具有高光束质量的皮秒激光脉冲串光纤放大器的制作方法

本实用新型涉及光纤放大器领域，特别涉及一种具有高光束质量的皮秒激光脉冲串光纤放大器。

背景技术：

超短脉冲激光器可以产生皮秒到亚皮秒的激光脉冲，在工业加工、医疗、和许多其他领域有广泛的应用。其中，光纤型超快激光器具有可靠、稳定、体积小等优点，所以其发展尤其受到重视。到目前为止，人们对这类激光器产品的研发力量主要集中在单脉冲能量很大(几十微焦到上百微焦)、重复频率不是很高(数十万赫兹)的飞秒或皮秒激光单脉冲。虽然，这种脉冲激光的“加工”性能极为优越，但由于受到各种非线性效应的限制，超短脉冲信号的放大难度是很大的。如果使用光纤来放大，这些限制尤为突出。譬如，超短激光脉冲从种子激光源产生时，其脉冲宽度多在一皮秒到十皮秒的范围。直接用光纤放大这种脉冲时，光纤的激光损伤与各种非线性效应会把单个脉冲的能量限制在相当低的水平。脉冲的最高能量水平可以通过增加放大器光纤的纤芯直径来加以提高，但提高的程度不会很可观。以石英光纤在1微米波长的放大器为例，用纤芯直径为10微米的光纤可以把脉冲宽度为10皮秒的脉冲的能量放大至几到几十纳焦的水平；用纤芯直径为25微米的光纤可以把最高脉冲能量提高到微焦水平。如果想把脉冲能量继续提高，需要采用一些特别的技术。例如，cpa就是为了解决放大飞秒脉冲时这些非线性效应的限制而采用的技术。它的基本思想是：先把可以压缩到飞秒级的激光脉冲的脉宽扩展到纳秒或接近纳秒，然后再把脉冲的能量放大。由于脉冲宽度变长后在相同能量时的峰值功率大为降低，就可以尽可能地减小非线性效应的影响。脉冲能量放大后再用脉冲压缩装置把脉冲宽度压缩到亚皮秒的量级。但是，这些还不能完全解决超短脉冲能量放大的所有困难。用模场直径一定的lma光纤，把脉冲宽度扩展到纳米量级后的脉冲能量放大的能力仍然是很有限的。目前，解决这一困难的主要方法是继续增加光纤的纤芯模场直径。如果用传统的阶梯式折射率分布的lma光纤，当纤芯直径超过15微米时，就会有一个或数个高阶模式可以在光纤中传播和放大，随着纤芯直径越增越大，允许的高阶模式就会越来越多，产生的激光的光束质量就会不断下降。按目前的技术现状，这类光纤实际上能达到的最大纤芯直径约为25至30微米。因此，超短脉冲能取得的最大脉冲能量约在50微焦以下。要取得更大的脉冲能量，需要使用芯径更大的lma光纤。用常规的光纤设计方法很难得到这样的光纤，所以现在都是用光纤晶体光纤的技术来制作芯径达到40微米以上的lma增益光纤。几乎所有大脉冲能量的cpa光纤激光系统都用这样的光纤技术。

但是，尽管这种技术确实很好地减小了对超短激光脉冲影响极大的非线性效应，采用这种光纤来制作超短脉冲光纤激光系统时也发现了一些很严峻的问题。其中，最为重大的潜在问题有两个。一是由于这类光纤结构特殊，到目前为止不无法用传统的设备把这种光纤与传统光纤直接连接。譬如，还没有直接焊接机，也没有类似于传统光纤激光系统用的配套光纤器件如光纤隔离器、光纤型泵浦合成器等。这给产品的制造带来了困难及成本的压力。第二，一般来说，放大器的泵浦光需要从放大器的输出端用自由空间的方法耦合入放大器，放大器的输出端需要直接水冷。这对产品的可靠性是一个非常大的隐患。

由于这些无法忽略的问题或困难，人们开始探索制作超短脉冲激光器的更为可靠的方法。已经证实，用时间上相距很近的一系列超短激光脉冲组成的脉冲串在与许多物质作用时，其效果可以与能量和该脉冲串总能量相同单个超短脉冲相近。这就为超短脉冲光纤激光器的发展开辟了一条新的道路。尤其重要的是，原来被认为不太好的传统lma光纤可以重新用于大功率光纤激光系统。而且，它在配套器件、制作方便、可靠性等方面的优点现在都可以充分发挥。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于lma光纤放大器放大皮秒激光脉冲串信号，放大器可以有效地提高超短激光脉冲串的能量，并能较好地保持放大后的光束质量。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案为：

具有高光束质量的皮秒激光脉冲串光纤放大器，包括可将信号与泵浦结合的信号泵浦合成器，所述信号泵浦合成器设有信号输入端，信号泵浦合成器的输入端连接有泵浦激光，信号泵浦合成器的输出端与增益光纤的输入端连接，所述增益光纤的输出端与光束准直器连接。

本实用新型的进一步改进，所述信号泵浦合成器与所述增益光纤之间设有模场匹配模块。

本实用新型的进一步改进，所述光束准直器包括安装体、光纤固定块、调节块及准直镜，所述光纤固定块设于所述安装体内，所述准直镜安装在所述调节块上，调节块与安装体的一端连接，调节块设有调节孔，所述调节孔内设有调节螺栓，所述调节孔的孔径大于固定孔的孔径，所述调节螺栓穿过调节孔与所述固定孔固定连接。

本实用新型的进一步改进，所述安装体与所述调节块连接的端面与竖直方向存在8°的夹角，调节块与调节块的端面垂直连接。

本实用新型的进一步改进，所述调节块的中部设有安装孔，所述准直镜设于所述安装孔内，调节块的一侧设有与安装孔侧部连通的u型槽，调节块设有连接所述u型槽两侧的压紧螺栓。

本实用新型的进一步改进，所述安装体内设有安装腔，所述光纤固定块设于所述安装腔内，光纤固定块的中部设有供光纤通过的通孔，安装体的侧部设有锁紧块，所述锁紧块通过第一螺栓压紧光纤固定块。

本实用新型的进一步改进，所述光纤固定块包括安装块及固定块，所述固定块与所述安装块通过第二螺栓固定连接，安装块与固定块配合形成所述通孔。

本实用新型的进一步改进，所述安装块包括第一安装块及第二安装块，所述第一安装块与所述第二安装块之间存在间隙，所述锁紧块压紧所述第一安装块，所述第二安装块与所述固定块之间设有光纤压紧块，所述光纤压紧块压紧所述光纤的尾端。

本实用新型的进一步改进，所述安装块设于所述安装体内，所述固定块远离所述调节块的一端延伸至安装体外。

本实用新型的进一步改进，所述调节螺栓与所述调节块之间设有垫圈。

本实用新型的有益效果：

1、激光信号通过信号泵浦合成器与泵浦激光进入信号泵浦合成器的输出端(一个双包层的光纤)，泵浦激光主要在内包层传输，而信号光只在纤芯中传输，该光纤与增益光纤连接后，泵浦光与信号光都经过增益光纤，信号就得到放大。

2、松开调节螺栓后，可对调节块的位置进行调节，以调节准直镜的位置实现光纤光线方向的调节，操作简便，精度较高，此外安装体与调节块连接的端面与竖直方向存在8°的夹角，无需对光纤进行处理，直接将光纤穿入光纤固定块即可，光纤固定块材质为稀有金属锳，不会导致光纤损伤。

附图说明

图1为大功率超短脉冲光纤激光系统示意图

图2为大功率皮秒脉冲串光纤激光器示意图

图3为本实用新型的结构示意图；

图4为光束准直器的结构示意图；

图5为光纤固定块分解结构示意图；

图6为光束准直器的分解结构示意图；

图中标示：1、安装体；2、光纤固定块；3、调节块；4、准直镜；5、调节孔；6、固定孔；7、调节螺栓；8、安装孔；9、u型槽；10、压紧螺栓；11、光纤；12、锁紧块；13、第一螺栓；14、安装块；15、固定块；16、第二螺栓；17、第一安装块；18、第二安装块；19、光纤压紧块；20、垫圈；21、信号泵浦合成器；22、信号输入端；23、泵浦激光；24、增益光纤；25、光束准直器；26、模场匹配模块；27、激光种子源；28、种子信号处理模块；29、第一大功率光纤放大模块；30、高功率激光整形和处理模块；31、皮秒脉冲激光种子源；32、脉冲串生成及放大模块；33、双色反射镜；34、第二大功率光纤放大模块。

具体实施方式

如图1-6所示本实用新型的实施例，大功率超短脉冲光纤激光器系统都有相似的功能模块结构，包括激光种子源27、种子信号处理模块28、第一大功率光纤放大模块29及高功率激光整形和处理模块30，如图1所示的一个大功率超短脉冲(皮秒脉冲或飞秒脉冲)光纤激光系统的功能模块示意图。一般地，超短脉冲激光信号是由一个种子源产生的。目前，大部分种子源都采用被动锁模技术制作的。种子源产生的信号在送到大功率放大器放大前，都需要经过一些整形处理。譬如，种子源信号的重复频率通常在10mhz以上，为了放大脉冲的能量，信号的重复频率需要降低几个数量级；又譬如，要放大飞秒脉冲时，总是需要把种子源信号的脉冲长度加以展宽后才能很好进行放大。这些都是种子信号处理模块的任务。整形和处理好的信号经过大功率放大器放大后，脉冲达到预期的能量，激光光束的平均功率也达到要求的水平。脉冲能量放大后，还可能要进行一些后处理，如脉宽压缩等。这种功能就由放大器后的整形与处理模块承担。

本实用新型的大功率超短脉冲光纤激光器设计是以超短的脉冲串的放大为基础的。其中，皮秒脉冲串光纤激光系统是其中先于其他研发的系统。这种系统由皮秒脉冲激光种子源31、脉冲串生成及放大模块32、第二大功率光纤放大模块34组成，与一般的超短脉冲光纤激光系统相比，较为简单。图2是这种系统的功能块示意图。

本实用新型的种子源是采用被动锁模的皮秒光纤种子激光器。通常，这样的种子源的信号重复频率是20mhz左右。要将这种皮秒信号放大成功能与大能量单脉冲皮秒相近的脉冲串信号，需要把种子源信号进行变换后再进行放大。这就是脉冲串生成及预放大模块的功能。生成的脉冲串由数十到数百个相距小1纳秒的子脉冲组成。生成后还需要进行预放大，才能送入大功率放大器进行放大。

在各种不同的系统中，大功率光纤放大模块都是不可或缺的重要部分。在单脉冲能量很大的光纤放大器中，一般都需要采用光子晶体光纤。在我们的脉冲串放大器中，虽然总的脉冲串能量可以放大到很大，但每个单脉冲的能量仍然可以控制在较低的水平。所以，本实用新型的放大器中，采用了传统类型的大模场(lma)、双包层光纤。由于这个原因，光纤放大器的结构就大为简化。图3是本实用新型基于lma双包层光纤的放大器的示意图。

具有高光束质量的皮秒激光脉冲串光纤放大器，包括可将信号与泵浦结合的信号泵浦合成器21，信号泵浦合成器21设有信号输入端22，信号泵浦合成器21的输入端连接有泵浦激光23，信号泵浦合成器21的输出端与增益光纤24的输入端连接，增益光纤24的输出端与光束准直器25连接。

输入信号是预处理好的低能量脉冲(在本实用新型中，这信号就是皮秒量级的脉冲串信号)。该激光信号通过信号泵浦合成器21与泵浦激光23进入信号泵浦合成器21的输出端(一个双包层的光纤)，泵浦激光23主要在内包层传输，而信号光只在纤芯中传输。该光纤与增益光纤24连接后，泵浦光与信号光都经过增益光纤24，信号就得到放大。两者的连接，可以是直接焊接，也可以通过光纤型模场匹配器件连接，具体连接方案取决于这两种光纤的类型及对输出光束的光束质量要求。放大后的脉冲串信号经过准直器后，成为准直的光束以自由空间光束的方式输出。如此，可以使用一些自由空间光束的器件，如隔离器、调制器等来对放大器进行保护，并使整个系统的输出能根据应用的需要再进行一些调整。

这种放大器最主要组成部分为增益光纤24、泵浦激光23、泵浦信号合成模块及光束准直器25等。这些器件间的连接部分可以是同样结构的非增益光纤。所有的光学器件都可以采用成熟的光纤器件。泵浦激光源是光纤输出的激光二极管模块化；信号泵浦合成器21可以用2+1或6+1合成器；在泵浦信号合成器与增益光纤24之间，根据这两部分光纤的类型以及对光束质量的要求，可能需要加上模场匹配模块26。譬如，当放大后的激光脉冲串信号的平均功率在5瓦以下时，放大器的增益光纤24可以使用lma单模光纤。它可以直接与信号泵浦合成器21输出端的单模光纤焊接。如果要提高平均功率，则需要使用允许若干个模的lma光纤。在这种情况下，如果对最后的输出信号的光束质量要求不高时，仍然可以将信号泵浦合成器21输出端的光纤与放大器的增益光纤24直接焊接。如果要求输出光束的光束质量接近于基模光束的光束质量，在把这两种光纤焊接时就需要模场匹配模块26进行信号光的模场匹配，以抑制高阶模式的产生与传播。综上所述，从信号输入、泵浦光耦合、信号光的耦合器与放大等方面，都可以使用比较成熟的方法、并有适当的商品器件满足具体的要求。

除了信号输入端与放大部分以外，放大器的输出端对输出的光束质量也有非常关键的影响。信号输出前和输出时需要完成两个任务。一是把剩余的泵浦光从光纤包层中剥离掉；二是让输出的信号形成质量较高的光束出射到自由空间，因此本实用新型的光束准直器25具有独特的结构。

本实用新型中的光束准直器25包括安装体1、光纤固定块2、调节块3及准直镜4，光纤固定块2对光纤进行夹紧固定，光纤固定块2为软金属材质锳，可耐高温，夹紧光纤又不导致光纤损伤，同时可避免由于机械力使光纤内部产生张力，导致在光纤中激发起高阶模，从而影响信号的光束质量，光纤固定块2设于安装体1内，准直镜4安装在调节块3上，调节块3与安装体1的一端连接，调节块3设有调节孔5，调节孔5内设有调节螺栓7，调节孔5的孔径大于固定孔6的孔径，调节螺栓7穿过调节孔5与固定孔6固定连接，调节螺栓7与调节块3之间设有垫圈20，保护接触面。

工作原理：光纤11设于安装体1内，光纤11散发的光通过准直镜4后转变为平行光，由于调节孔5的孔径大于固定孔6的孔径，因此松开调节螺栓7，调节块3可在限定范围内进行相对自身的横向及纵向调节，以调节光纤11与准直镜4的相对位置，最终实现光线方向的调节，结构简单，操作便捷。

安装体1与调节块3连接的端面与竖直方向存在8°的夹角，调节块3与调节块3的端面垂直连接，即光纤11与调节块3呈8°夹角，该角度下光纤11反射较小，损耗低，与现有准直器对比，无需将光纤11的尾段截出角度，本实用新型无需对光纤11进行处理，直接穿入光纤固定块2内即可，光纤11与准直镜4之间存在斜角，让剩余的泵浦光和放大了的信号光都离开放大器，输出的信号光通过准直镜4变换成尽可能好的准直光束，而剩余的泵浦光也被大致准直。在准直镜4后有一个或两个双色反射镜33，它们让泵浦激光23透射，而将信号光全部反射。信号光束准直后的光束直径在1毫米左右，既保证了光束的平行性，又可以使后面可能需要使用的光学器件，如隔离器，调制器等，可以有比较大的选择余地。

调节块3的中部设有安装孔8，准直镜4设于安装孔8内，调节块3的一侧设有与安装孔8侧部连通的u型槽9，调节块3设有连接u型槽9两侧的压紧螺栓10，带紧压紧螺栓10可令u型槽9两侧靠拢，使得安装孔8倾斜，以固定准直镜4，松开压紧螺栓10可对准直镜4进行拆卸或调节准直镜4与调节块3的相对位置，变相调节焦距，操作简便。

安装体1内设有安装腔，光纤固定块2设于安装腔内，光纤固定块2的中部设有供光纤11通过的通孔，安装体1的侧部设有锁紧块12，光纤固定块2为圆柱体状，锁紧块12与光纤固定块2作用的一端为等腰梯形形状，锁紧块12通过第一螺栓13压紧光纤固定块2，从而实现光纤固定块2的固定，具体为，光纤固定块2包括安装块14及固定块15，固定块15与安装块14块通过第二螺栓16固定连接，安装块14与固定块15配合形成通孔，安装块14包括第一安装块17及第二安装块18，第一安装块17与第二安装块18之间存在间隙，有助于散热，锁紧块12压紧第一安装块17，第二安装块18与固定块15之间设有光纤压紧块19，光纤压紧块19嵌在第二安装块18及固定块15内，光纤压紧块19压紧光纤11的尾端，安装块14设于安装体1内，固定块15远离调节块3的一端延伸至安装体1外，便于手抓提动。

以上结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但本实用新型不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本实用新型的保护范围内。