CN206864862U - 一种产生亚纳秒激光脉冲的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种产生亚纳秒激光脉冲的装置，它包含纳秒脉冲驱动电路板、传输线缆、激光二极管、光纤隔离器和调制器件。利用纳秒脉冲驱动电流信号，结合种子激光与调制器件的脉冲同步技术，来实现宽度在亚纳秒量级的激光脉冲。本装置同皮秒激光振荡器相比，系统更简单，成本更低廉。经过后继放大的脉冲激光可以广泛应用于各种金属和非金属材料的加工。

Description

一种产生亚纳秒激光脉冲的装置

技术领域

本实用新型涉及到光纤技术领域与激光技术领域，特别涉及到脉冲光纤激光器与各种材料的激光加工领域。

背景技术

纳秒脉冲光纤激光器已经广泛地应用在金属打标、薄膜清除、精细加工、太阳能硅片和陶瓷划刻等诸多领域，已经成为脉冲激光加工的主要光源。

目前国内外激光器厂商的MOPA结构的脉冲光纤激光器的脉冲宽度指标主要集中在2～350ns，全球领先的光纤激光器厂商IPG的也只是扩展到1～500ns。

而随着光纤激光应用的深入和行业细分，一些对激光加工热影响敏感的材料对光纤激光的脉冲宽度提出了更高的要求，要求脉宽更短，峰值功率更高，在此背景下，皮秒激光得到越来越多的关注和应用开发。10ps-100ps脉冲范围的激光器在材料冷加工(ColdAblation)等方面得到了广泛的应用，但由于10ps-100ps激光器多为锁模脉冲激光器，技术较为复杂，成本较高(超快光纤激光器市价一般在1万欧元以上)，诸多因素影响了该种激光器的应用范围。

在此背景下，工业界需要一款价格适中，性能介于ns和亚100ps之间的一种新型光源。其中较典型的应用领域之一是对PE塑料和阳极氧化铝进行打黑。实验表明，用脉冲宽度在500ps-1ns区间的脉冲在阳极氧化铝表面打黑时，黑度比用5ns-10ns脉宽时提高20％-30％，速度可以提高50％-100％。

实用新型内容

针对市面上常见的MOPA结构的脉冲光纤激光器在脉冲宽度上的局限性，本实用新型人经过大量的深入研究，在付出了充分的创造性劳动后，研发了一种新型装置，可以产生脉冲宽度在亚纳秒量级的脉冲激光，它在经过后继放大后，可以满足各种金属和非金属材料加工的需求。

本实用新型的技术方案是：利用纳秒脉冲驱动电流信号，结合种子激光与调制器件的脉冲同步技术，来实现脉冲宽度在亚纳秒量级的激光脉冲。

参见亚纳秒脉冲激光产生装置示意图1，从纳秒脉冲驱动电路板上用传输线缆输出两路脉冲宽度在为1～5ns之间的脉冲电流信号，一路用来驱动激光二极管，传输线缆长度为L1，另外一路用来驱动调制器件，传输线缆长度为L2。由于电信号在传输线缆上传导需要耗费时间，所以线缆长度决定了电信号的到达时间，其中L1上的电信号延迟为ΔT1，L2上的电信号延迟为ΔT2。同时用光电转换时间Δt1表征经过L1传导的脉冲驱动电流信号到达激光二极管和种子源脉冲激光产生之间的时间延迟，用光电转换时间Δt2表征经过L2传导的脉冲驱动电流信号到达调制器件和调制器件打开之间的时间延迟，具体参见传播路径延时示意图2。另外种子源激光二极管产生的脉冲激光信号要经过一段具有一定长度的光纤(含光纤隔离器)传输才到达调制器件，这段光纤的长度L3决定了激光信号的传输时间ΔT3。

为了实现种子脉冲激光顺利通过调制器件到达后级光纤放大器，必须使得种子脉冲激光到达调制器件的时候，调制器件处于打开状态，种子脉冲激光通过调制器件以后，调制器件处于关闭状态(当然从放大系统而言，此时的关闭状态不是必须的，但是调制器件的关闭可以抑制放大器产生的ASE信号)，可以认为两者处于同步状态。

实现种子激光脉冲与调制器件的同步，有两种方法可以采用：一是在两路电流驱动信号出发时刻一致的情况下调整线缆长度L1、L2和光纤长度L3，使得传导路径的延时相等，即

ΔT1+Δt1+ΔT3＝ΔT2+Δt2

另一种方法是在传导路径延时不同的情况下，调整两路电流驱动信号的初始延时，使得它们出发的时刻不一致，同样有可能达到同步的效果。

当同步状态满足时，种子脉冲激光通过调制器件，波形不发生畸变。如果两者不能同步，种子激光脉冲在时序上或是超前调制器件太多，或是落后调制器件太多，总之使得激光脉冲到达调制器件的时候，调制器件正好处于关闭状态，这样激光脉冲就不能顺利通过。

事实上还存在第三种情况，并不完全满足同步状态但是又接近同步状态，表现在种子脉冲激光通过调制器件的时候，可能有一部分波形(前沿或者后沿)被斩波，而只有剩下的部分波形通过调制器件，这样的结果就是原本脉冲宽度为几个ns的种子激光，在经过调制器件后脉冲宽度可以变成了几百个皮秒。这一脉冲激光经过后继的光纤放大器，同样可以得到稳定的亚纳秒激光脉冲的输出。

通过实验调整脉冲驱动电流信号的延时，可以分别得到脉冲宽度为1000ps、800ps、500ps的激光输出，更窄的脉冲宽度也可以实现，但是对应的信号稳定性会变差。

由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型产生的脉冲激光宽度更窄，达到百皮秒量级。

2.本实用新型产生的500ps脉冲激光经过后继放大到20W，应用于阳极氧化铝打黑中，相比10ns宽度的20W脉冲激光器，黑度提高25％，速度提高50％。

3.采用本实用新型的20W脉冲光纤激光器，成本不到5万，而目前市面上20W/500ps的锁模激光器售价超过2万欧元。

附图说明

图1是亚纳秒脉冲激光产生装置示意图

图2是传播路径延时示意图。

其中各个标注数字有如下含义：

1.纳秒脉冲驱动电路板；

2.传输线缆；

3.激光二极管；

4.光纤隔离器；

5.调制器件；

6.传输线缆。

7.驱动电流信号在传输线缆L1上产生的延时ΔT1；

8.经过传输线缆L1传导的驱动电流信号到达激光二极管和激光二极管出光之间的光电转换时间延迟Δt1；

9.激光二极管产生的脉冲激光信号经过光纤路径L3到达调制器件所产生的时间延迟ΔT3；

10.驱动电流信号在传输线缆L2上产生的延时ΔT2；

11.经过传输线缆L2传导的驱动电流信号到达调制器件和调制器件打开之间的时间延迟Δt1。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。

实施例1

本实用新型中使用的纳秒脉冲电路驱动板产生宽度5ns的脉冲电流信号驱动激光二极管和调制器件，在两路电流驱动信号出发时刻一致的情况下调整线缆长度L1、L2和光纤长度L3，使得传导路径的延时相等，即

ΔT1+Δt1+ΔT3＝ΔT2+Δt2。

实现了脉冲激光与调制器件的同步，在调制器件输出端可以检测到脉冲激光波形输出，其脉宽仍然是5ns。在其他条件不变的情况下，将光纤长度L3减小大约21cm，可以观察到调制器件输出端的脉冲激光脉宽变成了4ns；继续减小63cm，可以得到脉宽约为1ns的脉冲激光；再减小10cm，可以得到脉宽为500ps的脉冲激光。依次类推，精确控制L3的长度，可以得到1000ps、800ps、500ps等不同宽度的激光脉冲。

实施例2

在实施例1中满足脉冲激光与调制器件的同步的前提下，增大光纤L3的长度，大约21cm光纤对应了脉冲宽度1ns的变化，同样可以得到1000ps、800ps、500ps等不同宽度的激光脉冲。

实施例3

在实施例1中满足脉冲激光与调制器件的同步的前提下，增大或者减小线缆L1的长度，大约20cm线缆对应了脉冲宽度1ns的变化，同样可以得到1000ps、800ps、500ps等不同宽度的激光脉冲。

实施例4

在实施例1中满足脉冲激光与调制器件的同步的前提下，增大或者减小线缆L2的长度，大约20cm线缆对应了脉冲宽度1ns的变化，同样可以得到1000ps、800ps、500ps等不同宽度的激光脉冲。

测试方法

通过在调制器件后端接高速光电管检测脉冲激光信号，输出给示波器，可以观测激光的波形，包括脉冲宽度和抖动信息(体现脉冲的稳定性)。

应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本实用新型而非意欲限制本实用新型的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本实用新型的技术内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种产生亚纳秒激光脉冲的装置，其包含：纳秒脉冲驱动电路板，传输线缆，激光二极管，光纤隔离器和调制器件；

所述纳秒脉冲驱动电路板是用于生成脉冲宽度在纳秒量级的电流信号，来驱动激光二极管生成脉冲激光，驱动调制器件产生时间上的开关信号；

所述传输线缆用于电气连接纳秒脉冲驱动电路板和激光二极管、纳秒脉冲驱动电路板和调制器件；

所述激光二极管接受到纳秒脉冲驱动电路板生成的电流信号后，产生脉冲激光；

所述光纤隔离器连接激光二极管的光纤尾纤和调制器件的光纤尾纤，保障激光信号的传输，并隔离可能来自后向的干扰信号；

所述调制器件接受到纳秒脉冲驱动电路板生成的电流信号后，产生时间上的开关信号，让前端传输来的激光信号可以在指定的时间范围内通过。

2.如权利要求1所述的产生亚纳秒激光脉冲的装置，其特征在于：所述纳秒脉冲驱动电路板类型选自模拟电路板或数字电路板。

3.如权利要求1所述的产生亚纳秒激光脉冲的装置，其特征在于：所述传输线缆的类型选自双绞线或同轴线。

4.如权利要求1所述的产生亚纳秒激光脉冲的装置，其特征在于：所述激光二极管的波长选自1064nm、1550nm或1980nm。

5.如权利要求1所述的产生亚纳秒激光脉冲的装置，其特征在于：所述光纤隔离器的光纤类型选自单包层光纤或双包层光纤。

6.如权利要求1所述的产生亚纳秒激光脉冲的装置，其特征在于：所述调制器件的类型选自声光调制器、声光Q开关或电光调制器。