CN108574198A - 一种大能量长脉冲光纤激光器 - Google Patents

一种大能量长脉冲光纤激光器 Download PDF

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Abstract

一种大能量长脉冲光纤激光器属于光纤激光技术领域，包括激光驱动器、种子源、激光放大器、包层光剥除器、光探测器Ⅲ和激光输出头。本发明在长脉冲光纤激光器中采用主振荡功率放大结构MOPA，采用连续或长脉冲激光驱动器驱动半导体激光器作为泵浦源，获得光束质量较高的长脉冲光纤激光种子光，再经过激光放大器将种子光源放大，实现所需参数的连续或长脉冲高能量长脉冲激光。激光放大器同样采用长脉冲激光驱动器半导体激光器作为泵浦源，且通过光电检测与同步驱动技术，使激光放大器泵浦源脉冲与种子光脉冲同步运行。采用上述方式，可获得高光束质量连续或长脉冲光纤激光，用于激光焊接等应用。

Description

一种大能量长脉冲光纤激光器
技术领域
本发明属于光纤激光技术领域，特别是涉及到一种大能量长脉冲光纤激光器。
背景技术
激光加工具有精度高、热区小、加工质量好等显著的优点。传统的灯泵固体激光器具有单脉冲能量高、单台成本较低，单个脉冲热区固定等优点，因此广泛应用于激光加工行业，但同时也具有能耗极高，光束质量相对较差，聚焦后的光斑相对较大等缺点。光纤激光器与传统激光器相比，光束质量好，更适合用于高精度加工领域，且能耗较低，是一种高效节能新型激光光源。
单脉冲能量达到几十焦耳量级、脉冲宽度达到毫秒量级的大能量长脉冲光纤激光器，在焊接等加工领域具有独特优势，近年来成为重点研究课题。以美国为首的欧美等发达国家早已展开了高能量长脉冲光纤激光器及其焊接设备的研发工作。全球最大的光纤激光器制造商IPG公司已开发出平均功率150～2300W，脉冲能量15～230J，峰值功率1500～23000W的系列化高能量产脉冲光纤激光器，应用于高精度焊接领域。相干公司旗下Rofin激光也推出但脉冲能量30J，峰值功率3000W的长脉冲光纤激光器，用于激光焊接领域。我国相关技术也取得一定进展，高校、研究所等科研单位在该领域取得一定的研究成果，部分企业推出平均功率150W，脉冲能量15J，峰值功率达到1500W的光纤激光器产品投入市场。
传统长脉冲激光器采用大功率长脉冲半导体激光泵浦源直接泵浦谐振腔中的增益光纤获得长脉冲光纤激光，这种方式结构简单，可获得大能量长脉冲光纤激光，但光束质量的提高受到一定限制。
因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种大能量长脉冲光纤激光器用于解决传统的长脉冲激光器结构简单，获得的大能量长脉冲激光光束质量的提高受到限制的技术问题。
一种大能量长脉冲光纤激光器，包括激光驱动器、种子源、激光放大器、包层光剥除器、光探测器Ⅲ和激光输出头，
所述种子源包括泵浦源Ⅰ、泵浦光耦合器Ⅰ、光探测器Ⅰ、高反光栅、增益光纤Ⅰ、低反光栅和隔离器；所述泵浦源Ⅰ、泵浦光耦合器Ⅰ、高反光栅、增益光纤Ⅰ、低反光栅以及隔离器通过光纤顺次连接；所述光探测器Ⅰ通过光纤与泵浦光耦合器Ⅰ连接；
所述激光放大器包括泵浦源Ⅱ、泵浦光耦合器Ⅱ、光探测器Ⅱ和增益光纤Ⅱ；所述泵浦源Ⅱ、光探测器Ⅱ以及增益光纤Ⅱ通过光纤顺次连接；所述泵浦光耦合器Ⅱ通过光纤与泵浦光耦合器Ⅱ连接；
所述激光驱动器包括单片机、RS232接口、半导体激光驱动模块和人机交互模块；所述RS232接口、半导体激光驱动模块以及人机交互模块分别与单片机连接；所述半导体激光驱动模块通过导线分别与泵浦源Ⅰ以及泵浦源Ⅱ连接；所述单片机通过数据线分别与光探测器Ⅰ、光探测器Ⅱ以及光探测器Ⅲ连接；
所述包层光剥除器与增益光纤Ⅱ连接；所述激光输出头通过光纤与包层光剥除器连接。
所述泵浦源Ⅰ和泵浦源Ⅱ均包括一组以上波长为915nm的半导体激光器。
所述高反光栅对波长为1080nm激光反射率不低于99％。
所述低反光栅对波长为1080nm激光反射率不高于50％。
所述增益光纤Ⅰ和增益光纤Ⅱ均为双包层结构。
所述单片机通过半导体激光驱动模块同步驱动泵浦源Ⅰ和泵浦源Ⅱ发出连续或脉冲宽度0.05ms～50ms的长脉冲泵浦激光。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
本发明中首次在大能量长脉冲光纤激光器中使用主振荡功率放大结构，种子源和激光放大器泵浦源都采用高峰值长脉冲半导体激光器作为泵浦源，且采用同步控制，实现大能量长脉冲激光输出，并有利于提高激光光束质量，提高在加工应用过程中的加工精度。
本发明设置的光探测器，对种子源、激光放大器、输出端激光同时进行检测，有利于提高激光驱动控制的精确性，同时有利于提高激光功率稳定性。
本发明获得高质量大能量长脉冲光纤激光，可应用于等加工领域，具有能耗低、体积小、使用寿命长等优点。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明一种大能量长脉冲光纤激光器示意图。
图2为本发明一种大能量长脉冲光纤激光器中激光驱动器的结构示意图。
图3为本发明一种大能量长脉冲光纤激光器中泵浦源Ⅰ输出的光强度随时间变化示意图。
图4为本发明一种大能量长脉冲光纤激光器中隔离器输出的光强度随时间变化示意图。
图5为本发明一种大能量长脉冲光纤激光器中泵浦源Ⅱ输出的光强度随时间变化示意图。
图6为本发明一种大能量长脉冲光纤激光器中激光输出头输出的激光强度随时间变化示意图。
图中1-激光驱动器、2-种子源、3-激光放大器、4-包层光剥除器、5-光探测器Ⅲ、6-激光输出头、101-单片机、102-RS232接口、103-半导体激光驱动模块、104-人机交互模块、201-泵浦源Ⅰ、202-泵浦光耦合器Ⅰ、203-光探测器Ⅰ、204-高反光栅、205-增益光纤Ⅰ、206-低反光栅、207-隔离器、301-泵浦源Ⅱ、302-泵浦光耦合器Ⅱ、303-光探测器Ⅱ、304-增益光纤Ⅱ。
具体实施方式
如图1所示，一种大能量长脉冲光纤激光器，包括激光驱动器1、种子源2、激光放大器3、包层光剥除器4、光探测器Ⅲ5和激光输出头6，
所述激光驱动器1包括单片机101、RS232接口102、半导体激光驱动模块103和人机交互模块104；
所述种子源2包括泵浦源Ⅰ201、泵浦光耦合器Ⅰ202、光探测器Ⅰ203、高反光栅204、增益光纤Ⅰ205、低反光栅206和隔离器207；所述泵浦源Ⅰ201、泵浦光耦合器Ⅰ202、高反光栅204、增益光纤Ⅰ205、低反光栅206以及隔离器207通过光纤顺次连接；所述光探测器Ⅰ203通过光纤与泵浦光耦合器Ⅰ202连接；
所述激光放大器3包括泵浦源Ⅱ301、泵浦光耦合器Ⅱ302、光探测器Ⅱ303和增益光纤Ⅱ304；
一种大能量长脉冲光纤激光器采用全光纤结构，激光驱动器1、种子源2、激光放大器3、包层光剥除器4、光探测器Ⅲ5以及激光输出头6均为独立的组件。子源2、激光放大器3、包层光剥除器4以及光探测器Ⅲ5均在组件的前段有输入端光纤，后端有输出端光纤称为尾纤，激光驱动器1的后端有尾纤，激光输出头6有输入端光纤，组件之间采用低损耗熔接技术将各组件尾纤熔接起来，所述种子源2、激光放大器3、包层光剥除器4、光探测器Ⅲ5以及激光输出头6各组件皆由光纤连接。
本发明中首次使用主振荡功率放大结构，即由所述种子源2可获得功率较低但光束质量较高的1080nm连续或脉冲宽度0.05ms～50ms的长脉冲激光信号，即为种子光，经过所述激光放大器3放大后，获得所需功率的1080nm连续或脉冲宽度0.05ms～50ms的长脉冲激光，经过包层光剥除器4去除光纤包层中多余杂光，使所需功率的1080nm激光只在纤芯中传输，经激光输出头6输出。
所述种子源2中，泵浦源Ⅰ201由n组波长为915nm的半导体激光器组成，其中n为大于1的自然数，可连续或以脉冲宽度0.05ms～50ms的长脉冲输出泵浦光。泵浦光耦合器Ⅰ202具有大于n条输入端光纤和一条输出端光纤，可将多组激光合如一根光纤传输。泵浦源Ⅰ201输出的波长为915nm的泵浦光经泵浦光耦合器Ⅰ202合束并耦合进由高反光栅204、增益光纤Ⅰ205、低反光栅206组成的光学谐振腔。
所述高反光栅对波长为1080nm激光反射率不低于99％，所述低反光栅对波长为1080nm激光反射率不高于50％。所述增益光纤Ⅰ205是双包层结构，由外到内由外包层、内包层、纤芯三层结构构成，从外包层到纤芯，折射率由高到低变化。内包层截面采用多边形，可传输泵浦源Ⅰ201输出的波长为915nm泵浦激光，多边形截面可避免旋光效应产生，保证波长为915nm的泵浦光传输过程中不断经过纤芯。纤芯中掺杂镱离子，吸收915nm泵浦激光后，在谐振腔中产生波长为1080nm的种子激光，并经低反光栅206输出，再经隔离器207后注入激光放大器3中。
所述隔离器207只能单向导通1080nm激光，防止激光器后端返回的激光对种子源2中的组件造成损坏。
所述激光放大器3中，泵浦源Ⅱ301由m组波长为915nm的半导体激光器组成，其中m为大于1的自然数，在激光驱动器1驱动下，可连续输出或以脉冲宽度0.05ms～50ms的长脉冲输出泵浦光。泵浦光耦合器Ⅱ302具有大于m条输入端光纤和一条输出端光纤，将泵浦源Ⅱ301输出的泵浦光合束并耦合进增益光纤Ⅱ304中。
所述增益光纤Ⅱ304是双包层结构，内包层同样为多边形截面，传输泵浦源Ⅱ301输出的波长为915nm的泵浦激光，纤芯中掺杂镱离子吸收915nm泵浦激光后，将注入的种子源2中产生的波长为1080nm种子激光放大到所需功率。
所述激光放大器3后端接入包层光剥除器4，可将光纤纤芯以外内包层中传输的剩余泵浦光及其他杂光剥除，光线中仅剩纤芯中我们需要的波长为1080nm大能量长脉冲激光传输。
包层光剥除器4后端接入激光输出头6，是激光输出。所述激光输出头6采用国际通用的QBH等结构输出头，可与市场上大多数常用的焊接头扩束镜等加工头连接，便于激光加工设备应用。同时具有单向传输功能，防止回光对激光器各组件造成损坏。
所述泵浦源Ⅰ201、泵浦源Ⅱ301、增益光纤Ⅰ205、增益光纤Ⅱ304、包层光剥除器4、激光输出头6为主要发热元件，采用水冷方式进行散热。
所述光探测器Ⅰ203、光探测器Ⅱ303可分别利用泵浦光耦合器Ⅰ202、泵浦光耦合器302分别检测泵浦源Ⅰ201、泵浦源Ⅱ301输出的光信号，所述光探测器Ⅲ5可通过包层光剥除器4检测激光器输出的光信号。
所述泵浦光耦合器Ⅰ202、泵浦光耦合器Ⅱ302分别有一根空余的输入端光纤可分出一小部分泵浦光信号，分别提供给光探测器Ⅰ203、光探测器Ⅱ303检测。所述包层光剥除器4剥除出的光信号，提供给光探测器Ⅲ5检测。
如图2所示，所述激光驱动器1通过导线与泵浦源Ⅰ201、泵浦源Ⅱ301、光探测器Ⅲ5、光探测器Ⅰ203、光探测器Ⅱ303连接。采用单片机101为主要驱动控制部件，与激光加工设备主控制器通过RS232接口102交换控制信号，实现加工设备对激光器的控制；或通过人机交互模块104由操作员直接控制激光器。半导体激光驱动模块103数量为两个，分别用于驱动种子源2中的泵浦源Ⅰ201及激光放大器3中的泵浦源Ⅱ301。单片机101通过接收光探测器Ⅲ5、光探测器Ⅰ203以及光探测器Ⅱ303传输的信号，经过处理，将驱动信号传递给半导体激光驱动模块103，同步驱动泵浦源Ⅰ201和泵浦源Ⅱ301发出连续或脉冲宽度0.05ms～50ms的长脉冲泵浦激光，使激光放大器3中泵浦源Ⅱ301发出的泵浦光脉冲与隔离器207发出的种子光脉冲同步运行，使种子源2中产生的种子光脉冲在激光放大器中实现精确放大。泵浦源Ⅰ201、隔离器207、泵浦源Ⅱ301以及激光输出头6输出的的激光强度随时间变化示意图如图3至图6所示。并通过调节驱动电流，提高输出的激光的稳定性。
本发明在长脉冲光纤激光器中采用主振荡功率放大结构MOPA结构，采用连续或长脉冲激光驱动器驱动半导体激光器作为泵浦源，获得光束质量较高的长脉冲光纤激光种子光，再经过激光放大器3将种子源2发出的光源放大，实现所需参数的连续或长脉冲高能量长脉冲激光。激光放大器3同样采用长脉冲激光驱动器半导体激光器作为泵浦源，且通过光电检测与同步驱动技术，使激光放大器3中泵浦源Ⅱ301发出的脉冲与隔离器207发出的种子光脉冲同步运行。采用上述方式，可获得高光束质量连续或长脉冲光纤激光，用于激光焊接等应用。

Claims (6)

1.一种大能量长脉冲光纤激光器，其特征是：包括激光驱动器(1)、种子源(2)、激光放大器(3)、包层光剥除器(4)、光探测器Ⅲ(5)和激光输出头(6)，
所述种子源(2)包括泵浦源Ⅰ(201)、泵浦光耦合器Ⅰ(202)、光探测器Ⅰ(203)、高反光栅(204)、增益光纤Ⅰ(205)、低反光栅(206)和隔离器(207)；所述泵浦源Ⅰ(201)、泵浦光耦合器Ⅰ(202)、高反光栅(204)、增益光纤Ⅰ(205)、低反光栅(206)以及隔离器(207)通过光纤顺次连接；所述光探测器Ⅰ(203)通过光纤与泵浦光耦合器Ⅰ(202)连接；
所述激光放大器(3)包括泵浦源Ⅱ(301)、泵浦光耦合器Ⅱ(302)、光探测器Ⅱ(303)和增益光纤Ⅱ(304)；所述泵浦源Ⅱ(301)、光探测器Ⅱ(303)以及增益光纤Ⅱ(304)通过光纤顺次连接；所述泵浦光耦合器Ⅱ(302)通过光纤与泵浦光耦合器Ⅱ(302)连接；
所述激光驱动器(1)包括单片机(101)、RS232接口(102)、半导体激光驱动模块(103)和人机交互模块(104)；所述RS232接口(102)、半导体激光驱动模块(103)以及人机交互模块(104)分别与单片机(101)连接；所述半导体激光驱动模块(103)通过导线分别与泵浦源Ⅰ(201)以及泵浦源Ⅱ(301)连接；所述单片机(101)通过数据线分别与光探测器Ⅰ(203)、光探测器Ⅱ(303)以及光探测器Ⅲ(5)连接；
所述包层光剥除器(4)与增益光纤Ⅱ(304)连接；所述激光输出头(6)通过光纤与包层光剥除器(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种大能量长脉冲光纤激光器，其特征是：所述泵浦源Ⅰ(201)和泵浦源Ⅱ(301)均包括一组以上波长为915nm的半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种大能量长脉冲光纤激光器，其特征是：所述高反光栅(204)对波长为1080nm激光反射率不低于99％。
4.根据权利要求1所述的一种大能量长脉冲光纤激光器，其特征是：所述低反光栅(206)对波长为1080nm激光反射率不高于50％。
5.根据权利要求1所述的一种大能量长脉冲光纤激光器，其特征是：所述增益光纤Ⅰ(205)和增益光纤Ⅱ(304)均为双包层结构。
6.根据权利要求1所述的一种大能量长脉冲光纤激光器，其特征是：所述单片机(101)通过半导体激光驱动模块(103)同步驱动泵浦源Ⅰ(201)和泵浦源Ⅱ(301)发出连续或脉冲宽度0.05ms～50ms的长脉冲泵浦激光。
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