一种激光器的制作方法

本申请属于激光器技术领域，更具体地说，是涉及一种激光器。

背景技术：

在激光技术领域中，超快激光器是指输出脉冲宽度在皮秒或者小于皮秒量级的脉冲激光器，而该超快激光器在精密微加工、生物医疗及科研等领域有着广泛应用。通常，全光纤高功率大脉冲能量的超快脉冲激光器一般采用超快种子源加上光纤放大级的mopa(masteroscillatorpower-amplifier，主控振荡器的功率放大器)结构。其中，超快种子源的质量直接决定激光放大系统最终输出的质量，而超快种子源的产生常用被动锁模方案。被动锁模方案一般包括饱和吸收体被动锁模方案(半导体饱和吸收体sesam、石墨烯、拓扑绝缘体以及黑鳞等)、非线性偏振旋转方案(nonlinearpolarizationrotation，npr)以及非线性放大环形镜(nonlinearamplifiedloopmirror，nalm)方案等。虽然在超快激光器的设计方案中，这种被动锁模方案具有脉冲宽度窄，稳定性高及全光纤结构等优点，但其缺点是脉宽不能灵活调节，而若要达到调节脉宽的需求，就需要在后级放大过程中调节色散，进而增加结构复杂性和成本。

针对此问题，为实现脉冲可调，业内通常采用电调、增益开关等主动调制方式。在这种主动调制方案中，激光脉冲和频率均由电路控制，虽然可以实现脉宽灵活调节且还具有稳定性高和响应快的特点，但是这种方式难以获得50ps以下的激光脉冲，不利于将激光器应用于工业冷加工。此外，除了主动调制方案外，还可以通过某些技术手段来改变腔内的色散元件而实现脉宽可调。而这种改变腔内色散元件如光子晶体光纤、色散光纤光栅、炭纳米管的色散特性以实现脉宽可调的方式，往往是通过温度或者应力的变化来实现，存在稳定性较差，可调范围较窄，可重复性较差和响应时间较长等问题。例如，业内有人提出利用对石墨烯啁啾布拉格光栅的反射带宽进行光控调节，而实现脉宽可调激光的输出，具有调节精度高，调节范围宽和响应时间短等优点。但实际上，由于石墨烯的敏感性以及长期稳定性不高，导致这种技术难以在工业中应用。

因此，提供一种脉宽可调、调节范围较宽、响应时间较短、稳定性较好且能确实满足工业应用需求的超快激光器就成了业内亟待解决的问题。

技术实现要素：

本申请实施例的目的在于提供一种激光器，以解决现有技术中存在的超快激光器的脉宽无法灵活调节的技术问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：提供一种激光器，包括：

泵浦光源，

封装单元，用于产生脉冲光束；

色散调节单元，色散调节单元包括衍射光栅、平移屋脊棱镜、全反射镜以及移动机构，平移屋脊棱镜安装在移动机构上；以及，

光路传播组件，光路传播组件位于封装单元与色散调节单元之间的光路上；

其中，泵浦光源射出的入射光束经光路传播组件产生连续光束并进入封装单元，封装单元将连续光束转换为脉冲光束；脉冲光束经过光路传播组件进入色散调节单元中，脉冲光束射入衍射光栅形成第一衍射光束，第一衍射光束经平移屋脊棱镜反射平移预设距离后，再次射入衍射光栅形成射向全反射镜的第二衍射光束；第二衍射光束经全反射镜全反射后沿原路返回，并再次经过衍射光栅的两次衍射后耦合进入光路传播组件，以对外输出经色散调节后的脉冲光束；移动机构可带动平移屋脊棱镜沿第一衍射光束所在方向移动。

可选地，光路传播组件包括沿光路连接的第一保偏准直器和第二保偏准直器，封装单元与第一保偏准直器空间耦合，色散调节单元与第二保偏准直器空间耦合。

可选地，封装单元包括可饱和吸收体、固定套筒以及聚焦透镜；

固定套筒具有安装腔，第一保偏准直器的耦合端伸入固定套筒中，可饱和吸收体安装在安装腔的内壁上，且可饱和吸收体与第一保偏准直器相对间隔设置；聚焦透镜内置于安装腔中，并位于可饱和吸收体和第一保偏准直器之间。

可选地，聚焦透镜为双凸元件。

可选地，移动机构包括移动平台和与移动平台连接的步进电机，平移屋脊棱镜固设在移动平台上，步进电机受控驱动移动平台移动，以带动平移屋脊棱镜沿第一衍射光束所在方向移动。

可选地，脉冲光束从第二保偏准直器输出并进入衍射光栅形成第一衍射光束；第一衍射光束经平移屋脊棱镜反射并平移预设距离后，沿与第一衍射光束相反的方向回射至衍射光栅，并经衍射光栅二次衍射后形成第二衍射光束；第二衍射光束经全反射镜全反射后沿原路返回，并再次经过衍射光栅的两次衍射后耦合进入第二保偏准直器。

可选地，全反射镜的反射面与第二衍射光束所在方向垂直；衍射光栅为透射型衍射光栅时，平移屋脊棱镜和全反射镜分设于衍射光栅的刻线平面的两侧；衍射光栅为反射型衍射光栅时，平移屋脊棱镜和全反射镜均设于衍射光栅朝向第二保偏准直器的一侧，且平移屋脊棱镜位于衍射光栅与全反射镜之间。

可选地，光路传播组件还包括保偏波分复用器、掺杂保偏光纤以及保偏输出耦合器，泵浦光源射出的入射光束通过光纤传输到保偏波分复用器，并耦合进入掺杂保偏光纤，再经过保偏输出耦合器后进入第二保偏准直器。

可选地，保偏波分复用器的信号端和第一保偏准直器连接，保偏波分复用器的泵浦端与和泵浦光源连接，保偏波分复用器的公共端与掺杂保偏光纤连接。

可选地，保偏输出耦合器中内设有双折射晶体，保偏输出耦合器的合路端与第二保偏准直器连接，保偏输出耦合器的第一分路端与掺杂有源光纤连接，保偏输出耦合器的第二分路端为输出经色散调节后的脉冲光束的输出端。

本申请提供的激光器的有益效果在于：与现有技术相比，由于该激光器包括封装单元和色散调节单元，两者共同形成了本激光器的谐振腔，故泵浦光源射出的入射光束经光传播组件进入封装单元后，就能通过被动锁模方式转化为稳定的超短脉冲光束，然后，该脉冲光束进入色散调节单元后，通过移动机构带动平移屋脊棱镜沿第一衍射光束所在方向移动，进而控制改变平移屋脊棱镜和衍射光栅的间距，控制谐振腔内的色散量，从而实现对激光脉宽从飞秒到皮秒的调节。换言之，本申请的技术方案是一种基于控制腔内衍射光栅色散量的脉宽可调超快激光器技术，该技术利用封装单元的可饱和吸收体被动锁模方式产生超短脉冲光束，然后通过移动机构带动平移屋脊棱镜改变与衍射光栅的间距，而实现对谐振腔内色散量的调节控制，进而实现对外输出的脉冲光束的激光脉宽从飞秒到皮秒连续可调，有效解决了目前常见的可调超短脉宽激光器中存在的脉宽过宽无法满足工业需求、稳定性较差、可调范围较窄和响应时间较长等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的激光器的光路结构示意图；

图2为本申请实施例提供的激光器的封装单元的剖视图；

图3为本申请实施例提供的激光器的色散调节单元的光路结构示意图；

图4为本申请另一实施例提供的激光器的色散调节单元的光路结构示意图。

附图标号说明：

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

还需要说明的是，本申请实施例中的左、右、上和下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本申请实施例提供一种激光器。

请参阅图1至图3，在一实施例中，该激光器包括泵浦光源100、封装单元200、色散调节单元300以及光路传播组件400。封装单元200用于产生脉冲光束；色散调节单元300包括衍射光栅310、平移屋脊棱镜320、全反射镜330以及移动机构(未示出)，平移屋脊棱镜320安装在移动机构上；光路传播组件400位于封装单元200与色散调节单元300之间的光路上。其中，泵浦光源100射出的入射光束经光路传播组件400产生连续光束并进入封装单元200，封装单元200将连续光束转换为脉冲光束；脉冲光束经过光路传播组件400进入色散调节单元300中，脉冲光束射入衍射光栅310形成第一衍射光束，第一衍射光束经平移屋脊棱镜320反射平移预设距离后，再次射入衍射光栅310形成射向全反射镜330的第二衍射光束；第二衍射光束经全反射镜330全反射后沿原路返回，并再次经过衍射光栅310的两次衍射后耦合进入光路传播组件400，以对外输出经色散调节后的脉冲光束；移动机构可带动平移屋脊棱镜320沿第一衍射光束所在方向移动。在此，从光路传播组件400中射向衍射光栅310的脉冲光束与衍射光栅310的刻线平面呈夹角设置，该脉冲光束与第二衍射光束平行但光路方向相反，第一衍射光束与经过平移屋脊棱镜320反射平移、后射向衍射光栅310的光束平行但方向相反。

在此需说明的是，在本实施例中，本激光器为一种光纤激光器，且是一种脉宽可调的光纤超快激光器。其中，封装单元200具体为sesam(semiconductorsaturableabsorbermirror，半导体可饱和吸收镜)封装单元200。在激光器领域，利用sesam实现被动锁模是获取超短脉冲的常用手段。该方式的原理是通过可饱和吸收体210的损耗机制，由于脉冲中心能量较强，sesam可饱和吸收体210表现为漂白状态，能量损耗小，可以被反射回腔内继续放大；而脉冲两旁的能量较弱，表现为吸收未饱和的特性，损耗大。这样，在激光器的运转过程中，脉冲中心能量就会不断被放大，而脉冲两旁能量不断被抑制，如此经过多次的循环，就能最终形成稳定的超短脉冲。

基于此结构设计，在本实施例中，由于该激光器包括封装单元200和色散调节单元300，两者共同形成了本激光器的谐振腔，故泵浦光源100射出的入射光束经光传播组件进入封装单元200后，就能通过被动锁模方式转化为稳定的超短脉冲光束，然后，该脉冲光束进入色散调节单元300后，通过移动机构带动平移屋脊棱镜320沿第一衍射光束所在方向移动，进而控制改变平移屋脊棱镜320和衍射光栅310的间距，控制谐振腔内的色散量，从而实现对激光脉宽从飞秒到皮秒的调节。换言之，本申请的技术方案是一种基于控制腔内衍射光栅310色散量的脉宽可调超快激光器技术，该技术利用封装单元200的可饱和吸收体210被动锁模方式产生超短脉冲光束，然后通过移动机构带动平移屋脊棱镜320改变与衍射光栅310的间距，而实现对谐振腔内色散量的调节控制，进而实现对外输出的脉冲光束的激光脉宽从飞秒到皮秒连续可调，有效解决了目前常见的可调超短脉宽激光器中存在的脉宽过宽无法满足工业需求、稳定性较差、可调范围较窄和响应时间较长等问题。

请参阅图1至图3，在本实施例中，光路传播组件400包括沿光路连接的第一保偏准直器410和第二保偏准直器420，封装单元200与第一保偏准直器410空间耦合，色散调节单元300与第二保偏准直器420空间耦合。在此，第一保偏准直器410和第二保偏准直器420均用于输出高质量的准直线偏振激光光束，这样，从封装单元200射出的脉冲光束就能耦合进入光纤中，再经过光路传播组件400中的其他部件，而耦合进入第二保偏准直器420中，然后进入色散调节单元300中进行调节，实现对外输出的脉冲光束的脉冲宽度最窄。

进一步地，如图2所示，在本实施例中，具体地，封装单元200包括可饱和吸收体210、固定套筒220以及聚焦透镜230；固定套筒220具有安装腔240，第一保偏准直器410的耦合端伸入固定套筒220中，可饱和吸收体210安装在安装腔240的内壁上，且可饱和吸收体210与第一保偏准直器410相对间隔设置；聚焦透镜230内置于安装腔240中，并位于可饱和吸收体210和第一保偏准直器410之间。在此，可饱和吸收体210即sesam具体为反射式器件，其主要作用是通过被动锁模方式产生自启动的超短脉冲的脉冲光束。固定套筒220主要由底板221和外罩222组成，外罩222具有在背离第一保偏准直器410一侧敞口的凹槽，底板221密封盖合该凹槽的敞口，以此和外罩222围成一个安装腔240；第一保偏准直器410的耦合端伸入凹槽的槽底中，可饱和吸收体210安装在底板221上，并与第一保偏准直器410相对，聚焦透镜230设于可饱和吸收体210和第一保偏准直器410之间。此外，固定套筒220优选由金属材料制成，除了具有固定可饱和吸收体210和聚焦透镜230等部件的作用之外，还可使得固定套筒220具有良好的导热性能，从而可将可饱和吸收体210的热量传导出去，保证本激光器运行的稳定性和可靠性。当然，于其他实施例中，固定套筒220还可由其他导热性良好的硬质不透光材料制成。

进一步地，请参阅图1和图2，在本实施例中，聚焦透镜230优选为双凸元件。在此，聚焦透镜230的作用是把激光光束的光斑进行扩束，保证激光光斑在可饱和吸收体210处的大小为0.5-1.0mm。然本设计不限于此，于其他实施例中，聚焦透镜230还可以是其他能够实现聚焦和光斑扩束功能的光学元件。

在本实施例中，具体地，移动机构包括移动平台(未示出)和与移动平台连接的步进电机(未示出)，平移屋脊棱镜320固设在移动平台上，步进电机受控驱动移动平台移动，以带动平移屋脊棱镜320沿第一衍射光束所在方向移动。可以理解，由于1um的光在石英介质中呈现出很强的正色散，所以采用可饱和吸收体210的被动锁模方式输出的脉冲光束的脉冲宽度都是带色散的，需要通过腔外去色散，而现有的去色散方式往往是通过温度或者应力的变化来实现对谐振腔内色散元件的色散特性的改变，而这将会增加激光器的复杂性和成本。但在本申请中，通过将平移屋脊棱镜320安装在一个由高精度步进电机驱动的移动平台上，就可以使得平移屋脊棱镜320与衍射光栅310之间的间距得到精确的调控，从而可精确控制色散量的改变，进而实现对脉冲光束的激光脉宽从飞秒到皮秒的调节。在此，全反射镜330为宽带宽的全反射镜330，而平移屋脊棱镜320则由两块反射镜相互垂直胶合组成；平移屋脊棱镜320、全反射镜330对于中心波长±10nm范围的激光全反射，且反射率大于99％。

一并参阅图3，在本实施例中，脉冲光束从第二保偏准直器420输出并进入衍射光栅310形成第一衍射光束；第一衍射光束经平移屋脊棱镜320反射并平移预设距离后，沿与第一衍射光束相反的方向回射至衍射光栅310，并经衍射光栅310二次衍射后形成第二衍射光束；第二衍射光束经全反射镜330全反射后沿原路返回，并再次经过衍射光栅310的两次衍射后耦合进入第二保偏准直器420。也就是说，脉冲光束从第二保偏准直器420输出后，在正反两次光路上，经过四次衍射光栅310的衍射后，最终才能耦合进入第二保偏准直器420，进而实现对外输出经过色散调节后的脉冲光束。

具体地，全反射镜330的反射面与第二衍射光束所在方向垂直，以此确保光束能够原路返回。在本实施例中，衍射光栅310具体为透射型衍射光栅310，平移屋脊棱镜320和全反射镜330分设于衍射光栅310的刻线平面的两侧，光路如图3所示。而在如图4所示的另一实施例中，当衍射光栅310为反射型衍射光栅310时，平移屋脊棱镜320和全反射镜330均设于衍射光栅310朝向第二保偏准直器420的一侧，且平移屋脊棱镜320位于衍射光栅310与全反射镜330之间。

在此，衍射光栅310是一种表面上设有规律沟槽或刻线的光学平板，且能使入射光产生周期性空间调制的分光器件。具体地，对于1030nm的光在石英介质中传输带来的二阶色散为0.0217ps²/m；而本实施例中，优选地，脉冲重复频率30mhz，对应光学腔长约为3.3米，而光纤总长约2.5米，对应石英提供的正色散量为0.0543ps²。而衍射光栅310提供的色散量可根据如下的公式(1)计算：

其中，gdd为群延迟色散，d为衍射光栅310与平移屋脊棱镜320的垂直间距，λ为波长，c为光速，λ为光栅常数，θr为衍射角。

为补偿系统的正色散，光栅上的刻线密度即光栅常数范围通常为300线/mm至1200线/mm或其他，而在本实施例中，衍射光栅310的刻线密度可进一步优选为300线/mm，且平移屋脊棱镜320与衍射光栅310的间距优选为7.5cm。在衍射光栅310和平移屋脊棱镜320之间的间距调节到位，衍射光栅310提供的负色散刚好补偿原来的正色散，此时整个系统的总色散为零，从而使得对外输出的脉冲光束的脉冲宽度最窄；而且，通过改变间距d，就可以改变输出的脉冲光束的色散量，从而实现脉冲宽度从飞秒到皮秒的连续调节。

以上设计是基于如图3所示的透射型光栅的脉冲可调超快激光器的调节方法，在如图4所示的基于反射型衍射光栅310的激光器也可以达到同样的效果，其调节方法与透射型衍射光栅310基本一致，故不再赘述。

请参阅图1，在本实施例中，光路传播组件400还包括保偏波分复用器430、掺杂保偏光纤440以及保偏输出耦合器450，泵浦光源100射出的入射光束通过光纤传输到保偏波分复用器430，并耦合进入掺杂保偏光纤440，再经过保偏输出耦合器450后进入第二保偏准直器420。在此，泵浦光源100具体为单模半导体泵浦泵浦光源100，该泵浦光源100的能量可通过单模光纤传输到保偏波分复用器430，并进一步耦合进入掺杂保偏光纤440中。其中，掺杂有源光纤可以是掺有yb或者nd稀土离子的保偏光纤，长度范围为0.3m至1.0m，能激发1.0um的激光。具体在本实施例中，可优选采用掺yb稀土离子的保偏有源光纤，其长度优选0.5m。

进一步地，在本实施例中，保偏波分复用器430的信号端和第一保偏准直器410连接，保偏波分复用器430的泵浦端与和泵浦光源100连接，保偏波分复用器430的公共端与掺杂保偏光纤440连接。这样，通过一个保偏波分复用器430就可以把不同波长的光耦合至一根光纤中输出或反向作为解复用使用，且保偏波分复用器430的输入输出均使用了保偏光纤，使得本激光器能适合于不同的应用场合。

进一步地，在本实施例中，保偏输出耦合器450中内设有双折射晶体，保偏输出耦合器450的合路端与第二保偏准直器420连接，保偏输出耦合器450的第一分路端与掺杂有源光纤连接，保偏输出耦合器450的第二分路端为输出经色散调节后的脉冲光束的输出端。具体地，保偏输出耦合器450是一个1×2的耦合器件，其内部设置的双折射晶体具有起偏器作用，能把射入保偏输出耦合器450的激光转换成线偏振光输出，从而使得脉冲光束在传输时能够保持线偏振光，并沿着保偏光纤慢轴方向传输。保偏输出耦合器450的耦合比包含但不局限于70:30、80:20、90:10等，在本实施例中，优选采用耦合比为70:30的保偏耦合器，即其中和掺杂有源光纤连接的第一分路端输出激光能量的30％，而另一个用于输出经色散调节后的超短脉冲光束的的第二分路端输出激光能量的70％。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。