[发明专利]光纤皮秒和飞秒脉冲激光输出切换装置及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种高功率窄带光谱的皮秒脉冲激光和宽带光谱的飞秒脉冲激光的输出切换装置及其控制方法。

背景技术

超短脉冲为脉冲宽度在飞秒到皮秒量级间的一类脉冲的总称。利用高功率皮秒和飞秒激光，可实现对金属、金属碳化物、硅片等工业材料进行高精度加工。与纳秒脉冲相比，飞秒和皮秒脉冲的时间宽度之短，可迅速达到材料的消融临界点所需要的峰值能量密度，并有效地减少激光辐射带来的热效应。飞秒激光的持续时间远远小于晶格热传导时间，在其与物质相互作用时，能量吸收限制在极小的范围内，电子达到极高的温度，随之物质从固态变为离子态，迅速从加工区域喷出。因此，利用飞秒和皮秒脉冲能克服激光热效应带来的弊端，实现高精度的加工。

提及高功率超短脉冲的产生方法，一般有两大类。一类是采用固体激光器、半导体激光二极管或光纤激光器作为窄带光谱的种子源，光谱宽度一般小于1nm，脉冲宽度为几个皮秒到几百皮秒。相比宽带光谱的皮秒激光，虽然该窄带光谱的皮秒脉冲无法压缩到飞秒脉冲，但该窄带光谱的皮秒脉冲光源的一个主要优势具有更高的倍频效率，有利于实现更短波长的激光输出。

另一类是以宽带光谱的飞秒激光或者宽带光谱的皮秒激光作为种子源，经过啁啾脉冲放大或者主振荡功率放大，最后采用脉冲压缩达到飞秒量级，实现更高的峰值功率。该技术会使用宽带光谱器件以确保最终输出激光光谱具有足够的带宽，实现更窄的飞秒脉冲。

以上两类超短脉冲的功率放大过程虽然看似相近，但到目前为止，并无法在一套激光系统里面同时实现这两种光谱形式(宽带光谱或者窄带光谱)的超短脉冲激光输出。其主要问题是脉冲激光种子源的输出参数基本决定了该激光系统的性能和特性。若需要实现不同形式的光谱输出，必须更换脉冲种子源。这必然会增加激光系统复杂度，并进而提高制造成本。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种高功率窄带光谱的皮秒脉冲激光或宽带光谱的飞秒脉冲激光的输出切换装置及其控制方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种皮秒和飞秒脉冲激光输出切换装置，包括沿光路顺次设置的光源、皮秒激光振荡器、可调滤波器、光纤放大器和折光镜，其中，皮秒激光振荡器，用于输出光谱；可调滤波器，用于选取皮秒激光振荡器输出光谱中不同波长的光谱成分；光纤放大器，用于将可调滤波器滤波后的脉冲的平均功率提升；折光镜，其包括高反镜，用于将光路切换至两个不同的输出端口,其中一个输出端口顺次连接有脉冲压缩器和飞秒倍频器，脉冲压缩器用于将宽带光谱的皮秒脉冲压缩至飞秒脉冲；飞秒倍频器用于将宽带光谱的皮秒脉冲压缩，最终输出飞秒脉冲；而另一个输出端口连接有皮秒倍频器，用于输出皮秒脉冲，当可调滤波器选取皮秒激光振荡器输出光谱边缘部分时，高反镜的位置使得光谱皮秒脉冲无偏折地通过折光镜后进入皮秒倍频器，当可调滤波器选取皮秒激光振荡器输出光谱中心部分时，高反镜转动至另一位置处，以使光谱皮秒脉冲产生90度偏折后进入脉冲压缩器及飞秒倍频器。

其中，还包括与可调滤波器和折光镜连接的飞秒/皮秒切换驱动器，用于驱动可调滤波器以及折光镜，以分别实现光谱的选取和高反镜的转动。

其中，可调滤波器和折光镜都是电控的。

其中，皮秒激光振荡器为非线性偏振旋转锁模的全正色散光纤激光器。

其中，可调滤波器为基于F-P腔的可调滤波器或光栅结构的滤波器或干涉滤光片结构的滤波器。

其中，光纤放大器包括光纤预放大器以及光纤主放大器。

其中，光纤预放大器为纤芯泵浦的光纤放大器，用于将20mW的功率提升至超过200mW。

其中，光纤主放大器为包层泵浦的光纤放大器，用于将200mW的功率提升至超过10W。

本发明还提供了一种皮秒和飞秒脉冲激光输出切换装置的控制方法，该方法包括以下步骤：

S1：当需要输出皮秒脉冲激光时，调整可调滤波器，使其选取皮秒激光振荡器输出光谱边缘部分，同时将高反镜的位置调整至光谱皮秒脉冲无偏折地通过折光镜后进入皮秒倍频器的位置；

S2:当需要输出飞秒脉冲激光时，调整可调滤波器，使其选取皮秒激光振荡器输出光谱中心部分，同时将高反镜的位置调整至光谱皮秒脉冲产生90度偏折后进入脉冲压缩器及飞秒倍频器的位置。

其中，该方法还包括以下步骤：通过飞秒/皮秒切换控制器控制可调滤波器和折光镜的调整。

(三)有益效果