CN113922199A - 抗回返的主振荡功率放大脉冲激光器 - Google Patents
抗回返的主振荡功率放大脉冲激光器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种抗回返的主振荡功率放大脉冲激光器,依次包括种子半导体激光器、回返光处理器、一级放大器、一级回返光处理器、二级放大器、二级回返光处理器、…、n级放大器、n级回返光处理器;设计回返光处理器保证信号光正向传输,阻止信号光反向传输,阻止非线性激光、ASE光、光路外的回返光反向传输,对回返光进行监测。本发明激光器不限制Seed LD的开机时长,能够实现脉宽及频率的连续可调,而且不需要复杂的结构及计算,成本低廉、结构紧凑,可对各波段回返光进行处理,有效保护激光器并提高其寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光技术,特别涉及一种抗回返的主振荡功率放大脉冲激光器。
背景技术
MOPA(Master Oscillator Power-Amplifie主振荡功率放大)结构可获得与种子信号光源相同参数(激光光谱波长、脉冲重复频率以及时域脉宽等)的高能量脉冲激光。MOPA激光器的种子源,可以选择直接调制的LD(半导体激光器),Seed LD(种子半导体激光器)在一定范围内可以实现任意脉冲宽度及频率的波形输出,该信号经过多级放大最终实现高平均功率、高单脉冲能量及高峰值功率。因此,在精细加工、激光打标、激光清洗等领域,MOPA脉冲光纤激光器具有显著的应用价值。
为了开拓MOPA脉冲光纤激光器的应用领域,必须提高其系统内、外的抗回返能力,保障激光器的长期可靠性。系统内回返光有以下3种:一是高峰值功率的脉冲激发的各类非线性效应,在激光器系统内积累并通过系统内各器件或者熔接点端面回返到前级光学器件,也包括反向传输的SBS(受激布里渊散射)。这部分回返光波长一般分布在长波范围,覆盖较广,可达几百nm;二是通过系统内各器件或者熔接点回返至前级光学器件的信号光,这部分回返光波长范围在信号光附近20nm内,一般采用隔离器处理这部分回返光;三是激光器系统内增益光纤产生的ASE(自发辐射);由于增益光纤的上能级粒子数被提取的方式是脉冲式的,其产生的ASE比连续激光器的多数十倍,波长范围由增益介质决定。系统外回返光有以下3种:一是激光加工过程中,作用到材料表面后回射到激光器的部分信号光,波长范围在信号光附近20nm内;二是激光器本身非线性比较强,输出光谱范围很宽,材料表面反射到激光器的也是这部分宽光谱的激光;三是激光与材料相互作用,可能产生其他波长的光,回射到激光器。以上各类回返光,对激光器系统会造成较大损坏,影响激光器使用寿命及输出特性。在先专利CN104733988A提供了一种保护种子源SLD(超辐射发光二极管)免受反向激光损坏的技术,主要通过延时光纤来增加反向激光传输到SLD的时间,选择合适的时间与光纤长度以保证反向激光传输到SLD时SLD处于关闭状态。该方法可有效保护SLD,提高激光器的寿命。但是,该方法限制了SLD的开机时长,脉冲的脉宽及频率可调范围受延时光纤的长度影响,频率只能在该安全频率的整数倍数可调。另外,该方法需要通过复杂的计算,且激光器结构复杂:包含延时光纤、宽带滤波器、隔离器等器件。
发明内容
针对MOPA脉冲光纤激光器长期可靠性工作以及寿命问题,提出了一种抗回返的主振荡功率放大脉冲激光器。
本发明的技术方案为:一种抗回返的主振荡功率放大脉冲激光器,依次包括种子半导体激光器、回返光处理器、一级放大器、一级回返光处理器、二级放大器、二级回返光处理器、…、n级放大器、n级回返光处理器;所述n+1个回返光处理器结构相同,均包括第一准直器、第二准直器、隔离芯、滤波片组和第三准直器,光从Port1输入端进入第一准直器对光进行准直后射入隔离芯,正向传输的信号光通过隔离芯继续向前透过进入滤波片组后输出光再进入第三准直器从Port2输出口出射,反向传输的回返光从Port2输出口进入第三准直器对光进行准直后射入滤波片组,部分回返光被滤波片组滤除,未被滤除的回返光透过滤波片组继续进入隔离芯,经隔离芯后的回返光光路发生偏移,进入第二准直器导出至Port3,Port3作为回返光监测端。
优选的,所述隔离芯由两个双折射晶体中间夹持法拉第旋转片组成。
优选的,所述滤波片组由m片滤波片粘合而成,m≥1,用以阻止回返宽光谱的非线性激光、ASE光、激光与材料作用光继续反向传输。
优选的,所述三个准直器为三个带尾纤的准直器,第一准直器和第三准直器作为回返光处理器的光耦合并输入、输出;第二准直器将回返光导出进行监测,同时导出多余光热量。
优选的,所述一级至(n-1)级回返光处理器承受的回返光功率计算方式相同,所述(n-1)级回返光处理器承受的回返光功率:
其中,Ps(n-1)为(n-1)级回返光处理器承受的回返光功率,Pan为n级放大器产生的回返光总功率,α(n-1)为(n-1)级回返光处理器的滤除率,β(n-1)为(n-1)级回返光处理器的隔离度,νrn为n级放大器产生的ASE、非线性及激光器外回返光的光谱范围,νs为信号光光谱范围,ν为激光器内、外所有激光的光谱范围。
优选的,所述n级回返光处理器承受的回返光功率:
优选的,所述n个放大器中每个放大器包括泵浦模块、一级合束模块、一级增益光纤和包层光滤除模块,前出射光与泵浦模块射出的泵浦光一起进入合束模块进行合束后输出,合束光进入增益光纤中进一步放大后,再经过包层光滤除模块进行滤光后进入回返光处理器。
本发明的有益效果在于:本发明抗回返的主振荡功率放大脉冲激光器,通过设计回返光处理器的滤波谱宽及隔离带宽,阻止系统内、外的回返光继续反向传输,并通过回返光处理器的Port3端口监测回返光功率、光谱等特性。本发明激光器不限制Seed LD的开机时长,能够实现脉宽及频率的连续可调,而且不需要复杂的结构及计算,成本低廉、结构紧凑,可对各波段回返光进行处理,有效保护激光器并提高其寿命。
附图说明
图1为本发明抗回返的主振荡功率放大脉冲激光器结构示意图;
图2为本发明抗回返的主振荡功率放大脉冲激光器中回返光处理器结构示意图;
图3为本发明回返光处理器对反向传输光的抑制/隔离示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示抗回返的主振荡功率放大脉冲激光器结构示意图,抗回返的主振荡功率放大脉冲激光器依次包括种子半导体激光器101、回返光处理器102、一级放大器、一级回返光处理器205、二级放大器、二级回返光处理器、…、n级放大器、n级回返光处理器n05。
种子半导体激光器101(Seed LD):用于出射种子光。
回返光处理器102、205、……、n05:数量n+1个,保证信号光正向传输,阻止信号光反向传输;阻止非线性激光、ASE光、激光器外的回返光反向传输;对回返光进行监测。
一级放大器:用于种子激光的功率预放大;包括一级泵浦模块201,一级合束模块202,一级增益光纤203,一级包层光滤除模块204。
二级放大器:用于脉冲激光的功率放大及单脉冲能量提升;包括二级泵浦模块,二级合束模块,二级增益光纤,二级包层光滤除模块。
……
n级放大器:用于脉冲激光的功率放大及单脉冲能量提升;包括n级泵浦模块,n级合束模块,n级增益光纤,n级包层光滤除模块。
种子半导体激光器101出射的种子光通过回返光处理器102出射后,与一级泵浦模块201射出的泵浦光一起进入一级合束模块202进行合束后输出,合束光进入增益光纤204中进一步放大后,再经过一级包层光滤除模块204进行滤光后进入一级回返光处理器205后进入下一级放大器,最后从最后一级回返光处理器n05输出。
如图2所示回返光处理器结构示意图,包括第一准直器1021、第二准直器1022、隔离芯1023、滤波片组1024和第三准直器1025,光从Port1输入端进入第一准直器1021对光进行准直后射入隔离芯1023,正向传输的信号光通过隔离芯1023继续向前透过进入滤波片组1024后输出光再进入第三准直器1025从Port2输出口出射。反向传输的回返光从Port2进入第三准直器1025对光进行准直后射入滤波片组1024,部分回返光被滤波片组1024滤除,未被滤除的回返光透过滤波片组1024继续进入隔离芯1023,经隔离芯1023后的回返光光路发生偏移,进入第二准直器1022导出至Port3,Port3作为回返光监测端。
隔离芯1023由两个双折射晶体中间夹持法拉第旋转片组成,用以保证正向传输的信号光透过,阻止反向传输的信号光继续反向传输(利用双折射晶体的正反向光路不同及高隔离度)。
滤波片组1024由m片滤波片粘合而成(m≥1),用以阻止回返宽光谱的非线性激光、ASE光、激光器外产生的其他波长光(激光与材料作用光)继续反向传输(利用滤波片的抑制带宽及抑制比)。
三个带尾纤的准直器(1021、1022、1025)作该器件的3个端口,其中Port1、Port2作器件的信号入端、出端,Port3作回返光监测端,用以将回返光导出,避免回返光累积在器件内部造成热损伤,而且方便对回返光进行监测。
本发明提供的一种抗回返的MOPA脉冲激光器,采用回返光处理器有效保护激光器系统,并且优化了正向信号激光的光谱,提高了非线性的产生阈值。一级回返光处理器承受的回返光功率:
其中,Ps1为一级回返光处理器承受的回返光功率,Pa2为二级放大器产生的回返光总功率,α1为一级回返光处理器的滤除率,β1为一级回返光处理器的隔离度,νr2为二级放大器产生的ASE、非线性及激光器外回返光的光谱范围,νs为信号光光谱范围。
依此类推,(n-1)级回返光处理器承受的回返光功率:
其中,Ps(n-1)为(n-1)级回返光处理器承受的回返光功率,Pan为n级放大器产生的回返光总功率,α(n-1)为(n-1)级回返光处理器的滤除率,β(n-1)为(n-1)级回返光处理器的隔离度,νrn为n级放大器产生的ASE、非线性及激光器外回返光的光谱范围,νs为信号光光谱范围,ν为激光器内、外所有激光的光谱范围。
最后n级回返光处理器承受的回返光功率如下式:
其中,Psn为n级回返光处理器承受的回返光功率,Pa为总回返功率,αn为n级回返光处理器的滤除率,βn为n级回返光处理器的隔离度,νr为激光器外回返光的光谱范围,νs为信号光光谱范围,ν为激光器内、外所有激光的光谱范围。
因此,如图3所示,设计回返光处理器内部隔离芯的隔离带宽覆盖ν2,滤波片的抑制带宽覆盖ν1,滤除率α及隔离度β均>20~50dB,器件接收到的回返光功率<1~0.001%。
本发明激光器中回返光处理器的设计不限制Seed LD的开机时长,能够实现脉宽及频率的连续可调;不需要复杂的结构及计算,成本低廉、结构紧凑,可对各波段回返光进行处理,有效保护激光器并提高其寿命。
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 (7)
1.一种抗回返的主振荡功率放大脉冲激光器,其特征在于,依次包括种子半导体激光器、回返光处理器、一级放大器、一级回返光处理器、二级放大器、二级回返光处理器、…、n级放大器、n级回返光处理器;所述n+1个回返光处理器结构相同,均包括第一准直器、第二准直器、隔离芯、滤波片组和第三准直器,光从Port1输入端进入第一准直器对光进行准直后射入隔离芯,正向传输的信号光通过隔离芯继续向前透过进入滤波片组后输出光再进入第三准直器从Port2输出口出射,反向传输的回返光从Port2输出口进入第三准直器对光进行准直后射入滤波片组,部分回返光被滤波片组滤除,未被滤除的回返光透过滤波片组继续进入隔离芯,经隔离芯后的回返光光路发生偏移,进入第二准直器导出至Port3,Port3作为回返光监测端。
2.根据权利要求1所述抗回返的主振荡功率放大脉冲激光器,其特征在于,所述隔离芯由两个双折射晶体中间夹持法拉第旋转片组成。
3.根据权利要求1或2所述抗回返的主振荡功率放大脉冲激光器,其特征在于,所述滤波片组由m片滤波片粘合而成,m≥1,用以阻止回返宽光谱的非线性激光、ASE光、激光与材料作用光继续反向传输。
4.根据权利要求3所述抗回返的主振荡功率放大脉冲激光器,其特征在于,所述三个准直器为三个带尾纤的准直器,第一准直器和第三准直器作为回返光处理器的光耦合并输入、输出;第二准直器将回返光导出进行监测,同时导出多余光热量。
7.根据权利要求1所述抗回返的主振荡功率放大脉冲激光器,其特征在于,所述n个放大器中每个放大器包括泵浦模块、一级合束模块、一级增益光纤和包层光滤除模块,前出射光与泵浦模块射出的泵浦光一起进入合束模块进行合束后输出,合束光进入增益光纤中进一步放大后,再经过包层光滤除模块进行滤光后进入回返光处理器。
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