CN105470802A - 全光纤声光调q激光器及其输出方法 - Google Patents

全光纤声光调q激光器及其输出方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种全光纤声光调Q激光器及其输出方法，全光纤声光调Q激光器包括MO级的主振荡器和PA级的功率放大器，所述功率放大器依序包括：与所述主振荡器连接的增益抑制光栅、多个带尾纤半导体泵浦源、侧边耦合器、双包层掺镱光纤、以及输出传输光纤，其中，所述主振荡器和功率放大器同时开启及关闭。本发明全光纤声光调Q激光器的主振荡器与功率放大器同时开启及关闭，杜绝了打标拖尾的现象，消除了全光纤声光调Q激光器残留；其次，本发明有效的抑制了脉冲光纤激光器的自调Q现象，提高了输出脉冲的稳定性。

Description

全光纤声光调Q激光器及其输出方法
技术领域
本发明属于主控振荡器的功率放大器的技术领域，尤其涉及一种全光纤声光调Q激光器及其输出方法
背景技术
目前，脉冲全光纤激光器是广泛应用于激光打标、激光调阻、激光微加工等工业领域的一类激光器，它具有系统简单紧凑、重复频率可调、输出脉宽窄、峰值功率高等优点。
主控振荡器的功率放大器(MOPA：MasterOscillatorPower-Amplifier)，将具有高光束质量的种子信号光和泵浦光，通过一定的方式耦合进双包层光纤进行放大，从而实现对种子光源的高功率放大。
主控振荡器的功率放大器的突出特点是：主振荡器主要作用是产生高质量的种子光，输出功率可大可小，因而输出光较易做到所需的时域、频域特性和保持良好的光束质量；功率放大部分主要作用则是对种子光进行放大，在保证了输出光的高光束质量的同时又实现了高功率、高能量输出,即MOPA结合了低功率种子源的良好脉冲特性和双包层放大器的高功率放大特性的优点。
中国专利CN101640367A揭示一种脉冲全光纤激光器，如图1所示，其包括：主振荡器1和功率放大器2。其中，所述主振荡器1采用MO(MasterOscillator)结构，该主振荡器1为声光调Q光纤激光器；功率放大器2采用PA(Power-Amplifier)结构，其为全光纤功率放大级。
主振荡器1依序包括：带尾纤半导体泵浦源11、(1+1)*1侧边耦合器12、信号光反射光纤光栅13、双包层掺镱光纤14、光纤耦合声光调制器15、输出耦合光纤16。主振荡器1的输出耦合光纤16输出约0.3W-2W、20KHz-100KHz、波长1.06um、约脉冲100ns的种子信号光至所述功率放大器2。
所述功率放大器2依序包括：多个带尾纤半导体泵浦源21、22(图1中仅示意2个)、(6+1)*1侧边耦合器23、双包层掺镱光纤24、以及输出传输光纤25。所述功率放大器2的输出传输光纤25输出10W-50W左右的脉冲放大激光。
对脉冲全光纤激光器，一般要求PA级工作在较大pump功率下(一般为20-100W)，此时放大级掺镱光纤对应的粒子反转数密度较高，若MO级无输入光或提供的输入光过小，不足以饱和PA级增益，就有可能产生所谓“自调Q”现象，具体表现在产生随机的高峰值功率巨脉冲，造成放大级光路及泵浦源的损坏，从而激光器彻底失效。
为了避免以上风险，激光器厂家对一般对声光调Q光纤激光器做了如下设定：
1、MO级的工作频率及输出功率做了如下限制，一般频率在20kHz以上，输出功率大于300mW；PA级增益一般要求小于20dB；
2、激光器开启时，MO部分必须比PA部分提前7ms以上打开，一旦打开PA(ON)而MO处于关闭状态(OFF)，激光器不能被激发；激光器关闭时，MO部分可以和PA级同时关闭，但MO级不能提前PA级关闭
3、激光器工作时，MO级处于常开状态，在PA级关闭时，通过PA级输出残留平均信号光功率一般要求小于50mW。
对于一般金属材料的打标而言，残留信号光功率影响不大；但对塑料打标，就有可能造成打标点之间的拖尾现象，影响打标效果。
故，有必要设计一种新的调Q激光器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种杜绝激光打标拖尾、抑制脉冲光纤激光器的自调Q现象、提高了输出脉冲的稳定性的全光纤声光调Q激光器及其输出方法。
本发明提供一种全光纤声光调Q激光器，包括MO级的主振荡器和PA级的功率放大器，所述功率放大器依序包括：与所述主振荡器连接的增益抑制光栅、多个带尾纤半导体泵浦源、侧边耦合器、双包层掺镱光纤、以及输出传输光纤，其中，所述主振荡器和功率放大器同时开启和关闭。
其中，所述输出传输光纤外套设光隔离器，所述光隔离器内依序包括：与所述主振荡器连接的PA级输出光纤、扩束透镜、窄带反射镜、窄带滤波器、所述输出传输光纤、以及准直透镜。
其中，假设本全光纤声光调Q激光器工作中心的波长为lamda0；假设所述增益抑制光栅的中心反射波长为lamda1、反射率为R1；假设所述窄带反射镜在波长为lamda1时，对PA级光纤的等效反射率为R2；其中，所述增益抑制光栅的线性往返增益为G，当G＝1/(R1*R2)时，产生波长为lamda1的受激辐射输出。
其中，所述窄带反射镜对除波长为lamda1外的其余波长高透过。
其中，所述窄带滤波器对波长为lamda1高损耗，对其他波长高透过。
其中，当所述主振荡器和功率放大器同时开启和关闭时，产生的波长为lamda1的受激辐射由所述窄带滤波器吸收。
其中，所述光隔离器为自由空间隔离器。
其中，所述主振荡器依序包括：带尾纤半导体泵浦源、侧边耦合器、信号光反射光纤光栅、双包层掺镱光纤、光纤耦合声光调制器、以及输出耦合光纤，其中，所述输出耦合光纤与所述功率放大器的增益抑制光栅连接。
其中，所述主振荡器的侧边耦合器为(1+1)*1侧边耦合器；所述功率放大器的侧边耦合器为(6+1)*1侧边耦合器。
本发明还提供一种全光纤声光调Q激光器的输出方法，假设本全光纤声光调Q激光器工作中心的波长为lamda0，本输出方法包括：所述主振荡器和功率放大器同时开启和关闭；当主振荡器输出功率较小或无输出时，当功率放大器处于工作状态，假设所述增益抑制光栅的线性往返增益为G，当G＝1/(R1*R2)时，产生的波长为lamda1的受激辐射由窄带滤波器吸收，抑制了所述功率放大器增益光纤粒子数反转。
本发明全光纤声光调Q激光器的主振荡器与功率放大器同时开启和关闭，杜绝了打标拖尾的现象，消除了全光纤声光调Q激光器残留；其次，本发明有效的抑制了脉冲光纤激光器的自调Q现象，提高了输出脉冲的稳定性。
附图说明
图1所示为现有脉冲全光纤激光器的结构示意图；
图2所示为本发明全光纤声光调Q激光器的结构示意图；
图3所述为本发明全光纤声光调Q激光器的光隔离器的结构示意图。
具体实施方式
本发明揭示一种新的全光纤声光调Q激光器，该全光纤声光调Q激光器克服了现有MOPA结构中声光调Q光纤激光器的缺点：MO级必须提前PA级开启(一般7ms以上)，当MO级输出中断或功率过小时，PA级有可能产生自调Q脉冲对激光器造成损伤。
本发明避免了残余信号光对激光打标的影响，同时有效抑制了“自调Q”现象，提高了脉冲激光的稳定性。
如图2所示为本发明全光纤声光调Q激光器，本发明全光纤声光调Q激光器工作中心波长为lamda0,一般为1.06um；本发明全光纤声光调Q激光器包括MO级的主振荡器100和PA级的功率放大器200。
其中，所述主振荡器100依序包括：带尾纤半导体泵浦源101、侧边耦合器102、信号光反射光纤光栅103、双包层掺镱光纤104、光纤耦合声光调制器105、以及输出耦合光纤106。其中，所述侧边耦合器102为(1+1)*1侧边耦合器；所述主振荡器100的输出耦合光纤106输出约0.3W-2W、20KHz-100KHz、波长1.06um、约脉冲100ns的种子信号光至所述功率放大器200。
其中，本发明全光纤声光调Q激光器工作中心波长为lamda0,一般为1.06um。
所述功率放大器200依序包括：接收所述主振荡器100的输出耦合光纤106的增益抑制光栅201、多个带尾纤半导体泵浦源202、203、侧边耦合器204、双包层掺镱光纤205、以及输出传输光纤206。其中，多个带尾纤半导体泵浦源为2个、或3个或5个带尾纤半导体泵浦源；所述侧边耦合器204为(6+1)*1侧边耦合器；所述功率放大器20的输出传输光纤206输出10W-50W左右的脉冲放大激光。
与现有技术相比，所述功率放大器20在输入端增加所述增益抑制光栅201，该增益抑制光栅201的中心反射波长为lamda1(lamda1一般取1.11um)，反射率为R1。
本发明还对所述功率放大器20的输出传输光纤206外套设的光隔离器300进行改进，其中，光隔离器是允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的无源器件，其工作原理是基于法拉第旋转的非互易性，通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离，提高光波传输效率。光隔离器种类繁多，包括：在线式光隔离器、自由空间光隔离器等。
图3所述为光隔离器的结构示意图，光隔离器300内依序包括：与所述双包层掺镱光纤205连接的PA级输出光纤301、扩束透镜302、窄带反射镜303、窄带滤波器304、所述输出传输光纤206、以及准直透镜305。其中，所述窄带反射镜303对波长为lamda1反射回PA级光纤的等效反射率为R2，而对其余波长高透过，即：所述窄带反射镜303对除波长为lamda1外的其余波长高透过；所述窄带滤波器304对lamda1高损耗，而对其他波长高透过。
本发明还揭示全光纤声光调Q激光器的输出方法，本方法包括：所述主振荡器100与所述功率放大器200同时开启和关闭(所述主振荡器100无需提前所述功率放大器2007ms以上开启)。当主振荡器100输出功率较小或无输出时，若所述功率放大器200处于工作状态。所述增益抑制光栅201的线性往返增益为G，当G＝1/(R1*R2)时，产生波长为lamda1的受激辐射输出，即：产生的波长为lamda1的受激辐射由窄带滤波器304有效吸收，抑制了所述功率放大器200增益光纤粒子数反转，从而钳制了所述功率放大器200增益，避免了打标间隙的残留信号光现象，有效的抑制了自调Q现象。
在实际操作时，一般需要测量所述功率放大器200的光纤的小信号增益谱，找到lamda0和lamda1的对应关系。以20W声光调Q光纤激光器为例，假设lamda0单程线性增益为10^2,则lamda0往返线性增益为10^4,若对应lamda1的往返线性增益也等于10^4,则R1、R2需满足R1*R2＝10^(-4),取R1＝R2＝1％即可满足要求。
本发明所述主振荡器100与所述功率放大器200同时开启和关闭，杜绝了打标拖尾的现象，消除了全光纤声光调Q激光器残留；其次，本发明有效的抑制了脉冲光纤激光器的自调Q现象，提高了输出脉冲的稳定性。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种全光纤声光调Q激光器，包括MO级的主振荡器和PA级的功率放大器，其特征在于：所述功率放大器依序包括：与所述主振荡器连接的增益抑制光栅、多个带尾纤半导体泵浦源、侧边耦合器、双包层掺镱光纤、以及输出传输光纤，其中，所述主振荡器和功率放大器同时开启和关闭。
2.根据权利要求1所述的全光纤声光调Q激光器，其特征在于：所述输出传输光纤外套设光隔离器，所述光隔离器内依序包括：与所述主振荡器连接的PA级输出光纤、扩束透镜、窄带反射镜、窄带滤波器、所述输出传输光纤、以及准直透镜。
3.根据权利要求2所述的全光纤声光调Q激光器，其特征在于：假设本全光纤声光调Q激光器工作中心的波长为lamda0；假设所述增益抑制光栅的中心反射波长为lamda1、反射率为R1；假设所述窄带反射镜在波长为lamda1时，对PA级光纤的等效反射率为R2；其中，所述增益抑制光栅的线性往返增益为G，当G＝1/(R1*R2)时，产生波长为lamda1的受激辐射输出。
4.根据权利要求3所述的全光纤声光调Q激光器，其特征在于：所述窄带反射镜对除波长为lamda1外的其余波长高透过。
5.根据权利要求3所述的全光纤声光调Q激光器，其特征在于：所述窄带滤波器对波长为lamda1高损耗，对其他波长高透过。
6.根据权利要求5所述的全光纤声光调Q激光器，其特征在于：当所述主振荡器和功率放大器同时开启和关闭时，产生的波长为lamda1的受激辐射由所述窄带滤波器吸收。
7.根据权利要求2所述的全光纤声光调Q激光器，其特征在于：所述光隔离器为自由空间隔离器。
8.根据权利要求1所述的全光纤声光调Q激光器，其特征在于：所述主振荡器依序包括：带尾纤半导体泵浦源、侧边耦合器、信号光反射光纤光栅、双包层掺镱光纤、光纤耦合声光调制器、以及输出耦合光纤，其中，所述输出耦合光纤与所述功率放大器的增益抑制光栅连接。
9.根据权利要求1所述的全光纤声光调Q激光器，其特征在于：所述主振荡器的侧边耦合器为(1+1)*1侧边耦合器；所述功率放大器的侧边耦合器为(6+1)*1侧边耦合器。
10.根据权利要求1-9任意所述全光纤声光调Q激光器的输出方法，其特征在于：假设本全光纤声光调Q激光器工作中心的波长为lamda0，本输出方法包括：
所述主振荡器和功率放大器同时开启和关闭；
当主振荡器输出功率较小或无输出时，当功率放大器处于工作状态，假设所述增益抑制光栅的线性往返增益为G，当G＝1/(R1*R2)时，产生的波长为lamda1的受激辐射由窄带滤波器吸收，抑制了所述功率放大器增益光纤粒子数反转。
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