[0001] 本申请是以申请号为 201910085331.2、 申请日为 2019年 1月 29日的中国专利申请 为基础， 并主张其优先权， 该申请的全部内容在此作为整体引入本申请中 。

[0002] 技术领域

[0003] 本申请属于激光器技术领域， 涉及一种超快激光器， 具体地说涉及一种高峰值 功率低频被动锁模超快激光器。

[0004] 背景技术

[0005] 随着消费电子、 新型显示等应用的发展， 对于激光加工的精细度要求越来越高 ， 超快激光成为行业关注的一个重要方向。 所谓超快激光是指基于 SESAM、 克 尔透镜等锁模技术， 脉冲宽度在飞秒、 皮秒量级的激光器， 其适用于诸多科学 研究与工业应用， 如超快激光可实现纳米级别的材料去除， 并且不产生热效应 ， 因此被称为真正意义上的“冷”加工， 峰值功率高达微焦级别的激光脉冲能够在 材料的加工区域附近产生一个强磁场， 这为高电磁场物理学理论的验证提供了 可能。

[0006] 目前工业用激光器产品结构复杂、 价格昂贵， 通常采用脉冲能量仅为纳焦到皮 焦的功率振荡器， 经过几级放大后达到微焦级别， 即材料加工所需能量级别。 为解决上述技术问题， 行业内已逐渐开发出具有超快激光振荡器的激 光器， 超 快激光振荡器的重复频率在 40MHz- 100MHz范围内， 其具有合适的腔长， 能够满 足泵浦激光器通过有源光纤输出适当增益的要 求， 同时能够平衡光纤色散和非 线性特征， 这对于产生超快激光脉冲是必不可少的。

[0007] 重复频率为几百至 1MHz的激光器是工业中较为常用的， 这一频率范围内的激 光可提高对材料的加工效率， 改善科学研究过程中的信噪比， 同时， 前一个脉 冲的余热能够得到消散。 但是， 为了降低激光器的重复频率， 需要激光器具有 很长的谐振腔， 这就产生了光纤色散、 非线性效应、 光损耗、 热失稳和机械失 稳等负面影响。

[0008] 为弥补激光器生产所能达到与实际应用所要求 的重复频率之间的差距， 当前一 般采用在激光振荡器及其放大级之间设置脉冲 选择器模块， 以改变振荡器的超 快脉冲重复频率和模式， 如图 1所示。 Marchese等人用光纤锁模自由空间、 碟片 激光器和一个多通道腔将谐振器长度延伸至大 约 37米， 实现了 4MHz、 791fs， 单 脉冲能量 11.3 W的超快激光器， 由于它的长谐振腔避免了脉冲选择器和多级激 光 放大器。 这种方法是第一种能够直接产生高功率、 低重复频率超快脉冲的方法 ， 然而， 由于自由空间腔体激光器的热稳定性和机械稳 定性以及可靠性不足阻 碍了这种激光器结构的实际生产。 目前， 单脉冲能量为 |oJ级别、 重复频率为几 M Hz的可靠、 低成本、 紧凑型超快光纤激光器仍旧无法实现。

[0009] 申请内容

[0010] 为此， 本申请正是要解决上述技术问题， 从而提出一种高功率、 低重复频率、 低成本且易于生产的被动锁模超快激光器。

[0011] 为解决上述技术问题， 本申请的技术方案为：

[0012] 本申请提供一种高峰值功率低频被动锁模超快 激光器， 其包括顺次设置的端镜 、 激光增益介质、 光纤单元、 锁模器和输出耦合器， 所述光纤单元两端设置有 模场适配器。

[0013] 作为优选， 所述激光增益介质与所述光纤单元之间还设置 有第一耦合镜。

[0014] 作为优选， 所述锁模器两端还设置有第二耦合镜和第三耦 合镜。

[0015] 作为优选， 所述模场适配器包括沿激光光路顺次设置的单 模光纤、 第四耦合镜 和输出光纤。

[0016] 或者， 作为优选， 所述模场适配器包括沿激光光路顺次设置的单 模光纤、 第五 稱合镜、 第六稱合镜和输出光纤。

[0017] 作为优选， 所述激光增益介质为掺杂稀土元素的固体晶体 、 玻璃、 激光晶体、 有源光纤、 激光二极管、 光泵浦发射器中的一种。

[0018] 作为优选， 所述光纤单元为大模场光纤或光子晶体光纤。

[0019] 作为优选， 所述锁模器为液体染料吸收器、 半导体饱和吸收镜、 石墨烯、 碳纳 米管、 人造饱和吸收器、 量子点饱和吸收器、 克尔透镜、 非线性反射镜中的一 种。

[0020] 作为优选， 所述输出光纤为大模场光纤或光子晶体光纤。 [0021] 作为优选， 所述光纤单元和输出光纤的芯面积为几百至几 千平方微米。

[0022] 本申请的上述技术方案相比现有技术具有以下 优点：

[0023] 本申请所述的高峰值功率低频被动锁模超快激 光器， 其包括顺次设置的端镜、 激光增益介质、 光纤单元、 锁模器和输出耦合器， 所述光纤两端设置有模场适 配器。 其中， 激光增益介质起到产生并放大光子的作用， 所述光纤单元的芯面 积为几百至几千平方微米， 具有较低的非线性和较高的损伤阈值， 两个模场适 配器与光纤单元连接， 确保只有基模 LP01通过自由空间耦合， 同时保证了更高 阶模的能量能够被恢复至基模， 输出耦合器可使光反射形成激光腔， 也能从激 光腔中提取一部分撞击光形成激光输出。 所述超快激光器峰值功率高、 重复频 率低， 易于制作， 制作成本低， 不需要经过脉冲选取和放大， 即可直接产生几 百 KHz到 1MHz的高重复频率、 高强度超快激光。

[0024] 附图说明

[0025] 为了使本申请的内容更容易被清楚的理解， 下面根据本申请的具体实施例并结 合附图， 对本申请作进一步详细的说明， 其中

[0026] 图 1是现有技术中超快激光器的示意图；

[0027] 图 2是本申请实施例 1所述的高峰值功率低频被动锁模超快激光器� �结构示意图

[0028] 图 3是本申请实施例 2所述的高峰值功率低频被动锁模超快激光器� �结构示意图

[0029] 图 4是本申请实施例 1所述的模场适配器的示意图；

[0030] 图 5本申请实施例 2所述的模场适配器的示意图。

[0031] 图中附图标记表示为： 1-端镜； 2 -激光增益介质； 3 -光纤单元； 4 -锁模器； 5 -输 出耦合器； 6 -模场适配器； 61 -单模光纤； 62 -第四耦合镜； 63 -输出光纤； 64 -第 五稱合镜； 65 -第六稱合镜； 7 -第一稱合镜； 8 -第二稱合镜； 9 -第三稱合镜。

[0032] 本申请可以以多种不同的形式实施， 不应该理解为限于在此阐述的实施例， 相 反， 提供这些实施例， 使得本公开是彻底和完整的， 并将本申请的构思充分传 达给本领域技术人员， 本申请将由权利要求来限定。 在附图中， 为了清晰起见 ， 会夸大各装置的尺寸和相对尺寸。 本申请说明书和权利要求书及附图中的术 语“第一”、 “第二”等是用于区别类似的对象， 而不必用于描述特定的顺序或先后 次序。 应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互 换。 此外， 术语“包括”、 “ 具有”以及它们的任何变形， 意图在于覆盖不排他的包含。

[0033] 具体实施方式

[0034] 实施例 1

[0035] 本实施例提供一种高峰值功率低频被动锁模超 快激光器， 其如图 2所示， 包括 顺次设置的端镜 1、 激光增益介质 2、 光纤单元 3、 锁模器 4和输出耦合器 5 , 所述 光纤单元 3的输入端和输出端各设置有一个模场适配器 6。

[0036] 具体地， 所述端镜 1的表面曲率或平整度可将光束返回激光腔， 其具有高反射 率和低波前误差。

[0037] 所述激光增益介质 2为掺杂稀土元素的固体晶体、 玻璃、 激光晶体、 有源光纤 、 激光二极管、 光泵浦发射器中的一种， 所述激光晶体可以是碟状激光晶体。 本实施例中， 所述激光增益介质 2为有源光纤， 当光子以正确的波长、 相位、 偏 振传播通过所述激光增益介质 2时， 激光增益介质 2能够产生并放大光子。

[0038] 所述光纤单元 3为大模场 （LMA） 光纤， 所述 LMA光纤芯直径为 25[xm， 其有效 芯面积为五百平方微米， 具有相当低的非线性特征以及相当高的损伤阈 值， 适 用于有源光纤中放大器的单品脉冲激光或在无 源光纤中光的传输。 所述 LMA光 纤除基模 LP01外， 还具有更高的阶模态， 高阶模态取决于 LMA光纤的芯尺寸， 高阶模态 LP11, LP21, LP02, LP31, LP12,和 LP41共同存在。

[0039] 所述锁模器 （即模式锁定器） 4为液体染料吸收器、 半导体饱和吸收镜、 石墨 烯、 碳纳米管、 人造饱和吸收器、 量子点饱和吸收器、 克尔透镜、 非线性反射 镜中的一种， 本实施例中， 所述锁模器 4为半导体饱和吸收镜。 所述锁模器 4为 被动锁模机构， 其具有调谐方便、 转换效率高的优点。

[0040] 所述输出耦合器 5可以将光束反射回来， 形成一个激光腔， 又可以从激光腔中 提取一部分撞击光形成激光输出。

[0041] 本实施例中， 所述模场适配器 （MFA） 6如图 4所示， 其包括沿激光光路顺次设 置的单模光纤 61、 第四耦合镜 62和输出光纤 63 , 模场适配器 6的作用在于， LMA 光纤的高阶模态会降低激光光束质量， 甚至导致锁模停止， 因此通过设置于光 纤单元 3两端的模场适配器 6确保只有基模 LP01被耦合输出到自由空间， 同时 LM A光纤中其它高阶模态的能量被回复到 LP01模态。 其中， 所述第四耦合镜 62被放 置于距离所述单模光纤 61—定的物距上， 其与所述输出光纤 63之间存在一定像 距， 物距和像距的设定为： 单模光纤 61场模直径 wl被放大到输出光纤 63场模直 径 w2的尺寸一致， 像距与物距之间的比例接近 w2/wl。 本实施例中， 所述输出光 纤 63也为 LMA光纤。

[0042] 实施例 2

[0043] 本实施例提供一种高峰值功率低频被动锁模超 快激光器， 其如图 3所示， 包括 顺次设置的端镜 1、 激光增益介质 2、 光纤单元 3、 锁模器 4和输出耦合器 5 , 所述 光纤单元 3的输入端和输出端各设置有一个模场适配器 6 , 所述激光增益介质 2与 所述光纤单元 3之间还设置有第一耦合镜 7， 所述锁模器 4的前后端分别设置有第 二耦合镜 8和第三耦合镜 9。

[0044] 具体地， 所述端镜 1的表面曲率或平整度可将光束返回激光腔， 其具有高反射 率和低波前误差。

[0045] 所述激光增益介质 2为掺杂稀土元素的固体晶体、 玻璃、 激光晶体、 有源光纤 、 激光二极管、 光泵浦发射器中的一种， 所述激光晶体可以是碟状激光晶体。 本实施例中， 所述激光增益介质 2为激光晶体， 当光子以正确的波长、 相位、 偏 振传播通过所述激光增益介质 2时， 激光增益介质 2能够产生并放大光子， 所述 激光增益介质 2并非基于光纤， 因此需设置所述第一耦合镜 7以将由激光增益介 质 2放大的激光有效的耦合到所述光纤单元 3中； 当激光增益介质 2是基于光纤的 ， 则无需设置稱合透镜。

[0046] 所述光纤单元 3为光子晶体光纤 （PCF） ， 所述 PCF光纤芯直径为 25 _[ xm， 具有 相当低的非线性特征以及相当高的损伤阈值， 可产生强的单脉冲。

[0047] 所述锁模器 （即模式锁定器） 4为液体染料吸收器、 半导体饱和吸收镜、 石墨 烯、 碳纳米管、 人造饱和吸收器、 量子点饱和吸收器、 克尔透镜、 非线性反射 镜中的一种， 本实施例中， 所述锁模器 4为克尔透镜。 所述锁模器 4为被动锁模 机构， 其具有调谐方便、 转换效率高的优点。 由于所述锁模器 4并非基于光纤， 因此在其前后端还需设置稱合透镜， 其中， 第二耦合镜 8可有效的将光纤单元 3 发出的光耦合到锁模器 4中， 所述第三耦合镜 9可将锁模器 4发出的光准直到输出 耦合器 5 , 当锁模器 5基于光纤， 则无需第二耦合镜 8和第三耦合镜 9。

[0048] 所述输出耦合器 5可以将光束反射至第三耦合镜 9， 形成一个激光腔， 又可以从 激光腔中提取一部分撞击光形成激光输出。

[0049] 所述端镜 1、 激光增益介质 2、 第一耦合镜 7、 光纤单元 3、 第二耦合镜 8、 锁模 器 4、 第三耦合镜 9、 输出耦合器 5组成一个重复频率为几百 KHz到 1MHz的高峰值 功率低频被动锁模超快激光器， 光路从所述端镜 1到激光增益介质 2, 之后从激 光增益介质 2到第一耦合镜 7 , 再从第一耦合镜 7到光纤单元 3 , 这一光路可以在 自由空间中， 也可是在光波导管中 （如光纤） ， 或者是在自由空间与光波导管 的混合介质中， 所述光纤单元 3包含基本的 TEM300模式， 所述光纤单元中剩余 高阶模态被剥离， 剥离过程可通过将光纤缠绕在尺寸适中的芯轴 上， 在不衰减 基模的情况下剥离高阶模态， 所述光纤单元 3的长度一句需要从几百 KHz到 1MHz 的重复频率进行选择， 所述光纤单元 3还可为 LMA光纤。

[0050] 本实施例中， 所述模场适配器 6如图 5所示， 其包括沿激光光路顺次设置的单模 光纤 61、 第五稱合镜 64、 第六稱合镜 65和输出光纤 63， 所述输出光纤可以为 LM A光纤， 也可为 PCF光纤， 本实施例中采用 PCF30光纤。 具体地， 所述单模光纤 6 1位于所述第五耦合镜 64的焦平面上， 输出光纤 63位于所述第六耦合镜 65的焦平 面上， 对单模光纤 61的场模直径 wl放大， 使其与输出光纤 63场模直径 w2完全匹 配， 第六耦合镜 65的有效焦距与第五耦合镜 64的有效焦距比例接近 w2/wl。

[0051] 显然， 上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例， 而并非对实施方式的限定 。 对于所属领域的普通技术人员来说， 在上述说明的基础上还可以做出其它不 同形式的变化或变动。 这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。 而由此所 引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请 创造的保护范围之中。

发明概述

技术问题

问题的解决方案

发明的有益效果