CN102208740A - 一种环形结构纳秒脉冲光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种环形结构纳秒脉冲光纤激光器，属于激光技术领域。本发明主要包括泵浦源(1)、波分复用器(2)、增益光纤(3)、光纤分束器(4)、光纤分束器的输出端(5)、第一玻璃套管(6)、第一自聚焦透镜(7)、可饱和吸收体(8)、第二自聚焦透镜(9)、第二玻璃套管(10)、光纤环形器(11)、光纤光栅(12)、反射镜(13)、光纤隔离器(14)。本发明把玻璃套管、自聚焦透镜和可饱和吸收体粘接到一起，构成一个小型的调Q元器件，实现了光纤激光器的全光纤化，减小了其他外界因素的干扰，具有体积小、成本低、全光纤化、结构简单等优点，应用前景广泛。
Description
技术领域
本发明涉及一种环形结构纳秒脉冲光纤激光器，属于激光技术领域。
背景技术
纳秒脉冲光纤激光器具有输出光束质量好、转换效率高、散热效果好、无需水冷系统、可设计高可靠性、外形紧凑、易于系统集成的激光源等显著优点，已经被广泛的应用在工业加工(如：打标、焊接、切割、材料表面处理)、激光医疗、激光测距、军事等领域。目前研究纳秒脉冲光纤激光器主要采用声光调制和半导体调制种子源两种方法。与被动调Q方法相比，上述两种方法有着系统的腔形结构很复杂，成本高，体积大，不易于实现全光纤化等不足。
发明内容
为解决脉冲宽度和重复频率不可调、脉冲串的时间抖动和振幅抖动较大、没有实现全光纤化、系统稳定性差等目前存在的问题，本发明的目的在于提供一种新的技术途径，实现脉冲宽度和重复频率可调谐、脉冲串的时间抖动和振幅抖动很小、系统稳定的被动调Q纳秒脉冲光纤激光器，具有系统腔形简单、成本低、体积小、重量轻、散热好、全光纤化等优点。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、光纤分束器、光纤环形器、光纤光栅、玻璃套管、自聚焦透镜、可饱和吸收体、反射镜、光纤隔离器。所述的环形结构纳秒脉冲光纤激光器主要采用四种腔形结构。
所述的第一种环形腔结构为：泵浦源的尾纤与波分复用器的输入端熔接，为波分复用器提供泵浦光，作为输入泵浦光；波分复用器的输出端与增益光纤的一端连接，用于将泵浦源的泵浦激光输入增益光纤中产生激光增益，此增益光纤作为激光器的增益介质；增益光纤的另一端与光纤分束器的输入端连接，光纤分束器将光分为两束；光纤分束器的第一个输出端对环形腔内的调Q激光脉冲进行输出，光纤分束器的第二个输出端连接光纤环形器的第一端，从而把一部分激光留在环形腔内；光纤环形器的第二端与光纤光栅的一端连接，光纤光栅的功能是调Q激光脉冲中心波长的选择，并实现调Q激光器的稳定工作；光纤环形器第三端的光纤与第一玻璃套管一端内的光纤连接，第一玻璃套管的另一端面与第一自聚焦透镜的一端粘接，使激光经过第一玻璃套管进入第一自聚焦透镜，第一自聚焦透镜对激光进行准直和聚焦；第一自聚焦透镜的另一端粘接可饱和吸收体的一端，可饱和吸收体对激光进行调Q作用；可饱和吸收体的另一端粘接第二自聚焦透镜的一端，对激光进行又一次准直和聚焦；第二自聚焦透镜另一端与第二玻璃套管的一端粘接，使激光经第二玻璃套管输出；第二玻璃套管另一端的光纤与波分复用器信号端的光纤熔接，从而构成一个完整的、单向震荡的环形腔。
所述的第二种环形腔结构为：泵浦源的尾纤与波分复用器的输入端熔接，为波分复用器提供泵浦光，作为输入泵浦光；波分复用器的输出端与增益光纤的一端连接，用于将泵浦源的泵浦激光输入增益光纤中产生激光增益，此增益光纤作为激光器的增益介质；增益光纤的另一端与光纤分束器的输入端连接，光纤分束器将光分为两束；光纤分束器的一个输出端对环形腔内的调Q激光脉冲进行输出，光纤分束器的第二个输出端连接光纤环形器的第一端，从而把一部分激光留在环形腔内；光纤环形器的第二端的光纤与第一玻璃套管一端内的光纤连接，第一玻璃套管的另一端面与第一自聚焦透镜的一端粘接，使激光经过第一玻璃套管进入第一自聚焦透镜，第一自聚焦透镜对激光进行准直和聚焦；第一自聚焦透镜的另一端粘接可饱和吸收体的一端，可饱和吸收体对激光进行调Q作用；可饱和吸收体的另一端粘接第二自聚焦透镜，对激光进行又一次准直和聚焦；第二自聚焦透镜另一端粘接反射镜的一端，使激光被反射镜反射回来，反射镜能够保证激光器环形腔的稳定运转。光纤环形器的第三端与波分复用器的信号端熔接，从而构成一个完整的、单向震荡的环形腔。
所述的第三种环形腔结构为：泵浦源的尾纤与波分复用器的输入端熔接，为波分复用器提供泵浦光，作为输入泵浦光；波分复用器的输出端与增益光纤的一端连接，用于将泵浦源的泵浦激光输入增益光纤中产生激光增益，此增益光纤作为激光器的增益介质；增益光纤的另一端与光纤分束器的输入端连接，光纤分束器将光分为两束；光纤分束器的第一个输出端对环形腔内的调Q激光脉冲进行输出，光纤分束器的第二个输出端连接光纤环形器的第一端，从而把一部分激光留在环形腔内；光纤环形器的第二端的光纤与第一玻璃套管一端内的光纤连接，第一玻璃套管的另一端面与第一自聚焦透镜的一端粘接，使激光经过第一玻璃套管进入第一自聚焦透镜，第一自聚焦透镜对激光进行准直和聚焦；第一自聚焦透镜的另一端粘接可饱和吸收体的一端，可饱和吸收体对激光进行调Q作用；可饱和吸收体的另一端粘接反射镜，使激光被反射镜反射回来，反射镜能够保证激光器环形腔的稳定运转。光纤环形器的第三端与波分复用器的信号端熔接，从而构成一个完整的、单向震荡的环形腔。
所述的第四种环形腔结构为：泵浦源的尾纤与波分复用器的输入端熔接，为波分复用器提供泵浦光，作为输入泵浦光；波分复用器的输出端与增益光纤的一端连接，用于将泵浦源的泵浦激光输入增益光纤中产生激光增益，此增益光纤作为激光器的增益介质；增益光纤的另一端与光纤分束器的输入端连接，光纤分束器将光分为两束；光纤分束器的第一个输出端对环形腔内的调Q激光脉冲进行输出，光纤分束器的第二个输出端连接光纤隔离器的输入端，光纤隔离器的作用是实现环形腔内激光的单向、有序、稳定的震荡；光纤隔离器输出端的光纤与第一玻璃套管一端内的光纤连接，第一玻璃套管的另一端面与第一自聚焦透镜的一端粘接，使激光经过第一玻璃套管进入第一自聚焦透镜，第一自聚焦透镜对激光进行准直和聚焦；第一自聚焦透镜的另一端粘接可饱和吸收体的一端，可饱和吸收体对激光进行调Q作用；可饱和吸收体的另一端粘接第二自聚焦透镜的一端，第二自聚焦透镜对激光进行又一次准直和聚焦；第二自聚焦透镜另一端与第二玻璃套管的一端粘接，使激光经由第二玻璃套管输出；第二玻璃套管另一端内的光纤与波分复用器信号端的光纤熔接，从而构成一个完整的、单向震荡的环形腔。
所述的泵浦源1为半导体激光器、固体激光器、气体激光器、光纤激光器或拉曼激光器；所述的增益光纤3是掺杂光纤或光子晶体光纤；所述的光纤光栅12和反射镜13，反射率大于50％。
所述的第一自聚焦透镜7和第二自聚焦透镜9，应用波长λ的范围为：100nm≤λ≤10000nm，截距Z的范围为：0P≤Z≤1P，端面镀膜选用单面镀膜、双面镀膜和不镀膜三种之一，端面角度0°≤θ≤10°任选。
所述的可饱和吸收体8，选用Cr:YAG可饱和吸收体；可饱和吸收体厚度d的范围为：0mm≤d≤5mm，透过率T0的范围为：10％≤T0≤99％。与现有技术相比，本发明具有以下几方面明显的优点：
1、本发明把玻璃套管、自聚焦透镜、可饱和吸收体粘接到一起，构成一个小的调Q元器件，实现了光纤调Q的一体化。该小型调Q元器件两端可直接用光纤输出，能直接熔入光纤激光器中，实现了光纤激光器的全光纤化，从而减少了其他外界因素对被动调Q的影响。
2、这种环形结构纳秒脉冲光纤激光器，光纤环形器或者隔离器能有效的抑制受激布里渊散射效应，从而有效的减少了被动调Q光纤激光器普遍存在的抖动问题，得到稳定的、高重频纳秒激光脉冲输出，整个激光腔体更为稳定、更为实用化、并实现了脉冲宽度和重复频率的可调谐。
3、本发明采用可饱和吸收体被动调Q的纳秒脉冲光纤激光器，具有体积小，重量轻、成本低、散热好等优点。在激光加工、激光医疗、军事等领域有广泛的应用前景。
附图说明
图1为实施例1提供的一种环形结构纳秒脉冲光纤激光器第一种腔形结构示意图；
图2为实施例2提供的一种环形结构纳秒脉冲光纤激光器第二种腔形结构示意图；
图3为实施例3提供的一种环形结构纳秒脉冲光纤激光器第三种腔形结构示意图；
图4为实施例4提供的一种环形结构纳秒脉冲光纤激光器第四种腔形结构示意图；
图中：1、泵浦源，2、波分复用器，3、增益光纤，4、光纤分束器，5光纤分束器的输出端，6、第一玻璃套管，7、第一自聚焦透镜，8、Cr:YAG可饱和吸收体，9、第二自聚焦透镜，10、第二玻璃套管，11、光纤环形器，12、光纤光栅，13、反射镜，14、光纤隔离器。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述，但不仅限于以下几种实施例：
实施例1
第一种环形结构纳秒脉冲光纤激光器如图1所示。图1中，1为泵浦源，选用最大承受功率10W，中心波长976nm的半导体激光二极管；2为波分复用器，型号为(2+1)的泵浦光波分复用器；3为增益光纤，选用6m长的双包层掺镱光纤；4为光纤分束器，分光比为2∶8；5为光纤分束器20％输出端；6和10分别为第一玻璃套管和第二玻璃套管，光纤插入玻璃套管内，使激光经过玻璃套管；7和9分别为第一自聚焦透镜和第二自聚焦透镜，该自聚焦透镜的截距Z＝0.5P，采用双面镀膜，两个端面都为8°角，作用是对进入玻璃套管内的激光进行准直和聚焦；8为Cr:YAG可饱和吸收体，它的直径
厚度1＝1.14mm，透过率T0＝60％，作用是对光纤激光器进行调Q；11为光纤环形器，使腔内激光的运转方向具有单向性，并减少自脉冲等其它因素的干扰；12为光纤光栅，光纤光栅的中心波长为1064nm，反射率99％；
其中，半导体激光二极管976nm波长的泵浦激光，通过(2+1)波分复用器耦合进6m长的增益光纤产生激光增益。激光经过光纤分束器，将20％的一端进行纳秒脉冲激光输出，80％的激光留在环形腔内，产生激光振荡，使环形腔高效稳定的运转。激光经由光纤分束器分光比80％的一端进入光纤环形器的第一端，激光经过光纤环形器第二个端口到达光纤光栅，被反射率为99％的光纤光栅反射回来，并到达环形器的第三个端口。激光经过第一玻璃套管内的光纤，被第一自聚焦透镜进行准直和聚焦，Cr:YAG可饱和吸收体作为调Q晶体，置于第一自聚焦透镜和第二自聚焦透镜之间，从而对光纤激光器进行调Q，得到较稳定的纳秒脉冲激光。激光再依次通过第二自聚焦透镜和第二玻璃套管，最后进入(2+1)波分复用器的信号端，构成环形腔。该环形腔的总腔长约为10m。上述实施例1在泵浦功率2.664W的条件下，得到输出功率334mW，重复频率29.7KHz，脉冲宽度900ns的脉冲串，目前现有技术脉冲串的时间抖动都大于10％，而上述实施例1脉冲串的时间抖动和振幅抖动小于10％，从而较好地提高了系统的稳定性。
实施例2
第二种环形结构纳秒脉冲光纤激光器如图2所示。图2中，1为泵浦源，选用最大承受功率10W，中心波长976nm的半导体激光二极管；2为波分复用器，型号为(2+1)的泵浦光波分复用器；3为增益光纤，选用6m长的双包层掺镱光纤；4为光纤分束器，分光比为2∶8；5为光纤分束器20％输出端；6为第一玻璃套管，光纤插入玻璃套管内，使激光通过玻璃套管；7和9分别为第一自聚焦透镜和第二自聚焦透镜，该自聚焦透镜的截距Z＝0.5P，选用双面镀膜，两个端面都为8°角，作用是对进入玻璃套管内的激光进行准直和聚焦；8为Cr:YAG可饱和吸收体，它的直径厚度1＝2.15mm，透过率T0＝55％，作用是对光纤激光器进行调Q；11为光纤环形器，使腔内激光的运转方向具有单向性，并减少自脉冲等其它因素的干扰；13为反射镜，反射率99％。
其中，半导体激光二极管976nm波长的泵浦激光，通过(2+1)波分复用器耦合进6m长的增益光纤产生激光增益。激光经过光纤分束器，将20％的一端进行纳秒脉冲激光输出，80％的激光留在环形腔内，产生激光振荡，使环形腔高效稳定的运转。激光经由光纤分束器反射率80％的一端进入光纤环形器的第一端，激光经过光纤环形器第二个端口并通过第一玻璃套管，被第一自聚焦透镜准直和聚焦，Cr:YAG可饱和吸收体作为调Q晶体，置于第一自聚焦透镜和第二自聚焦透镜之间，从而对光纤激光器进行调Q，得到较稳定的纳秒脉冲激光。激光再通过第二自聚焦透镜，被反射率为99％的反射镜反射回来，并到达环形器的第三个端口。最后进入(2+1)波分复用器的信号端，构成环形腔。该环形腔的总腔长约为10m。上述实施例2在泵浦功率2.664W的条件下，得到输出功率240.9mW，重复频率37.64KHz，脉冲宽度920ns的脉冲串，目前现有技术脉冲串的时间抖动都大于10％，而上述实施例2脉冲串的时间抖动和振幅抖动小于10％，从而较好地提高了系统的稳定性。
实施例3
第三种环形结构纳秒脉冲光纤激光器如图3所示。图3中，1为泵浦源，选用最大承受功率10W，中心波长976nm的半导体激光二极管；2为波分复用器，型号为(2+1)的泵浦光波分复用器；3为增益光纤，选用6m长的双包层掺镱光纤；4为光纤分束器，分光比为2∶8；5为光纤分束器20％输出端；6为第一玻璃套管，光纤插入玻璃套管内，使激光通过玻璃套管；7为第一自聚焦透镜，该自聚焦透镜的截距Z＝0.5P，选用双面镀膜，两个端面都为8°角，作用是对进入玻璃套管内的激光进行准直和聚焦；8为Cr:YAG可饱和吸收体，它的直径厚度1＝2.13mm，透过率T0＝70％，作用是对光纤激光器进行调Q；11为光纤环形器，使腔内激光的运转方向具有单向性，并减少自脉冲等其它因素的干扰；13为反射镜，反射率99％。
其中，半导体激光二极管976nm波长的泵浦激光，通过(2+1)波分复用器耦合进6m长的增益光纤产生激光增益。激光经过光纤分束器，将20％的一端进行纳秒脉冲激光输出，80％的激光留在环形腔内，产生激光振荡，使环形腔高效稳定的运转。激光经由光纤分束器反射率80％的一端进入光纤环形器的第一端，激光经过光纤环形器第二个端口并通过第一玻璃套管，被第一自聚焦透镜准直和聚焦，Cr:YAG可饱和吸收体作为调Q晶体，对光纤激光器进行调Q，得到较稳定的纳秒脉冲激光。激光再被反射率为99％的反射镜反射回来，并到达环形器的第三个端口。最后进入(2+1)波分复用器的信号端，构成环形腔。该环形腔的总腔长约为10m。上述实施例3在泵浦功率2.664W的条件下，得到输出功率235.8mW，重复频率29KHz，脉冲宽度952ns的脉冲串，目前现有技术脉冲串的时间抖动都大于10％，而上述实施例3脉冲串的时间抖动和振幅抖动小于10％，从而较好地提高了系统的稳定性。
实施例4
第一种纳秒脉冲光纤激光器环形腔结构如图4所示。图4中，1为泵浦源，选用最大承受功率10W，中心波长976nm的半导体激光二极管；2为波分复用器，型号为(2+1)的泵浦光波分复用器；3为增益光纤，选用6m长的双包层掺镱光纤；4为光纤分束器，分光比为2∶8；5为光纤分束器20％输出端；6和10分别为第一玻璃套管和第二玻璃套管，光纤插入玻璃套管内，使激光通过玻璃套管；7和9分别为第一自聚焦透镜和第二自聚焦透镜，该自聚焦透镜的截距Z＝0.25P，选用双面镀膜，两个端面都为8°角，作用是对进入玻璃套管内的激光进行准直和聚焦；8为Cr:YAG可饱和吸收体，它的直径厚度1＝1.32mm，透过率T0＝47％，作用是对光纤激光器进行调Q；14为光纤隔离器，使腔内激光的运转方向具有单向性，并减少自脉冲等其它因素的干扰；
其中，半导体激光二极管976nm波长的泵浦激光，通过(2+1)波分复用器耦合进6m长的增益光纤产生激光增益。激光经过光纤分束器，将20％的一端进行纳秒脉冲激光输出，80％的激光留在环形腔内，产生激光振荡，使环形腔高效稳定的运转。激光经由光纤分束器反射率80％的一端进入光纤隔离器的输入端，激光经过光纤隔离器的输出端到达第一玻璃套管内的光纤，被第一自聚焦透镜进行准直和聚焦，Cr:YAG可饱和吸收体作为调Q晶体，置于第一自聚焦透镜和第二自聚焦透镜之间，从而对光纤激光器进行调Q，得到较稳定的纳秒脉冲激光。激光再依次通过第二自聚焦透镜和第二玻璃套管，最后进入(2+1)波分复用器的信号端，构成环形腔。该环形腔的总腔长约为10m。上述实施例4在泵浦功率2.664W的条件下，得到输出功率246.3mW，重复频率38.5KHz，脉冲宽度976ns的脉冲串，目前现有技术脉冲串的时间抖动都大于10％，而上述实施例4脉冲串的时间抖动和振幅抖动小于10％，从而较好地提高了系统的稳定性。
Claims (4)
1.一种环形结构纳秒脉冲光纤激光器，其特征在于：包括泵浦源(1)、波分复用器(2)、增益光纤(3)、光纤分束器(4)、光纤分束器的输出端(5)、第一玻璃套管(6)、第一自聚焦透镜(7)、可饱和吸收体(8)；
所述的第一种环形腔结构还包括了第二自聚焦透镜(9)、第二玻璃套管(10)、光纤环形器(11)和光纤光栅(12)，其具体结构为：一个泵浦源(1)的尾纤与波分复用器(2)的输入端熔接，波分复用器(2)的输出端与增益光纤(3)的一端熔接，增益光纤(3)的另一端与光纤分束器(4)的输入端熔接，光纤分束器的第一个输出端(5)输出激光，光纤分束器(4)的第二个输出端与光纤环形器(11)的第一端熔接，光纤环形器(11)的第二端与光纤光栅(12)的一端熔接，光纤环形器的第三端与第一玻璃套管(6)一端内的光纤熔接，第一玻璃套管(6)的另一端粘接第一自聚焦透镜(7)的一端，第一自聚焦透镜(7)的另一端粘接可饱和吸收体(8)的一端，可饱和吸收体(8)的另一端粘接第二自聚焦透镜(9)的一端，第二自聚焦透镜(9)的另一端粘接第二玻璃套管(10)的一端，第二玻璃套管(10)另一端内的光纤与波分复用器(2)信号端的光纤熔接，从而构成环形腔；
所述的第二种环形腔结构还包括了第二自聚焦透镜(9)、光纤环形器(11)和反射镜(13)，其具体结构为：一个泵浦源(1)的尾纤与波分复用器(2)的输入端熔接，波分复用器(2)的输出端与增益光纤(3)的一端熔接，增益光纤(3)的另一端与光纤分束器(4)的输入端熔接，光纤分束器的第一个输出端(5)输出激光，光纤分束器(4)的第二个输出端与光纤环形器(11)的第一端熔接，光纤环形器(11)的第二端与第一玻璃套管(6)一端内的光纤熔接，第一玻璃套管(6)的另一端粘接第一自聚焦透镜(7)的一端，第一自聚焦透镜(7)的另一端粘接可饱和吸收体(8)的一端，可饱和吸收体的另一端粘接第二自聚焦透镜(9)的一端，第二自聚焦透镜(9)的另一端与反射镜(13)的一端连接，光纤环形器(11)的第三端与波分复用器(2)信号端的光纤熔接，从而构成环形腔；
所述的第三种环形腔结构还包括了光纤环形器(11)和反射镜(13)，其具体结构为：一个泵浦源(1)的尾纤与波分复用器(2)的输入端熔接，波分复用器(2)的输出端与增益光纤(3)的一端熔接，增益光纤(3)的另一端与光纤分束器(4)的输入端熔接，光纤分束器的第一个输出端(5)输出激光，光纤分束器(4)的第二个输出端与光纤环形器(11)的第一端熔接，光纤环形器(11)的第二端与第一玻璃套管(6)一端内的光纤熔接，第一玻璃套管(6)的另一端粘接第一自聚焦透镜(7)的一端，第一自聚焦透镜(7)的另一端粘接可饱和吸收体(8)的一端，可饱和吸收体的另一端粘接反射镜(13)的一端，光纤环形器(11)的第三端与波分复用器(2)信号端的光纤熔接，从而构成环形腔；
所述的第四种环形腔结构还包括了第二自聚焦透镜(9)、第二玻璃套管(10)和光纤隔离器(14)，其具体结构为：一个泵浦源(1)的尾纤与波分复用器(2)的输入端熔接，波分复用器(2)的输出端与增益光纤(3)的一端熔接，增益光纤(3)的另一端与光纤分束器(4)的输入端熔接，光纤分束器的第一个输出端(5)输出激光，光纤分束器(4)的第二个输出端与光纤隔离器(14)的输入端熔接，光纤隔离器(14)的输出端与第一玻璃套管(6)一端内的光纤熔接，第一玻璃套管(6)的另一端粘接第一自聚焦透镜(7)的一端，第一自聚焦透镜(7)的另一端粘接可饱和吸收体(8)，可饱和吸收体(8)的另一端粘接第二自聚焦透镜(9)的一端，第二自聚焦透镜(11)的另一端粘接第二玻璃套管(10)的一端，第二玻璃套管(10)另一端内的光纤与波分复用器(2)信号端的光纤熔接，从而构成环形腔。
2.根据权利要求1所述的一种环形结构纳秒脉冲光纤激光器，其特征在于：所述的泵浦源(1)为半导体激光器、固体激光器、气体激光器、光纤激光器或拉曼激光器；所述的增益光纤(3)是掺杂光纤或光子晶体光纤；所述的光纤光栅(12)和反射镜(13)，反射率大于50％。
3.根据权利要求1所述的一种环形结构纳秒脉冲光纤激光器，其特征在于：所述的第一自聚焦透镜(7)和第二自聚焦透镜(9)，应用波长λ的范围为：100nm≤λ≤10000nm，截距Z的范围为：0P≤Z≤1P，端面镀膜选用单面镀膜、双面镀膜和不镀膜三种之一，端面角度0°≤θ≤10°任选。
4.根据权利要求1所述的一种环形结构纳秒脉冲光纤激光器，其特征在于：所述的可饱和吸收体(8)，选用Cr:YAG可饱和吸收体；可饱和吸收体厚度d的范围为：0mm≤d≤5mm，透过率T0的范围为：10％≤T0≤99％。
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