本實(shí)用新型涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光纖固體結(jié)合皮秒激光再生放大器。

背景技術(shù)：

近些年實(shí)驗(yàn)證明，除了飛秒脈沖激光可進(jìn)行高質(zhì)量、高精度的材料微加工以外，皮秒脈沖激光也可以對金屬和其它產(chǎn)業(yè)材料進(jìn)行高質(zhì)量微加工，并達(dá)到類似的精度和單位脈沖切除率。皮秒激光脈沖寬度短，足以避免能量因熱擴(kuò)散達(dá)到材料消融臨界過程所需要的峰值能量密度。

能量在毫焦耳量級的皮秒激光放大系統(tǒng)的種子光通常由鎖模固體振蕩器或光纖固體混合激光器產(chǎn)生，但其溫度穩(wěn)定性差、體積大和成本高對其應(yīng)用造成影響。

全光纖皮秒脈沖激光放大器重復(fù)頻率一般在幾十至幾百M(fèi)Hz之間，輸出功率為幾百mW至幾十W，但由于重復(fù)頻率過高，鎖模激光單脈沖能量只有幾nJ至幾百nJ，達(dá)不到材料所需的消融閾值(μJ量級)，需將鎖模激光脈沖能量放大10³～10⁴倍以上才能用于加工。但鎖模脈沖寬度很窄，傳統(tǒng)的行波放大方式對鎖模光的單程增益很低，需要多程放大才能將鎖模光能量放大到10³倍以上。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題中存在的不足之處，本實(shí)用新型提供一種光纖固體結(jié)合皮秒激光再生放大器。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供一種光纖固體結(jié)合皮秒激光再生放大器，包括：沿光路依次設(shè)置的全光纖鎖模種子源、第一級光纖預(yù)放大器、第二級光纖主放大器和固體再生放大器；

所述全光纖鎖模種子源用于產(chǎn)生種子激光；所述第一級光纖預(yù)放大器用于將所述種子激光功率放大產(chǎn)生第一級放大光，所述第二級光纖主放大器用于將所述第一級放大光功率放大產(chǎn)生第二級放大光，所述固體再生放大器用于將所述第二級放大光再生放大產(chǎn)生毫焦耳量級的再生放大光。

進(jìn)一步的，所述全光纖鎖模種子源包括沿光路設(shè)置的光纖布拉格光柵、第一波分復(fù)用器、增益光纖、分束器和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡，以及通過光纖與所述第一波分復(fù)用器連接的泵浦激光器A；

所述光纖布拉格光柵、所述增益光纖、所述分束器和所述半導(dǎo)體可飽和吸收鏡構(gòu)成線性腔結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生所述種子激光；

所述泵浦激光器A，用于給增益光纖8和第一放大器增益光纖15提供泵浦光。

進(jìn)一步的，所述第一級光纖預(yù)放大器包括沿所述種子激光光路設(shè)置的分束器、帶通濾波器、第二波分復(fù)用器、第一放大器增益光纖和第一單向隔離器，以及設(shè)置在所述分束器上的非保偏輸出端；

所述分束器用于將所述種子激光分成兩路；

在所述非保偏輸出端上設(shè)置有靈敏光電探頭；

所述帶通濾波器用從所述全光纖鎖模種子源中濾出1064nm波長激光；

第一放大器增益光纖用于將所述種子激光功率放大產(chǎn)生第一級放大光。

進(jìn)一步的，所述第二級光纖主放大器包括沿所述第一級放大光光路設(shè)置的合束器、第二放大器增益光纖、第二單向隔離器和輸出端準(zhǔn)直器，以及通過光纖與所述合束器相連接的泵浦激光器B；

所述泵浦激光器B用于給第二放大器增益光纖提供泵浦光；

所述第二放大器增益光纖用于將所述第一級放大光功率進(jìn)行放大產(chǎn)生第二級放大光。

進(jìn)一步的，所述固體再生放大器包括隔離系統(tǒng)和再生放大腔；

所述隔離系統(tǒng)包括沿所述第二級放大光光路設(shè)置的第一偏振片、第一波片、第一法拉第旋轉(zhuǎn)器、輸出全反鏡、第二偏振片、第二波片、第二法拉第旋轉(zhuǎn)器和第一全反鏡；

所述第一偏振片用于將所述第二級放大光變?yōu)镻偏振光；

所述第一波片和第一法拉第旋轉(zhuǎn)器用于阻止放大光返回所述第二級光纖主放大器；

所述第二波片和所述第二法拉第旋轉(zhuǎn)器用于將所述P偏振光變?yōu)镾偏振光；

所述第一全反鏡用于將所述S偏振光導(dǎo)入所述再生放大腔。

進(jìn)一步的，所述再生放大腔包括沿所述第二級放大光光路傳播方向依序設(shè)置的第三偏振片、第三波片、普克爾盒、第一反射鏡、第一45°全反射鏡、第二45°全反鏡(37)、泵浦模塊、第三45°全反鏡和第二反射鏡；

所述第三偏振片用于接收所述S偏振光和導(dǎo)出再生放大光；

所述第三波片和所述普克爾盒構(gòu)成偏振開關(guān)，使所述P偏振光和所述S偏振光相互變換；

所述第一反射鏡和所述第二反射鏡構(gòu)成所述再生放大腔的兩個腔鏡；

所述泵浦模塊用于將第二級放大光在再生放大腔中不斷往返放大得到所述再生放大光。

進(jìn)一步的，所述再生放大腔為折疊腔結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述第二偏振片用于將所述再生放大光反射到所述輸出全反鏡。

優(yōu)選的，所述半導(dǎo)體可飽和吸收鏡封裝于兩個FC/PC跳線之間，并通過法蘭連接。

優(yōu)選的，所述第一級光纖預(yù)放大器和第二級光纖主放大器采用MOPA(主控振蕩器的功率放大器)級聯(lián)放大結(jié)構(gòu)。

在上述技術(shù)方案中，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的光纖固體結(jié)合皮秒激光再生放大器，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、種子源采用全光纖鎖模種子源，通過光纖熔接工藝實(shí)現(xiàn)全光纖化，無需展寬器，直接對振蕩級輸出的種子激光進(jìn)行放大。相比鎖模固體振蕩器和光纖固體混合激光器成本低且易于獲得長期穩(wěn)定的高功率皮秒脈沖激光，具有光束質(zhì)量好、溫度穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單和體積小的優(yōu)點(diǎn)。

2、通過隔離系統(tǒng)控制再生放大光不會沿第二級放大光光路返回，有效的消除了再生放大光對第二級放大光的影響。

3、采用固體再生放大器，與傳統(tǒng)行波放大不同，固體再生放大器本身包含諧振腔，第二級放大光在再生放大腔的兩個腔鏡間往返傳播，結(jié)構(gòu)簡單。通過電光開關(guān)控制往返傳播的次數(shù)來控制放大次數(shù)，將第二級放大光的能量放大10⁶倍甚至更高，且輸出光具有良好的光束質(zhì)量，再生放大腔采用折疊腔結(jié)構(gòu)使得整個系統(tǒng)短小緊湊。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型光纖固體結(jié)合皮秒激光再生放大器的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本實(shí)用新型光纖固體結(jié)合皮秒激光再生放大器的全光纖鎖模種子源、第一級光纖預(yù)放大器以及第二級光纖主放大器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實(shí)用新型光纖固體結(jié)合皮秒激光再生放大器的固體再生放大器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、全光纖鎖模種子源；2、第一級光纖預(yù)放大器；3、第二級光纖主放大器；4、固體再生放大器；5、光纖布拉格光柵；6、泵浦激光器A；7、第一波分復(fù)用器；8、增益光纖；9、分束器；10、SESAM模塊；11、分束器；12、非保偏輸出端；13、帶通濾波器；14、第二波分復(fù)用器；15、第一放大器增益光纖；16、第一單向隔離器；17、泵浦激光器B；18、合束器；19、第二放大器增益光纖；20、第二單向隔離器；21、輸出端準(zhǔn)直器；22、隔離系統(tǒng)；23、再生放大腔；24、第一偏振片；25、第一波片；26、第一法拉第旋轉(zhuǎn)器；27、輸出全反鏡；28、第二偏振片；29、第二波片；30、第二法拉第旋轉(zhuǎn)器；31、33°全反鏡；32、第三偏振片；33、第三波片；34、普克爾盒；35、第一反射鏡；36、第一45°全反鏡；37、第二45°全反鏡；38、泵浦模塊；39、第三45°全反鏡；40、第二反射鏡。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。以下實(shí)施例用于說明本實(shí)用新型，但不能用來限制本實(shí)用新型的范圍。

本實(shí)用新型公開了一種光纖固體結(jié)合皮秒激光再生放大器。

如圖1所示，本實(shí)用新型包括全光纖鎖模種子源1，第一級光纖預(yù)放大器2，第二級光纖主放大器3和固體再生放大器4。全光纖鎖模種子源1用于產(chǎn)生種子激光。第一級光纖預(yù)放大器2用于將種子激光功率放大產(chǎn)生第一級放大光，第二級光纖主放大器3用于將第一級放大光功率放大產(chǎn)生第二級放大光，固體再生放大器4用于將第二級放大光再生放大產(chǎn)生毫焦耳量級的再生放大光。全光纖鎖模種子源1為基于SESAM模塊10的皮秒光纖振蕩器，呈線性腔結(jié)構(gòu)。第一級光纖預(yù)放大器2和第二級光纖主放大器3采用MOPA級聯(lián)放大結(jié)構(gòu)。體積更小、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、光束質(zhì)量高的全光纖鎖模種子源，通過固體再生放大器對鎖模脈沖序列進(jìn)行單選一個脈沖不斷放大，實(shí)現(xiàn)高重復(fù)頻率、單脈沖能量大、高峰值功率等特點(diǎn)的皮秒窄脈沖激光輸出，可用于激光加工和前置放大器。

如圖2所示，全光纖鎖模種子源1包括沿光路設(shè)置的光纖布拉格光柵5、第一波分復(fù)用器7、增益光纖8、分束器9和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡10，以及通過光纖與第一波分復(fù)用器7連接的泵浦激光器A6。光纖布拉格光柵5、增益光纖8、分束器9和半導(dǎo)體可飽和吸收鏡10構(gòu)成線性腔結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生種子激光。泵浦激光器A6，用于給增益光纖8和第一放大器增益光纖15提供泵浦光，增益光纖8為單包層摻鐿光纖。

第一級光纖預(yù)放大器2包括沿種子激光光路設(shè)置的分束器11、帶通濾波器13、第二波分復(fù)用器14、第一放大器增益光纖15和第一單向隔離器16，以及設(shè)置在分束器11上的非保偏輸出端12。分束器11用于將種子激光分成兩路；在非保偏輸出端12上設(shè)置有靈敏光電探頭。帶通濾波器13用于將種子激光濾出1064nm波長激光。第一放大器增益光纖15用于將種子激光功率放大產(chǎn)生第一級放大光。

第二級光纖主放大器3包括沿第一級放大光光路設(shè)置的合束器18、第二放大器增益光纖19、第二單向隔離器20和輸出端準(zhǔn)直器21，以及通過光纖與合束器18相連接的泵浦激光器B17，泵浦激光器B17用于給增益光纖18提供泵浦光。第二放大器增益光纖19用于將第一級放大光功率進(jìn)行放大產(chǎn)生第二級放大光。第二放大器增益光纖19為大模場雙包層摻鐿光纖。

泵浦激光器6通過第一波分復(fù)用器7注入泵浦光，在光纖布拉格光柵5、增益光纖8、分束器9、SESAM模塊10構(gòu)成的線性腔中產(chǎn)生種子激光。種子激光在此諧振腔內(nèi)來回振蕩，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)鎖模。半導(dǎo)體可飽和吸收鏡10封裝于兩個FC/PC跳線之間，通過法蘭進(jìn)行連接，該封裝方式是一種自主研制的封裝方式，此種封裝方式已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將其熔接到諧振腔中可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)鎖模。光纖放大部分包括兩級纖芯直徑逐級遞增的增益光纖，本實(shí)施例中選擇兩級MOPA級聯(lián)放大技術(shù)，包括沿光路依次設(shè)置的第一級光纖預(yù)放大器2、第二級光纖主放大器3。第一級光纖預(yù)放大器2與全光纖鎖模種子源1共用泵浦激光器6。第一級光纖預(yù)放大器2的第一放大器增益光纖15為單包層摻鐿光纖，第二級光纖主放大器3的第二放大器增益光纖19為大芯徑大模場雙包層摻鐿光纖。經(jīng)過第一級光纖預(yù)放大器2后，種子激光在第二級光纖主放大器3最終被放大到400mW。第一單向隔離器16和第二單向隔離器20可以防止放大光沿光路返回。第二級放大光通過輸出端準(zhǔn)直器21后輸出光斑直徑為2mm。

如圖3所示，固體再生放大器4包括隔離系統(tǒng)22和再生放大腔23。隔離系統(tǒng)22包括沿第二級放大光光路設(shè)置的第一偏振片24、第一波片25、第一法拉第旋轉(zhuǎn)器26、輸出全反鏡27、第二偏振片28、第二波片29、第二法拉第旋轉(zhuǎn)器30和33°全反鏡31。第二偏振片28用于將再生放大光反射到輸出全反鏡27。第一偏振片24和第二偏振片28對激光P偏振光高透過率而對激光S偏振光高反射率且以布儒斯特角并呈倒八字形擺放，第二偏振片28為激光輸出端口，放置輸出全反鏡27。再生放大腔23為腔長1.5m的折疊腔結(jié)構(gòu)。

第一偏振片24用于將第二級放大光變?yōu)镻偏振光。第一波片25和第一法拉第旋轉(zhuǎn)器26用于阻止再生放大光返回第二級光纖主放大器3。第二波片29和第二法拉第旋轉(zhuǎn)器30用于將P偏振光變?yōu)镾偏振光；33°全反鏡31用于將S偏振光導(dǎo)入再生放大腔23。

再生放大腔23包括沿第二級放大光光路傳播方向依序設(shè)置的第三偏振片32、第三波片33、普克爾盒34、第一反射鏡35、第一45°全反射鏡36、第二45°全反鏡37、泵浦模塊38、第三45°全反鏡39和第二反射鏡40。第三偏振片32用于接收S偏振光以及導(dǎo)出再生放大光；第三波片33和普克爾盒34構(gòu)成偏振開關(guān)，使P偏振光和S偏振光相互變換；第一反射鏡35和第二反射鏡40構(gòu)成再生放大腔23的兩個腔鏡；泵浦模塊38使第二級放大光在再生放大腔中不斷放大得到再生放大光，再生放大腔23為折疊腔結(jié)構(gòu)。

輸出的第二級放大光通過隔離系統(tǒng)22的第一偏振片23產(chǎn)生P偏振光，其偏振態(tài)經(jīng)過第一波片25旋轉(zhuǎn)45°和第一法拉第旋轉(zhuǎn)器26提供的反向旋轉(zhuǎn)45°后仍為P偏振光。P偏振光經(jīng)過第二偏振片，繼續(xù)正向通過第二波片29和第二法拉第旋轉(zhuǎn)器30各提供的45°偏振旋轉(zhuǎn)，變?yōu)镾偏振光。再經(jīng)過33°全反鏡31反射后注入再生放大腔23。對于放大后的激光仍為S偏振光，從再生放大腔23出射到第一全反鏡36，經(jīng)過第二法拉第旋轉(zhuǎn)器30提供的45°偏振旋轉(zhuǎn)被第二波片29所抵消，不改變偏振方向，因此被第二偏振片28反射到輸出全反鏡27輸出。剩余的P偏振光透射第二偏振片28，通過第一法拉第旋轉(zhuǎn)器26和第一波片25各提供的45°偏振旋轉(zhuǎn)變?yōu)镾偏振光，被第一偏振片24反射出系統(tǒng)，阻止了再生放大光返回第二級光纖主放大器，實(shí)現(xiàn)隔離作用。

當(dāng)普克爾盒38處于無電壓差狀態(tài)時，不提供相位延遲，第二級放大光兩次通過第三波片33變?yōu)镻偏振態(tài)后通過第三偏振片32，經(jīng)過泵浦模塊38時得到放大，再兩次經(jīng)過第三波片33后變?yōu)镾偏振態(tài)，最終被第三偏振片32反出，因此第二級放大光只能在再生放大腔23內(nèi)震蕩一次。當(dāng)?shù)诙壏糯蠊馕恢锰幱诘诙魏偷谌谓?jīng)過普克爾盒34之間，此時給普克爾盒34施加λ/4電壓，通過第三偏振片32的第二級放大光被捕獲。此時普克爾盒34和第三波片33構(gòu)成一個半波片，隨后而來的第二級放大光兩次經(jīng)過這個復(fù)合半波片后不改變偏振態(tài)而直接被第三偏振片32反出。被捕獲的第二級放大光在再生放大腔23內(nèi)多次往返通過增益介質(zhì)后得到放大。通過在非保偏輸出端12放置靈敏光電探頭，接收鎖模種子激光脈沖，轉(zhuǎn)化為電信號后提供給普克爾盒34的高壓驅(qū)動源作為其時鐘頻率。當(dāng)?shù)谝环瓷溏R35后監(jiān)視到的脈沖被放大到最大能量時，普克爾盒34兩端電壓降到零，放大脈沖兩次經(jīng)過第三波片33時變?yōu)镾偏振光而被再生放大腔23輸出。實(shí)現(xiàn)了腔內(nèi)單選一個脈沖再生放大技術(shù)。設(shè)定普克爾盒34上高壓開啟的重復(fù)頻率為1KHz，則最后固體再生放大器4輸出重復(fù)頻率為1KHz的皮秒激光脈沖。

本實(shí)用新型中，第一波片25和第二波片29均為λ/2波片，第三波片33為λ/4波片。泵浦模塊為連續(xù)Nd:YAG側(cè)面泵浦模塊，泵浦模塊38放置在再生放大腔32中間。

以上僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選并不用于限制本實(shí)用新型，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本實(shí)用新型可以有各種更改和變化。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。