CN116053918A - GHz高频飞秒激光脉冲产生装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了GHz高频飞秒激光脉冲产生装置及其方法，低频飞秒脉冲发生器的输出光路上依次至少布置两个倍频单元；倍频单元一包含分束器一、衰减器一、延迟器一及合束器一，低频飞秒脉冲发生器产生的低频飞秒脉冲进入分束器一后分为两路，其中一路经过衰减器一进入合束器一，另一路经过延迟器一进入合束器一，进行合束，飞秒脉冲频率翻倍；倍频单元二包含分束器二、衰减器二、延迟器二及合束器二，倍频单元一的合束器一输出的飞秒脉冲进入分束器二后分为两路，其中一路经过衰减器二进入合束器二，另一路经过延迟器二进入合束器二，进行合束，飞秒脉冲频率再次翻倍。通过两次以上倍频单元，实现GHz脉冲输出。

Description

GHz高频飞秒激光脉冲产生装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种GHz高频飞秒激光脉冲产生装置及其方法。
背景技术
飞秒激光器以其极高的峰值功率、窄的脉冲宽度，在材料精细微加工、半导体行业、太阳能光伏、科学研究等领域得到了广泛的应用。飞秒激光加工最重要的特点之一是可通过抑制热影响区实现超高精度微纳加工。飞秒激光较慢的加工速度是限制其工业应用的瓶颈，通过采用GHz飞秒激光，并在脉冲串模式工作，可以在不降低加工质量的情况下显著提高加工效率，因此可以克服飞秒加工这一瓶颈。
获得稳定的GHz飞秒脉冲的主要方法为被动锁模，锁模激光器的腔长取决于脉冲重复频率，因此GHz飞秒谐振腔腔长非常短(<150毫米)，如果采用光纤激光器实现GHz输出，腔长需要在控制100mm以内。GHz飞秒脉冲获取可以采用固体锁模激光器和光纤锁模激光器两种。专利公开号CN112864785B公开了一种高功率GHz重复频率的飞秒激光产生***，采用固体激光器获得GHz飞秒脉冲，固体激光器容易在150毫米腔长内实现被动锁模，但是因光纤耦合问题较难采用光纤放大器放大，因此激光器需要采用固体放大，无法实现全光纤化。而锁模光纤激光器因腔内多个光纤器件(波分耦合器、增益光纤、光栅等)熔接长度问题，腔长很难控制在150毫米以内，同时短腔很难实现腔内色散补偿，因此采用光纤激光器直接产生稳定的GHz飞秒脉冲激光非常困难。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种GHz高频飞秒激光脉冲产生装置及其方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
GHz高频飞秒激光脉冲产生装置，其特征在于：低频飞秒脉冲发生器的输出光路上依次至少布置两个倍频单元；
倍频单元一包含分束器一、衰减器一、延迟器一及合束器一，低频飞秒脉冲发生器产生的低频飞秒脉冲进入分束器一后分为两路，其中一路经过衰减器一进入合束器一，另一路经过延迟器一进入合束器一，进行合束，飞秒脉冲频率翻倍；
倍频单元二包含分束器二、衰减器二、延迟器二及合束器二，倍频单元一的合束器一输出的飞秒脉冲进入分束器二后分为两路，其中一路经过衰减器二进入合束器二，另一路经过延迟器二进入合束器二，进行合束，飞秒脉冲频率再次翻倍。
进一步地，上述的GHz高频飞秒激光脉冲产生装置，其中，所述低频飞秒脉冲发生器包含泵浦源、波分复用器、光栅、增益光纤以及可饱和吸收镜，泵浦源连接波分复用器，波分复用器连接光栅，光栅连接增益光纤，增益光纤连接可饱和吸收镜，泵浦源输出泵浦光经过波分复用器，进入由光栅、增益光纤、可饱和吸收镜组成的激光腔，实现被动锁模产生飞秒激光脉冲。
进一步地，上述的GHz高频飞秒激光脉冲产生装置，其中，所述低频飞秒脉冲发生器为输出波长1030nm～1064nm、输出功率频率50MHz～500MHz、输出功率1mW～1W、脉冲宽度100fs～10ps的飞秒脉冲发生器。
进一步地，上述的GHz高频飞秒激光脉冲产生装置，其中，所述分束器一和分束器二为分光比例40％～60％的光纤耦合器。
进一步地，上述的GHz高频飞秒激光脉冲产生装置，其中，所述衰减器一和衰减器二为衰减比例10％～90％的光纤衰减器。
进一步地，上述的GHz高频飞秒激光脉冲产生装置，其中，所述延迟器一和延迟器二为光纤模场直径6um～15um的单模光纤。
本发明GHz高频飞秒激光脉冲产生装置，低频飞秒脉冲发生器通过其可饱和吸收镜被动锁模产生低频飞秒脉冲，进入分束器一后分为两路，其中一路经过衰减器一进入合束器一，另一路经过延迟器一进入合束器一，延迟器一引入的延迟时间为脉冲频率倍频后对应的脉冲周期，衰减器一调节光的脉冲幅值，使合束后光脉冲高度一致，脉冲稳定，合束器一将两路激光合束实现飞秒脉冲频率翻倍；
合束器一输出的飞秒脉冲进入分束器二后分为两路，其中一路经过衰减器二进入合束器二，另一路经过延迟器二进入合束器二，延迟器二引入的延迟时间为脉冲频率倍频后对应的脉冲周期，衰减器二调节光的脉冲幅值，使合束后光脉冲高度一致，脉冲稳定，合束器二将两路激光合束实现飞秒脉冲频率再次翻倍。
本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
①本发明采用基于可饱和吸收镜被动锁模低频飞秒脉冲激光发生器，低频飞秒脉冲通过两次以上倍频单元，实现GHz脉冲输出；低频飞秒脉冲发生器为250MHz，经过倍频单元一后，脉冲频率变为500MHz；倍频单元二工作原理与倍频单元一相同，因此通过两个倍频单元，实现1GHz飞秒脉冲输出；
②通过增加倍频单元的数量，可以实现更高频率输出，同时为了获得1GHz频率，可以使用更低频率的飞秒脉冲发生器；衰减器可实现合束后脉冲高度一致，保证脉冲稳定性；通过两个及以上倍频单元，实现GHz飞秒激光脉冲，后续通过采用光纤放大器进行放大实现高功率输出，实现高功率GHz飞秒激光器全光纤化；
③本发明解决了光纤激光器直接产生飞秒GHz脉冲存在的光纤长度控制引起的熔接问题、腔内色散控制问题及高频下激光器难以启动锁模问题，实现GHz激光器全光纤化，相比固体飞秒GHz激光器更加稳定。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1：本发明装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，GHz高频飞秒激光脉冲产生装置，低频飞秒脉冲发生器1的输出光路上依次布置倍频单元一2和倍频单元二3；倍频单元一2包含分束器一201、衰减器一202、延迟器一204及合束器一203，低频飞秒脉冲发生器1产生的低频飞秒脉冲进入分束器一201后分为两路，其中一路经过衰减器一202进入合束器一203，另一路经过延迟器一204进入合束器一203，进行合束，飞秒脉冲频率翻倍；
倍频单元二3包含分束器二301、衰减器二302、延迟器二304及合束器二303，倍频单元一2的合束器一203输出的飞秒脉冲进入分束器二301后分为两路，其中一路经过衰减器二302进入合束器二303，另一路经过延迟器二304进入合束器二303，进行合束，飞秒脉冲频率再次翻倍。
低频飞秒脉冲发生器1包含泵浦源101、波分复用器102、光栅103、增益光纤104以及可饱和吸收镜105，泵浦源101连接波分复用器102，波分复用器102连接光栅103，光栅103连接增益光纤104，增益光纤104连接可饱和吸收镜105，泵浦源101输出泵浦光经过波分复用器102，进入由光栅103、增益光纤104、可饱和吸收镜105组成的激光腔，实现被动锁模产生飞秒激光脉冲。
低频飞秒脉冲发生器1为输出波长1030nm～1064nm、输出功率频率50MHz～500MHz、输出功率1mW～1W、脉冲宽度100fs～10ps的飞秒脉冲发生器。
分束器一201和分束器二301为分光比例40％～60％的光纤耦合器。衰减器一202和衰减器二302为衰减比例10～90％的光纤衰减器。延迟器一204和延迟器二304为光纤模场直径6um～15um的单模光纤。
具体应用时，低频飞秒脉冲发生器1通过其可饱和吸收镜被动锁模产生低频飞秒脉冲，进入分束器一201后分为两路，其中一路经过衰减器一202进入合束器一203，另一路经过延迟器一204进入合束器一203，延迟器一204(一长度单模光纤)引入的延迟时间为脉冲频率倍频后对应的脉冲周期，衰减器一202调节光的脉冲幅值，使合束后光脉冲高度一致，脉冲稳定，合束器一203将两路激光合束实现飞秒脉冲频率翻倍；
合束器一203输出的飞秒脉冲进入分束器二301后分为两路，其中一路经过衰减器二302进入合束器二303，另一路经过延迟器二304进入合束器二303，延迟器二304引入的延迟时间为脉冲频率倍频后对应的脉冲周期，衰减器二302调节光的脉冲幅值，使合束后光脉冲高度一致，脉冲稳定，合束器二303将两路激光合束实现飞秒脉冲频率再次翻倍。
采用基于可饱和吸收镜被动锁模低频飞秒脉冲激光发生器，低频飞秒脉冲通过两次以上倍频单元，实现GHz脉冲输出。低频飞秒脉冲发生器为250MHz，经过倍频单元一2后，脉冲频率变为500MHz；倍频单元二3工作原理与倍频单元一2相同，因此通过两个倍频单元，实现1GHz飞秒脉冲输出。通过增加倍频单元的数量，可以实现更高频率输出，同时为了获得1GHz频率，可以使用更低频率的飞秒脉冲发生器。衰减器可实现合束后脉冲高度一致，保证脉冲稳定性。通过两个及以上倍频单元，实现GHz飞秒激光脉冲，后续通过采用光纤放大器进行放大实现高功率输出，实现高功率GHz飞秒激光器全光纤化。
本发明解决了光纤激光器直接产生飞秒GHz脉冲存在的光纤长度控制引起的熔接问题、腔内色散控制问题及高频下激光器难以启动锁模问题，实现GHz激光器全光纤化，相比固体飞秒GHz激光器更加稳定。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (7)

1.GHz高频飞秒激光脉冲产生装置，其特征在于：低频飞秒脉冲发生器(1)的输出光路上依次至少布置两个倍频单元；
倍频单元一(2)包含分束器一(201)、衰减器一(202)、延迟器一(204)及合束器一(203)，低频飞秒脉冲发生器(1)产生的低频飞秒脉冲进入分束器一(201)后分为两路，其中一路经过衰减器一(202)进入合束器一(203)，另一路经过延迟器一(204)进入合束器一(203)，进行合束，飞秒脉冲频率翻倍；
倍频单元二(3)包含分束器二(301)、衰减器二(302)、延迟器二(304)及合束器二(303)，倍频单元一(2)的合束器一(203)输出的飞秒脉冲进入分束器二(301)后分为两路，其中一路经过衰减器二(302)进入合束器二(303)，另一路经过延迟器二(304)进入合束器二(303)，进行合束，飞秒脉冲频率再次翻倍。
2.根据权利要求1所述的GHz高频飞秒激光脉冲产生装置，其特征在于：所述低频飞秒脉冲发生器(1)包含泵浦源(101)、波分复用器(102)、光栅(103)、增益光纤(104)以及可饱和吸收镜(105)，泵浦源(101)连接波分复用器(102)，波分复用器(102)连接光栅(103)，光栅(103)连接增益光纤(104)，增益光纤(104)连接可饱和吸收镜(105)，泵浦源(101)输出泵浦光经过波分复用器(102)，进入由光栅(103)、增益光纤(104)、可饱和吸收镜(105)组成的激光腔，实现被动锁模产生飞秒激光脉冲。
3.根据权利要求1或2所述的GHz高频飞秒激光脉冲产生装置，其特征在于：所述低频飞秒脉冲发生器(1)为输出波长1030nm～1064nm、输出功率频率50MHz～500MHz、输出功率1mW～1W、脉冲宽度100fs～10ps的飞秒脉冲发生器。
4.根据权利要求1所述的GHz高频飞秒激光脉冲产生装置，其特征在于：所述分束器一(201)和分束器二(301)为分光比例40％～60％的光纤耦合器。
5.根据权利要求1所述的GHz高频飞秒激光脉冲产生装置，其特征在于：所述衰减器一(202)和衰减器二(302)为衰减比例10％～90％的光纤衰减器。
6.根据权利要求1所述的GHz高频飞秒激光脉冲产生装置，其特征在于：所述延迟器一(204)和延迟器二(304)为光纤模场直径6um～15um的单模光纤。
7.权利要求1所述的装置实现GHz高频飞秒激光脉冲产生方法，其特征在于：低频飞秒脉冲发生器(1)通过其可饱和吸收镜被动锁模产生低频飞秒脉冲，进入分束器一(201)后分为两路，其中一路经过衰减器一(202)进入合束器一(203)，另一路经过延迟器一(204)进入合束器一(203)，延迟器一(204)引入的延迟时间为脉冲频率倍频后对应的脉冲周期，衰减器一(202)调节光的脉冲幅值，使合束后光脉冲高度一致，脉冲稳定，合束器一(203)将两路激光合束实现飞秒脉冲频率翻倍；
合束器一(203)输出的飞秒脉冲进入分束器二(301)后分为两路，其中一路经过衰减器二(302)进入合束器二(303)，另一路经过延迟器二(304)进入合束器二(303)，延迟器二(304)引入的延迟时间为脉冲频率倍频后对应的脉冲周期，衰减器二(302)调节光的脉冲幅值，使合束后光脉冲高度一致，脉冲稳定，合束器二(303)将两路激光合束实现飞秒脉冲频率再次翻倍。
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