操作于連續波和準連續波體系的超高功率單模綠光光纖激光器的制造方法

操作于連續波和準連續波體系的超高功率單模綠光光纖激光器的制造方法
【專利摘要】單模(SM)綠光光纖激光器被配置為在綠光光譜范圍中用連續波(CW)或準連續波(QCW)模式操作。綠光激光器配置有泵浦源，在一(1)微米光譜范圍中以基本波長輸出窄線寬泵浦光，以及單通二次諧波發生器(SHG)(例如非線性LBO晶體)，對泵浦光進行倍頻以輸出信號波長的綠光。泵浦光源被配置為具有MOPFA配置，MOPFA配置具有發射比0.2納米窄的線寬的SM泵浦光的SM種子，并且至少一個鐿(Yb)光纖放大器以基本波長接收并放大SM泵浦光，同時保持線寬比0.2nm窄。SM綠光光纖激光器在510?540nm信號波長范圍中在約50W到千瓦級之間的功率范圍中以15％?30％之間的壁插效率操作。
【專利說明】
操作于連續波和準連續波體系的超高功率單模綠光光纖激光器
技術領域
[0001]本公開涉及基于非線性晶體中基頻處的栗浦信號的單通倍頻的并且操作于紫外和可見光譜范圍的波長處的高功率光纖激光器。具體地，本公開涉及單模(SM)綠光激光系統，所述單模(SM)綠光激光系統基于三硼酸鋰(LBO)晶體中窄線寬鐿(Yb)光纖激光器的單通倍頻，并被配置為操作于包括連續波(CW)和高重復率準連續波(QCW)的體系(regime)的范圍中。更具體地，本公開涉及操作用于生成具有QCW體系中高于550W以及CW體系中高于350W的平均功率、具有高達25%的壁插(will-plug)效率的輸出的SM光纖綠光激光器系統。
【背景技術】
[0002]術語解釋
[0003]本文中，種子激光器或源與助推器放大器之間的放大器級通常被稱為預放大器。
[0004]本文中，使用的助推器指的是在將經過放大的光束向目標或波長轉換器遞送之前的上一個光學放大器。
[0005]連續波(CW)激光器指的是連續地發射輻射而不是如在脈沖激光中那樣用短突發發射福射的激光器。
[0006]轉換效率指的是光功率從一個波長向另一波長的轉換。
[0007]占空比(D)指的是，針對在固定時間間隔處出現的脈沖，脈沖持續時間τ與脈沖重復頻率(PRF)的乘積。占空比可被表達為比值(例如0.0I)，或可被等價地表達為在I %到100 %之間范圍內的百分比，100 %占空比描述CW模式操作激光器。
[0008]二極管激光器指的是被設計為使用受激發射(stimulated emiss1n)來生成相干光輸出的發光二極管。二極管激光器也稱為激光器二極管或半導體激光器。
[0009]二極管栗浦激光器指的是具有被二極管激光器栗浦的增益介質的激光器。
[0010]增益指的是通過放大器從一點向另一點發送的信號的強度、功率或脈沖能量的增加。
[0011]增益介質指的是如以下參照激光器描述的能夠生成光學增益的材料。
[0012]激光器是通過輻射的受激發射進行的光放大的簡稱。
[0013]非線性光學晶體指的是三硼酸鋰非線性光學晶體(LBO)。
[0014]光:本文中，術語“光”一般指的是從紅外到紫外的頻率范圍中的電磁輻射。
[0015]非臨界相位匹配是用于獲得非線性過程的相位匹配的技術。在這種情況下，光束沿非線性晶體的軸之一向下傳輸并調整晶體的溫度。傳播方向是與雙折射非線性晶體的光軸90°正交。該技術不需要栗浦與生成的光束之間的完美對齊，并且不伴隨有已知能夠降低轉換效率的空間走離現象(spatial walk-off phenomenon) ο
[0016]非線性效應指的是可以典型地僅用光的近單色、定向光束(例如那些通過激光器產生的光束)觀看的一類光學現象。高次諧波生成(例如，二次、三次和四次諧波生成)、光學參數振蕩、和頻生成、差頻生成、光學參數放大和受激拉曼散射是非線性效應的示例。
[0017]非線性光學波長轉換過程是非線性的光學過程，由此具有通過非線性介質的給定真空波長λο的輸入光通過產生具有與輸入光相比不同的真空波長的輸出光的方式與介質和/或通過介質的其他光交互。非線性波長轉換等同于非線性頻率轉換，原因在于波長和頻率與光的真空速度有關。兩術語可以互換地使用。非線性光學波長轉換包括高次諧波產生(HHG),例如二次諧波產生(SHG)、三次諧波產生(THG)、四次諧波產生(FHG)等。
[0018]非線性材料指的是具有對于會引起非線性效應的光學輻射具有非零非線性介電響應的材料。ξ| _線性材料的示例包括具有三硼酸鋰(LBO)的晶體等。
[0019]光學放大器指的是放大輸入光學信號的功率的裝置。光學放大器與激光器的相似之處在于:它使用通過栗浦輻射驅動的增益介質但是通常缺乏反饋(即，腔)，從而它具有增益但不振蕩。
[0020]峰值功率指的是時域中的最高光功率，并且在脈沖激光器系統中通常可以通過脈沖能量除以脈沖持續時間來近似。
[0021]相位匹配指的是在多波非線性光學過程中使用的技術，以增強能夠在波之間進行能量的相干轉移的距離。例如，當lu+k2 = k3時三波過程相位匹配，其中Iu是參與過程中的第i個波的波矢量。在倍頻時，例如，該過程在基波和二次諧波相位速度相匹配時是最高效的。典型地，通過對非線性材料中光學波長、偏振狀態和傳播方向的仔細選擇，實現相位匹配條件。
[0022]偏振消光比(PER)是垂直偏振的光功率的比值。PER被用于表征激光的偏振程度。
[0023]脈沖持續時間(τ)指的是重復信號的時間期間或壽命，例如脈沖的前沿和后沿上的半功率點之間的時間間隔。有時，脈沖持續時間被稱為“脈沖寬度”。
[0024]脈沖能量指的是脈沖中的能量的量。可以通過集成脈沖持續時間上的瞬時脈沖功率來計算脈沖能量。
[0025]脈沖周期(T)指的是具有兩個或更多個脈沖的脈沖列中的連續脈沖的等價點之間的時間。
[0026]脈沖重復頻率(PRF)指的是每單位時間脈沖的重復率。PRF與周期T逆相關，例如，PRF= 1/To
[0027]準CW指的是以足夠高的重復率生成一連串脈沖，以看起來連續。
[0028]拉曼非線性效應指的是當強激光耦合到光纖中并且由于受激拉曼散射產生第二、較長波長時觀察到的現象。該拉曼散射光本身會經歷拉曼散射。如果光纖足夠長，則該過程級聯，以產生若干波長或斯托克斯階。
[0029]單頻激光器指的是在單個縱向(singlelongitudinal)模式中發射福射的激光器。
[0030]單個橫向模式或單模(SM)激光器指的是用單個橫向模式操作的激光器。橫向模式確定發射的光束的橫截面上的強度分布。本文SM光束的特征在于:在全功率處，激光的光束品質參數M2S1.15 J2因子是激光光束的光束質量的常用度量。
[0031]斑點噪聲指的是斑點的可觀察到的隨機強度圖案。受激布里淵散射(SBS)是由入射波的功率損耗表現的彳_線性現象。
[0032]拉曼光譜的斯托克斯階(斯托克)指的是在單色光的光譜中除了標準線以外由于拉曼散射而出現的不同輻射帶或拉曼線。
[0033]準相位匹配(qpm)材料:在準相位匹配材料中，基本和高次諧波輻射通過周期性改變材料的非線性系數的符號而近似相位匹配。
[0034]紫外(UV)輻射指的是具備以下特征的電磁輻射:真空波長比可見區域的波長短，但比軟X光的波長長。紫外輻射可以再劃分為以下波長范圍:近UV，從大約380至大約200nm;遠或真空UV(FUV或VUV)，從約200nm至約1nm;以及極UV(Em^XUV)，從約Inm至約31nm。
[0035]壁插效率(WPE)指的是系統將電功率轉換為光功率的能量轉換效率。它被定義為總光輸出功率與輸入電功率的比值。
[0036]現有技術
[0037]高功率綠光激光器的發展已經開啟了對于能夠受益于大約495_570nm特定波長范圍以及該波長范圍中增加的綠光功率電平的近來猛增的新的工業可能性。綠光波長源與更流行的紅外(IR)源相比提供了兩個不同優勢。優勢之一源于固有地提供較小散度和較小焦點的較短波長。另一優勢是在允許耦合到目標中的功率的較高百分比的較短波長處的金屬的相對低反射率(尤其是對于這種高反射率金屬，如銅、金和銀)。因此，高功率GREEN激光器被證明在以下方面特別有利:需要附加制造應用中以及在作為用于制造為電動汽車供能的燃料電池的主要過程的銅焊接中。半導體工業還發現了多種綠光激光器應用，例如晶圓退火、低溫多晶硅(“LTPS”)顯示退火和太陽能電池制造。另一廣闊應用領域是娛樂工業，娛樂工業使用高功率綠光激光器用于激光表演和激光投影儀。
[0038]理想地，以上公開的應用的綠光激光源應當具有單個橫向模式(“SM”)、良好的效率和高功率輸出。以下簡要論述致力于實現該目標的多種激光器技術。
[0039]二極管栗浦固體激光器(“DPSS”)
[0040]歷史上，第一個高功率綠光激光器是以大、笨重且效率很低配置聞名的氬離子激光器，其需要過度冷卻并產生較高的擁有成本。這些激光器的輸出功率一般限于幾十瓦。利用DPSS激光器技術的優勢，氬離子激光器已經逐漸被更強大、高效和緊湊的倍頻DPSS激光器所替代。
[0041 ] DPSS綠光激光源使用與腔內或腔外倍頻設置組合的通常可用的Nd: YAG和Nd: YV04激光器系統。非線性晶體(如三硼酸鋰(LBO)、磷酸鈦氧鉀(KTP)以及周期性偏振的鉭酸鋰(PPLT))已經被廣泛用于頻率轉換。
[0042]盡管從DPSS技術廣泛受益，但超過約100瓦特功率電平的來自腔內倍頻的SMDPSS激光器的綠光輸出功率的縮放是挑戰性的，原因在于激光晶體中的熱光束失真。合并了用于綠光生成的非線性晶體的外部諧振器腔體設計已經用于結合能夠輸出130W的綠光輸出功率的單機SM DPSS激光器。已經用受限于基本IR功率的基本橫向模式報告了較高功率。
[0043]半導體激光器
[0044]存在兩種類型的基于半導體的激光器系統:直接電栗浦系統和最近開發的間接光栗浦系統。直接栗浦SM綠光半導體激光器當前限于非常低的功率，典型地小于100mW。這種類型激光器的進一步的功率縮放需要發展工作研究。
[0045]相反，可以用光栗浦半導體激光器(“0PSL”)獲得顯著更高的輸出功率，光栗浦半導體激光器使用薄半導體多層作為增益介質，該增益介質通常合并了與增益介質相鄰的高反射(“HR”)鏡面層。該結構通常隨熱沉上安裝的大表面積的增長而增長。OPSL增益介質封裝在諧振腔內并且通常用二極管激光器栗浦。由于OPSL通常在近IR范圍內發射，所以為了生成綠光，它們合并了腔內倍頻晶體。
[0046]盡管保持了基模光束質量，但是已經報告了20W的CW綠光輻射。通過將多個OPS芯片放在單個腔體中能夠對OPSL進行進一步地縮放，但代價是光束質量。因此該技術當前限于在用單模體系操作的低于50W的激光系統。
[0047]薄片(thindisk)激光器
[0048]實現高綠光輸出功率的另一技術是薄片激光器系統的倍頻。薄片激光器系統包括植入熱沉上安裝的鏡面中的幾百微米厚的摻雜Yb增益介質。低熱透鏡和大模式區域是導致幾千瓦IR輸出功率電平的主要品質。這些系統的主要缺點包括大形式因子(即，體積大且笨重的結構)以及諧振器設計的復雜度。用功率縮放保持優秀的光束質量也還是極富挑戰性的。可以通過使用不利地影響系統效率的諧振腔中的孔來獲得基模光束質量。極盡
【申請人】的知識，腔內倍頻的Yb:YAG薄片激光器可以傳送不多于255W的CW SM綠光。
[0049]光纖激光器
[0050]光纖激光器(S卩，本發明的主題內容)已經經歷了在近場IR區域中實現的最大輸出功率中的急劇增加。光纖激光器固有的是有效的熱管理和良好的光束質量。與其他技術相比，光纖激光器以低成本、非常緊湊的形狀因素和大功率可縮放性潛力而具有優秀的壁插效率。利用高功率SM光纖激光器技術的優勢，光纖激光器正在成為經由倍頻生成高功率SM綠光輻射的選擇的源。
[0051 ] 綠光光纖激光器技術的概要
[0052]如同DPSS綠光激光器一樣，光纖激光器可以在腔內配置中生成綠光。使用該方法，已經用約1.2的M2報告了 19W的CW綠光輻射的生成。然而，光纖激光器的腔內倍頻當前還是有吸引力的技術，原因在于與該設計不可或缺的光纖和笨重腔體元件之間的有效光束耦合相關的困難。這就是用于生成來自基于光纖的激光源的高功率綠光的兩種主要方法是單通SHG和諧振增強的SHG的原因。
[0053]圖1示出了包括在基頻波長(如本文中所示是1064nm)通過聚焦光學器件12輸出一列IR光脈沖的脈沖主振蕩器功率光纖放大器(MOPFA)激光器系統10。圖1的激光器還具有僅具有兩個主要組件的非常簡單的頻率轉換器，這兩個主要組件是針對SHG的非線性晶體14和光譜濾波器16，光譜濾波器16用來將532nm波長處的綠光與未轉換的IR光分離開。由于工業高功率綠光激光器中最常用的LBO非線性晶體14的相對低的非線性系數，該方法需要有效二次諧波生成(SHG)的高峰值功率。該高峰值功率要求是該方法在具有大約0.1 %或小于0.1%的占空比的脈沖激光器中使用的原因之一。
[0054]圖2示出了用外部諧振腔配置的低/中輸出功率CW綠光光纖激光器的示例示意圖。具體地，所示配置基于提供高腔內功率以實現高效SHG的諧振增強的SHG。通過使用該方法，CW綠光激光器能夠用23 %以上的壁插效率輸出超過170W的功率，同時保持良好的光束質量。為獲得該結果，具有MOPFA配置的單頻(約140kHz線寬)光纖激光器20的輸出被配置為在1064nm處生成230W CW，其被耦合到涵蓋用于綠光生成的非線性晶體14(例如附圖中所示的LB0)的外部領結SHG諧振器24中。該示例中諧振器的諧振頻率通過使用激光領域中技術人員熟知的Pound-Drever-Hal I技術調整諧振器鏡面22之一的位置，以主動鎖定至光纖激光器的頻率。
[0055]基于諧振增強SHG方法的綠光激光器具有許多優點，例如使得它們是用于全息和原子冷卻和俘獲的完美源的固有單頻(SF)操作。這些激光器的綠光輸出是具有非常低的光學噪聲的真實的連續波。此外，使用光纖源和外部腔的適當優化，即使在相對低的功率(10W及更低)處也能夠實現高達90 %的SHG效率和高達30 %的壁插效率。
[0056]另一方面，存在與該方法相關聯的若干缺點。首先，需要單頻(SF)光纖激光器，以將光耦合到窄線寬外部腔中。這對該技術的功率可縮放性強加了限制，該配置中建立的綠光光纖激光器的最大輸出功率通常受光纖放大器中的受激布里淵散射(SBS)閾值限制。諧振增強SHG轉換器與單通頻率轉換器相比是相當復雜的系統。在高功率電平處，NL晶體由于長時間暴露于高光強，可以顯示劣化的跡象。在這些情況下，NL晶體移位的常見部署技術可以幫助延長系統的壽命。然而，由于一定程度嚴格的腔對準容忍度，很難在外部諧振器設計中實現該位移。諧振增強的SHG的另一缺點是激烈振動(尤其是高頻激烈振動)的諧振器靈敏度。
[0057]單通SHG配置不存在全部上述缺點。然而，如以上提及的，它的實際用途主要限于脈沖激光器。為使用該技術用于具有合理的SHG效率(30 %或更高)的CW激光器，IR光纖激光器的輸出功率應當在千瓦范圍中。數年前開發了具有幾千瓦級的IR輸出功率的法布里-珀羅單模光纖激光器。然而，它們的SHG用途是不實際的，原因在于這種激光器與SHG晶體的光譜接受相比相對大的帶寬，這會導致降低的轉換效率。另一方面，單頻光纖激光器，在放大期間保持窄線寬，但由于SBS限制千瓦級的功率是挑戰性的。
[0058]因此，需要采用克服以上公開的限制的單通SHG方案的綠光光纖激光器。
[0059]存在針對以下內容的另一需要:在510-540nm波長范圍中并且在高達千瓦級的功率范圍中具有高達30 %及更高的壁插效率，在綠光激光器范圍中操作于連續波(CW)或準連續波(QCW)模式的SM光纖激光器。

【發明內容】

[0060]通過創造性的1064nm光纖激光器系統滿足以上需要，其被配置為輸出高達千瓦級的線偏振的、窄線寬的GREEN發射，在約5OW與千瓦級之間的范圍中變化的全功率處線寬〈
0.1nm且M2〈l.15。本公開的高功率單個橫向模式(“SM”)光纖激光器在綠光光譜范圍中用連續波(CW)和準連續波(QCW)體系或模式二者操作，并且被進一步稱為綠光光纖激光器。
[0061]創造性的綠光光纖激光器配置有輸出一(I)微米光譜范圍中基本波長處的光的源，以及單通二次諧波發生器(SHG)從源接收光并操作用于以變換后的5xx nm波長輸出綠光。在本公開中，源也稱為SHG的栗浦或栗浦源。因此，與SHG耦合的基本波長的光也稱為栗浦光。
[0062]栗浦源包括單個橫向模式(SM)單頻(SF)線偏振的(LP)種子激光器、一個或更多個光纖放大器、可選線寬展寬系統和聚焦光學器件。一并地，種子和光纖放大器表不主振蕩器功率光纖放大器(MOPFA)架構。
[0063]在結構上，SF LP種子激光器操作用于發送線寬窄于基本波長處的0.2nm的SMSFLP光。可以從分布式反饋(DBF)半導體激光器或光纖激光器選擇SM SF LP種子激光器。光纖放大器可以包括單個或多個可選的預放大器級，以及助推器放大器。光纖放大器均配置有摻雜了鐿(Yb)離子的有源光纖并且還稱為Yb放大器。Yb光纖放大器操作用于放大接收到的SM光，同時保持比0.2nm窄的線寬。使用以上公開的基本平臺，創造性的SM綠光光纖激光器在510-540nm波長范圍中在約50W到千瓦級之間的功率范圍中用在15%-30%之間的壁插效率操作。
[0064]高功率(以及因此高轉換效率)的限制之一被稱為受激布里淵散射(SBS)，這是非線性現象所不希望的。因此，短線寬應當被展寬。已知減輕SBS效應的主要方法之一是增加種子的線寬。這是通過以下方式實現的:用CW體系操作的所公開的栗浦光中集成的線寬展寬系統，以及在一些實施例中用QCW體系操作的所公開的栗浦源。當使用時，線展寬系統操作用于將光纖放大器中的SBS閾值增加到幾千瓦級。結果，SM光束的較高功率允許非線性晶體中更有效地變換。針對單頻種子的線寬展寬系統可以配置有噪聲源、RF放大器和相位調制器。后者可以用幅度調制器替代。不考慮使用調制器的類型，展寬系統被配置為將來自種子源的光的單個頻率線寬均勻展寬至10-40GHZ之間的線寬。
[0065]公開的CW和QCW SM綠光光纖激光器的SHG方案基于三硼酸鋰(LBO)非線性晶體。LBO配置有在至少兩(2)厘米至約六(6)厘米之間變化的長度。在公開栗浦源的一些實施例中，使得光線是偏振保持格式。栗浦源特征光纖組件的備選實施例由非偏振格式制成。在后一種情況下，公開的栗浦源具有位于種子源與Yb光纖放大器之間的偏振控制器，Yb光纖放大器與非線性晶體之間的偏振分析儀，以及偏振分析儀與偏振控制器之間的反饋環路。整個偏振方案的功能是保持LBO輸入處的線偏振。可選地，公開的綠光激光器還可以配置有用于將綠光轉化至更低或更高頻率的附加非線性光學頻率轉換器。
【附圖說明】
[0066]根據伴隨以下附圖的詳細描述，將更清楚本公開的上述和其他特征，附圖中:
[0067]圖1是使用單通SHG的已知光纖激光器的示意圖；
[0068]圖2是具有諧振增強SHG方案的已知光纖激光器的示意圖；
[0069]圖3是創造性的超高功率SM綠光激光器的透視圖；
[0070]圖4A是具有線寬展寬系統的圖3的創造性的高功率CW綠光激光器的光學示意圖；[0071 ]圖4B示出了圖4A的SM綠光光纖激光器的輸出綠光功率和SHG轉換效率；
[0072]圖5A是操作于創造性的CW模式的綠光光纖激光器中以及操作于創造性的QCW模式的綠光激光器的一些實施例中使用的窄線寬的SF SM LP栗浦源的光學示意圖；
[0073]圖5B示出了線寬展寬機制；
[0074]圖5C是所公開的激光器的全部CW和QCQ架構中使用的助推器有源光纖的示意圖；
[0075]圖6A是具有線寬展寬系統的創造性高功率QCW綠光激光器的光學示意圖；
[0076]圖6B示出了操作于圖6A的QCW模式的SM綠光光纖激光器的輸出綠光功率和SHG轉換效率；
[0077]圖7A示出無需線寬展寬系統操作的創造性的高功率QCW綠光激光器的光學示意圖；
[0078]圖7B示出了在不具有圖7A的線寬展寬系統的情況下操作于QCW模式的SM綠光光纖激光器的輸出綠光功率和SHG轉換效率；
[0079]圖8示出了在圖4A、6A和7A中使用的所公開的CW/QCW單通SHG平臺的光學示意圖，其中的組件配置為非偏振保持格式；
[0080]圖9A和9B示出了使用拉曼激光器的創造性的綠光激光器的相應架構；[0081 ]圖1O示出了基于圖4A、6A、7A和8的綠光激光器的三倍頻方案。
[0082]圖1lA和IlB示出了基于圖4A、6A、7A和8的相應四倍頻方案。
[0083]圖12是實現圖4A、6A、7A、8和9A中所示的多個創造性光纖激光器的高功率綠光光纖激光器系統的示例性示意圖。
【具體實施方式】
[0084]所公開的基于光纖激光器的單模單頻綠光源能夠在從CW至高重復率QCW的廣闊范圍體系中操作，并通過提供線偏振窄線寬發射的高功率激光器來生成高達千瓦級的平均功率，同時仍在全功率下保持小于0.1nm的線寬且M2〈l.15。
[0085]參照圖3，創造性的SM光纖綠光激光器30包括容納有信號發生器的主控制臺32、預放大器級(如果必要)、助推器放大器、電子設備等。創造性的激光器30還包括激光頭34，激光頭34與主控制臺32間隔開并容納用于二次和更高次(如果必要)諧波方案的諧波發生器和聚焦光學器件。柔性電纜36在控制臺32與激光頭34之間延伸。典型地，綠光激光器30采用主振蕩器和功率放大器(MOPFA)配置，功率放大器(MOPFA)配置具有功率放大器，該功率放大器具有一個或更多個光纖預放大器和助推器(最有一個也是最強大的放大器)。光纖(預)放大器配置有光學光纖作為摻雜有稀有地球元素(例如鐿(Yb))離子的增益介質。
[0086]圖4A示出了操作于CW模式的所公開的綠光光纖激光器的示意圖。激光系統30包括配置有生成栗浦光的單頻(SF)單模(SM)偏振(LP)種子源或激光器38的CW栗浦源、線寬展寬系統40、可以具有預放大器42和助推器放大器44的單模多級光纖放大器，以及聚焦光學器件46。種子源38被配置為優選地輸出線偏振光的DBF SF激光器，盡管它也可以配置為輸出圓偏振栗浦光。激光器30還具有單通SHG，其包括將栗浦光轉換為綠光的LBO非線性晶體48和反射栗浦光但透射綠光的分色鏡50。
[0087]參照圖4B，隨著栗浦光的功率增加，綠光的功率也趨向于增加。SHG方案的光學效率還隨增加的栗浦光功率而增加。
[0088]參照圖5A和5B，栗浦源(也稱為主平臺)被配置為用本發明的全部CW和一些QCW架構來操作。它在I微米基本波長范圍(例如1064nm波長)中操作，以輸出窄線寬的發射栗浦光。優選地，光纖放大器42和44的全部光纖組件是線偏振的。備選地，如以下將詳細討論的，可以用非偏振保持格式來配置創造性的栗浦源的光纖組件。
[0089]CW栗浦源包括SF SM LP激光二極管或SM SF光纖激光器38，配置有相位調制器50的線寬展寬系統40、放大RF噪聲的源52，以及單模偏振保持多級光纖放大器42、44。
[0090]栗浦源被配置為發射具有在全功率處線寬〈0.2nm且光束質量參數M2〈l.15的栗浦光，其針對本發明的全部實際目的被認為是單個橫向模式光束。種子38的線寬被從小于IMHz展寬至約20-25GHZ，以將光纖放大器中的SBS閾值增加到幾千瓦級。圖5B中示出了在相位調制器50之后光譜線寬展寬的示例。
[0091]在最大輸出功率處，放大器的光學噪聲為約I %峰值到峰值并且偏振消光比(PER)優于50:1 (>17dB);高PER對于倍頻應用是有益的。盡管具有高輸出功率，但放大器被封裝在具有僅532x332x52mm的維度并且安裝了全部組件(栗浦二極管、隔離器、增益塊、控制板等)的小于12kg的總重量的非常緊湊并且重量輕的模塊中。
[0092]參照圖5C，圖4A和5A的助推器44配置有在助推器的相對端之間延伸并支持多個橫向模式的單體(一件)多模纖芯54，以及至少一個包層(cladding)60。然而，纖芯54被配置為僅支持所需基本波長處的單個基模。這是通過將MM纖芯54的模場直徑(MFD)與SM無源光纖62匹配來實現的，SM無源光纖62將SM栗浦光從圖4A和5A的種子38沿它的纖芯64導引至輸出SM光纖59。有源和無源輸入和輸出光纖的組合涵蓋在外殼中并被稱為光纖塊。
[0093]為進一步提高SBS閾值，纖芯54具有雙瓶頸形的橫截面。具體地，纖芯54配置有均勻尺寸的輸入纖芯端56，其可以或可以不具有與無源光纖62的SM纖芯64相等的幾何直徑。當基本波長的來自種子38的SM栗浦光耦合到MM纖芯54的纖芯輸入端56中時，它僅激發強度分布實質上與純SM的高斯強度分布匹配的基模。
[0094]纖芯54還包括大直徑均勻尺寸模式變換纖芯部分58，其通過絕熱延伸模式變換芯區66接收導引的基模。中心芯區58的大直徑允許接收更大放大器栗浦功率，然而不增加提高SBS閾值的這部分內的功率強度。輸出模式變換芯區57可以被配置為等同于纖芯54的纖芯部分66，以絕熱地減小基頻處的放大栗浦光的模場直徑。然后，后者與實際接收放大SM栗浦光的輸出SM無源光纖59耦合，而不存在耦合損耗。
[0095]在實驗上，已經在操作的CW模式中觀察到從基本波長處的約IkW的栗浦得到的在532nm處的遠高于350W，SHG效率約35%。具有圖5C的助推器44的2kW窄線寬SM Yb光纖放大器將SHG效率提高為60-70%，并將綠光功率提高至IkW及以上。
[0096]圖1和2中所示的現有技術架構中的綠光功率原則上受兩個因素限制:栗浦光源功率和晶體對于承受該功率的容忍度。助推器放大器44的配置允許發射高達千瓦級的SF SMLP栗浦光。相信這種高功率電平顯著高于已知綠光系統中使用的
【申請人】已知的任意栗浦源的功率電平。
[0097]參照圖6A，在與具有使用的圖5C的助推器放大器44的圖4A的真實CW綠光源相同的主平臺上實現QCW體系，圖5C的助推器放大器44只要低于SBS閾值操作不需要任何修改。通過添加操作用于用2-100%占空比直接調制種子激光器38的輸入處的電流的脈沖調制器70來實現QCW體系。摻Yb源的輸出聚焦于高質量LBO晶體48，高質量LBO晶體48可以與用于單通SHG變換的CW體系等同配置。
[0098]圖6A的創造性QCW高功率綠光激光器系統被配置為具有栗浦源的高平均功率和高重復率以及高占空比。在各實施例之一中，SM SF LP種子源38的栗浦電流直接調制為4MHz的重復率和50%占空比，導致約IkW平均功率處的約2kW的放大栗浦光峰值功率;峰值功率仍遠低于具有約20GHz的線寬使用的放大器的SBS閾值。增加的峰值功率因此導致與CW情況相比更高的SHG效率。注意到以下內容很重要:助推器44的栗浦(未示出)用CW模式操作，助推器44的栗浦可以包括單個或多個MM二極管激光器。此外，由于高重復率，在放大至全功率期間，125ns脈沖沒有顯示由于增益損耗導致的顯著形狀失真。實驗具有2kW的栗浦光峰值功率輸出，SHG效率與圖4A的CW配置相比以相同的平均功率從小于35%增加到遠高于50%。在圖6B中相對于平均栗浦功率繪制了獲得的綠光平均功率和相應轉換效率。
[0099 ] 例如，圖6A的GREEN激光器生成高于55OW的綠光平均功率。這與約52 %的SHG轉換效率和超過16%的整個綠光激光器系統的壁插效率相對應。在實驗期間，綠光功率沒有顯示任何滾降的跡象。上至超過550W的最大綠光功率，尚未觀察的光束質量劣化的跡象;綠光光束已經保持接近衍射限制。相信高于550W的最大綠光功率對于QCW SM SF綠光激光器系統獨一無二地高，并且僅可以用增加的栗浦光峰值功率增加至千瓦級。
[0100]轉向圖7A，創造性QCW綠光激光器系統與圖6A的QCW綠光激光器系統區別在于不具有線寬展寬組件。然而，圖7A的創造性的QCW綠光激光器的單通SHG效率典型地針對純脈沖的綠光激光器增加至60%-70%的范圍。提高的SHG效率歸因于大幅提高的基本波長的SM光的栗浦峰值功率。例如，當前已經在圖7A的架構中使用了栗浦光源的4-5千瓦級峰值功率。使用這些高峰值功率，需要與圖4A和6A的線寬展寬不同的技術。具體地，該技術需要縮短脈沖持續時間。從激光器移除相位調制器和所附電子器件使圖7A的QCW綠光激光系統與圖4A和圖6A的架構相比簡單和性價比高。然而，占空比的相同降低當然也可以用圖6A的架構實現，其將導致圖7A中輸出光的相同特征。
[0101]具有圖7A的架構的各種實驗顯示以348W的平均功率實現約5.5kW的栗浦光峰值功率，而不需要SBS的發生(onset)。在通過SHG轉換器之后，用在圖7B中示出的約63%的SHG效率生成得到的241W的綠光平均輸出功率。在該實驗配置中，綠光激光系統的整個壁插效率已經達到了 20%。約63%的SHG效率堪比可用低占空比單通脈沖綠光激光器以及用諧振增強的CW綠光激光器實現的效率。實驗還顯示該綠光功率可以響應于增加的栗浦光峰值功率增加，同時SHG效率仍保持高于60%。
[0102]總之，以上公開的配置以及結果極盡
【申請人】的知識對于已知CW和QCWSF SM綠光激光源是唯一的。該實驗在非線性晶體48中也未示出任何不利影響。如以上提到的，相應圖4A、6A和7A的公開架構中輸出綠光功率僅受使用的栗浦源限制，這使得圖5C的助推器44的配置因此由于它的高輸出功率是有利的。顯然通過調整圖6A和7A二者的QCW種子激光器的占空比，針對以低至50-1OOW開始并以高至若干千瓦結束的綠光輸出功率的廣闊范圍實驗性實現的60%SHG效率轉換遠未達到極限。例如，采用根據圖5C配置的幾千瓦窄線寬SM Yb光纖助推器44，可以獲得在CW中高達若干千瓦并且在QCW體系中甚至更高的平均綠光輸出功率。
[0103]圖8示出了配置有光纖組件的SM高功率綠光系統30，所述光纖組件在圖4A的CW架構中以及在相應圖6A和7A的兩個QCW架構中用非偏振保持格式實現。在該架構中，添加了用于控制偏振的裝置，并包括位于偏振種子38和Yb光纖預放大器42之間的偏振控制器72和助推器44與LBO 48之間的偏振分析儀74。在偏振分析儀74與偏振控制器72之間提供反饋環路78，連續監控并在非線性晶體的輸入處維持基頻處的栗浦光的所需偏振。
[0104]參照圖9A，綠光具有產業應用的不錯的份額。當前，綠光源找到了它們在顯示器產業中的最廣泛的應用，例如紅綠藍(RGB)數字顯示器或娛樂產業。然而，即使當如圖4-8中公開的綠光窄光譜增加時，綠光窄光譜相對于屏幕上的斑點噪聲是低效的。為了在全部公開配置中在某種程度上展寬得到的綠光的線寬，拉曼轉換器(即無源光纖80的長度)在包括LBO 48的在SHG方案之后添加至創造性配置。增加地長于原始綠光波長處的一個或更多個斯托克的特征在于減小斑點噪聲的更寬的線寬。備選地，替代于拉曼轉換器，可以在以上公開的示意圖中使用本領域技術人員熟知的光學參數振蕩器。圖9A的示意圖對于使斑點噪聲最小是有效的，否則可以在輸出綠光照亮的屏幕上看見該斑點噪聲。
[0105]圖9B示出了被配置為減小斑點噪聲的備選示意圖。與圖9A類似，綠光激光器30基于圖6-7的主平臺。放大和助推器級聯，各自配置有由用CW體系(未示出)操作的通過激光二極管栗浦來栗浦的摻雜Yb光纖。放大器順次增加進一步耦合到拉曼轉換器30中的脈沖栗浦光的功率，其有效地轉換至具有耦合到SHG 48中的更寬的光譜線寬的順序斯托克斯階，更寬的光譜線寬在所需拉曼位移波長處具有寬光譜接受。
[0106]盡管LBO的寬帶光譜接受范圍，拉曼位移的波長范圍可能仍過寬并顯著影響轉換效率。在這種情況下，所需斯托克斯階由栗浦LB048通過來自用CW體系操作的寬帶拉曼種子41的光來縮窄。基本波長的SM栗浦光和拉曼種子光在助推器44中放大之前耦合到WDM 43中。在該示意圖中，由SM種子源38確定時間特征，同時通過CW拉曼種子41來確定拉曼位移波長處的栗浦光的光譜特征，并展寬拉曼轉換器中的線寬。因此，拉曼種子的輸出的波長和線寬可被裁量為所需栗浦光波長范圍內的特定線寬。圖9B的示意圖，如圖9A的示意圖一樣，操作用于使由屏幕上入射的輸出綠光產生的斑點噪聲最小。
[0107]參照圖10、11A和11B，全部相關的上述附圖4A的創造性綠光激光器系統30可以用于經由三次和四次諧波生成(分別地，THG和FHG)輸出高平均功率單模UV激光器。
[0108]示意性地參照圖10，所示三倍頻方案，除了主要平臺和SHG方案以外還包括第二非線性晶體，例如LBO 49，在LBO 49中栗浦與綠光混合以產生約355nm波長(1604nm波長處的三次諧波的生成)的UV光。用虛線示出了脈沖驅動器70，以示出不僅在用CW體系操作的圖4A的架構中、還在圖6A、7A和8中的QCW體系中操作使用所示三倍頻方案的可能性。在QCW體系的情況下，當然，所示三倍頻方案在圖8、6A和7A的架構中有效地操作，后者不需要線寬展寬系統。用以上公開的示意圖的實驗產生了約355nm波長的UV光的高達200W的功率。
[0109]圖1lA示出了使用圖5A和5C的主平臺的四倍頻方案，SHG發生器包括LBO48并且還包括兩個附加LBO晶體49。在第一LBO晶體49中，基本1064nm波長處的殘余栗浦光與約532nm波長處的綠光混合，以產生355nm波長的UV光。剩余的栗浦光與生成的355nm的UV光還在后續LBO 49中混合，以產生266nm波長的深UV光。用虛線示出了組件的存在指出在圖4A、6A、7A和8中使用CW和QCW體系二者中使用所示示意圖的可能性，具有以上詳細論述的若干明顯替代形式。
[0110]圖1lB示出了其中兩個附加LBO晶體由單個硼酸鋇(BBO)晶體49’替代的四倍頻方案的備選示意圖。可以在圖4A、6A、7A和8的全部示意圖中使用所示架構。
[0111]參照圖12，多個綠光光纖激光器30組合在一起，以構建輸出超高功率的綠光的系統。如所示，系統包括根據任意相應圖4-8的配置的來配置的至少兩個高功率單模(SM)綠光激光器30。相應綠光激光器的輸出光纖90向MM組合器75傳送綠光光束。
[0112]圖12的修改的系統的應用之一可以用于增加綠光的線寬。如已知，斑點噪聲是激光輻射高度相干特性的結果。因此，圖12的修改的系統可以包括多個綠光激光器30，多個綠光激光器30以具有以1nm至約20nm波長范圍之間變化的相反極端波長之間的距離輸出不同波長的相應綠光。輸出光纖90向MM組合器75傳送相應綠光光束，其中輸出組合到用增加線寬輸出的單個MM系統綠光中。
[0113]為滿足光纖的全口徑，可以加強通過多個外部致動器(例如可以使用壓電振動器76)的模式混合。如圖12中所示，振動器76可以分別與MM輸出光纖90關聯使用。備選地，振動器76可以緊緊位于組合器75之前或之后。
[0114]將理解的是，本發明不限于那些特定實施例，并且本領域技術人員可以在本文中執行各種改變、修改和適應，而不偏離所附權利要求中定義的本發明的范圍或精神。
【主權項】
1.一種在連續波CW模式中操作于綠光光譜范圍的高功率單模SM光纖激光器，包括: 單頻SF單模SM偏振種子源，操作用于在一(I)微米光譜范圍中在基本波長處以窄于.0.2nm的線寬發射SM栗浦光； 至少一個摻鐿Yb光纖放大器，接收并放大基本波長處的SF SM偏振栗浦光，同時保持線寬窄于0.2nm;以及 非線性光學頻率轉換器，被配置為在單通二次諧波發生SHG方案中，將基本波長處的經過放大的SF SM偏振栗浦光轉換為信號波長處的SM輸出綠光， 其中，SM光纖激光器在510-540nm的波長范圍中以及約50W到千瓦級之間的功率范圍中以15 % -35 %之間的壁插效率進行操作。2.一種在準連續波QCW模式中操作于綠光光譜范圍的高功率單模SM光纖激光器，包括: 單頻SF單模SM偏振種子源，操作用于在一(I)微米光譜范圍中在基本波長處以窄于.0.2nm的線寬發射SM栗浦光； 脈沖驅動器，操作用于調制種子源的輸入處的電流，以產生均具有高于300皮秒的脈沖寬度的SM栗浦光的脈沖，重復率從約一(I )MHz的速率到約500MHz，并且占空比在約2 %到小于100%之間； 至少一個摻鐿Yb光纖放大器，接收并放大基本波長處的SF SM偏振栗浦光的脈沖，同時保持線寬窄于0.2nm;以及 非線性光學頻率轉換器，被配置為，在單通二次諧波發生SHG方案中，將經過放大的SFSM偏振栗浦光轉換為信號波長處的SM輸出綠光， 其中，SM光纖激光器在510-540nm的波長范圍內在約50W到千瓦級之間的SM輸出綠光的功率范圍中以15 % -35 %之間的壁插效率進行操作。3.根據權利要求1或2所述的高功率SM光纖激光器，其中，所述種子源是發射線偏振SFSM栗浦光的分布式反饋激光器SF SM二極管激光器。4.根據權利要求1所述的高功率SM光纖激光器，還包括: 位于種子源和一個Yb光纖放大器之間的至少一個SM Yb光纖預放大器，以及耦合在所述一個Yb放大器和SHG方案之間的聚焦光學器件，以及 線寬展寬系統，耦合在種子源與一個Yb放大器之間，并操作用于均勻地將SM栗浦光的單頻線寬展寬為10-40GHZ之間的線寬，所述線寬展寬系統配置有聲學或幅度調制器。5.根據權利要求1或2所述的高功率SM光纖激光器，還包括: SM輸入無源光纖LP光，導引來自種子源的SM栗浦光，并與YB光纖放大器的輸入芯區親合，以及 輸出SM無源光纖，與Yb光纖放大器耦合，以導引經過放大的SM栗浦光， Yb光纖放大器，具有被至少一個包層環繞的單體多模MM纖芯，所述MM纖芯被配置為支持基本波長處的單個基模，并且包括: 相對的輸入和輸出均勻尺寸芯區，與相應的輸入和輸出SM無源光纖耦合， 均勻尺寸的中心芯區，其直徑大于輸入和輸出芯區的直徑，以及一對模式變換區域，將輸入和輸出芯區與中心芯區的相應端橋接，其中，SM輸入和輸出無源光纖和摻Yb放大器的輸入和輸出芯區配置有彼此匹配的相應模場直徑。6.根據權利要求1或2所述的高功率SM光纖激光器，其中，SHG方案配置有長度在至少二(2)厘米和約六(6)厘米之間變化的三硼酸鋰非線性晶體LBO。7.根據權利要求1或2所述的高功率SM光纖激光器，其中，摻Yb光纖放大器包括配置為偏振保持PM格式的光纖組件。8.根據權利要求1或2所述的高功率SM光纖激光器，還包括: 偏振控制器，位于種子源與Yb光纖放大器之間， 偏振分析儀，位于Yb光纖放大器與非線性晶體之間，以及 反饋環路，位于偏振分析儀與偏振控制器之間，所述反饋環路被配置為:當摻Yb光纖放大器被配置為非偏振保持格式時，在非線性晶體的輸入處保持線偏振。9.根據權利要求1或2所述的高功率SM光纖激光器，還包括:拉曼轉換器，接收信號波長處的輸出綠光，并被配置為在第一或更高斯托克斯波長處輸出拉曼位移綠光，以消除入射到屏幕上的綠色輸出光中斑點的可視外觀。10.根據權利要求2所述的高功率SM光纖激光器，還包括: 拉曼轉換器，與光纖放大器耦合，以在SM栗浦光的拉曼位移波長處轉換SM栗浦光的基本波長，以及 寬帶CW拉曼種子栗浦源，輸出位于拉曼位移波長處的光，該光耦合到Yb光纖放大器中，其中，所述寬帶CW拉曼種子被配置為最小化入射到屏幕上的拉曼位移波長處的綠光輸出光中的斑點的可視外觀。11.根據權利要求1或2所述的高功率SM光纖激光器，還包括:附加LB0，接收信號頻率處的輸出綠光，并操作用于生成SM栗浦光的四次諧波。12.根據權利要求2所述的高功率SM光纖激光器，還包括:線寬展寬系統，耦合在種子源與Yb光纖放大器之間，并操作用于將SM栗浦光的單頻線寬均勻展寬為10-40GHZ之間的線寬，所述種子源以約50MHz的脈沖重復和50%的占空比發射脈沖，所述線寬展寬系統配置有聲學或幅度調制器，其中，輸出綠光的功率高于550W，SHG方案的轉換效率在SM栗浦光的平均功率為IkW且峰值功率為2kW處為約52%。13.根據權利要求2所述的高功率SM光纖激光器，其中，所述脈沖驅動器操作用于對種子源的輸入電流進行調制，以將具有50MHz的重復率和7 %的占空比的脈沖耦合到Yb光纖放大器中，所述Yb光纖放大器將脈沖放大為每個脈沖的峰值功率在4-5kW的范圍，而SHG方案的轉換效率在60%和70%之間變化。14.一種激光器系統，包括: 至少兩個高功率單模SM光纖激光器，每個高功率SM光纖激光器是根據權利要求1或2配置的并具有輸出MM無源光纖，所述兩個高功率SM光纖激光器被配置為以不同信號波長輸出相應SM綠光，所述不同信號波長以至少1nm與約20nm之間的距離彼此間隔開，以及 多模組合器，與相應輸出MM光纖耦合，并被配置為組合單個系統MM綠光輸出光束中的綠色輸出光。
【文檔編號】H01S3/067GK106063056SQ201580011334
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2015年1月6日 公開號201580011334.1, CN 106063056 A, CN 106063056A, CN 201580011334, CN-A-106063056, CN106063056 A, CN106063056A, CN201580011334, CN201580011334.1, PCT/2015/10345, PCT/US/15/010345, PCT/US/15/10345, PCT/US/2015/010345, PCT/US/2015/10345, PCT/US15/010345, PCT/US15/10345, PCT/US15010345, PCT/US1510345, PCT/US2015/010345, PCT/US2015/10345, PCT/US2015010345, PCT/US201510345
【發明人】瓦倫丁·蓋龐特瑟夫, 伊格爾·山馬爾特瑟夫, 阿列克謝·阿夫多欣
【申請人】Ipg光子公司