CN107181160A - 一种基于多次非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
一种基于多次非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器。其包括纳秒脉冲种子激光光源、光纤分束器、光纤放大器、至少两级光纤合束器和激光输出头；本发明提供的基于多次非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器通过激光合束技术将几路纳秒脉冲光纤激光进行多级合束，得到平均功率达到几千瓦量级、脉冲能量达到几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。
Description
技术领域
本发明属于光纤和激光技术领域，具体涉及一种基于多次非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器。
技术背景
由于传统的纳秒脉冲激光器受非线性效应、能量存储等因素的限制，脉冲能量一般在几毫焦量级，平均功率在百瓦量级，目前广泛应用于激光打标、激光雕刻领域。随着应用领域的不断拓展，对纳秒脉冲全光纤激光器的平均功率及脉冲能量提出了更高的要求。例如，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几十毫焦量级，甚至是几百毫焦量级，因此需要更多的技术来解决平均功率低、脉冲能量小的问题，以满足新兴应用领域对光纤激光器的要求。
申请号为201610871205.6，发明名称为“一种基于非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器”的中国发明专利申请中公开了一种基于非相干合束技术实现高能量纳秒脉冲光纤激光器的技术方案，但其缺点是仅限于一次合束，因此所能获取的全光纤激光器的脉冲能量一般只能达到几十毫焦量级。如果需要继续提高激光器的脉冲能量至几百毫焦量级，则需要发展新的技术。
发明内容
为了解决上述问题，本发明旨在提供一种平均功率达到几千瓦量级、脉冲能量达到百毫焦量级的高能量、高平均功率的基于多次非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器。
为了达到上述目的，本发明提供的基于多次非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器包括纳秒脉冲种子激光光源、光纤分束器、光纤放大器、至少两级光纤合束器和激光输出头；其中纳秒脉冲种子激光光源的输出端与光纤分束器的输入端连接；光纤分束器的输出端同时与多个光纤放大器的输入端连接；多个光纤放大器分成若干组，每组中的所有光纤放大器的输出端同时与一个第一级光纤合束器的输入端连接；若干第一级光纤分束器的输出端同时与一个第二级光纤合束器的输入端连接，若干第二级光纤合束器的输出端再与一个下一级光纤合束器的输入端连接，最后一级光纤合束器的输出端与激光输出头连接。
所述的纳秒脉冲种子激光光源采用主动调Q光纤激光器和电流调制型的蝶形半导体激光器中的一种。
所述的主动调Q光纤激光器包括第一半导体泵浦激光光源、第一光纤泵浦信号合束器、高反光纤光栅、第一双包层掺镱光纤、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光源的输出端与第一光纤泵浦信号合束器的泵浦端连接；第一光纤泵浦信号合束器的输入光纤端面进行斜切，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的输入端连接，光纤耦合声光调制器的输出光纤与低反光纤光栅一端连接，低反光纤光栅另一端与第一光纤隔离器的输入光纤焊接。
所述的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；其中脉冲电流驱动器的输出光纤连接光纤耦合蝶形半导体激光器的输入端；光纤耦合蝶形半导体激光器的输出端通过输出光纤与第二光纤隔离器的输入端连接。
所述的光纤放大器由至少两级依次相连的光纤放大级组成；每级光纤放大级包括第二半导体泵浦激光光源、第二光纤泵浦信号合束器、第二双包层掺镱光纤和第三光纤隔离器；其中第二光纤泵浦信号合束器的泵浦端连接第二半导体泵浦激光光源，输出端与第二双包层掺镱光纤的一端相连，第二双包层掺镱光纤的另一端与第三光纤隔离器相连；前一级光纤放大级的第三光纤隔离器的输出端与后一级光纤放大级的第二光纤泵浦信号合束器的输入端相连；第一级光纤放大级的第二光纤泵浦信号合束器的输入端与光纤分束器的输出端相连，最后一级光纤放大级的第三光纤隔离器的输出端与第一级光纤合束器相连。
所述的第一级光纤放大级中的第二半导体泵浦激光光源采用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，输出功率为20W；第二光纤泵浦信号合束器采用(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处激光的吸收系数为3dB/m。
所述的第二级光纤放大器中的第二半导体泵浦激光光源采用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，输出功率为30W；第二光纤泵浦信号合束器采用(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处激光的吸收系数为2dB/m。
所述的光纤分束器为1*N光纤分束器，N≥2；第一级光纤合束器为M*1光纤合束器，M≥2，并且M为N的整除数。
所述的第二级光纤合束器的输入光纤数量与第一级光纤合束器的数量相等。
所述的激光输出头为石英玻璃端帽，呈8度以上倾斜角，并且端面上镀有抑制自激振荡的信号光防反射膜。
本发明提供的基于多次非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器通过激光合束技术将几路纳秒脉冲光纤激光进行多级合束，得到平均功率达到几千瓦量级、脉冲能量达到几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。
附图说明
图1是本发明提供的基于多次非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器结构示意图。
图2是本发明提供的基于多次非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器中主动调Q光纤激光器结构示意图。
图3是本发明提供的基于多次非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器中电流调制型的蝶形半导体激光器结构示意图。
图4是本发明提供的基于多次非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器中光纤放大器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
如图1所示，本发明提供的基于多次非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器包括纳秒脉冲种子激光光源1-1、光纤分束器1-2、光纤放大器1-3、至少两级光纤合束器1-4，1-5…1-i和激光输出头1-6；其中纳秒脉冲种子激光光源1-1的输出端与光纤分束器1-2的输入端连接；光纤分束器1-2的输出端同时与多个光纤放大器1-3的输入端连接；多个光纤放大器1-3分成若干组，每组中的所有光纤放大器1-3的输出端同时与一个第一级光纤合束器1-4的输入端连接；若干第一级光纤分束器1-4的输出端同时与一个第二级光纤合束器1-5的输入端连接，若干第二级光纤合束器1-5的输出端再与一个下一级光纤合束器的输入端连接，最后一级光纤合束器1-i的输出端与激光输出头1-6连接。
所述的纳秒脉冲种子激光光源1-1采用主动调Q光纤激光器2和电流调制型的蝶形半导体激光器3中的一种。
如图2所示，所述的主动调Q光纤激光器2包括第一半导体泵浦激光光源2-1、第一光纤泵浦信号合束器2-2、高反光纤光栅2-3、第一双包层掺镱光纤2-4、光纤耦合声光调制器2-5、低反光纤光栅2-6和第一光纤隔离器2-7；其中第一半导体泵浦激光光源2-1的输出端与第一光纤泵浦信号合束器2-2的泵浦端连接；第一光纤泵浦信号合束器2-2的输入光纤端面进行斜切，输出光纤与高反光纤光栅2-3一端相连接，高反光纤光栅2-3另一端与第一双包层掺镱光纤2-4一端连接，第一双包层掺镱光纤2-4另一端与光纤耦合声光调制器2-5的输入端连接，光纤耦合声光调制器2-5的输出光纤与低反光纤光栅2-6一端连接，低反光纤光栅2-6另一端与第一光纤隔离器2-7的输入光纤焊接。
如图3所示，所述的电流调制型的蝶形半导体激光器3包括脉冲电流驱动器3-1、光纤耦合蝶形半导体激光器3-2、输出光纤3-3和第二光纤隔离器3-4；其中脉冲电流驱动器3-1的输出光纤连接光纤耦合蝶形半导体激光器3-2的输入端；光纤耦合蝶形半导体激光器3-2的输出端通过输出光纤3-3与第二光纤隔离器3-4的输入端连接。
如图4所示，所述的光纤放大器1-3由至少两级依次相连的光纤放大级组成，光纤放大级采用前向泵浦的方式，也可以采用后向泵浦的方式；每级光纤放大级包括第二半导体泵浦激光光源4-1、第二光纤泵浦信号合束器4-2、第二双包层掺镱光纤4-3和第三光纤隔离器4-4；其中第二光纤泵浦信号合束器4-2的泵浦端连接第二半导体泵浦激光光源4-1，输出端与第二双包层掺镱光纤4-3的一端相连，第二双包层掺镱光纤4-3的另一端与第三光纤隔离器4-4相连；前一级光纤放大级的第三光纤隔离器4-4的输出端与后一级光纤放大级的第二光纤泵浦信号合束器4-2的输入端相连；第一级光纤放大级的第二光纤泵浦信号合束器4-2的输入端与光纤分束器1-2的输出端相连，最后一级光纤放大级的第三光纤隔离器4-4的输出端与第一级光纤合束器1-4相连。
所述的第一级光纤放大级中的第二半导体泵浦激光光源4-1采用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，输出功率为20W；第二光纤泵浦信号合束器4-2采用(2+1)×1光纤泵浦信号合束器；第二双包层掺镱光纤4-3的芯径/内包层为20μm/130μm，纤芯NA为0.08，对915nm处激光的吸收系数为3dB/m。
所述的第二级光纤放大器中的第二半导体泵浦激光光源4-1采用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，输出功率为30W；第二光纤泵浦信号合束器4-2采用(18+1)×1光纤泵浦信号合束器；第二双包层掺镱光纤4-3的芯径/内包层为50μm/400μm，纤芯NA为0.08，对915nm处激光的吸收系数为2dB/m。
另外，图4中只示出两级，当然增加光纤放大级的级数能够产生更高功率、更高能量的激光。
所述的光纤分束器1-2为1*N光纤分束器，N≥2；第一级光纤合束器1-4为M*1光纤合束器，M≥2，并且M为N的整除数。
所述的第二级光纤合束器1-5的输入光纤数量与第一级光纤合束器1-4的数量相等。
所述的激光输出头1-6为石英玻璃端帽，呈8度以上倾斜角，并且端面上镀有抑制自激振荡的信号光防反射膜。
现将本发明提供的基于多次非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器工作原理阐述如下：
当纳秒脉冲种子激光光源1-1采用主动调Q光纤激光器2时，第一半导体泵浦激光光源2-1发出的泵浦光通过第一光纤泵浦信号合束器2-2耦合到光纤当中，泵浦光经过高反光纤光栅2-3后进入第一双包层掺镱光纤2-4，第一双包层掺镱光纤2-4吸收泵浦光发出激光，激光在高反光纤光栅2-3和低反光纤光栅2-6之间振荡，通过光纤耦合声光调制器2-5控制振荡时间从而产生纳秒脉冲激光，该纳秒脉冲激光通过第一光纤隔离器2-7后进入光纤分束器1-2，此时激光的平均功率为几瓦。第一光纤隔离器2-7可以防止返回光损害主动调Q光纤激光器2。上述纳秒脉冲激光通过光纤分束器1-2后被分到N根光纤当中，每根光纤中激光的平均功率约为几百毫瓦，然后分别通过其后连接的光纤放大器1-3。在光纤放大器1-3中，几百毫瓦的纳秒脉冲激光首先通过第二光纤泵浦信号合束器4-2，与第二半导体泵浦激光光源4-1发出的泵浦光一起进入第二双包层掺镱光纤4-3，泵浦光被吸收，单根光纤中的纳秒脉冲激光的平均功率被放大到约100瓦，最后通过第三光纤隔离器4-4后进入第二级光纤合束器1-5。第一级光纤合束器1-4将光纤放大器1-3的部分输出光纤中的激光合束到一根光纤中，此时的平均功率可达到几百瓦。第二级光纤合束器1-5将第一级光纤合束器1-4的所有输出光纤中的百瓦级激光合束到一根光纤中，此时的平均功率可以达到几千瓦。最终第二级光纤合束器1-5输出光纤中的纳秒脉冲激光将通过激光输出头1-6输出，由此实现几千瓦平均功率的空间输出。
当纳秒脉冲种子激光光源1-1采用电流调制型的蝶形半导体激光器3时，脉冲电流驱动器3-1控制光纤耦合蝶形半导体激光器3-2输出纳秒脉冲激光，经过通过输出光纤3-3进入第二光纤隔离器3-4。第二光纤隔离器3-4可以防止返回光损害光纤耦合蝶形半导体激光器3-2。第二光纤隔离器3-4输出的纳秒脉冲激光通过光纤分束器1-2后被分到N根光纤当中，每根光纤中激光的平均功率约为几百毫瓦，然后分别通过其后连接的光纤放大器1-3。在光纤放大器1-3中，几百毫瓦的纳秒脉冲激光通过第二光纤泵浦信号合束器4-2，并与第二半导体泵浦激光光源4-1发出的泵浦光一起进入第二双包层掺镱光纤4-3中，泵浦光被吸收，单根光纤中的纳秒脉冲激光的平均功率被放大到约100瓦。第一级光纤合束器1-4将光纤放大器1-3的部分输出光纤中的激光合束到一根光纤中，此时的平均功率可达到几百瓦。第二级光纤合束器1-5将第一级光纤合束器1-4的所有输出光纤中的百瓦级激光合束到一根光纤中，此时的平均功率可以达到几千瓦。最终第二级光纤合束器1-5输出光纤中的纳秒脉冲激光将通过激光输出头1-6输出，由此实现几千瓦平均功率的空间输出。
Claims (10)
1.一种基于多次非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于：所述的激光器包括纳秒脉冲种子激光光源(1-1)、光纤分束器(1-2)、光纤放大器(1-3)、至少两级光纤合束器(1-4，1-5…1-i)和激光输出头(1-6)；其中纳秒脉冲种子激光光源(1-1)的输出端与光纤分束器(1-2)的输入端连接；光纤分束器(1-2)的输出端同时与多个光纤放大器(1-3)的输入端连接；多个光纤放大器(1-3)分成若干组，每组中的所有光纤放大器(1-3)的输出端同时与一个第一级光纤合束器(1-4)的输入端连接；若干第一级光纤分束器(1-4)的输出端同时与一个第二级光纤合束器(1-5)的输入端连接，若干第二级光纤合束器(1-5)的输出端再与一个下一级光纤合束器的输入端连接，最后一级光纤合束器(1-i)的输出端与激光输出头(1-6)连接。
2.根据权利要求1所述的基于多次非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于：所述的纳秒脉冲种子激光光源(1-1)采用主动调Q光纤激光器(2)和电流调制型的蝶形半导体激光器(3)中的一种。
3.根据权利要求2所述的基于多次非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于：所述的主动调Q光纤激光器(2)包括第一半导体泵浦激光光源(2-1)、第一光纤泵浦信号合束器(2-2)、高反光纤光栅(2-3)、第一双包层掺镱光纤(2-4)、光纤耦合声光调制器(2-5)、低反光纤光栅(2-6)和第一光纤隔离器(2-7)；其中第一半导体泵浦激光光源(2-1)的输出端与第一光纤泵浦信号合束器(2-2)的泵浦端连接；第一光纤泵浦信号合束器(2-2)的输入光纤端面进行斜切，输出光纤与高反光纤光栅(2-3)一端相连接，高反光纤光栅(2-3)另一端与第一双包层掺镱光纤(2-4)一端连接，第一双包层掺镱光纤(2-4)另一端与光纤耦合声光调制器(2-5)的输入端连接，光纤耦合声光调制器(2-5)的输出光纤与低反光纤光栅(2-6)一端连接，低反光纤光栅(2-6)另一端与第一光纤隔离器(2-7)的输入光纤焊接。
4.根据权利要求2所述的基于多次非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于：所述的电流调制型的蝶形半导体激光器(3)包括脉冲电流驱动器(3-1)、光纤耦合蝶形半导体激光器(3-2)、输出光纤(3-3)和第二光纤隔离器(3-4)；其中脉冲电流驱动器(3-1)的输出光纤连接光纤耦合蝶形半导体激光器(3-2)的输入端；光纤耦合蝶形半导体激光器(3-2)的输出端通过输出光纤(3-3)与第二光纤隔离器(3-4)的输入端连接。
5.根据权利要求1所述的基于多次非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于：所述的光纤放大器(1-3)由至少两级依次相连的光纤放大级组成；每级光纤放大级包括第二半导体泵浦激光光源(4-1)、第二光纤泵浦信号合束器(4-2)、第二双包层掺镱光纤(4-3)和第三光纤隔离器(4-4)；其中第二光纤泵浦信号合束器(4-2)的泵浦端连接第二半导体泵浦激光光源(4-1)，输出端与第二双包层掺镱光纤(4-3)的一端相连，第二双包层掺镱光纤(4-3)的另一端与第三光纤隔离器(4-4)相连；前一级光纤放大级的第三光纤隔离器(4-4)的输出端与后一级光纤放大级的第二光纤泵浦信号合束器(4-2)的输入端相连；第一级光纤放大级的第二光纤泵浦信号合束器(4-2)的输入端与光纤分束器(1-2)的输出端相连，最后一级光纤放大级的第三光纤隔离器(4-4)的输出端与第一级光纤合束器(1-4)相连。
6.根据权利要求5所述的基于多次非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于：所述的第一级光纤放大级中的第二半导体泵浦激光光源(4-1)采用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，输出功率为20W；第二光纤泵浦信号合束器(4-2)采用(2+1)×1光纤泵浦信号合束器；第二双包层掺镱光纤(4-3)的芯径/内包层为20μm/130μm，纤芯NA为0.08，对915nm处激光的吸收系数为3dB/m。
7.根据权利要求5所述的基于多次非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于：所述的第二级光纤放大器中的第二半导体泵浦激光光源(4-1)采用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，输出功率为30W；第二光纤泵浦信号合束器(4-2)采用(18+1)×1光纤泵浦信号合束器；第二双包层掺镱光纤(4-3)的芯径/内包层为50μm/400μm，纤芯NA为0.08，对915nm处激光的吸收系数为2dB/m。
8.根据权利要求1所述的基于多次非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于：所述的光纤分束器(1-2)为1*N光纤分束器，N≥2；第一级光纤合束器(1-4)为M*1光纤合束器，M≥2，并且M为N的整除数。
9.根据权利要求1所述的基于多次非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于：所述的第二级光纤合束器(1-5)的输入光纤数量与第一级光纤合束器(1-4)的数量相等。
10.根据权利要求1所述的基于多次非相干合束的高能量纳秒脉冲全光纤激光器，其特征在于：所述的激光输出头(1-6)为石英玻璃端帽，呈8度以上倾斜角，并且端面上镀有抑制自激振荡的信号光防反射膜。
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