CN104868353B - 一种激光产生系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光产生系统及方法，该系统包括时域可编程脉冲激光器、光纤放大器级、模式匹配器、固体放大器级以及反馈装置，时域可编程脉冲激光器产生预设时域波形的初始脉冲激光，光纤放大器级将所述初始脉冲激光进行功率放大，放大后的激光通过模式匹配器与固体放大器级中的泵浦光进行模式匹配，所述固体放大器级将经所述模式匹配器处理后的激光进行功率放大；反馈装置获取反馈信号，并将所述反馈信号发送至所述时域可编程脉冲激光器，所述时域可编程脉冲激光器根据所述反馈信号对所述初始脉冲激光的时域波形进行调整，以使所述固体放大器级输出预设时域波形的激光。本发明能够产生高重复频率高亮度预设时域波形的激光。

Description

一种激光产生系统及方法

技术领域

本发明涉及激光领域，尤其涉及一种激光产生系统及方法。

背景技术

光束质量是激光定向传输能力或聚焦焦斑能量集中程度的量度，是激光器的一项重要技术性能指标。国际标准化委员会1991年公布了光束质量评价标准，即以光束质量因子M²评价光束。激光器作为光源，亮度是一个很重要的参数，其与激光功率成正比，与光束质量因子M²的平方成反比。

获得高峰值功率脉冲激光输出一般采用调Q技术，而调Q激光固有的特性是随着重复频率的增加，脉冲宽度也增加，脉冲稳定性变差。在高重复频率下压缩脉冲宽度、提高脉冲峰值功率一直是调Q技术的难点。在固定重复频率下，脉冲时域参数不可控制。目前广泛使用的脉冲激光器输出的激光脉冲时间波形一般是固定的，呈近高斯分布，脉冲宽度一般为数十纳秒(ns，即10^-9秒)。脉冲波形不可调节，脉冲宽度在预定重复频率下也不可调节，这是由激光谐振腔和增益介质的物理相互作用决定的，这种特点制约了脉冲激光与物质之间相互作用的效果，甚至达不到预期的效果，这严重制约了脉冲激光的应用。

现有技术中光束质量控制方法主要采用谐振腔选模以及腔内放置选模元件等方式，这些方式效率低下，在高功率情况下不能实现良好的光束质量。

片式电阻刻蚀的激光脉宽可调控制方法(CN 1350306A，2002.05.22)公开了一种利用可编程脉冲发生器控制调Q的YAG激光器的脉宽和频率的方法，但是受限于调Q机理，脉冲形状不可调节，其产生的激光没有达到高亮度高重复频率的要求。

通过组合分离式电气与光学调制器的编程产生指定脉冲波形的激光脉冲(CN102273028A，2011.12.07)公开了一种对产生的脉冲激光外调制的方法，但其产生的激光没有达到高亮度高重复频率的要求。

脉冲激光整形系统(US 2009/0323741A1)公开了使用高速数字-模拟转换器(DAC)来产生特定脉冲波形以驱动激光器的光调制器或将特定的脉冲波形注入激光源的方法。该方法能得到预定波形的高质量激光，但未能提供高亮度解决方案。

因此，如何获得高重复频率高亮度且特定时域波形的激光成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有技术中高重复频率下脉冲激光宽度大、脉冲稳定性差且脉冲波形不可调节。

为解决上述技术问题，本发明一方面提出了一种激光产生系统，该激光产生系统包括：

时域可编程脉冲激光器、光纤放大器级、模式匹配器、固体放大器级以及反馈装置，所述时域可编程脉冲激光器、光纤放大器级、模式匹配器以及固体放大器级依次设置，所述反馈装置连接在所述时域可编程脉冲激光器与所述固体放大器级之间；

所述时域可编程脉冲激光器，用于产生预设时域波形的初始脉冲激光；

所述光纤放大器级，用于将所述时域可编程脉冲激光器产生的初始脉冲激光进行功率放大；

所述模式匹配器，用于将经所述光纤放大器级功率放大的激光与所述固体放大器级中的泵浦光进行模式匹配；

所述固体放大器级，用于将经所述模式匹配器处理后的激光进行功率放大；

所述反馈装置，用于发送反馈信号至所述时域可编程脉冲激光器；

所述时域可编程脉冲激光器，还用于根据所述反馈信号对所述初始脉冲激光的时域波形进行调整，以使所述固体放大器级输出预设时域波形的激光。

可选地，所述时域可编程脉冲激光器包括计算机、可编程高速脉冲电流电路和激光二极管，所述计算机、可编程高速脉冲电流电路以及激光二极管依次连接，所述计算机根据用户输入的脉冲激光参数控制所述可编程高速脉冲电流电路产生相应的电流信号，所述激光二极管在所述电流信号的驱动下产生所述初始脉冲激光，所述计算机还根据所述反馈信号与预设激光波形进行比对，调整所述可编程高速脉冲电流电路的电流信号。

可选地，所述反馈装置包括分束镜和光电转换器；所述分束镜，用于将经固体放大器级放大的激光分成输出激光和探测光；所述光电转换器，用于将所述探测光转换成电信号，并将所述电信号发送至所述时域可编程脉冲激光器。

可选地，所述光纤放大器级包括至少一个光纤放大器，每个光纤放大器包括泵浦光源、泵浦耦合系统以及光纤。

可选地，所述光纤放大器的泵浦光源的泵浦方式为连续式或脉冲式。

可选地，所述固体放大器级包括至少一个固体放大器，每个固体放大器包括泵浦光源、泵浦耦合系统以及激光增益介质。

可选地，所述固体放大器的泵浦光源的泵浦方式为连续式或脉冲式。

可选地，所述固体放大器级包括多个固体放大器，所述固体放大器之间设有透镜，所述透镜用于相邻固体放大器之间的模式匹配。

可选地，所述激光产生系统还包括隔离器，所述隔离器设置在所述时域可编程脉冲激光器与光纤放大器级之间。

另一方面，本发明还提出了一种基于上述任一激光产生系统的激光产生方法，该方法包括：

时域可编程脉冲激光器产生预设时域波形的初始脉冲激光，光纤放大器级将所述初始脉冲激光进行功率放大，放大后的激光通过模式匹配器与固体放大器级中的泵浦光进行模式匹配，所述固体放大器级将经所述模式匹配器处理后的激光进行功率放大；

反馈装置获取反馈信号，并将所述反馈信号发送至所述时域可编程脉冲激光器，所述时域可编程脉冲激光器根据所述反馈信号对所述初始脉冲激光的时域波形进行调整，以使所述固体放大器级输出预设时域波形的激光。

通过采用本发明提出的激光产生系统及方法，解决了高重复频率下脉冲激光宽度大、脉冲稳定性差且脉冲波形不可调节的问题，利用高重复频率低亮度的预设时域波形的初始脉冲激光，经过光纤放大器级、固体放大器级对脉冲激光的功率进行放大，得到高重复频率高亮度预设时域波形的激光。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明一个实施例的激光产生系统的结构示意图；

图2示出了本发明另一个实施例的激光产生系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

图1示出了本发明一个实施例的激光产生系统的结构示意图。如图1所示，该激光产生系统包括：时域可编程脉冲激光器1、光纤放大器级2、模式匹配器3、固体放大器级4以及反馈装置5。时域可编程脉冲激光器1、光纤放大器级2、模式匹配器3以及固体放大器级4依次设置，所述反馈装置5连接在时域可编程脉冲激光器1与固体放大器级4之间。

时域可编程脉冲激光器1，用于产生预设时域波形的初始脉冲激光。

光纤放大器级2，用于将所述时域可编程脉冲激光器产生的初始脉冲激光进行功率放大。

模式匹配器3，用于将经所述光纤放大器级功率放大的激光与所述固体放大器级中的泵浦光进行模式匹配。

固体放大器级4，用于将经所述模式匹配器处理后的激光进行功率放大。

反馈装置5，用于发送反馈信号至所述时域可编程脉冲激光器。

时域可编程脉冲激光器1还用于根据所述反馈信号对所述初始脉冲激光的时域波形进行调整，以使所述固体放大器级输出预设时域波形的激光。

本发明实施例中，时域可编程激光脉冲器1依据预定激光参数产生初始脉冲激光，预定激光参数包括脉冲形状、脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲频率、脉冲个数、脉冲幅度；光纤放大器级2将初始脉冲激光进行功率放大；放大后的激光经过模式匹配器3与固体放大器级中的泵浦光进行模式匹配；固体放大器级4将经模式匹配器3处理后的激光进行功率放大；反馈装置5获取反馈信号，并将所述反馈信号发送至时域可编程激光脉冲器1中；时域可编程激光脉冲器1根据所述反馈信号对预定激光参数进行调整，以使固体放大器级4输出预设时域波形的激光。

本发明实施例提出的激光产生系统，利用高重复频率低亮度的预设时域波形的初始脉冲激光，经过光纤放大器级、固体放大器级对脉冲激光的功率进行放大，得到高重复频率高亮度预设时域波形的激光。

图2示出了本发明另一个实施例的激光产生系统的结构示意图。该激光产生系统包括：时域可编程脉冲激光器1、光纤放大器级2、模式匹配器3、固体放大器级4以及反馈装置5。时域可编程脉冲激光器1、光纤放大器级2、模式匹配器3以及固体放大器级4依次设置，所述反馈装置5连接在时域可编程脉冲激光器1与固体放大器级4之间。

本发明实施例中，时域可编程脉冲激光器1包括计算机11、可编程高速脉冲电流电路12和激光二极管13。

计算机11根据用户输入的脉冲激光参数，控制可编程高速脉冲电流电路12产生相应的电流信号以驱动激光二极管13产生对应的初始脉冲激光，所述初始脉冲激光通过尾纤13a输入到光纤放大器级2中。所述初始脉冲激光还可以通过空间耦合进光纤放大器级2中。其中，所述脉冲激光参数包括脉冲形状、脉冲宽度、脉冲间隔、脉冲频率、脉冲个数、脉冲幅度。

可以理解的是，所述计算机11也可以根据用户预先设定的脉冲激光参数，控制可编程高速脉冲电流电路12产生相应的电流信号以驱动激光二极管13产生对应的初始脉冲激光。

激光二极管13为满足预设调制需求的激光二极管，例如分布式反馈激光器DFB(Distributed Feedback Laser)，其输出初始脉冲激光功率小于100毫瓦，光束质量因子M²小于等于1.1。

光纤放大器级可包括至少一个光纤放大器，每一级光纤放大器均包括泵浦光源23、泵浦耦合系统22以及光纤21。所述泵浦耦合系统可采用泵浦合束器实现，其中泵浦光源23产生的泵浦光可经所述泵浦耦合系统22输入至光纤21。泵浦光源23的泵浦方式为连续式或脉冲式。

光纤放大器级可包括多个光纤放大器，由光纤增益和被光线放大后的激光参数决定光纤放大器的数目。各级光纤放大器之间通过光纤耦合。耦合光纤由单包层增益光纤、双包层增益光纤、光子晶体光纤或单晶体光纤制成。

进一步地，激光二极管13与光纤放大器级之间还可以加设隔离器6，以防止激光二极管13被返回的激光打坏。

固体放大器级至少包括一个固体放大器，每个固体放大器包括泵浦光源、泵浦耦合系统以及激光增益介质。所述泵浦耦合系统可采用泵浦耦合镜实现，所述激光增益介质可由激光晶体、激光玻璃、激光塑料或激光陶瓷任一种材料制成，激光增益介质的离子掺杂区域的形状可为矩形、正方形、圆形或椭圆形中至少一种。其中，泵浦光源发出的泵浦光通过泵浦耦合镜耦合进入激光增益介质中。泵浦光源的泵浦方式为连续式或脉冲式。

本发明提出的激光产生系统中，固体放大器级4如图2所示，包括激光增益介质41、泵浦耦合镜42和泵浦光源43。泵浦光源43发出的泵浦光通过泵浦耦合镜42的耦合进入激光增益介质41中。

模式匹配器3为激光由光纤传输到空间进行耦合的匹配器，用于将由光纤放大器级2放大的激光耦合进固体放大器中的激光增益介质41，并将经光纤放大器级2功率放大的激光和泵浦光源43发出的泵浦光的模式进行匹配以达到最佳功率输出。

进一步地，当固体放大器级包括多个固体放大器时，可在固体放大器器之间加设透镜，用于相邻固体放大器之间的模式匹配，进而将各级固体放大器之间的激光顺利耦合。

激光二极管13采用DFB激光器，其内置布拉格光栅，属于侧面发射的半导体激光器，其产生的激光单色性好，产生高重复频率的初始脉冲激光。传统固体激光器的热透镜效应、端面畸变效应会造成激光光束质量随功率的增大而降低，需要采用复杂的模式匹配技术、波前补偿技术才能在高功率下得到高质量的激光。光纤中的激光模式主要由光纤的波导模式决定，能够保证光纤中激光的单模特性，能够在高功率下得到高质量的激光。然而，高功率的脉冲激光在光纤中传输时，容易发生受激拉曼散射(stimulated ramanscattering,SRS)、受激布里渊散射散射(stimulated brilouin scattering,SBS)、四波混频(four-wave mixing,FWM)等非线性效应。固体激光器的非线性效应的阈值非常高。因此，由激光二极管13产生的初始脉冲激光经光纤放大器级2、固体放大器级4进行功率放大，使脉冲激光的平均功率突破100W。

本发明实施例中，反馈装置5包括分束镜51和光电转换器52。分束镜51使固体放大器级4放大的激光中大部分进行反射作为输出激光，小部分进行折射作为探测光，将经固体放大器级4放大的激光分成输出激光和探测光。输出激光是高重复频率高亮度的激光，其中高重复频率是指重复频率大于10KHz。光电转换器52，用于将所述探测光转换成电信号，并将所述电信号发送至所述时域可编程脉冲激光器。所述探测光经光电转换器52转换成电信号，所述电信号反馈至时域可编程脉冲激光器1的计算机11中，计算机11根据所述电信号对所述预定激光参数进行调整，即对所述初始脉冲激光的时域波形进行调整，以使所述固体放大器级4输出预设时域波形的激光。

此外，本发明另一实施例中还提出了一种基于上述任一实施例所述的激光产生系统的激光产生方法，该方法包括：

时域可编程脉冲激光器1产生预设时域波形的初始脉冲激光，光纤放大器级2将所述初始脉冲激光进行功率放大，放大后的激光通过模式匹配器3与固体放大器级4中的泵浦光进行模式匹配，所述固体放大器级4将经所述模式匹配器3处理后的激光进行功率放大；

反馈装置5获取反馈信号，并将所述反馈信号发送至时域可编程脉冲激光器1，时域可编程脉冲激光器1根据所述反馈信号对所述初始脉冲激光的时域波形进行调整，以使固体放大器级4输出预设时域波形的激光。

本发明提出的激光产生系统及方法，利用高重复频率低亮度的预设时域波形的初始脉冲激光，经过光纤放大器级、固体放大器级对脉冲激光的功率进行放大，得到高重复频率高亮度预设时域波形的激光。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种激光产生系统，其特征在于，包括时域可编程脉冲激光器、光纤放大器级、模式匹配器、固体放大器级以及反馈装置，所述时域可编程脉冲激光器、光纤放大器级、模式匹配器以及固体放大器级依次设置，所述反馈装置连接在所述时域可编程脉冲激光器与所述固体放大器级之间；

所述时域可编程脉冲激光器，用于产生预设时域波形的初始脉冲激光；

所述光纤放大器级，用于将所述时域可编程脉冲激光器产生的初始脉冲激光进行功率放大；

所述模式匹配器，用于将经所述光纤放大器级功率放大的激光与所述固体放大器级中的泵浦光进行模式匹配；

所述固体放大器级，用于将经所述模式匹配器处理后的激光进行功率放大；

所述反馈装置，用于发送反馈信号至所述时域可编程脉冲激光器；所述反馈装置包括分束镜和光电转换器；所述分束镜，用于将经固体放大器级放大的激光分成输出激光和探测光；所述光电转换器，用于将所述探测光转换成电信号，并将所述电信号发送至所述时域可编程脉冲激光器；

所述时域可编程脉冲激光器，还用于根据所述反馈信号对所述初始脉冲激光的时域波形进行调整，以使所述固体放大器级输出预设时域波形的激光。

2.根据权利要求1所述的激光产生系统，其特征在于，所述时域可编程脉冲激光器包括计算机、可编程高速脉冲电流电路和激光二极管，所述计算机、可编程高速脉冲电流电路以及激光二极管依次连接，所述计算机根据用户输入的脉冲激光参数控制所述可编程高速脉冲电流电路产生相应的电流信号，所述激光二极管在所述电流信号的驱动下产生所述初始脉冲激光，所述计算机还根据所述反馈信号与预设激光波形进行比对，调整所述可编程高速脉冲电流电路的电流信号。

3.根据权利要求1所述的激光产生系统，其特征在于，所述光纤放大器级包括至少一个光纤放大器，每个光纤放大器包括泵浦光源、泵浦耦合系统以及光纤。

4.根据权利要求1所述的激光产生系统，其特征在于，所述固体放大器级包括至少一个固体放大器，每个固体放大器包括泵浦光源、泵浦耦合系统以及激光增益介质。

5.根据权利要求1所述的激光产生系统，其特征在于，还包括隔离器，所述隔离器设置在所述时域可编程脉冲激光器与光纤放大器级之间。

6.根据权利要求3所述的激光产生系统，其特征在于，所述光纤放大器的泵浦光源的泵浦方式为连续式或脉冲式。

7.根据权利要求4所述的激光产生系统，其特征在于，所述固体放大器的泵浦光源的泵浦方式为连续式或脉冲式。

8.根据权利要求4所述的激光产生系统，其特征在于，所述固体放大器级包括多个固体放大器，所述固体放大器之间设有透镜，所述透镜用于相邻固体放大器之间的模式匹配。

9.一种基于权利要求1-8任一项所述的激光产生系统的激光产生方法，其特征在于，该方法包括：

时域可编程脉冲激光器产生预设时域波形的初始脉冲激光，光纤放大器级将所述初始脉冲激光进行功率放大，放大后的激光通过模式匹配器与固体放大器级中的泵浦光进行模式匹配，所述固体放大器级将经所述模式匹配器处理后的激光进行功率放大；

反馈装置获取反馈信号，并将所述反馈信号发送至所述时域可编程脉冲激光器，所述时域可编程脉冲激光器根据所述反馈信号对所述初始脉冲激光的时域波形进行调整，以使所述固体放大器级输出预设时域波形的激光。