CN115832848A - 一种锁频深紫外超快激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种锁频深紫外超快激光器,属于激光技术领域,锁模振荡器输出锁模脉冲激光,锁模脉冲激光被光纤功率放大器放大后输出功率放大激光;还包括固体放大器、倍频模块和锁频电子学模块;功率放大激光依次经过固体放大器和倍频模块后输出目标激光;所述锁频电子学模块调节光纤功率放大器和锁模振荡器;第一光电探测器用于检测分光隔离器输出的锁模脉冲激光,第一光电探测器将检测到的锁模脉冲激光结果传输给锁频电子学模块;第二光电探测器测得重频信号,并且将重频信号传输到锁频电子学模块,光电子稳频***驱动压电陶瓷位置变化以实现对重频的稳定补偿和锁定。

Description

一种锁频深紫外超快激光器
技术领域
本发明涉及激光耦合技术领域,具体地说,涉及一种锁频深紫外超快激光器。
背景技术
深紫外皮秒脉冲激光器可以对光阴极材料进行轰击,并且产生皮秒宽度的电子束团,激光波长越短,光阴极产生电子束的量子效率就越高。高质量的电子束团经过电磁场加速后形成高能电子束团,最后经过磁铁摆荡器可以形成高能X射线,并用于材料检测。授权公告号CN209766852U,名称:一种超快激光器,揭示了“一种基于半导体可饱和吸收镜(semiconductor saturable absorber mirrior,SESAM)、克尔透镜等锁模技术,脉冲宽度在ps(单位:皮秒)甚至fs(单位:飞秒)量级的激光器。为了有效加速电子束,需要将时间抖动控制在百飞秒量级,保证加速信号的微波信号与光脉冲之间严格同步和锁频,上述现有技术无法控制加速信号的微波信号与光脉冲同步和锁频。
因此,亟需加速信号的微波信号与光脉冲之间同步和锁频的紫外超快激光器。
发明内容
有鉴于此,本发明提出一种激光器可以自由操控形成各种脉宽和重频的宏脉冲串,从而形成对应的电子束团,保证加速信号的微波信号与光脉冲之间同步和锁频的深紫外超快激光器。
本发明的技术方案是这样实现的:一种锁频深紫外超快激光器,其包括锁模振荡器和光纤功率放大器,
其中,锁模振荡器输出锁模脉冲激光,锁模脉冲激光被光纤功率放大器放大后输出功率放大激光;
还包括固体放大器、倍频模块和锁频电子学模块;
功率放大激光依次经过固体放大器和倍频模块后输出目标激光;
所述锁频电子学模块调节光纤功率放大器和锁模振荡器。
在以上技术方案的基础上,优选的,还包括电光开关和光电驱动,光电驱动驱动电光开关通电和断电,所述电光开关设置在光纤功率放大器和固体放大器之间,电光开关的输出端与固体放大器的输入端相连接。
在以上技术方案的基础上,优选的,锁模振荡器包括可饱和吸收体、压电陶瓷,可饱和吸收体固定设置在可移动的压电陶瓷上。
在以上技术方案的基础上,优选的,锁模振荡器还包括啁啾光纤布拉格光栅、波分复用器和分光隔离器,压电陶瓷的输出端与啁啾光纤布拉格光栅相连接,啁啾光纤布拉格光栅输出端与波分复用器相连接,波分复用器的输出端与分光隔离器,分光隔离器输出锁模脉冲激光。
在以上技术方案的基础上,优选的,波分复用器包括掺镱光纤和单模泵浦源,单模泵浦源输出端注入掺镱光纤。
在以上技术方案的基础上,优选的,光纤功率放大器包括一级放大光路、二级放大光路和三级放大光路,波分复用器的输出端依次经过一级放大光路、二级放大光路和三级放大光路后输出功率放大激光。
在以上技术方案的基础上,优选的,一级放大光路包括第一环形器、第一合束器、第一高反镜和第一半导体泵浦源,所述第一合束器设置在第一环形器和第一高反镜之间,所述第一半导体泵浦源激励所述第一合束器。
在以上技术方案的基础上,优选的,二级放大光路包括第二环形器、第二合束器、第二高反镜和第二半导体泵浦源,所述第二合束器设置在第二环形器和第二高反镜之间,所述第二半导体泵浦源激励所述第二合束器。
在以上技术方案的基础上,优选的,三级放大光路包括模场适配器、第三合束器、包层光剥离器、第三半导体泵浦源和第四半导体泵浦源,模场适配器、第三合束器和包层光剥离器依次设置,第三半导体泵浦源和第四半导体泵浦源同时激励第三合束器。
在以上技术方案的基础上,优选的,还包括分束器、第二光电探测器、偏振分束器和脉冲串输出开关模块,所述功率放大激光进入分束器,并且被分束器分为第一功率放大激光和第二功率放大激光,第一功率放大激光进入第二光电探测器,第二功率放大激光进入偏振分束器,所述偏振分束器将第二功率放大激光分为第一偏振激光和第二偏振激光,所述第一偏振激光进入脉冲串输出开关模块,第二偏振激光依次经过固体放大器和倍频模块,第二光电探测器与锁频电子学模块电性连接。
在以上技术方案的基础上,优选的,还包括第一光电探测器、光电子稳频***、反馈***、二倍频温控***和四倍频温控***,所述锁频电子学模块与第一光电探测器、光电子稳频***、反馈***、二倍频温控***和四倍频温控***电性连接;所述光电子稳频***与所述压电陶瓷电性连接;所述第一光电探测器与分光隔离器电性连接;所述反馈***与第三半导体泵浦源和第四半导体泵浦源电性连接;所述二倍频温控***控制二倍频晶体的温度,四倍频温控***控制四倍频晶体的温度。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果:
(1)第一光电探测器用于检测分光隔离器输出的锁模脉冲激光,第一光电探测器将检测到的锁模脉冲激光结果传输给锁频电子学模块;第二光电探测器测得重频信号,并且将重频信号传输到锁频电子学模块,光电子稳频***驱动压电陶瓷位置变化以实现对重频的稳定补偿和锁定;
(2)一级放大光路和二级放大光路的目的都是为了提高后续光路中四倍频的转换效率;
(3)第一偏振激光进入脉冲串输出开关模块中与功率放大激光干涉,使得功率放大激光得相位锁定在参考光上;
(4)固体放大器需要采用掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)晶体棒状放大器进行进一步放大克服激光脉冲峰值功率高的问题;
(5)利用二倍频温控***控制二倍频晶体的温度,利用四倍频温控***控制四倍频晶体的温度,使二倍频晶体和四倍频晶体保持稳定的工作状态。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种锁频深紫外超快激光器的结构图;
图2为本发明一种锁频深紫外超快激光器的具体结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式,对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式,而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式,都属于本发明保护的范围。
如图1所示,一种锁频深紫外超快激光器,其包括锁模振荡器1、光纤功率放大器2、电光开关3、固体放大器4、倍频模块5、锁频电子学模块6、第一光电探测器61、第二光电探测器62、电子稳频***63、反馈***64、光电驱动65、二倍频温控***66、四倍频温控***67、分束器7、偏振分束器8和脉冲串输出开关模块9。
其中,锁模振荡器1输出锁模脉冲激光,锁模脉冲激光被光纤功率放大器2放大后输出功率放大激光,功率放大激光依次经过固体放大器4和倍频模块5后输出目标激光。
锁模振荡器1,如图1所示,包括可饱和吸收体11、压电陶瓷12、啁啾光纤布拉格光栅13、波分复用器14和分光隔离器15,可饱和吸收体11固定设置在可移动的压电陶瓷12上。
压电陶瓷12的输出端与啁啾光纤布拉格光栅13通过掺镱单模光纤相连接,啁啾光纤布拉格光栅13输出端与波分复用器14相连接,波分复用器14的输出端与分光隔离器15,分光隔离器15输出锁模脉冲激光。
波分复用器14包括掺镱光纤141和单模泵浦源142,单模泵浦源142输出端注入掺镱光纤141,其中单模泵浦源142使用980nm的泵浦源,为了锁定脉冲的重频,需要调节腔长,因此将可饱和吸收体11固定在可移动的压电陶瓷12上,腔内激光通过耦合头聚焦到可饱和吸收体11上,并且形成锁模脉冲,其中第一光电探测器61与分光隔离器15电性连接,第一光电探测器61用于检测分光隔离器15输出的锁模脉冲激光,第一光电探测器61与光电子稳频***63电性连接,光电子稳频***63与锁频电子学模块6电性连接,并且将第一光电探测器61检测到的锁模脉冲激光结果传输给锁频电子学模块6。
以微波频率2856MHz为例,锁模振荡器的重频为微波的1/16,即为178.5MHz。选择合适参数的可饱和吸收体11,获得脉冲宽度约10ps,中心波长1064nm,光谱宽度约0.3nm,平均功率约10mW的皮秒脉冲。
光纤功率放大器2包括一级放大光路21、二级放大光路22和三级放大光路23,波分复用器14的输出端依次经过一级放大光路21、二级放大光路22和三级放大光路23后输出功率放大激光,一级放大光路21和二级放大光路22采用双程放大方式,三级放大光路23采用单程反向泵浦方式。
一级放大光路21包括第一环形器211、第一合束器212、第一高反镜213和第一半导体泵浦源214,所述第一合束器212设置在第一环形器211和第一高反镜213之间,所述第一半导体泵浦源214激励所述第一合束器212,第一环形器211与第一合束器212之间通过掺镱光纤相连接,锁模脉冲激光经过第一合束器212后通过掺镱光纤到达第一合束器212,并且经过第一半导体泵浦源214激励后该种子信号被放大,放大后的种子信号经过第一高反镜213反射后再次放大,再次经过第一环形器211后输出,作为一种优选的实施方式是,第一高反镜213镀有反射带宽度为0.1nm的反射膜。
由第一环形器211输出的种子信号再次进入第二级放大光路22,二级放大光路22包括第二环形器221、第二合束器222、第二高反镜223和第二半导体泵浦源224,所述第二合束器222设置在第二环形器221和第二高反镜223之间,所述第二半导体泵浦源224激励所述第二合束器222,二级放大光路22的原理与一级放大光路21的原理相同,此处不再过多赘述。一级放大光路21和二级放大光路22的目的都是为了提高后续光路中四倍频的转换效率。
三级放大光路23包括模场适配器231、第三合束器232、包层光剥离器233、第三半导体泵浦源234和第四半导体泵浦源235,模场适配器231、第三合束器232和包层光剥离器233依次设置,第三半导体泵浦源234和第四半导体泵浦源235同时激励第三合束器232,模场适配器231与第三合束器232之间通过掺镱光纤相连接,反馈***64与第三半导体泵浦源234和第四半导体泵浦源235电性连接,反馈***64与锁频电子学模块6电性连接,并且反馈第三半导体泵浦源234和第四半导体泵浦源235的工作状态。
锁模脉冲激光经过光纤功率放大器2后,由于该锁模脉冲激光在光纤介质中的光程至少15米,所以光程较长。光纤在温度变化和震动、噪音的影响下其长度会发生轻微的变化,从而导致激光脉冲的重频发生变化,为了能够稳定锁频,需要时刻了解经过光纤功率放大器2后的功率放大激光情况,一种优选的实施方式是,功率放大激光首先进入准直能镜10,被准直能镜10准直后进入分束器7,并且被分束器7分为第一功率放大激光和第二功率放大激光,第一功率放大激光进入第二光电探测器62,第二光电探测器62与锁频电子学模块6电性连接,第二光电探测器62测得重频信号,并且将重频信号传输到锁频电子学模块6,经过倍频后(以178.5MHz和2856MHz为例,就是16倍频)与参考的微波信号之间进行差频计算,得到误差反馈信号,并作用于光电子稳频***63,光电子稳频***63驱动压电陶瓷12位置变化以实现对重频的稳定补偿和锁定。
目标激光需要的是宏脉冲串,因此第二功率放大激光需要首先经过电光开关3进行斩波,形成长度微秒量级,重频可调的宏脉冲串,其中,宏脉冲斩波信号与微波的开启信号之间同步,其中光电驱动65驱动电光开关3通电和断电,锁频电子学模块6根据实际光路控制光电驱动65工作。
重频可调的宏脉冲串进入偏振分束器8,所述偏振分束器8将重频可调的宏脉冲串分为第一偏振激光和第二偏振激光,所述第一偏振激光进入脉冲串输出开关模块9中与功率放大激光干涉,使得功率放大激光得相位锁定在参考光上。
第二偏振激光依次经过固体放大器4和倍频模块5,由于后续的放大,第二偏振激光脉冲的峰值功率较高,在光纤放大器中有较强的非线性效应,容易导致光谱展宽,因此固体放大器4需要采用掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)晶体棒状放大器进行进一步放大克服激光脉冲峰值功率高的问题。
倍频模块5包括二倍频晶体51和四倍频晶体52,固体放大器4的输出端依次连接二倍频晶体51和四倍频晶体52,二倍频晶体51采用LBO晶体,四倍频晶体52采用BBO晶体,四倍频晶体52总体效率可达10%左右。
二倍频晶体51和四倍频晶体52都需要保持恒温才可以充分发挥其功能,作为一种优选的实施方式使,利用二倍频温控***66控制二倍频晶体51的温度,利用四倍频温控***67控制四倍频晶体52的温度,其中二倍频温控***66和四倍频温控***67均与锁频电子学模块6电性连接。还可以将二倍频晶体51和四倍频晶体52装入恒温控制盒中以保证恒温,使二倍频晶体51和四倍频晶体52保持稳定的工作状态。
以下介绍本发明的使用方法:
锁模振荡器1发出的锁模脉冲激光中心波长,为1064nm、1030nm或1550nm等其他可以实现稳定锁模的波长。选用不同波长时,对应的掺镱光纤141和固体放大器4的类型也会对应发生变化。
微脉冲宽度以10ps为例,实际的脉宽可以更短到fs量级,也可以更长到ns量级。
倍频方式以1064nm到266nm的四倍频晶体52为例,实际也可以是1064nm到355nm三倍频。
光纤功率放大器2给出了包括一级放大光路21、二级放大光路22和三级放大光路23共三级,不同的***根据设计输出功率的要求,选用不同的放大级数。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锁频深紫外超快激光器,其包括锁模振荡器(1)和光纤功率放大器(2),
其中,锁模振荡器(1)输出锁模脉冲激光,锁模脉冲激光被光纤功率放大器(2)放大后输出功率放大激光;
其特征在于:还包括固体放大器(4)、倍频模块(5)和锁频电子学模块(6);
功率放大激光依次经过固体放大器(4)和倍频模块(5)后输出目标激光;
所述锁频电子学模块(6)调节光纤功率放大器(2)和锁模振荡器(1)。
2.如权利要求1所述的一种锁频深紫外超快激光器,其特征在于:还包括电光开关(3)和光电驱动(65),光电驱动(65)驱动电光开关(3)通电和断电,所述电光开关(3)设置在光纤功率放大器(2)和固体放大器(4)之间,电光开关(3)的输出端与固体放大器(4)的输入端相连接。
3.如权利要求1所述的一种锁频深紫外超快激光器,其特征在于:所述锁模振荡器(1)包括可饱和吸收体(11)、压电陶瓷(12)、啁啾光纤布拉格光栅(13)、波分复用器(14)和分光隔离器(15),可饱和吸收体(11)固定设置在可移动的压电陶瓷(12)上;压电陶瓷(12)的输出端与啁啾光纤布拉格光栅(13)相连接,啁啾光纤布拉格光栅(13)输出端与波分复用器(14)相连接,波分复用器(14)的输出端与分光隔离器(15),分光隔离器(15)输出锁模脉冲激光。
4.如权利要求1所述的一种锁频深紫外超快激光器,其特征在于:所述光纤功率放大器(2)包括一级放大光路(21)、二级放大光路(22)和三级放大光路(23),波分复用器(14)的输出端依次经过一级放大光路(21)、二级放大光路(22)和三级放大光路(23)后输出功率放大激光。
5.如权利要求4所述的一种锁频深紫外超快激光器,其特征在于:所述一级放大光路(21)包括第一环形器(211)、第一合束器(212)、第一高反镜(213)和第一半导体泵浦源(214),所述第一合束器(212)设置在第一环形器(211)和第一高反镜(213)之间,所述第一半导体泵浦源(214)激励所述第一合束器(212)。
6.如权利要求4所述的一种锁频深紫外超快激光器,其特征在于:所述二级放大光路(22)包括第二环形器(221)、第二合束器(222)、第二高反镜(223)和第二半导体泵浦源(224),所述第二合束器(222)设置在第二环形器(221)和第二高反镜(223)之间,所述第二半导体泵浦源(224)激励所述第二合束器(222)。
7.如权利要求4所述的一种锁频深紫外超快激光器,其特征在于:所述三级放大光路(23)包括模场适配器(231)、第三合束器(232)、包层光剥离器(233)、第三半导体泵浦源(234)和第四半导体泵浦源(235),模场适配器(231)、第三合束器(232)和包层光剥离器(233)依次设置,第三半导体泵浦源(234)和第四半导体泵浦源(235)同时激励第三合束器(232)。
8.如权利要求7所述的一种锁频深紫外超快激光器,其特征在于:还包括分束器(7)、第二光电探测器(62)、偏振分束器(8)和脉冲串输出开关模块(9),所述功率放大激光进入分束器(7),并且被分束器(7)分为第一功率放大激光和第二功率放大激光,第一功率放大激光进入第二光电探测器(62),第二功率放大激光进入偏振分束器(8),所述偏振分束器(8)将第二功率放大激光分为第一偏振激光和第二偏振激光,所述第一偏振激光进入脉冲串输出开关模块(9),第二偏振激光依次经过固体放大器(4)和倍频模块(5),第二光电探测器(62)与锁频电子学模块(6)电性连接。
9.如权利要求8所述的一种锁频深紫外超快激光器,其特征在于:所述倍频模块(5)包括二倍频晶体(51)和四倍频晶体(52),固体放大器(4)的输出端依次连接二倍频晶体(51)和四倍频晶体(52)。
10.如权利要求9所述的一种锁频深紫外超快激光器,其特征在于:还包括第一光电探测器(61)、光电子稳频***(63)、反馈***(64)、二倍频温控***(66)和四倍频温控***(67),所述锁频电子学模块(6)与第一光电探测器(61)、光电子稳频***(63)、反馈***(64)、二倍频温控***(66)和四倍频温控***(67)电性连接;所述光电子稳频***(63)与所述压电陶瓷(12)电性连接;所述第一光电探测器(61)与分光隔离器(15)电性连接;所述反馈***(64)与第三半导体泵浦源(234)和第四半导体泵浦源(235)电性连接;所述二倍频温控***(66)控制二倍频晶体(51)的温度,四倍频温控***(67)控制四倍频晶体(52)的温度。
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