CN103208727A - 输出特殊波形的光纤激光器 - Google Patents

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李骁军
马昌赞
侯晓亮
彭彪
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Abstract

一种输出特殊波形的光纤激光器,其构成依次包括：第一泵浦光源、高反射光纤光栅、第一增益光纤、低反射光纤光栅、隔离器、第二增益光纤和第二泵浦光源，第一泵浦源光源经驱动电源快速调制后产生脉冲泵浦光，高反射光纤光栅、低反射光纤光栅构成激光腔，第一增益光纤吸收脉冲泵浦光后输出前沿尖突后平顶的激光脉冲波形，经第二增益光纤和第二泵浦光源构成激光放大器放大后，输出前沿高峰值功率尖峰和后平顶段的激光脉冲波形。实验表明本发明适用于对金属、半导体材料微切割，提高了切割或挖槽速度。

Description

输出特殊波形的光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光器，特别是一种输出特殊波形的光纤激光器，能输出前沿高峰值功率尖峰和后平顶段的激光脉冲波形，适用于金属、半导体材料微切割，可提高切割或挖槽速度。
技术背景
随着激光技术和激光应用技术的发展，激光作为一种能量材料加工工具，在工业加工领域的应用越来越广泛。其中，激光焊接和切割是激光工业应用中最具有代表性的应用。
对于以热熔化为主要过程的激光切割工艺，一般用于金属类材料加工，普遍采用高压辅助气体结合高峰值功率激光脉冲在切割起始点首先产生穿刺孔，然后再以高平均功率连续激光或大能量脉冲激光进行热熔切割。如果采用两台脉冲激光器完成此过程，不但整体成本较高,而且两台激光器时间同步上需要额外器件控制，容错率较低。
以汽化为主要过程的激光切割工艺，是激光切割新的衍生应用，多用于金属材料表面激光挖槽或深雕，依靠激光脉冲的高峰值功率高脉冲能量将材料直接汽化进行加工，但材料汽化后往往会发生快速相变形成一些残留物，影响加工效率和效果，因此往往需要加热或酸洗等额外工艺来进行清洗，工艺复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供输出特殊波形的光纤激光器，该光纤激光器输出前沿高峰值功率尖峰和后平顶段的激光脉冲波形，有利于对金属、半导体材料微切割，提高了切割或挖槽速度。
在一个光脉冲波形内，同时存在高峰值功率尖峰段和平顶段，热熔切割过程中保证整个加工过程中包含尖峰穿刺、平顶热熔的过程；汽化切割过程中，平顶段能量加热挥发汽化残留物，提高切割或挖槽速度。
本发明的技术解决方案如下：
一种输出特殊波形的光纤激光器，特点在于其构成依次包括：第一泵浦光源、高反射光纤光栅、第一增益光纤、低反射光纤光栅、隔离器、第二增益光纤和第二泵浦光源，所述的高反射光纤光栅和低反射光纤光栅构成激光谐振腔，驱动电源的输出端与所述的第一泵浦光源、第二泵浦光源的驱动端相连，驱动电源对第一泵浦光源输出的驱动电流脉冲包含快速上升前沿、恒定峰值的平顶段和下降沿三段，上升前沿以大于1安倍/微秒的速率到达设定电流峰值，平顶段保持时间大于1微秒，第一增益光纤吸收第一泵浦源的泵浦光后获得的前沿尖突后平顶的激光波形输出,该激光波形进入第二增益光纤，经第二增益光纤吸收第二泵浦光源的泵浦光放大后，输出前沿高峰值功率尖峰和后平顶段的激光脉冲波形。
所述的激光增益光纤是掺Yb3+、Er3+、Tm3+激光光纤。
第一泵源光源是与第一增益光纤,第二泵源光源是与第二增益光纤吸收谱线相匹配的半导体激光器、光纤激光器或固体激光器。
本发明的工作原理如下：
所述的驱动电源对第一泵浦光源输出的驱动电流脉冲包含快速上升前沿、恒定峰值的平顶段和下降沿三段，上升前沿以大于1安倍/微秒的速率到达设定电流峰值，平顶段保持时间大于1微秒，第一增益光纤吸收第一泵浦源的泵浦光后获得的前沿尖突后平顶的激光波形输出泵浦光。
第一增益光纤吸收第一泵浦光源的脉冲泵浦光后，激光腔内形成粒子反转。脉冲泵浦光注入刚开始极短的一段时间内，由于泵浦速率非常高，激光上能级迅速积累的反转粒子数远远超过阈值水平的反转粒子数，激光振荡发生，大量上能级粒子迅速被消耗到下能级，同时增益小于损耗，形成尖峰脉冲输出。
泵浦脉冲上升的速率越快，输出的脉冲光的尖峰越高。
泵浦脉冲峰值维持时间段内，泵浦光继续提供能量，但泵浦速率较低，使得反转粒子数只能再次达到阈值水平附近，获得低峰值功率的平顶脉冲输出。
本发明的技术效果如下：
1、本发明能获得高峰值功率尖峰段和低功率平顶段共存的激光脉冲输出波形，实验表明这种前沿高峰值功率尖峰和后平顶段的激光脉冲波形，有利于对金属、半导体材料微切割，提高了切割或挖槽速度；
2、调整所述的驱动电源的泵浦电流的上升速率和峰值，速率越快，峰值越高，输出的光脉冲尖峰幅值越高；
3、激光输出频率由驱动电源精确控制。
附图说明
图1是本发明输出特殊波形的光纤激光器实施例的结构示意图
图2是本输出特殊波形的光纤激光器实施例的驱动电源输出的泵浦电流脉冲和第一泵浦光源输出的光单脉冲示意图
图3是输出特殊波形的光纤激光器实施例的输出光脉冲序列的示意图
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例
请参阅图1，由图可见，本发明输出特殊波形的光纤激光器，构成依次包括：驱动电源1，第一泵浦光源2、高反射光纤光栅3、第一增益光纤4、低反射光纤光栅5、隔离器6、第二增益光纤7和第二泵浦光源8，所述的高反射光纤光栅3和低反射光纤光栅5构成激光谐振腔，所述的驱动电源1的输出端与所述的第一泵浦光源2、第二泵浦光源8的驱动端相连，所述的驱动电源1输出的驱动电流脉冲包含快速上升沿,恒定峰值的平顶段,下降沿，前沿上升速率大于1安倍/微秒，到设定电流峰值，平顶段保持时间大于1微秒，对第一泵浦光源2进行驱动。
第一增益光纤4吸收第一泵浦光源2的泵浦光后获得的激光输出,第二增益光纤7吸收第二泵浦光源8的泵浦光后获得放大，输出前沿高峰值功率尖峰和后平顶段的激光脉冲波形。
本发明输出特殊波形的光纤激光器实施例的第一泵浦光源2、第二泵浦光源8输出波长915nm，功率均为50W，高反射光纤光栅3对1064nm激光反射率>99.7%，对915nm泵浦光的透过率>99.5%。低反射光纤光栅4对1064nm激光的反射率为10%，第一增益光纤4的纤芯为10um，第二增益光纤7的纤芯为20um。所述的驱动电源1输出的对第一泵浦光源2的驱动电流脉冲的上升速率为5安培每微妙，电流尖峰持续时间100微秒，泵浦电流脉冲如附图2所示，第一泵浦光源2经所述的驱动电源1的电流脉冲调制后，输出脉冲泵浦光，第一增益光纤4吸收915nm泵浦光，输出脉冲信号光；第二增益光纤7吸收第二泵浦光源8发出的915nm泵浦光后，储存能量，当信号光通过第二增益光纤7后获得放大，输出功率30W的脉冲序列如图3所示。实验表明这种前沿高峰值功率尖峰和后平顶段的激光脉冲波形，有利于对金属、半导体材料微切割，提高了切割或挖槽速度。
本实施例方案同样适用于掺Er3+,Tm3+等稀土离子的激光增益光纤。

Claims (3)

1.一种输出特殊波形的光纤激光器，特征在于其构成依次包括：第一泵浦光源（2）、高反射光纤光栅（3）、第一增益光纤（4）、低反射光纤光栅（5）、隔离器（6）、第二增益光纤（7）和第二泵浦光源（8），所述的高反射光纤光栅（3）和低反射光纤光栅（5）构成激光谐振腔，驱动电源（1）的输出端与所述的第一泵浦光源（2）、第二泵浦光源(8)的驱动端相连，驱动电源（1）对第一泵浦光源(2)输出的驱动电流脉冲包含快速上升前沿、恒定峰值的平顶段和下降沿三段，上升前沿以大于1安倍/微秒的速率到达设定电流峰值，平顶段保持时间大于1微秒，第一增益光纤（4）吸收第一泵浦源(2)的泵浦光后获得的前沿尖突后平顶的激光波形输出,该激光波形进入第二增益光纤（7），该第二增益光纤（7）吸收第二泵浦光源(8)的泵浦光后放大输出前沿高峰值功率尖峰和后平顶段的激光脉冲波形。
2.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于所述的第一激光增益光纤（4）和第二增益光纤(7)是掺Yb3+、Er3+、Tm3+光纤。
3.根据权利要求1、2所述的光纤激光器，其特征在于所述的第一泵浦光源(2)和第二泵浦光源(8)分别是与第一泵浦源(2)、第二增益光纤(7)吸收谱线相匹配的半导体激光器、光纤激光器或固体激光器。
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