CN105140762A - 一种半导体激光器种子源的脉冲光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明适用于激光技术领域，提供了一种脉冲光纤激光器，包括依次连接的脉冲激光发射器、前级激光放大器、光谱展宽线及后级激光放大器，前级激光放大器对脉冲激光发射器输出的光脉冲进行放大，放大后的光脉冲在光谱展宽线中产生至少包含受激布里渊散射和拉曼散射的非线性效应，使光脉冲的光谱展宽，其波长向长波长方向频移，后级激光放大器对实现光谱展宽后的光脉冲进行放大，获得窄脉冲。本发明在前级激光放大器和后级激光放大器之间设置光谱展宽线，实现光谱展宽，避免巨型脉冲和频率烧孔，并且放大后脉冲被压窄，形成高峰值功率、高单脉冲能量的窄脉冲，并且可降低成本和对脉冲激光发射器的要求，并提高可靠性。

Description

一种半导体激光器种子源的脉冲光纤激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，特别涉及一种半导体激光器种子源的脉冲光纤激光器。

背景技术

光纤激光器被广泛应用在工业焊接、切割、打标、雕刻等工业领域，以及医疗、自由空间传输、军事、传感等领域。特别是近年来脉冲光纤激光器得到了广泛的应用推广。MOPA(主振荡器功率放大)结构的脉冲光纤激光器是目前市场上的主流产品之一，这种激光器一般采用半导体激光器作为激光种子源，但是由于半导体激光器的线宽较窄(一般是几个纳米)，在后面的放大器中极易产生受激布里渊散射(SBS)、受激拉曼(SRS)等非线性效应，而产生SBS的激光阈值较低，从而导致在低激光功率时在光纤中产生峰值功率巨大的随机短脉冲，这个随机短脉冲是导致光纤激光器损伤的重要原因。为此，有人提出用周期可变光纤光栅(ChirpedFiberBraggGrating)对半导体激光器种子的线宽进行展宽，从而减小放大器中的非线性效应。但是这种使用周期可变光纤光栅的方法对光栅的设计有极高的要求，半导体激光器种子源波长的变化也会导致周期可变光纤光栅的不匹配，特别在采用无制冷半导体激光器种子源时，半导体激光器种子源的波长随工作环境温度变化较大，光纤光栅根本无法起到作用。

在脉冲激光器的应用方面，在脉冲光纤激光器的平均功率一定时，为了提高脉冲峰值功率和单脉冲能量，需要光纤激光器工作在低重复频率和窄脉冲宽度。这就对光纤的芯径提出了要求，即要求光纤的芯径不能太细，否则会在光纤中容易产生非线性效应从而损伤光纤。但是粗芯径的光纤又会导致光纤激光器的输出光斑质量变差，从而导致加工精度的降低。如何降低脉冲重复频率、提高脉冲峰值功率和单脉冲能量是脉冲光纤激光器的难点之一。市场上常见的半导体激光器种子源的MOPA脉冲激光器一般采用提高最低重复频率或者降低平均输出功率的办法解决上述问题，但是要以降低平均输出功率为代价，依然不是理想的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种窄脉冲光纤激光器，旨在有效抑制巨型脉冲，并在有效获得低脉冲重复频率、窄脉冲宽度的同时，提高脉冲峰值功率和单脉冲能量。

本发明是这样实现的，一种脉冲光纤激光器，包括依次连接的脉冲激光发射器、前级激光放大器、光谱展宽线及后级激光放大器，所述前级激光放大器对所述脉冲激光发射器输出的光脉冲进行放大，放大后的光脉冲在所述光谱展宽线中产生至少包含受激布里渊散射和拉曼散射的非线性效应，使所述光脉冲的光谱展宽，其波长向长波长方向频移，所述后级激光放大器对实现光谱展宽后的光脉冲进行放大，并且放大效应集中于光脉冲的起始沿，获得宽谱窄脉冲。

本发明在前级激光放大器和后级激光放大器之间设置光谱展宽线，通过前级激光放大器将光脉冲放大到一定程度后，使之在光谱展宽线中实现非线性效应，实现光谱展宽，使能量分散分布在较宽光谱范围内，再通过后级激光放大器放大，降低频谱能量密度，避免巨型脉冲和频率烧孔，保护激光器；并且放大后脉冲被压窄，形成高峰值功率、高单脉冲能量的窄脉冲。该脉冲光纤激光器与传统技术相比，不需要市场上难求的宽线宽脉冲半导体激光发射器，不需要展宽光谱的周期变化光纤光栅，不需要增加光纤激光放大器的增益或数量，降低了成本，并提高了***的可靠性；不需要增加输入光信号的重复频率，不需降低平均输出功率；不需提高对脉冲激光发射器的性能要求。是一种能够有效抑制巨型脉冲、有效压窄脉宽并提高脉冲峰值功率和单脉冲能量的光纤激光器。

附图说明

图1是本发明实施例提供的脉冲光纤激光器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的脉冲光纤激光器的工作原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

请参考图1，本发明实施例提供一种脉冲光纤激光器，包括依次连接的脉冲激光发射器1、前级激光放大器2、光谱展宽线3及后级激光放大器4，前级激光放大器2对脉冲激光发射器1输出的光脉冲进行放大，放大后的光脉冲在光谱展宽线3中产生至少包含受激布里渊散射和拉曼散射等非线性效应，使光脉冲的光谱展宽，其波长向长波长方向频移，后级激光放大器4对实现光谱展宽后的光脉冲进行放大，并且放大效应集中于光脉冲的起始沿，获得宽谱窄脉冲。

进一步参考图2，如图2中的a图，脉冲激光发射器1输出1064nm方形脉冲，宽度100～200ns可调，以150ns为例，调制重复频率20KHz～1MKz可调；

如图2中的b图，前级激光放大器2将该光脉冲放大，放大后平均功率为400mW～1500mW，光脉冲宽度基本保持不变，放大后的光脉冲由波前向尾部呈微弱的下降趋势，在光谱中产生少量的受激布里渊散射光谱(中心波长线宽展宽)和较微弱的受激拉曼光谱，使得脉冲光谱略微展宽；

如图2中的c图，被放大的光脉冲进入光谱展宽线3，由于其峰值功率足够高，使其在光谱展宽线3中产生更强的受激布里渊散射、拉曼散射等非线性效应，使其波形发生变化向长波长方向展宽，能量分布在更宽的光谱范围内；

如图2中的d图，由光谱展宽线3输出的光脉冲进入后级激光放大器4，其起始沿吸收了大量的载流子，使光脉冲的起始沿附近被高度放大，而后续能量被放大程度很小可以忽略，进而使有效脉冲宽度被压窄，提高脉冲峰值功率和单脉冲能量。经过后级激光放大器4后，光脉冲被放大到20W的平均光功率，放大后脉冲宽度可以被压窄到50ns以下。由于进入该后级激光放大器4的光脉冲能量分散分布在较宽的光谱范围内，能够避免在后级激光放大器4中发生频率烧孔事件。

本发明实施例提供的脉冲光纤激光器在前级激光放大器2和后级激光放大器4之间设置光谱展宽线3，通过前级激光放大器2将光脉冲放大到一定程度后，使之在光谱展宽线3中实现非线性效应，实现光谱展宽，使能量分散分布在较宽光谱范围内，再通过后级激光放大器4放大，降低频谱能量密度，避免巨型脉冲和频率烧孔，保护激光器；并且放大后脉冲被压窄，形成高峰值功率、高单脉冲能量的窄脉冲。该脉冲光纤激光器与传统技术相比，不需要市场上难求的宽线宽脉冲半导体激光发射器，不需要展宽光谱的周期变化光纤光栅，不需要增加光纤激光放大器的增益或数量，降低了成本，并提高了***的可靠性；不需要增加输入光信号的重复频率，不需降低平均输出功率；不需提高对脉冲激光发射器的性能要求。是一种能够有效抑制巨型脉冲、有效压窄脉宽并提高脉冲峰值功率和单脉冲能量的光纤激光器。

对于更多级级联式脉冲光纤激光器和放大器***，引入该光谱展宽线3可以有效地抑制随机巨型脉冲的出现，对获得高脉冲峰值功率和高单脉冲能量的窄脉冲宽度激光输出是非常有效的。

在本实施例中，光脉冲在光谱展宽线3中的光谱展宽程度是由非线性效应的强度影响的，非线性效应强度越大，光谱展宽越大，而非线性效应是受到输入光脉冲的功率、光谱展宽线3的长度和芯径决定的，芯径越细、长度越长、输入功率越大，非线性效应越强。因此，可以根据前级激光放大器2放大后的平均光功率，调节光谱展宽线3的长度，在获得预定强度的非线性效应的情况下，光脉冲峰值功率越高，光谱展宽线3的长度可以更短，反之光脉冲峰值功率越低，光谱展宽线3就需要更长。当然，提高光脉冲峰值功率和延长光谱展宽线3的长度均能够增强非线性效应，在实际中，通常将光脉冲峰值功率的可放大程度和光谱展宽线3的长度成本及布线结构综合考虑。另外，非线性效应越强，其导致的光谱展宽也越大，该非线性效应通常不会导致最终输出光脉冲中存在随机出现的巨型光脉冲，其产生的负面影响极小。特别是在调制频率较低、输出功率较大时，如20KHz调制频率，20W平均输出功率，效果明显。

具体地，脉冲激光发射器1输出光脉冲的宽度为100ns～500ns，最低调制频率20KHz。光谱展宽线3的长度为30～60m，采用单模光纤，优选Hi1060光纤或者Hi1060flex光纤。前级激光放大器2的平均输出功率为400mW～1500mW。后级激光放大器4输出的光脉冲的峰值功率为15KW以上，脉冲宽度为50ns以下，单脉冲能量为0.5mJ以上。

进一步优选地，脉冲激光发射器1输出光脉冲的宽度为150ns，最低调制频率20KHz，脉冲宽度为150ns；前级激光放大器2的平均输出功率为700mW；光谱展宽线3的长度为40m，光谱展宽线3的纤芯直径为6微米；经过后级激光放大器4后，可以获得光脉冲的脉冲宽度为40ns，重复频率为20KHz，平均输出功率为20W，峰值功率为15KW以上，单脉冲能量为0.5mJ以上。

上述具体数据为本发明的一个效果较佳的实施例，本发明不局限于上述实施例。

在本实施例中，该脉冲光纤激光器具体可以是半导体激光器种子源的MOPA脉冲光纤激光器。脉冲激光发射器1可以采用脉冲半导体激光器，也可以是腔外调制的调Q脉冲光纤激光发射器。

进一步参考图1，前级激光放大器2包括依次连接的第一泵浦源21、第一泵浦合束器22及掺杂增益介质的第一有源光纤23；第一泵浦合束器22连接第一泵浦源21的一端直接或间接连接脉冲激光发射器1的输出光纤，第一有源光纤23直接或间接连接光谱展宽线3的输入端。后级激光放大器4包括第二泵浦源41、第二泵浦合束器42及掺杂增益介质的第二有源光纤43；第二泵浦合束器42连接第二泵浦源41的一端直接或间接连接光谱展宽线3的输出端。前级激光放大器2和后级激光放大器4可采用915nm多模激光器为泵浦源，采用铒镱共掺有源双包层光纤为有源光纤。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脉冲光纤激光器，其特征在于，包括依次连接的脉冲激光发射器、前级激光放大器、光谱展宽线及后级激光放大器，所述前级激光放大器对所述脉冲激光发射器输出的光脉冲进行放大，放大后的光脉冲在所述光谱展宽线中产生至少包含受激布里渊散射和拉曼散射的非线性效应，使所述光脉冲的光谱展宽，其波长向长波长方向频移，所述后级激光放大器对实现光谱展宽后的光脉冲进行放大，并且放大效应集中于光脉冲的起始沿，获得宽谱窄脉冲。

2.如权利要求1所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述光谱展宽线的长度为30～60m。

3.如权利要求2所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述前级激光放大器的平均输出功率为400mW～1500mW。

4.如权利要求2所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述脉冲激光发射器输出光脉冲的宽度为100ns～500ns，最低调制频率20KHz。

5.如权利要求2所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述后级激光放大器输出的光脉冲的峰值功率为15KW以上，脉冲宽度为50ns以下，单脉冲能量为0.5mJ以上。

6.如权利要求1～5任一项所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述脉冲激光发射器输出光脉冲的宽度为150ns，最低调制频率20KHz，脉冲宽度为150ns；所述前级激光放大器的平均输出功率为700mW；所述光谱展宽线的长度为40m，所述光谱展宽线的纤芯直径为6微米；所述后级激光放大器输出的光脉冲的脉冲宽度为40ns，重复频率为20KHz，平均输出功率为20W。

7.如权利要求1所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述前级激光放大器输出的光脉冲的功率越大，所述光谱展宽线的长度越短。

8.如权利要求1所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述光谱展宽线采用Hi1060光纤或者Hi1060flex光纤。

9.如权利要求1所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述脉冲激光发射器为脉冲半导体激光发射器或者腔外调制的调Q脉冲光纤激光发射器。

10.如权利要求1所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述脉冲光纤激光器为半导体激光器种子源的MOPA脉冲光纤激光器。