CN109818242A - 脉宽和功率可调谐的纳秒脉冲激光光源结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脉宽和功率可调谐的纳秒脉冲激光光源结构，包括：用于将固定功率、脉宽的主激光束进行同步触发和分束，以得到多个分光束脉冲激光的纳秒种子光源系统；分别设置在分光束输出链路上，以对各分光束激光进行增益放大的多个放大系统；用于对各放大后的各分光束激光信号输出进行延迟调整的纳秒延迟系统；用于将经放大延迟后的各分光束激光信号进行合束处理的信号合束器。本发明提供一种脉宽和功率可调谐的纳秒脉冲激光光源结构，其采用调节各分束激光脉冲的功率和相互延时的方式，实现平均功率200‑5000W、脉宽30‑2000ns可调谐纳秒脉冲激光输出，从而提升纳秒脉冲激光光源在工业和国防领域的通用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种在工业、国防领域情况下使用的可调谐高平均功率纳秒脉冲激光光源。更具体地说，本发明涉及一种用在工业、国防领域情况下的脉宽和功率可调谐的纳秒脉冲激光光源结构。
背景技术
可调谐高平均功率纳秒脉冲激光光源在工业、军事领域有广泛的应用价值，基于此方案的纳秒脉冲激光光源具有简便易操作，适用范围广，维护成本低等诸多优势，应用前景广阔。
纳秒脉冲光纤激光器可以分为单振荡器和主振荡器加功率放大器(MOPA)两种典型结构。
单振荡器结构的输出功率主要受限于振荡腔内所需功能器件的功率负载能力，包括光栅、声光调制器等，通常输出平均功率在10W以内，而且通常采用分立光路结构，难以实现全光纤化。
对于输出平均功率大于100W的系统，通常采用MOPA结构。振荡器输出平均功率较低的种子激光，种子激光经过单级或多级功率放大器进一步将输出功率提升。但是其输出功率及脉冲脉宽受限于振荡器以及大模场增益光纤的饱和能量，很难实现平均功率200-5000W、脉宽30-2000ns可调谐纳秒脉冲激光光源。
现有技术的客观缺点在于常规基于MOPA结构的高平均功率纳秒脉冲激光光源受限于振荡器脉宽调谐范围较小，以及大模场增益光纤的饱和能量较低等因素，难以实现平均功率200-5000W、脉宽30-2000ns可调谐的纳秒激光脉冲输出，难以适应工业、军事领域对于纳秒脉冲激光器应用的广泛要求。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种脉宽和功率可调谐的纳秒脉冲激光光源结构，其能够通过相配合的纳秒种子光源系统、放大系统、纳秒延迟系统以及信号合束器，采用调节各分束脉冲的有无和相互延时的方式，实现平均功率200-5000W、脉宽30-2000ns可调谐纳秒脉冲激光输出，从而提升纳秒脉冲激光光源在工业和国防领域的通用性。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种脉宽和功率可调谐的纳秒脉冲激光光源结构，包括：用于将固定功率、脉宽的主激光束进行同步触发，以得到多个分光束的纳秒种子光源系统；
分别设置在分光束输出链路上，以对各分光束进行增益放大的多个放大系统；
用于对各放大后的各分光束信号输出进行延迟调整的纳秒延迟系统；
用于将经放大延迟后的各分光束信号进行合束处理，以得到功率200W-5000W、脉宽30ns-2000ns可调谐纳秒脉冲激光输出的信号合束器。
优选的是，其中，还包括：在所述信号合束器的信号输出端，通过第一高功率包层光剥除器、输出端帽进而与外设实现连接；
其中，所述纳秒种子光源系统包括：
纳秒种子单元或纳秒种子光源，其用于将产生的固定功率、脉宽的主激光束，进行放大、滤波处理以得到纯净的种子脉冲信号；
激光脉冲分束器件，其用于将纳秒种子单元或纳秒种子光源产生的种子脉冲信号进行分束处理；
所述延迟系统被设置为在各放大系统的信号输出方向上，以对其输出脉冲间的时间延迟进行调整的光纤延迟线和/或与纳秒种子单元相配合的脉冲电信号延迟单元。
优选的是，其中，所述纳秒种子单元包括：
第一带通高反射镜，其表面镀有用以滤除振荡腔内产生的自发辐射放大ASE光谱的带通介质膜；
与第一带通高反射镜的输出端呈依次相连状的第一单模增益光纤、第一单模合束器、振荡器泵浦源，其中，所述振荡器泵浦源产生的泵浦光，经第一单模合束器的泵浦臂注入第一单模增益光纤，以激发稀土离子并提供激光增益；
与第一单模合束器相连，并由脉冲电信号延迟系统控制触发以实现增益状态控制和ASE光谱滤波的第一声光开关；
与第一滤波声光开关相连的低反光栅，其用于将部分信号光反射回振荡腔形成反馈，另一部分信号光则输出至后级；
与低反光栅相连，以剥除少量泄露至包层的泵浦光功率，得到纯净的种子脉冲信号传输至后级的第一低功率包层光剥除器。
优选的是，其中，所述纳秒种子单元包括：
由脉冲电信号延迟系统触发，以产生不同脉宽纳秒种子脉冲的光电二极管；
产生的纳秒脉冲依次进入三端环形器、第二声光开关、第二低功率包层剥除器、第二单模增益光纤，以进行功率放大；
与第二单模增益光纤输出端依次相连的第二单模合束器、预放大泵浦源，其中，所述预放大泵浦源产生的泵浦光经第二单模合束器的泵浦臂注入第二单模增益光纤，激发稀土离子并提供激光增益；
与第二单模合束器信号臂相连的第二带通高反射镜，其中，所述第二带通高反射镜将信号光反射，以使其在光传输区间内反向传输放大，进而通过三端环形器的第三端口输出对应的种子脉冲信号。
优选的是，其中，所述纳秒种子单元包括：相互配合的泵浦组件，增益组件，聚焦耦合组件；
所述泵浦组件可以被配置为相配合的第一泵浦氙灯、第一泵浦聚光器，其中，所述第一泵浦氙灯闪光，第一泵浦聚光器将泵浦光进行反射，将泵浦光耦合进入第一固体增益介质；
所述增益组件包括：与泵浦组件相配合的第一固体增益介质、设置在其两端的端面反射镜、输出镜以及设置在第一固体增益介质与端面反射镜之间的第三声光开关，其中，所述第一固体增益介质被泵浦组件泵浦，实现光粒子数反转，提供增益，产生的自发辐射光在端面反射镜与输出镜之间进行选模振荡和放大，第三声光开关，其用于对自发辐射光进行调Q操作，在第一固体介质的放大下以形成纳秒脉冲种子；
所述聚焦耦合组件包括：与输出镜输出方向相配合的第一聚焦注入单元，其用于将输出镜输出的纳秒脉冲种子聚焦耦合到第一接收光纤中；
与第一接收光纤邻接的第二高功率包层光剥除器，以剥除泄露到包层的纳秒脉冲，进而得到纯净的种子脉冲信号。
优选的是，其中，所述泵浦组件被替换为包括：与第二固体增益介质相配合且具有预设角度的两块第一双色镜；
其中，泵浦光通过其中一块第一双色镜进入第二固体增益介质，再通过另一块第一双色镜分离，实现出光操作。
优选的是，其中，各所述放大系统包括：相互配合的第一信号整理组件，第一信号增益组件以及第一信号分离组件；
所述第一信号整理组件包括与纳秒种子光源系统相连接的第一光隔离器、模场适配器；
所述第一信号增益组件包括：与模场适配器相配合的正向合束器、第一放大器泵浦源及第一大模场增益光纤，其中，第一放大器泵浦源产生相应的泵浦光，经正向合束器的泵浦臂，沿与信号传输方向注入第一大模场增益光纤，提供激光增益；
所述第一信号分离组件包括：与第一信号增益组件信号输出端连接，以将泄露到包层的信号光进行剥除的第三高功率包层光剥除器。
优选的是，其中，所述信号增益组件被替换为包括：与模场适配器相配合的第二大模场增益光纤、反向合束器及第二放大器泵浦源；
其中，第二放大器泵浦源产生相应的泵浦光，经反向合束器的泵浦臂，沿与信号传输方向的相反方向注入第二大模场增益光纤，提供激光增益。
优选的是，其中，各所述放大系统包括：相互配合的第二信号整理组件，第二信号增益组件以及第二信号分离组件；
所述第二信号整理组件包括与纳秒种子光源系统相连接的第二光隔离器、准直扩束器；
所述第二信号增益组件包括：与准直扩束器相配合的第三固体增益介质；
设置在第三固体增益介质两端，且具有预定角度的两块第二双色镜；
设置在信号输出方向且与其中一块第二双色镜邻接的第二聚焦注入单元、第二接收光纤；
所述第二信号分离组件包括：与第二信号增益组件信号输出端连接，以将泄露到包层的信号光进行剥除的第四高功率包层光剥除器。
优选的是，其中，所述第二信号增益组件被替换为包括：与准直扩束器相配合的第四固体增益介质；
与第四固体增益介质相配合的第二泵浦氙灯、第二泵浦聚光器；
设置在第四固体增益介质的信号输出方向的第三聚焦单元、第三接收光纤。
本发明至少包括以下有益效果：其一，本发明通过调节脉冲电信号触发系统各子束的有无以及相互间的延时，通过调节光线延迟线的长度，利用信号合束器将子束合成为一束激光输出，从而大幅提升输出激光的平均功率调节范围至200-5000W，脉宽调节范围至30-2000ns。
其二，本发明通过增加纳秒脉冲种子系统中光谱带通滤波功能以及双程放大结构，大幅提升输出信号光光谱信噪比至大于40dB。
其三，本发明通过采用单级反向泵浦超大模场光纤功率放大器，在子系统输出脉冲平均功率大幅提升的同时，保证系统信噪比无明显劣化，脉冲宽度无明显展宽或者压窄，光谱非线性展宽明显减弱。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的一个实施例中脉宽和功率可调谐的纳秒脉冲激光光源结构的结构示意图；
图2为本发明的另一个实施例中纳秒种子单元的结构示意图；
图3为本发明的另一个实施例中纳秒种子单元的第一组可替换结构示意图；
图4为本发明的另一个实施例中纳秒种子单元的第二可替换结构示意图；
图5为本发明的另一个实施例中纳秒种子单元的第三可替换结构示意图；
图6为本发明的另一个实施例中放大系统的结构示意图；
图7为本发明的另一个实施例中放大系统的第一组可替换结构示意图；
图8为本发明的另一个实施例中放大系统的第二组可替换结构示意图；
图9为本发明的另一个实施例中放大系统的第三组可替换结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
图1示出了根据本发明的一种脉宽和功率可调谐的纳秒脉冲激光光源结构的实现形式，其中包括：
用于将固定功率、脉宽的主激光束进行同步触发，以得到多个分光束的纳秒种子光源系统11，也可以称为纳秒脉冲种子系统；
分别设置在分光束输出链路上，以对各分光束进行增益放大的多个放大系统12，每个分束均需要连接纳秒脉冲种子源的部分，既纳秒种子光源系统，平均功率是通过控制各分束的增益状态有无，进而使合束输出的功率可达到200-5000W，其这一步光信号的流程可概括为纳秒脉冲种子系统产生纳秒脉冲种子，通过分束系统将种子脉冲分为多束，分别进入纳秒脉冲网络放大系统，进行纳秒脉冲的能量放大；
用于对各放大后的各分光束信号输出进行延迟调整的纳秒延迟系统13，如光纤延迟线，脉冲30-2000ns的光束都可以经本技术的纳秒延迟系统结构变化输出得到，其这一步光信号的流程可概括为放大之后的纳秒脉冲通过光纤延迟线，进行精密的时间延迟调整，最后通过之后各脉冲进入信号合束器不同的信号臂，在信号合束器中合成为一束脉冲激光；
用于将经放大延迟后的各分光束信号进行合束处理，以得到功率200W-5000W、脉宽30ns-2000ns可调谐纳秒脉冲激光输出的信号合束器14，其这一步光信号的流程可概括为将合束后的脉冲激光通过信号合束器14合束端输出。整个系统采用同一个纳秒种子光源系统，种子脉冲通过分束注入的光脉冲能量很低，如果纳秒脉冲网络放大系统中某个支路或者某几个支路不进行能量放大，则合束输出的光脉冲脉宽和能量会发生相应的增大或者减小，进而形成光源输出激光脉冲脉宽和能量的调节，具体来说，一个固定功率、脉宽的主光束(比如100mW，30ns)，经过分束系统和放大系统能够将单束功率放大到100W-800W，那么纳秒放大网络中的两束进行有效放大，其他链路不放大(不进行泵浦激励)，那么就可以最终实现平均功率200W-1600W的激光输出，脉宽方面可以通过调节延迟线光纤的长短，实现30ns(相对延迟为0)或者60ns(相对延时为30ns)的激光输出，这解释的200W和30ns激光输出的方式。对于5000W和2000ns，可以通过单束800W，脉宽300ns的激光进行7束合束输出达到相应的指标，也可以采用更低的功率和更窄脉宽(比如270W，110ns)，进行19束合束达到相应指标，或者采用更低功率和更窄脉宽的激光，采用更多激光链路的(37*1,64*1,91*1或者(36+1)*1,(63+1)*1,(90+1)*1等等)合束达到相应指标。采用这种方案具有可实施效果好，适应性好，稳定性好，可操作性强的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
如图1所示，在另一种实例中，还包括：在所述信号合束器的信号输出端，通过第一高功率包层光剥除器15、输出端帽16进而与外设实现连接，合束后的光信号再经过第一高功率包层光剥除器剥除泄露到包层的信号光，最后经输出端帽输出至用户端，另外本发明中的高功率包层光剥除器的功率被设定为200W。
其中，所述纳秒种子光源系统包括：
纳秒种子单元或纳秒种子光源，其用于将产生的固定功率、脉宽的主激光束，进行放大、增益处理以得到纯净的种子脉冲信号；
脉冲分束设备(未示出)，其用于将纳秒种子单元或纳秒种子光源产生的种子脉冲信号进行分束处理；
所述延迟系统被设置为在各放大系统的信号输出方向上，以对其输出脉宽进行调整的光纤延迟线和/或与纳秒种子单元相配合的脉冲电信号延迟单元。采用这种方案具有适应性，稳定性好，可实施效果好，操作性强的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
本发明图1中纳秒脉冲种子系统11、图6-9中的纳秒脉冲种子系统61、71、81、91可以采用如下面介绍各实施例中，具体如图2、图3、图4和图5的结构得到。
如图2所示，在另一种实例中，所述纳秒种子单元包括：
第一带通高反射镜21，作为振荡腔的信号反馈反射器，其表面镀有用以滤除振荡腔内产生的自发辐射放大ASE光谱的带通介质膜(未示出)，纳秒种子单元中具备的带通滤波功能通过带通反射镜实现，也可通过滤波声光开关实现；
与第一带通高反射镜的输出端呈依次相连状的第一单模增益光纤22、第一单模合束器23、振荡器泵浦源24，其中，所述振荡器泵浦源产生的泵浦光，经第一单模合束器的泵浦臂注入第一单模增益光纤，以激发稀土离子并提供激光增益；
与第一单模合束器相连，并由脉冲电信号延迟系统控制触发以实现增益状态控制和ASE光谱滤波的第一滤波声光开关25，第一滤波声光开关由脉冲电信号延迟系统控制触发，一方面具有增益开关功能，通过调节其重复频率和开关脉冲宽度可以调节输出信号的重复频率和脉冲宽度，另一方面其内部增加带通滤波片，进一步滤除ASE光谱；
与第一滤波声光开关相连的低反光栅26，其用于将部分信号光反射回振荡腔形成反馈，另一部分信号光则输出至后级；
与低反光栅相连，以剥除少量泄露至包层的泵浦光功率，得到纯净的种子脉冲信号传输至后级的第一低功率包层光剥除器27，本发明中低功率包层光剥除器的功率被设置为100W。采用这种方案中的纳秒种子单元，采用调Q技术产生纳秒脉冲，具有单脉冲能量高，重复频率10-250kHz可调的优点，具有较高的效率，较简单的结构，更易于实现，具有可实施效果好，可操作性强，适应性好，稳定性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
如图3所示，在另一种实例中，所述纳秒种子单元包括：
由脉冲电信号延迟系统触发，以产生不同脉宽纳秒种子脉冲的光电二极管31；
产生的纳秒脉冲依次进入三端环形器32、第二滤波声光开关33、第二低功率包层剥除器37、第二单模增益光纤35，以进行功率放大；
与第二单模增益光纤输出端依次相连的第二单模合束器36、预放大泵浦源37，其中，所述预放大泵浦源产生的泵浦光经第二单模合束器的泵浦臂注入第二单模增益光纤，激发稀土离子并提供激光增益；
与第二单模合束器信号臂相连的第二带通高反射镜38，其中，所述第二带通高反射镜将信号光反射，以使其在光传输区间内反向传输放大，进而通过三端环形器的第三端口输出对应的种子脉冲信号。采用这种方案中的光电二极管种子脉冲作为种子源，再经过带有滤波声光开关的双程放大器，即纳秒种子单元通过其双程放大结构的设计，使得其能实现双程放大的效果，故采用这种结构可以产生较大能量、重频频率10-50MHz的脉冲可调、脉宽10-1000ns可调的纳秒脉冲激光输出，具有可实施效果好，可操作性强，适应性好，可调谐效果好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
如图4-5所示，在另一种实例中，所述纳秒种子单元包括：相互配合的泵浦组件，增益组件，聚焦耦合组件；
所述泵浦组件可以被配置为相配合的第一泵浦氙灯44、第一泵浦聚光器43，其中，所述第一泵浦氙灯闪光，第一泵浦聚光器将泵浦光进行反射，将泵浦光耦合进入第一固体增益介质；；
所述增益组件包括：与泵浦组件相配合的第一固体增益介质45，以及设置在其两端的端面反射镜41、51，输出镜46、56以及设置在第一固体增益介质与端面反射镜之间的第三声光开关42、52，其中，所述第一固体增益介质将从泵浦组件接收到的光粒子数反转，提供增益，产生的自发辐射光在端面反射镜与输出镜之间进行选模振荡，第三声光开关对自发辐射光进行调Q操作，在第一固体介质的放大下以形成纳秒脉冲种子；
所述聚焦耦合组件包括：与输出镜输出方向相配合的第一聚焦注入单元47、57，其用于将输出镜输出的纳秒巨脉冲种子聚焦到第一接收光纤48、58中；
与第一接收光纤邻接的第二高功率包层光剥除器49、59，以剥除泄露到包层的纳秒脉冲，进而得到纯净的种子脉冲信号。采用这种方案的氙灯+固体增益介质的结构设计，使该方案具有较好的鲁棒性，能够输出较高(0.1-10mJ)的纳秒脉冲能量(相对于放大系统中的氙灯+固体增益介质，能量要低一些)，种子源输出的高脉冲能量有利于后面放大器的能量增益，获得更高的效率，抑制自发辐射放大，具有可实施效果好，可操作性强，适应性好，稳定性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
如图5所示，在另一种实例中，所述泵浦组件被替换为包括：与第二固体增益介质55相配合且具有预设角度的两块第一双色镜53、54；
其中，泵浦光通过其中一块第一双色镜进入第二固体增益介质，再通过另一块第一双色镜分离，实现出光操作。采用这种方案的泵浦光从其中一块双色镜Ⅰ进入第二固体增益介质，形成粒子数反转，提供能量增益，再从另一块双色镜Ⅱ分离，亦可从双色镜Ⅱ进入，从双色镜Ⅰ分离，并通过二极管泵浦+双色镜+固体增益介质的结构设计，可以在保持较高单脉冲能量情况下，有效提高脉冲种子源的输出功率(可达到100W)(因为二极管泵浦可以是连续泵浦，而氙灯不能连续泵浦)，因此在较高单脉冲能量情况下，提高种子源的功率，能够提升放大器效率，抑制自发辐射放大，具有可实施效果好，可操作性强，稳定性好，适应性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
本发明方案1中纳秒脉冲网路的放大系统12，可以由图6或者图7或者图8或者图9所示。
如图6-7所示，在另一种实例中，各所述放大系统包括：相互配合的第一信号整理组件，第一信号增益组件以及第一信号分离组件；
所述第一信号整理组件包括与纳秒种子光源系统61、71相连接的第一光隔离器62、72，模场适配器63、73，其中，放大系统中的第一光隔离器直接与分束系统分束后的各束光连接；
所述第一信号增益组件包括：与模场适配器相配合的正向合束器65，第一放大器泵浦源64及第一大模场增益光纤66，其中，第一放大器泵浦源产生相应的泵浦光，经正向合束器的泵浦臂，沿与信号传输方向注入第一大模场增益光纤，提供激光增益；
所述第一信号分离组件包括：与第一信号增益组件信号输出端连接，以将泄露到包层的信号光进行剥除的第三高功率包层光剥除器67、77。采用这种方案中的正向泵浦的方式激励超大模场增益光纤，其中所采用的大模场正向合束器技术成熟度高，成本低，能够有效提供生产品质和压低成本，且通过结构设计，可以根据具体的需要，对其进行调整，以适应不同的使用需要，具有可实施效果好，可操作性强，适应性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
如图7所示，在另一种实例中，所述信号增益组件被替换为包括：与模场适配器相配合的第二大模场增益光纤74、反向合束器75及第二放大器泵浦源76；
其中，第二放大器泵浦源产生相应的泵浦光，经反向合束器的泵浦臂，沿与信号传输方向的相反方向注入第二大模场增益光纤，激光稀土离子跃迁，提供激光增益。采用这种方案中的反向泵浦的方式激励超大模场增益光纤，采用反向泵浦的方式，能够有效抑制自发辐射，提高光转换效率，从而获得更高效的激光输出，并且采用该种方式泵浦，其激发的高阶模更少，有利于优化输出激光的横向模式，有利于激光的长程传输，并通过结构的调整设置，以使其适应不同的应用场合，具有可实施效果好，可操作性强，适应性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
如图8-9所示，在另一种实例中，各所述放大系统包括：相互配合的第二信号整理组件，第二信号增益组件以及第二信号分离组件；
所述第二信号整理组件包括与纳秒种子光源系统81、91相连接的第二光隔离器82、92，准直扩束器83、93；
所述第二信号增益组件包括：与准直扩束器相配合的第三固体增益介质86；
设置在第三固体增益介质两端，且具有预定角度的两块第二双色镜84、85；
设置在信号输出方向且与其中一块第二双色镜邻接的第二聚焦注入单元87、第二接收光纤88；
所述第二信号分离组件包括：与第二信号增益组件信号输出端连接，以将泄露到包层的信号光进行剥除的第四高功率包层光剥除器89、99。采用这种方案的光处理流程配置为，纳秒脉冲种子系统输出的脉冲经光隔离器和准直扩束器后，通过其中一块双色镜Ⅰ进入第三固体增益介质，进行能量增益，放大之后的纳秒脉冲激光通过双色镜Ⅱ，进入聚焦注入系统进行聚焦，之后进入聚焦接收光纤系统，注入光纤，之后再经过第四高功率包层剥除器，剥除泄露到包层的信号光，之后输出到信号合束器，综上，本方案因固体增益介质作为增益材料，可以获得更大能量的激光脉冲输出，其相对于光纤作为增益介质，固体增益介质具有更大的有效模场面积，而输出脉冲能量与增益介质的有效模场面积成正比，因此采用固体增益介质能够有效增大模场面积，输出更大能量的激光脉冲，例如可以输出数mJ到数十J能量的纳秒脉冲，具有适应性好，可操作性强，稳定性好，性能优异的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
如图9所示，在另一种实例中，所述第二信号增益组件被替换为包括：与准直扩束器93相配合的第四固体增益介质96；
与第四固体增益介质相配合的第二泵浦氙灯95、第二泵浦聚光器94；
设置在第四固体增益介质的信号输出方向的第三聚焦单元97、第三接收光纤98。采用这种方案光处理流程配置为，纳秒脉冲种子系统输出的脉冲经光隔离器和准直扩束器后，耦合进第四入固体增益介质，进行能量增益；第二泵浦氙灯发出的泵浦光通过第二泵浦聚光器进入固体增益介质，形成粒子数反转，提供能量增益；放大之后的纳秒脉冲激光进入聚焦注入系统进行聚焦，之后进入聚焦接收光纤系统，注入光纤，之后再经过第四高功率包层剥除器，剥除泄露到包层的信号光，之后输出到信号合束器，综上，本方案采用氙灯作为泵浦源，相对于上述采用二极管+双色镜的泵浦方式而言，其鲁棒性更强，在长程运输后，可减少调试时间，另外，采用氙灯泵浦可以实现低重复频率，超大脉冲能量的输出，例如可以实现10Hz，单脉冲能量100J的纳秒脉冲输出，具有可实施效果好，可操作性强，适应性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
本发明采用外部同步触发系统+光纤延迟线+信号合束器的结构，可以用于在预定范围内调节纳秒脉冲激光的平均功率和脉宽，且使得纳秒脉冲种子系统得到高信噪比，而在具体实施中，本发明的部件可以根据需要进行适当的选择或替换，具体如下所示：
本发明的秒脉冲激光光源结构中脉冲电信号延迟系统可以选用其他外部同步触发系统。
本发明的秒脉冲激光光源结构中，如果有脉冲电信号延迟系统，那么可以有光纤延迟线系统，也可以没有光纤延迟线系统。
本发明的秒脉冲激光光源结构中信号合束器可选用3*1,7*1,19*1,37*1,64*1,91*1等其他子束数目的信号合束器。
本发明的秒脉冲激光光源结构中信号合束器还可以选用(2+1)*1，(6+1)*1,(18+1)*1,(36+1)*1,(63+1)*1,(90+1)*1等其他子束数目和结构的合束器。
本发明的秒脉冲激光光源结构中纳秒脉冲种子光源系统可以选用其他高信噪比纳秒种子光源。
本发明的秒脉冲激光光源结构中纳秒脉冲放大网络或者纳秒脉冲放大系统，不仅适用于纳秒脉冲放大，对于高重频的皮秒脉冲放大同样适用。
本发明的秒脉冲激光光源结构中纳秒脉冲种子系统或者预放大级中的带通反射镜，可选用高反射率光纤光栅或者带通滤波器加高反射率镜。
本发明的秒脉冲激光光源结构中纳秒脉冲放大网络或者纳秒脉冲放大系统中超大模场增益光纤，可以选用光子晶体光纤，晶体光纤，固体增益介质等材料。
本发明的秒脉冲激光光源结构中纳秒脉冲种子系统中单模增益光纤，可以选用光子晶体光纤，晶体光纤，固体增益介质等材料。
本发明的秒脉冲激光光源结构中所采用的滤波声光开关，可以选用滤波电光开光或者声光调制器或者电光调制器。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明脉冲激光光源结构的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种脉宽和功率可调谐的纳秒脉冲激光光源结构，其特征在于，包括：用于将固定功率、脉宽的主激光束进行同步触发和分束，以得到多个分光束脉冲激光的纳秒种子光源系统；
分别设置在分光束输出链路上，以对各分光束激光进行增益放大的多个放大系统；
用于对各放大后的各分光束激光信号输出进行延迟调整的纳秒延迟系统；
用于将经放大延迟后的各分光束信号进行合束处理，以得到功率200W-5000W、脉宽30ns-2000ns可调谐纳秒脉冲激光输出的信号合束器。
2.如权利要求1所述的脉宽和功率可调谐的纳秒脉冲激光光源结构，其特征在于，还包括：在所述信号合束器的信号输出端，通过第一高功率包层光剥除器、输出端帽进而与外设实现连接；
其中，所述纳秒种子光源系统包括：
纳秒种子单元或纳秒种子光源，其用于将产生的固定功率、脉宽的主激光束，进行放大、滤波处理以得到纯净的种子脉冲信号；
激光脉冲分束器件，其用于将纳秒种子单元或纳秒种子光源产生的种子脉冲信号进行分束处理；
所述延迟系统被设置为在各放大系统的信号输出方向上，以对其输出脉冲间的时间延迟进行调整的光纤延迟线和/或与纳秒种子单元相配合的脉冲电信号延迟单元。
3.如权利要求2所述的脉宽和功率可调谐的纳秒脉冲激光光源结构，其特征在于，所述纳秒种子单元包括：
第一带通高反射镜，其表面镀有用以滤除振荡腔内产生的自发辐射放大ASE光谱的带通介质膜；
与第一带通高反射镜的输出端呈依次相连状的第一单模增益光纤、第一单模合束器、振荡器泵浦源，其中，所述振荡器泵浦源产生的泵浦光，经第一单模合束器的泵浦臂注入第一单模增益光纤，以激发稀土离子并提供激光增益；
与第一单模合束器相连，并由脉冲电信号延迟系统控制触发以实现增益状态控制和ASE光谱滤波的第一声光开关；
与第一滤波声光开关相连的低反光栅，其用于将部分信号光反射回振荡腔形成反馈，另一部分信号光则输出至后级；
与低反光栅相连，以剥除少量泄露至包层的泵浦光功率，得到纯净的种子脉冲信号传输至后级的第一低功率包层光剥除器。
4.如权利要求2所述的脉宽和功率可调谐的纳秒脉冲激光光源结构，其特征在于，所述纳秒种子单元包括：
由脉冲电信号延迟系统触发，以产生不同脉宽纳秒种子脉冲的光电二极管；
产生的纳秒脉冲依次进入三端环形器、第二声光开关、第二低功率包层剥除器、第二单模增益光纤，以进行功率放大；
与第二单模增益光纤输出端依次相连的第二单模合束器、预放大泵浦源，其中，所述预放大泵浦源产生的泵浦光经第二单模合束器的泵浦臂注入第二单模增益光纤，激发稀土离子并提供激光增益；
与第二单模合束器信号臂相连的第二带通高反射镜，其中，所述第二带通高反射镜将信号光反射，以使其在光传输区间内反向传输放大，进而通过三端环形器的第三端口输出对应的种子脉冲信号。
5.如权利要求2所述的脉宽和功率可调谐的纳秒脉冲激光光源结构，其特征在于，所述纳秒种子单元包括：相互配合的泵浦组件，增益组件，聚焦耦合组件；
所述泵浦组件可以被配置为相配合的第一泵浦氙灯、第一泵浦聚光器，其中，所述第一泵浦氙灯闪光，第一泵浦聚光器将泵浦光进行反射，将泵浦光耦合进入第一固体增益介质；
所述增益组件包括：与泵浦组件相配合的第一固体增益介质、设置在其两端的端面反射镜、输出镜以及设置在第一固体增益介质与端面反射镜之间的第三声光开关，其中，所述第一固体增益介质被泵浦组件泵浦，实现光粒子数反转，提供增益，产生的自发辐射光在端面反射镜与输出镜之间进行选模振荡和放大，第三声光开关，其用于对自发辐射光进行调Q操作，在第一固体介质的放大下以形成纳秒脉冲种子；
所述聚焦耦合组件包括：与输出镜输出方向相配合的第一聚焦注入单元，其用于将输出镜输出的纳秒脉冲种子聚焦耦合到第一接收光纤中；
与第一接收光纤邻接的第二高功率包层光剥除器，以剥除泄露到包层的纳秒脉冲，进而得到纯净的种子脉冲信号。
6.如权利要求5所述的脉宽和功率可调谐的纳秒脉冲激光光源结构，其特征在于，所述泵浦组件被替换为包括：与第二固体增益介质相配合且具有预设角度的两块第一双色镜；
其中，泵浦光通过其中一块第一双色镜进入第二固体增益介质，再通过另一块第一双色镜分离，实现出光操作。
7.如权利要求1所述的脉宽和功率可调谐的纳秒脉冲激光光源结构，其特征在于，各所述放大系统包括：相互配合的第一信号整理组件，第一信号增益组件以及第一信号分离组件；
所述第一信号整理组件包括与纳秒种子光源系统相连接的第一光隔离器、模场适配器；
所述第一信号增益组件包括：与模场适配器相配合的正向合束器、第一放大器泵浦源及第一大模场增益光纤，其中，第一放大器泵浦源产生相应的泵浦光，经正向合束器的泵浦臂，沿与信号传输方向注入第一大模场增益光纤，提供激光增益；
所述第一信号分离组件包括：与第一信号增益组件信号输出端连接，以将泄露到包层的信号光进行剥除的第三高功率包层光剥除器。
8.如权利要求7所述的脉宽和功率可调谐的纳秒脉冲激光光源结构，其特征在于，所述信号增益组件被替换为包括：与模场适配器相配合的第二大模场增益光纤、反向合束器及第二放大器泵浦源；
其中，第二放大器泵浦源产生相应的泵浦光，经反向合束器的泵浦臂，沿与信号传输方向的相反方向注入第二大模场增益光纤，提供激光增益。
9.如权利要求1所述的脉宽和功率可调谐的纳秒脉冲激光光源结构，其特征在于，各所述放大系统包括：相互配合的第二信号整理组件，第二信号增益组件以及第二信号分离组件；
所述第二信号整理组件包括与纳秒种子光源系统相连接的第二光隔离器、准直扩束器；
所述第二信号增益组件包括：与准直扩束器相配合的第三固体增益介质；
设置在第三固体增益介质两端，且具有预定角度的两块第二双色镜；
设置在信号输出方向且与其中一块第二双色镜邻接的第二聚焦注入单元、第二接收光纤；
所述第二信号分离组件包括：与第二信号增益组件信号输出端连接，以将泄露到包层的信号光进行剥除的第四高功率包层光剥除器。
10.如权利要求9所述的脉宽和功率可调谐的纳秒脉冲激光光源结构，其特征在于，所述第二信号增益组件被替换为包括：与准直扩束器相配合的第四固体增益介质；
与第四固体增益介质相配合的第二泵浦氙灯、第二泵浦聚光器；
设置在第四固体增益介质的信号输出方向的第三聚焦单元、第三接收光纤。
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20190530 Address after: 223800 Third Floor of C7 Building, Phase II, Laser Industrial Park, Western Sucheng Economic Development Zone, Suqian City, Jiangsu Province Applicant after: Jiangsu Wofei Laser Technology Co., Ltd. Address before: 621000 133 Mian Xingdong Road, Mianyang hi tech Zone, Sichuan Applicant before: Sichuan Wofei Photoelectric Technology Co., Ltd. |
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