CN106711750A - 脉冲同步合成准连续光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种脉冲同步合成准连续光纤激光器，激光驱动调制电源对多台光纤激光器进行同步准连续调制；多台光纤激光器参数一致且与激光驱动调制电源串行连接，经同步准连续调制而输出准连续脉冲激光；合束器将多台光纤激光器的准连续脉冲激光合束输出。本发明将多台输出参数一致的光纤激光器进行脉冲同步合成，其生成的准连续脉冲激光平均功率和峰值功率得到有效提升，并且不会明显恶化光束质量，可以应用到工业切割、焊接、打孔等领域，易于实行商业化生产，且维护成本低。还可以实现准连续脉冲激光和连续激光的输出，具备两种工作模式，通过开关激光驱动调制电源即可实现两种模式第切换，应用面广，一机两用，方便快捷。

Description

脉冲同步合成准连续光纤激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种脉冲同步合成准连续光纤激光器。

背景技术

高功率全光纤激光器由于其光束质量好、集成度高、转换效率高等诸多的优异特性，近年来在工业加工、国防军事、医疗、3D打印等领域的应用越来越广泛。准连续光纤激光器已经广泛应用于工业打孔，焊接等领域，其相比于在该领域应用已久的传统灯泵YAG激光具有更高的电光转换效率、更高的光束质量、更少的维护成本。高功率准连续光纤激光器是现有的灯泵YAG激光器的完美替代品。因此、高功率准连续光纤激光器是点焊、缝焊和钻孔等需要长脉宽、高峰值功率的工业应用的理想选择。此外高功率准连续光纤激光器在激光去除、划线、精密加工、激光增材制造等领域也表现出优异性能。

但是受限于光纤光栅器件耐受能力，半导体激光器可承受的调制能力以及自身的输出功率水平，谐振腔可注入的泵浦功率，泵浦亮度等诸多因素限制，目前单个准连续光纤激光器产品的输出平均功率限制在百瓦量级。但是随着应用需求的增加，对准连续光纤激光器的技术指标要求也越来越高，尤其在对其平均功率提出了较高的要求，如对于较厚高反材料的加工应用，需要更高的平均功率。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种脉冲同步合成准连续光纤激光器。

(二)技术方案

本发明提供了一种脉冲同步合成准连续光纤激光器，包括激光驱动调制电源、多台光纤激光器以及合束器，所述激光驱动调制电源对多台光纤激光器进行同步准连续调制；所述多台光纤激光器参数一致且与激光驱动调制电源并行连接，经所述同步准连续调制而输出准连续脉冲激光；所述合束器将多台光纤激光器的准连续脉冲激光合束输出。

优选地，每台光纤激光器包括多个半导体激光器、泵浦合束器、谐振腔和包层光滤除器；所述多个半导体激光器串行连接且参数一致，半导体激光器的输出端连接至泵浦合束器，泵浦合束器连接谐振腔，谐振腔连接包层光滤除器，包层光滤除器的输出端连接合束器的泵浦臂；多台光纤激光器的半导体激光器、泵浦合束器、谐振腔和包层光滤除器的参数一致；所述激光驱动调制电源开启，其对多个半导体激光器进行同步准连续调制，半导体激光器同步输出准连续脉冲泵浦光，准连续脉冲泵浦光由泵浦合束器合束后导入谐振腔，准连续脉冲泵浦光在谐振腔中振荡形成准连续脉冲激光并输出至包层光滤除器，经包层光滤除器滤除包层光后输入合束器的泵浦臂，合束器将准连续脉冲激光合束并由其输出端输出。

优选地，所述谐振腔包括依次连接的高反光纤光栅、增益光纤和低反光纤光栅；多台光纤激光器的高反光纤光栅、增益光纤和低反光纤光栅的参数一致。

优选地，相邻两个半导体激光器的电极相互连接。

优选地，相对于单台光纤激光器输出的准连续脉冲激光，合束器输出端输出的准连续脉冲激光的脉冲重复频率不增加，平均功率和峰值功率成倍提高。

优选地，所述激光驱动调制电源关闭，半导体激光器输出连续泵浦光，连续泵浦光经泵浦合束器进入谐振腔，连续泵浦光在谐振腔中振荡形成连续激光，并经包层光滤除器滤除包层光后输入合束器，合束器将连续激光合束输出。

优选地，所述半导体激光器内部为单管耦合，带尾纤输出，额定功率不低于75W。

优选地，所述激光驱动调制电源的输出信号脉冲长度0.01～100ms，调制频率100～500000Hz，工作在准连续状态。

优选地，所述合束器为N×1型合束器，N为光纤激光器的台数，N≥3。

优选地，所述泵浦合束器为M×1型合束器，M为每台光纤激光器中的半导体激光器个数。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明的脉冲同步合成准连续光纤激光器具有以下有益效果：

(1)将多台输出参数一致的光纤激光器进行脉冲同步合成，其生成的准连续脉冲激光重复频率不变，平均功率和峰值功率得到有效提升，并且不会明显恶化光束质量，可以应用到工业切割、焊接、打孔等领域，易于实行商业化生产，且维护成本低。

(2)可以实现准连续脉冲激光和连续激光的输出，具备两种工作模式，通过开关激光驱动调制电源即可实现两种模式第切换，应用面广，一机两用，方便快捷。

附图说明

图1为根据本发明实施例的脉冲同步合成准连续光纤激光器的结构示意图。

【符号洗明】

01-激光驱动调制电源；10、20、30-光纤激光器；40-合束器；50-输出端；

11、12、13、14、15、16、17、21、22、23、24、25、26、27、31、32、33、34、35、36、37-半导体激光器；

110、210、310-泵浦合束器；111、211、311-高反光纤光栅；112、212、312-低反光纤光栅；113、213、313-包层光滤除器；114、214、314-增益光纤。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的脉冲同步合成准连续光纤激光器，采用激光驱动调制电源统一控制各单台光纤激光器的泵浦源，各单台光纤激光器的参数一致以保障输出的脉冲光参数同步一致，各单台光纤激光器的输出脉冲激光经合束器合束后同步叠加。

如图1所示，本发明实施例的脉冲同步合成准连续光纤激光器，包括一激光驱动调制电源01、三台参数一致的光纤激光器10、20和30、以及一合束器40，激光驱动调制电源01包括三组电极，并行向三台光纤激光器的泵浦源统一同步供给调制电源，三台光纤激光器的输出端与合束器40的泵浦臂相连接，合束器的输出端50输出脉冲同步合束的准连续激光。

三台参数一致的光纤激光器10、20和30串联在一起，每台光纤激光器包括七个半导体激光器、一泵浦合束器、一谐振腔和一包层光滤除器。具体来说，光纤激光器10包括串行连接的半导体激光器11、半导体激光器12、半导体激光器13、半导体激光器14、半导体激光器15、半导体激光器16和半导体激光器17，其中相邻两个半导体激光器的电极相互连接，半导体激光器11的一个电极连接半导体激光器12的一个电极，其另一个电极连接激光驱动调制电源01的一个电极，半导体激光器17的一个电极连接半导体激光器16的一个电极，其另一个电极也连接激光驱动调制电源01的一个电极，激光驱动调制电源01提供单独一路电源供电驱动。上述七个半导体激光器的输出端连接至泵浦合束器110，谐振腔包括依次连接的高反光纤光栅111、增益光纤114和低反光纤光栅112，泵浦合束器110的输出端连接高反光纤光栅111，低反光纤光栅112的非反射端连接包层光滤除器113。

半导体激光器作为光纤激光器的泵浦源，其采用直流电源供电，可用激光驱动调制电源01进行脉冲驱动，输出相应的脉冲光，脉冲光通过泵浦合束器110注入到谐振腔中，谐振腔中可注入不低于500W的平均泵浦功率。各半导体激光器的型号参数一致，其内部为单管耦合，带尾纤输出，额定功率不低于75W，尾纤纤径优选100μm，数值孔径优选0.15。

泵浦合束器110为7×1型合束器，其输入光纤参数与半导体激光器的尾纤参数一致，单臂耐受平均功率不低于200W，其输出信号纤与谐振腔中的高反光纤光栅、低反光纤光栅和增益光纤的纤径和数值孔径参数一致。

高反光纤光栅111和低反光纤光栅112都为全光纤器件，二者纤芯与数值孔径参数一致。高反光纤光栅111对激光波长的反射率不低于99.5％，耐受平均功率不低于1000W。低反光纤光栅112对激光波长的反射率约为10％，耐受平均功率不低于1000W。增益光纤的长度满足泵浦功率的充分吸收。谐振腔内注入500W平均功率泵浦光，可输出350W左右的激光。经过调制的脉冲光泵浦时，其对应的泵浦光和激光平均功率值仍可保持70％左右的转换效率。

类似地，光纤激光器20包括串行连接的半导体激光器21、半导体激光器22、半导体激光器23、半导体激光器24、半导体激光器25、半导体激光器26和半导体激光器27，半导体激光器21的一个电极连接半导体激光器22的一个电极，其另一个电极连接激光驱动调制电源01的一个电极，半导体激光器27的一个电极连接半导体激光器26的一个电极，其另一电极也与激光驱动调制电源01的一个电极相连，激光驱动调制电源01提供单独一路电源供电驱动。上述七个半导体激光器的输出端连接至泵浦合束器210，谐振腔包括依次连接的高反光纤光栅211、增益光纤214和低反光纤光栅212，泵浦合束器210的输出端连接高反光纤光栅211，低反光纤光栅212的非反射端连接包层光滤除器213。

光纤激光器30包括串行连接的半导体激光器31、半导体激光器32、半导体激光器33、半导体激光器34、半导体激光器35、半导体激光器36和半导体激光器37，半导体激光器31的一个电极连接半导体激光器32的一个电极，其另一个电极连接激光驱动调制电源01的一个电极，半导体激光器37的一个电极连接半导体激光器36的一个电极，其另一个电极连接激光驱动调制电源01的一个电极，激光驱动调制电源01提供单独一路电源供电驱动。上述七个半导体激光器的输出端连接至泵浦合束器310，谐振腔包括依次连接的高反光纤光栅311、增益光纤314和低反光纤光栅312，泵浦合束器310的输出端连接高反光纤光栅311，低反光纤光栅312的非反射端连接包层光滤除器313。

包层光滤除器113、213和313的输出端分别连接合束器40的泵浦臂。合束器40为高功率信号光合束缚器，其为3×1型，单臂耐受平均功率不低于750W，耐受脉冲峰值功率MW量级，总体透过率不低于97％，每个泵浦臂的光纤长度一致。

光纤激光器20和30的七个半导体激光器参数与光纤激光器10的半导体激光器参数一致，光纤激光器20和30的泵浦合束器210、310与光纤激光器10的泵浦合束器110参数一致，光纤激光器20和30的谐振腔与光纤激光器10的谐振腔参数也一致，其腔长一致，其高反光纤光栅211和311、低反光纤光栅212和312以及增益光纤214和314的参数与光纤激光器10的相应部件参数一致，增益光纤的掺镱离子浓度一致，长度一致，纤径和数值孔径一致，缠绕方式一致。光纤激光器20和30的包层光滤除器213、313与光纤激光器10的包层光滤除器113参数也一致。

激光驱动调制电源01，用于给三台光纤激光器的所有串联的半导体激光器统一同步供电，其输出的调制信号对所有半导体激光器进行同步准连续调制，使半导体激光器同步输出准连续脉冲泵浦光。

激光驱动调制电源01单路可输出不低于200V的电压，不低于15A的电流，调制脉冲长度为0.01～100ms，调制脉冲重复频率为100～500000Hz的调制信号，以驱动半导体激光器工作于准连续状态。激光驱动调制电源01的脉冲长度、调制频率等参数可调，并且同步给各半导体激光器供电驱动。

本发明的脉冲同步合成准连续光纤激光器，激光驱动调制电源01对各光纤激光器的所有半导体激光器进行同步准连续调制，在同一调制电源的同步准连续调制下，光纤激光器10的半导体激光器11、半导体激光器12、半导体激光器13、半导体激光器14、半导体激光器15、半导体激光器16和半导体激光器17同步输出准连续脉冲泵浦光，上述各半导体激光器输出的准连续脉冲泵浦光由泵浦合束器110导入到由高反光纤光栅111、低反光纤光栅112和增益光纤114组成的谐振腔中，准连续脉冲泵浦光在谐振腔中振荡形成准连续脉冲激光，并由低反光栅112的非反射端输出至包层光滤除器113，经包层光滤除器113滤除包层光后输入合束器40的泵浦臂。

光纤激光器20、30的工作过程与光纤激光器10相同，其各自形成的准连续脉冲激光也同步输入合束器40的泵浦臂，光纤激光器10、20、30的准连续脉冲激光经合束器40合束后由输出端50输出。

三台光纤激光器的同步准连续脉冲激光参数一致，三个准连续脉冲激光合束后，时间上同步叠加，脉冲重复频率不增加，相对于单台光纤激光器的准连续脉冲激光，输出端50输出的准连续脉冲激光的平均功率会相应的增加三倍，峰值功率也相应提高三倍。按上述光纤激光器的功率参数合束，可以总入射不低于1050W的同步准连续脉冲激光，经过合束器40可以得到千瓦级的准连续脉冲激光输出，可应用于较厚金属材料的打孔、焊接、切割。

由此可见，本发明的脉冲同步准连续光纤激光器，可以将多台输出参数一致的光纤激光器进行脉冲同步合成，其生成的准连续脉冲激光重复频率不变的，平均功率和峰值功率得到有效提升，并且不会明显恶化光束质量。该激光器可以应用到工业切割、焊接、打孔等领域，易于实行商业化生产，且维护成本低。

本发明的脉冲同步准连续光纤激光器，除了工作于上述脉冲激光输出模式外，也可以工作于连续激光输出模式。将激光驱动调制电源01关闭，使激光驱动调制电源01停止输出调制信号，则各光纤激光器的半导体激光器输出连续泵浦光，与脉冲激光输出模式类似，连续泵浦光经泵浦合束器110进入谐振腔，连续泵浦光在谐振腔中振荡形成连续激光，并经包层光滤除器113滤除包层光后输入合束器40，合束器40将连续激光合束输出。本发明的脉冲同步准连续光纤激光器，可以实现准连续脉冲激光和连续激光的输出，具备两种工作模式，通过开关激光驱动调制电源01即可实现两种模式第切换，应用面广，一机两用，方便快捷。

虽然以上实施例介绍的脉冲同步准连续光纤激光器包括三台光纤激光器，每台光纤激光器包括七个半导体激光器，但本发明并不限于此，本领域技术人员显然明白，脉冲同步准连续光纤激光器可以包括三台以上的光纤激光器，激光驱动调制电源包括多组电极并行向多台光纤激光器统一同步供给调制电源，相应地合束器40可以为N×1型合束器，N为光纤激光器的台数，每台光纤激光器的半导体激光器个数可以增减，相应地泵浦合束器110为M×1型合束器，M为每台光纤激光器的半导体激光器个数，通过改变激光驱动调制电源01的输出功率驱动多台光纤激光器。

本发明的脉冲同步准连续光纤激光器，也适用于通过激光驱动调制电源调制的其他脉冲激光合成。泵浦形式也可以采用反向泵浦结构或双向泵浦结构。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明的脉冲同步准连续光纤激光器有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脉冲同步合成准连续光纤激光器，其特征在于，包括激光驱动调制电源、多台光纤激光器以及合束器，

所述激光驱动调制电源对多台光纤激光器进行同步准连续调制；

所述多台光纤激光器参数一致且与激光驱动调制电源并行连接，经所述同步准连续调制而输出准连续脉冲激光；

所述合束器将多台光纤激光器的准连续脉冲激光合束输出。

2.如权利要求1所述的脉冲同步合成准连续光纤激光器，其特征在于，

每台光纤激光器包括多个半导体激光器、泵浦合束器、谐振腔和包层光滤除器；

所述多个半导体激光器串行连接且参数一致，半导体激光器的输出端连接至泵浦合束器，泵浦合束器连接谐振腔，谐振腔连接包层光滤除器，包层光滤除器的输出端连接合束器的泵浦臂；

多台光纤激光器的半导体激光器、泵浦合束器、谐振腔和包层光滤除器的参数一致；

所述激光驱动调制电源开启，其对多个半导体激光器进行同步准连续调制，半导体激光器同步输出准连续脉冲泵浦光，准连续脉冲泵浦光由泵浦合束器合束后导入谐振腔，准连续脉冲泵浦光在谐振腔中振荡形成准连续脉冲激光并输出至包层光滤除器，经包层光滤除器滤除包层光后输入合束器的泵浦臂，合束器将准连续脉冲激光合束并由其输出端输出。

3.如权利要求2所述的脉冲同步合成准连续光纤激光器，其特征在于，所述谐振腔包括依次连接的高反光纤光栅、增益光纤和低反光纤光栅；多台光纤激光器的高反光纤光栅、增益光纤和低反光纤光栅的参数一致。

4.如权利要求2所述的脉冲同步合成准连续光纤激光器，其特征在于，相邻两个半导体激光器的电极相互连接。

5.如权利要求2所述的脉冲同步合成准连续光纤激光器，其特征在于，相对于单台光纤激光器输出的准连续脉冲激光，合束器输出端输出的准连续脉冲激光的脉冲重复频率不增加，平均功率和峰值功率成倍提高。

6.如权利要求2所述的脉冲同步合成准连续光纤激光器，其特征在于，

所述激光驱动调制电源关闭，半导体激光器输出连续泵浦光，连续泵浦光经泵浦合束器进入谐振腔，连续泵浦光在谐振腔中振荡形成连续激光，并经包层光滤除器滤除包层光后输入合束器，合束器将连续激光合束输出。

7.如权利要求2所述的脉冲同步合成准连续光纤激光器，其特征在于，所述半导体激光器内部为单管耦合，带尾纤输出，额定功率不低于75W。

8.如权利要求1所述的脉冲同步合成准连续光纤激光器，其特征在于，所述激光驱动调制电源的输出信号脉冲长度0.01～100ms，调制频率100～500000Hz，工作在准连续状态。

9.如权利要求1所述的脉冲同步合成准连续光纤激光器，其特征在于，所述合束器为N×1型合束器，N为光纤激光器的台数，N≥3。

10.如权利要求所述的脉冲同步合成准连续光纤激光器，其特征在于，所述泵浦合束器为M×1型合束器，M为每台光纤激光器中的半导体激光器个数。