[實用新型]具有高光束質(zhì)量的皮秒激光脈沖串光纖放大器

有效

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• 申請日: 2020-05-20
• 公開（公告）號: CN212257986U
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃旭輝
• 申請（專利權(quán)）人: 廣東瀚盈激光科技有限公司
• 主分類號: H01S3/067
• 分類號: H01S3/067;H01S3/10
• 代理公司: 江門市泰睿知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 44626
• 代理人: 方振昌

本實用新型公開了一種具有高光束質(zhì)量的皮秒激光脈沖串光纖放大器，包括可將信號與泵浦結(jié)合的信號泵浦合成器，信號泵浦合成器設(shè)有信號輸入端，信號泵浦合成器的輸入端連接有泵浦激光，信號泵浦合成器的輸出端與增益光纖的輸入端連接，增益光纖的輸出端與光束準直器連接，本實用新型可將泵浦激光與信號光結(jié)合放大，具有高質(zhì)量的光束，此外光束準直器的結(jié)構(gòu)確保了輸出的光束質(zhì)量。

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及光纖放大器領(lǐng)域，特別涉及一種具有高光束質(zhì)量的皮秒激光脈沖串光纖放大器。

背景技術(shù)

超短脈沖激光器可以產(chǎn)生皮秒到亞皮秒的激光脈沖，在工業(yè)加工、醫(yī)療、和許多其他領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。其中，光纖型超快激光器具有可靠、穩(wěn)定、體積小等優(yōu)點，所以其發(fā)展尤其受到重視。到目前為止，人們對這類激光器產(chǎn)品的研發(fā)力量主要集中在單脈沖能量很大(幾十微焦到上百微焦)、重復(fù)頻率不是很高(數(shù)十萬赫茲)的飛秒或皮秒激光單脈沖。雖然，這種脈沖激光的“加工”性能極為優(yōu)越，但由于受到各種非線性效應(yīng)的限制，超短脈沖信號的放大難度是很大的。如果使用光纖來放大，這些限制尤為突出。譬如，超短激光脈沖從種子激光源產(chǎn)生時，其脈沖寬度多在一皮秒到十皮秒的范圍。直接用光纖放大這種脈沖時，光纖的激光損傷與各種非線性效應(yīng)會把單個脈沖的能量限制在相當?shù)偷乃健Ｃ}沖的最高能量水平可以通過增加放大器光纖的纖芯直徑來加以提高，但提高的程度不會很可觀。以石英光纖在1微米波長的放大器為例，用纖芯直徑為10微米的光纖可以把脈沖寬度為10皮秒的脈沖的能量放大至幾到幾十納焦的水平；用纖芯直徑為25微米的光纖可以把最高脈沖能量提高到微焦水平。如果想把脈沖能量繼續(xù)提高，需要采用一些特別的技術(shù)。例如，CPA就是為了解決放大飛秒脈沖時這些非線性效應(yīng)的限制而采用的技術(shù)。它的基本思想是：先把可以壓縮到飛秒級的激光脈沖的脈寬擴展到納秒或接近納秒，然后再把脈沖的能量放大。由于脈沖寬度變長后在相同能量時的峰值功率大為降低，就可以盡可能地減小非線性效應(yīng)的影響。脈沖能量放大后再用脈沖壓縮裝置把脈沖寬度壓縮到亞皮秒的量級。但是，這些還不能完全解決超短脈沖能量放大的所有困難。用模場直徑一定的LMA光纖，把脈沖寬度擴展到納米量級后的脈沖能量放大的能力仍然是很有限的。目前，解決這一困難的主要方法是繼續(xù)增加光纖的纖芯模場直徑。如果用傳統(tǒng)的階梯式折射率分布的LMA光纖，當纖芯直徑超過15微米時，就會有一個或數(shù)個高階模式可以在光纖中傳播和放大，隨著纖芯直徑越增越大，允許的高階模式就會越來越多，產(chǎn)生的激光的光束質(zhì)量就會不斷下降。按目前的技術(shù)現(xiàn)狀，這類光纖實際上能達到的最大纖芯直徑約為25至30微米。因此，超短脈沖能取得的最大脈沖能量約在50微焦以下。要取得更大的脈沖能量，需要使用芯徑更大的LMA光纖。用常規(guī)的光纖設(shè)計方法很難得到這樣的光纖，所以現(xiàn)在都是用光纖晶體光纖的技術(shù)來制作芯徑達到40微米以上的LMA 增益光纖。幾乎所有大脈沖能量的CPA光纖激光系統(tǒng)都用這樣的光纖技術(shù)。

但是，盡管這種技術(shù)確實很好地減小了對超短激光脈沖影響極大的非線性效應(yīng)，采用這種光纖來制作超短脈沖光纖激光系統(tǒng)時也發(fā)現(xiàn)了一些很嚴峻的問題。其中，最為重大的潛在問題有兩個。一是由于這類光纖結(jié)構(gòu)特殊，到目前為止不無法用傳統(tǒng)的設(shè)備把這種光纖與傳統(tǒng)光纖直接連接。譬如，還沒有直接焊接機，也沒有類似于傳統(tǒng)光纖激光系統(tǒng)用的配套光纖器件如光纖隔離器、光纖型泵浦合成器等。這給產(chǎn)品的制造帶來了困難及成本的壓力。第二，一般來說，放大器的泵浦光需要從放大器的輸出端用自由空間的方法耦合入放大器，放大器的輸出端需要直接水冷。這對產(chǎn)品的可靠性是一個非常大的隱患。

由于這些無法忽略的問題或困難，人們開始探索制作超短脈沖激光器的更為可靠的方法。已經(jīng)證實，用時間上相距很近的一系列超短激光脈沖組成的脈沖串在與許多物質(zhì)作用時，其效果可以與能量和該脈沖串總能量相同單個超短脈沖相近。這就為超短脈沖光纖激光器的發(fā)展開辟了一條新的道路。尤其重要的是，原來被認為不太好的傳統(tǒng)LMA光纖可以重新用于大功率光纖激光系統(tǒng)。而且，它在配套器件、制作方便、可靠性等方面的優(yōu)點現(xiàn)在都可以充分發(fā)揮。

實用新型內(nèi)容