CN106451043A - 一种200w纳秒脉冲光纤激光器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种平均功率达200W纳秒脉冲光纤激光器系统，峰值功率可达10kW以上。控制系统一方面控制激光器正常工作，一方面收集光学部分与驱动电路、环境温度、湿度反馈信息，保护激光器。光学系统中种子源为一集成在主控电路上的增益调制的半导体激光器产生，其平均功率、重复频率、脉冲宽度、形状可以通过主控制电路调节。种子源、第一二级放大器之间加有窄带滤波功能的在线光隔离器，以防止激光系统在打标应用过程中由于反馈光造成的光路损坏，同时抑制激光功率在逐级放大过程中由于非线性效应引起的光谱展宽，提高激光光路系统的稳定性与可靠性。在第二级放大和第三级放大之间加入的红光指示，提高激光器应用时的操作安全性和灵活性。

Description

一种200W纳秒脉冲光纤激光器系统
技术领域
本发明涉光纤激光器领域，具体是一种平均功率可达200W纳秒脉冲光纤激光器系统。
背景技术
高功率纳秒脉冲光纤激光器具有光束质量好、脉冲宽度窄、可对材料“冷”烧灼、可靠性高、易于集成、无需复杂维护等优点得到越来越多的关注和应用，尤其是微细尺度材料加工领域。
现阶段主要通过主控振荡-放大(MOPA)方法来获得高峰值功率的纳秒脉冲，种子源MO一般采用响应速度快的调制半导体激光器来产生脉冲宽度为纳秒量级的种子光，种子光注入到放大器PA中进行放大。采用短脉冲驱动半导体激光器虽然可以获得短脉冲激光，但是脉冲宽度较窄，若不加处理则会在再放大时光谱展宽，限制激光器峰值功率的提高。同时，抗反馈光能力差，不能标刻铝、黄铜等高反材料。
发明内容
本发明的目的为了克服现有技术存在的上述问题，提供一种脉冲宽度、重复频率可调，具有抗反馈光功能、脉冲稳定性好、光束质量好、脉冲种子光状态可监控、输出功率稳定的、平均功率可达200W功率的高峰值功率纳秒脉冲光纤激光器系统。
本发明的技术方案：
一种200W纳秒脉冲光纤激光器系统，由种子源、脉冲信号光监控器、第一级放大器、第二级放大器、红光系统、第三级放大器、功率监控器、输出光隔离器、控制系统、驱动电路系统、反馈系统构成；其特征在于：控制系统分别与种子源、驱动电路系统和反馈系统相连，驱动电路系统分别驱动第一级放大器、第二级放大器、红光系统、第三级放大器；控制系统控制种子源输出纳秒量级脉冲激光；种子源激光经小光隔后小部分激光到达脉冲信号光监控器，绝大部分激光注入到第一级放大器，再依次通过第二级放大器、红光系统、第三级放大器；第三级放大器输出的绝大部分激光经输出光隔离器输出，少部分激光到达功率监控器；种子源信号光监控器和功率监控器将采集到的信号发送给反馈系统，由反馈系统反馈到控制系统，外部输入电源(12)为脉冲光纤激光器系统供电。控制系统将采集到的脉冲信号光频率、脉冲宽度与设定值对比，根据对比结果决定种子源继续或停止工作；同时将功率监控器采集到的功率信号与设定值对比，根据对比结果判断激光器是否异常，当没采集到的功率信号或功率信号低于基准值时，激光器报警。
所述的种子源由快速响应的增益开关型半导体激光器、光纤光栅、光隔离器组成。增益开关型半导体激光器中心波长为1064nm±2nm；控制系统控制种子源产生脉冲信号光，脉冲宽度为纳秒或皮秒脉冲。
所述种子源、第一级放大器、第二级放大器均含光隔离器，以保护光路损坏，其中第一、第二级放大器隔离器输出端同时具有滤波功能，防止放大自发辐射光源(ASE)影响系统的稳定性。
所述第一级放大器、第二级放大器均采用正向泵浦方式，所述的第一级放大器、第二级放大器均由波长为915nm/976nm半导体泵浦源、掺镱双包层光纤、耦合器、模式适配器、光纤隔离器组成。
所述第三级放大器均采用正向泵浦方式，所述的第三级放大器由波长为915nm/976nm半导体泵浦源)、掺镱双包层光纤、耦合器、模式适配器组成。
所述的种子源脉冲光检测器由分束器、光电二极管组成。分束器具有一定的分光比，用于分出少部分信号光用于监控信号光频率、脉冲宽度。
所述的红光系统由波分复用WDM、红光二级管组成。
所述的功率监控器由分束器和光电二极管组成，具有一定分光比的分束器分出少部分信号光用于激光功率监控器。
在种子源脉冲光检测器、功率监控器中利用带尾纤的光电二极管将采集到的光信号转换成相应的电信号。
本发明采用MOPA放大结构，在种子源后增加光隔离器，得到脉冲稳定性良好的种子激光。分别在第一级放大、第二级放大末端接入带窄带滤波功能的隔离器，滤除有害的ASE，提高系统的稳定性。在第二级放大器后加入红光指示，提高激光器的操作安全性和灵活性。脉冲信号光后和主放大级后均接入光电二极管，通过反馈系统实现对脉冲信号光频率、脉冲宽度、功率监控对激光器实时保护。该种纳秒脉冲光纤激光器最高输出平均功率200W，最小脉冲宽度可达到20ns，频率可在10kHz到1000kHz较宽的范围内调节，单脉冲能量最高可达2mJ以上，峰值功率40KW。
本发明的工作原理：驱动单元驱动种子源产生纳秒脉冲1064nm激光，脉冲信号光经隔离器后经脉冲信号光监测器注入到第一级放大级，第一级放大级、第二级放大级、第三级放大级均采用正向泵浦对信号光逐级放大，每级放大级末端接有具有窄带滤波功能的光隔离器，信号激光经过三级放大后最后经输出光隔离器输出。高功率纳秒脉冲光纤激光器系统设置了脉冲种子源信号光监控器和输出功率监控器，通过带尾纤的光电二极管将光信号转换成电信号，控制电路系统将之与设定值进行对比，根据对比结果做出相应的判断并通过驱动系统进行调整。
本发明的优点：本发明为全光纤系统，有效提高了系统的可靠性和稳定性；第一二级放大器中利用具有窄带滤波光隔离器和模式适配器提高激光器的光束质量、并有效地抑制掺杂光纤内的非线性效应，实现高功率纳秒脉冲激光输出；具有红光指示的功能，提高系统的可操作性和安全性；具有脉冲信号光实时监控的功能和输出功率动态调节的功能。
附图说明
图1为本发明的光学结构示意图。
图2为本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述。
参见图1、图2，本发明由种子源1、脉冲信号监控器2、第一级放大级3、第二级放大级4、红光系统5、第三级放大级6、功率监控器7、输出光隔离器8、控制系统9、驱动电路系统10、反馈系统11构成；其特征在于：控制系统9分别与驱动电路系统10和反馈系统11相连，驱动电路系统10驱动第一级放大级3、第二级放大级4、、红光系统5、第三级放大级6；控制系统9驱动种子源1输出纳秒级脉冲激光；脉冲种子激光经种子光监测器小部分光到监控光电二极管202，绝大部分激光注入到第一级放大级3，再依次经第二级放大级4、红光系统5、第三级放大级6，功率监控系统7后的绝大部分激光从输出光隔离器8输出，少部分激光到达功率监控器7的监控二极管702；脉冲信号光监控器3中的光电二极管202和功率监控器7中的光电二极管702将采集到的信号发送给反馈系统11，由反馈系统11反馈到控制系统9，外部输入电源12为脉冲光纤激光器系统供电。控制系统9将采集到的信号光频率、脉冲宽度与设定值对比，根据对比结果决定种子源1继续或停止工作；将采集到的功率信号与设定值对比，根据对比结果判断激光器系统继续或停止工作。所述第一级放大器3、第二级放大器4、第三级放大器6均采用正向泵浦方式。
所述控制系统9驱动种子源1产生纳秒量级脉冲激光；种子激光经光隔离器103后再由1:99分束器将脉冲信号光分为两部分，一小部分激光进入光电二极管202，剩余的绝大部分信号激光进入第一级放大级3。如图1所示，所述的种子源1由快速响应的增益开关型半导体激光器101、额定功率600mw、波长为1064nm的锁模光栅102、光隔离器103组成。种子光源1输出的激光波长在1064±2nm；所述的光隔离器103具有抗反馈光的作用，增加光学系统可靠性；第一级大级3由6米10/125双包层掺镱光纤301、(1+1)*1耦合器302、10W、915nm半导体泵浦源303、模式适配器304和具有窄带滤波功能的光纤隔离器305构成，采用正向泵浦方式；第二级放大级4由6米长度的20/125双包层增益光纤401、(1+1)*1耦合器402、40W的915nm半导体泵浦源403、模式适配器404和具有窄带滤波功能的光纤隔离器405构成；红光系统5由红光二极管501、WDM502组成。第三级放大级由15米长度的30/250双包层掺镱光纤601、(6+1)*1耦合器602、4只976nm、功率为90W的半导体泵浦源603、模式适配器604组成。功率放大监控系统7由1:99的分光比701、光电二极管702组成。所述的200W纳秒激光器控制系统驱动种子源1产生10mW，脉宽为500ns、重复频率为200kHZ激光、依次经种子源监控器2、第一级放大级3功率放大到1W、第二级放大级4功率放大到20W、经红光系统5后再经第三级放大级6放大到200W，此时信号激光的脉宽为50ns，重复频率为200kHZ，频率峰值功率为20KW。信号激光经功率监控系统7和输出光隔离器8后输出。为提高系统的可操作性和安全性，借助1064/633nmWDM在第二级放大级4后由红光耦合件502耦合入红光。

Claims (6)

1.一种200W纳秒脉冲光纤激光器系统，由种子源(1)、种子源脉冲光监控器(2)、第一级放大器(3)、第二级放大器(4)、红光系统(5)、第三级放大器(6)、功率监控器(7)、输出光隔离器(8)、控制系统(9)、驱动电路系统(10)、反馈系统(11)、外部输入电源(12)构成；其特征在于：控制系统(9)分别与驱动电路系统(10)和反馈系统(11)相连，驱动电路系统(10)分别控制种子源(1)、第一级放大器(3)、第二级放大器(4)、红光系统(5)、第三级放大器放(6)；驱动系统(10)驱动种子源(1)输出输出脉冲激光，小部分激光到达种子源脉冲光监控器(2)，绝大部分激光注入到第一级放大器(3)，再依次通过第二级放大器(4)、红光系统(5)、第三级放大器(6)，少部分激光到达功率监控器(7)，第三级放大器(6)输出的绝大部分激光从输出光隔离器(10)输出；种子源脉冲光监控器(2)和功率监控器(7)将采集到的信号发送给反馈系统(11)，由反馈系统(11)反馈到控制系统(9)，外部输入电源(12)为脉冲光纤激光器系统供电。
2.根据权利要求1所述的200W纳秒脉冲光纤激光器系统，其特征在于，所述的种子源(1)由快速响应的增益开关型半导体激光器(101)、锁模光纤光栅(102)、光隔离器(103)组成；增益开关型半导体激光器(101)中心波长为1064nm±2nm；控制系统(9)控制种子源(1)产生脉冲信号光，脉冲宽度为纳秒或皮秒脉冲。
3.根据权利要求1所述的200W纳秒脉冲光纤激光器系统，其特征在于，所述的第一级放大器(3)、第二级放大器(4)和第三级放大器(6)均由波长为915nm/976nm半导体泵浦源、掺镱双包层光纤、耦合器、模式适配器、光纤隔离器组成。
4.根据权利要求1所述的200W纳秒脉冲光纤激光器系统，其特征在于，所述的第三级放大器(6)由波长为915nm/976nm半导体泵浦源)、掺镱双包层光纤、耦合器、模式适配器组成。
5.根据权利要求1所述的200W脉冲光纤激光器系统，其特征在于，所述种子源脉冲光检测器(2)、功率监控器(7)均由激光分束器、光电二极管组成。
6.根据权利要求1所述的200W纳秒脉冲光纤激光器系统，其特征在于，所述红光系统(5)由波分复用WDM、红光二极管组成。
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