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CN112636140B - 一种功率、脉宽同时锁定飞秒激光器 - Google Patents

一种功率、脉宽同时锁定飞秒激光器 Download PDF

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CN112636140B CN202011502528.0A CN202011502528A CN112636140B CN 112636140 B CN112636140 B CN 112636140B CN 202011502528 A CN202011502528 A CN 202011502528A CN 112636140 B CN112636140 B CN 112636140B
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Abstract

本发明提供一种功率、脉宽同时锁定飞秒激光器，包括锁模种子源、脉冲展宽器、脉冲放大器、脉冲压缩器、第一分光器、第二分光器、倍频系统、第一功率探测器、第二功率探测器和控制系统，第一功率探测器、第二功率探测器、脉冲放大器和脉冲压缩器均与控制系统连接，第一功率探测器探测经第二分光器反射的激光的第一输出功率，并转换为第一电信号后传输给控制系统，第二功率探测器探测从倍频系统出射的激光的第二输出功率并转换为第二电信号后传输给控制系统，从倍频系统出射的激光的第二输出功率与激光器的脉冲宽度成反比关系，控制系统根据接收到的电信号调节脉冲放大器的增益和脉冲压缩器的色散量，以使激光器功率、脉宽同时锁定。

Description

一种功率、脉宽同时锁定飞秒激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种功率、脉宽同时锁定飞秒激光器。
背景技术
飞秒激光器由于具有极高峰值功率、超短脉冲宽度等特性，在微精密加工领域具有重要的应用前景。与纳秒和皮秒激光加工相比，飞秒激光加工具有精度高、热影响区域小、边缘无毛刺等优点。目前实现飞秒脉冲输出主要有主动锁模与被动锁模两种方式，但是这两种方式输出的脉冲能量普遍都比较低，为了实现高能量飞秒脉冲，通常采用脉冲啁啾放大技术(CPA)，即先利用脉冲展宽器将锁模种子脉冲宽度展宽至百皮秒甚至纳秒量级，然后利用脉冲放大器对展宽后的脉冲进行放大，最后利用脉冲压缩器将放大后的脉冲压缩到飞秒量级。在CPA技术提出之后的30年时间里，激光的峰值功率提高了近10个量级，激光装置的体积与成本也大大降低，使高功率、高能量飞秒激光广泛应用于各行各业。
CPA系统虽然能实现高功率、高能量脉冲，但是由于脉冲展宽器与脉冲压缩器容易受环境温度、外部压力甚至空气湿度等的影响，进而导致激光器输出脉宽不稳定，这非常不利于一些对脉宽稳定性要求高的应用场合，例如:飞秒脉冲超快动力学的研究，对脉冲时域宽度要求极高，如果脉宽不稳定，会影响它的时间分辨率。通常，为了稳定CPA系统的脉宽，首先需要搭建一套脉宽测量系统，然后根据脉宽的变化对脉冲压缩器进行调节，从而实现激光器脉宽的稳定。常用的飞秒脉宽测量方法主要有:自相关法、频率分辨光学开关法(FROG)以及自参考光谱相位相干电场重构法(SPIDER)，它们都是基于自相关的脉冲测量技术来测量脉宽，该技术主要包括光学延时、倍频以及光谱探测等部分，结构复杂，反应迟缓，很难集成到激光器设备中。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种功率、脉宽同时锁定飞秒激光器，基于飞秒激光器倍频效率与脉宽之间成反比关系，通过对倍频系统前后的输出光功率进行探测，利用自适应双重功率锁定算法，通过控制系统实现了飞秒激光器功率与脉宽同时锁定。
本发明提供一种功率、脉宽同时锁定飞秒激光器，包括沿光路方向依次设置的锁模种子源、脉冲展宽器、脉冲放大器、脉冲压缩器、第一分光器、第二分光器和倍频系统，还包括第一功率探测器、第二功率探测器和控制系统，所述第一功率探测器位于第二分光器的反射光的出光方向上，所述第二功率探测器位于倍频系统的出光方向上，所述第一功率探测器、第二功率探测器、脉冲放大器和脉冲压缩器均与控制系统连接，所述第一功率探测器探测经第二分光器反射的激光的第一输出功率，并将所述第一输出功率信号转换为第一电信号后传输给控制系统，所述第二功率探测器探测从倍频系统出射的激光的第二输出功率，并将所述第二输出功率信号转换为第二电信号后传输给控制系统，从所述倍频系统出射的激光的第二输出功率与激光器的脉冲宽度成反比关系，所述控制系统根据接收到的第一电信号和第二电信号调节脉冲放大器的增益和脉冲压缩器的色散量，以使激光器功率、脉宽同时锁定。
进一步地，所述控制系统包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述第一输入端与第一功率探测器连接，所述第二输入端与第二功率探测器连接，所述第一输出端与脉冲放大器连接，所述第二输出端与脉冲压缩器连接。
进一步地，所述控制系统通过调节脉冲放大器的泵浦功率实现调节脉冲放大器的增益。
进一步地，所述脉冲压缩器为透射光栅对组成的Treacy结构脉冲压缩器，所述控制系统通过调节透射光栅对之间的距离实现调节脉冲压缩器的色散量。
进一步地，所述控制系统每隔时间t检测一次第一输入端和第二输入端的信号变化情况，其中，时间t的取值为1～10ms。
进一步地，所述控制系统检测到只有第一输入端的第一电信号发生变化时，此时判定激光器功率、脉宽同时抖动，其先通过第一输出端发出信号每隔时间t增加或者减少脉冲放大器的泵浦电流，调节脉冲放大器的增益使第一输入端的第一电信号保持恒定，再通过第二输出端发出信号每隔时间t增加或者减少脉冲压缩器内光栅对之间的距离，调节脉冲压缩器的色散量使第二输入端的第二电信号保持恒定。
进一步地，所述控制系统检测到只有第二输入端的第二电信号发生变化时，此时判定激光器功率不抖动、脉宽抖动，其通过第二输出端发送信号每隔时间t增加或者减少脉冲压缩器内光栅对之间的距离，调节脉冲压缩器的色散量使第二输入端的第二电信号保持恒定。
进一步地，所述控制系统检测到第一输入端的第一电信号与第二输入端的第二电信号同时发生变化时，此时判定激光器功率抖动、脉宽不抖动或者激光器功率、脉宽同时抖动，其先通过第一输出端发送信号每隔时间t增加或者减少脉冲放大器的泵浦电流，调节脉冲放大器的增益使第一电信号保持恒定：若第二输入端的第二电信号不发生变化，则判定激光器功率抖动、脉宽不抖动，不对脉冲压缩器进行调节；若第二输入端的第二电信号发生变化，则判定激光器功率、脉宽同时抖动，向脉冲压缩器发送信号每隔时间t增加或者减少脉冲压缩器内光栅对之间的距离，调节脉冲压缩器的色散量使第二电信号保持恒定。
进一步地，上述技术方案中，所述的调节脉冲放大器增益可以实现飞秒激光器功率锁定，也可以通过调节锁模种子源输出功率来实现飞秒激光器功率锁定。
进一步地，还可以通过调节锁模种子源腔内色散量来实现飞秒激光器脉宽锁定。
进一步地，所述脉冲展宽器为啁啾光纤光栅，还可以通过调节脉冲展宽器的色散来实现飞秒激光器脉宽锁定，也即调节啁啾光纤光栅的温度、压力或者拉力。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明提供的飞秒激光器结构简单，成本低，所有器件均为光学领域常用器件，非常易于设备的集成化，本发明提供的飞秒激光器通过控制系统检测进入倍频系统前后的激光的输出功率，利用自适应双重功率锁定算法，根据控制系统输入信号的变化调节脉冲放大器的增益或者脉冲压缩器的色散量以实现飞秒激光器输出功率、脉宽同时锁定，从而实现飞秒激光器输出功率以及脉宽的长期稳定，在精密制造领域有重要应用。
附图说明
图1为本发明中一种功率、脉宽同时锁定飞秒激光器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种功率、脉宽同时锁定飞秒激光器，包括锁模种子源1、脉冲展宽器2、脉冲放大器3、脉冲压缩器4、第一分光器5、第二分光器6、倍频系统7、第一功率探测器8、第二功率探测器9和控制系统10，其中锁模种子源1、脉冲展宽器2、脉冲放大器3、脉冲压缩器4、第一分光器5、第二分光器6、倍频系统7沿着激光的光路方向自左至右依次设置，第一功率探测器8位于第二分光器6的反射光的出光方向上，倍频系统7位于第二分光器6的透射光的出光方向上，第二功率探测器9位于倍频系统7的出光方向上，锁模种子源1、脉冲展宽器2和脉冲放大器3通过全光纤依次连接。
控制系统10为微控制器(MCU)，其包括第一输入端101、第二输入端102、第一输出端103和第二输出端104，第一输入端101与第一功率探测器8连接，第二输入端102与第二功率探测器9连接，第一输出端103与脉冲放大器3连接，第二输出端104与脉冲压缩器4连接。
本实施例中，锁模种子源1为全光纤锁模种子源，产生皮秒或者飞秒脉冲种子光，其通过主动锁模或者被动锁模的方式实现毫瓦量级飞秒脉冲输出。
脉冲展宽器2为啁啾光纤光栅，将锁模种子源1输出脉宽展宽至百皮秒或者纳秒量级。
脉冲放大器3为全光纤放大器，其对从脉冲展宽器2输出的激光进行放大，通过改变泵浦输出功率来实现调节脉冲放大器3的增益。
脉冲压缩器4为透射光栅对组成的Treacy(衍射光栅)结构脉冲压缩器，其将从脉冲放大器3输出的激光的光脉宽压缩到飞秒量级，脉冲压缩器4的压缩效率可以高达80％，通过改变光栅对之间的距离可以调节脉冲压缩器4的色散量；脉冲展宽器2、脉冲放大器3和脉冲压缩器4组合对锁模种子源1进行放大，实现高功率飞秒输出。
第一分光器5和第二分光器6均反射部分激光，第一分光器5将压缩后的激光分成1:99两部分，99％的激光作为激光器输出光，1％的激光输入第二分光器6；第二分光器6将输入光分成50:50两部分，其中50％的激光输入第一功率探测器8，另外50％的激光输入倍频系统7后输入第二功率探测器9。
倍频系统7为二倍频系统或三倍频系统。
第一功率探测器8探测经第二分光器6反射的激光的第一输出功率，并将探测到的第一输出功率信号转换为第一电信号后通过第一输入端101传输给控制系统10。
第二功率探测器9探测从倍频系统7出射的激光的第二输出功率，并将探测到的第二输出功率信号转换为第二电信号后通过第二输入端102传输给控制系统10。
本实施例提供的飞秒激光器的激光光路过程为：锁模种子源1发出的低功率飞秒激光依次经脉冲展宽器2、脉冲放大器3、脉冲压缩器4放大后输出高功率飞秒激光，高功率飞秒激光传输至第一分光器5，99％的高功率飞秒激光经第一分光器5反射后作为激光器输出光，1％的高功率飞秒激光经第一分光器5透射后传输至第二分光器6，到达第二分光器6的高功率飞秒激光，其中50％的高功率飞秒激光经第二分光器反射后输入第一功率探测器8，另外50％的高功率飞秒激光输入倍频系统7后输入第二功率探测器9。
当激光器的输出功率或者脉宽发生变化，控制系统10根据接收到的信号调节脉冲放大器3的增益或者脉冲压缩器4的色散量，从而实现飞秒激光器输出功率、脉宽同时锁定，其具体控制过程为：控制系统10每隔10ms检测一次第一输入端101和第二输入端102的信号变化情况：
1、当只有第一输入端101的第一电信号发生变化且变化量大于0.5％时，此时判定激光器功率、脉宽同时抖动，控制系统10先通过第一输出端103发出信号每隔10ms增加或者减少脉冲放大器3的泵浦电流1mA，调节脉冲放大器3的增益使第一输入端101的第一电信号抖动小于1％，再通过第二输出端104发出信号每隔10ms增加或者减少脉冲压缩器4内光栅对之间的距离0.1μm，调节脉冲压缩器4的色散量使第二输入端102的第二电信号抖动小于1％，锁定后激光器功率抖动小于1％，脉宽抖动小于1fs；
2、当只有第二输入端102的第二电信号发生变化且变化量大于0.5％时，此时判定激光器功率不抖动、脉宽抖动，控制系统10通过第二输出端104发送信号每隔10ms增加或者减少脉冲压缩器4内光栅对之间的距离0.1μm，调节脉冲压缩器4的色散量使第二输入端102的第二电信号抖动小于1％，锁定后激光器功率抖动小于1％，脉宽抖动小于1fs；
3、当第一输入端101的第一电信号与第二输入端102的第二电信号同时发生变化且变化量大于0.5％时，此时判定激光器功率抖动、脉宽不抖动或者激光器功率、脉宽同时抖动，控制系统10先通过第一输出端103发送信号每隔10ms增加或者减少脉冲放大器3的泵浦电流1mA，调节脉冲放大器3的增益使第一输入端101信号抖动小于1％；如果第二输入端102的第二电信号不发生变化，则判定激光器功率抖动、脉宽不抖动，不需要对脉冲压缩器4进行调节；如果第二输入端102的第二电信号抖动大于0.5％时，则判定激光器功率、脉宽同时抖动，还需要向脉冲压缩器4发送信号每隔10ms增加或者减少脉冲压缩器4内光栅对之间的距离0.1μm，调节脉冲压缩器4的色散量使第二输入端102的第二电信号抖动小于1％，锁定后激光器功率抖动小于1％，脉宽抖动小于1fs。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种功率、脉宽同时锁定的飞秒激光器，其特征在于：包括沿光路方向依次设置的锁模种子源、脉冲展宽器、脉冲放大器、脉冲压缩器、第一分光器、第二分光器和倍频系统，还包括第一功率探测器、第二功率探测器和控制系统，所述第一功率探测器位于第二分光器的反射光的出光方向上，所述第二功率探测器位于倍频系统的出光方向上，所述第一功率探测器、第二功率探测器、脉冲放大器和脉冲压缩器均与控制系统连接，所述第一功率探测器探测经第二分光器反射的激光的第一输出功率，并将所述第一输出功率的信号转换为第一电信号后传输给控制系统，所述第二功率探测器探测从倍频系统出射的激光的第二输出功率，并将所述第二输出功率的信号转换为第二电信号后传输给控制系统，从所述倍频系统出射的激光的第二输出功率与激光器的脉冲宽度成反比关系，所述控制系统根据接收到的第一电信号和第二电信号调节脉冲放大器的增益和脉冲压缩器的色散量，以使激光器功率、脉宽同时锁定；当只有第一电信号发生变化且变化量大于0.5％时，判定激光器功率、脉宽同时抖动；当只有第二电信号发生变化且变化量大于0.5％时，判定激光器功率不抖动、脉宽抖动；当第一电信号与第二电信号同时发生变化且变化量大于0.5％时，判定激光器功率抖动、脉宽不抖动或者激光器功率、脉宽同时抖动。
2.根据权利要求1所述的功率、脉宽同时锁定的飞秒激光器，其特征在于：所述控制系统包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述第一输入端与第一功率探测器连接，所述第二输入端与第二功率探测器连接，所述第一输出端与脉冲放大器连接，所述第二输出端与脉冲压缩器连接。
3.根据权利要求1所述的功率、脉宽同时锁定的飞秒激光器，其特征在于：所述控制系统通过调节脉冲放大器的泵浦功率实现调节脉冲放大器的增益。
4.根据权利要求1所述的功率、脉宽同时锁定的飞秒激光器，其特征在于：所述脉冲压缩器为透射光栅对组成的Treacy结构脉冲压缩器，所述控制系统通过调节透射光栅对之间的距离实现调节脉冲压缩器的色散量。
5.根据权利要求1所述的功率、脉宽同时锁定的飞秒激光器，其特征在于：所述控制系统每隔1～10ms检测一次第一输入端和第二输入端的信号变化情况。
6.根据权利要求5所述的功率、脉宽同时锁定的飞秒激光器，其特征在于：所述控制系统检测到只有第一输入端的第一电信号发生变化时，其先通过第一输出端发出信号调节脉冲放大器的增益使第一输入端的第一电信号保持恒定，再通过第二输出端发出信号调节脉冲压缩器的色散量使第二输入端的第二电信号保持恒定。
7.根据权利要求5所述的功率、脉宽同时锁定的飞秒激光器，其特征在于：所述控制系统检测到只有第二输入端的第二电信号发生变化时，其通过第二输出端发送信号调节脉冲压缩器的色散量使第二输入端的第二电信号保持恒定。
8.根据权利要求5所述的功率、脉宽同时锁定的飞秒激光器，其特征在于：所述控制系统检测到第一输入端的第一电信号与第二输入端的第二电信号同时发生变化时，其先通过第一输出端发送信号调节脉冲放大器的增益使第一电信号保持恒定：若第二输入端的第二电信号不发生变化，则不对脉冲压缩器进行调节；若第二输入端的第二电信号发生变化，则向脉冲压缩器发送信号调节色散量使第二电信号保持恒定。
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