CN110970791A - 一种光纤激光器及光纤激光系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光器领域,具体涉及一种光纤激光器及光纤激光系统。所述光纤激光器包括预设有不同延时值的PWM错位调节模块,与外部PWM输入模块连接接收外部PWM信号;至少两泵浦模块,每一所述泵浦模块的输入端与PWM错位调节模块连接;合束器,与每一所述泵浦模块的输出端连接;以及光学谐振腔,与合束器连接接收合束器的激光;其中,所述PWM错位调节模块接收外部PWM信号,并根据内部预设的不同延时值在不同时间输出PWM信号,对应驱动一泵浦模块发射激光,所述合束器将多个驱动泵浦模块发射的激光合束后输入至光学谐振腔。本发明能实现上升沿和下降沿的在线可控调节,上升沿快,且可有效抑制谐振腔冲击,延长激光器寿命,增强系统可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及激光器领域,具体涉及一种光纤激光器及光纤激光系统。
背景技术
光纤激光器(Fiber Laser)是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器。光纤激光器的由光栅和有源光纤组成的光学谐振腔在PWM调制状态下,会产生谐振腔冲击,该冲击容易对激光路径中的薄弱部位,如熔接点、拉锥点等造成损伤,导致光纤烧毁事故,需要对该谐振腔冲击进行抑制。
在现有对谐振腔冲击的抑制方案中,大多数厂家通过增加RC延时的方法进行驱动上升沿控制来抑制该谐振腔冲击,具体参考图1,将PWM信号输入驱动电路中,其调节上升沿的方式为调节环路补偿电阻R2和电容C2,以及MOS驱动电阻R1和电容C1,该调整对激光的上升沿和下降沿调节量化参数困难,调节性能差;在满足无光学谐振腔冲击的条件下激光上升沿和下降沿非常缓慢,在特殊工况下不够稳定。针对部分谐振腔,上升下降沿甚至需要大于20us。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,针对现有技术的上述缺陷,提供一种光纤激光器及光纤激光系统,克服现有光纤激光器的谐振腔冲击抑制方案对激光的调节性能差,激光上升沿和下降沿缓慢,稳定性差的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种光纤激光器,包括:
预设有不同延时值的PWM错位调节模块,与外部PWM输入模块连接接收外部PWM信号;
至少两泵浦模块,每一所述泵浦模块的输入端与PWM错位调节模块连接;
合束器,与每一所述泵浦模块的输出端连接;以及
光学谐振腔,与合束器连接接收合束器的激光;其中,
所述PWM错位调节模块接收外部PWM信号,并根据内部预设的不同延时值在不同时间输出PWM信号,对应驱动一泵浦模块发射激光,所述合束器将多个驱动泵浦模块发射的激光合束后输入至光学谐振腔。
本发明的更进一步优选方案是:所述PWM错位调节模块为FPGA器件。
本发明的更进一步优选方案是:所述PWM错位调节模块包括与外部PWM输入模块连接接收外部PWM信号的PWM接收单元,PWM发送单元,以及分别连接PWM接收单元和PWM发送单元且预设有不同延时值的主控单元,所述PWM接收单元将接收的PWM信号传输至主控单元,所述主控单元根据预设的不同延时值控制PWM发送单元在不同时间对应发送PWM信号至一泵浦模块驱动其发射激光。
本发明的更进一步优选方案是:所述泵浦模块包括与PWM错位调节模块连接的泵浦驱动单元,以及分别连接泵浦驱动单元和合束器的泵浦。
本发明的更进一步优选方案是:所述光纤激光器还包括与光学谐振腔的输出端连接的光纤输出器件,所述光纤输出器件将光学谐振腔传输的激光输出。
本发明的更进一步优选方案是:所述预设的不同延时值按等值增加或按不等值增加。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种光纤激光系统,包括上述所述的光纤激光器,以及与光纤激光器的PWM错位调节模块连接用于产生PWM信号的PWM输入模块,所述PWM输入模块将PWM信号输入至PWM错位调节模块。
本发明的更进一步优选方案是:所述PWM输入模块包括用于隔离PWM输入模块与光纤激光器的隔离单元,以及与PWM错位调节模块连接用于对PWM信号进行整形的信号整形单元,所述信号整形单元对PWM信号进行整形后发送至PWM错位调节模块。
本发明的更进一步优选方案是:所述光纤激光系统还包括用于对光纤激光器发射的激光波形进行测试的测试平台。
本发明的更进一步优选方案是:所述测试平台包括接收光纤激光器发射激光的激光脉冲探头,与激光脉冲探头连接用于测试激光功率的激光功率计,以及与激光脉冲探头连接用于显示激光的脉冲波形信息的示波器。
本发明的有益效果在于,与现有技术相比,通过设置PWM错位调节模块接收外部PWM信号,并根据其内部预设的不同延时值在不同时间输出PWM信号,对应驱动一泵浦模块发射激光,对多个泵浦模块进行错位驱动,合束器将多个泵浦模块发射的激光合束后输入至光学谐振腔,PWM错位调节模块能错位驱动对应的泵浦模块发射激光,实现上升沿和下降沿的在线可控调节,可调节性能好,上升沿快,且可有效抑制谐振腔冲击,延长激光器寿命,增强系统可靠性;另外,本发明还能调节不同的光学上升沿和下降沿,配合对峰值功率的控制,实现对光纤激光器输出的激光波形进行编辑,以匹配不同的工业应用需求,可用于激光产品的进阶开发。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1是现有光纤激光器的驱动电路示意图;
图2是本发明光纤激光器的结构框图;
图3是现有谐振腔冲击的抑制方案输出的谐振腔冲击波形示意图;
图4是采用本发明的方案输出的谐振腔冲击波形示意图;
图5是本发明PWM错位调节模块的结构框图;
图6是本发明泵浦模块的结构框图;
图7是本发明PWM错位调节模块的工作原理图;
图8是本发明光学谐振腔的结构框图;
图9是本发明光纤激光系统的结构框图;
图10是本发明PWM输入模块的结构框图;
图11是本发明测试平台的结构框图。
具体实施方式
现结合附图,对本发明的较佳实施例作详细说明。
如图2所示,本发明提供一种光纤激光器的优选实施例。
一种光纤激光器,包括预设有不同延时值的PWM错位调节模块10,与外部PWM输入模块60连接接收外部PWM信号;至少两泵浦模块20,每一所述泵浦模块20的输入端与PWM错位调节模块10连接;合束器30,与每一所述泵浦模块20的输出端连接;以及光学谐振腔40,与合束器30连接接收合束器30的激光;其中,所述PWM错位调节模块10接收外部PWM信号,并根据内部预设的不同延时值在不同时间输出PWM信号,对应驱动一泵浦模块20发射激光,所述合束器30将多个驱动泵浦模块20发射的激光合束后输入至光学谐振腔40。
通过设置PWM错位调节模块10接收外部PWM信号,并根据其内部预设的不同延时值在不同时间输出PWM信号,对应驱动一泵浦模块20发射激光,对多个泵浦模块20进行错位驱动,实现输出激光的上升沿和下降沿的在线可控调节,从而抑制谐振腔冲击,延长激光器寿命,增强系统可靠性;另外,通过PWM错位调节模块10调节不同的光学上升沿和下降沿,配合对峰值功率的控制,实现对激光输出波形进行全波形编辑,可以实现任意激光波形的输出(在us量级),以匹配不同的工业应用需求,可用于激光产品的进阶开发。
其中,通过采用现有谐振腔冲击的抑制方案后输出的谐振腔冲击波形示意图如图3所示;采用本发明的方案输出的谐振腔冲击波形示意图如图4所示,本发明的方案能有效抑制谐振腔冲击,延长激光器的使用寿命。
其中,所述PWM错位调节模块10为FPGA器件。操作人员可通过FPGA器件进行在线编辑调节上升沿和下降沿,在线调试合适的错位参数,对多个泵浦模块20进行错位驱动,实现有效抑制谐振腔冲击,延长激光器寿命,增强系统可靠性。另外,可在线调节不同的光学上升沿和下降沿,配合对峰值功率的控制,实现对光纤激光器输出的激光波形进行编辑,以匹配不同的工业应用需求。FPGA器件的电路集成度高,可大大缩小光纤激光器的体积,实现器件的小型化。
以及,所述预设的不同延时值按等值增加或按不等值增加,即预设延时值,不同泵浦模块20对应的不同延时值可递增等长设置调节,或者跳跃式设置调节,以来匹配不同光学谐振腔40的特性,达到消除谐振腔冲击的目的。
本实施例中,参考图5,所述PWM错位调节模块10包括与外部PWM输入模块60连接接收外部PWM信号的PWM接收单元11,PWM发送单元12,以及分别连接PWM接收单元11和PWM发送单元12且预设有不同延时值的主控单元13,所述PWM接收单元11将接收的PWM信号传输至主控单元13,所述主控单元13根据预设的不同延时值控制PWM发送单元12在不同时间对应发送PWM信号至一泵浦模块20驱动其发射激光。在主控单元13中预设不同的延时值,根据不同的延时值控制PWM发送单元12在不同的时间对应发送PWM信号至一泵浦模块20驱动其发射激光,对多个泵浦模块20进行错位驱动,使得每个泵浦模块20的光信号得以实现错位输出,合束器30将泵浦模块20的泵浦光合束后泵入光学谐振腔40,调试合适的错位参数,则输出的光学冲击在连续满功率峰值以下,可以保证光学谐振腔40的安全,提高光纤激光器的使用寿命。
其中,PWM接收单元11实现PWM信号的接收,PWM发送单元12实现PWM信号的发送,主控单元13主要用于对每一泵浦模块20的驱动延时值的设置和保存,且可通过软件指令设置和调试合适的延时值,最终实现多个泵浦模块20的错位驱动,进而实现抑制谐振腔冲击、整形激光波形的目的,操作方便。
本实施例中,参考图6,所述泵浦模块20包括与PWM错位调节模块10连接的泵浦驱动单元21,以及分别连接泵浦驱动单元21和合束器30的泵浦22。PWM错位调节模块10将PWM信号传输至泵浦驱动单元21,控制泵浦驱动单元21驱动泵浦22发射激光。
PWM错位调节模块10的工作原理图如图7所示,图中,Delay n代表不同泵浦模块20对应的延时值,Driver n代表不同的泵浦模块20。
本实施例中,所述光纤激光器还包括与光学谐振腔40的输出端连接的光纤输出器件50,所述光纤输出器件50将光学谐振腔40传输的激光输出。合束器30输出激光至光学谐振腔40,激光进入光学谐振腔40来回反射,增强功率后,光学谐振腔40输出所需功率的激光,激光经光纤输出器件50输出。其中,光纤输出器件50采用光纤水冷输出头。
进一步地,参考图8,所述光学谐振腔40包括与合束器30连接高反光栅41,与光纤输出器件50连接的低反光栅42,以及分别连接高反光栅41和低反光栅42的增益光纤43。由合束器30输入至光学谐振腔40的激光在高反光栅41和低反光栅42之间来回反射,选择频率一定、方向一致的光进行放大,把其他频率和方向的光加以抑制,凡不沿光学谐振腔40轴线运动的光子均很快逸出光学谐振腔40外,与增益光纤43不再接触,沿轴线运动的光子将在光学谐振腔40内继续前进,并经高反光栅41和低反光栅42的反射不断往返运行产生振荡,运行时不断与受激粒子相遇而产生受激辐射,沿轴线运行的光子将不断增殖,在光学谐振腔40内形成传播方向一致、频率和相位相同的强光束,即形成激光。
如图9所示,本发明还提供一种光纤激光系统的优选实施例。
一种光纤激光系统,包括上述所述的光纤激光器,以及与光纤激光器的PWM错位调节模块10连接用于产生PWM信号的PWM输入模块60,所述PWM输入模块60将PWM信号输入至PWM错位调节模块10。
所述PWM输入模块60将PWM信号输入至PWM错位调节模块10,PWM错位调节模块10接收PWM信号,并根据内部预设的不同延时值在不同时间输出PWM信号,对应驱动一泵浦模块20发射激光,对多个泵浦模块20进行错位驱动,实现输出激光的上升沿和下降沿的在线可控调节,从而抑制谐振腔冲击,延长激光器寿命,增强系统可靠性;另外,通过PWM错位调节模块10调节不同的光学上升沿和下降沿,配合对峰值功率的控制,实现对激光输出波形进行全波形编辑,可以实现任意激光波形的输出(在us量级),以匹配不同的工业应用需求。
进一步地,参考图10,所述PWM输入模块60包括用于隔离PWM输入模块60与光纤激光器的隔离单元61,以及与PWM错位调节模块10连接用于对PWM信号进行整形的信号整形单元62,所述信号整形单元62对PWM信号进行整形后发送至PWM错位调节模块10。
其中,隔离单元61将产生PWM信号的PWM输入模块60与光纤激光器进行隔离,即将PWM输入模块60与PWM错位调节模块10进行隔离,避免PWM输入模块60对光纤激光器产生干扰,对光纤激光器起保护作用。信号整形单元62对PWM信号进行整形后发送至PWM错位调节模块10。
本实施例中,所述光纤激光系统还包括用于对光纤激光器发射的激光波形进行测试的测试平台70。通过设置测试平台70,将光纤激光器发射的激光输入至测试平台70进行测试,测试所设置的参数是否可得到需要的激光波形,便于在线调试调节泵浦模块20的错位驱动相关参数,达到抑制谐振腔冲击和整形激光波形的目的。
具体地,参考图11,所述测试平台70包括接收光纤激光器发射激光的激光脉冲探头71,与激光脉冲探头71连接用于测试激光功率的激光功率计72,以及与激光脉冲探头71连接用于显示激光的脉冲波形信息的示波器73。其中,所述激光脉冲探头71的安装位置以能探测到激光为准,与光纤激光器的输出端有一定的距离。通过激光脉冲探头71接收光纤激光器发射的激光,将反射回来的激光转换为电信号,传输至示波器73,示波器73将激光的脉冲波形信息显示,便于操作人员进行测试调试。其中,激光的脉冲波形信息包括激光脉冲波形的幅度和频率特性等激光参数。激光功率计72接收激光脉冲探头71接收的激光,将光能转换成热量,再转换为电信号输出,通过校准来精确测量激光功率的大小。
本发明的光纤激光系统能有效抑制谐振腔冲击,在不同泵浦模块20的延时值调节良好的情况下,可做到上升沿~2us以下无谐振腔冲击,延长光纤激光器的使用寿命,提高整机可靠性。
应当理解的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制,对本领域技术人员来说,可以对上述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;而所有这些修改和替换,都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种光纤激光器,其特征在于,包括:
预设有不同延时值的PWM错位调节模块,与外部PWM输入模块连接接收外部PWM信号;
至少两泵浦模块,每一所述泵浦模块的输入端与PWM错位调节模块连接;
合束器,与每一所述泵浦模块的输出端连接;以及
光学谐振腔,与合束器连接接收合束器的激光;其中,
所述PWM错位调节模块接收外部PWM信号,并根据内部预设的不同延时值在不同时间输出PWM信号,对应驱动一泵浦模块发射激光,所述合束器将多个驱动泵浦模块发射的激光合束后输入至光学谐振腔。
2.根据权利要求1所述的光纤激光器,其特征在于,所述PWM错位调节模块为FPGA器件。
3.根据权利要求1所述的光纤激光器,其特征在于,所述PWM错位调节模块包括与外部PWM输入模块连接接收外部PWM信号的PWM接收单元,PWM发送单元,以及分别连接PWM接收单元和PWM发送单元且预设有不同延时值的主控单元,所述PWM接收单元将接收的PWM信号传输至主控单元,所述主控单元根据预设的不同延时值控制PWM发送单元在不同时间对应发送PWM信号至一泵浦模块驱动其发射激光。
4.根据权利要求1-3任一所述的光纤激光器,其特征在于,所述泵浦模块包括与PWM错位调节模块连接的泵浦驱动单元,以及分别连接泵浦驱动单元和合束器的泵浦。
5.根据权利要求1所述的光纤激光器,其特征在于,所述光纤激光器还包括与光学谐振腔的输出端连接的光纤输出器件,所述光纤输出器件将光学谐振腔传输的激光输出。
6.根据权利要求1所述的光纤激光器,其特征在于,所述预设的不同延时值按等值增加或按不等值增加。
7.一种光纤激光系统,其特征在于,包括权利要求1-6任一所述的光纤激光器,以及与光纤激光器的PWM错位调节模块连接用于产生PWM信号的PWM输入模块,所述PWM输入模块将PWM信号输入至PWM错位调节模块。
8.根据权利要求7所述的光纤激光系统,其特征在于,所述PWM输入模块包括用于隔离PWM输入模块与光纤激光器的隔离单元,以及与PWM错位调节模块连接用于对PWM信号进行整形的信号整形单元,所述信号整形单元对PWM信号进行整形后发送至PWM错位调节模块。
9.根据权利要求7所述的光纤激光系统,其特征在于,所述光纤激光系统还包括用于对光纤激光器发射的激光波形进行测试的测试平台。
10.根据权利要求9所述的光纤激光系统,其特征在于,所述测试平台包括接收光纤激光器发射激光的激光脉冲探头,与激光脉冲探头连接用于测试激光功率的激光功率计,以及与激光脉冲探头连接用于显示激光的脉冲波形信息的示波器。
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