CN111244736A - 种子放大泵浦共享mopa光纤激光器及激光产生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种种子放大泵浦共享MOPA光纤激光器及激光产生方法，目的是为了解决现有技术中存在的采用单谐振腔难以实现单模高功率输出，采用MOPA结构高频调制、电源控制复杂，且系统风险较大，无法实现工业级高功率单模光纤激光器应用的问题。本发明采用了种子放大泵浦共享方式，通过激光放大模块中反向泵浦为激光种子模块提供种子泵浦功率，有效提高了反向泵浦的利用率和激光转换效率，省去了激光种子模块中的泵浦源和合束器，在相同功率输出水平下，简化了光纤激光器结构，降低了光纤激光器的成本。
Description
技术领域
本发明涉及激光器，具体涉及一种种子放大泵浦共享MOPA光纤激光器及激光产生方法。
背景技术
近年来，光纤激光器大功率关键器件和高功率二极管泵浦技术逐渐成熟，光纤激光器输出功率水平在不断提升，在工业制造等领域具有广泛应用。同时，工业级大功率光纤激光器是激光制造的理想光源，随着激光制造的应用领域不断扩大及制造难度不断升级，例如超厚金属切割焊接、复杂大型件3D打印以及船舶制造和航天航空等重型工业，需要光纤激光器的输出功率达到数千瓦甚至上万瓦，对光束质量的要求也在不断提高。
单模光纤激光器主要有两种类型，一种是利用单腔振荡实现单模激光输出，但是由于单谐振腔泵浦功率及器件承受功率有限，随着功率提升腔内模式控技术难度较高，导致单模单腔功率水平难以提升；另一种是利用MOPA多级放大技术实现单模激光输出，这是实现大功率高光束质量光纤激光器的主流方式。
目前采用MOPA结构的高功率光纤激光器主要有两种，如图1、图2所示，两种均包括激光种子模块和激光放大模块，激光种子模块主要包括泵浦源01、合束器02、光栅03、增益光纤04、包层光剥离器(Cladding Power Striping,CPS)05、激光输出头06等光学元器件。
第一种如图1所示，激光种子模块的泵浦源01置于谐振腔外侧，这种泵浦源外置的泵浦方式可以有效降低腔内损耗、合束器的插入损耗，提高谐振腔效率，同时在谐振腔内不会存在合束器制作工艺导致的模式劣化问题。但是该结构中谐振腔内的CPS-1和CPS-2是不能存在的，由于两端泵浦源进入谐振腔后还未被吸收，CPS-1和CPS-2不能起到腔内高阶模式滤除，增加基模竞争的作用，反而会把大部分泵浦光滤除，腔内效率极低。因此，这种泵浦源置于谐振腔外侧结构，无法在腔内实现模式控制和高阶模式滤除，导致种子输出激光光束质量差。
第二种如图2所示，激光种子模块的泵浦源01置于谐振腔内侧，这种泵浦源内置的泵浦方式的泵浦源不会经过光栅，对光栅承受功率要求较低，同时这种结构下CPS-1和CPS-2可以在腔内进行高阶模式滤除，增加基模竞争，以提高种子激光输出的光束质量。但是泵浦源内置的泵浦方式会由于腔内熔点较多、合束器制作工艺导致腔内插入损耗增加，最终导致谐振腔效率较低。
光纤激光器MOPA结构中，首先需要有种子光，然后才能进行放大，如果没有种子激光，放大系统会由于自脉冲效应烧毁光纤激光器系统。如图3所示，电源1和电源2分别对激光种子模块和激光放大模块进行供电，在激光器开始工作时，电源控制单元需要保证①中通电，然后才能对②通电，需要在时序上进行设置，在激光器关断过程中，首先要关断②，最后关断①，电源控制复杂，且系统风险较大。
因此，亟需寻求一种电源控制简单，能够实现高功率、高光束质量输出的新型结构光纤激光器。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的采用单谐振腔难以实现单模高功率输出，采用MOPA结构高频调制、电源控制复杂，且系统风险较大，无法实现工业级高功率单模光纤激光器应用的问题，而提供了一种种子放大泵浦共享MOPA光纤激光器及激光产生方法。
本发明的工作原理为：采用激光放大模块反向泵浦提供种子泵浦方式，提高泵浦利用率和激光转换效率，其电控简单安全。
本发明所采用的技术方案为：
本发明的种子放大泵浦共享MOPA光纤激光器，其特殊之处在于：包括激光种子模块、激光放大模块和电源系统；
所述激光种子模块为谐振腔结构，激光种子模块包括沿激光输出方向依次连接的第一光纤光栅、第一包层光剥离器、第一增益光纤、第二包层光剥离器及第二光纤光栅；
所述第二光纤光栅与激光放大模块输入端连接；
所述电源系统为激光放大模块供电。
进一步地，所述激光放大模块包括沿激光输出方向依次连接的第三包层光剥离器、正向合束器、第二增益光纤、反向合束器、第四包层光剥离器以及激光输出头；
所述正向合束器的泵浦端连接有第一泵浦源；
所述反向合束器的泵浦端连接有第二泵浦源；
所述第二光纤光栅与第三包层光剥离器连接；
所述电源系统包括电源控制单元和电源，所述电源与第一泵浦源及第二泵浦源连接；
所述电源控制单元用于控制电源。
进一步地，所述激光种子模块设置为谐振腔结构。
基于上述的种子放大泵浦共享MOPA光纤激光器，本发明还提供了一种激光产生方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1)向激光放大模块供电；
步骤2)激光放大模块中泵浦源的部分功率反向提供给种子激光模块作为谐振腔泵浦功率；
步骤3)当谐振腔内增益大于损耗后，形成种子激光；
步骤4)种子激光传输到激光放大模块；
步骤5)种子激光在激光放大模块中经正向泵浦和反向泵浦放大，在激光输出头实现高功率激光输出。
进一步地，在激光放大模块中，光纤最大长度按照泵浦波长吸收效率的85％进行选取。
本发明在光纤激光器MOPA结构中采用种子放大泵浦共享方式，能够实现光束质量好、激光输出功率高、泵浦利用率高、电控简单风险低和系统安全可靠的高功率光纤激光器，具有极高的应用价值。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用了种子放大泵浦共享方式，通过激光放大模块中反向泵浦为激光种子模块提供种子泵浦功率，有效提高了反向泵浦的利用率和激光转换效率，省去了激光种子模块中的泵浦源和合束器，在相同功率输出水平下，简化了光纤激光器结构，降低了光纤激光器的成本。
2、本发明的光纤激光器中种子无泵浦光，便于在种子激光谐振腔中的模式控制及模式滤除，提高种子输出光束质量，保证放大后激光输出光束质量。
3、本发明的泵浦方式下光纤激光器在高功率时可保证输出激光光束质量，此外，该结构电控模块简单，在激光加工应用中降低了烧毁风险，提高激光器寿命和系统安全可靠性。
附图说明：
图1是现有技术中泵浦源置于谐振腔外侧的光纤激光器原理图；
图2是现有技术中泵浦源置于谐振腔内侧的光纤激光器原理图；
图3是现有技术中MOPA结构的电源控制方式图；
01-泵浦源，02-合束器，03-光栅，04-增益光纤，05-包层光剥离器，06-激光输出头；
图4是本发明的种子放大泵浦共享MOPA光纤激光器原理图；
图5是本发明激光种子模块和激光放大模块共享电源控制方式图；
图6是本发明高功率激光产生流程图；
图7是本发明的激光放大模块反向泵浦功率衰减示例图。
图中，11-第一光纤光栅，12-第一包层光剥离器，13-第一增益光纤，14-第二包层光剥离器，15-第二光纤光栅；
21-第三包层光剥离器，22-正向合束器，23-第二增益光纤，24-反向合束器，25-第四包层光剥离器,26-第一泵浦源，27-第二泵浦源，28-激光输出头。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种种子放大泵浦共享MOPA光纤激光器及激光产生方法作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明种子放大泵浦共享MOPA光纤激光器，如图4所示，包括激光种子模块、激光放大模块和电源系统；
激光种子模块设置为谐振腔结构；激光种子模块包括沿激光输出方向依次连接的第一光纤光栅11、第一包层光剥离器12(CPS-1)、第一增益光纤13、第二包层光剥离器14(CPS-2)及第二光纤光栅15；
激光放大模块包括沿激光输出方向依次连接的第三包层光剥离器21
(CPS-3)、正向合束器22、第二增益光纤23、反向合束器24、第四包层光剥离器25(CPS-4)以及激光输出头28；正向合束器22包括2个、6个或8个泵浦输入光纤、一个信号输入光纤和一个信号输出光纤，正向合束器22的泵浦输入光纤与信号输入光纤同侧；第一泵浦源26(LD3)熔接在正向合束器22的泵浦输入光纤上，即第一泵浦源26与正向合束器22的泵浦端连接；反向合束器24包括2个、6个或8个泵浦输入光纤、一个信号输入光纤和一个信号输出光纤，反向合束器24的泵浦输入光纤与信号输出光纤同侧；第二泵浦源27熔接在反向合束器24的泵浦输入光纤上，即第二泵浦源27(LD4)与反向合束器24的泵浦端连接。第二光纤光栅15与第三包层光剥离器21连接。
电源系统包括电源控制单元和电源，电源控制单元用于控制电源；电源与第一泵浦源及第二泵浦源连接；
本发明将第一泵浦源26及第二泵浦源27通过正向合束器22和反向合束器24熔接在激光放大模块中的增益光纤23两端，使得第二泵浦源27(即反向泵浦)提供种子谐振腔泵浦功率及反向放大泵浦功率，第一泵浦源26(及正向泵浦)提供正向放大泵浦功率，一方面可极大的利用泵浦源进行激光转换和激光放大，提高光纤激光器的输出功率；另一方面，这种泵浦方式可以在谐振腔中任意位置进行模式控制和高阶模滤除，保证种子激光高光束质量输出。
该结构相较现有的光纤激光器省去了激光种子模块中的两个泵浦源和两个合束器，由此降低了光纤激光器成本，同时还减少了光纤激光器熔接点，降低了腔内插入损耗和系统安全隐患，提高泵浦光利用率。而且在谐振腔内可以进行高阶模式滤除，提高种子输出光束的质量。
如图5所示，本发明的种子放大泵浦共享方式只需一个电源，电源控制单元只需要控制电源的开关即可，无需时序控制和监测，控制简单便捷，系统崩溃概率低，安全性高。
该种子放大泵浦共享MOPA光纤激光器的激光产生方法为：
步骤1)向激光放大模块供电；
步骤2)激光放大模块中泵浦源的部分功率反向提供给种子激光模块作为谐振腔泵浦功率；
步骤3)当谐振腔内增益大于损耗后，形成种子激光；
步骤4)种子激光传输到激光放大模块；
步骤5)种子激光在激光放大模块中经正向泵浦和反向泵浦放大，在激光输出头实现高功率激光输出。
如图6所示，种子泵浦由激光放大模块中的第二泵浦源提供，在激光放大模块中，光纤长度按照泵浦波长吸收效率的85％进行选取，反向泵浦功率经激光放大模块中增益光纤后还有大于15％的泵浦功率提供给种子激光作为谐振腔泵浦功率。其反向泵浦功率衰减如图7所示。当腔内增益大于损耗以后形成种子激光，传输到激光放大模块，经第一泵浦源和第二泵浦源放大，实现高功率激光输出。
Claims (4)
1.一种种子放大泵浦共享MOPA光纤激光器，包括激光种子模块、激光放大模块和电源系统，其特征在于：
所述激光种子模块为谐振腔结构，激光种子模块包括沿激光输出方向依次连接的第一光纤光栅(11)、第一包层光剥离器(12)、第一增益光纤(13)、第二包层光剥离器(14)及第二光纤光栅(15)；
所述第二光纤光栅(15)与激光放大模块输入端连接；
所述电源系统为激光放大模块供电。
2.根据权利要求1所述的种子放大泵浦共享MOPA光纤激光器，其特征在于：所述激光放大模块包括沿激光输出方向依次连接的第三包层光剥离器(21)、正向合束器(22)、第二增益光纤(23)、反向合束器(24)、第四包层光剥离器(25)以及激光输出头(28)；
所述正向合束器(22)的泵浦端连接有第一泵浦源(26)；
所述反向合束器(24)的泵浦端连接有第二泵浦源(27)；
所述第二光纤光栅(15)与第三包层光剥离器(21)连接；
所述电源系统包括电源控制单元和电源，所述电源与第一泵浦源(26)及第二泵浦源(27)连接；
所述电源控制单元用于控制电源。
3.一种激光产生方法，采用权利要求1至2任一所述种子放大泵浦共享MOPA光纤激光器，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)向激光放大模块供电；
步骤2)激光放大模块中泵浦源的部分功率反向提供给种子激光模块作为谐振腔泵浦功率；
步骤3)当谐振腔内增益大于损耗后，形成种子激光；
步骤4)种子激光传输到激光放大模块；
步骤5)种子激光在激光放大模块中经正向泵浦和反向泵浦放大，在激光输出头实现高功率激光输出。
4.根据权利要求3所述的一种激光产生方法，其特征在于：
在激光放大模块中，光纤最大长度按照泵浦波长吸收效率的85％进行选取。
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