操作于连续波和准连续波体系的超高功率单模绿光光纤激光器制造技术

单模(SM)绿光光纤激光器被配置为在绿光光谱范围中用连续波(CW)或准连续波(QCW)模式操作。绿光激光器配置有泵浦源，在一(1)微米光谱范围中以基本波长输出窄线宽泵浦光，以及单通二次谐波发生器(SHG)(例如非线性LBO晶体)，对泵浦光进行倍频以输出信号波长的绿光。泵浦光源被配置为具有MOPFA配置，MOPFA配置具有发射比0.2纳米窄的线宽的SM泵浦光的SM种子，并且至少一个镱(Yb)光纤放大器以基本波长接收并放大SM泵浦光，同时保持线宽比0.2nm窄。SM绿光光纤激光器在510‑540nm信号波长范围中在约50W到千瓦级之间的功率范围中以15％‑30％之间的壁插效率操作。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及基于非线性晶体中基频处的泵浦信号的单通倍频的并且操作于紫外和可见光谱范围的波长处的高功率光纤激光器。具体地，本公开涉及单模(SM)绿光激光系统，所述单模(SM)绿光激光系统基于三硼酸锂(LBO)晶体中窄线宽镱(Yb)光纤激光器的单通倍频，并被配置为操作于包括连续波(CW)和高重复率准连续波(QCW)的体系(regime)的范围中。更具体地，本公开涉及操作用于生成具有QCW体系中高于550W以及CW体系中高于350W的平均功率、具有高达25％的壁插(wall-plug)效率的输出的SM光纤绿光激光器系统。
技术介绍
术语解释本文中，种子激光器或源与助推器放大器之间的放大器级通常被称为预放大器。本文中，使用的助推器指的是在将经过放大的光束向目标或波长转换器递送之前的上一个光学放大器。连续波(CW)激光器指的是连续地发射辐射而不是如在脉冲激光中那样用短突发发射辐射的激光器。转换效率指的是光功率从一个波长向另一波长的转换。占空比(D)指的是，针对在固定时间间隔处出现的脉冲，脉冲持续时间τ与脉冲重复频率(PRF)的乘积。占空比可被表达为比值(例如0.01)，或可被等价地表达为在1％到100％之间范围内的百分比，100％占空比描述CW模式操作激光器。二极管激光器指的是被设计为使用受激发射(stimulated emission)来生成相干光输出的发光二极管。二极管激光器也称为激光器二极管或半导体激光器。二极管泵浦激光器指的是具有被二极管激光器泵浦的增益介质的激光器。增益指的是通过放大器从一点向另一点发送的信号的强度、功率或脉冲能量的增加。增益介质指的是如以下参照激光器描述的能够生成光学增益的材料。激光器是通过辐射的受激发射进行的光放大的简称。非线性光学晶体指的是三硼酸锂非线性光学晶体(LBO)。光：本文中，术语“光”一般指的是从红外到紫外的频率范围中的电磁辐射。非临界相位匹配是用于获得非线性过程的相位匹配的技术。在这种情况下，光束沿非线性晶体的轴之一向下传输并调整晶体的温度。传播方向是与双折射非线性晶体的光轴90°正交。该技术不需要泵浦与生成的光束之间的完美对齐，并且不伴随有已知能够降低转换效率的空间走离现象(spatial walk-off phenomenon)。非线性效应指的是可以典型地仅用光的近单色、定向光束(例如那些通过激光器产生的光束)观看的一类光学现象。高次谐波生成(例如，二次、三次和四次谐波生成)、光学参数振荡、和频生成、差频生成、光学参数放大和受激拉曼散射是非线性效应的示例。非线性光学波长转换过程是非线性的光学过程，由此具有通过非线性介质的给定真空波长λ0的输入光通过产生具有与输入光相比不同的真空波长的输出光的方式与介质和/或通过介质的其他光交互。非线性波长转换等同于非线性频率转换，原因在于波长和频率与光的真空速度有关。两术语可以互换地使用。非线性光学波长转换包括高次谐波产生(HHG)，例如二次谐波产生(SHG)、三次谐波产生(THG)、四次谐波产生(FHG)等。非线性材料指的是具有对于会引起非线性效应的光学辐射具有非零非线性介电响应的材料。非线性材料的示例包括具有三硼酸锂(LBO)的晶体等。光学放大器指的是放大输入光学信号的功率的装置。光学放大器与激光器的相似之处在于：它使用通过泵浦辐射驱动的增益介质但是通常缺乏反馈(即，腔)，从而它具有增益但不振荡。峰值功率指的是时域中的最高光功率，并且在脉冲激光器系统中通常可以通过脉冲能量除以脉冲持续时间来近似。相位匹配指的是在多波非线性光学过程中使用的技术，以增强能够在波之间进行能量的相干转移的距离。例如，当k1+k2＝k3时三波过程相位匹配，其中k1是参与过程中的第i个波的波矢量。在倍频时，例如，该过程在基波和二次谐波相位速度相匹配时是最高效的。典型地，通过对非线性材料中光学波长、偏振状态和传播方向的仔细选择，实现相位匹配条件。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。脉冲持续时间(τ)指的是重复信号的时间期间或寿命，例如脉冲的前沿和后沿上的半功率点之间的时间间隔。有时，脉冲持续时间被称为“脉冲宽度”。脉冲能量指的是脉冲中的能量的量。可以通过集成脉冲持续时间上的瞬时脉冲功率来计算脉冲能量。脉冲周期(T)指的是具有两个或更多个脉冲的脉冲列中的连续脉冲的等价点之间的时间。脉冲重复频率(PRF)指的是每单位时间脉冲的重复率。PRF与周期T逆相关，例如，PRF＝1/T。准CW指的是以足够高的重复率生成一连串脉冲，以看起来连续。拉曼非线性效应指的是当强激光耦合到光纤中并且由于受激拉曼散射产生第二、较长波长时观察到的现象。该拉曼散射光本身会经历拉曼散射。如果光纤足够长，则该过程级联，以产生若干波长或斯托克斯阶。单频激光器指的是在单个纵向(single longitudinal)模式中发射辐射的激光器。单个横向模式或单模(SM)激光器指的是用单个横向模式操作的激光器。横向模式确定发射的光束的横截面上的强度分布。本文SM光束的特征在于：在全功率处，激光的光束品质参数M2≤1.15。M2因子是激光光束的光束质量的常用度量。斑点噪声指的是斑点的可观察到的随机强度图案。受激布里渊散射(SBS)是由入射波的功率损耗表现的非线性现象。拉曼光谱的斯托克斯阶(斯托克)指的是在单色光的光谱中除了标准线以外由于拉曼散射而出现的不同辐射带或拉曼线。准相位匹配(qpm)材料：在准相位匹配材料中，基本和高次谐波辐射通过周期性改变材料的非线性系数的符号而近似相位匹配。紫外(UV)辐射指的是具备以下特征的电磁辐射：真空波长比可见区域的波长短，但比软X光的波长长。紫外辐射可以再划分为以下波长范围：近UV，从大约380至大约200nm；远或真空UV(FUV或VUV)，从约200nm至约10nm；以及极UV(EUV或XUV)，从约1nm至约31nm。壁插效率(WPE)指的是系统将电功率转换为光功率的能量转换效率。它被定义为总光输出功率与输入电功率的比值。现有技术高功率绿光激光器的发展已经开启了对于能够受益于大约495-570nm特定波长范围以及该波长范围中增加的绿光功率电平的近来猛增的新的工业可能性。绿光波长源与更流行的红外(IR)源相比提供了两个不同优势。优势之一源于固有地提供较小散度和较小焦点的较短波长。另一优势是在允许耦合到目标中的功率的较高百分比的较短波长处的金属的相对低反射率(尤其是对于这种高反射率金属，如铜、金和银)。因此，高功率GREEN激光器被证明在以下方面特别有利：需要附加制造应用中以及在作为用于制造为电动汽车供能的燃料电池的主要过程的铜焊接中。半导体工业还发现了多种绿光激光器应用，例如晶圆退火、低温多晶硅(“LTPS”)显示退火和太阳能电池制造。另一广阔应用领域是娱乐工业，娱乐工业使用高功率绿光激光器用于激光表演和激光投影仪。理想地，以上公开的应用的绿光激光源应当具有单个横向模式(“SM”)、良好的效率和高功率输出。以下简要论述致力于实现该目标的多种激光器技术。二极管泵浦固体激光器(“DPSS”)历史上，第一个高功率绿光激光器是以大、笨重且效率很低配置闻名的氩离子激光器，其需要过度冷却并产生较高的拥有成本。这些激本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在连续波CW模式中操作于绿光光谱范围的高功率单模SM光纤激光器，包括：单频SF单模SM偏振种子源，操作用于在一(1)微米光谱范围中在基本波长处以窄于0.2nm的线宽发射SM泵浦光；至少一个掺镱Yb光纤放大器，接收并放大基本波长处的SF SM偏振泵浦光，同时保持线宽窄于0.2nm；以及非线性光学频率转换器，被配置为在单通二次谐波发生SHG方案中，将基本波长处的经过放大的SF SM偏振泵浦光转换为信号波长处的SM输出绿光，其中，SM光纤激光器在510‑540nm的波长范围中以及约50W到千瓦级之间的功率范围中以15％‑35％之间的壁插效率进行操作。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.06 US 61/939,014;2014.01.06 US 61/923,793;1.一种在连续波CW模式中操作于绿光光谱范围的高功率单模SM光纤激光器，包括：单频SF单模SM偏振种子源，操作用于在一(1)微米光谱范围中在基本波长处以窄于0.2nm的线宽发射SM泵浦光；至少一个掺镱Yb光纤放大器，接收并放大基本波长处的SF SM偏振泵浦光，同时保持线宽窄于0.2nm；以及非线性光学频率转换器，被配置为在单通二次谐波发生SHG方案中，将基本波长处的经过放大的SF SM偏振泵浦光转换为信号波长处的SM输出绿光，其中，SM光纤激光器在510-540nm的波长范围中以及约50W到千瓦级之间的功率范围中以15％-35％之间的壁插效率进行操作。2.一种在准连续波QCW模式中操作于绿光光谱范围的高功率单模SM光纤激光器，包括：单频SF单模SM偏振种子源，操作用于在一(1)微米光谱范围中在基本波长处以窄于0.2nm的线宽发射SM泵浦光；脉冲驱动器，操作用于调制种子源的输入处的电流，以产生均具有高于300皮秒的脉冲宽度的SM泵浦光的脉冲，重复率从约一(1)MHz的速率到约500MHz，并且占空比在约2％到小于100％之间；至少一个掺镱Yb光纤放大器，接收并放大基本波长处的SF SM偏振泵浦光的脉冲，同时保持线宽窄于0.2nm；以及非线性光学频率转换器，被配置为，在单通二次谐波发生SHG方案中，将经过放大的SF SM偏振泵浦光转换为信号波长处的SM输出绿光，其中，SM光纤激光器在510-540nm的波长范围内在约50W到千瓦级之间的SM输出绿光的功率范围中以15％-35％之间的壁插效率进行操作。3.根据权利要求1或2所述的高功率SM光纤激光器，其中，所述种子源是发射线偏振SF SM泵浦光的分布式反馈激光器SF SM二极管激光器。4.根据权利要求1所述的高功率SM光纤激光器，还包括：位于种子源和一个Yb光纤放大器之间的至少一个SM Yb光纤预放大器，以及耦合在所述一个Yb放大器和SHG方案之间的聚焦光学器件，以及线宽展宽系统，耦合在种子源与一个Yb放大器之间，并操作用于均匀地将SM泵浦光的单频线宽展宽为10-40GHz之间的线宽，所述线宽展宽系统配置有声学或幅度调制器。5.根据权利要求1或2所述的高功率SM光纤激光器，还包括：SM输入无源光纤LP光，导引来自种子源的SM泵浦光，并与YB光纤放大器的输入芯区耦合，以及输出SM无源光纤，与Yb光纤放大器耦合，以导引经过放大的SM泵浦光，Yb光纤放大器，具有被至少一个包层环绕的单体多模MM纤芯，所述MM纤芯被配置为支持基本波长处的单个基模，并且包括：相对的输入和输出均匀尺寸芯区，与相应的输入和输出SM无源光纤耦合，均匀尺寸的中心芯区，其直径大...

【专利技术属性】
技术研发人员：瓦伦丁·盖庞特瑟夫，伊格尔·山马尔特瑟夫，阿列克谢·阿夫多欣，
申请(专利权)人：IPG光子公司，
类型：发明
国别省市：美国;US