CN111106513B - 一种窄纳秒主动调q光纤激光器 - Google Patents

一种窄纳秒主动调q光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种窄纳秒主动调Q光纤激光器，属于光电子技术领域；包括泵浦激光器、反射型光纤光栅、掺杂光纤、光纤功率剥离器、声光光纤Q开关、输出光纤光栅和腔体；其中，泵浦激光器、反射型光纤光栅、掺杂光纤、光纤功率剥离器、声光光纤Q开关和输出光纤光栅依次串联；腔体为水平放置的中空管状结构；掺杂光纤、光纤功率剥离器和声光光纤Q开关设置在腔体内；且反射型光纤光栅的轴向一端与腔体的轴向一端接触；输出光纤光栅的轴向一端与腔体的轴向另一端接触；本发明减小了脉冲在光纤激光腔内的渡越时间，实现在无需采用高速声光Q开关的情况下，获得较脉宽小于20ns的窄脉宽的脉冲光纤激光输出。

Description

一种窄纳秒主动调Q光纤激光器
技术领域
本发明属于光电子技术领域，涉及一种窄纳秒主动调Q光纤激光器。
背景技术
脉冲光纤激光器具有结构紧凑、散热性能好、转换效率高、光束质量优良和性能稳定等优点受到广泛关注。目前，通过主动调Q脉冲光纤激光方案，已经实现良好光束质量的脉冲光纤激光器，被广泛应用于激光标记、激光表面处理、激光内雕、金属材料加工等各个工业加工行业，并不断向更为广阔的应用领域拓展。
在目前报道的脉冲光纤激光中，种子源主要有两种方式实现，一种采用主动调Q脉冲光纤激光器方式，输出脉宽一般为100ns级，这种方式结构简单、成本低，输出功率较高，利于后级MOPA放大，但一般输出脉宽较宽，且一般脉冲宽度不能调节；另一种方式采用半导体调制方式实现，这种方式可获得较窄脉宽输出，且脉宽可调，但输出功率较小，不利于后级放大。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种窄纳秒主动调Q光纤激光器，减小了脉冲在光纤激光腔内的渡越时间，实现在无需采用高速声光Q开关的情况下，获得较脉宽小于20ns的窄脉宽的脉冲光纤激光输出。
本发明解决技术的方案是：
一种窄纳秒主动调Q光纤激光器，包括泵浦激光器、反射型光纤光栅、掺杂光纤、光纤功率剥离器、声光光纤Q开关、输出光纤光栅和腔体；其中，泵浦激光器、反射型光纤光栅、掺杂光纤、光纤功率剥离器、声光光纤Q开关和输出光纤光栅依次串联；腔体为水平放置的中空管状结构；掺杂光纤、光纤功率剥离器和声光光纤Q开关设置在腔体内；且反射型光纤光栅的轴向一端与腔体的轴向一端接触；输出光纤光栅的轴向一端与腔体的轴向另一端接触。
在上述的窄纳秒主动调Q光纤激光器，所述反射型光纤光栅的光纤与掺杂光纤的光纤通过熔接点连接；反射型光纤光栅设置有熔接点一侧的光纤长度小于10cm；声光光纤Q开关的光纤与输出光纤光栅的光纤连接；输出光纤光栅靠近声光光纤Q开关的光纤长度小于10cm。
在上述的窄纳秒主动调Q光纤激光器，所述腔体的轴向长度小于1.5m；通过调节声光光纤Q开关的打开时间，实现窄纳秒脉冲激光输出小于20ns。
在上述的窄纳秒主动调Q光纤激光器，所述泵浦激光器为多模泵浦激光器，浦激光器的输出光纤为多模光纤，输出光纤的纤芯直径大于50微米；波长为793nm或915nm或940nm或976nm或1550nm。
在上述的窄纳秒主动调Q光纤激光器，所述反射型光纤光栅采用双包层光纤光栅，反射型光纤光栅最大承载功率大于5W；反射型光纤光栅纤芯直径大于等于10微米，反射率大于99％。
在上述的窄纳秒主动调Q光纤激光器，所述泵浦激光器的输出光纤与反射型光纤光栅直接熔接连接；通过光纤光栅双包层光纤中的内包层将泵浦激光器发出的泵浦光耦合至调腔体。
在上述的窄纳秒主动调Q光纤激光器，所述掺杂光纤采用掺镱光纤或掺铒光纤或铒镱共掺光纤或掺铥光纤或掺钬光纤或铥钬共掺光纤；掺杂光纤的光纤纤芯直径大于等于10微米，对于LD泵浦波长的吸收系数大于3dB/m，掺杂光纤光纤长度小于1m。
在上述的窄纳秒主动调Q光纤激光器，所述声光光纤Q开关的打开频率为1kHz-500kHz；声光光纤Q开关的打开时间占比小于30％；声光光纤Q开关两侧伸出的光纤长度均小于30cm。
在上述的窄纳秒主动调Q光纤激光器，所述输出光纤光栅采用双包层光纤光栅；输出光纤光栅光纤纤芯直径大于等于10微米；反射率小于15％。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明通过减小高反射率光栅和掺杂光纤之间的光纤长度；将CPS直接制作于掺杂光纤和光纤声光Q开关熔接点上；将声光Q开关与输出光纤光栅进行集成等措施，直接减小了调Q光纤激光器腔长，降低了脉宽减小的限制因素；
(2)本发明通过采用纤芯较大和高掺杂的双包层光纤，减小了非线性和掺杂光纤长度，降低了脉冲输出峰值功率的限制，有利于进一步压榨脉宽；
(3)本发明通过将泵浦LD直接熔接至高反射光栅，通过双包层光纤内包层耦合泵浦激光，相比传统调Q光纤激光器无需使用光纤合束器，减少了激光腔内器件使用数量，缩短了腔长，既降低了脉宽减小的限制因素，又降低了成本；
(4)本发明通过优化Q开关的打开关闭时间，抑制多脉冲起振，有利于提升激光器输出功率。
附图说明
图1为本发明光纤激光器示意图。
图2为本发明实施例示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供了一种窄纳秒主动调Q光纤激光器，这种主动调Q光纤激光器通过器件多个器件集成和缩短腔长，优化Q开关打开时间，能够获得10ns级别脉宽和较高功率输出。
如图1所示，主动调Q光纤激光器，包括泵浦激光器1、反射型光纤光栅2、掺杂光纤3、光纤功率剥离器4、声光光纤Q开关5、输出光纤光栅6和腔体9；其中，泵浦激光器1、反射型光纤光栅2、掺杂光纤3、光纤功率剥离器4、声光光纤Q开关5和输出光纤光栅6依次串联；腔体9为水平放置的中空管状结构；掺杂光纤3、光纤功率剥离器4和声光光纤Q开关5设置在腔体9内；且反射型光纤光栅2的轴向一端与腔体9的轴向一端接触；输出光纤光栅6的轴向一端与腔体9的轴向另一端接触。腔体9的轴向长度小于1.5m；通过调节声光光纤Q开关5的打开时间，实现窄纳秒脉冲激光输出小于20ns。
反射型光纤光栅2的光纤与掺杂光纤3的光纤通过熔接点8连接；反射型光纤光栅2设置有熔接点8一侧的光纤长度小于10cm；声光光纤Q开关5的光纤与输出光纤光栅6的光纤连接；输出光纤光栅6靠近声光光纤Q开关5的光纤长度小于10cm。
其中，泵浦激光器1为多模泵浦激光器，浦激光器1的输出光纤为多模光纤，输出光纤的纤芯直径大于50微米；波长为793nm或915nm或940nm或976nm或1550nm。
反射型光纤光栅2采用双包层光纤光栅，反射型光纤光栅2最大承载功率大于5W；反射型光纤光栅2纤芯直径大于等于10微米，反射率大于99％。为保证激光器具有较短腔长，反射型光纤光栅2靠近熔接点8一侧光纤小于10cm；泵浦激光器1的输出光纤与反射型光纤光栅2直接熔接连接；通过光纤光栅2双包层光纤中的内包层将泵浦激光器1发出的泵浦光耦合至调腔体9；无需采用光纤合束器。反射型光纤光栅2可以直接刻写于掺杂光纤3上，实现缩短腔体9的轴向长度。
掺杂光纤3采用掺镱光纤或掺铒光纤或铒镱共掺光纤或掺铥光纤或掺钬光纤或铥钬共掺光纤；掺杂光纤3的光纤纤芯直径大于等于10微米，对于LD泵浦波长的吸收系数大于3dB/m，掺杂光纤3光纤长度小于1m。
声光光纤Q开关5的打开频率为1kHz-500kHz；声光光纤Q开关5的打开时间占比小于30％；声光光纤Q开关5两侧伸出的光纤长度均小于30cm。
输出光纤光栅6采用双包层光纤光栅；输出光纤光栅6光纤纤芯直径大于等于10微米；反射率小于15％。输出光纤光栅6可以直接刻写于声光光纤Q开关5上，实现缩短腔体9的轴向长度。
调Q激光器的工作原理为：
调Q激光器的脉冲上升沿Δtr和下降沿Δte由(1)和(2)式决定：
Figure BDA0002315510170000051
Figure BDA0002315510170000052
Figure BDA0002315510170000053
(1)和(2)中，Δni反转集居数，与激光器泵浦能量和增益有关；Δnt为阈值，与激光器腔内输出损耗有关；τR为光子在腔内的平均寿命，L为激光器腔长，δ为腔的输出损耗，c为光速；腔长越短，输出损耗越大，τR越小；
由(1)、(2)、(3)式可知：
1、
Figure BDA0002315510170000054
变大时，即腔内净增益系数变大时，脉冲前后沿都变窄，脉冲变窄；
2、脉宽宽度正比于τR，τR正比于腔长，反比于输出损耗，因此要获得较窄脉宽，必须减小腔长，选择较大的输出损耗；
实施例
根据以上分析，采用激光器方案如图2所示，包括泵浦激光器1、反射型光纤光栅2、掺杂光纤3、光纤功率剥离器4、声光光纤Q开关5，输出光纤光栅6；为减小主动调Q光纤激光器腔长，反射型光纤光栅2靠近熔接点8一侧光纤小于10cm，CPS直接制作于高掺杂光纤与声光光纤Q开关5的输入光纤熔接点，输出光纤光栅6靠近声光光纤Q开关5一侧长度小于10cm，通过以上措施，将主动调Q光纤激光器的腔长缩短至小于1.2m，再通过5的调节输入声光Q开关驱动10的驱动信号11占空比，从而控制声光光纤Q开关打开时间，可获得小于15ns的窄纳秒脉冲激光输出；
所述的泵浦激光器1为多模泵浦激光器，输出光纤为多模光纤，光纤纤芯直径大于105微米，波长为976nm；
所述的泵浦激光器1直接熔接至双包层反射型光纤光栅2，通过光纤光栅2的双包层光纤内包层直接将泵浦光耦合至调Q光纤激光器腔内，无需采用光纤合束器；
所述的反射型光纤光栅2采用双包层光纤光栅，纤芯直接大于等于10微米，反射率大于99％，承受功率大于5W；为保证激光器具有较短腔长，反射型光纤光栅2靠近熔接点8一侧光纤小于10cm；
所述的高掺杂双包层光纤3为掺镱光纤，光纤纤芯直径为10微米，对于LD泵浦波长的吸收系数大于4.5dB/m，光纤长度小于1m；
所述的光纤声光Q开关5打开频率1kHz至500kHz，调节输入声光Q开关驱动10的驱动信号11占空比使得Q开关打开时间的占比小于30％；输入输出光纤长度小于30cm；
所述的输出光纤光栅6采用双包层光纤光栅，纤芯直接大于等于10微米，反射率为10％；为保证激光器具有较短腔长，光纤光栅靠近声光光纤Q开关(5)一侧光纤长度小于10cm。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种窄纳秒主动调Q光纤激光器，其特征在于：包括泵浦激光器(1)、反射型光纤光栅(2)、掺杂光纤(3)、光纤功率剥离器(4)、声光光纤Q开关(5)、输出光纤光栅(6)和腔体(9)；其中，泵浦激光器(1)、反射型光纤光栅(2)、掺杂光纤(3)、光纤功率剥离器(4)、声光光纤Q开关(5)和输出光纤光栅(6)依次串联；腔体(9)为水平放置的中空管状结构；掺杂光纤(3)、光纤功率剥离器(4)和声光光纤Q开关(5)设置在腔体(9)内；且反射型光纤光栅(2)的轴向一端与腔体(9)的轴向一端接触；输出光纤光栅(6)的轴向一端与腔体(9)的轴向另一端接触；
CPS直接制作于高掺杂光纤与声光光纤Q开关(5)的输入光纤熔接点，所述反射型光纤光栅(2)的光纤与掺杂光纤(3)的光纤通过熔接点(8)连接；反射型光纤光栅(2)设置有熔接点(8)一侧的光纤长度小于10cm；声光光纤Q开关(5)的光纤与输出光纤光栅(6)的光纤连接；输出光纤光栅(6)靠近声光光纤Q开关(5)的光纤长度小于10cm，通过以上措施，将主动调Q光纤激光器的腔长缩短至小于1.5m，再通过声光光纤Q开关(5)的调节输入声光Q开关驱动(10)的驱动信号(11)占空比，从而控制声光光纤Q开关(5)打开时间，获得小于20ns的窄纳秒脉冲激光输出；
通过将泵浦LD直接熔接至高反射光栅，通过双包层光纤内包层耦合泵浦激光，相比传统调Q光纤激光器无需使用光纤合束器，减少了激光腔内器件使用数量，缩短了腔长，既降低了脉宽减小的限制因素，又降低了成本；
所述泵浦激光器(1)为多模泵浦激光器，泵浦激光器(1)的输出光纤为多模光纤，输出光纤的纤芯直径大于50微米；波长为793nm或915nm或940nm或976nm或1550nm；
所述反射型光纤光栅(2)采用双包层光纤光栅，反射型光纤光栅(2)最大承载功率大于5W；反射型光纤光栅(2)纤芯直径大于等于10微米，反射率大于99％；
所述泵浦激光器(1)的输出光纤与反射型光纤光栅(2)直接熔接连接；通过反射型 光纤光栅(2)双包层光纤中的内包层将泵浦激光器(1)发出的泵浦光耦合至腔体(9)；
所述掺杂光纤(3)采用掺镱光纤或掺铒光纤或铒镱共掺光纤或掺铥光纤或掺钬光纤或铥钬共掺光纤；掺杂光纤(3)的光纤纤芯直径大于等于10微米，对于LD泵浦波长的吸收系数大于3dB/m，掺杂光纤(3)光纤长度小于1m。
2.根据权利要求1所述的窄纳秒主动调Q光纤激光器，其特征在于：所述声光光纤Q开关(5)的打开频率为1kHz-500kHz；声光光纤Q开关(5)的打开时间占比小于30％；声光光纤Q开关(5)两侧伸出的光纤长度均小于30cm。
3.根据权利要求2所述的窄纳秒主动调Q光纤激光器，其特征在于：所述输出光纤光栅(6)采用双包层光纤光栅；输出光纤光栅(6)光纤纤芯直径大于等于10微米；反射率小于15％。
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