CN111326943A - 脉冲延迟可调光纤激光系统 - Google Patents

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Abstract

一种脉冲延迟可调光纤激光系统,而脉冲延迟可调光纤系统包括脉冲种子源激光、光纤循环器、光纤结合器、第一光栅、第一延迟光纤及旁路光纤。光纤循环器连接脉冲种子源激光且具有第一输出端与第二输出端。光纤结合器耦合光纤循环器的第一输出端以及第二输出端。第一光栅位于光纤循环器与光纤结合器之间,第一延迟光纤位于第一光栅与光纤循环器之间,且第一延迟光纤连接第一输出端。旁路光纤位于光纤循环器与光纤结合器之间,旁路光纤的一端连接第二输出端且另一端连接光纤结合器。

Description

脉冲延迟可调光纤激光系统
技术领域
本发明有关于一种光纤激光系统。
背景技术
脉冲激光加工为目前常用的材料加工方式,通过脉冲激光系统产生两道具有延迟时间的脉冲激光对材料加工,其中先击中材料的第一道脉冲激光作为预加工激光,而第二道延迟的脉冲激光作为主要加工激光。由于不同的材料具有不同的特性,因此两道激光的延迟时间长短对加工质量有很大影响。当两道激光间的延迟时间太短时,由于脉冲激光击中材料时会喷溅出电浆,而喷溅出的电浆会阻挡延迟的脉冲激光,使得延迟的脉冲激光无法击中材料的表面。反之,当两道激光间的延迟时间太长时,延迟的脉冲激光还未击中材料时,材料的表面温度就已经降低至临界点,降低主要加工的效果。
有鉴于此,目前的确有需要一种改良的光纤激光系统,至少可改善以上缺点。
发明内容
本公开内容提供一种脉冲延迟可调光纤激光系统,可根据待加工材料的特性,调整穿透激光与反射激光之间的时间差。
依据本公开内容的实施例,提供一种脉冲延迟可调光纤激光系统,而脉冲延迟可调光纤系统包括脉冲种子源激光、光纤循环器、光纤结合器、第一光栅、第一延迟光纤及旁路光纤。光纤循环器连接脉冲种子源激光且具有第一输出端与第二输出端。光纤结合器耦合光纤循环器的第一输出端以及第二输出端。第一光栅位于光纤循环器与光纤结合器之间,第一延迟光纤位于第一光栅与光纤循环器之间,且第一延迟光纤连接第一输出端。旁路光纤位于光纤循环器与光纤结合器之间,旁路光纤的一端连接第二输出端且另一端连接光纤结合器。
所述的脉冲延迟可调光纤激光系统还包含:第二延迟光纤,第二延迟光纤的一端连接第一光栅,第一光栅位于第一延迟光纤与该第二延迟光纤之间。
所述的脉冲延迟可调光纤激光系统,其中第二延迟光纤的长度大于第一延迟光纤的长度。
所述的脉冲延迟可调光纤激光系统还包含:第二光栅,该第二光栅的一端连接该第二延迟光纤的另一端,该第二延迟光纤位于该第一光栅与该第二光栅之间。
可依据待加工材料的特性调整脉冲种子源激光发出的激光的中心波长,使得光纤结合器输出的反射激光与穿透激光之间具有适当的时间差。如此一来,延迟的激光不会被从待加工材料表面喷溅出的电浆所阻挡,也可在待加工材料的表面温度降至临界点之前击中待加工材料,充分达到辅助加工的效果。
以上的关于本公开内容的说明及以下的实施例的说明用以示范与解释本发明的精神与原理,并且提供本发明的权利要求更进一步的解释。
附图说明
图1为依据本公开内容的实施例所示出的脉冲延迟可调光纤激光系统的示意图。
图2为依据本公开内容实施例的脉冲延迟可调光纤激光系统的操作示意图。
图3为依据本公开内容另一实施例的脉冲延迟可调光纤激光系统的操作示意图。
图4为依据本公开内容又一实施例的脉冲延迟可调光纤激光系统的操作示意图。
图5为依据本公开内容的第二实施例所示出的脉冲延迟可调光纤激光系统的示意图。
图6为依据本公开内容的第三实施例所示出的脉冲延迟可调光纤激光系统的示意图。
图7为依据本公开内容的第四实施例所示出的脉冲延迟可调光纤激光系统的示意图。
图8为依据本公开内容的第五实施例所示出的脉冲延迟可调光纤激光系统的示意图。
具体实施方式
以下在实施例中详细叙述本发明的详细特征以及优点,其内容足以使任何熟习相关技艺者了解本发明的技术内容并据以实施,且根据本说明书所公开的内容、权利要求及附图,任何熟习相关技艺者可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本发明的观点,但非以任何观点限制本发明的范畴。
图1为依据本公开内容实施例所示出的脉冲延迟可调光纤激光系统的示意图。如图1所示,脉冲延迟可调光纤激光系统1可包含脉冲种子源激光10、光纤循环器11、第一延迟光纤12、第一光栅13、第二延迟光纤14、第二光栅15、光纤结合器16以及旁路光纤17。脉冲种子源激光10是可变激光中心波长的脉冲激光且例如可通过控制温度来改变激光源S的中心波长,但调整方式不以此为限。激光源S可例如为奈秒激光(nanosecond laser)或皮秒激光(picosecond laser)。光纤循环器11包含输入端111、第一输出端112以及第二输出端113,光纤循环器11的输入端111连接脉冲种子源激光10,光纤循环器11的第一输出端112连接第一延迟光纤12的一端,而光纤循环器11的第二输出端113连接旁路光纤17的一端。
第一延迟光纤12的另一端连接第一光栅13的一端,而第一延迟光纤12位于第一光栅13与光纤循环器11之间。第一光栅13的另一端连接第二延迟光纤14的一端,而第一光栅13位于第一延迟光纤12与第二延迟光纤14之间。第二光栅15的一端连接于第二延迟光纤14的另一端,而第二延迟光纤14位于第一光栅13与第二光栅15之间。第二光栅15的另一端连接于光纤结合器16的一端,而第二光栅15位于第二延迟光纤14与光纤结合器16之间。第二延迟光纤14的长度大于第一延迟光纤12的长度,第一光栅13具有第一中心波长λ1,第二光栅15具有第二中心波长λ2,而第二中心波长λ2与第一中心波长λ1之间没有波长重叠。在本实施例中,光栅与延迟光纤的数量各为两个。在其他实施例中,光栅的数量与延迟光纤可各为单个或者三个以上,只需光栅的数量与延迟光纤的数量相同。
光纤结合器16具有第一输入端161、第二输入端162及输出端163,光纤结合器16的第一输入端161连接第二光栅15,光纤结合器16的第二输入端162连接旁路光纤17,而光纤结合器16的输出端163用于连接待加工材料(图未显示)。旁路光纤17的两端分别连接光纤循环器11的第二输出端113以及光纤结合器16的第二输入端162。
当脉冲种子源激光10发出的激光源S的中心波长与光栅的中心波长相符合时,激光源的一部份将穿透光栅成为穿透激光P1,而激光源的另一部份将被光栅反射而成为反射激光P2。在本实施例中,激光源S的波长λs与第一光栅13的第一中心波长λ1彼此符合时,意即激光源S的波长位于第一光栅13的第一中心波长λ1范围之内。例如,第一光栅13的第一中心波长λ1范围为0.55nm~0.65nm,脉冲种子源激光10发出的激光源S的波长λs位于0.55nm~0.65nm。穿透激光P1穿透第一光栅13后,穿透激光P1通过第二延迟光纤14与第二光栅15(不会阻挡或反射穿透激光P1),穿透激光P1继续朝向光纤结合器16,直到光纤结合器16接收到穿透激光P1。至于反射激光P2先返回与光栅最靠近的第一延迟光纤12,接着第一延迟光纤12朝向光纤循环器11传递反射激光P2。当光纤循环器11藉由第一输出端112接收到反射激光P2后,光纤循环器11将反射激光P2由第二输出端113传送至旁路光纤17,而旁路光纤17传送反射激光P2至光纤结合器16,光纤结合器16藉由第二输入端162接收反射激光P2。由于穿透激光P1与反射激光P2之间具有光程差,所以从光纤结合器16的输出端163输出的穿透激光P1与反射激光P2之间具有时间差。
图2为依据本公开内容的实施例的所示出的脉冲延迟可调光纤激光系统的操作示意图。共同参阅图1与图2,脉冲种子源激光10发出的激光源S的波长λs调整为符合第一光栅13的第一中心波长λ1,第一延迟光纤12、第二延迟光纤14以及旁路光纤17的长度分别为0.12nm、0.06nm以及0.24nm,当激光源S击中第一光栅13后会形成穿透激光P1以及反射激光P2,接着穿透激光P1依序通过第二延迟光纤14及第二光栅15,最后由光纤结合器16接收。至于反射激光P2则先通过第一延迟光纤12,接着光纤循环器11接收反射激光P2。当光纤循环器11接收到反射激光P2,光纤循环器11将反射激光P2从第二输出端113传送至旁路光纤17,接着旁路光纤17传送反射激光P2至光纤结合器16的第二输入端162。由于穿透激光P1走的光程距离为0.18nm,而反射激光P2走的光程距离为0.36nm,所以光纤结合器16的输出端163先后输出穿透激光P1与反射激光P2,穿透激光P1与反射激光P2之间具有第一时间差Δt1,如图2所示。
图3为依据本公开内容的另一实施例的所示出的脉冲延迟可调光纤激光系统的操作示意图。共同参阅图1与图3,脉冲种子源激光10发出的激光源S的波长λs调整为符合第二光栅15的第二中心波长λ2,当激光源S击中第二光栅15后会形成穿透激光P1以及反射激光P2,接着穿透激光P1被传送至光纤结合器16的第一输入端161。至于反射激光P2则依序通过第二延迟光纤14、第一光栅13及第一延迟光纤12,接着光纤循环器11藉由第一输出端112接收反射激光P2。光纤循环器11接收反射激光P2后从第二输出端113输出反射激光P2至旁路光纤17,接着旁路光纤17传送反射激光P2至光纤结合器16的第二输入端162。最后,光纤结合器16的输出端163先后输出穿透激光P1与反射激光P2,而穿透激光P1与反射激光P2之间具有第二时间差Δt2,其中第二时间差Δt2相异于图2的第一时间差Δt1,第二时间差Δt2大于第一时间差Δt1。
图4为依据本公开内容的又一实施例的所示出的脉冲延迟可调光纤激光系统的操作示意图。共同参阅图1与图4,脉冲种子源激光10发出奈秒激光ns,将奈秒激光ns的波长调整为符合第一光栅13的第一中心波长λ1。当奈秒激光ns击中第一光栅13后,利用旁波增益机制产生的皮秒激光ps被第一光栅13反射,而奈秒激光ns穿透第一光栅13。接着奈秒激光ns依序通过第二延迟光纤14及第二光栅15,接着光纤结合器16的第一输入端161接收奈秒激光ns。至于被反射的皮秒激光ps则先通过第一延迟光纤12,接着光纤循环器11藉由第一输出端112接收被反射的皮秒激光ps。当光纤循环器11接收被反射的皮秒激光ps后从第二输出端113输出皮秒激光ps至旁路光纤17,接着旁路光纤17传送皮秒激光ps至光纤结合器16。若皮秒激光ps走的光程距离大于奈秒激光ns走的光程距离,则最后光纤结合器16的输出端163先后输出奈秒激光ns与皮秒激光ps,而奈秒激光ns与皮秒激光ps之间具有第一时间差Δt1,如图4所示。依此类推,在其他实施例中,若皮秒激光ps走的光程距离小于奈秒激光ns走的光程距离,则光纤结合器16的输出端先后输出皮秒激光ps与奈秒激光ns。
图5为依据本公开内容的第二实施例所示出的脉冲延迟可调光纤激光系统的示意图。如图5所示,本实施例的脉冲延迟可调光纤激光系统2与第一实施例的脉冲延迟可调光纤激光系统1的差异在于本实施例的脉冲延迟可调光纤激光系统2还包括第一放大器18,第一放大器18用于放大脉冲种子源激光10发出的激光源S。第一放大器18可位于脉冲种子源激光10与光纤循环器11之间,在本实施例中,第一放大器18的输入端连接脉冲种子源激光10的输出端,而第一放大器18的输出端连接光纤循环器11的输入端111,所以第一放大器18位于脉冲种子源激光10与光纤循环器11之间。
图6为依据本公开内容的第三实施例所示出的脉冲延迟可调光纤激光系统的示意图。如图6所示,本实施例的脉冲延迟可调光纤激光系统3与第一实施例的脉冲延迟可调光纤激光系统1的差异在于本实施例的脉冲延迟可调光纤激光系统3还包括第二放大器19,第二放大器19的输入端连接光纤循环器11的第二输出端113,而第二放大器19的输出端连接旁路光纤17的一端,第二放大器19用于放大反射激光P2。
图7为依据本公开内容的第四实施例所示出的脉冲延迟可调光纤激光系统的示意图。如图7所示,本实施例的脉冲延迟可调光纤激光系统3与第一实施例的脉冲延迟可调光纤激光系统1的差异在于本实施例的脉冲延迟可调光纤激光系统4还包括第三放大器20,而第三放大器20的输入端连接最靠近光纤结合器16的第二光栅15,而第三放大器20的输出端连接光纤结合器16的第一输入端161,所以第三放大器20位于第二光栅15与光纤结合器16之间,第三放大器20用于放大穿透过第二光栅15的穿透激光P1。
图8为依据本公开内容的第五实施例所示出的脉冲延迟可调光纤激光系统的示意图。如图8所示,本实施例的脉冲延迟可调光纤激光系统5与第一实施例的脉冲延迟可调光纤激光系统1的差异在于本实施例的脉冲延迟可调光纤激光系统5还包括第一放大器18、第二放大器19及第三放大器20,第一放大器18位于脉冲种子源激光10与光纤循环器11之间,第二放大器19位于光纤循环器11与旁路光纤17之间,而第三放大器20位于第二光栅15与光纤结合器16之间。
本公开内容的脉冲延迟可调光纤激光系统,提供用户依据待加工材料的特性去调整脉冲种子源激光发出的激光的波长,使得光纤结合器前后输出的穿透激光与反射激光之间具有适当的时间差。如此一来,反射激光不会因为与穿透激光之间的时间差过短而被待加工材料表面喷溅出的电浆所阻挡,也不会因为与穿透激光之间的时间差太长而在待加工材料的表面温度降至临界点之后才击中待加工材料,因此可有效地实现前后两道激光进行材料加工的效果。
【符号说明】
1、2、3、4、5 脉冲延迟可调光纤激光系统
10 脉冲种子源激光
11 光纤循环器
111 输入端
112 第一输出端
113 第二输出端
12 第一延迟光纤
13 第一光栅
14 第二延迟光纤
15 第二光栅
16 光纤结合器
161 第一输入端
162 第二输入端
163 输出端
17 旁路光纤
18 第一放大器
19 第二放大器
20 第三放大器
P1 穿透激光
P2 反射激光
ns 奈秒激光
ps 皮秒激光
S 激光源

Claims (15)

1.一种脉冲延迟可调光纤激光系统,包括:
脉冲种子源激光;
光纤循环器,连接该脉冲种子源激光,具有第一输出端与第二输出端;
光纤结合器,耦合该光纤循环器的该第一输出端与该第二输出端;
第一光栅,位于该光纤循环器与该光纤结合器之间;
第一延迟光纤,位于该第一光栅与该光纤循环器之间,该第一延迟光纤连接该第一输出端;以及
旁路光纤,位于该光纤循环器与该光纤结合器之间,该旁路光纤的一端连接该第二输出端,另一端连接该光纤结合器。
2.如权利要求1所述的脉冲延迟可调光纤激光系统,其中该光纤循环器藉由该第一输出端接收来自该第一光栅的反射激光,且由该第二输出端输出该反射激光,该旁路光纤传递该反射激光。
3.如权利要求1所述的脉冲延迟可调光纤激光系统,其中该光纤结合器接收来自该第一光栅的穿透激光。
4.如权利要求2或3所述的脉冲延迟可调光纤激光系统,其中该光纤结合器所输出的该反射激光与该穿透激光之间具有时间差。
5.如权利要求1所述的脉冲延迟可调光纤激光系统,其中该脉冲种子源激光输出激光源,该激光源具有波长相同于该第一光栅的第一中心波长。
6.如权利要求1所述的脉冲延迟可调光纤激光系统,还包含:第二延迟光纤,该第二延迟光纤的一端连接该第一光栅,该第一光栅位于该第一延迟光纤与该第二延迟光纤之间。
7.如权利要求6所述的脉冲延迟可调光纤激光系统,其中该第二延迟光纤的长度大于该第一延迟光纤的长度。
8.如权利要求6所述的脉冲延迟可调光纤激光系统,还包含:第二光栅,该第二光栅的一端连接该第二延迟光纤的另一端,该第二延迟光纤位于该第一光栅与该第二光栅之间。
9.如权利要求8所述的脉冲延迟可调光纤激光系统,其中该第一光栅具有第一中心波长,该第二光栅具有第二中心波长,该第二中心波长与该第一中心波长带宽互不重叠。
10.如权利要求1所述的脉冲延迟可调光纤激光系统,其中该脉冲种子源激光是可变激光中心波长的脉冲激光。
11.如权利要求1所述的脉冲延迟可调光纤激光系统,其中该光纤结合器先后输出皮秒激光与奈秒激光,该皮秒激光与该奈秒激光之间具有时间差。
12.如权利要求1所述的脉冲延迟可调光纤激光系统,其中该光纤结合器先后输出奈秒激光与皮秒激光,该皮秒激光与该奈秒激光之间具有时间差。
13.如权利要求1所述的脉冲延迟可调光纤激光系统,还包含:第一放大器,位于该脉冲种子源激光与该光纤结合器之间。
14.如权利要求1所述的脉冲延迟可调光纤激光系统,还包含:第二放大器,位于该光纤循环器与该旁路光纤之间。
15.如权利要求1所述的脉冲延迟可调光纤激光系统,还包含:第三放大器,位于该第二光栅与该光纤结合器之间。
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