脈沖輸出。Selina Pekarek在文章“Diode-pumped gigahertz femtosecond Yb:KGW laser withapeak power of 3.9kW”公開了一種基于可飽和吸收體和Yb:KGW增益晶體的GHz飛秒激光振蕩器，但此種方法試用全固態空間耦合方式，抗環境(振動、溫漂)性能差，且與光纖激光系統兼容度不高。

(2)光纖振蕩器腔內高重頻方法，主要利用短磷酸鹽增益光纖，但是該光纖技術尚不成熟，沒有商業化光纖，而且色散管理比較困難，很難獲得足以支持飛秒脈沖的光譜；光纖振蕩腔內高重頻方法，主要利用高增益短磷酸鹽、硅酸鹽光纖，《中國知網》2019年收錄的華南理工大學的王文龍碩士論文《1.0μm波段高重復頻率被動鎖模光纖激光器的研究》中闡述了此種方法，但是該光纖技術尚不成熟，沒有商業化光纖，而且色散管理比較困難，很難獲得足以支持飛秒脈沖的光譜。