[实用新型]一种基于全大模场光纤的皮秒种子激光器

说明书

本实用新型公开了一种基于全大模场光纤的皮秒种子激光器，包括大模场光纤锁模皮秒振荡器和单级大模场光纤放大器。其中，光纤锁模皮秒振荡器包括多模半导体泵浦激光器，多模泵浦保护器，多模泵浦分束器，双包层大模场光纤光栅，第一双包层大模场增益光纤，大模场光纤耦合器，半导体可饱和吸收反射镜和光电探测器；单级大模场光纤放大器由大模场光纤隔离器，可选的脉冲选择器，多模泵浦合束器，第二双包层大模场增益光纤和输出准直器组成。本实用新型属于光纤激光技术领域，具体是指一种实现100nJ级大能量皮秒脉冲输出，或者平均功率大于1W的高功率皮秒脉冲输出，有效降低成本的全大模场光纤的皮秒种子激光器。

技术领域

本实用新型涉及光纤激光技术领域，尤其涉及一种基于全大模场光纤的皮秒种子激光器。

背景技术

高功率皮秒脉冲激光器在材料加工、生物医疗、空间激光测距和激光与大气探测等领域具有广泛的应用。目前，高功率皮秒激光器仍主要使用主振荡功率放大(MOPA)结构，即种子振荡器通过锁模原理产生低能量、高重频超短种子脉冲，经过脉冲选择器后将重复频率降低，再送至单级或多级放大器进行高功率放大后输出。根据工作物质形态，超快激光器一般涉及固体激光技术和光纤激光技术。相对固体激光器，光纤激光器虽然具有体积小，重量轻，散热面积大等优势，但受限于自相位调制、受激拉曼散射等非线性效应，不适合直接放大脉冲宽度小于10ps的大能量激光脉冲，而只适合用作皮秒振荡器和初级放大器。基于空间光路的固体激光技术虽然体积较大，但增益介质内由于激光模场光斑较大，可以有效降低非线性效应的影响，从而实现高功率皮秒激光的直接放大。其中，波长在1064nm附近的掺钕(Nd)固体激光放大器可以使用半导体激光器直接泵浦，目前技术已经十分成熟，所用激光晶体如Nd:YVO4或Nd:YAG的制作技术也十分成熟，成本也较为低廉。所以，由光纤皮秒振荡器和光纤预放大器组成前端，固体功率放大器作为后端是当前高功率皮秒激光器的主流技术方案。

附图1是现有前端光纤皮秒种子激光器的典型技术方案示意图。其中，单模光纤皮秒振荡器11的谐振腔由纤芯直径在6μm左右的单模增益光纤和带有单模无源光纤的器件构成，由单模半导体激光器泵浦，振荡器的输出功率一般不超过10mW；为保证振荡器稳定工作，振荡器之后连有单模光纤隔离器一12；由于振荡器产生的单脉冲能量太低，需要用单模光纤预放大器13把平均功率提升至数十毫瓦；之后由单模光纤脉冲选择器14将重复频率由数十兆赫兹降为数百千赫兹至1～2MHz；为降低单模光纤预放大器13带来的波长在1030nm附近的放大自发辐射(ASE)对1064nm激光在进一步放大时的不利影响，一般需要连有单模光纤隔离器二15——也可以置于单模光纤脉冲选择器14之前；为降低非线性效应的不利影响，光纤放大器17一般采用纤芯直径更大的大模场增益光纤，这就需要在放大器11之前加入模场适配器16，以降低模场失配带来的插入损耗。这种技术方案有如下不足之处：1.至少需要两级预放大器，而每级预放大器都至少需要一个波分复用器和一段增益光纤；2.即使单模光纤皮秒振荡器11和单模光纤预放大器13共用一个单模半导体泵浦源，但单个泵浦激光器的最大输出功率只有数百毫瓦，所以光纤放大器17必须使用另一个独立的泵浦激光器，即整个前端种子激光器就需要使用2～3个泵浦激光器；3.单模泵浦激光器属于高值易损坏器件，因为泵浦光和激光同在单模纤芯中传播，信号回光极易损坏单模泵浦激光器；4.多级放大器和多个泵浦半导体激光器及其驱动电路必然导致整个前端光纤种子激光器结构较为复杂，体积较大，工作可靠性降低，同时成本相较固体皮秒种子源其实并没有优势。

实用新型内容

为了解决上述难题，本实用新型提供了一种可以由光纤振荡器加一级放大器就实现100nJ级大能量皮秒脉冲输出，或者平均功率大于1W的高功率皮秒脉冲输出，光纤振荡器和放大器可以共用一个低成本多模半导体泵浦激光器，从而显著简化整个激光器的结构并有效降低成本的基于全大模场光纤的皮秒种子激光器。