CN116511699A - 加工用混合脉冲高功率激光装置及构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种加工用混合脉冲高功率激光装置及构建方法，包括：激光发生机构，所述激光发生机构用于根据生产需求提供种子激光输出；激光放大机构，所述激光放大机构连接所述激光发生机构，用于提高所述激光发生机构的输出功率以及产生混合激光脉冲；激光防护机构，所述激光防护机构连接所述激光放大机构，所述激光防护机构用于防止回返光对激光系统的损坏；激光补偿机构，所述激光补偿机构连接所述激光放大机构，所述激光补偿机构用于对所述激光放大机构进行提供能量，具有结构简单可靠，可维护性良好，成本较现有技术方案大幅降低的效果。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工设备的技术领域，特别地，涉及一种加工用混合脉冲高功率激光装置，此外，还包括一种包括上述加工用混合脉冲高功率激光装置的激光构建方法。
背景技术
超快激光通常指具有百皮秒量级或更短的脉冲宽度的激光束，其应用于激光加工具有独特的优势。例如，其可以突破等离子体屏蔽以提高能量的利用率，利用极高的峰值功率实现多光子吸收等。然而现有的超快激光器通常功率和单脉冲能量较低，市售的商用超快激光功率通常被限制在百瓦以内，部分高端产品具有数百瓦的功率。此外，由于脉冲较短，其热效应小，针对某些应用也会影响加工效率。光纤激光器由于采用光纤作为光路传输介质，具有大的比表面积，容易进行热管理，是高功率激光输出的优势技术方案。然而，光纤中较小的模场面积和较长的光与物质相互作用距离又难于对超短脉冲激光实现无畸变放大，需要采用诸如分脉冲放大、相干合束、管理等复杂的技术方案实现，虽然其提供了接近种子激光的高功率高质量脉冲输出，但是结构复杂、成本高昂。针对大多数工业应用场景，例如切割、清洗等应用，往往并不需要接近衍射极限的光束质量，而期望多种效应共同作用，并提供高平均功率提高加工效率，需要提供一种简单可靠，可维护性良好，成本较现有技术方案大幅降低的高功率超快激光加工解决方案。
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种加工用混合脉冲高功率激光装置及构建方法。
发明内容
本发明提供了一种加工用混合脉冲高功率激光装置及构建方法，以解决现有技术中针对大多数工业应用场景，例如切割、清洗等应用，往往需要多种效应共同作用，提高加工效率，需要提供一种简单可靠，可维护性良好，成本较现有技术方案大幅降低的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种加工用混合脉冲高功率激光装置，包括：
激光发生机构，所述激光发生机构用于根据生产需求提供超快种子激光输出；
激光放大机构，所述激光放大机构连接所述激光发生机构，且用于提高所述激光发生机构的输出功率以及产生混合激光脉冲；
激光防护机构，所述激光防护机构连接所述激光放大机构，所述激光防护机构用于防止回返光对激光系统的损坏；
激光补偿机构，所述激光补偿机构连接所述激光放大机构，所述激光补偿机构用于对所述激光放大机构提供能量。
通过采用上述技术方案，针对如切割、清洗等大多数工业应用场景，提供一种采用大纤芯尺寸增益光纤的混合脉冲激光器方案，包括使用激光发生机构与激光放大机构发射出所需的脉冲激光束，在通过激光防护机构防止回返光对激光系统的损坏且通过激光补偿机构激光放大机构提供能量补偿，减少了常规激光放大机构或大模场光纤放大器中的非线性效应，大幅提高了超快光纤激光器的输出功率。在放大时，由于大纤芯尺寸增益光纤中存在模式色散，部分脉冲被展宽，部分脉冲仍然维持较小的脉冲宽度，从而得到一个平均功率500W以上的由皮秒和/或纳秒脉冲构成的混合脉宽激光脉冲，其结构简单可靠，可维护性良好，成本较现有技术方案大幅降低。
进一步地，所述激光发生机构包括控制器与半导体激光发生器，所述控制器连接所述半导体激光发生器，所述控制器用于控制所述半导体激光发生器进行种子脉冲激光输出。
进一步地，所述激光放大机构包括光纤预放大器与光纤主放大器；
所述光纤预放大器连接所述半导体激光发生器，所述光纤预放大器用于提供至少一次的加强所述半导体激光发生器的输出功率；
所述光纤主放大器连接所述光纤预放大器，所述光纤主放大器用于稳定输出指定功率的脉冲激光。
进一步地，所述光纤预放大器包括三级功率放大，所述光纤预放大器对所述半导体激光发生器发射的激光脉冲进行第一级功率放大、第二级功率放大和第三级功率放大。
进一步地，所述激光防护机构包括光纤隔离器，所述光纤隔离器分别设置于所述光纤预放大器与所述光纤主放大器之间，且所述光纤隔离器还设置于所述光纤预放大器的各放大级之间，所述光纤隔离器用于防止光纤内的回返光对脉冲激光造成损坏。
进一步地，所述光纤补偿机构包括泵浦半导体激光发生器，所述泵浦半导体激光器分别连接所述光纤预放大器与所述光纤主放大器，所述泵浦半导体激光器用于对所述光纤预放大器和/或所述光纤主放大器提供能量。
根据本发明的另一个方面，提供一种激光构建方法，包括上述所述的加工用混合脉冲高功率激光装置。还包括：
步骤1：根据生产需求控制半导体激光发生器输出1030nm中心波长的脉冲种子激光，其脉宽小于200ps的激光脉冲，脉冲重复频率大于50MHz；
步骤2：将步骤1中输出的脉冲种子激光经光纤隔离器隔开输送并经光纤预放大器放大至平均功率8W；
步骤3：将步骤2中放大后的脉冲种子激光经光纤隔离器传输至光纤主放大器中，通过光纤主放大器输出脉冲重复频率1GHz，且脉冲脉宽有至少10％小于50ps，有至少10％大于200ps，并且以平均功率600W的高功率超快激光输出。
进一步地，步骤2中光纤预放大器通过三级放大输出平均功率8W的脉冲激光，且第一级将功率放大至50mW，第二级将功率放大至1W。第三级将平均功率放大至8W。
进一步地，步骤2中泵浦半导体激光器采用915nm的多模光纤耦合半导体激光，并用于对光纤预放大器提供能量。
进一步地，步骤3中光纤主放大器采用纤芯直径80um的双包层多模光纤，并通过976nm波长的泵浦半导体激光器提供能量。
本发明具有以下有益效果：
本发明一种加工用混合脉冲高功率激光装置及构建方法，包括半导体激光发生器，光纤隔离器，光纤预放大器，泵浦半导体激光器，光纤主放大器。半导体激光发生器输出1030nm中心波长的脉冲种子激光，其脉宽50ps，重复频率1GHz，平均功率1mW，输出的脉冲经过光纤在线隔离器2，被光纤预防大器3放大至平均功率8W，光纤预防大器包含了3级放大结构，第一级将功率放大至50mW，第二级将功率放大至1W。第三级将平均功率放大至8W。预放大级之后的光纤在线隔离器用于级间保护，泵浦半导体激光器采用915nm的多模光纤耦合半导体激光，用于提供能量。主放大器采用纤芯直径80um的双包层多模光纤，并通过976nm波长的泵浦半导体激光器提供能量，最终，主放大器可以输出脉冲重复频率1GHz，脉冲有至少10％小于50ps，有至少10％大于200ps，平均功率600W的高功率超快激光输出，大纤芯尺寸的主放大器减少了常规光纤放大器或大模场光纤放大器中的非线性效应，大幅提高了超快光纤激光器的输出功率，并利用大纤芯尺寸光纤中的模式色散产生混合脉冲。其结构简单可靠，可维护性良好，成本较现有技术方案大幅降低。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的整体结构示意图；
图2是图1中的光纤预放大器的多级示意图；
图3是本实施例中激光构建方法的流程图；
图4是本实施例中激光脉冲的模式色散图。
图例说明：
1、半导体激光发生器；2、电驱动器；3、光纤隔离器；4、光纤预放大器；5、光纤主放大器；6、泵浦半导体激光器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
如图1、图2所示，本实施例公开一种加工用混合脉冲高功率激光装置，包括：激光发生机构、激光放大机构、激光防护机构与激光补偿机构，激光发生机构用于根据生产需求提供超快种子激光；激光放大机构连接激光发生机构，激光放大机构根据产品需求调节激光发生机构产生激光脉冲，且用于提高激光发生机构的输出功率以及产生混合激光脉冲；激光防护机构连接激光放大机构，激光防护机构用于防止回返光对激光系统的损坏；激光补偿机构连接激光放大机构，激光补偿机构用于对激光放大机构进行提供能量。针对如切割、清洗等大多数工业应用场景，提供一种采用大纤芯尺寸增益光纤的混合脉冲激光器方案，包括使用激光发生机构与激光放大机构发射出所需的脉冲激光束，在通过激光防护机构防止回返光对激光系统的损坏且通过激光补偿机构激光放大机构提供能量补偿，减少了常规激光放大机构或大模场光纤放大器中的非线性效应，大幅提高了超快光纤激光器的输出功率，在放大时，由于模式色散，部分脉冲存在展宽，得到一个平均功率500W以上的由皮秒和/或纳秒脉冲构成的混合脉宽激光脉冲，其结构简单可靠，可维护性良好，成本较现有技术方案大幅降低。
为了稳定输出所需的激光脉冲设置了激光发生机机构，激光发生机构包括电驱动器2与半导体激光发生器1，电驱动器2连接半导体激光发生器1，电驱动器2用于根据需求控制半导体激光发生器1进行混合的脉冲激光输出，根据待加工的材料种类输出指定大小的激光脉冲，其波长范围介于1020-1080nm之间，输出单脉冲宽度小于200ps的激光脉冲，脉冲重复频率大于50MHz。
激光放大机构包括光纤预放大器4与光纤主放大器5；光纤预放大器4连接半导体激光发生器1，光纤预放大器4用于提供至少一次的加强半导体激光发生器1的输出功率；光纤主放大器5连接光纤预放大器4，光纤主放大器5用于稳定输出指定功率的脉冲激光。光纤预放大器4包括三级功率放大，光纤预放大器4的第一级放大功率在[40mW-60mW]，光纤预放大器4的第二级放大功率在[0.8W-1.2W]，预放大器的第三级放大功率在[6W-10W]。脉冲输出可以是时间上均匀分布的脉冲，可以是脉冲串。每一个脉冲串至少包含两个独立的激光脉冲，脉冲间隔小于20纳秒，同一个脉冲串立的不同脉冲可以具有不同的脉冲宽度。光纤预放大器4采用芯径小于30微米的光纤，用于将半导体激光发生器1的功率放大。光纤预防大器可以是单级放大器，也可以是级联的多级放大器，光纤预防大器的输出功率大于1瓦。光纤主放大器5，采用芯径大于50微米的光纤，用于将光纤预放大器4的功率放大，其输出功率大于500瓦。
为了避免光纤放大器之间的回光影响激光脉冲的传输谁设置了激光防护机构，激光防护机构包括光纤隔离器3，光纤隔离器3分别设置于光纤预放大器4与光纤主放大器5之间，且光纤隔离器3还设置于光纤预放大器4的各放大级之间，光纤隔离器3用于防止光纤内的回返光对脉冲激光造成损坏。
光纤补偿机构包括泵浦半导体激光发生器1，泵浦半导体激光器6分别连接光纤预放大器4与光纤主放大器5，泵浦半导体激光器6用于对光纤预放大器4和/或光纤主放大器5提供能量。
本实施例一种加工用混合脉冲高功率激光装置的工作原理：包括半导体激光发生器1，光纤隔离器3，光纤预放大器4，泵浦半导体激光器6，光纤主放大器5。半导体激光发生器1输出1030nm中心波长的脉冲种子激光，其脉宽50ps，重复频率1GHz，平均功率1mW，输出的脉冲经过光纤在线隔离器2，被光纤预防大器3放大至平均功率8W，光纤预防大器包含了3级放大结构，第一级将功率放大至50mW，第二级将功率放大至1W。第三级将平均功率放大至8W。预放大级之后的光纤在线隔离器用于级间保护，泵浦半导体激光器6采用915nm的多模光纤耦合半导体激光，用于提供能量。主放大器采用纤芯直径80um的双包层多模光纤，并通过976nm波长的泵浦半导体激光器6提供能量，最终，主放大器可以输出脉冲重复频率1GHz，脉冲有至少10％小于50ps，有至少10％大于200ps，平均功率600W的高功率超快激光输出，通过大纤芯尺寸的主放大器减少了常规光纤放大器或大模场光纤放大器中的非线性效应，大幅提高了超快光纤激光器的输出功率，并利用大纤芯尺寸光纤中的模式色散产生混合脉冲。其结构简单可靠，可维护性良好，成本较现有技术方案大幅降低。
根据本发明的另一个方面提供一种激光构建方法，包括：
步骤1：根据生产需求控制半导体激光发生器1输出1030nm中心波长的脉冲种子激光，其脉宽小于200ps的激光脉冲，脉冲重复频率大于50MHz；
步骤2：将步骤1中输出的脉冲种子激光经光纤隔离器3隔开输送并经光纤预放大器4放大至平均功率8W；
步骤21：光纤预放大器4通过三级放大输出平均功率8W的脉冲种子激光，且第一级将功率放大至50mW，第二级将功率放大至1W。第三级将平均功率放大至8W；
步骤22：步骤2中泵浦半导体激光器6采用915nm的多模光纤耦合半导体激光，并用于对光纤预放大器4提供能量；
步骤3：将步骤2中放大后的脉冲种子激光经光纤隔离器3传输至光纤主放大器5中，通过光纤主放大器5输出脉冲重复频率1GHz，且脉冲脉宽有至少10％小于50ps，有至少10％大于200ps，并且以平均功率600W的高功率超快激光输出；
步骤31：光纤主放大器5采用纤芯直径80um的双包层多模光纤，并通过976nm波长的泵浦半导体激光器6提供能量。
本方案通过半导体激光发生器输出种子脉冲，在光纤预放大器与光纤主动放大器的作用写通过大纤芯尺寸的主放大器减少了常规光纤放大器或大模场光纤放大器中的非线性效应，大幅提高了超快光纤激光器的输出功率，并利用大纤芯尺寸光纤中的模式色散产生混合脉冲，将激光脉冲经模式色散后的多模激光脉冲混合输出高功率的激光脉冲。
如图4所示，多模传输时，光纤各模式在同一波长下，因传输常数的切线分量不同，群速不同所引起的色散。多模光纤中，以不同角度射入光纤的射线在光纤中形成不同的模式。光纤基本结构中的图画出了三条不同角度的子午射线。其中沿轴心传输的射线为最低次模，其切线方向的传输速度(即群速)最快，首先到达终端。沿刚好产生全反射角度传输的射线为最高次模，其切线方向的传输速度最慢，最晚到达终端。它们到达终端的时间就有差异。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种加工用混合脉冲高功率激光装置，其特征在于：包括：
激光发生机构，所述激光发生机构用于根据生产需求提供超快种子激光输出；
激光放大机构，所述激光放大机构连接所述激光发生机构，用于提高所述激光发生机构的输出功率以及产生混合激光脉冲；
激光防护机构，所述激光防护机构连接所述激光放大机构，所述激光防护机构用于防止回返光对激光系统的损坏；
激光补偿机构，所述激光补偿机构连接所述激光放大机构，所述激光补偿机构用于对所述激光放大机构进行提供能量。
2.根据权利要求1所述的一种加工用混合脉冲高功率激光装置，其特征在于：所述激光发生机构包括控制器与半导体激光发生器(1)，所述控制器连接所述半导体激光发生器(1)，所述控制器用于控制所述半导体激光发生器(1)进行种子脉冲激光输出。
3.根据权利要求2所述的一种加工用混合脉冲高功率激光装置，其特征在于：所述激光放大机构包括光纤预放大器(4)与光纤主放大器(5)；
所述光纤预放大器(4)连接所述半导体激光发生器(1)，所述光纤预放大器(4)用于提供至少一次的加强所述半导体激光发生器(1)的输出功率；
所述光纤主放大器(5)连接所述光纤预放大器(4)，所述光纤主放大器(5)用于稳定输出指定功率的脉冲激光。
4.根据权利要求3所述的一种加工用混合脉冲高功率激光装置，其特征在于：所述光纤预放大器(4)包括三级功率放大，所述光纤预放大器(4)对所述半导体激光发生器(1)发射的激光脉冲进行第一级功率放大、第二级功率放大和第三级功率放大。
5.根据权利要求3所述的一种加工用混合脉冲高功率激光装置，其特征在于：所述激光防护机构包括光纤隔离器(3)，所述光纤隔离器(3)分别设置于所述光纤预放大器(4)与所述光纤主放大器(5)之间，且所述光纤隔离器(3)还设置于所述光纤预放大器(4)的各放大级之间，所述光纤隔离器(3)用于防止光纤内的回返光对脉冲激光造成损坏。
6.根据权利要求5所述的一种加工用混合脉冲高功率激光装置，其特征在于：所述光纤补偿机构包括泵浦半导体激光发生器(1)，所述泵浦半导体激光器(6)分别连接所述光纤预放大器(4)与所述光纤主放大器(5)，所述泵浦半导体激光器(6)用于对所述光纤预放大器(4)和/或所述光纤主放大器(5)提供能量。
7.根据权利要求5所述的一种激光构建方法，其特征在于：包括上述权利要求6所述的加工用混合脉冲高功率激光装置，还包括：
步骤1：根据生产需求控制半导体激光发生器(1)输出1030nm中心波长的脉冲种子激光，其脉宽小于200ps的激光脉冲，脉冲重复频率大于50MHz；
步骤2：将步骤1中输出的脉冲种子激光经光纤隔离器(3)隔开输送并经光纤预放大器(4)放大至平均功率8W；
步骤3：将步骤2中放大后的脉冲种子激光经光纤隔离器(3)传输至光纤主放大器(5)中，通过光纤主放大器(5)输出脉冲重复频率1GHz，且脉冲脉宽有至少10%小于50ps，有至少10%大于200ps，并且以平均功率600W的高功率超快激光输出。
8.根据权利要求7所述的一种激光构建方法，其特征在于：步骤2中光纤预放大器(4)通过三级放大输出平均功率8W的脉冲种子激光，且第一级将功率放大至50mW，第二级将功率放大至1W。第三级将平均功率放大至8W。
9.根据权利要求2所述的一种激光构建方法，其特征在于：步骤2中泵浦半导体激光器(6)采用915nm的多模光纤耦合半导体激光，并用于对光纤预放大器(4)提供能量。
10.根据权利要求2所述的一种激光构建方法，其特征在于：步骤3中光纤主放大器(5)采用纤芯直径80um的双包层多模光纤，并通过976nm波长的泵浦半导体激光器(6)提供能量。
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| CN202310486864.8A Pending CN116511699A (zh) | 2023-05-04 | 2023-05-04 | 加工用混合脉冲高功率激光装置及构建方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116511699A (zh) |
-
2023
- 2023-05-04 CN CN202310486864.8A patent/CN116511699A/zh active Pending
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