皮秒和光秒脈沖激光輸出切換裝置及其控制方法
【專利摘要】皮秒和飛秒脈沖激光輸出切換裝置及其控制方法，輸出切換裝置包括沿光路順次設(shè)置的光源、皮秒激光振蕩器、可調(diào)濾波器、光纖放大器和折光鏡，折光鏡包括高反鏡，用于將光路切換至兩個(gè)不同的輸出端口；其中一個(gè)端口順次連接脈沖壓縮器和飛秒倍頻器；而另一端口連接皮秒倍頻器，用于輸出皮秒脈沖，當(dāng)可調(diào)濾波器選取皮秒激光振蕩器輸出光譜邊緣部分時(shí)，高反鏡的位置使得光譜皮秒脈沖無偏折地通過折光鏡后進(jìn)入皮秒倍頻器，當(dāng)可調(diào)濾波器選取皮秒激光振蕩器輸出光譜中心部分時(shí)，高反鏡轉(zhuǎn)動(dòng)至另一位置，以使光譜皮秒脈沖產(chǎn)生90度偏折后進(jìn)入脈沖壓縮器及飛秒倍頻器。該輸出切換裝置及其控制方法實(shí)現(xiàn)窄帶皮秒或?qū)拵эw秒激光的快速切換輸出。
【專利說明】皮秒和光秒脈沖激光輸出切換裝置及其控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種高功率窄帶光譜的皮秒脈沖激光和寬帶光譜的飛秒脈沖激光的輸出切換裝置及其控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]超短脈沖為脈沖寬度在飛秒到皮秒量級(jí)間的一類脈沖的總稱。利用高功率皮秒和飛秒激光，可實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬、金屬碳化物、硅片等工業(yè)材料進(jìn)行高精度加工。與納秒脈沖相比，飛秒和皮秒脈沖的時(shí)間寬度之短，可迅速達(dá)到材料的消融臨界點(diǎn)所需要的峰值能量密度，并有效地減少激光輻射帶來的熱效應(yīng)。飛秒激光的持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于晶格熱傳導(dǎo)時(shí)間，在其與物質(zhì)相互作用時(shí)，能量吸收限制在極小的范圍內(nèi)，電子達(dá)到極高的溫度，隨之物質(zhì)從固態(tài)變?yōu)殡x子態(tài)，迅速從加工區(qū)域噴出。因此，利用飛秒和皮秒脈沖能克服激光熱效應(yīng)帶來的弊端，實(shí)現(xiàn)高精度的加工。
[0003]提及高功率超短脈沖的產(chǎn)生方法，一般有兩大類。一類是采用固體激光器、半導(dǎo)體激光二極管或光纖激光器作為窄帶光譜的種子源，光譜寬度一般小于lnm，脈沖寬度為幾個(gè)皮秒到幾百皮秒。相比寬帶光譜的皮秒激光，雖然該窄帶光譜的皮秒脈沖無法壓縮到飛秒脈沖，但該窄帶光譜的皮秒脈沖光源的一個(gè)主要優(yōu)勢具有更高的倍頻效率，有利于實(shí)現(xiàn)更短波長的激光輸出。
[0004]另一類是以寬帶光譜的飛秒激光或者寬帶光譜的皮秒激光作為種子源，經(jīng)過啁啾脈沖放大或者主振蕩功率放大，最后采用脈沖壓縮達(dá)到飛秒量級(jí)，實(shí)現(xiàn)更高的峰值功率。該技術(shù)會(huì)使用寬帶光譜器件以確保最終輸出激光光譜具有足夠的帶寬，實(shí)現(xiàn)更窄的飛秒脈沖。
[0005]以上兩類超短脈沖的功率放大過程雖然看似相近，但到目前為止，并無法在一套激光系統(tǒng)里面同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩種光譜形式(寬帶光譜或者窄帶光譜)的超短脈沖激光輸出。其主要問題是脈沖激光種子源的輸出參數(shù)基本決定了該激光系統(tǒng)的性能和特性。若需要實(shí)現(xiàn)不同形式的光譜輸出，必須更換脈沖種子源。這必然會(huì)增加激光系統(tǒng)復(fù)雜度，并進(jìn)而提高制造成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006](一)發(fā)明目的
[0007]本發(fā)明的目的是提供一種高功率窄帶光譜的皮秒脈沖激光或?qū)拵Ч庾V的飛秒脈沖激光的輸出切換裝置及其控制方法。
[0008]( 二 )技術(shù)方案
[0009]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種皮秒和飛秒脈沖激光輸出切換裝置，包括沿光路順次設(shè)置的光源、皮秒激光振蕩器、可調(diào)濾波器、光纖放大器和折光鏡，其中，皮秒激光振蕩器，用于輸出光譜；可調(diào)濾波器，用于選取皮秒激光振蕩器輸出光譜中不同波長的光譜成分；光纖放大器，用于將可調(diào)濾波器濾波后的脈沖的平均功率提升；折光鏡，其包括高反鏡，用于將光路切換至兩個(gè)不同的輸出端口，其中一個(gè)輸出端口順次連接有脈沖壓縮器和飛秒倍頻器，脈沖壓縮器用于將寬帶光譜的皮秒脈沖壓縮至飛秒脈沖；飛秒倍頻器用于將寬帶光譜的皮秒脈沖壓縮，最終輸出飛秒脈沖；而另一個(gè)輸出端口連接有皮秒倍頻器，用于輸出皮秒脈沖，當(dāng)可調(diào)濾波器選取皮秒激光振蕩器輸出光譜邊緣部分時(shí)，高反鏡的位置使得光譜皮秒脈沖無偏折地通過折光鏡后進(jìn)入皮秒倍頻器，當(dāng)可調(diào)濾波器選取皮秒激光振蕩器輸出光譜中心部分時(shí)，高反鏡轉(zhuǎn)動(dòng)至另一位置處，以使光譜皮秒脈沖產(chǎn)生90度偏折后進(jìn)入脈沖壓縮器及飛秒倍頻器。
[0010]其中，還包括與可調(diào)濾波器和折光鏡連接的飛秒/皮秒切換驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)可調(diào)濾波器以及折光鏡，以分別實(shí)現(xiàn)光譜的選取和高反鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0011]其中，可調(diào)濾波器和折光鏡都是電控的。
[0012]其中，皮秒激光振蕩器為非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模的全正色散光纖激光器。
[0013]其中，可調(diào)濾波器為基于F-P腔的可調(diào)濾波器或光柵結(jié)構(gòu)的濾波器或干涉濾光片結(jié)構(gòu)的濾波器。
[0014]其中，光纖放大器包括光纖預(yù)放大器以及光纖主放大器。
[0015]其中，光纖預(yù)放大器為纖芯泵浦的光纖放大器，用于將20mW的功率提升至超過200mW。
[0016]其中，光纖主放大器為包層泵浦的光纖放大器，用于將200mW的功率提升至超過10W。
[0017]本發(fā)明還提供了一種皮秒和飛秒脈沖激光輸出切換裝置的控制方法，該方法包括以下步驟:
[0018]S1:當(dāng)需要輸出皮秒脈沖激光時(shí)，調(diào)整可調(diào)濾波器，使其選取皮秒激光振蕩器輸出光譜邊緣部分，同時(shí)將高反鏡的位置調(diào)整至光譜皮秒脈沖無偏折地通過折光鏡后進(jìn)入皮秒倍頻器的位置；
[0019]S2:當(dāng)需要輸出飛秒脈沖激光時(shí)，調(diào)整可調(diào)濾波器，使其選取皮秒激光振蕩器輸出光譜中心部分，同時(shí)將高反鏡的位置調(diào)整至光譜皮秒脈沖產(chǎn)生90度偏折后進(jìn)入脈沖壓縮器及飛秒倍頻器的位置。
[0020]其中，該方法還包括以下步驟:通過飛秒/皮秒切換控制器控制可調(diào)濾波器和折光鏡的調(diào)整。
[0021](三)有益效果
[0022]1.本發(fā)明采用一臺(tái)激光系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)高功率窄帶皮秒或?qū)拵эw秒激光輸出，且結(jié)構(gòu)簡單，制造成本小。采用電路驅(qū)動(dòng)、可調(diào)濾波器及光路控制即可實(shí)現(xiàn)高功率窄帶皮秒或?qū)拵эw秒激光輸出的切換。
[0023]2.采用電控驅(qū)動(dòng)可調(diào)濾波器以及電控折光鏡，光路切換速度快，不僅控制精度高、而且簡單易行，可有效降低雙路激光輸出系統(tǒng)的制造成本。
[0024]3.分別采用兩塊倍頻晶體有利于提高激光的倍頻效率。飛秒倍頻器中采用較短的倍頻晶體，有利于寬帶光譜的飛秒激光倍頻。皮秒倍頻器中采用較長的倍頻晶體，有利于窄帶光譜的皮秒激光倍頻。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明的皮秒和光秒脈沖激光輸出切換裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2是皮秒激光振蕩器輸出的激光光譜，其示出了光譜邊緣及光譜中心的位置；
[0027]圖3a示出了電控可調(diào)濾波器選取出皮秒激光振蕩器的中心光譜的脈沖寬度，圖3b示出了經(jīng)放大后的寬帶光譜皮秒脈沖的光譜形狀；
[0028]圖4a示出了電控可調(diào)濾波器選取出皮秒激光振蕩器的邊緣光譜的脈沖寬度，圖4b示出了經(jīng)放大后的窄帶光譜皮秒脈沖的光譜形狀；
[0029]圖5是光纖預(yù)放大器的示意圖；
[0030]圖6是光纖主放大器的示意圖；以及
[0031]圖7是電控折光鏡的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖，以lym波段的摻鐿光纖激光為例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面描述的實(shí)施例僅是對(duì)本發(fā)明的示例性說明，而非用于對(duì)其作出任何限制。在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同或相似的部件。
[0033]如圖1所示，該裝置包括沿光路順次設(shè)置的光源L、皮秒激光振蕩器100、可調(diào)濾波器200、光纖放大器、折光鏡500、脈沖壓縮器600、飛秒倍頻器800、皮秒倍頻器700以及與電動(dòng)可調(diào)濾波器200和折光鏡500連接的飛秒/皮秒切換驅(qū)動(dòng)器900。
[0034]具體地，光源L均采用Ιμπι波段適用的光學(xué)器件及光纖。
[0035]皮秒激光振蕩器100用于輸出光譜,并優(yōu)選為非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模的全正色散光纖激光器，其可為全光纖結(jié)構(gòu)，也可為半空間半光纖結(jié)構(gòu)。典型重復(fù)頻率為60MHz，平均功率20mW，脈沖寬度為10ps。皮秒激光振蕩器100典型的光譜范圍如圖2所示，覆蓋1025-1035nm，光譜寬度Λ λ = 10nm。該類型光纖激光器環(huán)路內(nèi)部皆由正色散光纖構(gòu)成，由于自相位調(diào)制的作用使該脈沖中心附近較大范圍的啁啾為線性且是正的，即輸出脈沖的頻率分布隨著時(shí)間的增加而增加(上啁啾)。而脈沖兩邊的頻譜變化較小。因此，皮秒激光振蕩器100輸出光譜中不同位置的光譜成分具有不同的脈沖寬度，光譜中心(如圖2中右側(cè)的虛線橢圓所示)的脈沖寬度較小，光譜兩邊(如圖2中左側(cè)的虛線橢圓所示)的脈沖寬度較大的特點(diǎn)。
[0036]電動(dòng)可調(diào)濾波器200用于選取皮秒激光振蕩器100輸出光譜中不同波長的光譜成分，其可以為基于F-P腔的可調(diào)濾波器(調(diào)節(jié)腔長選波長)，或者是光柵結(jié)構(gòu)的濾波器(調(diào)節(jié)光柵與入射光夾角選波長)，也可為干涉濾光片結(jié)構(gòu)的濾波器(調(diào)節(jié)濾光片與入射光夾角選波長)。該電控可調(diào)濾波器200皆為光纖稱合方式。
[0037]皮秒激光振蕩器100輸出光譜由電動(dòng)可調(diào)濾波器200進(jìn)行光譜選取，濾波范圍大于10nm(覆蓋皮秒激光振蕩器100輸出光譜)；濾波帶寬小于皮秒激光振蕩器100光譜寬度的十分之一，即小于Λ λ/10 (〈lnm)。
[0038]光纖放大器用于將電動(dòng)可調(diào)濾波器200濾波后的脈沖的平均功率提升，其包括光纖預(yù)放大器300和光纖主放大器400。當(dāng)電控可調(diào)濾波器200選取皮秒激光振蕩器100輸出光譜中心部分時(shí)，即濾波后的脈沖寬度較小，約為l_2ps，如圖3a所示。經(jīng)由光纖預(yù)放大器300及光纖主放大器400放大過程中，將產(chǎn)生明顯的非線性光譜展寬，隨著放大激光功率的提升，光譜寬度不斷加寬，其光譜寬度達(dá)到甚至超過皮秒激光振蕩器100的光譜寬度，超過10nm，如圖3b所示。當(dāng)電控可調(diào)濾波器200選取皮秒激光振蕩器100輸出光譜邊緣部分時(shí)，即濾波后的脈沖寬度較大，約為10-30ps，如圖4a所示。經(jīng)由光纖預(yù)放大器300及光纖主放大器400放大過程中，光譜寬度將保持不變，如圖4b所示。因此，即通過電控可調(diào)濾波器200選取皮秒激光振蕩器100不同位置的光譜時(shí)，在經(jīng)過光纖放大，即可得到寬帶光譜的皮秒激光，也可得到窄帶光譜的皮秒激光。
[0039]光纖預(yù)放大器300為纖芯泵浦的放大器，用于將皮秒激光振蕩器100的平均功率從20mW提升至200mW。如圖5所示，光纖預(yù)放大器300由激光隔離器301、單模光纖耦合的泵浦源302、波分復(fù)用器303以及增益光纖304組成。
[0040]光纖主放大器400為包層泵浦的光纖放大器，用于將200mW的功率提升至超過lOffo如圖6所不,光纖主放大器400由激光隔離器401、光纖合束器402、第一多模光纖率禹合泵浦源403、第二多模光纖耦合泵浦源404、增益光纖405以及輸出耦合器406組成。
[0041]折光鏡500與光纖主放大器400的輸出端連接。如圖所不，電控折光鏡500內(nèi)含有一個(gè)高反鏡501。當(dāng)電動(dòng)可調(diào)濾波器200選取皮秒激光振蕩器100輸出光譜邊緣部分時(shí)，即濾波后的脈沖寬度較大，為窄帶光譜皮秒脈沖輸出，同時(shí)，通過飛秒/皮秒切換驅(qū)動(dòng)器900驅(qū)動(dòng)高反鏡501保持在使窄帶光譜皮秒脈沖無偏折地通過電控折光鏡500后徑直進(jìn)入皮秒倍頻器700的初始位置A處。當(dāng)電動(dòng)可調(diào)濾波器200選取皮秒激光振蕩器100輸出光譜中心部分時(shí)，即濾波后的脈沖寬度較小，為窄帶光譜皮秒脈沖輸出，同時(shí)，通過飛秒/皮秒切換驅(qū)動(dòng)器900驅(qū)動(dòng)高反鏡501轉(zhuǎn)動(dòng)到另一位置B處，使寬帶光譜皮秒脈沖產(chǎn)生90度的偏折，進(jìn)入脈沖壓縮器600及飛秒倍頻器800，實(shí)現(xiàn)寬帶飛秒脈沖輸出。
[0042]脈沖壓縮器600可由一對(duì)反射式光柵或者一對(duì)透射式光柵及一面反射鏡構(gòu)成，用于將寬帶光譜的皮秒脈沖壓縮至飛秒脈沖。
[0043]飛秒倍頻器800采用倍頻晶體將寬帶飛秒脈沖倍頻至更短波長，產(chǎn)生二次諧波或三次諧波。皮秒倍頻器700采用倍頻晶體將窄帶皮秒脈沖倍頻至更短波長，產(chǎn)生二次諧波或三次諧波。飛秒倍頻器800中采用的倍頻晶體相比皮秒倍頻器700中采用的倍頻晶體的長度較短，有利于寬帶光譜的飛秒激光倍頻。飛秒倍頻器800中采用的倍頻晶體相比皮秒倍頻器700中采用的倍頻晶體的長度較長，有利于窄帶光譜的皮秒激光倍頻。
[0044]倍頻晶體可以為BBO、PPLN、KTP、PPKTP 等。
[0045]需要說明的是，在該實(shí)施例中，可調(diào)濾波器200和折光鏡500都是電控的，以使得光路切換速度快，該控制方式不僅控制精度高、而且簡單易行，可有效降低雙路激光輸出裝置的制造成本。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可調(diào)濾波器200和折光鏡500也可采用其它的控制方式。同樣地，在該實(shí)施例中，可調(diào)濾波器200和折光鏡500由飛秒/皮秒切換驅(qū)動(dòng)器900驅(qū)動(dòng)，然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可調(diào)濾波器200和折光鏡500也可采用其它方式控制，例如手動(dòng)操作。
[0046]本發(fā)明還提供了一種對(duì)于上述皮秒脈沖激光或飛秒脈沖激光的輸出切換裝置的控制方法，該方法包括以下步驟:
[0047]S1:當(dāng)需要輸出皮秒脈沖激光時(shí)，調(diào)整電動(dòng)可調(diào)濾波器200，使其選取皮秒激光振蕩器100輸出光譜邊緣部分，同時(shí)將高反鏡501的位置調(diào)整至光譜皮秒脈沖無偏折地通過折光鏡501后進(jìn)入皮秒倍頻器700的位置；
[0048]S2:當(dāng)需要輸出飛秒脈沖激光時(shí)，調(diào)整電動(dòng)可調(diào)濾波器200，使其選取皮秒激光振蕩器輸出光譜中心部分，同時(shí)將高反鏡501的位置調(diào)整至光譜皮秒脈沖產(chǎn)生90度的偏折后進(jìn)入脈沖壓縮器600及飛秒倍頻器800的位置。
[0049]進(jìn)一步地，該方法還包括以下步驟:通過飛秒/皮秒切換控制器900控制電動(dòng)可調(diào)濾波器200和折光鏡500的調(diào)整。
[0050]上面描述的以及圖中所示出的皮秒脈沖激光或飛秒脈沖激光的輸出切換裝置的構(gòu)造都僅僅是示例性的，在本發(fā)明的教導(dǎo)下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠進(jìn)行各種改變或變型，所有這些變型都不脫離由權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種皮秒和飛秒脈沖激光輸出切換裝置，包括沿光路順次設(shè)置的光源、皮秒激光振蕩器、可調(diào)濾波器、光纖放大器和折光鏡，其中，皮秒激光振蕩器，用于輸出光譜；可調(diào)濾波器，用于選取皮秒激光振蕩器輸出光譜中不同波長的光譜成分；光纖放大器，用于將可調(diào)濾波器濾波后的脈沖的平均功率提升；折光鏡，其包括高反鏡，用于將光路切換至兩個(gè)不同的輸出端口，其中一個(gè)輸出端口順次連接有脈沖壓縮器和飛秒倍頻器，脈沖壓縮器用于將寬帶光譜的皮秒脈沖壓縮至飛秒脈沖；飛秒倍頻器用于將寬帶光譜的皮秒脈沖壓縮，最終輸出飛秒脈沖；而另一個(gè)輸出端口連接有皮秒倍頻器，用于輸出皮秒脈沖，當(dāng)可調(diào)濾波器選取皮秒激光振蕩器輸出光譜邊緣部分時(shí)，高反鏡的位置使得光譜皮秒脈沖無偏折地通過折光鏡后進(jìn)入皮秒倍頻器，當(dāng)可調(diào)濾波器選取皮秒激光振蕩器輸出光譜中心部分時(shí)，高反鏡轉(zhuǎn)動(dòng)至另一位置處，以使光譜皮秒脈沖產(chǎn)生90度偏折后進(jìn)入脈沖壓縮器及飛秒倍頻器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出切換裝置，其中還包括與可調(diào)濾波器和折光鏡連接的飛秒/皮秒切換驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)可調(diào)濾波器以及折光鏡，以分別實(shí)現(xiàn)光譜的選取和高反鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的輸出切換裝置，其中可調(diào)濾波器和折光鏡都是電控的。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的輸出切換裝置，其中皮秒激光振蕩器為非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模的全正色散光纖激光器。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的輸出切換裝置，其中可調(diào)濾波器為基于F-P腔的可調(diào)濾波器或光柵結(jié)構(gòu)的濾波器或干涉濾光片結(jié)構(gòu)的濾波器。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的輸出切換裝置，其中光纖放大器包括光纖預(yù)放大器以及光纖主放大器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的輸出切換裝置，其中光纖預(yù)放大器為纖芯泵浦的光纖放大器，用于將20mW的功率提升至超過200mW。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的輸出切換裝置，其中光纖主放大器為包層泵浦的光纖放大器，用于將200mW的功率提升至超過10W。
9.一種權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的皮秒和飛秒脈沖激光輸出切換裝置的控制方法，該方法包括以下步驟: S1:當(dāng)需要輸出皮秒脈沖激光時(shí)，調(diào)整可調(diào)濾波器，使其選取皮秒激光振蕩器輸出光譜邊緣部分，同時(shí)將高反鏡的位置調(diào)整至光譜皮秒脈沖無偏折地通過折光鏡后進(jìn)入皮秒倍頻器的位置； S2:當(dāng)需要輸出飛秒脈沖激光時(shí)，調(diào)整可調(diào)濾波器，使其選取皮秒激光振蕩器輸出光譜中心部分，同時(shí)將高反鏡的位置調(diào)整至光譜皮秒脈沖產(chǎn)生90度偏折后進(jìn)入脈沖壓縮器及飛秒倍頻器的位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制方法，其中還包括以下步驟: 通過飛秒/皮秒切換控制器控制可調(diào)濾波器和折光鏡的調(diào)整。
【文檔編號(hào)】H01S5/40GK104317136SQ201410541817
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月14日
【發(fā)明者】郝強(qiáng), 曾和平 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)