CN112054376A - 高功率亚纳秒脉冲光纤激光器系统 - Google Patents

高功率亚纳秒脉冲光纤激光器系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种高功率亚纳秒脉冲光纤激光器系统，包括用以产生种子光的种子源模块、对种子光进行一级放大处理的第一级放大模块、对一级放大处理后的种子光进行二级放大处理的第二级放大模块、对二级放大处理后的种子光进行三级放大处理的第三级放大模块、用以将三级放大处理后的种子光分成至少两束光路的光纤分路器、用以对每束光路进行放大的光路放大模块、及用以将至少两束光路进行叠加合成的光纤能量合束器；其中，种子光模块、第一级放大模块、第二级放大模块、第三级放大模块、光纤分路器、光路放大模块及光纤能量合束器依次首尾连接，其结构稳定且性能可靠，有效提高最终输出的峰值功率。

Description

高功率亚纳秒脉冲光纤激光器系统
技术领域
本发明涉及一种高功率亚纳秒脉冲光纤激光器系统，属于光纤激光技术领域。
背景技术
亚纳秒脉冲光纤激光器具有体积小，效率高，光束质量好，脉冲宽度窄，可对材料“冷”加工，环境适应性强的优势，被广泛应用于军事科研、材料加工、激光雷达等领域。目前主要通过种子——放大（MOPA）结构获得高功率的亚纳秒脉冲。但是由于亚纳秒脉冲光纤激光器脉冲较窄，峰值功率较高，直接用种子——放大（MOPA）结构会产生各种非线性效应，限制了功率的提升。目前为了抑制非线性的产生，普遍采用的方式包括以下几种：增大光纤纤芯直径、缩短光纤长度、采用啁啾脉冲放大。但是以上几种方法都有各自的问题。增大光纤纤芯直径会导致光束质量变差，减短光纤长度会增加光纤单位长度的热负荷，采用啁啾脉冲放大，首先要对种子光脉宽进行展宽，放大之后再用光栅对进行压缩。但是该方法易导致压缩后脉冲信噪比变差，脉冲质量难以提升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高功率亚纳秒脉冲光纤激光器系统，其结构稳定且性能可靠，有效提高最终输出的峰值功率。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高功率亚纳秒脉冲光纤激光器系统，包括用以产生种子光的种子源模块、对所述种子光进行一级放大处理的第一级放大模块、对一级放大处理后的所述种子光进行二级放大处理的第二级放大模块、对二级放大处理后的所述种子光进行三级放大处理的第三级放大模块、用以将三级放大处理后的所述种子光分成至少两束光路的光纤分路器、用以对每束所述光路进行放大的光路放大模块、及用以将所述至少两束光路进行叠加合成的光纤能量合束器；其中，所述种子光模块、第一级放大模块、第二级放大模块、第三级放大模块、光纤分路器、光路放大模块及光纤能量合束器依次首尾连接。
进一步地，所述第一级放大模块包括通过信号端与所述种子源模块连接的波分复用器、与所述波分复用器的泵浦端连接的第一半导体激光器、与所述波分复用器的输出端连接的第一增益光纤、与所述第一增益光纤连接的第一带通滤波器、及与所述第一带通滤波器连接的第一在线光纤隔离器。
进一步地，所述第一增益光纤为掺镱光纤，所述掺镱光纤为单包层或双包层。
进一步地，所述第二级放大模块包括通过信号端与所述第一级放大模块连接的第一泵浦合束器、与所述第一泵浦合束器的泵浦端连接的第二半导体激光器、与所述第一泵浦合束器的输出端连接的第二增益光纤、与所述第二增益光纤连接的第二带通滤波器、及与所述第二带通滤波器连接的第二在线光纤隔离器。
进一步地，所述第二增益光纤为掺镱光纤，所述掺镱光纤为双包层。
进一步地，所述第三级放大模块包括通过信号端与所述第二级放大模块连接的第二泵浦合束器、与所述第二泵浦合束器的泵浦端连接的第三半导体激光器、与所述第二泵浦合束器的输出端连接的第三增益光纤、与所述第三增益光纤连接的第三带通滤波器、及与所述第三带通滤波器连接的第三光纤隔离器。
进一步地，所述第二增益光纤为掺镱光纤，所述掺镱光纤为单模双包层。
进一步地，所述光路放大模块包括通过信号端与所述光纤分路器连接的第三泵浦合束器、分别与所述第三泵浦合束器的两个泵浦端连接的第四半导体激光器、与所述第三泵浦合束器输出端连接的第四增益光纤，所述第四增益光纤的另一端与所述光纤能量合束器连接。
进一步地，所述高功率亚纳秒脉冲光纤激光器系统还包括光纤在线准直隔离器，所述光纤在线准直隔离器用以防止反馈光返回光路。
本发明的有益效果在于：通过设置有第一级放大模块、第二级放大模块及第三级放大模块先对种子光进行三级放大处理，然后再通过光纤分路器对种子光进行分束处理，再对每束光路进行放大，最后将放大后的每束光路叠加合成，可实现在相同纤芯尺寸和相同光纤长度情况下，高平均功率和高峰值功率的输出。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明的高功率亚纳秒脉冲光纤激光器系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
请参见图1，本发明的一较佳实施例中的一种高功率亚纳秒脉冲光纤激光器系统，包括依次首尾连接的种子光模块、第一级放大模块2、第二级放大模块3、第三级放大模块4、光纤分路器5、光路放大模块6及光纤能量合束器7，其中，种子源模块1用以产生种子光，第一级放大模块2对种子光进行一级放大处理，第二级放大模块3对一级放大处理后的种子光进行二级放大处理，第三级放大模块4对二级放大处理后的种子光进行三级放大处理，光纤分路器5用以将三级放大处理后的种子光分成至少两束光路，光路放大模块6用以对每束光路进行放大，光纤能量合束器7用以将至少两束光路进行叠加合成的，光路放大模块6的数量与光路的数量相同。在本实施例中，种子光在经过三级放大处理后，被分成了三束光路，因此，光路放大模块6的数量为三个。诚然，在其他实施例中，种子光在经过三级放大处理后被分成的光路数量也可为其他，在此不做具体限定，根据实际情况而定。
具体的，种子源模块1包括增益开关型半导体激光器、光纤光栅及控制组件，增益开关型半导体激光器用以发出种子光，当需要对增益开关型半导体激光器的中心波长进行调整时，可通过改变光栅温度实现，而控制组件则通过控制电源的通断以产生种子光，种子光的脉冲宽度和重复频率皆可调。在本实施例中，增益开关型半导体激光器的中心波长为1064±2nm。诚然，在其他实施例中，增益开关型半导体激光器的中心波长也可为其他，在此不做具体限定，根据实际情况而定。
第一级放大模块2包括通过信号端与种子源模块1连接的波分复用器21、与波分复用器21的泵浦端连接的第一半导体激光器22、与波分复用器21的输出端连接的第一增益光纤23、与第一增益光纤23连接的第一带通滤波器24、及与第一带通滤波器24连接的第一在线光纤隔离器25，其中，波分复用器21的信号端与种子源模块1的尾纤连接，波分复用器21的泵浦端与第一半导体激光器22采用纤芯泵浦的方式连接。在本实施例中，第一半导体激光器22的中心波长为976±2nm，第一增益光纤为掺镱光纤，掺镱光纤的规格为6/125/250，掺镱光纤为单包层或双包层。第一带通滤波器24可以阻止在第一级放大模块2中产生的放大自发辐射进入第二级放大模块3，第一在线光纤隔离器则阻止第二级放大模块3的回返光再进入第一级放大系统，从而破坏光纤激光系统。经第一级放大模块2放大后的种子光，增益可达25dB。
第二级放大模块3包括通过信号端与第一级放大模块2连接的第一泵浦合束器31、与第一泵浦合束器31的泵浦端连接的第二半导体激光器32、与第一泵浦合束器31的输出端连接的第二增益光纤33、与第二增益光纤33连接的第二带通滤波器34、及与第二带通滤波器34连接的第二在线光纤隔离器35，与上述第一级放大模块2不同的是，在第二级放大模块3中，采用包层泵浦的方式对种子光进行放大，即第二增益光纤33为掺镱光纤，掺镱光纤的规格为10/125/250，掺镱光纤为双包层。经第二级放大模块3放大后的种子光，增益可达20~30dB。
第三级放大模块4包括通过信号端与第二级放大模块3连接的第二泵浦合束器41、与第二泵浦合束器41的泵浦端连接的第三半导体激光器42、与第二泵浦合束器41的输出端连接的第三增益光纤43、与第三增益光纤43连接的第三带通滤波器44、及与第三带通滤波器44连接的第三在线光纤隔离器45。与上述第二级放大模块3不同的是，在第三级放大模块4中，采用纤芯泵浦方式对种子光进行放大，即第二增益光纤33为掺镱光纤，掺镱光纤的规格为10/125/250，掺镱光纤为单模双包层。此时，脉冲激光峰值功率已经达到千瓦量级，此时掺镱光纤的芯径较大可以提高非线性效应产生阈值。经第二级放大模块3放大后的种子光，增益可达20~25dB。
光纤分路器5为光纤能量分束器，其用以将激光功率等分。呈上述，在本实施例中，种子光经光纤分路器分成三束光路，则光路放大模块6也设置有三个，三个光路放大模块6的结构相同。其中，每个光路放大模块6包括通过信号端与光纤分路器连接的第三泵浦合束器61、分别与第三泵浦合束器61的两个泵浦端连接的第四半导体激光器62、与第三泵浦合束器61输出端连接的第四增益光纤63，第四增益光纤63的另一端与光纤能量合束器7连接。其中，第三泵浦合束器61的信号端的信号纤为单模双包层光纤，第三泵浦合束器61的输出端的输出纤为大模场双包层或三包层掺镱光纤，且光路放大模块6采用包层泵浦的方式对种子光进行放大，增益可达20dB。值得注意的是，第三泵浦合束器61区别于第一泵浦合束器31和第二泵浦合束器41，其具有两个泵浦端，而第一泵浦合束器31和第二泵浦合束器41的泵浦端仅设置有一个。
光纤能量合束器7包括三个输入端，每个输入端分别与每个光路放大模块6进行连接，其不改变每个光路放大模块6的偏振方向、波长等参数，仅将三路光束的能量进行叠加处理。高功率亚纳秒脉冲光纤激光器系统还包括光纤在线准直隔离器8，光纤在线准直隔离器8用以防止反馈光返回光路。其中，光纤能量合束器7的输入端和输出端采用两种不同的光纤，以避免模场适配器的使用，进而减少光纤器件的插损。
本发明的工作原理为：种子源模块1产生脉宽和重频可调的信号光，通过纤芯泵浦的方式对其进行第一级放大（第一级放大模块2）。在低重频和低脉宽的情况下，种子光功率一般为微瓦量级或者更低，第一级放大模块2属于小信号放大，极易产生ASE，因此需要加带通滤波器。在经过第一级放大之后，种子光平均可到百微瓦量级。此后对其进行第二级放大，第二级放大采用包层泵浦方式（第二级放大模块3），第二级放大也属于小信号放大，因此需要加带通滤波器，第二级放大后信号光平均功率可达数十毫瓦或者百毫瓦量级。此后种子光进入第三级放大模块4，经过放大后，种子光平均功率可以到瓦级，峰值功率达千瓦级。对第三级放大后的种子光进行能量分束，然后分别进行放大，对放大之后的种子光进行合束。经本发明的功率亚纳秒脉冲光纤激光器系统放大后的种子光输出峰值功率可达200KW，平均功率200W。
综上所述：通过设置有第一级放大模块2、第二级放大模块3及第三级放大模块4先对种子光进行三级放大处理，然后再通过光纤分路器5对种子光进行分束处理，再对每束光路进行放大，最后将放大后的每束光路叠加合成，可实现在相同纤芯尺寸和相同光纤长度情况下，高平均功率和高峰值功率的输出。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种高功率亚纳秒脉冲光纤激光器系统，其特征在于，包括用以产生种子光的种子源模块、对所述种子光进行一级放大处理的第一级放大模块、对一级放大处理后的所述种子光进行二级放大处理的第二级放大模块、对二级放大处理后的所述种子光进行三级放大处理的第三级放大模块、用以将三级放大处理后的所述种子光分成至少两束光路的光纤分路器、用以对每束所述光路进行放大的光路放大模块、及用以将所述至少两束光路进行叠加合成的光纤能量合束器；其中，所述种子光模块、第一级放大模块、第二级放大模块、第三级放大模块、光纤分路器、光路放大模块及光纤能量合束器依次首尾连接。
2.如权利要求1所述的高功率亚纳秒脉冲光纤激光器系统，其特征在于，所述第一级放大模块包括通过信号端与所述种子源模块连接的波分复用器、与所述波分复用器的泵浦端连接的第一半导体激光器、与所述波分复用器的输出端连接的第一增益光纤、与所述第一增益光纤连接的第一带通滤波器、及与所述第一带通滤波器连接的第一在线光纤隔离器。
3.如权利要求2所述的高功率亚纳秒脉冲光纤激光器系统，其特征在于，所述第一增益光纤为掺镱光纤，所述掺镱光纤为单包层或双包层。
4.如权利要求1所述的高功率亚纳秒脉冲光纤激光器系统，其特征在于，所述第二级放大模块包括通过信号端与所述第一级放大模块连接的第一泵浦合束器、与所述第一泵浦合束器的泵浦端连接的第二半导体激光器、与所述第一泵浦合束器的输出端连接的第二增益光纤、与所述第二增益光纤连接的第二带通滤波器、及与所述第二带通滤波器连接的第二在线光纤隔离器。
5.如权利要求4所述的高功率亚纳秒脉冲光纤激光器系统，其特征在于，所述第二增益光纤为掺镱光纤，所述掺镱光纤为双包层。
6.如权利要求1所述的高功率亚纳秒脉冲光纤激光器系统，其特征在于，所述第三级放大模块包括通过信号端与所述第二级放大模块连接的第二泵浦合束器、与所述第二泵浦合束器的泵浦端连接的第三半导体激光器、与所述第二泵浦合束器的输出端连接的第三增益光纤、与所述第三增益光纤连接的第三带通滤波器、及与所述第三带通滤波器连接的第三光纤隔离器。
7.如权利要求6所述的高功率亚纳秒脉冲光纤激光器系统，其特征在于，所述第二增益光纤为掺镱光纤，所述掺镱光纤为单模双包层。
8.如权利要求1所述的高功率亚纳秒脉冲光纤激光器系统，其特征在于，所述光路放大模块包括通过信号端与所述光纤分路器连接的第三泵浦合束器、分别与所述第三泵浦合束器的两个泵浦端连接的第四半导体激光器、与所述第三泵浦合束器输出端连接的第四增益光纤，所述第四增益光纤的另一端与所述光纤能量合束器连接。
9.如权利要求1所述的高功率亚纳秒脉冲光纤激光器系统，其特征在于，所述高功率亚纳秒脉冲光纤激光器系统还包括与所述光纤能量合束器连接的光纤在线准直隔离器，所述光纤在线准直隔离器用以防止反馈光返回光路。
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