CN216312318U - 一种高重频脉冲激光器 - Google Patents

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本申请公开了一种高重频脉冲激光器,其包括脉冲合束单元、放大器以及至少两个激光发生单元:各所述激光发生单元分别输出同一波长的种子光,且各束种子光在时序上错位互补;所述脉冲合束单元分别与每个激光发生单元相连,将各激光发生单元输出的种子光合束,生成的合束脉冲通过单模光纤或少模光纤传输至放大器;所述放大器与脉冲合束单元的输出侧相连,将所述合束脉冲进行放大,得到重频脉冲激光;本实用新型具有结构简单、成本低、重复频率高、脉冲稳定、光束质量好等优点,可以更好地应用于需要高重复频率,高脉冲能量和高光束质量激光的科研、工业等领域。

Description

一种高重频脉冲激光器
技术领域
本申请涉及光纤激光器技术领域,更具体地,涉及一种高重频脉冲激光器。
背景技术
脉冲激光器在工业加工、光通信、军事、医疗、激光印刷等领域中有着广泛的应用。目前工业上运用最多的脉冲激光器之一是MOPA结构的声光调Q型脉冲激光器,其可以获得脉宽为几十到百纳秒量级、峰值功率为千瓦量级、脉冲能量为毫焦量级的脉冲激光。然而为了保证脉冲稳定性,单个声光调Q振荡器的重复频率一般只能达到100千赫兹左右。
为了得到更高重复频率的高脉冲能量激光输出,目前的脉冲激光器主要是采用激光功率合束的方案,将多个脉冲激光器放大级后端与激光功率合束器输入端连接,以获得合束脉冲激光输出。这种方式虽然可以得到高平均功率的脉冲激光,但是由于激光功率合束器输出端一般为大纤芯的多模光纤,所以最终输出的激光为多模激光,光束质量较差,亮度较低,只能应用于一些对光束质量要求不高的场景下,且这种方案还具有成本高,结构复杂等缺点。
实用新型内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求,本实用新型提供了一种高重频脉冲激光器,旨在解决传统脉冲激光器重复频率低,以及激光功率合束脉冲激光器光束质量差、成本高、结构复杂等缺点。
为实现上述目的,按照本实用新型的一个方面,提供了一种高重频脉冲激光器,其特征在于,包括脉冲合束单元、放大器以及至少两个激光发生单元:
各所述激光发生单元分别输出同一波长的种子光,且各束种子光在时序上错位互补;
所述脉冲合束单元分别与每个激光发生单元相连,将各激光发生单元输出的种子光合束,生成的合束脉冲通过单模光纤或少模光纤传输至放大器;
所述放大器与脉冲合束单元的输出侧相连,将所述合束脉冲进行放大,得到重频脉冲激光。
优选的,上述高重频脉冲激光器中,其激光发生单元包括射频信号发生器和脉冲振荡器,所述脉冲振荡器的谐振腔内部设置有调制器件;
所述射频信号发生器与调制器件连接,将形成的射频信号输入调制器件内;
所述调制器件对谐振腔的Q值进行调制,在调制器件的作用下,脉冲振荡器将射频信号发生器输出的射频信号调制为种子光。
优选的,上述高重频脉冲激光器中,其调制器件为声光调制器或电光调制器。
优选的,上述高重频脉冲激光器还包括隔离器;
所述隔离器与放大器的输出侧相连,将放大器生成的重频脉冲激光隔离输出。
优选的,上述高重频脉冲激光器包括四个激光发生单元;
脉冲合束单元将各激光发生单元输出的四路同一波长的种子光合束,形成合束脉冲。
优选的,上述高重频脉冲激光器中,其脉冲合束单元为光纤耦合器。
优选的,上述高重频脉冲激光器中,其脉冲合束单元为空间耦合光路,所述空间耦合光路中包括准直镜、耦合镜和聚焦镜;
每个激光发生单元输出侧的第一光路上依次设置有所述准直镜和耦合镜,各耦合镜沿与所述第一光路相交的第二光路上间隔设置,且每个耦合镜对沿第一光路传输的种子光全反射,并透射沿所述第二光路方向传输的种子光;
每个激光发生单元输出的种子光经准直镜聚焦后到达对应的耦合镜,被耦合镜反射至所述第二光路上,各束种子光在第二光路上合束形成合束脉冲;所述聚焦镜将合束脉冲聚焦后输出至放大器。
优选的,上述高重频脉冲激光器中,其耦合镜靠近准直镜的一侧设置有反射膜。
优选的,上述高重频脉冲激光器中,其耦合镜靠近准直镜的一侧设置有反射膜,远离准直镜的一侧设置有透射膜。
优选的,上述高重频脉冲激光器中,其放大器包含多级放大结构,各级放大结构的增益介质为有源双包层光纤。
优选的,上述高重频脉冲激光器中,其隔离器为光纤-自由空间型隔离器。
总体而言,通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比,能够取得下列有益效果:
本实用新型提供的高重频脉冲激光器,多路激光发生单元分别输出同一波长的种子光,且各束种子光在时序上错位互补;由脉冲合束单元对多路种子光进行合束后通过单模光纤或少模光纤传输至放大器进行功率放大,得到高能量、高质量的高重频激光;本方案具有结构简单、成本低、重复频率高、脉冲稳定、光束质量好等优点,可以更好地应用于需要高重复频率,高脉冲能量和高光束质量激光的科研、工业等领域。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案,下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,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为本实施例提供的高重频脉冲激光器结构示意图;
图2为本实施例提供的脉冲合束单元的一种组成结构示意图;
图3为本实施例提供的脉冲合束单元的另一种组成结构示意图;
图4为本实施例提供的合束脉冲的脉冲序列示意图。
具体实施方式
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。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象,而不是用于描述特定顺序。此外,术语“包括”和“具有”以及它们任何变形,意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元,而是可选地还包括没有列出的步骤或单元,或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
本方案提供的高重频脉冲激光器中包括至少两个激光发生单元、脉冲合束单元、以及放大器:
其中,各激光发生单元分别输出同一波长的种子光,且各束种子光在时序上错位互补;脉冲合束单元分别与每个激光发生单元相连,将各激光发生单元输出的种子光合束,生成的合束脉冲通过单模光纤或少模光纤传输至放大器;放大器与脉冲合束单元的输出侧相连,将所述合束脉冲进行放大,得到重频脉冲激光。
作为一个优选的实施例,通过一主控单元来控制每个激光发生单元输出的种子光的时序,从而实现各束种子光在时序上的错位互补;该主控单元分别与每个激光发生单元的输入侧相连。
脉冲合束单元的输出侧通过单模光纤或少模光纤与放大器相连,最终输出单模激光或少模激光,经放大器放大之后,可获得高重频、高质量的激光。单模光纤的纤芯直径在10μm以下,少模光纤的纤芯直径在30μm以下。
进一步优选的,放大器中包含多级放大结构,每级放大结构可以为独立的激光放大器,通过对脉冲合束单元输出的合束脉冲进行多级功率放大,最终形成符合要求的高能量脉冲;优选的,各级放大结构的增益介质为有源双包层光纤,该有源双包光纤一般为掺稀土离子光纤,比如掺镱双包层光纤。
在一个可选的实施例中,激光发生单元包括射频信号发生器和脉冲振荡器,脉冲振荡器的谐振腔内部设置有调制器件;
射频信号发生器主要用于生成射频信号,其输出侧与调制器件相连,将自身形成的射频信号输入调制器件内;优选的,射频信号的功率、频率、上升下降延时等参数可通过主控单元进行调控;
调制器件主要对谐振腔的Q值进行调制,在调制器件的作用下,脉冲振荡器将射频信号发生器输出的射频信号调制为种子光;调制器件可以选用声光调制器或电光调制器,本实施例不做具体限制;在一个优选的示例中,调制器件采用声光调制器,则构成声光调Q型脉冲激光器,通过声光调Q使连续激光功率输出转化为具有高峰值功率的激光脉冲(即种子光)输出。
作为一个可选的示例,上述高重频脉冲激光器还包括隔离器,该隔离器与放大器的输出侧相连,主要作用是将放大器生成的重频脉冲激光隔离输出。本实施例采用光纤-自由空间型隔离器,作为光纤激光器的终端输出。
在一个实施例中,脉冲合束单元选用光纤耦合器。脉冲合束单元的输入侧具有不少于激光发生单元数量的光纤端口,用来接收各个激光发生单元输出的在时序上互补的种子光并进行合束。
在另一个实施例中,脉冲合束单元为空间耦合光路,该空间耦合光路中包括准直镜、耦合镜和聚焦镜;
其中,每个激光发生单元输出侧的第一光路上依次设置有准直镜和耦合镜,即激光发生单元、准直镜和耦合镜沿第一光路设置,该第一光路即为种子光的输出光路;
各耦合镜沿与第一光路相交的第二光路上间隔设置,即多个耦合镜设置在第二光路上;第一光路与第二光路之间的夹角由种子光在耦合镜上的入射角度以及耦合镜的倾斜角度决定,在一个优选的示例中,第一光路与第二光路之间呈90度,种子光沿第一光路以45度入射角照射在耦合镜上,经反射后沿第二光路进行传输。
每个耦合镜对沿第一光路传输的种子光全反射,并透射沿第二光路方向传输的种子光;如此,每个激光发生单元输出的种子光经准直镜聚焦后到达对应的耦合镜,被耦合镜反射至第二光路方向上,调整耦合镜的位置,使各束种子光在第二光路方向上合束形成合束脉冲;聚焦镜将合束脉冲聚焦后输出至放大器。
本实施例中,耦合镜靠近准直镜的一侧设置有反射膜,完成对沿第一光路传输过来的种子光的反射;可选的,耦合镜上远离准直镜的一侧设置有透射膜,以提高对沿第二光路传输的种子光的透射率。
下面以高重频脉冲激光器中包含四个激光发生单元,并采用声光调制器为例来对本方案作进一步详细说明。
图1为本实施例提供的高重频脉冲激光器结构示意图,请参阅图1,该高重频脉冲激光器为声光调Q脉冲激光器,其包括主控单元11、射频信号发生器 21~24、脉冲振荡器31~34、脉冲合束单元41、放大器51和隔离器61;脉冲振荡器31-34的谐振腔中嵌入有声光调制器311~344;
主控单元11分别与射频信号发生器21~24连接,来控制每个射频信号发生器21~24产生的射频信号的功率、频率、上升下降延时等参数;射频信号发生器21~24的输出端分别与声光调制器311~344连接,用于将射频信号输入到声光调制器311~344内;
各脉冲振荡器31~34将接收的射频信号调制为种子光,其输出端均与脉冲合束单元41的输入端连接,将自身输出的种子光耦合到脉冲合束单元41;
脉冲合束单元41将四路脉冲振荡器31~34输出的种子光进行合束,得到合束脉冲;脉冲合束单元41的输出端与放大器51输入端连接,用于将合束脉冲耦合进入放大器51;放大器51与脉冲合束单元41输出端连接,用于对合束脉冲进行功率放大;隔离器61与放大器51输出端连接,用于输出高重频脉冲激光。
图2为脉冲合束单元41的一个具体示例,请参阅图2,在本例中,脉冲合束单元41为光纤耦合器441,该光纤耦合器441具有四根输入光纤和一根输出光纤,将脉冲振荡器31~34的输出光纤分别与光纤耦合器441的四根输入光纤熔接,将光纤耦合器441的输出光纤与放大器51的输入光纤熔接,将放大器51 的输出光纤与隔离器61的尾纤熔接,至此,激光器光路连接完成。
请参阅图3,为脉冲合束单元41的另一个具体示例,在本例中,脉冲合束单元41中包括准直镜411~414、耦合镜421~424和聚焦镜431,假设每个脉冲振荡器及其对应的准直镜为水平方向设置,则相应的耦合镜为倾斜45度设置,使脉冲振荡器输出的种子光以45度的入射角照射在耦合镜的反射面上;四块耦合镜421~424对沿第一光路传输的45度入射光全反,对与反射面相对的另一侧 (记为透射面)45度入射光高透。四个脉冲振荡器31~34的输出光纤输出的种子光分别由四个对应的准直镜411~414进行准直,然后以45度入射角入射至平行放置的四块耦合镜的反射面,适当调整耦合镜421~424的相对位置,即可将四束种子光合束为一束,再通过聚焦镜431将合束后的种子光聚焦至放大级51 输入光纤的纤芯中,最后将放大器51的输出光纤与隔离器61的尾纤熔接,至此,激光器光路连接完成。
在本实用新型的两个实施例中,分别调节四个射频信号发生器21~24发出信号的功率、频率、上升下降延时等参数,使四个脉冲振荡器31~34输出的种子光功率、脉冲宽度、脉冲幅值、脉冲重复频率一致,再调节四个射频信号之间的时序,使四个脉冲振荡器31~34发出的脉冲序列可以错位叠加,然后经过脉冲合束单元41合束,放大器51进行功率放大,最后由隔离器61输出高重频脉冲激光。
图4为本实施例提供的合束脉冲的脉冲序列示意图,请查阅图4,其中,脉冲序列1为只开启射频信号发生器21和脉冲振荡器31输出的种子光经过脉冲合束单元41后的合束脉冲,脉冲序列2为只开启射频信号发生器22和脉冲振荡器32输出的种子光经过脉冲合束单元41后的合束脉冲,脉冲序列3为只开启射频信号发生器23和脉冲振荡器33输出的种子光经过脉冲合束单元41后的合束脉冲,脉冲序列4为只开启射频信号发生器24和脉冲振荡器34输出的种子光经过脉冲合束单元41后的合束脉冲,可以看出,在主控单元的控制下,每一路激光发生单元产生的单一脉冲在时序上是错位互补的;脉冲序列5为同时开启这四个射频信号发生器21~24和四个脉冲振荡器31~34,输出的四路种子光经脉冲合束单元41输出的合束脉冲。
在一个具体示例中,脉冲振荡器31~34输出的种子光都为波长1064纳米,脉冲宽度100纳秒,重复频率125千赫兹,平均功率1瓦的脉冲激光,由重复频率可以得出相邻脉冲间隔为8微秒。参考图4中的脉冲序列1、脉冲序列2、脉冲序列3和脉冲序列4,这四个脉冲序列的脉冲幅值一致,重复频率都为125 千赫兹,相邻脉冲间隔为8微秒。此时,通过主控单元11调节四个射频信号发生器发出的射频信号之间的时序,使四个脉冲振荡器发出的四个脉冲序列依次间隔2微秒,然后经过脉冲合束单元41合束后即可得到重复频率为500千赫兹的脉冲序列5。合束后的高重复频率种子光经过放大器51进行功率放大,由隔离器61输出获得重复频率500千赫兹,脉冲宽度100纳秒,光束质量小于1.5,脉冲稳定性优于90%以上的脉冲激光。
本实用新型提供的高重频脉冲激光器具有结构简单、成本低、重复频率高、脉冲稳定、光束质量好等优点,可以更好地应用于需要高重复频率,高脉冲能量和高光束质量激光的科研、工业等领域。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已,并不用以限制本实用新型,凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高重频脉冲激光器,其特征在于,包括至少两个激光发生单元、脉冲合束单元、放大器和隔离器:
各所述激光发生单元分别输出同一波长的种子光,且各束种子光在时序上错位互补;
所述脉冲合束单元分别与每个激光发生单元相连,将各激光发生单元输出的种子光合束,生成的合束脉冲通过单模光纤或少模光纤传输至放大器;
所述放大器与脉冲合束单元的输出侧相连,将所述合束脉冲进行放大,得到重频脉冲激光;
所述隔离器与放大器的输出侧相连,将放大器生成的重频脉冲激光隔离输出。
2.如权利要求1所述的高重频脉冲激光器,其特征在于,所述激光发生单元包括射频信号发生器和脉冲振荡器,所述脉冲振荡器的谐振腔内部设置有调制器件;
所述射频信号发生器与调制器件连接,将形成的射频信号输入调制器件内;
所述调制器件对谐振腔的Q值进行调制。
3.如权利要求2所述的高重频脉冲激光器,其特征在于,所述调制器件为声光调制器或电光调制器。
4.如权利要求1至3任一项所述的高重频脉冲激光器,其特征在于,包括四个激光发生单元;
脉冲合束单元将各激光发生单元输出的四路同一波长的种子光合束,形成合束脉冲。
5.如权利要求1至3任一项所述的高重频脉冲激光器,其特征在于,所述脉冲合束单元为光纤耦合器。
6.如权利要求1至3任一项所述的高重频脉冲激光器,其特征在于,所述脉冲合束单元为空间耦合光路,所述空间耦合光路中包括准直镜、耦合镜和聚焦镜;
每个激光发生单元输出侧的第一光路上依次设置有所述准直镜和耦合镜,各耦合镜沿与所述第一光路相交的第二光路上间隔设置,且每个耦合镜对沿第一光路传输的种子光全反射,并透射沿所述第二光路方向传输的种子光;
每个激光发生单元输出的种子光经准直镜准直后到达对应的耦合镜,被耦合镜反射至所述第二光路上,各束种子光在第二光路上合束形成合束脉冲;所述聚焦镜将合束脉冲聚焦后输出至放大器。
7.如权利要求6所述的高重频脉冲激光器,其特征在于,所述耦合镜靠近准直镜的一侧设置有反射膜。
8.如权利要求6所述的高重频脉冲激光器,其特征在于,所述耦合镜靠近准直镜的一侧设置有反射膜,远离准直镜的一侧设置有透射膜。
9.如权利要求1至3任一项所述的高重频脉冲激光器,其特征在于,所述放大器包含多级放大结构,各级放大结构的增益介质为有源双包层光纤。
10.如权利要求4所述的高重频脉冲激光器,其特征在于,所述隔离器为光纤-自由空间型隔离器。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116706664A (zh) * 2023-08-02 2023-09-05 深圳市中科融光医疗科技有限公司 一种高能量时空耦合激光装置及应用方法

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