皮秒脈衝雷射振蕩器的製造方法
2023-06-25 19:25:41 1
皮秒脈衝雷射振蕩器的製造方法
【專利摘要】皮秒脈衝雷射振蕩器，包括泵浦光發生模塊和雷射發生模塊，雷射發生模塊包括諧振腔內彼此對應的第一光纖準直器和第二光纖準直器，第二光纖準直器的輸出端和第一光纖準直器的輸入端之間依次設置有第一1/4波片、第一1/2波片、偏振分束晶體和第二1/4波片，在諧振腔內偏振分束晶體90°反射光路上還順次設置有第二1/2波片和第三光纖準直器；在諧振腔內固定設置有第一支柱，在其上部設置有U形槽，第一光纖準直器的圓柱銅管前端定位固定於第一支柱的U型槽內，在外殼的中層表面上固定設有與第一支柱對應的第一半圓形刻槽，圓柱銅管尾端定位固定於中層平面上的第一半圓柱刻槽。該皮秒脈衝雷射振蕩器可實現大規模工業化生產且鎖模穩定。
【專利說明】皮秒脈衝雷射振蕩器
【技術領域】
[0001]本發明屬於雷射【技術領域】，尤其涉及一種皮秒脈衝雷射振蕩器。
【背景技術】
[0002]實驗證明皮秒脈衝雷射可對金屬、金屬碳化物、矽片等工業材料進行高精度微加工。相比納秒脈衝，皮秒脈衝具有更窄的脈衝寬度，可有效地減少雷射輻射帶來的熱效應，並產生更高的雷射峰值功率，達到材料的消融臨界點所需要的峰值功率密度。更多的試驗和理論分析表明，1ps左右的雷射脈衝寬度適合於許多加工用途。與此同時,光纖雷射技術的迅猛發展。光纖雷射光源表現出了諸多優點，如大的增益介質的表面積/體積比、高的平均功率、固有的全封閉柔性光路、優異的雙波導傳輸機制、免維護及壽命長、造價不斷降低等等。因此，以光纖雷射器為皮秒脈衝雷射光源，將使雷射微加工技術更加具備工業應用的資質，有望成為高質量的新型工具。
[0003]國內外有為數不多的幾個單位開展了光纖雷射皮秒脈衝的研究，如英國的Southampton大學、德國的Jena大學、丹麥的NKT公司、美國的Calmar公司、美國的Cornell大學、中科院西安光機所、天津大學等等。在這些研究單位中，他們多數是採用分離光學器件進行原理性驗證並提出幾種可行性方案，並未從光纖雷射光源的可裝配化、小型化、產品化、集成化方面進行設計和考量。
[0004]皮秒脈衝雷射振蕩器的設計性能關係到高功率皮秒脈衝雷射光源的穩定性和可靠性。因此，提供一種可大規模生產的、性能穩定、復現度高的皮秒脈衝光源的雷射振蕩器顯得尤為重要。現有的商售雷射器皆採用可飽和吸收體為雷射鎖模介質產生皮秒脈衝。可飽和吸收體鎖模通過在諧振腔內加入可飽和吸收體，當光脈衝通過吸收體時，邊緣部分被吸收，使吸收體飽和，邊緣部分損耗大於中央部分，光脈衝得以窄化。飽和吸收體鎖模雷射器雖然結構簡單，但由於飽和吸收介質(如半導體可飽和吸收鏡、石墨烯、碳納米管)的產品一致性較差、易產生光致損傷等劣勢，較難實現光纖雷射光源的特大規模生產。
[0005]非線性偏振旋轉鎖模一般米用兩種模式，一種是全光纖結構，一種為半空間半光纖結構。全光纖結構採用偏振控制器，通過旋轉偏振控制器旋鈕進行積分球調製，由於偏振控制器混合了 1/2波片和1/4波片，所以調節鎖模難度稍大，此外各個元器件分立，增加了諧振腔的不穩定性；半空間半光纖結構採用光纖準直器耦合光路，在空間部分加入1/2波片和1/4波片，偏振分束晶體，通過分立調製波片，鎖模難度下降，但是由於光纖準直器工作距離及其耦合效率影響，會導致諧振腔損耗增大。兩種鎖模的共同不足在於諧振腔結構的穩定性，由於外界波動會導致光纖波動，致使諧振腔抖動，以及諧振腔長度的變化，導致鎖模不穩。
【發明內容】
[0006](一)發明目的
[0007]本發明的目的是，提供一種可實現大規模工業化生產且鎖模穩定的皮秒脈衝雷射振蕩器。
[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脈衝雷射振蕩器，包括:
[0010]泵浦光發生模塊，包括雷射二極體、驅動電路以及泵浦隔離器，雷射二極體的輸出端與泵浦隔離器的輸入端相連接，雷射二極體在驅動電路的驅動下產生的連續光經過泵浦隔離器輸出；
[0011]雷射發生模塊，包括外殼、位於外殼內的諧振腔、增益光纖以及固定在諧振腔內彼此對應的第一光纖準直器和第二光纖準直器，其中第一光纖準直器的反射端與泵浦隔離器的輸出端相連，第一光纖準直器的公共端與增益光纖的輸入端連接，增益光纖的輸出端與第二光纖準直器的輸入端相連，第二光纖準直器的輸出端和第一光纖準直器的輸入端之間依次設置有第一 1/4波片、第一 1/2波片、偏振分束晶體和第二 1/4波片，在諧振腔內偏振分束晶體90°反射光路上還順次設置有第二 1/2波片和第三光纖準直器；
[0012]在諧振腔內固定設置有第一支柱，在第一支柱的上部設置有U形槽，第一光纖準直器的圓柱銅管前端定位固定於第一支柱的U型槽內，夕卜殼包括位於外殼底面和上表面之間圍繞外殼設置的中層平面，在中層表面上固定設置有與第一支柱對應的第一半圓形刻槽，第一光纖準直器圓柱銅管尾端定位固定於中層平面上的第一半圓柱刻槽。
[0013]其中，在諧振腔內還固定設置有第二支柱，在第二支柱的上部設置有U形槽，第二光纖準直器的圓柱銅管前端定位固定於第二支柱的U型槽內，在中層表面上固定設置有與第二支柱對應的第二半圓柱刻槽，第二光纖準直器圓柱銅管尾端定位固定於中層平面上的第二半圓柱刻槽。
[0014]其中，在諧振腔內還固定設置有第三支柱，在第三支柱的上部設置有U形槽，第三光纖準直器的圓柱銅管前端定位固定於第三支柱的U型槽內，在中層表面上固定設置有與第三支柱對應的第三半圓柱刻槽，第三光纖準直器圓柱銅管尾端定位固定於中層平面上的第三半圓柱刻槽。
[0015]其中，在中層平面上還設置有環形刻槽，第一光纖準直器、增益光纖、第二光纖準直器、第三光纖準直器的光纖部分均貼合於中層平面上的環形刻槽。
[0016]其中，在中層平面與頂面之間的側壁上設置有通孔，第三光纖準直器的輸出端通過該通孔將脈衝雷射導出雷射發生模塊。
[0017]其中，第三光纖準直器為偏振分束準直器，具有兩個偏振方向相互垂直的輸出埠，其中一個埠為監測輸出端，用於監測雷射振蕩器的鎖模狀態，另一個埠為脈衝雷射輸出端，用於輸出脈衝雷射。
[0018]其中，泵浦光發生模塊與雷射發生模塊之間通過緊固件連接固定。
[0019]其中，增益光纖為摻雜有稀土離子的單模有源光纖。
[0020]其中，第三光纖準直器的尾纖為單模光纖或單模保偏光纖。
[0021]其中，第一光纖準直器、第二光纖準直器以及雷射二極體和泵浦隔離器的尾纖均為普通單模光纖。
[0022](三)有益效果
[0023]1.本發明可實現穩定運轉的鎖模皮秒脈衝雷射，實現鎖模自啟動，並可在複雜環境條件下，如溫度變化、震動波動等，實現脈衝的穩定輸出。
[0024]2.通過偏振分束晶體和保偏光纖準直器聯合輸出，可實現穩定的保偏雷射輸出，有利於非線性光學的一系列應用。
[0025]3.本發明所採用的器件均為非損傷性器件，即沒有採用實質的飽和吸收體作為脈衝啟動和鎖模的器件，因此，不會產生由于振蕩器內部雷射致腔內器件損傷的現象，使用壽命長。
[0026]4.本發明一體化集成度高，器件安裝及調試方便。通過將光纖埋至於刻槽中可以實現光纖的穩定固定，有利於設定並調節雷射器的重複頻率。產品可可重複性極強，便於批量生產。
[0027]5.本發明中準直器固定牢固，光纖緊貼平面刻槽，無懸浮，振蕩器性能極其穩定。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1為本發明的皮秒脈衝雷射振蕩器的結構示意圖；
[0029]圖2為泵浦光發生模塊的結構示意圖；
[0030]圖3為脈衝雷射發生模塊的結構示意圖；
[0031]圖4為第一光纖準直器的結構示意圖；以及
[0032]圖5為脈衝雷射發生模塊的剖面示意圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖詳細描述本發明的皮秒脈衝雷射振蕩器。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。
[0034]圖1至圖5示出本發明的皮秒脈衝雷射振蕩器的一個優選實施例。如圖1所示，該皮秒脈衝雷射振蕩器包括泵浦光發生模塊100和雷射發生模塊200。優選泵浦光發生模塊100與雷射發生模塊200之間通過緊固件連接固定。
[0035]具體地，如圖2所示，泵浦光發生模塊100包括雷射二極體101、驅動電路102以及泵浦隔離器103，雷射二極體101由驅動電路102驅動，產生波長為978nm連續光，功率在0-500mW。雷射二極體101的輸出端與泵浦隔離器103的輸入端相連接，雷射二極體101在驅動電路102的驅動下產生的連續光經過泵浦隔離器103輸出。其中，泵浦隔離器103主要用於防止光路中多個波段的回返光，保護雷射二極體101。
[0036]雷射發生模塊200,包括外殼、位於外殼內的諧振腔、增益光纖2023以及固定在諧振腔內彼此對應的第一光纖準直器2021，第二光纖準直器2024，其中第一光纖準直器2021的反射端D與泵浦隔離器103的輸出端相連，具體地，泵浦隔離器103的輸出端光纖穿過雷射發生模塊200外殼底面的通孔2011,與第一光纖準直器2021的反射端D相連。第一光纖準直器2021的公共端E與增益光纖2023的輸入端連接，增益光纖2023的輸出端與第二光纖準直器2024的輸入端相連。第二光纖準直器2024的輸出端和第一光纖準直器2021的輸入端之間依次設置有第一 1/4波片2015、第一 1/2波片2016、偏振分束晶體2017和第二1/4波片2018，在諧振腔內偏振分束晶體201790°反射光路上還順次設置有第二 1/2波片2019和第三光纖準直器2026，即第二光纖準直器2024的輸出端通過第一 1/4波片2015，、第一 1/2波片2016、偏振分束晶體2017，由偏振分束晶體2017將光路分成兩路，偏振分束晶體2017透射光路通過第二 1/4波片2018，由空間耦合進入第一光纖準直器2021，形成雷射迴路，偏振分束晶體201790°反射光路通過第二 1/2波片2019，由空間耦合進入第三光纖準直器2026。其中，在諧振腔內固定設置有第一支柱2012，在第一支柱2012的上部設置有U形槽，第一光纖準直器2021的圓柱銅管前端A定位固定於第一支柱2012的U型槽內，外殼包括位於外殼底面和上表面之間圍繞外殼設置的中層平面202,在中層表面202上固定設置有與第一支柱2012對應的第一半圓形刻槽2022，第一光纖準直器2021圓柱銅管尾端B定位固定於中層平面202上的第一半圓柱刻槽2022。
[0037]進一步，在諧振腔內還固定設置有第二支柱2013，在第二支柱2013的上部設置有U形槽，第二光纖準直器2024的圓柱銅管前端定位固定於第二支柱2013的U型槽內，在中層表面202上固定設置有與第二支柱2013對應的第二半圓形刻槽2025，第二光纖準直器2024圓柱銅管尾端定位固定於中層平面202上的第二半圓柱刻槽2025。
[0038]再進一步，在諧振腔內還固定設置有第三支柱2014，在第三支柱2014的上部設置有U形槽，第三光纖準直器2026的圓柱銅管前端定位固定於第三支柱2014的U型槽內，在中層表面202上固定設置有與第三支柱2014對應的第三半圓形刻槽2027，第三光纖準直器2026圓柱銅管尾端定位固定於中層平面202上的第三半圓柱刻槽2027。
[0039]優選地，在中層平面202上設置有環形刻槽2028，第一光纖準直器2021、增益光纖2023、第二光纖準直器2024、第三光纖準直器2026的光纖部分均貼合於中層平面202上的環形刻槽2028，沒有懸浮從而可以實現光纖的穩定固定，有利於設定並調節雷射器的重複頻率。產品可可重複性極強，便於批量生產。
[0040]第三光纖準直器2026為偏振分束準直器,具有兩個偏振方向相互垂直的輸出埠。其中一個埠為監測輸出端，其與快速響應的光纖耦合光電二極體相連，用於監測雷射振蕩器的鎖模狀態。另一個埠用於脈衝雷射ω3的輸出。監測輸出端和脈衝雷射輸出端的尾纖由模塊外殼側壁通孔穿出雷射發生模塊200。通過調節第二 1/2波片2019與第三光纖準直器2026快軸的夾角，可以實現對兩個輸出埠分光比的調節。
[0041]第三光纖準直器2026的輸出端通過設置在中層平面202側壁上的通孔2029，將脈衝雷射導出雷射發生模塊。
[0042]優選地，第一光纖準直器2021集成了波分復用功能，泵浦光由反射端D進入，通過準直器端面反射進入公共端Ε。
[0043]優選地，第二光纖準直器2024集成了隔離器功能，防止雷射回返，造成鎖模不穩定。
[0044]增益光纖2023為摻雜有稀土離子的單模有源光纖。
[0045]第三光纖準直器2026的尾纖為單模光纖或單模保偏光纖。
[0046]第一光纖準直器2021、第二光纖準直器2024以及雷射二極體101和泵浦隔離器103的尾纖均為普通單模光纖。
[0047]雷射二極體101由驅動電路102驅動產生978nm的連續光，記做信號光ω I。信號光ω I經過泵浦隔離器103輸出。信號光ω I由光纖引導穿過泵浦光發生模塊100外殼和雷射發生模塊200外殼連接面的通孔2011進入到雷射發生模塊200。雷射發生模塊200的鎖模原理採用非線性偏振旋轉鎖模，用於產生低能量種子脈衝，記為雷射ω 2。
[0048]具體地,信號光ω I通過第一光纖準直器2021的反射端D進入到第一光纖準直器2021，再經過第一光纖準直器2021端面反射後進入第一光纖準直器2021的公共端E，第一光纖準直器2021的公共端E與增益光纖2023相連。所述增益光纖2023經信號光ω I泵浦產生雷射《2。所述增益光纖2023的另一端與第二光纖準直器2024的尾纖相連，雷射ω2由第二光纖準直器2024輸出進入到空間。雷射ω 2經過第一 1/4波片2015、第一 1/22016波片後，再由偏振分束晶體2017進行分束，產生水平偏振的透射雷射ω 21和垂直偏振的反射雷射ω22。信號光ω 21經過第二 1/4波片2018後，從空間稱合入第一光纖準直器2021的公共端Ε，形成雷射迴路。信號光ω 22經過第二 1/2波片2019後，從空間耦合入第三光纖準直器2026。。由第三光纖準直器2026的脈衝雷射輸出端輸出雷射ω3,即為最終實現的雷射脈衝。
[0049]上面描述的以及圖中所示出的皮秒脈衝雷射振蕩器的具體形狀和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】
1.一種皮秒脈衝雷射振蕩器，包括: 泵浦光發生模塊，包括雷射二極體、驅動電路以及泵浦隔離器，雷射二極體的輸出端與泵浦隔離器的輸入端相連接，雷射二極體在驅動電路的驅動下產生的連續光經過泵浦隔離器輸出； 雷射發生模塊，包括外殼、位於外殼內的諧振腔、增益光纖以及固定在諧振腔內彼此對應的第一光纖準直器和第二光纖準直器，其中第一光纖準直器的反射端與泵浦隔離器的輸出端相連，第一光纖準直器的公共端與增益光纖的輸入端連接，增益光纖的輸出端與第二光纖準直器的輸入端相連，第二光纖準直器的輸出端和第一光纖準直器的輸入端之間依次設置有第一 1/4波片、第一 1/2波片、偏振分束晶體和第二 1/4波片，在諧振腔內偏振分束晶體90。反射光路上還順次設置有第二 1/2波片和第三光纖準直器； 在諧振腔內固定設置有第一支柱，在第一支柱的上部設置有U形槽，第一光纖準直器的圓柱銅管前端定位固定於第一支柱的U型槽內，夕卜殼包括位於外殼底面和上表面之間圍繞外殼設置的中層平面，在中層表面上固定設置有與第一支柱對應的第一半圓形刻槽，第一光纖準直器圓柱銅管尾端定位固定於中層平面上的第一半圓柱刻槽。
2.根據權利要求1所述的振蕩器，其中在諧振腔內還固定設置有第二支柱，在第二支柱的上部設置有U形槽，第二光纖準直器的圓柱銅管前端定位固定於第二支柱的U型槽內，在中層表面上固定設置有與第二支柱對應的第二半圓柱刻槽，第二光纖準直器圓柱銅管尾端定位固定於中層平面上的第二半圓柱刻槽。
3.根據權利要求1所述的振蕩器，其中在諧振腔內還固定設置有第三支柱，在第三支柱的上部設置有U形槽，第三光纖準直器的圓柱銅管前端定位固定於第三支柱的U型槽內，在中層表面上固定設置有與第三支柱對應的第三半圓柱刻槽，第三光纖準直器圓柱銅管尾端定位固定於中層平面上的第三半圓柱刻槽。
4.根據權利要求1所述的振蕩器，其中在中層平面上還設置有環形刻槽，第一光纖準直器、增益光纖、第二光纖準直器、第三光纖準直器的光纖部分均貼合於中層平面上的環形刻槽。
5.根據權利要求1所述的振蕩器，其中在中層平面與頂面之間的側壁上設置有通孔，第三光纖準直器的輸出端通過該通孔將脈衝雷射導出雷射發生模塊。
6.根據權利要求1所述的振蕩器，其中第三光纖準直器為偏振分束準直器，具有兩個偏振方向相互垂直的輸出埠，其中一個埠為監測輸出端，用於監測雷射振蕩器的鎖模狀態，另一個埠為脈衝雷射輸出端，用於輸出脈衝雷射。
7.根據權利要求1所述的振蕩器，其中泵浦光發生模塊與雷射發生模塊之間通過緊固件連接固定。
8.根據權利要求1所述的振蕩器，其中增益光纖為摻雜有稀土離子的單模有源光纖。
9.根據權利要求1所述的振蕩器，其中第三光纖準直器的尾纖為單模光纖或單模保偏光纖。
10.根據權利要求1所述的振蕩器，其中第一光纖準直器、第二光纖準直器以及雷射二極體和泵浦隔離器的尾纖均為普通單模光纖。
【文檔編號】H01S3/098GK104300346SQ201410541831
【公開日】2015年1月21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, 張青山, 曾和平 申請人:上海理工大學