CN111478163A - 一种脉冲时域波形可调光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种脉冲时域波形可调光纤激光器，波形发生器用于生成目标波形脉冲信号，并将生成的目标波形脉冲信号输入至控制电路中；控制电路用于将目标波形脉冲信号按照单脉冲能量均分为多个脉冲子信号，并将多个脉冲子信号分别传输至对应的低增益光纤放大器中，控制各个低增益光纤放大器按照各个脉冲子信号在时域上的顺序依次输出与对应的脉冲子信号时域波形一致的子脉冲激光；功率合束器用于将各个子脉冲激光在时域上拼接为目标波形脉冲激光。本发明实施例设计的光纤激光器，有效抑制了脉冲放大过程中产生的波形畸变，不需要提前计算预补偿信号，控制简单，可以直接实现任意波形脉冲激光的输出，能满足更广泛的工业加工需求。

Description

一种脉冲时域波形可调光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光技术领域，具体涉及一种脉冲时域波形可调光纤激光器。

背景技术

光纤激光器具有光束质量高、热管理方便、环境适应性强等优点，被广泛应用于现代工业加工技术中。高功率纳秒脉冲光纤激光器在金属打标、雕刻、除锈等方面具有很大的应用前景。为了进一步提升纳秒脉冲激光器的加工范围，满足更多加工工艺需求，需要实现高功率纳秒脉冲光纤激光器的脉冲时域波形可调，即实现任意时域波形脉冲激光的输出。

为了满足这一需求，现有技术公开了一种基于光电调制的脉冲整形的MOPA光纤激光器，通过调制半导体激光器种子源和电光调制器，对种子激光的脉冲波形预补偿，抑制脉冲前沿的畸变，实现方波脉冲输出。此外，现有技术还公开了一种用于激光除锈的大脉冲能量全光纤纳秒激光器，其原理是通过调制半导体激光器种子源和声光调制器，对脉冲波形预补偿，实现正弦型、三角型、抛物线型或者指数型的波形输出。

以上方案在数百瓦级功率的范围内实现了脉冲时域波形整形，消除了脉冲放大过程中产生的畸变，但是基于以上方案获得时域波形可调脉冲激光存在多个技术瓶颈。首先，以上方案采用声光调制器或电光调制器对脉冲种子光的时域波形进行预补偿，以消除脉冲在放大过程中产生的畸变，获得目标波形的脉冲，其所用的预补偿信号需要根据目标脉冲的时域波形、放大器的增益特性、脉冲种子光的时域特性等因素计算获得，因此对于每一种特定时域波形的脉冲激光，需要首先计算脉冲预补偿信号的时域波形，并且还需要根据激光器参数对预补偿信号进行修正，这一过程极为繁琐，因此采用以上方案难以实现任意时域波形的脉冲激光输出。其次，声光调制器和电光调制器会引入较大的损耗，导致脉冲种子光经过声光调制器或电光调制器后功率下降，若要获得高功率脉冲激光输出，需要加入多级预放大器，这增加了系统结构的复杂性。由于声光调制器和电光调制器的最大可承受功率在10W左右，不能直接裁剪主放大器最终输出的信号光时域波形，只能对进入光学放大器的种子光进行补偿。当输出功率提升时，光学放大器的增益比例会进一步变大，导致脉冲波形畸变增强，预补偿效果会下降，因此通常这种情况只能实现数百瓦级平均功率的脉冲时域波形整形。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供了一种脉冲时域波形可调光纤激光器。

具体地，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供了一种脉冲时域波形可调光纤激光器，包括：依次设置的波形发生器、控制电路、低增益光纤放大器组合、功率合束器和QBH输出光纤；所述低增益光纤放大器组合中包括至少两个低增益光纤放大器；

所述波形发生器用于生成目标波形脉冲信号，并将生成的目标波形脉冲信号输入至所述控制电路中；

所述控制电路用于将所述目标波形脉冲信号按照单脉冲能量均分为多个脉冲子信号，并将所述多个脉冲子信号分别传输至对应的低增益光纤放大器中，控制各个低增益光纤放大器按照各个脉冲子信号在时域上的顺序依次输出与对应的脉冲子信号时域波形一致的子脉冲激光；其中，一个增益光纤放大器对应一个脉冲子信号，所述低增益光纤放大器组合中包括的低增益光纤放大器的数量等于所述脉冲子信号的数量；

所述功率合束器用于将各个低增益光纤放大器输出的子脉冲激光在时域上拼接为目标波形脉冲激光，并通过所述QBH输出光纤输出所述目标波形脉冲激光。

进一步地，所述低增益光纤放大器包括：驱动电路、半导体激光器种子源、第一光纤放大级和第二光纤放大级；

所述驱动电路用于接收所述控制电路传输的脉冲子信号，并按照所述脉冲子信号的时域波形，调制所述半导体激光器种子源的电流，使所述半导体激光器种子源产生与所述脉冲子信号的时域波形一致的脉冲种子光；

所述第一光纤放大级用于放大所述脉冲种子光，所述第二光纤放大级用于放大所述第一光纤放大级输出的脉冲激光；

其中，所述第一光纤放大级和第二光纤放大级的增益等于10dB，增益＝10×log₁₀(输出功率/输入功率)，其中输入功率为进入光纤放大级中的脉冲激光平均功率，输出功率为经过放大级后输出的脉冲激光平均功率。

进一步地，所述第一光纤放大级包括：第一增益光纤、第一反向泵浦/信号合束器、第一在线隔离器和第一泵浦LD组；

其中，脉冲种子光进入第一光纤放大级，依次通过第一增益光纤、第一反向泵浦/信号合束器和第一在线隔离器，其中，第一增益光纤为双包层光纤，第一反向泵浦/信号合束器的输出光纤和信号光纤以及第一在线隔离器的输入光纤和输出光纤的纤芯直径、纤芯数值孔径、包层直径和包层数值孔径，与第一增益光纤一致；第一泵浦LD组的输出光纤与第一反向泵浦/信号合束器的泵浦光纤连接，第一反向泵浦/信号合束器的泵浦光纤为单包层光纤，第一泵浦LD组的输出光纤与第一反向泵浦/信号合束器的泵浦光纤一致。

进一步地，所述第二光纤放大级包括：第二增益光纤、第二反向泵浦/信号合束器、第二在线隔离器和第二泵浦LD组；

其中，第一级子脉冲激光进入第二光纤放大级，依次通过第二增益光纤、第二反向泵浦/信号合束器和第二在线隔离器；其中，第二增益光纤为双包层光纤，第二反向泵浦/信号合束器的输出光纤和信号光纤以及第二在线隔离器的输入光纤和输出光纤的纤芯直径、纤芯数值孔径、包层直径和包层数值孔径，与第二增益光纤一致；第二反向泵浦/信号合束器的泵浦光纤为单包层光纤，第二泵浦LD组的输出光纤与第二反向泵浦/信号合束器的泵浦光纤一致。

进一步地，所述半导体激光器种子源的平均输出功率在500mW～2W之间。

进一步地，脉冲种子光在经过第一光纤放大级后的输出激光平均功率在5W-20W之间。

进一步地，第一光纤放大级的输出激光经过第二光纤放大级后的输出激光平均功率在50W-200W之间。

进一步地，所述第一增益光纤的纤芯直径在10～20μm之间，纤芯数值孔径在0.06～0.08之间，包层直径在125～250μm之间，包层数值孔径在0.45～0.47之间。

进一步地，所述第二增益光纤的纤芯直径在30～50μm之间，纤芯数值孔径在0.06～0.08之间，包层直径在250～400μm之间，包层数值孔径在0.45～0.47之间。

进一步地，所述功率合束器的输入光纤与第二光纤放大级的第二在线隔离器的输出光纤连接，功率合束器的输出光纤与QBH输出光纤连接；

所述功率合束器的输出光纤为单包层光纤，纤芯直径在100～400μm之间，纤芯数值孔径在0.12～0.22之间；所述QBH输出光纤为单包层光纤，与所述功率合束器的输出光纤的纤芯直径以及纤芯数值孔径一致。

进一步地，所述功率合束器的输入光纤的数量大于或等于低增益光纤放大器的数量。

由上述技术方案可知，本发明实施例提供的脉冲时域波形可调光纤激光器，将目标脉冲波形按照单脉冲能量均匀分解为多个子脉冲，每一个子脉冲进入对应的低增益光纤放大器，分别产生对应的子脉冲激光，通过控制电路，将各路子脉冲激光按照对应顺序输出，在时域上拼接为目标波形，最终输出目标波形脉冲激光。本发明实施例设计的脉冲时域波形可调光纤激光器，有效抑制了脉冲放大过程中产生的波形畸变，不需要提前计算预补偿信号，控制简单，可以直接实现任意波形脉冲激光的输出，能满足更广泛的工业加工需求。

在本实施例中，需要说明的是，如果不分解为多路子脉冲，直接采用一个脉冲进入光纤放大器放大，就会由于单脉冲能量过高而在光纤放大器内产生畸变(脉冲前沿增益大于脉冲下降沿)，因此需要提前对脉冲种子波形预补偿，才能获得目标波形。如果按照本申请的方案，首先将主脉冲分解为多个子脉冲，单个子脉冲的脉冲能量较小，再结合低增益放大器(第一放大级和第二放大级的增益等于10dB)，最终输出的波形基本上可以保持输入信号的波形，实验中，已经验证的方案是低增益放大器由两个光纤放大级组成，每级放大的增益等于10dB，两级放大已经基本可以实现脉冲时域波形可控这一目标。综上，本发明设计的一种时域波形可调脉冲激光器的特点就是，首先将脉冲分解，通过低增益放大器放大，最后控制每路子脉冲进行时域拼接，获得最终脉冲。分解的子脉冲数量越多，最终输出的脉冲可调范围就更大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的脉冲时域波形可调光纤激光器的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的目标脉冲时域波形分解示意图；

图3是本发明一实施例提供的输出脉冲激光时域拼接示意图；

图4是本发明一实施例提供的低增益光纤放大器的结构示意图；

其中，上面各图中各附图标记的含义为：

1表示波形发生器；2表示控制电路；3表示第一低增益光纤放大器；4表示第二低增益光纤放大器；5表示第三低增益光纤放大器；6表示功率合束器；7表示QBH输出光纤；2-1表示第一脉冲子信号；2-2表示第二脉冲子信号；2-3表示第三脉冲子信号；3-1表示第一子脉冲激光；4-1表示第二子脉冲激光；5-1表示第三子脉冲激光；8表示驱动电路；9表示半导体激光器种子源；10表示第一光纤放大级；11表示第二光纤放大级；10-1表示第一增益光纤；10-2表示第一反向泵浦/信号合束器；10-3表示第一在线隔离器；10-4表示第一泵浦LD组；11-1表示第二增益光纤；11-2表示第二反向泵浦/信号合束器；11-3表示第二在线隔离器；11-4表示第二泵浦LD组。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一实施例提供了一种脉冲时域波形可调光纤激光器，包括：依次设置的波形发生器1、控制电路2、低增益光纤放大器组合(例如包括图1中所示的第一低增益光纤放大器3，第二低增益光纤放大器4和第三低增益光纤放大器5)、功率合束器6和QBH输出光纤7；所述低增益光纤放大器组合中包括至少两个低增益光纤放大器；

所述波形发生器1用于生成目标波形脉冲信号，并将生成的目标波形脉冲信号输入至所述控制电路2中；

所述控制电路2用于将所述目标波形脉冲信号按照单脉冲能量均分为多个脉冲子信号，并将所述多个脉冲子信号分别传输至对应的低增益光纤放大器中，控制各个低增益光纤放大器按照各个脉冲子信号在时域上的顺序依次输出与对应的脉冲子信号时域波形一致的子脉冲激光；其中，一个增益光纤放大器对应一个脉冲子信号，所述低增益光纤放大器组合中包括的低增益光纤放大器的数量等于所述脉冲子信号的数量；

所述功率合束器6用于将各个低增益光纤放大器输出的子脉冲激光在时域上拼接为目标波形脉冲激光，并通过所述QBH输出光纤7输出所述目标波形脉冲激光。

在本实施例中，首先根据目标波形要求，采用波形发生器1生成目标波形脉冲信号，然后由控制电路2对波形发生器1生成的目标波形脉冲信号进行处理，具体处理过程是：将所述目标波形脉冲信号按照单脉冲能量在时域上均分为多个脉冲子信号，并将所述多个脉冲子信号分别传输至对应的低增益光纤放大器中，控制各个低增益光纤放大器按照各个脉冲子信号在时域上的顺序依次输出与对应的脉冲子信号时域波形一致的子脉冲激光，最后将各个低增益光纤放大器输出的子脉冲激光在时域上拼接为目标波形脉冲激光，并通过所述QBH输出光纤7输出，进而得到满足目标波形要求的目标波形脉冲激光，由此可见，在本实施例中，由于无需采用声光调制器或电光调制器对脉冲种子光的时域波形进行预补偿，因此无需计算预补偿信号，因而使得整个处理过程较为简单。本实施例这种先对目标波形脉冲信号进行时域拆分，然后分别生成对应的子脉冲激光，最后在将各子脉冲激光进行时域组合的方式，有效抑制了脉冲放大过程中产生的波形畸变，不需要提前计算预补偿信号，控制简单，可以直接实现任意波形脉冲激光的输出，能满足更广泛的工业加工需求。

在本实施例中，所述波形发生器1用于生成任意波形的目标波形脉冲信号，并将产生的脉冲信号输入至控制电路中；

在本实施例中，所述控制电路2，用于将所述波形发生器1产生的目标波形脉冲信号按照单脉冲能量，均分为多个脉冲子信号；其中，所述多个脉冲子信号其数量需要等于低增益光纤放大器组合所包含的低增益光纤放大器的数量，其中，低增益光纤放大器的数量大于或等于2个；

在本实施例中，所述的低增益光纤放大器包括驱动电路、半导体激光种子源、第一光纤放大级、第二光纤放大级，其中，第一光纤放大级和第二光纤放大级的增益等于10dB。

在本实施例中，所述增益＝10×log₁₀(输出功率/输入功率)，其中输入功率为进入光纤放大级中的脉冲激光平均功率，输出功率为经过放大级后输出的脉冲激光平均功率。

在本实施例中，所述驱动电路，接收控制电路产生的脉冲子信号，并按照子信号的脉冲时域波形，调制半导体激光器种子源的电流，使半导体激光器种子源产生与脉冲子信号时域波形一致的脉冲激光；

在本实施例中，所述半导体激光种子源，其输出光纤是单模光纤，输出脉冲激光的平均功率优选的，在0.5W～2W之间；

在本实施例中，所述第一光纤放大级包括第一增益光纤、第一反向泵浦/信号合束器、第一泵浦LD、第一在线隔离器，第一增益光纤的输入端与半导体激光种子源的输出光纤连接，第一增益光纤的输出端与第一反向泵浦/信号合束器的输出光纤连接，第一反向泵浦/信号合束器的泵浦臂与第一泵浦LD的输出光纤连接，第一反向泵浦/信号合束器的信号光纤与第一在线隔离器的输入光纤连接，通过第一光纤放大级后的子脉冲激光功率在5W～20W之间。

在本实施例中，所述第一增益光纤，为双包层光纤，优选的纤芯直径在10～20μm之间，纤芯数值孔径在0.06～0.08之间，优选的包层直径在125～250μm之间，包层数值孔径在0.45～0.47之间。

在本实施例中，所述第一反向泵浦/信号合束器的输出光纤、信号光纤、第一在线隔离器的输入光纤和输出光纤的纤芯直径、纤芯数值孔径、包层直径、包层数值孔径与第一增益光纤相等。

在本实施例中，所述第二光纤放大级包括第二增益光纤、第二反向泵浦/信号合束器、第二泵浦LD、第二在线隔离器，第二增益光纤的输入端与第一在线隔离器的输出光纤连接，第二增益光纤的输出端与第二反向泵浦/信号合束器的输出光纤连接，第二反向泵浦/信号合束器的泵浦臂与第二泵浦LD的输出光纤连接，第二反向泵浦/信号合束器的信号光纤与第二在线隔离器的输入光纤连接，通过第二级光纤放大器后的子脉冲激光功率在50W～200W之间。

在本实施例中，所述第二增益光纤，为双包层光纤，优选的纤芯直径在30～50μm之间，纤芯数值孔径在0.06～0.08之间，优选的包层直径在250～400μm之间，包层数值孔径在0.45～0.47之间。

在本实施例中，所述第二反向泵浦/信号合束器的输出光纤和信号光纤、第二在线隔离器的输入光纤和输出光纤对应的纤芯直径、纤芯数值孔径、包层直径、包层数值孔径，与第二增益光纤一致。

在本实施例中，所述功率合束器的输入光纤与第二光纤放大级的在线隔离器的输出光纤连接，功率合束器的输出光纤与QBH输出光纤连接。

在本实施例中，所述功率合束器的输入光纤为双包层光纤，与第二在线隔离器的输出光纤一致，功率合束器输入光纤的数量大于或等于低增益光纤放大器的数量。所述功率合束器的输出光纤为单包层光纤，优选的纤芯直径在100～400μm之间，纤芯数值孔径，优选的在0.12～0.22之间。

在本实施例中，所述QBH输出光纤为单包层光纤，与功率合束器的输出光纤一致。

本发明实施例设计的脉冲光纤激光器，有效抑制了脉冲放大过程中产生的波形畸变，不需要提前计算预补偿信号，控制简单，可以直接实现任意波形脉冲激光的输出。

由上述技术方案可知，本发明实施例提供的脉冲时域波形可调光纤激光器，将目标脉冲波形按照单脉冲能量均匀分解为多个子脉冲，每一个子脉冲进入对应的低增益光纤放大器，分别产生对应的子脉冲激光，通过控制电路，将各路子脉冲激光按照对应顺序输出，在时域上拼接为目标波形，最终输出目标波形脉冲激光。本发明实施例设计的脉冲时域波形可调光纤激光器，有效抑制了脉冲放大过程中产生的波形畸变，不需要提前计算预补偿信号，控制简单，可以直接实现任意波形脉冲激光的输出，能满足更广泛的工业加工需求。

基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述低增益光纤放大器包括：驱动电路、半导体激光器种子源、第一光纤放大级和第二光纤放大级；

所述驱动电路用于接收所述控制电路传输的脉冲子信号，并按照所述脉冲子信号的时域波形，调制所述半导体激光器种子源的电流，使所述半导体激光器种子源产生与所述脉冲子信号的时域波形一致的脉冲种子光；

所述第一光纤放大级用于放大所述脉冲种子光，所述第二光纤放大级用于放大所述第一光纤放大级输出的脉冲激光。基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述第一光纤放大级包括：第一增益光纤、第一反向泵浦/信号合束器、第一在线隔离器和第一泵浦LD组；

其中，脉冲种子光进入第一光纤放大级，依次通过第一增益光纤、第一反向泵浦/信号合束器和第一在线隔离器，其中，第一增益光纤为双包层光纤，第一反向泵浦/信号合束器的输出光纤和信号光纤以及第一在线隔离器的输入光纤和输出光纤的纤芯直径、纤芯数值孔径、包层直径和包层数值孔径，与第一增益光纤一致；第一泵浦LD组的输出光纤与第一反向泵浦/信号合束器的泵浦光纤连接，第一反向泵浦/信号合束器的泵浦光纤为单包层光纤，第一泵浦LD组的输出光纤与第一反向泵浦/信号合束器的泵浦光纤一致。

基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述第二光纤放大级包括：第二增益光纤、第二反向泵浦/信号合束器、第二在线隔离器和第二泵浦LD组；

其中，第一级子脉冲激光进入第二光纤放大级，依次通过第二增益光纤、第二反向泵浦/信号合束器和第二在线隔离器；其中，第二增益光纤为双包层光纤，第二反向泵浦/信号合束器的输出光纤和信号光纤以及第二在线隔离器的输入光纤和输出光纤的纤芯直径、纤芯数值孔径、包层直径和包层数值孔径，与第二增益光纤一致；第二反向泵浦/信号合束器的泵浦光纤为单包层光纤，第二泵浦LD组的输出光纤与第二反向泵浦/信号合束器的泵浦光纤一致。

基于上述实施例的内容，在本实施例中，第一光纤放大级输出的脉冲激光的平均功率为5W-20W。在本实施例中，需要说明的是，由于通常半导体激光器种子源的输出功率在500mW～2W之间，因此在经过第一光纤放大级(增益等于10dB)后的输出功率，由于放大了十倍，因此也就是在5W～20W之间。在本实施例中，需要说明的是，由于第一光纤放大级的输出功率在5W～20W之间，因此，经过第二光纤放大级(增益等于10dB)后的输出功率，由于放大了十倍，因此也就是在50W～200W之间。

基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述第一增益光纤的纤芯直径在10～20μm之间，纤芯数值孔径在0.06～0.08之间，包层直径在125～250μm之间，包层数值孔径在0.45～0.47之间。

在本实施例中，需要说明的是，所述第一增益光纤的纤芯直径在10～20μm之间，这是用于实现5W～20W脉冲激光放大的常用增益光纤，按脉冲放大的效率50％计算，所需泵浦光大约在50W左右，采用包层125～250μm之间的双包层光纤最合适，为了保证输出激光是单模状态，这里选择的纤芯直径在10～20μm之间，纤芯数值孔径在0.06～0.08之间。

基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述第二增益光纤的纤芯直径在30～50μm之间，纤芯数值孔径在0.06～0.08之间，包层直径在250～400μm之间，包层数值孔径在0.45～0.47之间。

在本实施例中，需要说明的是，第二光纤放大级的输出功率大于100W，需要的泵浦光在200W功率以上，因此为实现这个功率放大的双包层光纤，包层需要位于250～400μm之间。需要说明的是，进一步增大纤芯和包层直径，则不利于功率合束，因为常规的脉冲激光器QBH输出光纤，就是纤芯在100～400μm，数值孔径为0.12～0.22，常见的参数是100/360单包层光纤，NA是0.12，400/440单包层光纤，NA0.22，30/250光纤可以通过7×1功率合束，进入100/360NA0.12输出光纤，50/400可以通过7×1功率合束进入400/440NA0.22输出光纤。

基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述功率合束器的输入光纤与第二光纤放大级的第二在线隔离器的输出光纤连接，功率合束器的输出光纤与QBH输出光纤连接；

所述功率合束器的输出光纤为单包层光纤，纤芯直径在100～400μm之间，纤芯数值孔径在0.12～0.22之间；

所述QBH输出光纤为单包层光纤，与所述功率合束器的输出光纤的纤芯直径以及纤芯数值孔径一致。

基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述功率合束器的输入光纤的数量大于或等于低增益光纤放大器的数量。

下面结合图1、图2、图3和图4对本实施例提供的脉冲时域波形可调光纤激光器进行详细说明。

如图1所示，本实施例提供的脉冲时域波形可调光纤激光器包括：波形发生器1，控制电路2，第一低增益光纤放大器3、第二低增益光纤放大器4、第三低增益光纤放大器5，功率合束器6，QBH输出光纤7。波形发生器1，用于生成目标波形的脉冲信号，并将产生的脉冲信号输入至控制电路2中。控制电路2，用于将波形发生器1产生的目标波形脉冲信号按照单脉冲能量，均分为三个脉冲子信号(第一脉冲子信号2-1、第二脉冲子信号2-2、第三脉冲子信号2-3)，如图2所示，并传输至3个低增益光纤放大器产生对应的第一子脉冲激光3-1、第二子脉冲激光4-1、第三子脉冲激光5-1。三个子脉冲激光经过功率合束器6合束至QBH输出光纤7中，控制电路2，控制低增益光纤放大器3、低增益光纤放大器4、低增益光纤放大器5按照对应顺序输出放大后的第一子脉冲激光3-1、第二子脉冲激光4-1、第三子脉冲激光5-1，在时域上拼接为目标波形，最终输出目标波形脉冲激光，如图3所示。

图4给出了低增益光纤放大器的结构图，包括驱动电路8，半导体激光器种子源9，第一光纤放大级10，第二光纤放大级11。

驱动电路8接收控制电路2产生的脉冲子信号，并按照子信号的脉冲时域波形，调制对应的半导体激光器种子源9的电流，使半导体激光器种子源9产生与脉冲子信号时域波形一致的脉冲种子光，输出平均功率为1W；

第一光纤放大级10包括：第一增益光纤10-1、第一反向泵浦/信号合束器10-2、第一在线隔离器10-3，第一泵浦LD组10-4。脉冲种子光进入第一光纤放大级10，依次通过第一增益光纤10-1、第一反向泵浦/信号合束器10-2、第一在线隔离器10-3，其中第一增益光纤10-1为双包层光纤，纤芯/包层直径为15/130光纤，纤芯/包层数值孔径为0.07/0.46，第一反向泵浦/信号合束器10-2的输出光纤和信号光纤、第一在线隔离器10-3的输入光纤和输出光纤的纤芯直径、纤芯数值孔径、包层直径和包层数值孔径，与第一增益光纤10-1一致。第一泵浦LD组10-4的输出光纤与第一反向泵浦/信号合束器10-2的泵浦光纤连接，第一反向泵浦/信号合束器10-2的泵浦光纤为单包层光纤，纤芯/包层直径为105/125μm，纤芯数值孔径为0.22，第一泵浦LD组10-4的输出光纤与第一反向泵浦/信号合束器10-2的泵浦光纤一致。第一光纤放大级输出的脉冲激光平均功率为10W。

第二光纤放大级11包括：第二增益光纤11-1、第二反向泵浦/信号合束器11-2、第二在线隔离器11-3，第二泵浦LD组11-4。第一光纤放大级10输出的脉冲激光进入第二光纤放大级11，第二增益光纤11-1、第二反向泵浦/信号合束器11-2、第二在线隔离器11-3。其中第二增益光纤11-1为双包层光纤，纤芯/包层直径为30/250光纤，纤芯/包层数值孔径为0.07/0.46。第二反向泵浦/信号合束器11-2的输出光纤和信号光纤、第二在线隔离器11-3的输入光纤和输出光纤，与第二增益光纤11-1一致。第二反向泵浦/信号合束器11-2的泵浦光纤纤芯直径105μm，纤芯数值孔径为0.22，第二泵浦LD组11-4的输出光纤与第二反向泵浦/信号合束器11-2的泵浦光纤一致。第二光纤放大级输出的脉冲激光平均功率为100W。

功率合束器6为3×1合束器，输入光纤为双包层光纤，纤芯/包层直径为30/250光纤，纤芯/包层数值孔径为0.07/0.46，分别与低增益光纤放大器3、低增益光纤放大器4、低增益光纤放大器5的第二隔离器的输出光纤连接。功率合束器6的输出光纤直径和纤芯数值孔径分别为100μm/0.22，功率合束器6的输出光纤与QBH输出光纤7连接，QBH输出光纤7的纤芯直径、纤芯数值孔径与功率合束器6的输出光纤一致。

本发明实施例设计的脉冲光纤激光器，有效抑制了脉冲放大过程中产生的波形畸变，不需要提前计算预补偿信号，控制简单，可以直接实现任意波形脉冲激光的输出。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各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；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种脉冲时域波形可调光纤激光器，其特征在于，包括：依次设置的波形发生器、控制电路、低增益光纤放大器组合、功率合束器和QBH输出光纤；所述低增益光纤放大器组合中包括至少两个低增益光纤放大器；

所述波形发生器用于生成目标波形脉冲信号，并将生成的目标波形脉冲信号输入至所述控制电路中；

所述控制电路用于将所述目标波形脉冲信号按照单脉冲能量均分为多个脉冲子信号，并将所述多个脉冲子信号分别传输至对应的低增益光纤放大器中，控制各个低增益光纤放大器按照各个脉冲子信号在时域上的顺序依次输出与对应的脉冲子信号时域波形一致的子脉冲激光；其中，一个增益光纤放大器对应一个脉冲子信号，所述低增益光纤放大器组合中包括的低增益光纤放大器的数量等于所述脉冲子信号的数量；

所述功率合束器用于将各个低增益光纤放大器输出的子脉冲激光在时域上拼接为目标波形脉冲激光，并通过所述QBH输出光纤输出所述目标波形脉冲激光。

2.根据权利要求1所述的脉冲时域波形可调光纤激光器，其特征在于，所述低增益光纤放大器包括：驱动电路、半导体激光器种子源、第一光纤放大级和第二光纤放大级；

所述驱动电路用于接收所述控制电路传输的脉冲子信号，并按照所述脉冲子信号的时域波形，调制所述半导体激光器种子源的电流，使所述半导体激光器种子源产生与所述脉冲子信号的时域波形一致的脉冲种子光；

所述第一光纤放大级用于放大所述脉冲种子光，所述第二光纤放大级用于放大所述第一光纤放大级输出的脉冲激光；

所述第一光纤放大级和第二光纤放大级的增益等于10dB，所述增益＝10×log₁₀(输出功率/输入功率)，其中输入功率为进入光纤放大级中的脉冲激光平均功率，输出功率为经过放大级后输出的脉冲激光平均功率。

3.根据权利要求2所述的脉冲时域波形可调光纤激光器，其特征在于，所述第一光纤放大级包括：第一增益光纤、第一反向泵浦/信号合束器、第一在线隔离器和第一泵浦LD组；

其中，脉冲种子光进入第一光纤放大级，依次通过第一增益光纤、第一反向泵浦/信号合束器和第一在线隔离器，其中，第一增益光纤为双包层光纤，第一反向泵浦/信号合束器的输出光纤和信号光纤以及第一在线隔离器的输入光纤和输出光纤的纤芯直径、纤芯数值孔径、包层直径和包层数值孔径，与第一增益光纤一致；第一泵浦LD组的输出光纤与第一反向泵浦/信号合束器的泵浦光纤连接，第一反向泵浦/信号合束器的泵浦光纤为单包层光纤，第一泵浦LD组的输出光纤与第一反向泵浦/信号合束器的泵浦光纤一致。

4.根据权利要求3所述的脉冲时域波形可调光纤激光器，其特征在于，所述第二光纤放大级包括：第二增益光纤、第二反向泵浦/信号合束器、第二在线隔离器和第二泵浦LD组；

其中，第一级子脉冲激光进入第二光纤放大级，依次通过第二增益光纤、第二反向泵浦/信号合束器和第二在线隔离器；其中，第二增益光纤为双包层光纤，第二反向泵浦/信号合束器的输出光纤和信号光纤以及第二在线隔离器的输入光纤和输出光纤的纤芯直径、纤芯数值孔径、包层直径和包层数值孔径，与第二增益光纤一致；第二反向泵浦/信号合束器的泵浦光纤为单包层光纤，第二泵浦LD组的输出光纤与第二反向泵浦/信号合束器的泵浦光纤一致。

5.根据权利要求2所述的脉冲时域波形可调光纤激光器，其特征在于，所述半导体激光器种子源的平均输出功率在500mW～2W之间。

6.根据权利要求3所述的脉冲时域波形可调光纤激光器，其特征在于，脉冲种子光经过第一光纤放大级后的输出激光平均功率在5W～20W之间。

7.根据权利要求4所述的脉冲时域波形可调光纤激光器，其特征在于，第一光纤放大级的输出激光经过第二光纤放大级后的输出激光平均功率为在50W～200W之间。

8.根据权利要求3所述的脉冲时域波形可调光纤激光器，其特征在于，所述第一增益光纤的纤芯直径在10～20μm之间，纤芯数值孔径在0.06～0.08之间，包层直径在125～250μm之间，包层数值孔径在0.45～0.47之间。

9.根据权利要求4所述的脉冲时域波形可调光纤激光器，其特征在于，所述第二增益光纤的纤芯直径在30～50μm之间，纤芯数值孔径在0.06～0.08之间，包层直径在250～400μm之间，包层数值孔径在0.45～0.47之间。

10.根据权利要求4所述的脉冲时域波形可调光纤激光器，其特征在于，所述功率合束器的输入光纤与第二光纤放大级的第二在线隔离器的输出光纤连接，功率合束器的输出光纤与QBH输出光纤连接；

所述功率合束器的输出光纤为单包层光纤，纤芯直径在100～400μm之间，纤芯数值孔径在0.12～0.22之间；所述QBH输出光纤为单包层光纤，与所述功率合束器的输出光纤的纤芯直径以及纤芯数值孔径一致。

11.根据权利要求1所述的脉冲时域波形可调光纤激光器，其特征在于，所述功率合束器的输入光纤的数量大于或等于低增益光纤放大器的数量。

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