CN104124607A - 一种用于产生高平均功率皮秒脉冲激光的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于产生高平均功率皮秒脉冲激光的装置，包括产生亚纳秒至纳秒脉冲的半导体激光器，啁啾脉冲调制器，固体或光纤激光功率放大器，脉冲压缩器，所述的半导体激光器由高速驱动电源驱动产生亚纳秒至纳秒脉冲激光，所产生的脉冲激光由啁啾脉冲调制器对光脉冲进行啁啾调制，调制后的脉冲再经过激光功率放大器对激光脉冲进行放大，最后由脉冲压缩器对光脉冲进行压缩，获得皮秒级脉冲激光。本发明可获得高平均功率皮秒脉冲激光，具有脉冲输出稳定，可靠性高，结构简单，体积小，效率高的优点。

Description

一种用于产生高平均功率皮秒脉冲激光的装置

技术领域

本发明涉及一种能够产生具有高稳定性，高可靠性的高平均功率皮秒脉冲激光器，可广泛用于工业加工、激光雷达以及科研等领域。

背景技术

高平均功率皮秒脉冲激光器由于皮秒脉冲与物质相互作用时间短，没有明显的热效应，在激光精细加工领域能够实现纳秒激光无法达到的加工效果，因而在激光加工领域的应用越来越广泛。传统的皮秒激光器大多采用锁模技术获得皮秒级激光脉冲，而所获得的激光脉冲重复频率高达数兆赫兹，而单脉冲的能量又很低，通常只有数纳焦耳，需要通过所谓“再生放大”技术从脉冲序列中选择单个脉冲进行放大，从而实现降低重复频率，获得加工所需的数十千至数百千赫兹的脉冲重复频率，并将激光平均功率放大到所需的功率。这种传统的皮秒脉冲激光技术***复杂，可靠性和稳定性都难以满足工业应用环境，并且成本高，价格昂贵。

为了实现高可靠性、高稳定性的高平均功率皮秒脉冲激光器，德国耶拿大学的Dodop等人发明了将通常用于产生超短脉冲的脉冲压缩技术用于产生皮秒激光脉冲的一种激光器，这种激光器由被动调Q种子激光器、光谱展宽元件、脉冲压缩元件组成，图1是这种激光器的典型示例。图1.中1为微片式被动调Q种子激光器，2和3为光纤放大器和光谱展宽器，4为脉冲压缩元件。该发明的原理为微片式被动调Q激光器产生约100ps宽度的脉冲激光，光谱宽度为20pm，该脉冲激光由光纤放大器2放大，在放大的同时，光纤放大器的自位相调制作用使线宽展宽，展宽后的光谱宽度可达到0.52nm。最后再由脉冲压缩元件4对脉冲进行压缩，实现小于10ps的激光脉冲宽度。脉冲压缩元件可采用具有负色散特性的光栅对或棱镜对，也可采用光栅和棱镜的组合。这种激光器的特点是结构紧凑，可靠性高，成本远远低于传统的锁模机制的皮秒激光器。但这种激光器的缺点也非常突出，具体为：(1)，由于微片式被动调Q激光器的脉冲由于被动调Q的内在特性，使得这种激光器具有脉冲能量稳定性差，脉冲间隔跳动等不稳定性，在被放大后脉冲之间的能量差异会更大，很难达到＜3％，而通常的工业应用都需要脉冲能量和脉冲间隔的稳定性优于3％。(2)，由于微片式被动调Q激光器的光谱宽度只有约20pm，使得光脉冲在光纤放大器中被放大时，很容易引起受激布里渊散射(SBS)等非线性效应，从而使激光放大功率受到限制，无法获得高平均功率的激光输出；同时，脉冲宽度能够被压缩的倍数正比于激光光谱宽度，窄的线宽不利于脉冲压缩元件对光脉冲进行压缩。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术缺点，提供一种可产生高平均功率皮秒脉冲激光的激光***，这种激光器具有结构简单，成本低廉，可靠性高，输出稳定等优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于产生高平均功率皮秒脉冲激光的装置，包括产生亚纳秒至纳秒脉冲的半导体激光器，脉冲激光啁啾调制器，固体或光纤激光功率放大器，脉冲压缩器，所述的半导体激光器由驱动电源驱动产生脉冲亚纳秒至纳秒脉冲激光，光谱宽度为数纳米。由半导体激光器所产生的脉冲激光具有较宽的光谱宽度，由脉冲啁啾调制器进行调制，使光脉冲成为啁啾脉冲，调制后的脉冲再经过激光功率放大器对激光脉冲进行放大，获得应用所需的高平均功率。最后由具有负色散特性的脉冲压缩器对光脉冲进行压缩，获得皮秒级脉冲激光。

所述的脉冲激光啁啾调制器，可以是啁啾镜，或者是具有自位相调制特性从而能将光脉冲啁啾调制的光纤或光纤激光放大器，也可以是具有自位相调制特性的非线性晶体。

所述的激光功率放大器对激光平均功率放大的倍数根据具体应用需要而定，该放大器可以是多级光纤激光放大器，也可以是一级或多级固体激光放大器。

所述的激光脉冲压缩器可以由具有负色散特性的色散光栅对组成，也可以由具有负色散特性的色散棱镜对组成，或者由色散光栅和色散棱镜混合组成。

本发明的技术效果：

本发明采用高速驱动电源驱动的激光二极管作为种子光源，产生亚纳秒至纳秒级的激光脉冲。由激光二极管发出的光脉冲由脉冲啁啾调制器进行调制，将光脉冲调制为啁啾脉冲。由于激光二级管发出的光脉冲已经具有较宽的光谱，因此啁啾调制器仅需对光脉冲进行啁啾调制，可以对光谱再进行展宽，也可以不对光谱进行展宽。调制后的脉冲经过激光功率放大器进行放大，达到应用所需的激光功率。这里，激光功率放大器可以采用光纤激光放大器，也可以采用固体激光放大器。功率放大后的光脉冲再由脉冲压缩器对脉冲宽度进行压缩，根据放大后的光脉冲宽度决定压缩的倍数，最终获得皮秒级宽度的激光脉冲。由于激光二极管的发光特性，通常发出的激光光谱宽度可达到3nm，远远大于微片式被动调Q激光器所产生的光脉冲的光谱宽度。同时，激光二极管发出的脉冲光单脉冲的能量完全由驱动电路的稳定性决定，光脉冲的间隔也完全由驱动电路的稳定性决定。而目前产生亚纳秒至纳秒脉冲的激光驱动电源非常成熟，其稳定性可达到优于1％；同时，由于激光二极管的光谱宽度较宽，能够有效提高光纤放大器中产生受激布里渊散射的阈值，易于实现高平均功率输出。此外，由于光谱宽度远远宽于现有技术的光谱，更易于实现大倍率的光脉冲压缩。因此本发明克服了已有的技术缺点。

附图说明

图1是已有技术使用微片式被动调Q亚纳秒激光器作为种子光源的皮秒激光器构成示意图，其中1为微片式被动调Q亚纳秒激光器，2和3为光谱展宽器和光纤激光放大器，4为激光脉冲压缩器。

图2是本发明的组成示意图，其中1为高速驱动电路驱动的激光二极管，2为脉冲啁啾调制器，3为激光功率放大器，4为激光脉冲压缩器。

图3是具体实施例中高速驱动电源驱动的激光二极管发出的亚纳秒脉冲激光的光谱宽度示意图。

图4是具体实施例中高速驱动电源驱动的激光二极管发出的亚纳秒脉冲激光的脉冲时间半高全宽。

图5是具体实施例中经过激光功率放大器后脉冲激光的光谱宽度示意图。

图6是具体实施例中经过脉冲压缩器压缩后脉冲激光的脉冲时间半高全宽。

图7是本发明具体实施例高平均功率皮秒脉冲激光器组成示意图。其中，1为由高速驱动电源驱动的激光二极管，2为由单模光纤放大器构成的啁啾调制器，3为光纤激光功率放大器，4为由棱镜对构成的脉冲压缩器。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图2，图2是本发明一种用于产生高平均功率皮秒脉冲激光的装置的组成示意图。包括由高速激光驱动电源驱动的产生亚纳秒至纳秒脉冲激光的半导体激光器(1)以及沿激光前进方向依次放置的脉冲激光啁啾调制器(2)、激光功率放大器(3)和激光脉冲压缩器(4)，其特征在于所述的半导体激光器(1)是由高速激光驱动电源驱动，产生亚纳秒至纳秒的激光脉冲。所述的脉冲激光啁啾调制器，可以是啁啾镜，或者是具有自位相调制特性的光纤或光纤激光放大器，也可以是具有自位相调制特性的非线性晶体。所述的激光功率放大器可以是多级光纤激光放大器，也可以是一级或多级固体激光放大器。所述的激光脉冲压缩器可以由具有负色散特性的色散光栅对组成，也可以由负色散特性的色散棱镜对组成，或者由色散光栅和色散棱镜混合组成。

本发明装置的工作过程：

半导体激光器(1)由高速驱动器驱动产生亚纳秒脉冲激光，脉冲激光进入脉冲啁啾调制器(2)，激光脉冲被脉冲啁啾调制器啁啾调制，获得啁啾激光脉冲。再经过激光功率放大器(3)对激光进行功率放大，获得高平均功率的亚纳秒的啁啾激光脉冲。最后由激光脉冲压缩器(4)对啁啾脉冲激光进行压缩，将亚纳秒的脉冲压缩至皮秒，从而获得皮秒级高平均功率脉冲激光。

具体实施例：

请参阅图7。采用峰值功率2W的尾纤输出半导体激光器(1)，由高速激光驱动器驱动，产生脉冲宽度200ps，脉冲重复频率100kHz的激光脉冲，脉冲光谱宽度如图3所示为2.4nm，脉冲宽度如图4所示为200ps。激光脉冲进入具有自位相调制特性的单模光纤激光放大器(2)中，激光平均功率将被放大到20mW，激光脉冲由于自位相调制成为啁啾脉冲，光谱宽度如图5所示，变为3nm。再经过由双包层掺镱光纤激光功率放大器(3)，激光平均功率放大为10W，而激光光谱宽度仍然保持3nm，激光脉冲宽度基本保持200ps左右。最后，由2个棱镜对组成的脉冲压缩器对激光脉冲进行压缩，获得如图6所示的脉冲宽度16ps，激光重复频率100kHz，激光平均功率10W的输出。

根据以上具体实施例的验证，本发明能够克服已有技术的缺点，产生高可靠性，高稳定性的高平均功率皮秒脉冲激光。并且本发明具有生产成本低，光路简单可靠，环境适应性强，脉冲压缩倍率高等优点。

Claims (4)

1.一种用于产生高平均功率皮秒脉冲激光的装置，包括产生亚纳秒至纳秒脉冲激光的半导体激光器(1)以及沿激光前进方向依次放置的脉冲激光啁啾调制器(2)、激光功率放大器(3)和激光脉冲压缩器(4)，其特征在于所述的半导体激光器(1)是由高速激光驱动电源驱动，产生亚纳秒至纳秒的激光脉冲。脉冲激光进入脉冲啁啾调制器(2)，激光脉冲被脉冲啁啾调制器啁啾调制，获得啁啾激光脉冲。再经过激光功率放大器(3)对激光进行功率放大，获得高平均功率的亚纳秒至纳秒宽度的啁啾激光脉冲。最后由激光脉冲压缩器(4)对啁啾脉冲激光进行压缩，获得皮秒级高平均功率脉冲激光。

2.根据权利要求1所述的脉冲激光啁啾调制器，可以是啁啾镜，或者是具有自位相调制特性从而能将光脉冲啁啾调制的光纤或光纤激光放大器，也可以是具有自位相调制特性的非线性晶体。

3.根据权利要求1所述的激光功率放大器(3)，其特征在于对激光平均功率进行放大，放大的倍数根据具体应用需要而定，该放大器可以是一级或多级光纤激光放大器，也可以是一级或多级固体激光放大器。

4.根据权利要求1所述的激光脉冲压缩器(4)，其特征在于将亚纳秒至纳秒级啁啾脉冲激光压缩为皮秒级脉冲激光，可以由具有负色散特性的色散光栅对组成，也可以由具有负色散特性的色散棱镜对组成，或者由色散光栅和色散棱镜混合组成。