CN108923233B

CN108923233B - 一种用于激光除锈的大脉冲能量全光纤纳秒激光器

Info

Publication number: CN108923233B
Application number: CN201810936898.1A
Authority: CN
Inventors: 蔡文俊; 方宏; 秦曦
Original assignee: Shenzhen Times Photoelectric Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Gongda laser Co., Ltd
Priority date: 2018-08-16
Filing date: 2018-08-16
Publication date: 2019-12-06
Anticipated expiration: 2038-08-16
Also published as: CN108923233A

Abstract

本发明提供了一种用于激光除锈的大脉冲能量全光纤纳秒激光器，该激光器通过电脉冲调制种子源LD，经两级预放和一级功放，实现高达500W平均功率的输出，单脉冲能量可达5mJ以上，峰值功率超过40kW。在激光除锈领域，相比于固体激光器，调Q光纤激光器或者准连续激光器，本发明可以实现灵活的脉宽和频率的调谐，可适用于不同场合的除锈，有着广阔的应用前景。

Description

一种用于激光除锈的大脉冲能量全光纤纳秒激光器

技术领域

本发明涉及光纤技术领域与激光技术领域，特别是大脉冲能量和高峰值功率的纳秒光纤激光器和放大器领域。

背景技术

高功率纳秒脉冲光纤激光器样机广泛应用与金属打标，雕刻，薄板切割和焊接，太阳能电池焊接，异性金属焊接等多个工业细分应用领域。目前全光纤纳秒脉冲激光器的单脉冲能量一般在1mJ左右，峰值功率不超过20kW。对于目前激光除锈的应用来说，其峰值功率和单脉冲能量都比同等平均功率的固体激光器少了将近一个数量级，因此实际应用中，使用全光纤纳秒激光器去进行除锈的效果和效率都远远达不到工业加工的要求。使用调Q技术可以实现4mJ左右的全光纤纳秒脉冲激光器，但由于调Q技术方案本身的缺陷，脉冲宽度一般是固定在100～200ns之间，频率也无法灵活的进行设置，因此在实际除锈应用中受到很大的限制，此外也有用准连续的高功率激光器进行除锈的，面临的问题是峰值功率无法达到几十乃至上百千瓦，同时激光器的成本因为使用特殊芯片的原因，也是十分昂贵，无法普及使用。

发明内容

本发明提供一种用于激光除锈的大脉冲能量全光纤纳秒激光器，其包括脉冲调制电路(1)、种子源LD(2)，外部同步触发电路(3)，单极隔离器(4)，单模掺镱增益光纤(5),(1+1)×1合束器(6)，泵浦LD(7)，隔离带通滤波器(8)，单模双包层掺镱增益光纤(9)，(2+1)×1合束器(10)，高功率隔离带通滤波器(11)，泵浦源LD(12)，模场匹配器(13)，高功率声光调制器(AOM)(14)，脉冲波形补偿整形电路(15)，模场匹配器(16)，高掺镱大模场增益光纤(17)，(6+1)×1合束器(18)，高功率锁波长泵浦LD(19)，高功率隔离输出头(20)。

其中，脉冲调制电路(1)和外部同步触发电路(3)都是连接到种子源LD(2)，对其进行脉冲电调制，种子源LD(2)依次连接单极隔离器(4)，单模掺镱增益光纤(4)，(1+1)×1合束器(6)，隔离带通滤波器(8)，单模双包层掺镱增益光纤(9)，(2+1)×1合束器(10)，高功率隔离带通滤波器(11)，模场匹配器(13)，高功率声光调制器(AOM)(14)，模场匹配器(16)，高掺镱大模场增益光纤(17)，(6+1)×1合束器(18)和高功率隔离输出头(20)，最后放大后的激光信号从高功率隔离输出头(20)输出；泵浦LD(7)与(1+1)×1合束器(6)连接；泵浦LD(12)与(2+1)×1合束器(10)连接，高功率锁波长泵浦LD(19)与(6+1)×1合束器(18)连接。

所述的高功率声光调制器(AOM)(14)的上升沿响应时间范围是50～200ns，能够承受的平均功率不低于5W，峰值功率不低于10kW。

所述的(6+1)×1合束器(18)是反向合束器，单臂能承受功率不小于100W，泵浦效率大于97％，信号插损小于0.3dB，光束质量能保持在1.3以下，反向可以承受的平均功率大于300W；信号纤的纤芯直径在30um～100um之间，泵浦纤的包层直径在105um～240um之间。

高掺镱大模场增益光纤(17)是双包层或者三包层结构，泵浦吸收系数大于7dB/m，纤芯在30～100um之间，内包层形状选自六边形，八角形或矩形结构。

脉冲波形补偿整形电路(15)可以进行程序编程实现正弦型，三角型，抛物线型或者指数型的波形输出，可以对波形进行精确的调谐。

高功率隔离输出头(20)能够承受五百瓦以上的平均功率，100kW以上的峰值功率和至多10mJ的单脉冲能量。

采用主控振荡器的功率放大器(MOPA)结构的全光纤脉冲纳秒激光器，可以实现比较灵活的脉冲和重频的搭配，满足不同除锈应用的需求(比如文物除锈和面板除漆对激光器参数要求就完全不同)，此外全光纤的纳秒脉冲激光器体积小巧，光电转换效率也高于固体激光器。此外，通过全光纤合束器，纳秒光纤脉冲激光器也可以实现几十毫焦的单脉冲能量和GW的峰值功率。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果:

1.能够实现更高的单脉冲能量(>5mJ)和更高的峰值功率(>500kW)；

2.通过脉冲补偿电路，可以灵活的设置不同的脉冲波形(高斯，抛物线，幂指数和三角波)，适用于多种除锈，出漆和抛光等工业应用的场合；

3.全光纤结构，独特的电控设计，结构紧凑且电光转换效率高。

附图说明

图1.250W大脉冲能量的纳秒全光纤激光器的示意图

图2.500W大脉冲能量的纳秒全光纤激光器的示意图

其中各个标注数字有如下含义：

1.脉冲调制电路

2.种子源LD

3.外部同步触发电路

4.单极隔离器

5.单模掺镱增益光纤

6.(1+1)×1合束器

7.泵浦LD

8.隔离带通滤波器

9.单模双包层掺镱增益光纤

10.(2+1)×1合束器

11.高功率隔离带通滤波器

12.泵浦源LD

13.模场匹配器

14.高功率声光调制器(AOM)

15.脉冲波形补偿整形电路

16.模场匹配器

17.高掺镱大模场增益光纤

18.(6+1)×1合束器

19.高功率锁波长泵浦LD

20.高功率隔离输出头

具体实施方式

下面结合具体实施例1和2对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1是250W大脉冲能量的纳秒全光纤激光器的示意图，该激光器包括脉冲调制电路1、350mw种子源LD 2，中心波长1064nm，最大峰值功率可达1W；外部同步触发电路3；300mw的单极隔离器4，隔离度大于40dB；5/130um的单模掺镱增益光纤5，数值孔径为0,085；,(1+1)×1合束器6，泵浦纤是105/125um，数值孔径为0.22，信号纤是HI1060；3W的泵浦LD7，波长为915nm或者940nm；1W的隔离带通滤波器8，带通范围为1064nm±3nm，隔离大于35dB；7/128um的单模双包层掺镱增益光纤9，数值孔径为0.14，吸收系数为1.5dB@915nm；(2+1)×1合束器10，泵浦纤是105/125um，数值孔径为0.22，信号纤是7/125um；5W的隔离带通滤波器11，带通范围为1064nm±3nm，隔离大于35dB；9W的泵浦源LD12，波长为915nm或者940nm；输入7um，输出10um的模场匹配器13；3W声光调制器(AOM)14，上升沿响应时间为50～200ns，可承受平均功率不低于3W，峰值功率大于10kW，插损小于3dB；脉冲波形补偿整形电路15；输入10um，输出50um的模场匹配器16，高掺镱大模场增益光纤17，纤芯为50um，包层直径为400um，数值孔径为0.08/0.46，吸收系数为7Db/m@976nm泵浦波长；反向(6+1)×1合束器18，可承受反向信号功率大于300W，泵浦纤为105/125um，数值孔径0.22，单臂可承受泵浦功率大于100W，输入信号纤是50/250um，输出信号纤为50/400；六只60W的高功率锁波长泵浦LD19，中心波长为976nm；250W高功率隔离输出头20，可以承受大于250W平均功率输出和300kW峰值功率，准直光输出，准直光斑为8～10mm。脉冲调制电路1和外部同步出发电路3都是连接到种子源LD2，对其进行脉冲电调制，产生从10～500ns，重频1kHz～4MHz的光脉冲信号输出，种子源LD2经过电调制后的信号依次经过300mw的单极隔离器4，单模掺镱增益光纤5，(1+1)×1合束器6，隔离带通滤波器8，单模双包层掺镱增益光纤9，(2+1)×1合束器10，高功率隔离带通滤波器11，模场匹配器13，高功率声光调制器(AOM)14，模场匹配器16，高掺镱大模场增益光纤17，(6+1)×1合束器18和高功率隔离输出头20，最后放大后的激光信号从高功率隔离输出头20输出。其中泵浦LD7与(1+1)×1合束器6连接；泵浦LD12与(2+1)×1合束器10连接，高功率锁波长泵浦LD19与(6+1)×1合束器连接。

通过本发明专利独特的电控波形补偿技术对AOM进行调制产生任意补偿形状的脉冲输出，再经过360W的锁波长976nm的泵浦进行后向泵浦，进行最后一级的大功率放大，最终可以实现高达250kW，单脉冲能量5mJ，平均功率250W，最低重频可达50kHz，最高重频到4000kHz的大脉冲能量、高峰值功率的纳秒脉冲激光输出。

该实施例取得的有益效果远远优于目前1～4mJ、峰值功率20kW的技术指标，可以被应用于多种除锈，除漆，抛光和去模等工业应用，也可以用于薄板的焊接和异性金属的焊接，包括太阳能电池的焊接。

实施例2

如图2是500W大脉冲能量的纳秒全光纤激光器的示意图，该激光器包括脉冲调制电路1、350mw种子源LD 2，中心波长1064nm，最大峰值功率可达1W；外部同步触发电路3；300mw的单极隔离器4，隔离度大于40dB；5/130um的单模掺镱增益光纤5，数值孔径为0,085；,(1+1)×1合束器6，泵浦纤是105/125um，数值孔径为0.22，信号纤是HI1060；3W的泵浦LD7，波长为915nm或者940nm；1W的隔离带通滤波器8，带通范围为1064nm±3nm，隔离大于35dB；7/128um的单模双包层掺镱增益光纤9，数值孔径为0.14，吸收系数为1.5dB@915nm；(2+1)×1合束器10，泵浦纤是105/125um，数值孔径为0.22，信号纤是7/125um；10W的隔离带通滤波器25，带通范围为1064nm±3nm，隔离大于35dB；18W的泵浦源LD24，波长为915nm或976nm；输入7um，输出10um的模场匹配器13，可承受平均功率大于10W，峰值功率大于5kW；5W声光调制器(AOM)23，上升沿响应时间为50～200ns，可承受平均功率不低于5W，峰值功率大于20kW，插损小于4dB；脉冲波形补偿整形电路15；输入10um，输出50um的模场匹配器16，高掺镱大模场增益光纤17，纤芯为50um，包层直径为400um，数值孔径为0.08/0.46，吸收系数为7Db/m@976nm泵浦波长；反向(6+1)×1合束器18，可承受反向信号功率大于300W，泵浦纤为105/125um，数值孔径0.22，单臂可承受泵浦功率大于100W，输入信号纤是50/250um，输出信号纤为50/400；六只60W的高功率锁波长泵浦LD19，中心波长为976nm；正向(6+1)×1合束器21，可承受正向向信号功率大于500W，泵浦纤为105/125um，数值孔径0.22，单臂可承受泵浦功率大于200W，输入信号纤是50/400um，输出信号纤为50/400；六只140W的高功率锁波长泵浦LD 22，中心波长为976nm；500W高功率隔离输出头26，可以承受大于500W平均功率输出和600kW峰值功率，准直光输出，准直光斑为8～10mm。脉冲调制电路1和外部同步出发电路3都是连接到种子源LD2，对其进行脉冲电调制，产生从10～500ns，重频1kHz～4MHz的光脉冲信号输出，种子源LD2经过电调制后的信号依次经过300mw的单极隔离器4，单模掺镱增益光纤5，(1+1)×1合束器6，隔离带通滤波器8，单模双包层掺镱增益光纤9，(2+1)×1合束器10，高功率隔离带通滤波器25，模场匹配器13，高功率声光调制器(AOM)23，模场匹配器16，正向(6+1)×1合束器21，高掺镱大模场增益光纤17，反向(6+1)×1合束器18，和高功率隔离输出头26，最后放大后的激光信号从高功率隔离输出头26输出。其中泵浦LD7与(1+1)×1合束器6连接；泵浦LD 24与(2+1)×1合束器10连接，高功率锁波长泵浦LD22和19分别与正向(6+1)×1合束器21和反向(6+1)×1合束器18连接。

通过本发明专利独特的电控波形补偿技术对AOM进行调制产生任意补偿形状的脉冲输出，再经过前后向总共1000W的锁波长976nm的泵浦进行双向泵浦，进行最后一级的大功率放大，最终可以实现高达500kW，单脉冲能量10mJ，平均功率500W，最低重频可达50kHz，最高重频到4000kHz的大脉冲能量，高峰值功率的纳秒脉冲激光输出。

Claims

1.一种用于激光除锈的大脉冲能量全光纤纳秒激光器，其特征在于，其包括脉冲调制电路(1)、种子源LD(2)，外部同步触发电路(3)，单极隔离器(4)，单模掺镱增益光纤(5),(1+1)×1合束器(6)，泵浦LD(7)，隔离带通滤波器(8)，单模双包层掺镱增益光纤(9)，(2+1)×1合束器(10)，高功率隔离带通滤波器(11)，泵浦源LD(12)，模场匹配器(13)，高功率声光调制器(AOM)(14)，脉冲波形补偿整形电路(15)，模场匹配器(16)，高掺镱大模场增益光纤(17)，(6+1)×1合束器(18)，高功率锁波长泵浦LD(19)，高功率隔离输出头(20)；其中，脉冲调制电路(1)和外部同步触发电路(3)都是连接到种子源LD(2)，对其进行脉冲电调制，种子源LD(2)依次连接单极隔离器(4)，单模掺镱增益光纤(4)，(1+1)×1合束器(6)，隔离带通滤波器(8)，单模双包层掺镱增益光纤(9)，(2+1)×1合束器(10)，高功率隔离带通滤波器(11)，模场匹配器(13)，高功率声光调制器(AOM)(14)，模场匹配器(16)，高掺镱大模场增益光纤(17)，(6+1)×1合束器(18)和高功率隔离输出头(20)，最后放大后的激光信号从高功率隔离输出头(20)输出；泵浦LD(7)与(1+1)×1合束器(6)连接；泵浦LD(12)与(2+1)×1合束器(10)连接，高功率锁波长泵浦LD(19)与(6+1)×1合束器(18)连接。

2.据权利要求1所述的一种用于激光除锈的大脉冲能量全光纤纳秒激光器，其特征在于：所述的高功率声光调制器(AOM)(14)的上升沿响应时间范围是50～200ns，能够承受的平均功率不低于5W，峰值功率不低于10kW。

3.据权利要求1所述的一种用于激光除锈的大脉冲能量全光纤纳秒激光器，其特征在于：所述的(6+1)×1合束器(18)是反向合束器，单臂能承受功率不小于100W，泵浦效率大于97％，信号插损小于0.3dB，光束质量能保持在1.3以下，反向可以承受的平均功率大于300W；信号纤的纤芯直径在30um～100um之间，泵浦纤的包层直径在105um～240um之间。

4.据权利要求1所述的一种用于激光除锈的大脉冲能量全光纤纳秒激光器，其特征在于：高掺镱大模场增益光纤(17)是双包层或者三包层结构，泵浦吸收系数大于7dB/m，纤芯在30～100um之间，内包层形状选自六边形，八角形或矩形结构。

5.据权利要求1所述的一种用于激光除锈的大脉冲能量全光纤纳秒激光器，其特征在于：脉冲波形补偿整形电路(15)可以进行程序编程实现正弦型，三角型，抛物线型或者指数型的波形输出，可以对波形进行精确的调谐。

6.据权利要求1所述的一种用于激光除锈的大脉冲能量全光纤纳秒激光器，其特征在于：高功率隔离输出头(20)能够承受五百瓦以上的平均功率，100kW以上的峰值功率和至多10mJ的单脉冲能量。