CN113725715A - 一种泵浦可调制与声光相结合的调q振荡级及其工作方法 - Google Patents

一种泵浦可调制与声光相结合的调q振荡级及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种泵浦可调制与声光相结合的调Q振荡级及其工作方法。一种泵浦可调制与声光相结合的调Q振荡级，所述调Q振荡级包括泵浦源Ⅰ、腔体和光纤隔离器Ⅰ，所述泵浦源Ⅰ、腔体和光纤隔离器Ⅰ依次连接，所述腔体包括调Q谐振腔与耦合腔。本发明用以解决在工业应用中，需要一种激光器能应用于多种不同材料的加工，所以需要激光器需要很强的调制能力。而PWM泵浦调制能调制谐振腔输出激光的平均功率及单脉冲能量，脉宽等激光重要参数，使激光输出特性具有多样化，能胜任多样化的市场，实现一机多用。

Description

一种泵浦可调制与声光相结合的调Q振荡级及其工作方法
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域；具体涉及一种泵浦可调制与声光相结合的调Q振荡级及其工作方法。
背景技术
随着光纤激光器的不断发展，光纤激光器运用于加工越来越广泛。激光加工技术是指利用激光与材料的相互作用的特性来加工的一种技术，目前广泛运用于工业加工、医疗美容、3D打印、生活用品打标、精细标刻、科学研究等许多领域都有很大的前景，随着加工的发展对激光器的要求越来越高，要求激光器在低功耗的同时还要自由控制激光的输出功率范围，单脉冲能量等，甚至需要在超低重复频率下稳定运作，PWM泵浦调制技术可以很好的抑制ASE的产生(PWM是一种脉宽泵浦方式)，使激光器更稳定。
目前激光的泵浦源的发展非常迅速，泵浦源的工艺已经趋于完善，高功率高稳定性的泵浦源越来越普遍，使光纤激光器的应用更加畅通无阻。
光纤激光器具有光束质量好、具有非常好的单色性、方向性及稳定性。与传统的固体激光器比起来结构更加轻便，不需要维护、易转移携带，更具有流动性，能满足各式各样的突发情况，而且能胜任各种恶劣的环境。
脉冲光纤激光器以掺杂增益光纤为介质，在低重复高脉冲能量和峰值功率下很容易产生非线性效应，所以合理的优化光学谐振腔的技术尤为重要，通过PWM泵浦调制与声光相结合的调Q技术，能够很好抑制光纤的非线性效应，在PWM泵浦调制下不仅可以降低激光器的功耗，还可以控制激光输出的功率和单脉冲能量等重要光学参数。
发明内容
本发明提供一种泵浦可调制与声光相结合的调Q振荡级及其工作方法，用以解决在工业应用中，需要在一定重复频率下切换不同功率和单脉冲能量来加工不同的材料的问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种泵浦可调制与声光相结合的调Q振荡级，所述调Q振荡级包括泵浦源Ⅰ1、腔体和光纤隔离器Ⅰ3，所述泵浦源Ⅰ1、腔体和光纤隔离器Ⅰ3依次连接，所述腔体包括调Q谐振腔2-1与耦合腔2-2。
一种泵浦可调制与声光相结合的调Q振荡级，所述调Q振荡级包括泵浦源Ⅰ1、调Q谐振腔2-1和光纤隔离器Ⅰ3；所述泵浦源Ⅰ1、调Q谐振腔2-1和光纤隔离器Ⅰ3依次连接；
所述调Q谐振腔2-1包括高反光栅Ⅰ4、增益光纤5、光纤声光调制器Ⅰ6和低反光栅7；所述高反光栅Ⅰ4、增益光纤5、光纤声光调制器Ⅰ6和低反光栅7依次设置，所述泵浦源Ⅰ1与高反光栅Ⅰ4相连接，所述低反光栅7与光纤隔离器Ⅰ3相连接，构成一个正向泵的光纤激光结构。
一种泵浦可调制与声光相结合的调Q振荡级，所述调Q振荡级包括泵浦源Ⅰ1、耦合腔2-2与光纤隔离器Ⅰ3，所述泵浦源Ⅰ1、耦合腔2-2与光纤隔离器Ⅰ3依次连接；
所述耦合腔2-2包括高反光栅Ⅱ17、光纤声光调制器Ⅱ19、增益光纤18、耦合器20和第二高反光栅21，所述高反光栅Ⅱ17、光纤声光调制器Ⅱ19、增益光纤18和耦合器20依次连接；所述耦合器20的输出端Ⅰ与第二高反光栅21相连接，所述耦合器20的输出端Ⅱ与光纤隔离器Ⅰ3相连接，所述泵浦源Ⅰ1与高反光栅Ⅱ17相连接，所述耦合器20是具有分光比为5/5的光学器件，构成激光耦合腔结构。
一种泵浦可调制与声光相结合的调Q振荡级，所述调Q振荡级包括泵浦源Ⅲ14、合束器13、反向谐振腔8与光纤隔离器Ⅲ15，所述反向谐振腔8与合束器13的相连接；所述泵浦源Ⅲ14与合束器13和光纤隔离器Ⅲ15相连接；
所述反向谐振腔8包括高反光栅Ⅲ9、光纤声光调制器Ⅲ10、增益光纤Ⅲ11和低反光栅Ⅲ12，所述高反光栅Ⅲ9、光纤声光调制器Ⅲ10、增益光纤Ⅲ11和低反光栅Ⅲ12依次连接，所述低反光栅Ⅲ12与合束器13的输入端相连接，构成了激光反向泵结构。
所述一种泵浦可调制与声光相结合的调Q振荡级的工作方法，所述工作方法具体为，当声光未开启时，泵浦源开始工作，泵浦源产生的泵浦光会通过高反光栅进入掺杂镱离子的增益光纤，当镱离子吸收泵浦光后，会使基态的镱离子跃迁到激发态，后无辐射跃迁到亚稳态，使腔内形成粒子数反转，储存能量。
当声光调制器开启时，激光通过、调Q谐振腔2-1和低反光栅后，使谐振腔产生振荡，输出稳定的脉冲激光；
耦合器2-2的输出端与高反光栅相连，把产生的激光的反射回腔内，使产生稳定的激光振荡，在通过隔离器形成稳定的脉冲输出，与谐振腔2-1的泵浦方式相同，使用一样的工作方法来控制。
进一步的，所述高反光栅的纤芯只对中心波长为1064纳米和带宽2纳米的激光具有百分99以上的反射率；低反光栅的纤芯只对中心波长为1064纳米和带宽1纳米的激光具有百分10以内的反射率。
进一步的，当声光调制器关闭时，对腔内的激光产生很大的损耗，抑制激光产生。
进一步的，合束器使泵浦光通过低反光栅进入腔内，使腔内产生粒子数反转，当声光开启时，能在腔内产生振荡，输出稳定的调Q脉；而PWM脉宽泵浦调制则控制其声光开启前的每一个脉冲周期时间内的泵浦时间，控制泵浦时间，等于控制在声光开启前腔内储存的能量，即能控制激光器输出的不同功率、单脉冲能量、脉宽、峰值功率。
本发明的有益效果是：
本发明的PWM泵浦调制与声光相结合的技术，能调制谐振腔输出激光的平均功率及单脉冲能量，脉宽等激光重要参数，是激光输出特性具有多样化。
本发明的PWM调制技术通过调制一个脉冲周期内的泵浦时间，可以使激光器在低重复频率下抑制自发辐射等非线性效应，使激光器更加稳定。
本发明这种准连续的调制泵浦方式可以减少激光器的功耗。
附图说明
附图1是本发明带有调Q谐振腔的结构示意图。
附图2是本发明带有反向谐振腔的结构示意图。
附图3是本发明带有耦合腔的结构示意图。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
如图1和图3所示，一种泵浦可调制与声光相结合的调Q振荡级，所述调Q振荡级包括泵浦源Ⅰ1、腔体和光纤隔离器Ⅰ3，所述泵浦源Ⅰ1、腔体和光纤隔离器Ⅰ3依次连接，所述腔体包括调Q谐振腔2-1与耦合腔2-2。
如图1所示，一种泵浦可调制与声光相结合的调Q振荡级，所述调Q振荡级包括泵浦源Ⅰ1、调Q谐振腔2-1和光纤隔离器Ⅰ3；所述泵浦源Ⅰ1、调Q谐振腔2-1和光纤隔离器Ⅰ3依次连接；
所述调Q谐振腔2-1包括高反光栅Ⅰ4、增益光纤5、光纤声光调制器Ⅰ6和低反光栅7；所述高反光栅Ⅰ4、增益光纤5、光纤声光调制器Ⅰ6和低反光栅7依次设置，所述泵浦源Ⅰ1与高反光栅Ⅰ4相连接，所述低反光栅7与光纤隔离器Ⅰ3相连接，构成一个正向泵的光纤激光结构。
所述高反光栅Ⅰ4一端与增益光纤5前端相连接，增益光纤5后端与光纤声光调制器Ⅰ6输入端相连接，所述光纤声光调制器Ⅰ6输出端与低反光栅7一端相连接，构成一个正向泵的振荡级结构。
本发明的激光器采用全光纤结构，利用激光的输出功率与泵浦源1的泵浦时间和功率有关的原理以及声光调Q原理，在一个调Q脉冲周期内进行PWM泵浦调制，通过调制泵浦的开关时间来影响激光的输出功率，所以通过调制一个脉冲周期内PWM泵浦调制的时间，能控制激光的输出功率、脉宽、峰值功率、单脉冲能量，对比在脉冲周期内连续泵浦还能降低激光器功耗，采用这种脉宽调制泵浦的方式，还能在低重复频率下抑制ASE的产生，使激光器更稳定。
如图3所示，一种泵浦可调制与声光相结合的调Q振荡级，所述调Q振荡级包括泵浦源Ⅰ1、耦合腔2-2与光纤隔离器Ⅰ3，所述泵浦源Ⅰ1、耦合腔2-2与光纤隔离器Ⅰ3依次连接；
所述耦合腔2-2包括高反光栅Ⅱ17、光纤声光调制器Ⅱ19、增益光纤18、耦合器20和第二高反光栅21，所述高反光栅Ⅱ17、光纤声光调制器Ⅱ19、增益光纤18和耦合器20依次连接；所述耦合器20的输出端Ⅰ与第二高反光栅21相连接，所述耦合器20的输出端Ⅱ与光纤隔离器Ⅰ3相连接，所述泵浦源Ⅰ1与高反光栅Ⅱ17相连接，所述耦合器20是具有分光比为5/5的光学器件，构成激光耦合腔结构。
所述高反光栅Ⅱ17一端与增益光纤18一端相连接，增益光纤18另一端与光纤声光调制器Ⅱ19的一端相连接，光纤声光调制器Ⅱ19的另一端与耦合器20输入端相连接，耦合器20的输出端Ⅰ与第二高反光栅21相连接，所述耦合器20的输出端Ⅱ与光纤隔离器Ⅰ3相连接，构成个一个完整的光学结构。
如图2所示，一种泵浦可调制与声光相结合的调Q振荡级，所述调Q振荡级包括泵浦源Ⅲ14、合束器13、反向谐振腔8与光纤隔离器Ⅲ15，所述反向谐振腔8与合束器13的泵浦纤24相连接；所述泵浦源Ⅲ14与合束器13和光纤隔离器Ⅲ15相连接；
所述反向谐振腔8包括高反光栅Ⅲ9、光纤声光调制器Ⅲ10、增益光纤Ⅲ11和低反光栅Ⅲ12，所述高反光栅Ⅲ9、光纤声光调制器Ⅲ10、增益光纤Ⅲ11和低反光栅Ⅲ12依次连接，所述低反光栅Ⅲ12与合束器13的输入端相连接，构成了激光反向泵结构。
所述高反光栅Ⅲ9一端与光纤声光调制器Ⅲ10一端相连接，光纤声光调制器Ⅲ10另一端与增益光纤Ⅲ11一端相连接，增益光纤Ⅲ11另一端与低反光栅Ⅲ12相连接，低反光栅Ⅲ12与合束器13相连接，合束器泵浦纤24与泵浦源Ⅲ14相连接，合束器13的输出端与光纤隔离器Ⅲ15相连接，构成了一个反向泵的振荡级结构。
如图1和图3所示，所述一种泵浦可调制与声光相结合的调Q振荡级的工作方法，所述工作方法具体为，所述工作方法具体为，当激光器开始工作时，泵浦源产生泵浦光会通过高反光栅进入掺杂镱离子的增益光纤，当镱离子吸收泵浦光后，会使基态的镱离子跃迁到激发态，后无辐射跃迁到亚稳态储存能量，使腔内形成粒子数反转；而PWM泵浦调制则可以控制在声光开启前单个脉冲周期内泵浦的时间，一个脉冲周期时间内泵浦的时间越长，储存的能量就越多，在声光开启后输出的平均功率就越高，脉宽就越窄，峰值功率更高；从而控制泵浦的时间就等于控制输出不同的平均功率、脉宽、单脉冲能量以及峰值功率。
当声光调制器开启时，对谐振腔的损耗大大降低，激光通过、调Q谐振腔2-1和低反光栅后，使谐振腔产生振荡，会形成稳定的调Q脉冲输出，通过光纤隔离器稳定输出；
耦合器2-2的输出端与高反光栅相连，把产生激光的反射会腔内，也产生稳定的激光振荡，在通过隔离器形成稳定的脉冲输出。
调Q谐振腔2-1或耦合腔2-2通过改变在每一个单脉冲周期内的泵浦时间与节点，改变声光开启前腔内储存的能量，实现对输出激光平均功率、单脉冲能量的调制，进一步对其他参数也能进行调制。
对比在一个脉冲周期内连续泵浦常规激光器来说，在获取想要的激光功率同时还能降低激光功耗，该全光纤结构在工业运用已经得到十几年的验证，具有非常高的可靠性。
进一步的，所述高反光栅的纤芯只对中心波长为1064纳米和带宽2纳米的激光具有百分99以上的反射率；低反光栅的纤芯只对中心波长为1064纳米和带宽1纳米的激光具有百分10以内的反射率。
进一步的，当声光调制器关闭时，对腔内的激光产生很大的损耗，抑制激光产生。
进一步的，如图2所示，所述工作方法具体为，合束器使泵浦光通过低反光栅进入腔内，使腔内产生粒子数反转，当声光开启时，能在腔内产生振荡，输出稳定的调Q脉；相比于图1的结构，只是改变了激光的泵浦方式，由图1的前向泵改为反向泵，由于反向泵结构比正向泵结构更能抑制ASE，所以在较低重频下使用PWM泵浦调制的方法效果最好，因为在低重复频率下，一个脉冲周期时间相对较长，在一个周期时间内连续泵浦，很容易产生自发辐射，影响激光输出及稳定性，而PWM泵浦调制能控制在其脉冲周期时间内的泵浦时间，合适的脉冲泵浦时间，能使激光很好的抑制自发辐射ASE，更可以降低激光器的功耗，使激光输出更稳定。
合束器使泵浦光通过低反光栅进入腔内，使腔内产生粒子数反转，当声光开启时，能在腔内产生振荡，输出稳定的调Q脉；但激光器如果在低重复频率下运行(例如1KHZ),对常规脉冲激光器来说在一个声光周期内持续泵浦，产生粒子数反转，但由于一个脉冲周期时间过长，导致上能级粒子产生自发辐射，并且放大，不仅浪费泵浦能量，而且还对腔的稳定性产生威胁；而使用PWM泵浦调制可以控制其在一个脉冲周期内的泵浦时间，假如控制其在声光开启前100us进行泵浦，这样就不会产生自发辐射放大，而且不会浪费腔内的能量，使输出的激光更加稳定且可以减小功耗。且可以控制这个泵浦的时间控制输出的功率、脉宽、单脉冲能量、峰值功率。

Claims (8)

1.一种泵浦可调制与声光相结合的调Q振荡级，其特征在于，所述调Q振荡级包括泵浦源Ⅰ(1)、腔体和光纤隔离器Ⅰ(3)，所述泵浦源Ⅰ(1)、腔体和光纤隔离器Ⅰ(3)依次连接，所述腔体包括调Q谐振腔(2-1)与耦合腔(2-2)。
2.根据权利要求1所述一种泵浦可调制与声光相结合的调Q振荡级，其特征在于，所述调Q振荡级包括泵浦源Ⅰ(1)、调Q谐振腔(2-1)和光纤隔离器Ⅰ(3)；所述泵浦源Ⅰ(1)、调Q谐振腔(2-1)和光纤隔离器Ⅰ(3)依次连接；
所述调Q谐振腔(2-1)包括高反光栅Ⅰ(4)、增益光纤(5)、光纤声光调制器Ⅰ(6)和低反光栅(7)；所述高反光栅Ⅰ(4)、增益光纤(5)、光纤声光调制器Ⅰ(6)和低反光栅(7)依次设置，所述泵浦源Ⅰ(1)与高反光栅Ⅰ(4)相连接，所述低反光栅(7)与光纤隔离器Ⅰ(3)相连接，构成一个正向泵的光纤激光结构。
3.根据权利要求1所述一种泵浦可调制与声光相结合的调Q振荡级，其特征在于，所述调Q振荡级包括泵浦源Ⅰ(1)、耦合腔(2-2)与光纤隔离器Ⅰ(3)，所述泵浦源Ⅰ(1)、耦合腔(2-2)与光纤隔离器Ⅰ(3)依次连接；
所述耦合腔(2-2)包括高反光栅Ⅱ(17)、光纤声光调制器Ⅱ(19)、增益光纤(18)、耦合器(20)和第二高反光栅(21)，所述高反光栅Ⅱ(17)、光纤声光调制器Ⅱ(19)、增益光纤(18)和耦合器(20)的输入端依次连接；所述耦合器(20)的输出端Ⅰ与第二高反光栅(21)相连接，所述耦合器(20)的输出端Ⅱ与光纤隔离器Ⅰ(3)相连接，所述泵浦源Ⅰ(1)与高反光栅Ⅱ(17)相连接，所述耦合器(20)是具有分光比为5/5的光学器件，构成激光耦合腔结构。
4.一种泵浦可调制与声光相结合的调Q振荡级，其特征在于，所述调Q振荡级包括泵浦源Ⅲ(14)、合束器(13)、反向谐振腔(8)与光纤隔离器Ⅲ(15)，所述反向谐振腔(8)与合束器(13)的泵浦纤(24)相连接；所述泵浦源Ⅲ(14)与合束器(13)和光纤隔离器Ⅲ(15)相连接；
所述反向谐振腔(8)包括高反光栅Ⅲ(9)、光纤声光调制器Ⅲ(10)、增益光纤Ⅲ(11)和低反光栅Ⅲ(12)，所述高反光栅Ⅲ(9)、光纤声光调制器Ⅲ(10)、增益光纤Ⅲ(11)和低反光栅Ⅲ(12)依次连接，所述低反光栅Ⅲ(12)与合束器(13)的输入端相连接，构成了激光反向泵结构。
5.根据权利要求1-3任一所述一种泵浦可调制与声光相结合的调Q振荡级的工作方法，其特征在于，所述工作方法具体为，当激光器开始工作时，泵浦源产生泵浦光会通过高反光栅进入掺杂镱离子的增益光纤，当镱离子吸收泵浦光后，会使基态的镱离子跃迁到激发态，后无辐射跃迁到亚稳态储存能量，使腔内形成粒子数反转；
当声光调制器开启时，激光通过、调Q谐振腔(2-1)和低反光栅后，使谐振腔产生振荡，会形成稳定的调Q脉冲输出，通过光纤隔离器稳定输出；
耦合器(2-2)的输出端与高反光栅相连，把产生激光的反射会腔内，也产生稳定的激光振荡，在通过隔离器形成稳定的脉冲输出。
6.根据权利要求5所述一种泵浦可调制与声光相结合的调Q振荡级的工作方法，其特征在于，所述高反光栅的纤芯只对中心波长为1064纳米和带宽2纳米的激光具有百分99以上的反射率；低反光栅的纤芯只对中心波长为1064纳米和带宽1纳米的激光具有百分10以内的反射率。
7.根据权利要求5所述一种泵浦可调制与声光相结合的调Q振荡级的工作方法，其特征在于，当声光调制器关闭时，对腔内的激光产生很大的损耗，抑制激光产生。
8.根据权利要求4所述一种泵浦可调制与声光相结合的调Q振荡级的工作方法，其特征在于，所述工作方法具体为，合束器使泵浦光通过低反光栅进入腔内，使腔内产生粒子数反转，当声光开启时，能在腔内产生振荡，输出稳定的调Q脉；而PWM脉宽泵浦调制则控制其声光开启前的每一个脉冲周期时间内的泵浦时间，控制泵浦时间，等于控制在声光开启前腔内储存的能量，即能控制激光器输出的不同功率、单脉冲能量、脉宽、峰值功率。
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