CN109802295A - 一种脉冲光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种脉冲光纤激光器，包括驱动控制单元、多个激光单元和合束器；驱动控制单元用于输出针对每一激光单元的脉冲驱动信号，以使得每一激光单元能够在对应的脉冲驱动信号的驱动下输出脉冲激光；其中，每一脉冲激光的频率和脉宽相同；驱动控制单元还用于基于每一激光单元输出的脉冲激光的相位差，调整脉冲驱动信号的延迟时间；合束器用于将每一脉冲激光合束为脉冲合束激光。本发明实施例提供的脉冲光纤激光器，实现了脉冲激光的平均功率、单脉冲能量和峰值功率的成倍增加，提高了千瓦级高功率脉冲激光的实用性，实现了脉冲激光的同步，使得多个激光单元输出的脉冲激光能够有效重叠，进一步提高了脉冲合束激光的功率。

Description

一种脉冲光纤激光器

技术领域

本发明实施例涉及激光技术领域，尤其涉及一种脉冲光纤激光器。

背景技术

光纤激光器自问世以来，受到了国内外的广泛关注。脉冲光纤激光器在具有光纤激光器优势的基础上，还具有重复频率高和峰值功率高的优点，因此在对深度，光滑度和精细度要求较高的领域，例如激光打标、印刷、微机械加工、选择性切割、焊接等领域有着不可取代的优势。

但是，现有的脉冲光纤激光器发出的脉冲激光的高峰值功率极易产生严重的非线性效应，导致单模块脉冲光纤激光器无法实现平均功率达到千瓦级高功率脉冲激光的输出，极大程度上限制了脉冲光纤激光器的推广和应用。

因此，如何突破非线性效应的影响，获得千瓦级的高功率脉冲激光，仍然是亟待本领域技术人员攻克的难题。

发明内容

本发明实施例提供一种脉冲光纤激光器，用以解决现有的脉冲光纤激光器受非线性效应影响无法实现千瓦级的高功率脉冲激光输出的问题。

本发明实施例提供一种脉冲光纤激光器，包括驱动控制单元、多个激光单元和合束器；

所述驱动控制单元用于输出针对每一所述激光单元的脉冲驱动信号，以使得每一所述激光单元能够在对应的所述脉冲驱动信号的驱动下输出脉冲激光；其中，每一所述脉冲激光的频率和脉宽相同；所述驱动控制单元还用于基于每一所述激光单元输出的脉冲激光的相位差，调整所述脉冲驱动信号的延迟时间；所述合束器用于将每一所述脉冲激光合束为脉冲合束激光。

本发明实施例提供的脉冲光纤激光器，通过对多个激光单元输出的脉冲激光进行合束得到脉冲合束激光，在有效规避非线性效应的同时，实现了脉冲激光的平均功率、单脉冲能量和峰值功率的成倍增加，为获取千瓦级平均功率的脉冲激光提供了实现方案，提高了千瓦级高功率脉冲激光的实用性。此外，驱动控制单元为每一激光单元提供对应的脉冲驱动信号，能够覆盖激光单元的个体化差异带来的输出脉冲激光的差异，使得每一激光单元输出的脉冲激光具备相同的频率和脉宽，驱动控制单元通过控制脉冲驱动信号的延迟时间，进而实现不同激光单元输出的脉冲激光的同步，使得多个激光单元输出的脉冲激光能够有效重叠，进一步提高脉冲合束激光的同步输出功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其余的附图。

图1为本发明实施例提供的脉冲光纤激光器的结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的脉冲光纤激光器的结构示意图；

附图标记说明：

1-驱动控制单元； 2-激光单元； 3-合束器；

21-高反光纤光栅； 22-泵浦源； 23-泵浦耦合器；

24-增益光纤； 25-Q调制器件； 26-低反光纤光栅。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其余实施例，都属于本发明保护的范围。

由于脉冲激光的高峰值功率极易产生严重的非线性效应，导致单模块的脉冲光纤激光器无法输出平均功率达到千瓦级高功率脉冲激光，限制了脉冲光纤激光器的推广应用。针对上述问题，本发明实施例提供了一种脉冲光纤激光器。图1为本发明实施例提供的脉冲光纤激光器的结构示意图，如图1所示，该脉冲光纤激光器包括驱动控制单元1、多个激光单元2和合束器3；驱动控制单元1用于输出针对每一激光单元2的脉冲驱动信号，以使得每一激光单元2能够在对应的脉冲驱动信号的驱动下输出脉冲激光；其中，每一脉冲激光的频率和脉宽相同；驱动控制单元1还用于基于每一激光单元2输出的脉冲激光的相位差，调整脉冲驱动信号的延迟时间；合束器3用于将每一激光单元2输出的脉冲激光合束为脉冲合束激光。

具体地，上述脉冲光纤激光器中，驱动控制单元1为控制激光单元中的Q调制器件开关的信号的输出装置。激光单元2为脉冲激光器，用于在驱动控制单元1输出的脉冲驱动信号的控制下输出脉冲激光。此处，激光单元2可以通过调Q或者锁模输出脉冲激光，对应地驱动控制单元1输出的脉冲驱动信号用于控制激光单元2进行调Q或锁模，本发明实施例对此不作具体限定。合束器3用于对输入至合束器3中的各束脉冲激光进行合束，生成并输出一束脉冲激光，即脉冲合束激光。

脉冲光纤激光器包含多个激光单元2，针对任一激光单元2，激光单元2与驱动控制单元1连接，接收驱动控制单元1输出的针对该激光单元2的脉冲驱动信号，并在脉冲驱动信号的驱动下输出脉冲激光。激光单元2的输出端与合束器3连接，将输出的同步激光信号传输至合束器3，使得合束器3能够将各个激光单元2输出的脉冲激光合成一束脉冲合束激光。此处，脉冲合束激光为将多个激光单元输出的同步的脉冲激光进行合束后生成的相比每一激光单元输出的脉冲激光具备更高平均功率的脉冲激光。

为了尽可能保证每一激光单元2输出的脉冲激光具备相同的频率和脉宽，本发明实施例中驱动控制单元1针对每一激光单元2均设置有独立的脉冲驱动信号，以覆盖激光单元2的个体化差异带来的输出脉冲激光的差异，以使得经过合束器3合束后生成的脉冲合束激光中的每一脉冲都是由上述脉冲激光中的脉冲叠加得到的，避免由于不同激光单元2生成的激光脉冲的频率或脉宽不同导致的脉冲合束激光的平均功率无法达到目标功率，或者脉冲合束激光中单脉冲能量差距较大的问题。

此外，在驱动控制单元1为每一激光单元2提供脉冲驱动信号以控制每一激光单元2输出脉冲激光时，每一激光单元2输出的脉冲激光可能不是完全同步的，脉冲激光之间存在相位差。驱动控制单元1能够根据脉冲激光的相位差，调整对应的脉冲驱动信号的延迟时间，从而发出调整后的脉冲驱动信号，对应的激光单元2在接收到调整后的脉冲驱动信号后，基于调整后的脉冲驱动信号输出相位调整后的脉冲激光，从而消除脉冲激光之间的相位差，使得脉冲激光能够趋于同步，进一步提高脉冲激光的叠加效率。此处，基于相位差调整延迟时间的方法有多种，例如根据预先设定的相位差与延迟时间之间的对应关系直接进行选取对应的延迟时间，或者根据预先设置的相位差与调节档位之间的对应关系，选取对应的调节档位，并在当前的延迟时间上基于调节档位进行调节，本发明实施例对此不作具体限定。

例如，脉冲光纤激光器包括激光单元A和激光单元B，激光单元A输出的脉冲激光A和激光单元B输出的脉冲激光B之间存在相位差。驱动控制单元1以脉冲激光A为基准，基于两者之间的相位差，对激光单元B对应的脉冲驱动信号B的延迟时间进行调整，并基于调整后的延迟时间发出调整后的脉冲驱动信号B，激光单元B在接收到调整后的脉冲驱动信号B后，基于调整后的脉冲驱动信号B输出相位调整后的脉冲激光B，脉冲激光A与相位调整后的脉冲激光B趋于同步。

本发明实施例提供的脉冲光纤激光器，通过对多个激光单元输出的脉冲激光进行合束得到脉冲合束激光，在有效规避非线性效应的同时，实现了脉冲激光的平均功率、单脉冲能量和峰值功率的成倍增加，为获取千瓦级平均功率的脉冲激光提供了实现方案，提高了千瓦级高脉冲合束激光的实用性。此外，驱动控制单元为每一激光单元提供对应的脉冲驱动信号，能够覆盖激光单元的个体化差异带来的输出脉冲激光的差异，使得每一激光单元输出的脉冲激光具备相同的频率和脉宽，驱动控制单元通过控制脉冲驱动信号的延迟时间，进而实现不同激光单元输出的脉冲激光的同步，使得多个激光单元输出的脉冲激光能够有效重叠，进一步提高脉冲合束激光的同步输出功率。

基于上述任一实施例，脉冲光纤激光器中，激光单元包括光纤激光器和Q调制器件，Q调制器件设置在光纤激光器内部，驱动控制单元与每一激光单元的Q调制器件的驱动端连接。

具体地，光纤激光器为又称谐振式光纤激光器，是一种宽带光纤光源。Q调制器件即巨脉冲发生器，是一种用于产生脉冲激光的装置。将Q调制器件装设在光纤激光器内部，使得光纤激光器能够基于Q调制器件调Q输出脉冲激光。驱动控制单元与每一激光单元的Q调制器件连接，向每一激光单元的Q调制器件传输对应的脉冲驱动信号。Q调制器件可以是电光调制器件、声光调制器件、可饱和吸收调制器件或机械转镜调制器件，本发明实施例对此不作具体限定。

基于上述任一实施例，光纤激光器包括谐振腔、泵浦耦合器、增益光纤和泵浦源；其中，泵浦耦合器、增益光纤和Q调制器件设置在谐振腔内部；泵浦源的输出端与泵浦耦合器的泵浦端连接，增益光纤的两端分别与泵浦耦合器的输出端和Q调制器件的输入端连接。

具体地，谐振腔是光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔。泵浦源是对激光工作物质进行激光激励，将激活粒子从基态抽运到高能级，以实现粒子数反转的激励源。泵浦耦合器是光纤合束器的一种，用于对泵浦光进行合束，是泵浦耦合的主要实现方式。增益光纤是用掺稀土元素玻璃光纤制造的增益介质。

光纤激光器中，泵浦源的输出端与泵浦耦合器的泵浦端连接。谐振腔中，泵浦耦合器的输出端与增益光纤的一端连接，增益光纤的另一端与Q调制器件的输入端连接。泵浦源输出的泵浦光通过泵浦耦合器的泵浦端进入谐振腔，并从泵浦耦合器的输出端传输至增益光纤，增益光纤在泵浦光的激励下产生能级跃迁形成粒子数反转。驱动控制单元输出的脉冲驱动信号能够对对应的激光单元的Q调制器件进行开关调制，即腔内损耗调制。在泵浦光的激励下，Q调制器件根据腔内损耗调制积累反转粒子并产生脉冲激光。

基于上述任一实施例，脉冲光纤激光器中，谐振腔包括高反光纤光栅和低反光纤光栅；高反光纤光栅与泵浦耦合器的信号输入端连接，低反光纤光栅的两端分别与Q调制器件的输出端和合束器连接。

具体地，高反光纤光栅和低反光纤光栅通过反射纤芯中的激光形成谐振腔，起着滤波、反馈和放大的作用。在激光单元中，泵浦源发出的泵浦光通过泵浦耦合器的泵浦端注入谐振腔内，通过泵浦耦合器的信号输出端传输至增益光纤，进行激光激励。谐振腔中，高反光纤光栅与泵浦耦合器的信号输入端连接，泵浦耦合器的输出端与增益光纤的一端连接，增益光纤的另一端与Q调制器件的输入端连接，Q调制器件的输出端与低反光纤光栅的一端连接，由此构成谐振腔内供激光来回反射的光纤通路。低反光纤光栅的另一端作为激光单元的输出端与合束器连接。

泵浦源发出的泵浦光通过泵浦耦合器进入增益光纤，引起谐振腔内粒子数反转，形成激光，在高反光纤光栅和低反光纤光栅之间来回反射。谐振腔内设置的Q调制器件在脉冲驱动信号的控制下调Q使谐振腔处于低Q值时积累反转粒子，处于高Q值时产生脉冲激光，并通过低反光纤光栅透出，传输至合束器与其他激光单元发出的脉冲激光进行合束。

基于上述任一实施例，脉冲光纤激光器中，每一激光单元的光学器件参数保持一致；光学器件参数包括高反光纤光栅参数、低反光纤光栅参数、增益光纤参数和谐振腔内光纤长度中的至少一种。

具体地，为了方便驱动控制单元对每一激光单元输出的脉冲激光进行控制，以确保每一脉冲激光的频率和脉冲相同，脉冲光纤激光器中的每一激光单元的光学器件参数都是相同的。此处，光学器件参数可以包括高反光纤光栅参数，例如高反光纤光栅的反射率、带宽和中心波长；光学器件参数还可以包括低反光纤光栅参数，例如低反光纤光栅的反射率、带宽和中心波长；光学器件参数还可以包括增益光纤参数，例如增益光纤的长度；光学器件参数还可以包括谐振腔内光纤长度。

基于上述任一实施例，每一激光单元内设置的Q调制器件为声光调制器件，脉冲驱动信号为射频信号。

具体地，声光调制器件是控制激光束强度变化的声光器件。相比在Q调制中常用的电光调制，声光调制具有更高的消光比、更低的驱动功率，更优良的温度稳定性和更低廉的价格。为了驱动声光调制器件，对应地将脉冲驱动信号设置为射频信号。

基于上述任一实施例，脉冲光纤激光器还包括辅助电源，辅助电源分别与驱动控制单元和每一激光单元连接。

具体地，辅助电源用于为驱动控制单元和激光单元供电。进一步地，辅助电源可以为驱动控制单元供电，辅助电源还可以为每一激光单元中的泵浦源供电，控制每一激光单元中的泵浦源输出泵浦光的功率大小；辅助电源还可以为每一激光单元中的Q调制器件供电。

基于上述任一实施例，图2为本发明另一实施例提供的脉冲光纤激光器的结构示意图，如图2所示，脉冲光纤激光器包括驱动控制单元1、三个激光单元2和合束器3。任一激光单元2包括高反光纤光栅21、泵浦源22、泵浦耦合器23、增益光纤24、Q调制器件25和低反光纤光栅26。其中，Q调制器件25为声光调制器件。每一激光单元2的光学参数一致。

在驱动控制单元1和激光单元2通电后，驱动控制单元1向每一激光单元2中的Q调制器件25的驱动端传输对应的脉冲驱动信号，此处为射频信号。脉冲驱动信号的频率预设为20KHz。任一激光单元2中，泵浦源22通过泵浦耦合器23将泵浦光注入到增益光纤24，进行激光激励，产生粒子数反转。从而在谐振腔内产生激光，在高反光纤光栅21和低反光纤光栅26之间来回反射。利用声光调制器件控制腔内的损耗，透过低反光纤光栅26输出纳秒级的Q脉冲，即脉冲激光，脉冲激光的平均功率为3W，单脉冲宽度为120ns。由于低反光纤光栅26本身具备隔离作用，因此低反光纤光栅26可以直接与合束器3连接，无需在两者之间加设隔离器。将上述三个激光单元2分别输出的频率和脉宽均相同的脉冲激光输入至合束器3，并通过合束器3将三束脉冲激光合束为一束脉冲合束激光。

从合束器3的输出端探测到脉冲合束激光的平均功率接近单个激光单元2输出功率的3倍，从示波器上观察的脉冲激光的单个脉冲存在一定的偏离度，即三个激光单元2输出的脉冲激光不同步。可以通过控制单元调整驱动控制单元1输出的脉冲驱动信号的延迟时间，从而调制脉冲驱动信号，对声光进行延时控制，从示波器上可以观测到有一定偏离度的脉冲慢慢同步重合在一起，不同激光单元2输出的脉冲激光同步后，脉冲合束激光的单个脉冲宽度为120ns，脉冲序列的重复频率依然为20KHz，平均输出功率接近9W。

由此可以证实可以通过合束的方式来成倍提高脉冲激光器的功率。通过对多个激光单元输出的脉冲激光进行合束得到脉冲合束激光，在有效规避非线性效应的同时，实现了脉冲激光的平均功率、单脉冲能量和峰值功率的成倍增加，为获取千瓦级平均功率的脉冲激光提供了实现方案，提高了千瓦级高脉冲合束激光的实用性。此外，驱动控制单元为每一激光单元提供对应的脉冲驱动信号，能够覆盖激光单元的个体化差异带来的输出脉冲激光的差异，使得每一激光单元输出的脉冲激光具备相同的频率和脉宽，驱动控制单元通过控制脉冲驱动信号的延迟时间，进而实现不同激光单元输出的脉冲激光的同步，使得多个激光单元输出的脉冲激光能够有效重叠，进一步提高脉冲合束激光的同步输出功率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种脉冲光纤激光器，其特征在于，包括驱动控制单元、多个激光单元和合束器；

所述驱动控制单元用于输出针对每一所述激光单元的脉冲驱动信号，以使得每一所述激光单元能够在对应的所述脉冲驱动信号的驱动下输出脉冲激光；其中，每一所述脉冲激光的频率和脉宽相同；所述驱动控制单元还用于基于每一所述激光单元输出的脉冲激光的相位差，调整所述脉冲驱动信号的延迟时间；所述合束器用于将每一所述脉冲激光合束为脉冲合束激光。

2.根据权利要求1所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述激光单元包括光纤激光器和Q调制器件，所述Q调制器件设置在所述光纤激光器内部，所述驱动控制单元与每一所述激光单元的所述Q调制器件的驱动端连接。

3.根据权利要求2所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述光纤激光器包括谐振腔、泵浦耦合器、增益光纤和泵浦源；

所述泵浦耦合器、所述增益光纤和所述Q调制器件设置在所述谐振腔内部；

所述泵浦源的输出端与所述泵浦耦合器的泵浦端连接，所述增益光纤的两端分别与所述泵浦耦合器的输出端和所述Q调制器件的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述谐振腔包括高反光纤光栅和低反光纤光栅；

所述高反光纤光栅与所述泵浦耦合器的信号输入端连接，所述低反光纤光栅的两端分别与所述Q调制器件的输出端和所述合束器连接。

5.根据权利要求4所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，每一所述激光单元的光学器件参数保持一致；

所述光学器件参数包括高反光纤光栅参数、低反光纤光栅参数、增益光纤参数和谐振腔内光纤长度中的至少一种。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述Q调制器件为声光调制器件，所述脉冲驱动信号为射频信号。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，还包括辅助电源，所述辅助电源分别与所述驱动控制单元和每一所述激光单元连接。