CN115395353A - 一种高峰值功率高能量脉冲激光产生装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高峰值功率高能量脉冲激光产生装置和方法，属于脉冲激光技术领域。所述装置包括高反射率光纤光栅、前向泵浦合束器、增益光纤、传能光纤、后向泵浦合束器、泵浦模块、泵浦源驱动电源、低反射率光纤光栅和光纤输出端。本发明产生脉冲激光的装置，其结构简单、功率拓展性强，可以用于激光加工和激光清洗。

Description

一种高峰值功率高能量脉冲激光产生装置和方法
技术领域
本发明属于脉冲激光技术领域，尤其涉及一种高峰值功率高能量脉冲激光产生装置和方法。
背景技术
高峰值功率光纤激光在工业加工和科学研究领域都有重要的应用价值。高峰值功率激光的产生方式主要有调Q(Q值，光学谐振腔的品质因数)和锁模两种，通常调Q技术是实现峰值功率较高、且脉冲能量较大的脉冲激光方式。
调Q技术又分为主动调Q和被动调Q两种，主动调Q控制灵活，但是需要配套的控制电路，而且通常调Q器件功率承受能力较差，实现更高功率时需要进行进一步的光学放大，系统结构复杂；被动调Q方式结构更加简单，通常利用可饱和吸收体进行调Q，但是脉冲参数控制能力较弱，峰值功率、脉宽、重频具有一定关联性，在实际应用中局限性较大。
还有一类被动调Q方法是利用非线性进行调Q，主要利用受激布里渊散射效应。现有的调Q光纤激光器输出脉冲能量都不太高，平均功率在数十瓦量级，无法满足一些既需要高平均功率、又需要高峰值功率的激光应用场景。
发明内容
为了解决上述技术问题，本专利提出了一种高峰值功率高能量脉冲激光产生装置和方法。
本发明第一方面公开了一种高峰值功率高能量脉冲激光产生装置。所述装置包括：高反射率光纤光栅(1)、前向泵浦合束器(2)、增益光纤(3)、传能光纤(4)、后向泵浦合束器(5)、泵浦模块(6)、泵浦源驱动电源(7)、低反射率光纤光栅(8)和光纤输出端(9)；其中，通过依次布设所述高反射率光纤光栅(1)、所述前向泵浦合束器(2)、所述增益光纤(3)、所述后向泵浦合束器(5)和所述低反射率光纤光栅(8)组成全光纤结构的光纤振荡器；其中，所述前向泵浦合束器(2)和所述后向泵浦合束器(5)均包含若干所述泵浦模块(6)，所述泵浦模块(6)由所述泵浦源驱动电源(7)驱动，所述泵浦源驱动电源(7)用于控制所述泵浦模块(6)的功率和泵浦激光的时序，所述光纤输出端(9)与所述低反射率光纤光栅(8)连接；其中，所述传能光纤(4)位于所述增益光纤(3)和所述后向泵浦合束器(5)之间，所述传能光纤(4)通过光纤熔接的方式分别与所述增益光纤(3)和所述后向泵浦合束器(5)连接，用于产生受激拉曼散射效应。
根据本发明第一方面的装置，所述增益光纤(3)为纤芯包层尺寸沿纵向均匀的光纤或者为纤芯包层尺寸沿纵向变化的光纤；并且所述增益光纤(3)为掺稀土离子光纤，所述稀土离子包括镱离子、铒离子、铥离子、钬离子。
根据本发明第一方面的装置，所述传能光纤(4)为非稀土掺杂光纤，其连接端的纤芯包层尺寸与所述增益光纤(3)连接端的参数相同，且与所述后向泵浦合束器(5)连接端的参数也相同；所述传能光纤(4)连接端以外的其他位置为纤芯包层尺寸沿纵向均匀的光纤或者为纤芯包层尺寸沿纵向变化的光纤；所述传能光纤(4)的长度根据设计功率和拉曼阈值进行控制，长度范围为3-30米。
根据本发明第一方面的装置，所述高反射率光纤光栅(1)的中心波长位于所述增益光纤(3)的增益带宽内，所述高反射率光纤光栅(1)的反射率大于95％，反射带宽>1nm，其纤芯和包层直径与所述增益光纤(3)连接端相同。
根据本发明第一方面的装置，所述低反射率光纤光栅(8)的中心波长与所述高反射率光纤光栅(1)的中心波长相同，所述低反射率光纤光栅(8)的反射率范围为4％-50％，反射带宽>0.1nm，其纤芯和包层直径与所述增益光纤(3)连接端相同。
根据本发明第一方面的装置，所述前向泵浦合束器(2)包括信号端、泵浦端和输出端，所述前向泵浦合束器(2)的信号端的光纤纤芯直径与所述高反射率光纤光栅(1)的纤芯直径相同，所述前向泵浦合束器(2)的输出端的光纤纤芯和包层直径与增益光纤(3)的纤芯和包层直径相同。
根据本发明第一方面的装置，所述后向泵浦合束器(5)包括信号端、泵浦端和输出端，所述后向泵浦合束器(5)的信号端的光纤纤芯直径与所述增益光纤(3)的纤芯与包层直径相同，所述后向泵浦合束器(5)的输出端的光纤纤芯直径与所述低反射率光纤光栅(8)的纤芯直径相同。
根据本发明第一方面的装置，所述泵浦模块(6)分别与所述前向泵浦合束器(2)和所述后向泵浦合束器(5)的泵浦端的光纤连接，所述前向泵浦合束器(2)和所述后向泵浦合束器(5)的泵浦端的光纤具有相同的光纤尺寸；所述泵浦模块(6)的中心波长位于所述增益光纤(3)的吸收带内，且位于波长吸收超过第一阈值的波长位置；所述泵浦源驱动电源(7)为直流电源，用于控制所述泵浦模块(6)的输出电流和输出功率，所述泵浦源驱动电源(7)为连续输出电流或者为脉冲调制输出，调制电流脉冲具有可控脉宽和可控重频。
根据本发明第一方面的装置，所述激光输出模块(9)包含包层光滤除器和光纤输出端帽，所述激光输出模块(9)所使用的光纤的纤芯直径与数值孔径不小于所述后向泵浦合束器(5)所使用的尺寸。
本发明第二方面公开了一种高峰值功率高能量脉冲激光产生方法。所述方法基于本发明第一方面所述的装置来产生所述高峰值功率高能量脉冲激光。
所述装置包括：高反射率光纤光栅(1)、前向泵浦合束器(2)、增益光纤(3)、传能光纤(4)、后向泵浦合束器(5)、泵浦模块(6)、泵浦源驱动电源(7)、低反射率光纤光栅(8)和光纤输出端(9)；其中，通过依次布设所述高反射率光纤光栅(1)、所述前向泵浦合束器(2)、所述增益光纤(3)、所述后向泵浦合束器(5)和所述低反射率光纤光栅(8)组成全光纤结构的光纤振荡器；其中，所述前向泵浦合束器(2)和所述后向泵浦合束器(5)均包含若干所述泵浦模块(6)，所述泵浦模块(6)由所述泵浦源驱动电源(7)驱动，所述泵浦源驱动电源(7)用于控制所述泵浦模块(6)的功率和泵浦激光的时序，所述光纤输出端(9)与所述低反射率光纤光栅(8)连接；其中，所述传能光纤(4)位于所述增益光纤(3)和所述后向泵浦合束器(5)之间，所述传能光纤(4)通过光纤熔接的方式分别与所述增益光纤(3)和所述后向泵浦合束器(5)连接，用于产生受激拉曼散射效应。
所述方法具体包括：所述泵浦源驱动电源(7)产生脉宽驱动电流以驱动所述泵浦模块(6)产生泵浦光，所述泵浦光分别经由所述前向泵浦合束器(2)和所述后向泵浦合束器(5)注入到谐振腔中，所述增益光纤(3)吸收所述泵浦光后，在所述高反射率光纤光栅(1)和所述低反射率光纤光栅(8)的作用下产生准连续激光；当泵浦功率超过第二阈值时，所述谐振腔中产生受激拉曼散射，从而对所述谐振腔内的Q值进行调节，激光工作模式从所述准连续激光的状态转变为调Q状态，从而获得高峰值功率的脉冲激光输出。所述Q值为所述谐振腔的品质因数。
根据本发明第二方面的方法，所述增益光纤(3)为纤芯包层尺寸沿纵向均匀的光纤或者为纤芯包层尺寸沿纵向变化的光纤；并且所述增益光纤(3)为掺稀土离子光纤，所述稀土离子包括镱离子、铒离子、铥离子、钬离子。
根据本发明第二方面的方法，所述传能光纤(4)为非稀土掺杂光纤，其连接端的纤芯包层尺寸与所述增益光纤(3)连接端的参数相同，且与所述后向泵浦合束器(5)连接端的参数也相同；所述传能光纤(4)连接端以外的其他位置为纤芯包层尺寸沿纵向均匀的光纤或者为纤芯包层尺寸沿纵向变化的光纤；所述传能光纤(4)的长度根据设计功率和拉曼阈值进行控制，长度范围为3-30米。
根据本发明第二方面的方法，所述高反射率光纤光栅(1)的中心波长位于所述增益光纤(3)的增益带宽内，所述高反射率光纤光栅(1)的反射率大于95％，反射带宽>1nm，其纤芯和包层直径与所述增益光纤(3)连接端相同。
根据本发明第二方面的方法，所述低反射率光纤光栅(8)的中心波长与所述高反射率光纤光栅(1)的中心波长相同，所述低反射率光纤光栅(8)的反射率范围为4％-50％，反射带宽>0.1nm，其纤芯和包层直径与所述增益光纤(3)连接端相同。
根据本发明第二方面的方法，所述前向泵浦合束器(2)包括信号端、泵浦端和输出端，所述前向泵浦合束器(2)的信号端的光纤纤芯直径与所述高反射率光纤光栅(1)的纤芯直径相同，所述前向泵浦合束器(2)的输出端的光纤纤芯和包层直径与增益光纤(3)的纤芯和包层直径相同。
根据本发明第二方面的方法，所述后向泵浦合束器(5)包括信号端、泵浦端和输出端，所述后向泵浦合束器(5)的信号端的光纤纤芯直径与所述增益光纤(3)的纤芯与包层直径相同，所述后向泵浦合束器(5)的输出端的光纤纤芯直径与所述低反射率光纤光栅(8)的纤芯直径相同。
根据本发明第二方面的方法，所述泵浦模块(6)分别与所述前向泵浦合束器(2)和所述后向泵浦合束器(5)的泵浦端的光纤连接，所述前向泵浦合束器(2)和所述后向泵浦合束器(5)的泵浦端的光纤具有相同的光纤尺寸；所述泵浦模块(6)的中心波长位于所述增益光纤(3)的吸收带内，且位于波长吸收超过第一阈值的波长位置；所述泵浦源驱动电源(7)为直流电源，用于控制所述泵浦模块(6)的输出电流和输出功率，所述泵浦源驱动电源(7)为连续输出电流或者为脉冲调制输出，调制电流脉冲具有可控脉宽和可控重频。
根据本发明第二方面的方法，所述激光输出模块(9)包含包层光滤除器和光纤输出端帽，所述激光输出模块(9)所使用的光纤的纤芯直径与数值孔径不小于所述后向泵浦合束器(5)所使用的尺寸。
综上，本发明提供的技术方案基于振荡器中受激拉曼散射效应导致的驰豫振荡实现的高峰值功率脉冲输出，结合振荡器的驰豫振荡过程，实现类似调Q的效果；脉冲激光产生方式结构简单、功率拓展性强，可以用于激光加工、激光清洗以及其他领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式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方式，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为根据本发明实施例的一种高峰值功率高能量脉冲激光产生装置的第一结构组成图；
图2为根据本发明实施例的一种高峰值功率高能量脉冲激光产生装置的第二结构组成图；
图3为根据本发明实施例的一种高峰值功率高能量脉冲激光产生装置的第三结构组成图；
图4为根据本发明实施例的高峰值功率高能量脉冲激光产生装置输出的脉冲结果示意图；
其中，图1-3中的附图标记如下：1-高反射率光纤光栅，2-前向泵浦合束器，3-增益光纤，4-传能光纤，5-后向泵浦合束器，6-泵浦模块，7-泵浦源驱动电源，8-低反射率光纤光栅，9-光纤输出端。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例只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。
本发明第一方面公开了一种高峰值功率高能量脉冲激光产生装置。通过在光纤谐振腔中设计产生受激拉曼散射，调节信号光的损耗，结合谐振腔中的驰豫振荡过程，实现高峰值功率脉冲输出的结果。通过传能光纤长度和泵浦源驱动电源输出电流的时序控制，方便地实现脉冲能量和平均功率的调节，是一种新型的类被动调Q方案。
图1为根据本发明实施例的一种高峰值功率高能量脉冲激光产生装置的第一结构组成图；如图1所示，其原理是基于受激拉曼散射导致的驰豫振荡技术，所述脉冲激光产生方法的结构中至少包括：高反射率光纤光栅(1)、前向泵浦合束器(2)、增益光纤(3)、传能光纤(4)、后向泵浦合束器(5)、泵浦模块(6)、泵浦源驱动电源(7)、低反射率光纤光栅(8)和光纤输出端(9)；其中高反射率光纤光栅(1)、前向泵浦合束器(2)、增益光纤(3)、后向泵浦合束器(5)、低反射率光纤光栅(8)组成全光纤结构的光纤振荡器；所述传能光纤(4)位于增益光纤(3)之后，通过光纤熔接的方式与增益光纤(3)和后向泵浦合束器(5)连接，用于产生受激拉曼散射效应，从而实现类似调Q的功能；所述增益光纤(3)是掺稀土离子光纤；泵浦源驱动电源(7)可以控制泵浦模块(6)的功率也可以控制泵浦激光的时序。
进一步的，所述的增益光纤(3)可以是纤芯包层尺寸沿纵向均匀的光纤，也可以是纤芯包层尺寸沿纵向变化的光纤，例如锥形光纤。
进一步的，所述的稀土离子包括镱离子、铒离子、铥离子、钬离子。
进一步的，所述的传能光纤(4)是非稀土掺杂光纤，其连接端的纤芯包层尺寸与增益光纤(3)和后向泵浦合束器(5)连接端的参数相同，其他位置可以是纤芯包层尺寸沿纵向均匀的光纤，也可以是纤芯包层尺寸沿纵向变化的光纤，例如锥形光纤。
进一步的，所述的传能光纤(4)的长度可以调节，根据设计的功率和拉曼阈值进行控制，通常长度为3米-30米。
进一步的，所述的高反射率光纤光栅(1)的中心波长位于增益光纤(3)的增益带宽内，反射率>95％，反射带宽>1nm，纤芯和包层直径与增益光纤(3)连接端相同。
进一步的，所述的低反射率光纤光栅(8)的中心波长与高反射率光纤光栅(1)相同，反射率4％-50％，反射带宽>0.1nm，纤芯和包层直径与增益光纤(3)连接端相同。
进一步的，所述的前向泵浦合束器(2)包括信号端、泵浦端和输出端，其中信号端光纤纤芯直径与高反射率光纤光栅(1)的纤芯直径相同，输出端光纤纤芯和包层直径与增益光纤(3)的纤芯与包层直径相同。
进一步的，所述的后向泵浦合束器(5)包括信号端、泵浦端和输出端，其中信号端光纤纤芯直径与增益光纤(3)的纤芯与包层直径相同，输出端光纤纤芯直径与低反射率光纤光栅(8)的纤芯直径相同。
进一步的，所述的泵浦模块(6)与前向泵浦合束器(2)和后向泵浦合束器(5)的泵浦端光纤连接，二者光纤尺寸相同。
进一步的，所述的泵浦模块(6)的中心波长位于增益光纤(3)的吸收带内，通常位于吸收较大的波长位置。
进一步的，所述的泵浦源驱动电源(7)为直流电源，用于控制泵浦模块(6)的输出电流，从而控制其输出功率。
进一步的，所述的泵浦源驱动电源(7)可以是连续输出电流，也可以采用脉冲调制输出，调制电流脉冲的脉宽、重频可控。
进一步的，所述激光输出模块(9)包含包层光滤除器和光纤输出端帽，所述激光输出模块(9)使用光纤的纤芯直径与数值孔径不小于后向泵浦合束器(5)输出端光纤的相应光学参数。
具体地，图1中的结构为双向泵浦振荡器结构包括高反射率光纤光栅(1)、前向泵浦合束器(2)、增益光纤(3)、传能光纤(4)、后向泵浦合束器(5)、低反射率光纤光栅(8)和光纤输出端(9)按顺序光学连接；泵浦模块(6)与前向泵浦合束器(2)和后向泵浦合束器(5)的泵浦端光学连接；泵浦源驱动电源(7)与泵浦模块(6)电学连接，驱动其产生泵浦光输出。
所述高反射率光纤光栅(1)的中心波长为1080nm、反射率为99％、反射带宽为3nm，光纤参数为30/400μm。
所述前向泵浦合束器(2)信号端光纤为30/400μm，输出端光纤为30/600μm，泵浦端光纤为135/155μm，信号端光纤纤芯插入损耗为0.1dB。
所述增益光纤(3)为30/600μm掺镱光纤，纤芯数值孔径为0.06，吸收系数为1.2dB/m@976nm，长度为17米。
所述传能光纤(4)为30/600μm掺锗光纤，纤芯数值孔径为0.06，长度为10米。
所述后向泵浦合束器(5)信号端光纤为30/400μm，输出端光纤为30/600μm，泵浦端光纤为135/155μm，信号端光纤纤芯插入损耗为0.1dB。
所述泵浦模块(6)为18只中心波长为976nm的半导体泵浦源，单个泵浦源输出光纤尺寸为135/155μm、输出功率为300W。
所述泵浦源驱动电源(7)可以连续输出电流也可以脉冲输出电流，脉冲控制时，调制频率为100Hz-10kHz，脉宽最小可到10μs，占空比可调。
所述低反射率光纤光栅(8)的中心波长为1080nm、反射率为10％、反射带宽为2nm，光纤参数为30/400μm。
所述光纤输出端(9)包含了包层光滤除器、和输出端帽，光纤为50/400μm，长度3米。
工作时，所述泵浦源驱动电源(7)产生脉宽50μs，重频1kHz的驱动电流，驱动泵浦模块(6)产生泵浦光，从前向泵浦合束器(2)和后向泵浦合束器(5)注入到谐振腔中。增益光纤(3)吸收泵浦光后，在高反射率光纤光栅(1)和低反射率光纤光栅(8)的作用下，产生1080nm的准连续激光。当泵浦功率加大时，谐振腔中产生受激拉曼散射，从而对腔内的Q值进行调节，此时激光工作模式会从原来的准连续状态转变为调Q状态，从而获得高峰值功率的脉冲。利用该实施例可以获得平均功率大于500W、峰值功率大于30kW的1080nm波段脉冲激光输出。
图2为根据本发明实施例的一种高峰值功率高能量脉冲激光产生装置的第二结构组成图；如图2所示，通常称作前向泵浦振荡器结构，与图1相比取消了后向泵浦合束器(5)，其结构包括高反射率光纤光栅(1)、前向泵浦合束器(2)、增益光纤(3)、传能光纤(4)、低反射率光纤光栅(8)和光纤输出端(9)按顺序光学连接；泵浦模块(6)与前向泵浦合束器(2)的泵浦端光学连接；泵浦源驱动电源(7)与泵浦模块(6)电学连接，驱动其产生泵浦光输出。
所述高反射率光纤光栅(1)的中心波长为1080nm、反射率为99％、反射带宽为3nm，光纤参数为30/400μm。
所述前向泵浦合束器(2)信号端光纤为30/400μm，输出端光纤为30/600μm，泵浦端光纤为135/155μm，信号端光纤纤芯插入损耗为0.1dB。
所述增益光纤(3)为30/600μm掺镱光纤，纤芯数值孔径为0.06，吸收系数为1.2dB/m@976nm，长度为17米。
所述传能光纤(4)为30/600μm掺锗光纤，纤芯数值孔径为0.06，长度为10米。
所述泵浦模块(6)为18只中心波长为976nm的半导体泵浦源，单个泵浦源输出光纤尺寸为135/155μm、输出功率为300W。
所述泵浦源驱动电源(7)可以连续输出电流也可以脉冲输出电流，脉冲控制时，调制频率为100Hz-10kHz，脉宽最小可到10μs，占空比可调。
所述低反射率光纤光栅(8)的中心波长为1080nm、反射率为10％、反射带宽为2nm，光纤参数为30/600μm。
所述光纤输出端(9)包含了包层光滤除器、和输出端帽，光纤为50/600μm，长度3米。
工作时，所述泵浦源驱动电源(7)产生脉宽50μs，重频1kHz的驱动电流，驱动泵浦模块(6)产生泵浦光，从前向泵浦合束器(2)注入到谐振腔中。增益光纤(3)吸收泵浦光后，在高反射率光纤光栅(1)和低反射率光纤光栅(8)的作用下，产生1080nm的准连续激光。当泵浦功率加大时，谐振腔中产生受激拉曼散射，从而对腔内的Q值进行调节，此时激光工作模式会从原来的准连续状态转变为调Q状态，从而获得高峰值功率的脉冲。利用该实施例可以获得平均功率大于300W、峰值功率大于20kW的1080nm波段脉冲激光输出。
图3为根据本发明实施例的一种高峰值功率高能量脉冲激光产生装置的第三结构组成图；如图3所示，通常称作后向泵浦振荡器结构，与图1相比取消了前向泵浦合束器(2)，其结构包括高反射率光纤光栅(1)、增益光纤(3)、传能光纤(4)、后向泵浦合束器(5)、低反射率光纤光栅(8)和光纤输出端(9)按顺序光学连接；泵浦模块(6)与后向泵浦合束器(5)的泵浦端光学连接；泵浦源驱动电源(7)与泵浦模块(6)电学连接，驱动其产生泵浦光输出。
所述高反射率光纤光栅(1)的中心波长为1080nm、反射率为99％、反射带宽为3nm，光纤参数为30/600μm。
所述增益光纤(3)为30/600μm掺镱光纤，纤芯数值孔径为0.06，吸收系数为1.2dB/m@976nm，长度为17米。
所述传能光纤(4)为30/600μm掺锗光纤，纤芯数值孔径为0.06，长度为10米。
所述后向泵浦合束器(5)信号端光纤为30/400μm，输出端光纤为30/600μm，泵浦端光纤为135/155μm，信号端光纤纤芯插入损耗为0.1dB。
所述泵浦模块(6)为18只中心波长为976nm的半导体泵浦源，单个泵浦源输出光纤尺寸为135/155μm、输出功率为300W。
所述泵浦源驱动电源(7)可以连续输出电流也可以脉冲输出电流，脉冲控制时，调制频率为100Hz-10kHz，脉宽最小可到10μs，占空比可调。
所述低反射率光纤光栅(8)的中心波长为1080nm、反射率为10％、反射带宽为2nm，光纤参数为30/400μm。
所述光纤输出端(9)包含了包层光滤除器、和输出端帽，光纤为50/400μm，长度3米。
工作时，所述泵浦源驱动电源(7)产生脉宽50μs，重频1kHz的驱动电流，驱动泵浦模块(6)产生泵浦光，从后向泵浦合束器(5)注入到谐振腔中。增益光纤(3)吸收泵浦光后，在高反射率光纤光栅(1)和低反射率光纤光栅(8)的作用下，产生1080nm的准连续激光。当泵浦功率加大时，谐振腔中产生受激拉曼散射，从而对腔内的Q值进行调节，此时激光工作模式会从原来的准连续状态转变为调Q状态，从而获得高峰值功率的脉冲。利用该实施例可以获得平均功率大于600W、峰值功率大于40kW的1080nm波段脉冲激光输出。
图4为根据本发明实施例的高峰值功率高能量脉冲激光产生装置输出的脉冲结果示意图；如图4所示，准连续脉冲的脉宽为50μs，当到达调Q状态时，输出激光从准连续(峰值功率较低)状态转变为调Q(峰值功率较高)状态，并且输出脉冲稳定。
本发明第二方面公开了一种高峰值功率高能量脉冲激光产生方法。所述方法基于本发明第一方面所述的装置来产生所述高峰值功率高能量脉冲激光。
所述装置包括：高反射率光纤光栅(1)、前向泵浦合束器(2)、增益光纤(3)、传能光纤(4)、后向泵浦合束器(5)、泵浦模块(6)、泵浦源驱动电源(7)、低反射率光纤光栅(8)和光纤输出端(9)；其中，通过依次布设所述高反射率光纤光栅(1)、所述前向泵浦合束器(2)、所述增益光纤(3)、所述后向泵浦合束器(5)和所述低反射率光纤光栅(8)组成全光纤结构的光纤振荡器；其中，所述前向泵浦合束器(2)和所述后向泵浦合束器(5)均包含若干所述泵浦模块(6)，所述泵浦模块(6)由所述泵浦源驱动电源(7)驱动，所述泵浦源驱动电源(7)用于控制所述泵浦模块(6)的功率和泵浦激光的时序，所述光纤输出端(9)与所述低反射率光纤光栅(8)连接；其中，所述传能光纤(4)位于所述增益光纤(3)和所述后向泵浦合束器(5)之间，所述传能光纤(4)通过光纤熔接的方式分别与所述增益光纤(3)和所述后向泵浦合束器(5)连接，用于产生受激拉曼散射效应。
所述方法具体包括：所述泵浦源驱动电源(7)产生脉宽驱动电流以驱动所述泵浦模块(6)产生泵浦光，所述泵浦光分别经由所述前向泵浦合束器(2)和所述后向泵浦合束器(5)注入到谐振腔中，所述增益光纤(3)吸收所述泵浦光后，在所述高反射率光纤光栅(1)和所述低反射率光纤光栅(8)的作用下产生准连续激光；当泵浦功率超过第二阈值时，所述谐振腔中产生受激拉曼散射，从而对所述谐振腔内的Q值进行调节，激光工作模式从所述准连续激光的状态转变为调Q状态，从而获得高峰值功率的脉冲激光输出。所述Q值为所述谐振腔的品质因数。
根据本发明第二方面的方法，所述增益光纤(3)为纤芯包层尺寸沿纵向均匀的光纤或者为纤芯包层尺寸沿纵向变化的光纤；并且所述增益光纤(3)为掺稀土离子光纤，所述稀土离子包括镱离子、铒离子、铥离子、钬离子。
根据本发明第二方面的方法，所述传能光纤(4)为非稀土掺杂光纤，其连接端的纤芯包层尺寸与所述增益光纤(3)连接端的参数相同，且与所述后向泵浦合束器(5)连接端的参数也相同；所述传能光纤(4)连接端以外的其他位置为纤芯包层尺寸沿纵向均匀的光纤或者为纤芯包层尺寸沿纵向变化的光纤；所述传能光纤(4)的长度根据设计功率和拉曼阈值进行控制，长度范围为3-30米。
根据本发明第二方面的方法，所述高反射率光纤光栅(1)的中心波长位于所述增益光纤(3)的增益带宽内，所述高反射率光纤光栅(1)的反射率大于95％，反射带宽>1nm，其纤芯和包层直径与所述增益光纤(3)连接端相同。
根据本发明第二方面的方法，所述低反射率光纤光栅(8)的中心波长与所述高反射率光纤光栅(1)的中心波长相同，所述低反射率光纤光栅(8)的反射率范围为4％-50％，反射带宽>0.1nm，其纤芯和包层直径与所述增益光纤(3)连接端相同。
根据本发明第二方面的方法，所述前向泵浦合束器(2)包括信号端、泵浦端和输出端，所述前向泵浦合束器(2)的信号端的光纤纤芯直径与所述高反射率光纤光栅(1)的纤芯直径相同，所述前向泵浦合束器(2)的输出端的光纤纤芯和包层直径与增益光纤(3)的纤芯和包层直径相同。
根据本发明第二方面的方法，所述后向泵浦合束器(5)包括信号端、泵浦端和输出端，所述后向泵浦合束器(5)的信号端的光纤纤芯直径与所述增益光纤(3)的纤芯与包层直径相同，所述后向泵浦合束器(5)的输出端的光纤纤芯直径与所述低反射率光纤光栅(8)的纤芯直径相同。
根据本发明第二方面的方法，所述泵浦模块(6)分别与所述前向泵浦合束器(2)和所述后向泵浦合束器(5)的泵浦端的光纤连接，所述前向泵浦合束器(2)和所述后向泵浦合束器(5)的泵浦端的光纤具有相同的光纤尺寸；所述泵浦模块(6)的中心波长位于所述增益光纤(3)的吸收带内，且位于波长吸收超过第一阈值的波长位置；所述泵浦源驱动电源(7)为直流电源，用于控制所述泵浦模块(6)的输出电流和输出功率，所述泵浦源驱动电源(7)为连续输出电流或者为脉冲调制输出，调制电流脉冲具有可控脉宽和可控重频。
根据本发明第二方面的方法，所述激光输出模块(9)包含包层光滤除器和光纤输出端帽，所述激光输出模块(9)所使用的光纤的纤芯直径与数值孔径不小于所述后向泵浦合束器(5)所使用的尺寸。
综上，本发明公开的技术方案通过在光纤谐振腔中设计产生受激拉曼散射来进行调控，类似于被动调Q方案。该方法结构简单，平均功率高，不用进一步功率放大，适合同时要求高平均功率和高脉冲峰值功率的应用场景。另外，通过传能光纤长度的控制和泵浦源驱动电源时域的脉冲泵浦控制，可以进一步控制平均功率和脉冲能量，从而灵活地实现所需脉冲能量。
请注意，以上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申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种高峰值功率高能量脉冲激光产生装置，其特征在于，所述装置包括：高反射率光纤光栅(1)、前向泵浦合束器(2)、增益光纤(3)、传能光纤(4)、后向泵浦合束器(5)、泵浦模块(6)、泵浦源驱动电源(7)、低反射率光纤光栅(8)和光纤输出端(9)；
其中，通过依次布设所述高反射率光纤光栅(1)、所述前向泵浦合束器(2)、所述增益光纤(3)、所述后向泵浦合束器(5)和所述低反射率光纤光栅(8)组成全光纤结构的光纤振荡器；
其中，所述前向泵浦合束器(2)和所述后向泵浦合束器(5)均包含若干所述泵浦模块(6)，所述泵浦模块(6)由所述泵浦源驱动电源(7)驱动，所述泵浦源驱动电源(7)用于控制所述泵浦模块(6)的功率和泵浦激光的时序，所述光纤输出端(9)与所述低反射率光纤光栅(8)连接；
其中，所述传能光纤(4)位于所述增益光纤(3)和所述后向泵浦合束器(5)之间，所述传能光纤(4)通过光纤熔接的方式分别与所述增益光纤(3)和所述后向泵浦合束器(5)连接，用于产生受激拉曼散射效应。
2.根据权利要求1所述的一种高峰值功率高能量脉冲激光产生装置，其特征在于：
所述增益光纤(3)为纤芯包层尺寸沿纵向均匀的光纤或者为纤芯包层尺寸沿纵向变化的光纤；并且
所述增益光纤(3)为掺稀土离子光纤，所述稀土离子包括镱离子、铒离子、铥离子、钬离子。
3.根据权利要求1所述的一种高峰值功率高能量脉冲激光产生装置，其特征在于：
所述传能光纤(4)为非稀土掺杂光纤，其连接端的纤芯包层尺寸与所述增益光纤(3)连接端的参数相同，且与所述后向泵浦合束器(5)连接端的参数也相同；
所述传能光纤(4)连接端以外的其他位置为纤芯包层尺寸沿纵向均匀的光纤或者为纤芯包层尺寸沿纵向变化的光纤；
所述传能光纤(4)的长度根据设计功率和拉曼阈值进行控制，长度范围为3-30米。
4.根据权利要求1所述的一种高峰值功率高能量脉冲激光产生装置，其特征在于：
所述高反射率光纤光栅(1)的中心波长位于所述增益光纤(3)的增益带宽内，所述高反射率光纤光栅(1)的反射率大于95％，反射带宽>1nm，其纤芯和包层直径与所述增益光纤(3)连接端相同。
5.根据权利要求1所述的一种高峰值功率高能量脉冲激光产生装置，其特征在于：
所述低反射率光纤光栅(8)的中心波长与所述高反射率光纤光栅(1)的中心波长相同，所述低反射率光纤光栅(8)的反射率范围为4％-50％，反射带宽>0.1nm，其纤芯和包层直径与所述增益光纤(3)连接端相同。
6.根据权利要求1任一项所述的一种高峰值功率高能量脉冲激光产生装置，其特征在于：
所述前向泵浦合束器(2)包括信号端、泵浦端和输出端，所述前向泵浦合束器(2)的信号端的光纤纤芯直径与所述高反射率光纤光栅(1)的纤芯直径相同，所述前向泵浦合束器(2)的输出端的光纤纤芯和包层直径与增益光纤(3)的纤芯和包层直径相同。
7.根据权利要求1所述的一种高峰值功率高能量脉冲激光产生装置，其特征在于：所述后向泵浦合束器(5)包括信号端、泵浦端和输出端，所述后向泵浦合束器(5)的信号端的光纤纤芯直径与所述增益光纤(3)的纤芯与包层直径相同，所述后向泵浦合束器(5)的输出端的光纤纤芯直径与所述低反射率光纤光栅(8)的纤芯直径相同。
8.根据权利要求1所述的一种高峰值功率高能量脉冲激光产生装置，其特征在于：
所述泵浦模块(6)分别与所述前向泵浦合束器(2)和所述后向泵浦合束器(5)的泵浦端的光纤连接，所述前向泵浦合束器(2)和所述后向泵浦合束器(5)的泵浦端的光纤具有相同的光纤尺寸；
所述泵浦模块(6)的中心波长位于所述增益光纤(3)的吸收带内，且位于波长吸收超过第一阈值的波长位置；
所述泵浦源驱动电源(7)为直流电源，用于控制所述泵浦模块(6)的输出电流和输出功率，所述泵浦源驱动电源(7)为连续输出电流或者为脉冲调制输出，调制电流脉冲具有可控脉宽和可控重频。
9.根据权利要求1所述的一种高峰值功率高能量脉冲激光产生装置，其特征在于：
所述激光输出模块(9)包含包层光滤除器和光纤输出端帽，所述激光输出模块(9)所使用的光纤的纤芯直径与数值孔径不小于所述后向泵浦合束器(5)所使用的尺寸。
10.一种高峰值功率高能量脉冲激光产生方法，所述方法基于权利要求1-9任一项所述的装置来产生所述高峰值功率高能量脉冲激光；其特征在于：
所述装置包括：高反射率光纤光栅(1)、前向泵浦合束器(2)、增益光纤(3)、传能光纤(4)、后向泵浦合束器(5)、泵浦模块(6)、泵浦源驱动电源(7)、低反射率光纤光栅(8)和光纤输出端(9)；
其中，通过依次布设所述高反射率光纤光栅(1)、所述前向泵浦合束器(2)、所述增益光纤(3)、所述后向泵浦合束器(5)和所述低反射率光纤光栅(8)组成全光纤结构的光纤振荡器；
其中，所述前向泵浦合束器(2)和所述后向泵浦合束器(5)均包含若干所述泵浦模块(6)，所述泵浦模块(6)由所述泵浦源驱动电源(7)驱动，所述泵浦源驱动电源(7)用于控制所述泵浦模块(6)的功率和泵浦激光的时序，所述光纤输出端(9)与所述低反射率光纤光栅(8)连接；
其中，所述传能光纤(4)位于所述增益光纤(3)和所述后向泵浦合束器(5)之间，所述传能光纤(4)通过光纤熔接的方式分别与所述增益光纤(3)和所述后向泵浦合束器(5)连接，用于产生受激拉曼散射效应；
所述方法具体包括：
所述泵浦源驱动电源(7)产生脉宽驱动电流以驱动所述泵浦模块(6)产生泵浦光，所述泵浦光分别经由所述前向泵浦合束器(2)和所述后向泵浦合束器(5)注入到谐振腔中，所述增益光纤(3)吸收所述泵浦光后，在所述高反射率光纤光栅(1)和所述低反射率光纤光栅(8)的作用下产生准连续激光；
当泵浦功率超过第二阈值时，所述谐振腔中产生受激拉曼散射，从而对所述谐振腔内的Q值进行调节，激光工作模式从所述准连续激光的状态转变为调Q状态，从而获得高峰值功率的脉冲激光输出。所述Q值为所述谐振腔的品质因数。
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