CN106207726A - 一种基于非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器 - Google Patents

一种基于非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光纤和激光技术领域，具体的是一种基于非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于，它包括纳秒脉冲种子激光、光纤分束器、光纤放大器、同步光路、光纤合束器和激光输出头，所述纳秒脉冲种子激光的输出端与光纤分束器的输入端连接，光纤分束器各分路输出端分别设有相对应的光纤放大器，光纤分束器对纳秒脉冲种子激光所发出的光信号进行分路后，分别对光纤分束器的各分路光信号进行放大，光纤分束器各分路输出端分别与相对应的光纤放大器的输入端相连，各光纤放大器的输出端分别经同步光路与光纤合束器输入端相连，光纤合束器的输出端与激光输出头连接。本发明具有平均功率高、脉冲能量大、体积小、易维护、稳定可靠等优点。

Description

一种基于非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤和激光技术领域，具体的是一种基于非相干合束的高能量高平均功率纳秒脉冲全光纤激光器。
背景技术
光纤激光器/放大器是以掺杂稀土元素的光纤为增益介质的激光器/放大器，通过掺杂不同的稀土元素，如饵（Er），镒（Yb），铥（Tm），钬（Ho），钕（Nd）等，光纤激光器/放大器的工作波段覆盖了从紫外到中红外。与其他激光器/放大器相比，光纤激光器/放大器具有能量转化率高、输出光束质量好、结构紧凑稳定、无需光路调整、散热性能好、寿命长和无需维护等鲜明特点，因此得到快速发展以及广泛地应用。
近年来，高功率纳秒脉冲全光纤激光器被广泛应用于激光打标、激光雕刻领域，此类激光器的输出功率一般处于几十瓦量级，脉冲能量在一两个毫焦量级。激光清洗用激光器的平均功率一般需要几百瓦量级，尤其是脉冲能量需要达到十毫焦以上，甚至是五十毫焦以上。因此现有的高功率纳秒脉冲全光纤激光器产品无法应用于市场巨大的激光清洗行业。基于非相干合束技术对多束纳秒脉冲全光纤激光进行合束实现平均功率达到千瓦量级、脉冲能量达到百毫焦量级的全光纤激光器具有重大意义。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明旨在提供一种平均功率达到千瓦量级、脉冲能量达到百毫焦量级的高能量、高平均功率的纳秒脉冲全光纤激光器。
为了实现上述功能，本发明将通过以下技术方案加以实现：
一种基于非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于设有纳秒脉冲种子激光、光纤分束器、光纤放大器、同步光路、光纤合束器和激光输出头，所述纳秒脉冲种子激光的输出端与光纤分束器的输入端连接，光纤分束器设有不少于2个分路输出端，光纤分束器各分路输出端分别设有相对应的光纤放大器，光纤分束器对纳秒脉冲种子激光所发出的光信号进行分路后，分别对光纤分束器的各分路光信号进行放大，光纤分束器各分路输出端分别与相对应的光纤放大器的输入端相连，各光纤放大器的输出端分别经同步光路与光纤合束器输入端相连，光纤合束器的输出端与激光输出头连接。
本发明所述纳秒脉冲种子激光可以是一种主动调Q光纤激光器，也可以是其他可以提供纳秒激光脉冲的激光器，比如可以是光纤耦合的增益开关型脉冲半导体激光器，或者是一种电流调制型的蝶形半导体激光器，当纳秒脉冲种子激光为一种主动调Q光纤激光器时，它纳秒脉冲种子激光是一种主动调Q光纤激光器，该主动调Q光纤激光器包括第一半导体泵浦激光、光纤泵浦信号合束器、第一双包层掺镱光纤、高反光纤光栅、光纤耦合声光调制器、低反光纤光栅和第一光纤隔离器，其中第一半导体泵浦激光与光纤泵浦信号合束器的泵浦端连接，光纤泵浦信号合束器的信号输入光纤端面进行斜切，光纤泵浦信号合束器的信号输出光纤与高反光纤光栅一端相连接，高反光纤光栅另一端与第一双包层掺镱光纤一端连接，第一双包层掺镱光纤另一端与光纤耦合声光调制器连接，光纤耦合声光调制器输出光纤与低反光纤光栅连接，低反光纤光栅另一端与第一光纤隔离器的输入光纤焊接；当纳秒脉冲种子激光是一种电流调制型的蝶形半导体激光器，包括脉冲电流驱动器、光纤耦合蝶形半导体激光器、输出光纤和第二光纤隔离器，光纤耦合蝶形半导体激光器经脉冲电流驱动器驱动后，输出1微米波段激光，光纤耦合蝶形半导体激光器经输出光纤与第二光纤隔离器的输入端连接。纳秒脉冲种子激光可以输出的重复频率几千赫兹到几百千赫兹，脉冲宽度从几十纳秒到几百纳秒的脉冲激光。
本发明所述光纤放大器由光纤放大级组成，光纤放大级采用的是前向泵浦的方式，也可以采用后向泵浦的方式；光纤放大级包括第二光纤泵浦信号合束器、第二半导体泵浦激光、第二双包层掺镱光纤和第三光纤隔离器，第二光纤泵浦信号合束器的泵浦端接第二半导体泵浦激光，第二光纤泵浦信号合束器的输出端与第二双包层掺镱光纤一端相连，第二双包层掺镱光纤另一端与第三光纤隔离器相连。
本发明所述光纤放大器至少包括两个光纤放大级，光纤放大器3并不限于两级光纤放大级，可以增加光纤放大级以实现更高功率、更高能量的激光。其中，对于相邻的光纤放大级，前一个光纤放大级第三光纤隔离器的输出端与后一个光纤放大级第二光纤泵浦信号合束器的输入端相连；第一个光纤放大级的第二光纤泵浦信号合束器的输入端与纳秒脉冲种子激光输出端相连，最后一个光纤放大级的第三光纤隔离器的输出端与同步光路相连。
光纤放大器由两个光纤放大级组成，其中第一个光纤放大级包括：一个第二光纤泵浦信号合束器（3-2），第二光纤泵浦信号合束器的信号端接光纤分束器2的输出端，第二光纤泵浦信号合束器的泵浦端接第二半导体泵浦激光（3-1），第二光纤泵浦信号合束器的输出端与第二双包层掺镱光纤（3-3）相连，第二双包层掺镱光纤另一端与第三光纤隔离器（3-4）相连。第二个光纤放大级包括：一个第二光纤泵浦信号合束器（3-6），第二光纤泵浦信号合束器的信号端接第一个光纤放大级的第三光纤隔离器（3-4）的输出端，第二光纤泵浦信号合束器的泵浦端接第二半导体泵浦激光（3-5），第二光纤泵浦信号合束器的输出端与第二双包层掺镱光纤（3-7）相连，第二双包层掺镱光纤另一端与第三光纤隔离器（3-8）相连。其中光纤放大器3的第一个光纤放大级中，采用的第二半导体泵浦激光（3-1）为光纤耦合多模半导体激光器，工作波长位于915nm，输出光纤为105μm/125μm光纤，纤芯NA为0.22，输出功率约20W。采用的第二光纤泵浦信号合束器（3-2）为（2+1）×1光纤泵浦信号合束器，第二双包层掺镱光纤（3-3），的芯径/内包层为20μm/130μm，纤芯NA为0.08，对915nm处激光的吸收系数约为3dB/m。所属光纤放大器3的第二个光纤放大级中，采用的第二半导体泵浦激光（3-5）为光纤耦合多模半导体激光器，工作波长位于915nm，输出光纤为105μm/125μm光纤，纤芯NA为0.22，输出功率约30W。采用的光纤泵浦信号合束器（3-6）为（18+1）×1光纤泵浦信号合束器，第二双包层掺镱光纤（3-7），的芯径/内包层为50μm/400μm，纤芯NA为0.08，对915nm处激光的吸收系数约为2dB/m。
本发明所述同步光路4是无源光纤，通过改变无源光纤的长度，对七路激光进行时域同步。
本发明所述光纤分束器的输入端与纳秒脉冲种子源的光纤隔离器（1-7）的输出端连接，光纤分束器将纳秒脉冲分为N（N>2）束，光纤分束器可以为一个（1×N）光纤分束器，也可以为由多个分束器组成。例如，当需要用光纤分束器将纳秒脉冲分为7束时，可以采用一个（1×7）光纤分束器，也可以将一个（1×3）光纤分束器和一个（1×4）光纤分束器采用配合。
本发明光纤合束器为一个N×1光纤激光合束器，可以将N路激光合束进一根光纤。
本发明所述激光输出头6为石英玻璃端帽，呈8度以上倾斜角并在端面镀有抑制自激振荡的信号光防反射膜。
传统的纳秒脉冲激光器，由于受到非线性效应、能量存储等因素的限制，脉冲能量一般在十几毫焦量级，平均功率在两三百瓦量级，这极大地限制了脉冲光纤激光器在激光清洗等领域的应用。本发明通过激光合束技术将几路纳秒脉冲光纤激光进行合束，得到平均功率达到千瓦量级、脉冲能量达到百毫焦量级的纳秒脉冲光纤激光器；同时整个系统实现了全光纤化，具备平均功率高、脉冲能量大、体积小、易维护、稳定可靠的优秀性能。在实施例的试验中，我们通过对7束脉冲能量约15mJ、平均功率约150W的纳秒脉冲激光进行非相干合束，得到了脉冲能量达到100mJ、平均功率达到1000W的高脉冲能量、高平均功率纳秒脉冲光纤激光器。
附图说明
图1是本发明的一种结构图示图。
图中标记：纳秒脉冲种子激光1、光纤分束器2、光纤放大器3、同步光路4、光纤合束器5、激光输出头6。
图2是纳秒脉冲种子激光的一种结构图示图。
图中标记：半导体泵浦激光1-1、光纤泵浦信号合束器1-2、高反光纤光栅1-3、双包层掺镱光纤1-4、声光调制器1-5、低反光纤光栅1-6、光纤隔离器1-7。
图3是纳秒脉冲种子激光的另一种结构图示图。
图中标记： 光纤耦合蝶形半导体激光器8、脉冲电流驱动器7、双包层掺镱光纤、光纤隔离器
图4是本发明涉及的一种光纤放大器的结构图示图。
图中标记：半导体泵浦激光3-1、光纤泵浦信号合束器3-2、双包层掺镱光纤3-3、光纤隔离器3-4、半导体泵浦激光3-5、光纤泵浦信号合束器3-6、双包层掺镱光纤3-7、光纤隔离器3-8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
一种基于非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于设有纳秒脉冲种子激光1、光纤分束器2、光纤放大器3、同步光路4、光纤合束器5和激光输出头6，所述纳秒脉冲种子激光的输出端与光纤分束器的输入端连接，光纤分束器设有不少于2个分路输出端，光纤分束器各分路输出端分别设有相对应的光纤放大器，光纤分束器对纳秒脉冲种子激光所发出的光信号进行分路后，分别对光纤分束器的各分路光信号进行放大，光纤分束器各分路输出端分别与相对应的光纤放大器的输入端相连，各光纤放大器的输出端分别经同步光路与光纤合束器输入端相连，光纤合束器的输出端与激光输出头连接。
本发明所述纳秒脉冲种子激光可以是一种主动调Q光纤激光器，也可以是其他可以提供纳秒激光脉冲的激光器，比如可以是光纤耦合的增益开关型脉冲半导体激光器，或者是一种电流调制型的蝶形半导体激光器，当纳秒脉冲种子激光为一种主动调Q光纤激光器时，它纳秒脉冲种子激光是一种主动调Q光纤激光器，该主动调Q光纤激光器包括第一半导体泵浦激光（1-1）、光纤泵浦信号合束器(1-2)、第一双包层掺镱光纤（1-4）、高反光纤光栅（1-3）、光纤耦合声光调制器（1-5）、低反光纤光栅(1-6)和第一光纤隔离器(1-7)，其中第一半导体泵浦激光（1-1）与光纤泵浦信号合束器(1-2)的泵浦端连接，光纤泵浦信号合束器(1-2)的信号输入光纤端面进行斜切，光纤泵浦信号合束器(1-2)的信号输出光纤与高反光纤光栅（1-3）一端相连接，高反光纤光栅（1-3）另一端与第一双包层掺镱光纤一端（1-4）连接，第一双包层掺镱光纤（1-4）另一端与光纤耦合声光调制器（1-5）连接，光纤耦合声光调制器（1-5）输出光纤与低反光纤光栅(1-6)连接，低反光纤光栅(1-6)另一端与第一光纤隔离器(1-7)的输入光纤焊接；当纳秒脉冲种子激光是一种电流调制型的蝶形半导体激光器，包括脉冲电流驱动器7、光纤耦合蝶形半导体激光器8、输出光纤和第二光纤隔离器，光纤耦合蝶形半导体激光器经脉冲电流驱动器驱动后，输出1微米波段激光，光纤耦合蝶形半导体激光器经输出光纤与第二光纤隔离器的输入端连接。纳秒脉冲种子激光可以输出的重复频率几千赫兹到几百千赫兹，脉冲宽度从几十纳秒到几百纳秒的脉冲激光。
本发明所述光纤放大器由光纤放大级组成，光纤放大级采用的是前向泵浦的方式，也可以采用后向泵浦的方式；光纤放大级包括第二光纤泵浦信号合束器、第二半导体泵浦激光、第二双包层掺镱光纤和第三光纤隔离器，第二光纤泵浦信号合束器的泵浦端接第二半导体泵浦激光，第二光纤泵浦信号合束器的输出端与第二双包层掺镱光纤一端相连，第二双包层掺镱光纤另一端与第三光纤隔离器相连。
本发明所述光纤放大器至少包括两个光纤放大级，光纤放大器3并不限于两级光纤放大级，可以增加光纤放大级以实现更高功率、更高能量的激光。其中，对于相邻的光纤放大级，前一个光纤放大级第三光纤隔离器的输出端与后一个光纤放大级第二光纤泵浦信号合束器的输入端相连；第一个光纤放大级的第二光纤泵浦信号合束器的输入端与纳秒脉冲种子激光输出端相连，最后一个光纤放大级的第三光纤隔离器的输出端与同步光路相连。
本发明所述同步光路4是无源光纤，通过改变无源光纤的长度，对七路激光进行时域同步。
本发明所述光纤分束器2的输入端与纳秒脉冲种子源1的光纤隔离器（1-7）的输出端连接，光纤分束器将纳秒脉冲分为N（N>2）束，光纤分束器可以为一个（1×N）光纤分束器，也可以为由多个分束器组成。例如，当需要用光纤分束器将纳秒脉冲分为7束时，可以采用一个（1×7）光纤分束器，也可以将一个（1×3）光纤分束器和一个（1×4）光纤分束器采用配合。
本发明光纤合束器为一个N×1光纤激光合束器，可以将N路激光合束进一根光纤。
本发明所述激光输出头6为石英玻璃端帽，呈8度以上倾斜角并在端面镀有抑制自激振荡的信号光防反射膜。
传统的纳秒脉冲激光器，由于受到非线性效应、能量存储等因素的限制，脉冲能量一般在十几毫焦量级，平均功率在两三百瓦量级，这极大地限制了脉冲光纤激光器在激光清洗等领域的应用。本发明通过激光合束技术将几路纳秒脉冲光纤激光进行合束，得到平均功率达到千瓦量级、脉冲能量达到百毫焦量级的纳秒脉冲光纤激光器；同时整个系统实现了全光纤化，具备平均功率高、脉冲能量大、体积小、易维护、稳定可靠的优秀性能。在实施例的试验中，我们通过对7束脉冲能量约15mJ、平均功率约150W的纳秒脉冲激光进行非相干合束，得到了脉冲能量达到100mJ、平均功率达到1000W的高脉冲能量、高平均功率纳秒脉冲光纤激光器。
实施例一
一种基于非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于设有纳秒脉冲种子激光1、光纤分束器2、光纤放大器3、同步光路4、光纤合束器5和激光输出头6，所述纳秒脉冲种子激光的输出端与光纤分束器的输入端连接，光纤分束器设有7个分路输出端，光纤分束器各分路输出端分别设有相对应的光纤放大器，光纤分束器对纳秒脉冲种子激光所发出的光信号进行分路后，分别对光纤分束器的各分路光信号进行放大，光纤分束器各分路输出端分别与相对应的光纤放大器的输入端相连，各光纤放大器的输出端分别经同步光路与光纤合束器输入端相连，光纤合束器的输出端与激光输出头连接。
其中，主动调Q光纤激光器包括第一半导体泵浦激光（1-1）、光纤泵浦信号合束器(1-2)、第一双包层掺镱光纤（1-4）、高反光纤光栅（1-3）、光纤耦合声光调制器（1-5）、低反光纤光栅(1-6)和第一光纤隔离器(1-7)，其中第一半导体泵浦激光（1-1）与光纤泵浦信号合束器(1-2)的泵浦端连接，光纤泵浦信号合束器(1-2)的信号输入光纤端面进行斜切，光纤泵浦信号合束器(1-2)的信号输出光纤与高反光纤光栅（1-3）一端相连接，高反光纤光栅（1-3）另一端与第一双包层掺镱光纤一端（1-4）连接，第一双包层掺镱光纤（1-4）另一端与光纤耦合声光调制器（1-5）连接，光纤耦合声光调制器（1-5）输出光纤与低反光纤光栅(1-6)连接，低反光纤光栅(1-6)另一端与第一光纤隔离器(1-7)的输入光纤焊接。纳秒脉冲种子激光可以输出的重复频率几千赫兹到几百千赫兹，脉冲宽度从几十纳秒到几百纳秒的脉冲激光。
本实施例所述光纤放大器由两个光纤放大级组成，光纤放大级采用的是前向泵浦的方式，光纤放大器由两个光纤放大级组成，其中第一个光纤放大级包括：一个第二光纤泵浦信号合束器（3-2），第二光纤泵浦信号合束器的信号端接光纤分束器2的输出端，第二光纤泵浦信号合束器的泵浦端接第二半导体泵浦激光（3-1），第二光纤泵浦信号合束器的输出端与第二双包层掺镱光纤（3-3）相连，第二双包层掺镱光纤另一端与第三光纤隔离器（3-4）相连。第二个光纤放大级包括：一个第二光纤泵浦信号合束器（3-6），第二光纤泵浦信号合束器的信号端接第一个光纤放大级的第三光纤隔离器（3-4）的输出端，第二光纤泵浦信号合束器的泵浦端接第二半导体泵浦激光（3-5），第二光纤泵浦信号合束器的输出端与第二双包层掺镱光纤（3-7）相连，第二双包层掺镱光纤另一端与第三光纤隔离器（3-8）相连。其中光纤放大器3的第一个光纤放大级中，采用的第二半导体泵浦激光（3-1）为光纤耦合多模半导体激光器，工作波长位于915nm，输出光纤为105μm/125μm光纤，纤芯NA为0.22，输出功率约20W。采用的第二光纤泵浦信号合束器（3-2）为（2+1）×1光纤泵浦信号合束器，第二双包层掺镱光纤（3-3），的芯径/内包层为20μm/130μm，纤芯NA为0.08，对915nm处激光的吸收系数约为3dB/m。所属光纤放大器3的第二个光纤放大级中，采用的第二半导体泵浦激光（3-5）为光纤耦合多模半导体激光器，工作波长位于915nm，输出光纤为105μm/125μm光纤，纤芯NA为0.22，输出功率约30W。采用的光纤泵浦信号合束器（3-6）为（18+1）×1光纤泵浦信号合束器，第二双包层掺镱光纤（3-7），的芯径/内包层为50μm/400μm，纤芯NA为0.08，对915nm处激光的吸收系数约为2dB/m。
此外，本实施例中所述同步光路4是无源光纤，通过改变无源光纤的长度，对七路激光进行时域同步。本发明所述光纤分束器的输入端与纳秒脉冲种子源的光纤隔离器（1-7）的输出端连接，光纤分束器将纳秒脉冲分为7束，光纤分束器2为一个（1×7）光纤分束器2。光纤合束器为一个7×1光纤激光合束器，可以将7路激光合束进一根光纤。本发明所述激光输出头6为石英玻璃端帽，呈8度以上倾斜角并在端面镀有抑制自激振荡的信号光防反射膜。
采用上述结构，本发明可以得到100mJ，1000W的纳秒脉冲激光，足以用于航空航天、海工装备等高端激光清洗应用市场。
实施例二
一种基于非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于设有纳秒脉冲种子激光1、光纤分束器2、光纤放大器3、同步光路4、光纤合束器5和激光输出头6，所述纳秒脉冲种子激光的输出端与光纤分束器的输入端连接，光纤分束器设有不少于2个分路输出端，光纤分束器各分路输出端分别设有相对应的光纤放大器，光纤分束器对纳秒脉冲种子激光所发出的光信号进行分路后，分别对光纤分束器的各分路光信号进行放大，光纤分束器各分路输出端分别与相对应的光纤放大器的输入端相连，各光纤放大器的输出端分别经同步光路与光纤合束器输入端相连，光纤合束器的输出端与激光输出头连接。
本实施例所述纳秒脉冲种子激光是一种电流调制型的蝶形半导体激光器，包括脉冲电流驱动器7、光纤耦合蝶形半导体激光器8、输出光纤和第二光纤隔离器，光纤耦合蝶形半导体激光器经脉冲电流驱动器驱动后，输出1微米波段激光，光纤耦合蝶形半导体激光器经输出光纤与第二光纤隔离器的输入端连接。纳秒脉冲种子激光可以输出的重复频率几千赫兹到几百千赫兹，脉冲宽度从几十纳秒到几百纳秒的脉冲激光。
本实施例所述光纤放大器由3个光纤放大级组成，光纤放大级包括光纤泵浦信号合束器、半导体泵浦激光、双包层掺镱光纤、光纤隔离器，其中第一放大级的输出端与第二光纤放大级第二光纤泵浦信号合束器的输入端相连，第二放大级的输出端与第三光纤放大级第二光纤泵浦信号合束器的输入端相连，第一光纤放大级的第二光纤泵浦信号合束器的输入端与纳秒脉冲种子激光输出端相连，第三光纤放大级的第三光纤隔离器的输出端与同步光路相连。
本实施例中所述光纤放大器3的第一个光纤放大级中，采用的第二半导体泵浦激光为光纤耦合多模半导体激光器，工作波长位于915nm，输出光纤为105μm/125μm光纤，纤芯NA为0.22，输出功率约10W。采用的第二光纤泵浦信号合束器可以为（1+1）×1光纤泵浦信号合束器，双包层掺镱光纤的芯径/内包层为10μm/130μm，纤芯NA为0.08，对915nm处激光的吸收系数约为1.3dB/m。
第二个光纤放大级中，采用的第二半导体泵浦激光为光纤耦合多模半导体激光器，工作波长位于915nm，输出光纤为105μm/125μm光纤，纤芯NA为0.22，输出功率约20W。采用的第二光纤泵浦信号合束器可以为（2+1）×1泵浦信号合束器，双包层掺镱光纤的芯径/内包层为20μm/130μm，纤芯NA为0.08，对915nm处激光的吸收系数约为3dB/m。
第三个光纤放大级中，采用的第二半导体泵浦激光为光纤耦合多模半导体激光器，工作波长位于915nm，输出光纤为105μm/125μm光纤，纤芯NA为0.22，输出功率约30W。采用的第二光纤泵浦信号合束器为（18+1）×1光纤泵浦信号合束器，双包层掺镱光纤的芯径/内包层为50μm/400μm，纤芯NA为0.08，对915nm处激光的吸收系数约为2dB/m。
此外，本实施例中所述同步光路4是无源光纤，通过改变无源光纤的长度，对七路激光进行时域同步。本发明所述光纤分束器的输入端与纳秒脉冲种子源的光纤隔离器（1-7）的输出端连接，光纤分束器将纳秒脉冲分为7束，光纤分束器2为一个（1×7）光纤分束器2。光纤合束器为一个7×1光纤激光合束器，可以将7路激光合束进一根光纤。本发明所述激光输出头6为石英玻璃端帽，呈8度以上倾斜角并在端面镀有抑制自激振荡的信号光防反射膜。
采用上述结构，本发明可以得到100mJ，1000W的纳秒脉冲激光，足以用于航空航天、海工装备等高端激光清洗应用市场。
实施例三
一种基于非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于设有纳秒脉冲种子激光1、光纤分束器2、光纤放大器3、同步光路4、光纤合束器5和激光输出头6，所述纳秒脉冲种子激光的输出端与光纤分束器的输入端连接，光纤分束器设有7个分路输出端，光纤分束器各分路输出端分别设有相对应的光纤放大器，光纤分束器对纳秒脉冲种子激光所发出的光信号进行分路后，分别对光纤分束器的各分路光信号进行放大，光纤分束器各分路输出端分别与相对应的光纤放大器的输入端相连，各光纤放大器的输出端分别经同步光路与光纤合束器输入端相连，光纤合束器的输出端与激光输出头连接。
其中，主动调Q光纤激光器包括第一半导体泵浦激光（1-1）、光纤泵浦信号合束器(1-2)、第一双包层掺镱光纤（1-4）、高反光纤光栅（1-3）、光纤耦合声光调制器（1-5）、低反光纤光栅(1-6)和第一光纤隔离器(1-7)，其中第一半导体泵浦激光（1-1）与光纤泵浦信号合束器(1-2)的泵浦端连接，光纤泵浦信号合束器(1-2)的信号输入光纤端面进行斜切，光纤泵浦信号合束器(1-2)的信号输出光纤与高反光纤光栅（1-3）一端相连接，高反光纤光栅（1-3）另一端与第一双包层掺镱光纤一端（1-4）连接，第一双包层掺镱光纤（1-4）另一端与光纤耦合声光调制器（1-5）连接，光纤耦合声光调制器（1-5）输出光纤与低反光纤光栅(1-6)连接，低反光纤光栅(1-6)另一端与第一光纤隔离器(1-7)的输入光纤焊接。纳秒脉冲种子激光可以输出的重复频率几千赫兹到几百千赫兹，脉冲宽度从几十纳秒到几百纳秒的脉冲激光。
本实施例所述光纤放大器由两个光纤放大级组成，光纤放大级采用的是前向泵浦的方式， 其中第一个光纤放大级包括：一个第二光纤泵浦信号合束器（3-2），第二光纤泵浦信号合束器的信号端接光纤分束器2的输出端，第二光纤泵浦信号合束器的泵浦端接第二半导体泵浦激光（3-1），第二光纤泵浦信号合束器的输出端与第二双包层掺镱光纤（3-3）相连，第二双包层掺镱光纤另一端与第三光纤隔离器（3-4）相连。第二个光纤放大级包括：一个第二光纤泵浦信号合束器（3-6），第二光纤泵浦信号合束器的信号端接第一个光纤放大级的第三光纤隔离器（3-4）的输出端，第二光纤泵浦信号合束器的泵浦端接第二半导体泵浦激光（3-5），第二光纤泵浦信号合束器的输出端与第二双包层掺镱光纤（3-7）相连，第二双包层掺镱光纤另一端与第三光纤隔离器（3-8）相连。其中光纤放大器3的第一个光纤放大级中，采用的第二半导体泵浦激光（3-1）为光纤耦合多模半导体激光器，工作波长位于915nm，输出光纤为105μm/125μm光纤，纤芯NA为0.22，输出功率约20W。采用的第二光纤泵浦信号合束器（3-2）为（2+1）×1光纤泵浦信号合束器，第二双包层掺镱光纤（3-3），的芯径/内包层为20μm/130μm，纤芯NA为0.08，对915nm处激光的吸收系数约为3dB/m。所属光纤放大器3的第二个光纤放大级中，采用的第二半导体泵浦激光（3-5）为光纤耦合多模半导体激光器，工作波长位于915nm，输出光纤为105μm/125μm光纤，纤芯NA为0.22，输出功率约30W。采用的光纤泵浦信号合束器（3-6）为（18+1）×1光纤泵浦信号合束器，第二双包层掺镱光纤（3-7），的芯径/内包层为50μm/400μm，纤芯NA为0.08，对915nm处激光的吸收系数约为2dB/m。
此外，本实施例中所述同步光路4是无源光纤，通过改变无源光纤的长度，对七路激光进行时域同步。本发明所述光纤分束器的输入端与纳秒脉冲种子源的光纤隔离器（1-7）的输出端连接，光纤分束器将纳秒脉冲分为5束，光纤分束器2为一个（1×5）光纤分束器2。光纤合束器为一个5×1光纤激光合束器，可以将5路激光合束进一根光纤。本发明所述激光输出头6为石英玻璃端帽，呈8度以上倾斜角并在端面镀有抑制自激振荡的信号光防反射膜。
采用上述结构，本发明可以得到100mJ，1000W的纳秒脉冲激光，足以用于航空航天、海工装备等高端激光清洗应用市场。

Claims (10)

1.一种基于非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于设有纳秒脉冲种子激光、光纤分束器、光纤放大器、同步光路、光纤合束器和激光输出头，所述纳秒脉冲种子激光的输出端与光纤分束器的输入端连接，光纤分束器设有不少于2个分路输出端，光纤分束器各分路输出端分别设有相对应的光纤放大器，分别对光纤分束器的各分路光信号进行放大，光纤分束器各分路输出端分别与相对应的光纤放大器的输入端相连，各光纤放大器的输出端分别经同步光路与光纤合束器输入端相连，光纤合束器的输出端与激光输出头连接。
2.根据权利要求1所述一种基于非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于纳秒脉冲种子激光是一种主动调Q光纤激光器，该主动调Q光纤激光器包括第一半导体泵浦激光、光纤泵浦信号合束器、第一双包层掺镱光纤、高反光纤光栅、光纤耦合声光调制器、低反光纤光栅和第一光纤隔离器，其中第一半导体泵浦激光与光纤泵浦信号合束器的泵浦端连接，光纤泵浦信号合束器的信号输入光纤端面进行斜切，光纤泵浦信号合束器的信号输出光纤与高反光纤光栅一端相连接，高反光纤光栅另一端与第一双包层掺镱光纤一端连接，第一双包层掺镱光纤另一端与光纤耦合声光调制器连接，光纤耦合声光调制器输出光纤与低反光纤光栅连接，低反光纤光栅另一端与第一光纤隔离器的输入光纤焊接在一起。
3.根据权利要求1所述一种基于非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于纳秒脉冲种子激光是一种电流调制型的蝶形半导体激光器，包括脉冲电流驱动器、光纤耦合蝶形半导体激光器、输出光纤和第二光纤隔离器，光纤耦合蝶形半导体激光器经脉冲电流驱动器驱动后，输出1微米波段激光，光纤耦合蝶形半导体激光器经输出光纤与第二光纤隔离器的输入端连接。
4.根据权利要求1所述一种基于非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于光纤放大器由光纤放大级组成，光纤放大级包括第二光纤泵浦信号合束器、第二半导体泵浦激光、第二双包层掺镱光纤和第三光纤隔离器，第二光纤泵浦信号合束器的泵浦端接第二半导体泵浦激光，第二光纤泵浦信号合束器的输出端与第二双包层掺镱光纤一端相连，第二双包层掺镱光纤另一端与第三光纤隔离器相连。
5.根据权利要求4所述一种基于非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于光纤放大器至少包括两个光纤放大级，其中，对于相邻的光纤放大级，前一个光纤放大级第三光纤隔离器的输出端与后一个光纤放大级第二光纤泵浦信号合束器的输入端相连；第一个光纤放大级的第二光纤泵浦信号合束器的输入端与纳秒脉冲种子激光输出端相连，最后一个光纤放大级的第三光纤隔离器的输出端与同步光路相连。
6.根据权利要求4所述一种基于非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于光纤放大器由两个光纤放大级组成，其中第一个光纤放大级包括：一个第二光纤泵浦信号合束器，第二光纤泵浦信号合束器的信号端接光纤分束器的输出端，第二光纤泵浦信号合束器的泵浦端接第二半导体泵浦激光，第二光纤泵浦信号合束器的输出端与第二双包层掺镱光纤相连，第二双包层掺镱光纤另一端与第三光纤隔离器相连；第二个光纤放大级包括：一个第二光纤泵浦信号合束器，第二光纤泵浦信号合束器的信号端接第一个光纤放大级的第三光纤隔离器的输出端，第二光纤泵浦信号合束器的泵浦端接第二半导体泵浦激光，第二光纤泵浦信号合束器的输出端与第二双包层掺镱光纤相连，第二双包层掺镱光纤另一端与第三光纤隔离器相连。
7.根据权利要求6所述一种基于非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于光纤放大器的第一个光纤放大级中，采用的第二半导体泵浦激光（光纤耦合多模半导体激光器，工作波长位于915nm，输出光纤为105μm/125μm光纤，纤芯NA为0.22，输出功率约20W；采用的第二光纤泵浦信号合束器为（2+1）×1光纤泵浦信号合束器，第二双包层掺镱光纤，的芯径/内包层为20μm/130μm，纤芯NA为0.08，对915nm处激光的吸收系数约为3dB/m。
8.根据权利要求6所述一种基于非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于光纤放大器的第二个光纤放大级中，采用的第二半导体泵浦激光为光纤耦合多模半导体激光器，工作波长位于915nm，输出光纤为105μm/125μm光纤，纤芯NA为0.22，输出功率约30W；采用的光纤泵浦信号合束器（18+1）×1光纤泵浦信号合束器，第二双包层掺镱光纤，的芯径/内包层为50μm/400μm，纤芯NA为0.08，对915nm处激光的吸收系数约为2dB/m。
9.根据权利要求1所述一种基于非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于同步光路4是无源光纤，通过改变无源光纤的长度，对七路激光进行时域同步。
10.根据权利要求1所述一种基于非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于激光输出头为石英玻璃端帽，呈8度以上倾斜角并在端面镀有抑制自激振荡的信号光防反射膜。
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