皮秒和光秒脈衝雷射輸出切換裝置及其控制方法
2023-06-25 19:38:26 2
皮秒和光秒脈衝雷射輸出切換裝置及其控制方法
【專利摘要】皮秒和飛秒脈衝雷射輸出切換裝置及其控制方法，輸出切換裝置包括沿光路順次設置的光源、皮秒雷射振蕩器、可調濾波器、光纖放大器和折光鏡，折光鏡包括高反鏡，用於將光路切換至兩個不同的輸出埠；其中一個埠順次連接脈衝壓縮器和飛秒倍頻器；而另一埠連接皮秒倍頻器，用於輸出皮秒脈衝，當可調濾波器選取皮秒雷射振蕩器輸出光譜邊緣部分時，高反鏡的位置使得光譜皮秒脈衝無偏折地通過折光鏡後進入皮秒倍頻器，當可調濾波器選取皮秒雷射振蕩器輸出光譜中心部分時，高反鏡轉動至另一位置，以使光譜皮秒脈衝產生90度偏折後進入脈衝壓縮器及飛秒倍頻器。該輸出切換裝置及其控制方法實現窄帶皮秒或寬帶飛秒雷射的快速切換輸出。
【專利說明】皮秒和光秒脈衝雷射輸出切換裝置及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及雷射【技術領域】，尤其涉及一種高功率窄帶光譜的皮秒脈衝雷射和寬帶光譜的飛秒脈衝雷射的輸出切換裝置及其控制方法。
【背景技術】
[0002]超短脈衝為脈衝寬度在飛秒到皮秒量級間的一類脈衝的總稱。利用高功率皮秒和飛秒雷射，可實現對金屬、金屬碳化物、矽片等工業材料進行高精度加工。與納秒脈衝相比，飛秒和皮秒脈衝的時間寬度之短，可迅速達到材料的消融臨界點所需要的峰值能量密度，並有效地減少雷射輻射帶來的熱效應。飛秒雷射的持續時間遠遠小於晶格熱傳導時間，在其與物質相互作用時，能量吸收限制在極小的範圍內，電子達到極高的溫度，隨之物質從固態變為離子態，迅速從加工區域噴出。因此，利用飛秒和皮秒脈衝能克服雷射熱效應帶來的弊端，實現高精度的加工。
[0003]提及高功率超短脈衝的產生方法，一般有兩大類。一類是採用固體雷射器、半導體雷射二極體或光纖雷射器作為窄帶光譜的種子源，光譜寬度一般小於lnm，脈衝寬度為幾個皮秒到幾百皮秒。相比寬帶光譜的皮秒雷射，雖然該窄帶光譜的皮秒脈衝無法壓縮到飛秒脈衝，但該窄帶光譜的皮秒脈衝光源的一個主要優勢具有更高的倍頻效率，有利於實現更短波長的雷射輸出。
[0004]另一類是以寬帶光譜的飛秒雷射或者寬帶光譜的皮秒雷射作為種子源，經過啁啾脈衝放大或者主振蕩功率放大，最後採用脈衝壓縮達到飛秒量級，實現更高的峰值功率。該技術會使用寬帶光譜器件以確保最終輸出雷射光譜具有足夠的帶寬，實現更窄的飛秒脈衝。
[0005]以上兩類超短脈衝的功率放大過程雖然看似相近，但到目前為止，並無法在一套雷射系統裡面同時實現這兩種光譜形式(寬帶光譜或者窄帶光譜)的超短脈衝雷射輸出。其主要問題是脈衝雷射種子源的輸出參數基本決定了該雷射系統的性能和特性。若需要實現不同形式的光譜輸出，必須更換脈衝種子源。這必然會增加雷射系統複雜度，並進而提高製造成本。
【發明內容】
[0006](一)發明目的
[0007]本發明的目的是提供一種高功率窄帶光譜的皮秒脈衝雷射或寬帶光譜的飛秒脈衝雷射的輸出切換裝置及其控制方法。
[0008]( 二 )技術方案
[0009]為了解決上述技術問題，本發明提供了一種皮秒和飛秒脈衝雷射輸出切換裝置，包括沿光路順次設置的光源、皮秒雷射振蕩器、可調濾波器、光纖放大器和折光鏡，其中，皮秒雷射振蕩器，用於輸出光譜；可調濾波器，用於選取皮秒雷射振蕩器輸出光譜中不同波長的光譜成分；光纖放大器，用於將可調濾波器濾波後的脈衝的平均功率提升；折光鏡，其包括高反鏡，用於將光路切換至兩個不同的輸出埠，其中一個輸出埠順次連接有脈衝壓縮器和飛秒倍頻器，脈衝壓縮器用於將寬帶光譜的皮秒脈衝壓縮至飛秒脈衝；飛秒倍頻器用於將寬帶光譜的皮秒脈衝壓縮，最終輸出飛秒脈衝；而另一個輸出埠連接有皮秒倍頻器，用於輸出皮秒脈衝，當可調濾波器選取皮秒雷射振蕩器輸出光譜邊緣部分時，高反鏡的位置使得光譜皮秒脈衝無偏折地通過折光鏡後進入皮秒倍頻器，當可調濾波器選取皮秒雷射振蕩器輸出光譜中心部分時，高反鏡轉動至另一位置處，以使光譜皮秒脈衝產生90度偏折後進入脈衝壓縮器及飛秒倍頻器。
[0010]其中，還包括與可調濾波器和折光鏡連接的飛秒/皮秒切換驅動器，用於驅動可調濾波器以及折光鏡，以分別實現光譜的選取和高反鏡的轉動。
[0011]其中，可調濾波器和折光鏡都是電控的。
[0012]其中，皮秒雷射振蕩器為非線性偏振旋轉鎖模的全正色散光纖雷射器。
[0013]其中，可調濾波器為基於F-P腔的可調濾波器或光柵結構的濾波器或幹涉濾光片結構的濾波器。
[0014]其中，光纖放大器包括光纖預放大器以及光纖主放大器。
[0015]其中，光纖預放大器為纖芯泵浦的光纖放大器，用於將20mW的功率提升至超過200mW。
[0016]其中，光纖主放大器為包層泵浦的光纖放大器，用於將200mW的功率提升至超過10W。
[0017]本發明還提供了一種皮秒和飛秒脈衝雷射輸出切換裝置的控制方法，該方法包括以下步驟:
[0018]S1:當需要輸出皮秒脈衝雷射時，調整可調濾波器，使其選取皮秒雷射振蕩器輸出光譜邊緣部分，同時將高反鏡的位置調整至光譜皮秒脈衝無偏折地通過折光鏡後進入皮秒倍頻器的位置；
[0019]S2:當需要輸出飛秒脈衝雷射時，調整可調濾波器，使其選取皮秒雷射振蕩器輸出光譜中心部分，同時將高反鏡的位置調整至光譜皮秒脈衝產生90度偏折後進入脈衝壓縮器及飛秒倍頻器的位置。
[0020]其中，該方法還包括以下步驟:通過飛秒/皮秒切換控制器控制可調濾波器和折光鏡的調整。
[0021](三)有益效果
[0022]1.本發明採用一臺雷射系統即可實現高功率窄帶皮秒或寬帶飛秒雷射輸出，且結構簡單，製造成本小。採用電路驅動、可調濾波器及光路控制即可實現高功率窄帶皮秒或寬帶飛秒雷射輸出的切換。
[0023]2.採用電控驅動可調濾波器以及電控折光鏡，光路切換速度快，不僅控制精度高、而且簡單易行，可有效降低雙路雷射輸出系統的製造成本。
[0024]3.分別採用兩塊倍頻晶體有利於提高雷射的倍頻效率。飛秒倍頻器中採用較短的倍頻晶體，有利於寬帶光譜的飛秒雷射倍頻。皮秒倍頻器中採用較長的倍頻晶體，有利於窄帶光譜的皮秒雷射倍頻。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1是本發明的皮秒和光秒脈衝雷射輸出切換裝置的總體結構示意圖；
[0026]圖2是皮秒雷射振蕩器輸出的雷射光譜，其示出了光譜邊緣及光譜中心的位置；
[0027]圖3a示出了電控可調濾波器選取出皮秒雷射振蕩器的中心光譜的脈衝寬度，圖3b示出了經放大後的寬帶光譜皮秒脈衝的光譜形狀；
[0028]圖4a示出了電控可調濾波器選取出皮秒雷射振蕩器的邊緣光譜的脈衝寬度，圖4b示出了經放大後的窄帶光譜皮秒脈衝的光譜形狀；
[0029]圖5是光纖預放大器的示意圖；
[0030]圖6是光纖主放大器的示意圖；以及
[0031]圖7是電控折光鏡的示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖，以lym波段的摻鐿光纖雷射為例，對本發明進行詳細說明。本領域技術人員應當理解，下面描述的實施例僅是對本發明的示例性說明，而非用於對其作出任何限制。在所有附圖中，相同的附圖標記表示相同或相似的部件。
[0033]如圖1所示，該裝置包括沿光路順次設置的光源L、皮秒雷射振蕩器100、可調濾波器200、光纖放大器、折光鏡500、脈衝壓縮器600、飛秒倍頻器800、皮秒倍頻器700以及與電動可調濾波器200和折光鏡500連接的飛秒/皮秒切換驅動器900。
[0034]具體地，光源L均採用Ιμπι波段適用的光學器件及光纖。
[0035]皮秒雷射振蕩器100用於輸出光譜,並優選為非線性偏振旋轉鎖模的全正色散光纖雷射器，其可為全光纖結構，也可為半空間半光纖結構。典型重複頻率為60MHz，平均功率20mW，脈衝寬度為10ps。皮秒雷射振蕩器100典型的光譜範圍如圖2所示，覆蓋1025-1035nm，光譜寬度Λ λ = 10nm。該類型光纖雷射器環路內部皆由正色散光纖構成，由於自相位調製的作用使該脈衝中心附近較大範圍的啁啾為線性且是正的，即輸出脈衝的頻率分布隨著時間的增加而增加(上啁啾)。而脈衝兩邊的頻譜變化較小。因此，皮秒雷射振蕩器100輸出光譜中不同位置的光譜成分具有不同的脈衝寬度，光譜中心(如圖2中右側的虛線橢圓所示)的脈衝寬度較小，光譜兩邊(如圖2中左側的虛線橢圓所示)的脈衝寬度較大的特點。
[0036]電動可調濾波器200用於選取皮秒雷射振蕩器100輸出光譜中不同波長的光譜成分，其可以為基於F-P腔的可調濾波器(調節腔長選波長)，或者是光柵結構的濾波器(調節光柵與入射光夾角選波長)，也可為幹涉濾光片結構的濾波器(調節濾光片與入射光夾角選波長)。該電控可調濾波器200皆為光纖稱合方式。
[0037]皮秒雷射振蕩器100輸出光譜由電動可調濾波器200進行光譜選取，濾波範圍大於10nm(覆蓋皮秒雷射振蕩器100輸出光譜)；濾波帶寬小於皮秒雷射振蕩器100光譜寬度的十分之一，即小於Λ λ/10 (〈lnm)。
[0038]光纖放大器用於將電動可調濾波器200濾波後的脈衝的平均功率提升，其包括光纖預放大器300和光纖主放大器400。當電控可調濾波器200選取皮秒雷射振蕩器100輸出光譜中心部分時，即濾波後的脈衝寬度較小，約為l_2ps，如圖3a所示。經由光纖預放大器300及光纖主放大器400放大過程中，將產生明顯的非線性光譜展寬，隨著放大雷射功率的提升，光譜寬度不斷加寬，其光譜寬度達到甚至超過皮秒雷射振蕩器100的光譜寬度，超過10nm，如圖3b所示。當電控可調濾波器200選取皮秒雷射振蕩器100輸出光譜邊緣部分時，即濾波後的脈衝寬度較大，約為10-30ps，如圖4a所示。經由光纖預放大器300及光纖主放大器400放大過程中，光譜寬度將保持不變，如圖4b所示。因此，即通過電控可調濾波器200選取皮秒雷射振蕩器100不同位置的光譜時，在經過光纖放大，即可得到寬帶光譜的皮秒雷射，也可得到窄帶光譜的皮秒雷射。
[0039]光纖預放大器300為纖芯泵浦的放大器，用於將皮秒雷射振蕩器100的平均功率從20mW提升至200mW。如圖5所示，光纖預放大器300由雷射隔離器301、單模光纖耦合的泵浦源302、波分復用器303以及增益光纖304組成。
[0040]光纖主放大器400為包層泵浦的光纖放大器，用於將200mW的功率提升至超過lOffo如圖6所不,光纖主放大器400由雷射隔離器401、光纖合束器402、第一多模光纖率禹合泵浦源403、第二多模光纖耦合泵浦源404、增益光纖405以及輸出耦合器406組成。
[0041]折光鏡500與光纖主放大器400的輸出端連接。如圖所不，電控折光鏡500內含有一個高反鏡501。當電動可調濾波器200選取皮秒雷射振蕩器100輸出光譜邊緣部分時，即濾波後的脈衝寬度較大，為窄帶光譜皮秒脈衝輸出，同時，通過飛秒/皮秒切換驅動器900驅動高反鏡501保持在使窄帶光譜皮秒脈衝無偏折地通過電控折光鏡500後徑直進入皮秒倍頻器700的初始位置A處。當電動可調濾波器200選取皮秒雷射振蕩器100輸出光譜中心部分時，即濾波後的脈衝寬度較小，為窄帶光譜皮秒脈衝輸出，同時，通過飛秒/皮秒切換驅動器900驅動高反鏡501轉動到另一位置B處，使寬帶光譜皮秒脈衝產生90度的偏折，進入脈衝壓縮器600及飛秒倍頻器800，實現寬帶飛秒脈衝輸出。
[0042]脈衝壓縮器600可由一對反射式光柵或者一對透射式光柵及一面反射鏡構成，用於將寬帶光譜的皮秒脈衝壓縮至飛秒脈衝。
[0043]飛秒倍頻器800採用倍頻晶體將寬帶飛秒脈衝倍頻至更短波長，產生二次諧波或三次諧波。皮秒倍頻器700採用倍頻晶體將窄帶皮秒脈衝倍頻至更短波長，產生二次諧波或三次諧波。飛秒倍頻器800中採用的倍頻晶體相比皮秒倍頻器700中採用的倍頻晶體的長度較短，有利於寬帶光譜的飛秒雷射倍頻。飛秒倍頻器800中採用的倍頻晶體相比皮秒倍頻器700中採用的倍頻晶體的長度較長，有利於窄帶光譜的皮秒雷射倍頻。
[0044]倍頻晶體可以為BBO、PPLN、KTP、PPKTP 等。
[0045]需要說明的是，在該實施例中，可調濾波器200和折光鏡500都是電控的，以使得光路切換速度快，該控制方式不僅控制精度高、而且簡單易行，可有效降低雙路雷射輸出裝置的製造成本。然而，本領域技術人員應當理解，可調濾波器200和折光鏡500也可採用其它的控制方式。同樣地，在該實施例中，可調濾波器200和折光鏡500由飛秒/皮秒切換驅動器900驅動，然而，本領域技術人員應當理解，可調濾波器200和折光鏡500也可採用其它方式控制，例如手動操作。
[0046]本發明還提供了一種對於上述皮秒脈衝雷射或飛秒脈衝雷射的輸出切換裝置的控制方法，該方法包括以下步驟:
[0047]S1:當需要輸出皮秒脈衝雷射時，調整電動可調濾波器200，使其選取皮秒雷射振蕩器100輸出光譜邊緣部分，同時將高反鏡501的位置調整至光譜皮秒脈衝無偏折地通過折光鏡501後進入皮秒倍頻器700的位置；
[0048]S2:當需要輸出飛秒脈衝雷射時，調整電動可調濾波器200，使其選取皮秒雷射振蕩器輸出光譜中心部分，同時將高反鏡501的位置調整至光譜皮秒脈衝產生90度的偏折後進入脈衝壓縮器600及飛秒倍頻器800的位置。
[0049]進一步地，該方法還包括以下步驟:通過飛秒/皮秒切換控制器900控制電動可調濾波器200和折光鏡500的調整。
[0050]上面描述的以及圖中所示出的皮秒脈衝雷射或飛秒脈衝雷射的輸出切換裝置的構造都僅僅是示例性的，在本發明的教導下，本領域普通技術人員能夠進行各種改變或變型，所有這些變型都不脫離由權利要求書所限定的本發明的範圍。
【權利要求】
1.一種皮秒和飛秒脈衝雷射輸出切換裝置，包括沿光路順次設置的光源、皮秒雷射振蕩器、可調濾波器、光纖放大器和折光鏡，其中，皮秒雷射振蕩器，用於輸出光譜；可調濾波器，用於選取皮秒雷射振蕩器輸出光譜中不同波長的光譜成分；光纖放大器，用於將可調濾波器濾波後的脈衝的平均功率提升；折光鏡，其包括高反鏡，用於將光路切換至兩個不同的輸出埠，其中一個輸出埠順次連接有脈衝壓縮器和飛秒倍頻器，脈衝壓縮器用於將寬帶光譜的皮秒脈衝壓縮至飛秒脈衝；飛秒倍頻器用於將寬帶光譜的皮秒脈衝壓縮，最終輸出飛秒脈衝；而另一個輸出埠連接有皮秒倍頻器，用於輸出皮秒脈衝，當可調濾波器選取皮秒雷射振蕩器輸出光譜邊緣部分時，高反鏡的位置使得光譜皮秒脈衝無偏折地通過折光鏡後進入皮秒倍頻器，當可調濾波器選取皮秒雷射振蕩器輸出光譜中心部分時，高反鏡轉動至另一位置處，以使光譜皮秒脈衝產生90度偏折後進入脈衝壓縮器及飛秒倍頻器。
2.根據權利要求1所述的輸出切換裝置，其中還包括與可調濾波器和折光鏡連接的飛秒/皮秒切換驅動器，用於驅動可調濾波器以及折光鏡，以分別實現光譜的選取和高反鏡的轉動。
3.根據權利要求2所述的輸出切換裝置，其中可調濾波器和折光鏡都是電控的。
4.根據權利要求2所述的輸出切換裝置，其中皮秒雷射振蕩器為非線性偏振旋轉鎖模的全正色散光纖雷射器。
5.根據權利要求2所述的輸出切換裝置，其中可調濾波器為基於F-P腔的可調濾波器或光柵結構的濾波器或幹涉濾光片結構的濾波器。
6.根據權利要求2所述的輸出切換裝置，其中光纖放大器包括光纖預放大器以及光纖主放大器。
7.根據權利要求6所述的輸出切換裝置，其中光纖預放大器為纖芯泵浦的光纖放大器，用於將20mW的功率提升至超過200mW。
8.根據權利要求6所述的輸出切換裝置，其中光纖主放大器為包層泵浦的光纖放大器，用於將200mW的功率提升至超過10W。
9.一種權利要求1-8中任一項所述的皮秒和飛秒脈衝雷射輸出切換裝置的控制方法，該方法包括以下步驟: S1:當需要輸出皮秒脈衝雷射時，調整可調濾波器，使其選取皮秒雷射振蕩器輸出光譜邊緣部分，同時將高反鏡的位置調整至光譜皮秒脈衝無偏折地通過折光鏡後進入皮秒倍頻器的位置； S2:當需要輸出飛秒脈衝雷射時，調整可調濾波器，使其選取皮秒雷射振蕩器輸出光譜中心部分，同時將高反鏡的位置調整至光譜皮秒脈衝產生90度偏折後進入脈衝壓縮器及飛秒倍頻器的位置。
10.根據權利要求9所述的控制方法，其中還包括以下步驟: 通過飛秒/皮秒切換控制器控制可調濾波器和折光鏡的調整。
【文檔編號】H01S5/40GK104317136SQ201410541817
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月14日 優先權日:2014年10月14日
【發明者】郝強, 曾和平 申請人:上海理工大學