CN106848816A - 时序合成准连续光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种时序合成准连续光纤激光器，包括：相同的多台光纤激光器；激光电源控制泵浦监控装置，分别与所述多台光纤激光器连接，用于对所述多台光纤激光器的泵浦光脉冲参数进行采样及显示，并且对其中未保持时序的光纤激光器，控制调制触发相应的延迟，使各单路脉冲序列之间保持等间隔的时序，实现激光脉冲的时序合成；以及信号合束器，其输入端分别与所述多个光纤激光器的输出端连接，其输出端输出时序合成的激光。本发明时序合成准连续光纤激光器可以保障各路光纤激光器的输出长脉冲光束在时间上保持时序，经过信号合束器简单合束后即可实现脉冲重复频率叠加，平均功率有效提升，并能保持较好的光束质量。

Description

时序合成准连续光纤激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种时序合成准连续光纤激光器。

背景技术

高平均功率全光纤脉冲激光器由于其光束质量好、集成度高、转换效率高等诸多的优异特性，近年来在精细加工、光纤对抗、医疗、增材制造等领域的应用越来越广泛。在脉冲光纤激光技术领域，近几年来准连续光纤激光器的应用需求逐年增加，其脉冲宽度长、脉冲占空比一般在10％左右，峰值功率是连续功率的十倍以上，脉冲能量高，对于打孔等应用来说非常有利。目前也广泛应用于精密钣金切割，氧化铝(多晶Al₂O₃)，氮化铝(AlN)等超导热材料打孔与成型加工，硅片、陶瓷、金刚石等非金属材料的切割和打孔，蓝宝石材料的切割等领域。准连续光纤激光满足这些精密应用需求，可替代这些领域目前应用较多且价格昂贵的皮秒激光加工***。

随着应用需求的增加，对准连续光纤激光器也提出了越来越高的要求。如对于准连续的脉冲光纤激光器的重复频率和平均功率的提升。高重复频率的脉冲光纤激光器输出脉冲次数多，应用效率高。而平均功率是满足一定应用需求的门槛，也是在既定重复频率下脉冲能量高低的间接指标。但是由于准连续的脉冲光纤激光器受其产生机理的限制，一般由调制电源驱动半导体激光器输出脉冲泵浦光经过光纤激光器谐振腔得到准连续激光输出，准连续光纤激光器输出脉冲重复频率一般在kHz及以下量级，其脉冲占空比也一般在10％～30％之间。

而在实际的准连续光纤激光打孔应用时，希望重复频率高以提高打孔的效率；在准连续光纤激光器切割时也希望其重复频率高以提高切割速率。因为钻孔速率、成型速率以及切割速率直接影响生产成本，所以在实际应用中希望准连续光纤激光器的重复频率能够提高，以提高生产效率。在某些较厚材料的切割、成型应用时，希望准连续光纤激光的输出平均功率较高，以期望能加工更厚的板材。

时序合成是一个有效提高激光脉冲重复频率的技术手段，也相应的能提升合成的平均功率。其技术途径是将多个脉冲激光器通过一定光路，将各个脉冲激光器的光束按一定时间顺序发射并在空间上重合，实现脉冲在时序上合成，可以有效的提高平均功率。但是目前的时序合成技术应用在固体激光中较多，如中国专利201410669917.0中采用衍射光栅将多束激光脉冲时序合成，但是需要光栅固定周期自传周期且需配套的对激光脉冲精确控制装置，实时起来难度较大。中国激光《脉冲激光的非相干合成技术研究》(39(2).2015)文献中将多路子脉冲激光光束采用同步延时技术对每个光束的激光脉冲的时序进行控制，需要精确调节电脉冲信号来控制激光脉冲的时序，控制精度在百微秒量级。由于固体激光的输出光路可以添加空间光学元件来实现脉冲延时，光束合成。但是全光纤激光器由于光束在封闭波导中传输，其要实现脉冲时序合成难度很大。目前，对准连续全光纤激光器的时序合成也少有报道。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种时序合成准连续光纤激光器，可以保障各路光纤激光器的输出长脉冲光束在时间上保持时序，经过信号合束器简单合束后即可实现脉冲重复频率叠加，平均功率有效提升，并能保持较好的光束质量。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种时序合成准连续光纤激光器包括：相同的多台光纤激光器；激光电源控制泵浦监控装置，分别与所述多台光纤激光器连接，用于对所述多台光纤激光器的泵浦光脉冲参数进行采样及显示，并且对其中未保持时序的光纤激光器，控制调制触发相应的延迟，使各台光纤激光器产生的单路脉冲序列之间保持等间隔的时序，实现激光脉冲的时序合成；以及，信号合束器，其输入端分别与所述多个光纤激光器的输出端连接，其输出端输出时序合成的激光。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明一种时序合成准连续光纤激光器至少具有以下有益效果其中之一：

(1)采用全光纤结构，在全封闭光纤波导中合成，集成度高、对激光的损耗低，时序合成效率高，对光束直径约束在百微米及以下量级，可以较好的保持高光束质量；无需额外引入空间结构的脉冲时序控制装置，简单易实施，易实行商业化生产；

(2)通过激光电源控制泵浦监控装置对光纤激光器进行采样、显示及控制，调制触发相应的延迟，使各单路脉冲序列之间保持等间隔的时序，实现激光脉冲的时序合成，有效提高了准连续全光纤激光器的重复频率、平均功率。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明时序合成准连续光纤激光器结构示意图。

【主要元件】

01-激光电源控制泵浦监控装置；10、20、30光纤激光器；40-信号合束器；50-输出端；

101、201、301-调制驱动电源

11、12、13、14、15、16、17、21、22、23、24、25、26、27、31、32、33、34、35、36、37-半导体激光器；

110、210、310-泵浦合束器；111、211、311-高反光纤光栅；112、212、312-低反光纤光栅；113、213、313-包层光滤除器；114、214、314-分束器；115、215、315-增益光纤。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明公开一种时序合成准连续光纤激光器，采用对每台光纤激光器调制驱动电源的集中控制来调整各台参数一致的光纤激光器的输出脉冲宽度、重复频率，以及通过控制调制驱动电源的延迟来保障每台光纤激光器输出脉冲保持一定时序。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供了一种时序合成准连续光纤激光器。图1为本发明时序合成准连续光纤激光器结构示意图。请参照图1，本发明时序合成准连续光纤激光器包括：

多台光纤激光器10、20、30，该多台光纤激光器的参数相同；

激光电源控制泵浦监控装置01，分别与所述多台光纤激光器连接，用于对所述多台光纤激光器的泵浦光脉冲参数进行采样及显示，并且对其中未保持时序的光纤激光器，控制调制触发相应的延迟，使各单路脉冲序列之间保持等间隔的时序，实现激光脉冲的时序合成；以及，

信号合束器40，其输入端分别与所述多个光纤激光器的输出端连接，其输出端50输出时序合成的激光。

所述泵浦光脉冲参数包括波形、脉冲宽度、重复频率、以及脉冲序列的先后时序间隔等。所述多台光纤激光器并联连接，优选为三台光纤激光器。

请继续参照图1，所述光纤激光器10为直线腔型光纤激光器，正向泵浦结构，包括：光纤激光器10包括调制驱动电源101、串联连接的半导体激光器11、半导体激光器12、半导体激光器13、半导体激光器14、半导体激光器15、半导体激光器16和半导体激光器17，半导体激光器11的输出端连接分束器114。上述七个半导体激光器的输出端连接至泵浦合束器110，泵浦合束器输出端连接谐振腔，谐振腔连接包层光滤除器113，包层光滤除器113的输出端连接信号合束器40的输入端；所述谐振腔包括依次连接的高反光纤光栅111、增益光纤115和低反光纤光栅112，其中，泵浦合束器110的输出端连接高反光纤光栅111，低反光纤光栅112的非反射端连接包层光滤除器113。

类似地，光纤激光器20包括调制驱动电源201、串联连接的半导体激光器21、半导体激光器22、半导体激光器23、半导体激光器24、半导体激光器25、半导体激光器26和半导体激光器27，半导体激光器21的输出端连接分束器214。上述七个半导体激光器的输出端连接至泵浦合束器210，泵浦合束器输出端连接谐振腔，谐振腔连接包层光滤除器213，包层光滤除器213的输出端连接信号合束器40的输入端；所述谐振腔包括依次连接的高反光纤光栅211、增益光纤215和低反光纤光栅212，其中，泵浦合束器210的输出端连接高反光纤光栅211，低反光纤光栅212的非反射端连接包层光滤除器213。

光纤激光器30包括调制驱动电源301、串联连接的半导体激光器31、半导体激光器32、半导体激光器33、半导体激光器34、半导体激光器35、半导体激光器36和半导体激光器37，半导体激光器31的输出端连接分束器314。上述七个半导体激光器的输出端连接至泵浦合束器310，泵浦合束器输出端连接谐振腔，谐振腔连接包层光滤除器313，包层光滤除器313的输出端连接信号合束器40的输入端；所述谐振腔包括依次连接的高反光纤光栅311、增益光纤315和低反光纤光栅312，其中，泵浦合束器310的输出端连接高反光纤光栅311，低反光纤光栅312的非反射端连接包层光滤除器313。

进一步的，所述调制驱动电源101、201、301为所述光纤激光器10、20、30的动力装置，同时也是光纤激光器10、20、30实现准连续激光输出的调制装置。所述调制驱动电源101、201、301与所述激光电源控制泵浦监控装置01连接，并受所述激光电源控制泵浦监控装置01的调控。如果所述光纤激光器的脉冲没有保持时序，通过激光电源控制泵浦监控装置01控制所对应光纤激光器的调制驱动电源，使其调制触发相应的延迟，通过这种方式将各单路脉冲序列之间保持等间隔的时序；并通过上述方式将各台准连续光纤激光器的脉冲宽度、重复频率保持一致。最终经过信号合束器合束，合成后脉冲重复频率、平均功率增加、单脉冲能量不变，时序合成后的准连续光纤激光经信号合束器的输出端50输出。

所述多台光纤激光器10、20、30所对应的多个调制驱动电源101、201、301的参数相同，都可调制输出20～120V，0～30A的直流电源，调制输出时输出脉冲宽度0.5～50000μs，重复频率10～10000Hz。所述调制驱动电源所驱动半导体激光器输出的脉冲泵浦光为准连续光，调制电源可以为脉冲恒流电源、也可以为可控硅放电电源。脉冲的波形可以调制成矩形波、近高斯等波形的脉冲。

各台光纤激光器所包括的七个半导体激光器型号参数一致，额定输出功率都不低于50W，串联连接，统一由其对应的调制驱动电源驱动，输出尾纤纤径为50μm或100μm，一般为单管耦合封装的半导体激光器，可由脉冲调制电源驱动。

在各光纤激光器中，所述分束器可连接所述七个半导体激光器中的任意一个半导体激光器的输出端，其分束比优选为99∶1，其中1％低分束比的分束端与所述激光电源控制泵浦监控装置相连接，用于所述采样调制驱动电源所驱动泵浦光脉冲参数，反馈给激光电源控制泵浦监控装置01用于控制和调整调制驱动电源。

所述高反光纤光栅的反射波长在1μm附近，反射率不低于99％，可耐受平均功率高于500W。所述低反光纤光栅112的反射波长在1μm附近，反射率不高于50％，可耐受平均功率高于500W。所述增益光纤为掺镱双包层光纤，一般纤芯直径不低于10μm，纤芯数值孔径一般不高于0.1。

所述包层光滤除器的包层光剥离能力不低于50W，耐受激光功率不低于400W。

在连续模式下该光纤激光器可输出不低于200W的激光功率。可通过采用更高功率的半导体激光来提高输出功率，如全部采用75W、100W、120W以及更高功率半导体激光器作为泵浦源。

本发明中，多台相同的光纤激光器，其输出参数、结构、连接方式和采用元器件的参数一致，并且各全光纤结构元器件的尾纤长度、光学谐振腔长度也一致。如图1所示，各光纤激光器包含的调制驱动电源、泵浦源采用的半导体激光器的数量和输出参数；分束器的分束比和规格参数；增益光纤长度、纤径、数值孔径、掺杂浓度等参数，高、低反光纤光栅的反射波长、反射率、耐受功率、尾纤长度等参数；以及输出端包层光滤除器的型号和传能光纤的长度等参数均一致，以保障在相同的调制泵浦源激励条件下各台光纤激光器输出的激光脉冲宽度、重复频率、激光功率、激光波长参数相同。

所述信号合束器40的输入端的光纤与光纤激光器10、光纤激光器20和光纤激光器30的输出端光纤纤径参数与数值孔径一致。单臂耐受平均功率不低于500W，总体激光透过率不低于96％，其中输出端50为镀膜的石英端帽，可耐受不低于2kW的平均功率激光。

本发明光纤激光的时序合成的实现方式如下：

每台光纤激光器泵浦源的其中一个半导体激光器的抽样泵浦光传输到激光电源控制泵浦监控装置中，用于对比各个半导体激光器的输出调制泵浦光的脉冲宽度，重复频率，是否保持一致，如果其中有不一致的参数可以通过激光电源控制泵浦监控装置来相应的调整对应光纤激光器的调制驱动电源，使得其泵浦脉冲宽度和重复频率改变，与其他光纤激光器的泵浦脉冲宽度和重复频率保持一致。

在各台光纤激光器脉冲时序控制方面，激光电源控制泵浦监控装置是实现脉冲时序合成的控制单元，其可将各台光纤激光器的采样泵浦光的波形、脉冲宽度、重复频率、以及脉冲序列的先后时序间隔分辨读出，并能显示出来。如果各台光纤激光器的脉冲没有保持时序，可以通过激光电源控制泵浦监控装置控制未保持时序的光纤激光器所对应的调制驱动电源，使其调制触发相应的延迟，通过这种方式将各单路脉冲序列之间保持等间隔的时序，并通过上述方式将各台准连续光纤激光器的脉冲宽度、重复频率保持一致，最终经过信号合束器合束，合成后脉冲的重复频率和平均功率为单台光纤激光器输出的准连续脉冲激光的N倍，单脉冲能量不变，其中，N为光纤激光器的台数，时序合成后的准连续光纤激光经信号合束器40的输出端50输出。

虽然以上实施例介绍的时序合成准连续光纤激光器包括三台光纤激光器，每台光纤激光器包括七个半导体激光器，但本发明并不限于此，本领域技术人员显然明白，时序合成准连续光纤激光器可以包括三台以上的光纤激光器，每台光纤激光器的半导体激光器个数可以增减。

本发明的时序合成准连续光纤激光器，也可以将调制驱动电源的调制功能关闭，实现连续驱动，使得光纤激光器输出连续光。一台激光器具备连续和准连续两种工作模式，可拓展光纤激光器的用途。

本领域的普通技术人员应当认识到，以上实施方法仅是用来说明本发明，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实例的变化、变型都将落在本发明的保护范围。例如简单拓展合成光纤激光器的个数，简单更换激光器的调制驱动电源的参数，都落在本发明的保护范围之内

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：所述光纤激光器除了为正向泵浦结构之外还可以为反向结构，均不影响本发明的实现。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种时序合成准连续光纤激光器，其特征在于，包括：

相同的多台光纤激光器；

激光电源控制泵浦监控装置，分别与所述多台光纤激光器连接，用于对所述多台光纤激光器的泵浦光脉冲参数进行采样及显示，并且对其中未保持时序的光纤激光器，控制调制触发相应的延迟，使各台光纤激光器产生的单路脉冲序列之间保持等间隔的时序，实现激光脉冲的时序合成；以及，

信号合束器，其输入端分别与所述多个光纤激光器的输出端连接，其输出端输出时序合成的激光。

2.如权利要求1所述的时序合成准连续光纤激光器，其特征在于，

每台光纤激光器包括：调制驱动电源、多个半导体激光器以及分束器；其中，

所述调制驱动电源与所述激光电源控制泵浦监控装置连接，该激光电源控制泵浦监控装置通过控制调制驱动电源调制触发相应的延迟；

所述多个半导体激光器串联连接；

所述分束器连接所述多个半导体激光器中的任意一个半导体激光器的输出端，同时其分束比低的分束端与所述激光电源控制泵浦监控装置相连接，用于将所述调制驱动电源所驱动的泵浦光脉冲参数反馈给所述激光电源控制泵浦监控装置；

所述多台光纤激光器的调制驱动电源、半导体激光器及分束器相同。

3.如权利要求2所述的时序合成准连续光纤激光器，其特征在于，

每台光纤激光器还包括泵浦合束器、谐振腔及包层光滤除器；

所述多个半导体激光器的输出端连接至泵浦合束器，泵浦合束器连接谐振腔，谐振腔连接包层光滤除器，包层光滤除器的输出端连接所述信号合束器的输入端；其中，

所述多台光纤激光器的泵浦合束器、谐振腔及包层光滤除器相同。

4.如权利要求3所述的时序合成准连续光纤激光器，其特征在于，

所述谐振腔包括依次连接的高反光纤光栅、增益光纤和低反光纤光栅；其中，

所述多台光纤激光器采用相同的高、低反光纤光栅以及增益光纤。

5.如权利要求2所述的时序合成准连续光纤激光器，其特征在于，所述信号合束器的输出端输出的时序合成的激光脉冲重复频率和平均功率为单台光纤激光器的N倍，其中，N为所述时序合成的光纤激光器中所包括的光纤激光器的台数。

6.如权利要求2所述的时序合成准连续光纤激光器，其特征在于，所述半导体激光器内部为单管耦合，带尾纤输出，额定功率不低于50W，输出尾纤纤径为50μm或100μm。

7.如权利要求4所述的时序合成准连续光纤激光器，其特征在于，

所述高反光纤光栅的反射波长为1μm，反射率不低于99％，可耐受平均功率高于500W；

所述低反光纤光栅的反射波长为1μm，反射率不高于50％，可耐受平均功率高于500W；

所述增益光纤为掺镱双包层光纤，纤芯直径不低于10μm，纤芯数值孔径不高于0.1。

8.如权利要求3所述的时序合成准连续光纤激光器，其特征在于，

所述包层光滤除器的包层光剥离能力不低于50W，耐受激光功率不低于400W。

9.如权利要求2所述的时序合成准连续光纤激光器，其特征在于，所述调制驱动电源调制输出20～120V，0～30A的直流电源，输出脉冲宽度为0.5～50000μs，重复频率为10～10000Hz。

10.如权利要求2所述的时序合成准连续光纤激光器，其特征在于，所述调制驱动电源驱动半导体激光器输出的脉冲泵浦光为准连续光，电源为脉冲恒流电源或可控硅放电电源。