CN113991401B - 一种光纤激光器及激光合束系统 - Google Patents

一种光纤激光器及激光合束系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种光纤激光器及激光合束系统，其中光纤激光器包括：控制模块、多路脉冲种子源、多路光纤放大器以及光纤合束器；所述控制模块包括时序控制装置以及电流调节装置，所述时序控制装置与每路所述脉冲种子源连接，用于控制多路脉冲种子源的激光输出时序；每路所述光纤放大器包括光纤放大器驱动电源，所述电流调节装置与每路所述光纤放大器驱动电源连接，用于调制激光输出的脉冲强度；所述光纤合束器连接在多路所述光纤放大器的下游，用于输出脉冲序列强度调制的合束激光。能够对脉冲激光的脉冲强度以及输出时序进行调制，有效实现脉冲序列强度可调制的合束脉冲激光的输出，同时提高了脉冲激光的平均功率。

Description

一种光纤激光器及激光合束系统
技术领域
本申请涉及激光技术领域，具体而言，涉及一种光纤激光器及激光合束系统。
背景技术
脉冲光纤激光器具有高峰值功率、高光束质量、高可靠性等优势，在激光精密加工和特殊材料加工等领域具有广泛的应用。随着应用的不断深入和激光与物质相互作用的理论逐渐完善，为了实现更加优异的加工质量，对激光脉冲提出了不同的需求，需要对激光脉冲序列强度进行调制，一个脉冲串了包含不同强度的脉冲。
常见的脉冲激光器的输出脉冲序列具有相同的峰值功率，通过加入光调制器可以对脉冲的幅度进行调制，但是单路激光器的平均功率有限。
专利CN106848816A采用时序合成多路准连续光纤激光器，可有效提高激光平均功率，但是其未对脉冲强度进行调制，同时准连续的光纤激光器本身峰值功率并不高，其通过调制泵浦电流来实现脉冲输出，只能实现微秒量级的脉冲，无法实现更短的纳秒级的脉冲。
发明内容
本申请的目的是提供一种光纤激光器及激光合束系统，该光纤激光器及激光合束系统能够对脉冲激光的脉冲强度以及输出时序进行调制，有效实现脉冲序列强度可调制的合束脉冲激光的输出，同时提高了脉冲激光的平均功率。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种光纤激光器，包括：控制模块、多路脉冲种子源、多路光纤放大器以及光纤合束器；
所述控制模块包括时序控制装置以及电流调节装置，所述时序控制装置与每路所述脉冲种子源连接，用于控制多路脉冲种子源的激光输出时序；
每路所述光纤放大器包括光纤放大器驱动电源，所述电流调节装置与每路所述光纤放大器驱动电源连接，用于调制激光输出的脉冲强度；
所述光纤合束器连接在多路所述光纤放大器的下游，用于输出脉冲序列强度调制的合束激光。
在可选的实施方式中，所述脉冲种子源包括种子驱动电源以及电光调制器，所述时序控制装置与所述种子驱动电源连接，所述电光调制器设置在所述种子驱动电源的下游。
在可选的实施方式中，每路所述脉冲种子源上连接有种子源输出光纤，每路所述光纤放大器连接有与所述种子源输出光纤一一对应的放大器输入光纤，每根所述种子源输出光纤与每根所述放大器输入光纤连接。
在可选的实施方式中，每路所述光纤放大器还连接有放大器输出光纤，所述光纤合束器上连接有多根光纤合束器输入光纤，每根所述放大器输出光纤与每根所述光纤合束器输入光纤连接。
在可选的实施方式中，所述光纤合束器的输出端连接有单根合束器输出光纤，所述合束器输出光纤上连接有脉冲监测反馈装置，所述脉冲监测反馈装置与所述控制模块连接。
在可选的实施方式中，所述脉冲监测反馈装置包括光电探测器及电压采集装置，所述光电探测器连接在所述合束器输出光纤上，所述电压采集装置连接在所述光电探测器及所述控制模块之间。
在可选的实施方式中，所述脉冲种子源还包括与所述种子驱动电源连接的种子源泵浦激光器，所述电光调制器设置在所述种子源泵浦激光器的下游，能够调制所述种子源泵浦激光器输出脉冲激光的频率以及脉冲宽度。
在可选的实施方式中，所述脉冲种子源输出脉冲激光的频率为100Hz-100Mhz，脉冲宽度为10ns-500ns，输出功率为1-30W。
在可选的实施方式中，所述电流调节装置通过调节所述光纤放大器驱动电源的输出电流来调制激光输出的脉冲强度，所述电流调节装置的调节范围为所述光纤放大器最高输出功率的10％-100％。
本发明中的光纤激光器，能够通过控制模块中的时序控制装置以及电流调节装置，来调节控制脉冲种子源输出激光的输出时序，以及光纤放大器输出激光的脉冲强度，有效实现了不同脉冲强度的序列组合，同时有效提高了合束后输出脉冲激光的平均功率。
第二方面，本发明提供一种激光合束系统，包括前述实施方式中任一项所述的光纤激光器。
本发明中的激光合束系统，通过对合束脉冲激光的监测并反馈至控制模块，能够实现纳秒量级的脉冲，有效提高输出脉冲激光的质量。本申请的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本申请提供的光纤激光器的原理结构示意图；
图2为本申请提供的脉冲种子源的原理结构示意图；
图3为本申请提供的光纤放大器的原理结构示意图；
图4为本申请提供的多路激光合束原理图；
图5为本申请提供的第一种脉冲激光强度调制后的脉冲序列原理图；
图6为本申请提供的第二种脉冲激光强度调制后的脉冲序列原理图；
图7为本申请提供的第三种脉冲激光强度调制后的脉冲序列原理图；
图8为本申请提供的第四种脉冲激光强度调制后的脉冲序列原理图。
图标：
0-控制模块；1-脉冲种子源；2-光纤放大器；3-光纤合束器；4-脉冲监测反馈装置；5-种子源输出光纤；6-放大器输入光纤；7-放大器输出光纤；8-光纤合束器输入光纤；9-合束器输出光纤；
11-种子驱动电源；12-种子源泵浦激光器；13-种子源泵浦合束器；14-高反光栅；15-种子源掺镱光纤；16-电光调制器；17-低反光栅；18-种子源包层光滤除器；19-隔离器；
21-光纤放大器驱动电源；22-放大器泵浦激光器；23-放大器泵浦合束器；24-放大器掺镱光纤；25-放大器包层光滤除器。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
参见图1-图3，本发明提供的一种光纤激光器，包括：控制模块0、多路脉冲种子源1、多路光纤放大器2以及光纤合束器3；
所述控制模块0包括时序控制装置以及电流调节装置，所述时序控制装置与每路所述脉冲种子源1连接，用于控制多路脉冲种子源1的激光输出时序；
每路所述光纤放大器2包括光纤放大器驱动电源21，所述电流调节装置与每路所述光纤放大器驱动电源21连接，用于调制激光输出的脉冲强度；
所述光纤合束器3连接在多路所述光纤放大器2的下游，用于输出脉冲序列强度调制的合束激光。
本发明中的光纤激光器，主要用于输出脉冲序列强度可调制的合束激光，并提高输出脉冲激光的平均功率。
现有技术中脉冲激光器的输出脉冲序列具有相同的峰值功率，本发明通过将多台脉冲激光器进行全光纤合束器3后，耦合入单根光纤输出，然后对各台脉冲激光器的脉冲强度进行分别调制，通过时序控制使得多台脉冲激光器按照一定的脉冲序列组合输出，可以实现的脉冲强度调制输出，同时具有高的平均功率。
控制模块0中的时序控制装置能够控制多路脉冲种子源1的激光输出时序，结合电流调节装置调制激光输出的脉冲强度，能够使激光在光纤合束器3进行合束后输出脉冲序列强度可以调制的合束激光。
具体地，本发明中的每路脉冲种子源1包括种子驱动电源11以及电光调制器16，时序控制装置具体与种子驱动电源11连接，并且多路脉冲种子源1的种子驱动电源11均与时序控制装置连接。通过该种设置方式，时序控制装置能够控制多路种子驱动电源11的开启先后顺序以及开启时间间隔，可以控制多路脉冲种子激光的输出时序，时序控制装置能够使间隔时间的精度达到纳秒量级。
本发明中的脉冲种子源1、光纤放大器2以及光纤合束器3依次连接，每路脉冲种子源1的激光输出端连接有种子源输出光纤5，每路光纤放大器2连接有与种子源输出光纤5一一对应的放大器输入光纤6，每根种子源输出光纤5与每根所述放大器输入光纤6连接。
进一步地，每路光纤放大器2还连接有放大器输出光纤7，光纤合束器3上连接有多根光纤合束器输入光纤8，每根放大器输出光纤7与每根光纤合束器输入光纤8连接。
通过上述不同组件上的相续连接的输入或者输出光纤，能够保证每路激光的独立性，避免各路激光之间发生干扰，从而能够进行针对性地调制，满足不同形式合束激光的调制需求。
本发明中的合束激光是通过监测反馈的形式与控制模块0建立控制以及反馈关系的，在光纤合束器3的输出端连接有单根合束器输出光纤9，用于将多路激光进行合束输出，在合束器输出光纤9上连接有脉冲监测反馈装置4，通过使脉冲监测反馈装置4与控制模块0连接的形式，能够对合束后的脉冲激光进行监测，并结合控制模块0对调制状态进行调整。
具体地，脉冲监测反馈装置4包括光电探测器及电压采集装置，光电探测器连接在合束器输出光纤9上，用于接收合束后的脉冲激光，并将合束器输出光纤9表面散射的脉冲激光信号转换为电流信号；电压采集装置连接在光电探测器及控制模块0之间，将光电探测器转换成的电流信号转换为电压信号，并传输给控制模块0，控制模块0依据得到的电压信号监测合束脉冲激光的性能参数。
脉冲种子源1还包括与种子驱动电源11连接的种子源泵浦激光器12，在种子源输出激光时，通过控制种子驱动电源11的通断，能够控制种子源泵浦激光器12对于脉冲激光的输出和关闭，电光调制器16具体设置在种子源泵浦激光器12的下游，能够调制种子源泵浦激光器12输出脉冲激光的频率以及脉冲宽度。使种子源泵浦激光器12输出频率为100Hz-100Mhz，脉冲宽度为10ns-500ns，输出功率为1-30W的脉冲激光。
本实施例中的电流调节装置，能够通过调节光纤放大器驱动电源21的输出电流来调制激光输出的脉冲强度，具体地，电流调节装置与多路连接，调节多路光纤放大器驱动电源21的输出电流大小，可以调节激光输出脉冲强度，电流调节装置的调节范围为光纤放大器2最高输出功率的10％-100％。通过电流调节装置，能够调制激光脉冲的强度，结合时序控制装置，能够输出脉冲序列强度可调制的合束激光。
以下对本发明中光纤激光器的具体组成以及操作过程进行详细说明。
光纤激光器主要包括控制模块0、多路脉冲种子源1、多路光纤放大器2、光纤合束器3、脉冲监测反馈装置4。
控制模块0包括时序控制装置和电流调节装置，时序控制装置与多路脉冲种子源1的种子驱动电源11连接，控制多路种子驱动电源11的开启先后顺序以及开启时间间隔，可以控制多路脉冲种子源1激光的输出时序，间隔时间精度可达纳秒量级。
电流调节装置与多路光纤放大器2的光纤放大器驱动电源21连接，调节多路光纤放大器驱动电源21的输出电流大小，可以调节激光输出脉冲强度，调节范围为最高输出功率的10％-100％。
脉冲种子源1由种子驱动电源11、种子源泵浦激光器12、种子源泵浦合束器13、种子源掺镱光纤15、高反光栅14、低反光栅17、电光调制器16、种子源包层光滤除器18和隔离器19组成。其可以产生重复频率为100Hz-100Mhz，脉冲宽度为10ns-500ns，平均输出功率为1-30W的脉冲激光。时序控制装置控制种子驱动电源11的开启和关闭，可以控制脉冲种子激光器的输出和关闭。
光纤放大器2包含光纤放大器驱动电源21、放大器泵浦激光器22、放大器泵浦合束器23、放大器掺镱光纤24以及放大器包层光滤除器25。电流调节装置设置光纤放大器驱动电源21输出电流，可以控制输出脉冲激光的强度。
光纤放大器2的输入光纤与脉冲种子源1的输出光纤连接，光纤放大器2的输出端与光纤合束器3的输入光纤连接。
光纤合束器3包含多根输入光纤和单根输出光纤，输入光纤分别与多台光纤放大器2的输出光纤连接，单根输出光纤用于输出脉冲序列强度调制的激光。
脉冲监控反馈装置包含光电探测器和电压采集装置，光电探测器放置于光纤合束器3的输出光纤上，将输出光纤表面散射的脉冲激光信号转换为电流信号，电压采集装置将电流信号转换为电压信号，并传输给控制模块0。
控制模块0在接收到合束脉冲激光的性能参数后，能够进一步调整电光调制器16以及电流调节装置的设定参数，从而满足合束激光的调制需求，能够输出不同类型以及规格的合束激光。
本发明还提供了一种包括上述光纤激光器的激光合束系统，能够实现不同脉冲强度的序列组合，同时使激光在合束后具有较高的平均功率。结合图4-图8，通过本发明中的激光合束系统能够将各路脉冲激光进行合束，从而发射出不同类型以及不同功率的合束激光。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤激光器，其特征在于，包括：控制模块、多路脉冲种子源、多路光纤放大器以及光纤合束器；
所述控制模块包括时序控制装置以及电流调节装置，所述时序控制装置与每路所述脉冲种子源连接，用于控制多路脉冲种子源的激光输出时序；
每路所述光纤放大器包括光纤放大器驱动电源，所述电流调节装置与每路所述光纤放大器驱动电源连接，用于调制激光输出的脉冲强度；
所述光纤合束器连接在多路所述光纤放大器的下游，用于输出脉冲序列强度调制的合束激光。
2.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述脉冲种子源包括种子驱动电源以及电光调制器，所述时序控制装置与所述种子驱动电源连接，所述电光调制器设置在所述种子驱动电源的下游。
3.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，每路所述脉冲种子源上连接有种子源输出光纤，每路所述光纤放大器连接有与所述种子源输出光纤一一对应的放大器输入光纤，每根所述种子源输出光纤与每根所述放大器输入光纤连接。
4.根据权利要求3所述的光纤激光器，其特征在于，每路所述光纤放大器还连接有放大器输出光纤，所述光纤合束器上连接有多根光纤合束器输入光纤，每根所述放大器输出光纤与每根所述光纤合束器输入光纤连接。
5.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述光纤合束器的输出端连接有单根合束器输出光纤，所述合束器输出光纤上连接有脉冲监测反馈装置，所述脉冲监测反馈装置与所述控制模块连接。
6.根据权利要求5所述的光纤激光器，其特征在于，所述脉冲监测反馈装置包括光电探测器及电压采集装置，所述光电探测器连接在所述合束器输出光纤上，所述电压采集装置连接在所述光电探测器及所述控制模块之间。
7.根据权利要求2所述的光纤激光器，其特征在于，所述脉冲种子源还包括与所述种子驱动电源连接的种子源泵浦激光器，所述电光调制器设置在所述种子源泵浦激光器的下游，能够调制所述种子源泵浦激光器输出脉冲激光的频率以及脉冲宽度。
8.根据权利要求7所述的光纤激光器，其特征在于，所述脉冲种子源输出脉冲激光的频率为100Hz-100Mhz，脉冲宽度为10ns-500ns，输出功率为1-30W。
9.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述电流调节装置通过调节所述光纤放大器驱动电源的输出电流来调制激光输出的脉冲强度，所述电流调节装置的调节范围为所述光纤放大器最高输出功率的10％-100％。
10.一种激光合束系统，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的光纤激光器。
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