CN104317136A - 皮秒和光秒脉冲激光输出切换装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

皮秒和飞秒脉冲激光输出切换装置及其控制方法，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，折光镜包括高反镜，用于将光路切换至两个不同的输出端口；其中一个端口顺次连接脉冲压缩器和飞秒倍频器；而另一端口连接皮秒倍频器，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，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。该输出切换装置及其控制方法实现窄带皮秒或宽带飞秒激光的快速切换输出。

Description

皮秒和光秒脉冲激光输出切换装置及其控制方法

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

1.本发明采用一台激光系统即可实现高功率窄带皮秒或宽带飞秒激光输出，且结构简单，制造成本小。采用电路驱动、可调滤波器及光路控制即可实现高功率窄带皮秒或宽带飞秒激光输出的切换。

2.采用电控驱动可调滤波器以及电控折光镜，光路切换速度快，不仅控制精度高、而且简单易行，可有效降低双路激光输出系统的制造成本。

3.分别采用两块倍频晶体有利于提高激光的倍频效率。飞秒倍频器中采用较短的倍频晶体，有利于宽带光谱的飞秒激光倍频。皮秒倍频器中采用较长的倍频晶体，有利于窄带光谱的皮秒激光倍频。

附图说明

图1是本发明的皮秒和光秒脉冲激光输出切换装置的总体结构示意图；

图2是皮秒激光振荡器输出的激光光谱，其示出了光谱边缘及光谱中心的位置；

图3a示出了电控可调滤波器选取出皮秒激光振荡器的中心光谱的脉冲宽度，图3b示出了经放大后的宽带光谱皮秒脉冲的光谱形状；

图4a示出了电控可调滤波器选取出皮秒激光振荡器的边缘光谱的脉冲宽度，图4b示出了经放大后的窄带光谱皮秒脉冲的光谱形状；

图5是光纤预放大器的示意图；

图6是光纤主放大器的示意图；以及

图7是电控折光镜的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，以1μm波段的掺镱光纤激光为例，对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解，下面描述的实施例仅是对本发明的示例性说明，而非用于对其作出任何限制。在所有附图中，相同的附图标记表示相同或相似的部件。

如图1所示，该装置包括沿光路顺次设置的光源L、皮秒激光振荡器100、可调滤波器200、光纤放大器、折光镜500、脉冲压缩器600、飞秒倍频器800、皮秒倍频器700以及与电动可调滤波器200和折光镜500连接的飞秒/皮秒切换驱动器900。

具体地，光源L均采用1μm波段适用的光学器件及光纤。

皮秒激光振荡器100用于输出光谱，并优选为非线性偏振旋转锁模的全正色散光纤激光器，其可为全光纤结构，也可为半空间半光纤结构。典型重复频率为60MHz，平均功率20mW，脉冲宽度为10ps。皮秒激光振荡器100典型的光谱范围如图2所示，覆盖1025-1035nm，光谱宽度Δλ＝10nm。该类型光纤激光器环路内部皆由正色散光纤构成，由于自相位调制的作用使该脉冲中心附近较大范围的啁啾为线性且是正的，即输出脉冲的频率分布随着时间的增加而增加(上啁啾)。而脉冲两边的频谱变化较小。因此，皮秒激光振荡器100输出光谱中不同位置的光谱成分具有不同的脉冲宽度，光谱中心(如图2中右侧的虚线椭圆所示)的脉冲宽度较小，光谱两边(如图2中左侧的虚线椭圆所示)的脉冲宽度较大的特点。

电动可调滤波器200用于选取皮秒激光振荡器100输出光谱中不同波长的光谱成分，其可以为基于F-P腔的可调滤波器(调节腔长选波长)，或者是光栅结构的滤波器(调节光栅与入射光夹角选波长)，也可为干涉滤光片结构的滤波器(调节滤光片与入射光夹角选波长)。该电控可调滤波器200皆为光纤耦合方式。

皮秒激光振荡器100输出光谱由电动可调滤波器200进行光谱选取，滤波范围大于10nm(覆盖皮秒激光振荡器100输出光谱)；滤波带宽小于皮秒激光振荡器100光谱宽度的十分之一，即小于Δλ/10(<1nm)。

光纤放大器用于将电动可调滤波器200滤波后的脉冲的平均功率提升，其包括光纤预放大器300和光纤主放大器400。当电控可调滤波器200选取皮秒激光振荡器100输出光谱中心部分时，即滤波后的脉冲宽度较小，约为1-2ps，如图3a所示。经由光纤预放大器300及光纤主放大器400放大过程中，将产生明显的非线性光谱展宽，随着放大激光功率的提升，光谱宽度不断加宽，其光谱宽度达到甚至超过皮秒激光振荡器100的光谱宽度，超过10nm，如图3b所示。当电控可调滤波器200选取皮秒激光振荡器100输出光谱边缘部分时，即滤波后的脉冲宽度较大，约为10-30ps，如图4a所示。经由光纤预放大器300及光纤主放大器400放大过程中，光谱宽度将保持不变，如图4b所示。因此，即通过电控可调滤波器200选取皮秒激光振荡器100不同位置的光谱时，在经过光纤放大，即可得到宽带光谱的皮秒激光，也可得到窄带光谱的皮秒激光。

光纤预放大器300为纤芯泵浦的放大器，用于将皮秒激光振荡器100的平均功率从20mW提升至200mW。如图5所示，光纤预放大器300由激光隔离器301、单模光纤耦合的泵浦源302、波分复用器303以及增益光纤304组成。

光纤主放大器400为包层泵浦的光纤放大器，用于将200mW的功率提升至超过10W。如图6所示，光纤主放大器400由激光隔离器401、光纤合束器402、第一多模光纤耦合泵浦源403、第二多模光纤耦合泵浦源404、增益光纤405以及输出耦合器406组成。

折光镜500与光纤主放大器400的输出端连接。如图所示，电控折光镜500内含有一个高反镜501。当电动可调滤波器200选取皮秒激光振荡器100输出光谱边缘部分时，即滤波后的脉冲宽度较大，为窄带光谱皮秒脉冲输出，同时，通过飞秒/皮秒切换驱动器900驱动高反镜501保持在使窄带光谱皮秒脉冲无偏折地通过电控折光镜500后径直进入皮秒倍频器700的初始位置A处。当电动可调滤波器200选取皮秒激光振荡器100输出光谱中心部分时，即滤波后的脉冲宽度较小，为窄带光谱皮秒脉冲输出，同时，通过飞秒/皮秒切换驱动器900驱动高反镜501转动到另一位置B处，使宽带光谱皮秒脉冲产生90度的偏折，进入脉冲压缩器600及飞秒倍频器800，实现宽带飞秒脉冲输出。

脉冲压缩器600可由一对反射式光栅或者一对透射式光栅及一面反射镜构成，用于将宽带光谱的皮秒脉冲压缩至飞秒脉冲。

飞秒倍频器800采用倍频晶体将宽带飞秒脉冲倍频至更短波长，产生二次谐波或三次谐波。皮秒倍频器700采用倍频晶体将窄带皮秒脉冲倍频至更短波长，产生二次谐波或三次谐波。飞秒倍频器800中采用的倍频晶体相比皮秒倍频器700中采用的倍频晶体的长度较短，有利于宽带光谱的飞秒激光倍频。飞秒倍频器800中采用的倍频晶体相比皮秒倍频器700中采用的倍频晶体的长度较长，有利于窄带光谱的皮秒激光倍频。

倍频晶体可以为BBO、PPLN、KTP、PPKTP等。

需要说明的是，在该实施例中，可调滤波器200和折光镜500都是电控的，以使得光路切换速度快，该控制方式不仅控制精度高、而且简单易行，可有效降低双路激光输出装置的制造成本。然而，本领域技术人员应当理解，可调滤波器200和折光镜500也可采用其它的控制方式。同样地，在该实施例中，可调滤波器200和折光镜500由飞秒/皮秒切换驱动器900驱动，然而，本领域技术人员应当理解，可调滤波器200和折光镜500也可采用其它方式控制，例如手动操作。

本发明还提供了一种对于上述皮秒脉冲激光或飞秒脉冲激光的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，调整电动可调滤波器200，使其选取皮秒激光振荡器100输出光谱边缘部分，同时将高反镜501的位置调整至光谱皮秒脉冲无偏折地通过折光镜501后进入皮秒倍频器700的位置；

S2:当需要输出飞秒脉冲激光时，调整电动可调滤波器200，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501的位置调整至光谱皮秒脉冲产生90度的偏折后进入脉冲压缩器600及飞秒倍频器800的位置。

进一步地，该方法还包括以下步骤：通过飞秒/皮秒切换控制器900控制电动可调滤波器200和折光镜500的调整。

上面描述的以及图中所示出的皮秒脉冲激光或飞秒脉冲激光的输出切换装置的构造都仅仅是示例性的，在本发明的教导下，本领域普通技术人员能够进行各种改变或变型，所有这些变型都不脱离由权利要求书所限定的本发明的范围。

Claims (10)

1.一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。

2.根据权利要求1所述的输出切换装置，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。

3.根据权利要求2所述的输出切换装置，其中可调滤波器和折光镜都是电控的。

4.根据权利要求2所述的输出切换装置，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。

5.根据权利要求2所述的输出切换装置，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。

6.根据权利要求2所述的输出切换装置，其中光纤放大器包括光纤预放大器以及光纤主放大器。

7.根据权利要求6所述的输出切换装置，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。

8.根据权利要求6所述的输出切换装置，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。

9.一种权利要求1-8中任一项所述的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。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其中还包括以下步骤：

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。