專利名稱：高功率和高重復(fù)率的光子晶體光纖紫外飛秒激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高功率和高重復(fù)率的光子晶體光纖紫外飛秒激光器，屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高功率、高重復(fù)率的紫外飛秒激光器在物理、化學(xué)、材料、醫(yī)學(xué)和軍事等領(lǐng)域具有 廣泛的應(yīng)用。具有紫外波長的超短脈沖激光的光子能量高，能夠達(dá)到材料的化學(xué)鍵能，可 直接進(jìn)行剝離加工而沒有熱交換發(fā)生，這對(duì)于生物芯片的加工十分有利；加之，波長越短 衍射極限就越小，因此更具有精細(xì)加工方面優(yōu)勢(shì)。所以紫外超短脈沖激光器也是進(jìn)行高精 度微加工的理想工具。目前，紫外波段的脈沖激光器主要有三種(l)準(zhǔn)分子激光器；(2) LD泵浦的固體激光器(DPSS); (3)鈦寶石激光器[1，2],后兩種激光器需要經(jīng)過倍頻。 這些紫外波段激光器的共同缺點(diǎn)是體積龐大，價(jià)格昂貴，重復(fù)頻率較低(l一50KHz);從 脈沖寬度上看，準(zhǔn)分子激光器的脈寬較寬(僅在ns量級(jí))，調(diào)Q的固體激光器脈寬在ns 或ps量級(jí)；準(zhǔn)分子激光器還有高純氣體工作介質(zhì)的有限壽命帶來高昂的后續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用和 氣體工作介質(zhì)有毒等缺陷。普通光纖激光器中，由于激光限制在光纖波導(dǎo)中傳輸，具有很 好的環(huán)境穩(wěn)定性；光纖具有極好的散熱效果，能有效避免熱光效應(yīng)，使得光纖激光器無需 冷卻系統(tǒng)；特殊的幾何結(jié)構(gòu)決定了它可以獲得非常高的單次通過增益；可以直接利用商用 半導(dǎo)體激光器(LD)泵浦，使其結(jié)構(gòu)更加緊湊，成本更低廉。因此使其成為了新一代激光系 統(tǒng)的理想種子光源。然而，普通光纖激光器的主要缺點(diǎn)是由于超短激光脈沖在長光纖中 傳輸時(shí)積累非線性相移，在光纖色散的作用下會(huì)導(dǎo)致脈沖畸變，從而限制鎖模光纖激光器 單脈沖能量[3]，這對(duì)于獲得高功率的倍頻輸出是不利的。因此，能否從光纖激光器中直接 獲得高平均功率、高單脈沖能量的超短脈沖是解決上述激光器缺陷的關(guān)鍵技術(shù)之一。光子晶體光纖(PCF)于1996年由英國巴斯大學(xué)研制成功，由于它具備許多普通單模 光纖所沒有的特性，所以對(duì)PCF的研究成為熱點(diǎn)，并在光通信、量子信息、傳感器和激光 器等方面得到了應(yīng)用。2005年，德國Li卿ert小組報(bào)道了利用摻鐿的PCF作為增益介質(zhì) 實(shí)現(xiàn)了131W、 220fs的激光放大運(yùn)轉(zhuǎn)。同年，德國的M. Moenster小組報(bào)道了利用摻釹的 PCF為增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了 400fs的激光振蕩級(jí)輸出，從此開始了 PCF飛秒激光器研究的新趨 勢(shì)、新潮流[4]。光子晶體光纖飛秒激光器的出現(xiàn)以其獨(dú)有的特點(diǎn)克服了第二代固體飛秒 激光器的缺陷，即將成為相對(duì)完美的新一代飛秒激光系統(tǒng)，這是因?yàn)榈谝还庾泳w光 纖激光器可以由LD直接泵浦實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)50% 80%，使成本大幅度下降；第二飛秒激光器所需要的增益、色散和非線性三大功能可在光子晶體光纖中完成，實(shí)現(xiàn)飛秒激光器由眾多分離元件向一根光纖集成，從而使飛秒激光器成為極其簡(jiǎn)約、固定而無需 調(diào)整的"傻瓜"系統(tǒng)；第三光子晶體光纖飛秒激光系統(tǒng)的光束完全被封閉在纖芯中，不再受周圍環(huán)境的影響；第四光子晶體光纖像普通光纖一樣，具有大的表面一體積比，散熱 極好，而且還可以設(shè)計(jì)成具有大模場(chǎng)面積的雙包層結(jié)構(gòu)(單模面積能比普通光纖大2個(gè)數(shù)量級(jí)以上)，從而可以做成高功率激光器；第五在高功率情況下能夠保證單模運(yùn)轉(zhuǎn)以及 很好的光束質(zhì)量。由此，我們提出基于大模場(chǎng)光子晶體光纖的高功率、高重復(fù)率的紫外波 段飛秒激光器。參考文獻(xiàn)〖1] C. Molpeceres, S. Lauzuric^ J.J. Garcia-Ballesteros, M. Morales, J丄.Ocafta "先進(jìn)的紫夕卜 激光3維微加工技術(shù)"，微電子工程，2007年，第84巻，第1337-1340頁。 [2〗D. Gomez， I. Goenaga, I. Lizuain^ M, Ozaita^ "飛秒激光加工微流體"，光學(xué)工程,2005年， 第44巻，第051105頁。[3〗N. J. Smith, F. M. Kno ^ N. J. Doran， K. J. Blow, and I. Bennion,"采用周期性色散管理增 加光纖中孤子的功率"，電子學(xué)快拫，1996年，第32巻，第54-55頁。 [4] I Limpert, F. Roser, T. Schreiber， A. Tunnermaim,"高功率超快光纖激光系統(tǒng)"，國際電力 和電子工程學(xué)會(huì)期刊"量子電子學(xué)選擇題目"，2006年，第12巻，第233-244頁。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明旨在提出一種高功率和高重復(fù)率的光子晶體光纖紫外飛秒激光器，該飛秒激光 器體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，運(yùn)行費(fèi)用低。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的， 一種高功率和高重復(fù)率光子晶體光纖紫外飛 秒激光器，其特征在于，該裝置包括光子晶體光纖的或固體的飛秒激光振蕩器l,高功率 大模場(chǎng)光子晶體光纖激光放大器2和激光多倍頻裝置3構(gòu)成，其中，裝置中各部件的連接 關(guān)系為，激光振蕩器產(chǎn)生飛秒孤子或者自相似脈沖，作為大模場(chǎng)光子晶體光纖激光放大器 的種子脈沖，經(jīng)過放大和脈沖壓縮后形成高重復(fù)率、高功率的飛秒級(jí)脈沖序列，然后進(jìn)行 多倍頻，獲得飛秒量級(jí)的高重復(fù)頻率的紫外激光。上述的光子晶體光纖飛秒激光振蕩器，是由大模場(chǎng)的摻鐿離子或鉺離子的雙包覆光子 晶體增益光纖、半導(dǎo)體可飽和吸收鏡和偏振旋轉(zhuǎn)(NPE〉混合鎖模器、光柵對(duì)或大負(fù)色散 光纖色散補(bǔ)償器構(gòu)成。其中光子晶體增益光纖的芯徑為10—50微米，數(shù)值孔徑NA為 0.02-0.06,外包層直徑200—400微米，數(shù)值孔徑NA為0.4-0.8,長度為1 —10m，包層泵 浦為5-30W的高功率激光二極管。通過調(diào)節(jié)腔內(nèi)色散補(bǔ)償器，該振蕩器分別運(yùn)行在孤子型、呼吸型和自相似型運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。上述的高功率大模場(chǎng)光子晶體光纖激光放大器放大級(jí)為l一3級(jí)放大，每級(jí)放大，包 括大模場(chǎng)的摻鐿離子或鉺離子的雙包覆光子晶體增益光纖、光柵對(duì)或大負(fù)色散光纖色散補(bǔ) 償器構(gòu)成，其中光子晶體增益光纖的芯徑為20 — 100微米，數(shù)值孔徑NA為0.02-0.06，外 包層直徑200—400微米，數(shù)值孔徑NA為0.4-0.8，長度為1 —10m，包層泵浦為20—100W 高功率激光二極管，放大器在振蕩級(jí)與放大器之間和放大級(jí)各級(jí)之間都設(shè)置偏振法拉第隔 離器。上述激光多倍頻裝置為偏硼酸鋇(BBO)和三硼酸鋰(LBO)晶體或周期極化非線性晶 體進(jìn)行多倍頻變換，實(shí)現(xiàn)紫外激光運(yùn)轉(zhuǎn)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)激光系統(tǒng)是基于大模場(chǎng)光子晶體光纖的鎖模激光放大系統(tǒng)， 它與目前采用的準(zhǔn)分子激光器和鈦寶石激光系統(tǒng)相比體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，運(yùn)行 費(fèi)用低；與DPSS倍頻激光器相比，具有光束質(zhì)量高、脈寬窄和高功率的優(yōu)點(diǎn)。(2)具有 高重復(fù)率是本發(fā)明的另 一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明的紫外波段飛秒激光器的重復(fù)頻率在1 一 100 兆赫茲量級(jí)，這在微加工中有很好的應(yīng)用前景。(3)使用保偏光子晶體光纖，以保持激光 束的偏振特性，是該激光系統(tǒng)抗環(huán)境干擾能力大大提高和便于偏振控制。


圖1為本發(fā)明的高功率、高重復(fù)頻率光子晶體光纖紫外超短脈沖激光器結(jié)構(gòu)框圖。 圖中1大模場(chǎng)光子晶體光纖飛秒振蕩級(jí)；2大模場(chǎng)光子晶體光纖功率放大系統(tǒng)； 3激光多倍頻系統(tǒng)。圖2為圖1中光子晶體光纖飛秒振蕩級(jí)1的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中l(wèi)-l為振蕩級(jí)泵浦源；l-2為振蕩級(jí)大模場(chǎng)光子晶體增益光纖；1-3為半導(dǎo)體可 飽和吸收鏡和偏振旋轉(zhuǎn)(NPE)混合鎖模器；1-4為光柵對(duì)或大負(fù)色散光纖色散補(bǔ)償器。 圖3為圖1中光子晶體光纖飛秒激光放大器2的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中2-l兩級(jí)之間的隔離器；2-2為放大級(jí)大模場(chǎng)光子晶體增益光纖；2-3為光柵對(duì)或大負(fù)色散光纖色散補(bǔ)償器；2-4為放大級(jí)級(jí)泵浦源。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的高功率和高重復(fù)率光子晶體光纖紫外飛秒激光器如附圖1所示，具體實(shí)施 例如下激光振蕩級(jí)如圖2所不的光子晶體光纖激光器，增益介質(zhì)采用摻Y(jié)b的大模場(chǎng)雙包覆保 偏光子晶體光纖l-2，芯徑25微米，NA為0.03，外包層直徑250微米，NA為0.5，長度 為3.5m，兩端經(jīng)過塌陷和打磨出斜角直接進(jìn)行包層泵浦，或焊接上適當(dāng)長度的SMF，由5WDM方式泵浦；振蕩級(jí)采用10W的LD1-1進(jìn)行單面或雙面包層泵浦形式，諧振腔的一 端采取半導(dǎo)體可飽和吸收鏡和偏振旋轉(zhuǎn)混合器鎖模1-3以及作為輸出端口，在諧振腔的另 一端采用光柵對(duì)或大負(fù)色散光纖色散補(bǔ)償器l-4進(jìn)行色散補(bǔ)償和脈沖壓縮。振蕩級(jí)還可頁 是固體鎖模激光器，塊狀晶體為摻Y(jié)b或Nd的各類晶體、玻璃和陶瓷；鎖模方式采取傳 統(tǒng)孤子、呼吸孤子和自相似脈沖鎖模技術(shù)或采用半SESAM和NPE相結(jié)合的輔助鎖模方式。 激光放大級(jí)為如圖3所示的大模場(chǎng)光子晶體光纖激光放大單級(jí)器；增益介質(zhì)采用摻Y(jié)b或 Er的大模場(chǎng)雙包覆保偏光子晶體光纖2-2，芯徑40微米，NA為0.03，外包層直徑270微 米，NA為0.6，長度為1.5m，兩端經(jīng)過塌陷和打磨出斜角直接進(jìn)行包層泵浦，或焊接上 適當(dāng)長度的SMF，由WDM方式泵浦；采用高功率30W的LD2-4進(jìn)行單面或雙面包層泵 浦形式，在諧振腔的輸出端采用光柵對(duì)或大負(fù)色散光纖色散補(bǔ)償器2-3進(jìn)行色散補(bǔ)償和脈 沖壓縮；整個(gè)放大系統(tǒng)采用l一3級(jí)上述單級(jí)放大的方式，增益介質(zhì)的大模場(chǎng)摻鐿光子晶 體光纖，各級(jí)長度分別為3 — 5m、 2 — 3m和l一2m，芯徑分別為20—40微米、40—60 微米和60—100微米，各級(jí)泵浦LD的功率為30W、 50W和100W;在振蕩級(jí)與放大級(jí)2-1 以及各級(jí)放大之間放置偏振法拉第隔離器，以防止激光返回振蕩級(jí)。激光多倍頻裝置采用 厚度1—4mm的BBO晶體對(duì)激光進(jìn)行倍頻，然后倍頻激光與基頻激光在厚度2—5mm的 LBO、 BBO或周期極化非線性晶體進(jìn)行三倍頻，以此類推可獲得多倍頻變換。
權(quán)利要求
1.一種高功率和高重復(fù)率光子晶體光纖紫外飛秒激光器，其特征在于，整個(gè)裝置包括光子晶體光纖或固體飛秒激光振蕩器(1)，高功率大模場(chǎng)光子晶體光纖激光放大器(2)和激光多倍頻裝置(3)構(gòu)成，其中，裝置中各部件的連接關(guān)系為，激光振蕩器產(chǎn)生飛秒孤子或者自相似脈沖，作為大模場(chǎng)光子晶體光纖激光放大器的種子脈沖，經(jīng)過放大和脈沖壓縮后形成高重復(fù)率、高功率的飛秒級(jí)脈沖序列，然后進(jìn)行多倍頻，獲得飛秒量級(jí)的高重復(fù)頻率的紫外激光。
2. 按權(quán)利要求1所述高功率和高重復(fù)率光子晶體光纖紫外飛秒激光器，其 特征在于，光子晶體光纖飛秒激光振蕩器是由大模場(chǎng)的摻鐿離子或鉺離子的雙包 覆光子晶體增益光纖、半導(dǎo)體可飽和吸收鏡和偏振旋轉(zhuǎn)混合鎖模器、光柵對(duì)或大 負(fù)色散光纖色散補(bǔ)償器構(gòu)成，其中光子晶體增益光纖的芯徑為10 — 50微米，數(shù) 值孔徑NA為0.02=0.06,外包層直徑200—400微米，數(shù)值孔徑NA為0.4=0.8, 長度為l一10m,包層泵浦為5-30W的高功率激光二極管，通過調(diào)節(jié)腔內(nèi)色散補(bǔ) 償器，該振蕩器分別運(yùn)行在孤子型、呼吸型和自相似型運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。
3. 按權(quán)利要求1所述的高功率和高重復(fù)率光子晶體光纖紫外飛秒激光器， 其特征在于，高功率大模場(chǎng)光子晶體光纖激光放大器的放大級(jí)為1一3級(jí)放大， 每級(jí)放大，包括大模場(chǎng)的摻鐿離子或鉺離子的雙包覆光子晶體增益光纖、光柵對(duì) 或大負(fù)色散光纖色散補(bǔ)償器構(gòu)成，其中光子晶體增益光纖的芯徑為20—100微 米，數(shù)值孔徑NA為0.02=0.06,外包層直徑200—400微米，數(shù)值孔徑NA為0.4=0.8; 長度為1 —10m,包層泵浦為20—100W高功率激光二極管，放大器在振蕩級(jí)與 放大器之間和放大級(jí)各級(jí)之間都設(shè)置偏振法拉第隔離器。
4. 按權(quán)利要求1所述的高功率和高重復(fù)率光子晶體光纖紫外飛秒激光器， 其特征在于，激光多倍頻裝置為偏硼酸鋇和三硼酸鋰晶體或周期極化非線性晶體 進(jìn)行多倍頻變換，實(shí)現(xiàn)紫外激光運(yùn)轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高功率和高重復(fù)率的光子晶體光纖紫外飛秒激光器，屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。該激光器包括光子晶體光纖的或固體的飛秒激光振蕩器，高功率大模場(chǎng)光子晶體光纖激光放大器和激光多倍頻裝置構(gòu)成。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，該激光器與目前采用的準(zhǔn)分子激光器和鈦寶石激光系統(tǒng)相比，具有高重復(fù)率，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，運(yùn)行費(fèi)用低特點(diǎn)；與DPSS倍頻激光器相比，具有高功率，光束質(zhì)量高和脈寬窄的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01S3/16GK101330190SQ20081005362
公開日2008年12月24日 申請(qǐng)日期2008年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月25日
發(fā)明者劉博文, 宋有建, 路 柴, 王清月, 胡明列 申請(qǐng)人:天津大學(xué)