CN116845682A - 一种脉宽可调光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种脉宽可调光纤激光器，包括顺次设置的第一泵浦LD、第一泵浦合束器、振荡器单元、第一功率放大单元和第二功率放大单元；所述第一泵浦LD，用于输出第一泵浦光；所述第一泵浦合束器，与第一泵浦LD的输出端连接，用于将第一泵浦光耦合至振荡器单元的输入端；所述振荡器单元，与第一泵浦合束器的输出端连接，用于接收第一泵浦光并产生激光；所述第一功率放大单元，与振荡器单元的输出端连接，用于对振荡器单元产生的激光进行预功率放大；所述第二功率放大单元与第一功率放大单元的输出端连接，用于对预功率放大后的激光进行二次放大后输出。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器设备技术领域，尤其涉及一种脉宽可调光纤激光器。
背景技术
纳秒脉冲激光器，一般由调Q激光器或者种子源电调制两种方案产生。调Q激光器由调Q开关(声光调制器)在振荡器中，通过电调制开启关闭切换，产生调Q脉冲；种子源电调制方案是通过纳秒电脉冲驱动单模LD，实现纳秒光学脉冲产生。
公开号为CN115693362A的中国发明专利申请公开了一种脉冲激光器的种子源和激光器，其公开了一种采用一个或者多个调制器将连续光调制成脉冲光的方案，且至少一个调制器位于谐振腔的外部，且谐振腔输出的是稳定的连续光，通过谐振腔外的调制器将连续光调制为脉冲光输出，脉冲光的脉宽是由多个调制器调制且依次变窄后得到的，该设备的结构整体较复杂。因此，提供一种布局合理、结构紧凑的脉宽可调光纤激光器，是非常有必要的。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种结构紧凑、调制器内置与谐振腔的脉宽可调光纤激光器。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种脉宽可调光纤激光器，包括顺次设置的第一泵浦LD(1)、第一泵浦合束器(2)、振荡器单元(3)、第一功率放大单元(4)、第二功率放大单元(5)和准直隔离器(55)；
所述第一泵浦LD(1)，用于输出第一泵浦光；
所述第一泵浦合束器(2)，与第一泵浦LD(1)的输出端连接，用于将第一泵浦光耦合至振荡器单元(3)的输入端；
所述振荡器单元(3)，与第一泵浦合束器(2)的输出端连接，用于接收第一泵浦光并产生连续激光或者脉冲激光；
所述第一功率放大单元(4)，与振荡器单元(3)的输出端连接，用于对振荡器单元(3)产生的激光进行预功率放大；
所述第二功率放大单元(5)，与第一功率放大单元(4)的输出端连接，用于对预功率放大后的激光进行二次放大后输出。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述振荡器单元(3)包括高反光栅(31)、第一增益光纤(32)、调制器(33)和低反光栅(34)；高反光栅(31)与第一泵浦合束器(2)的输出端耦合设置，高反光栅(31)的输出端设置有第一增益光纤(32)，第一增益光纤(32)的输出端与调制器(33)的输入端光路连接，调制器(33)的输出端与低反光栅(34)的输入端光路连接；第一泵浦光经第一泵浦合束器(2)耦合至高反光栅(31)中，高反光栅(31)将第一泵浦光经由第一增益光纤(32)输入调制器(33)中，调制器(33)通过开启状态对第一泵浦光进行连续或者脉冲输出至低反光栅(34)；低反光栅(34)将产生的激光输出至第一功率放大单元(4)的输入端。
优选的，所述调制器(33)为声光调制器或者电光调制器。
进一步优选的，所述调制器(33)的开启状态为完全开启或者脉冲开启。
进一步优选的，所述第一功率放大单元(4)包括第二增益光纤(41)、第二泵浦合束器(42)和第二泵浦LD(43)；第二增益光纤(41)的输入端与低反光栅(34)的输出端连接，第二增益光纤(41)的输出端与第二泵浦合束器(42)的第一输入端连接，第二泵浦LD(43)的输出端与第二泵浦合束器(42)的第二输入端连接，第二泵浦合束器(42)的输出端与第二功率放大单元(5)的输入端连接。
更进一步优选的，所述第二功率放大单元(5)包括第一在线隔离器(50)、第三增益光纤(52)、第三泵浦合束器(53)、第三泵浦LD(54)和准直隔离器(55)；第一在线隔离器(50)的输入端与第二泵浦合束器(42)的输出端连接，第一在线隔离器(50)的输出端与第三增益光纤(52)的输入端连接，第三增益光纤(52)的输出端与第三泵浦合束器(53)的第一输入端连接，第三泵浦LD(54)的输出端与第三泵浦合束器(53)的第二输入端连接，第三泵浦合束器(53)的输出端与准直隔离器(55)的输入端连接。
再进一步优选的，所述第二功率放大单元(5)还包括包层光剥离器(51)，包层光剥离器(51)位于第一在线隔离器(50)与第三增益光纤(52)之间，包层光剥离器(51)的输入端与第一在线隔离器(50)的输出端连接，包层光剥离器(51)的输出端与第三增益光纤(52)的输入端连接；用于消除第一放大单元的残余泵浦光或者第三增益光纤(52)的反射光。
在以上技术方案的基础上，优选的，还包括第二在线隔离器(6)，第二在线隔离器(6)位于振荡器单元(3)与第一功率放大单元(4)之间，第二在线隔离器(6)的输入端与振荡器单元(3)的输出端连接，第二在线隔离器(6)的输出端与第一功率放大单元(4)的输入端连接。
本发明提供的一种脉宽可调光纤激光器，相对于现有技术，具有以下有益效果：
(1)本方案通过成对设置的光栅、调制器和第一增益光栅共同构成谐振腔，产生连续的窄光谱激光或者频率可调的脉冲激光；而且振荡器单元的调制器通过电光调制或者声光调制，实现脉冲激光的脉宽可调；
(2)本方案的光纤激光器尤其适用于激光加工、测距或者激光雷达领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要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发明的一些实施例，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为本发明一种脉宽可调光纤激光器的结构框图；
图2为本发明一种脉宽可调光纤激光器的调制器和第一泵浦LD均连续开启时的输出激光波形；
图3为本发明一种脉宽可调光纤激光器的调制器连续开启，第一泵浦LD脉冲开启时的输出激光波形；
图4为本发明一种脉宽可调光纤激光器的调制器脉冲开启，第一泵浦LD连续开启时的输出激光波形；
图5为本发明一种脉宽可调光纤激光器的调制器和第一泵浦LD均脉冲开启时的输出激光波形。
附图标记：1、第一泵浦LD；2、第一泵浦合束器；3、振荡器单元；31、高反光栅；32、第一增益光纤；33、调制器；34、低反光栅；4、第一功率放大器单元；41、第二增益光纤；42、第二泵浦合束器；43、第二本片LD；5、第二功率放大器单元；50、第一在线隔离器；51、包层光剥离器；52、第三增益光纤；53、第三泵浦合束器；54、第三泵浦LD；55、准直隔离器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本发明的技术方案是这样实现的：如图1所示，本发明提供了一种脉宽可调光纤激光器，包括顺次设置的第一泵浦LD1、第一泵浦合束器2、振荡器单元3、第一功率放大单元4、第二功率放大单元5和准直隔离器55。其中：
第一泵浦LD1用于输出第一泵浦光。
第一泵浦合束器2与第一泵浦LD1的输出端连接，用于将第一泵浦光耦合至振荡器单元3的输入端；第一泵浦合束器2直接将第一泵浦光耦合至振荡器单元3中，第一泵浦光作为种子光使用。
振荡器单元3与第一泵浦合束器2的输出端连接，用于接收第一泵浦光并产生连续激光或者脉冲激光；
第一功率放大单元4与振荡器单元3的输出端连接，用于对振荡器单元3产生的激光进行预功率放大；第一功率放大单元4对振荡器单元3输出的连续激光或者脉冲激光进行第一次放大。
第二功率放大单元5与第一功率放大单元4的输出端连接，用于对预功率放大后的激光进行二次放大后输出。第二功率放大单元5对振荡器单元3输出的连续激光或者脉冲激光进行第二次放大，而且第二功率放大单元5是主放大单元。本发明通过优化设计脉冲激光器，可以实现包括连续激光在内的多种脉冲工作体制，提供了一种脉冲或者连续泵浦的振荡器单元，产生各类激光输出，如包含连续激光、QCW激光、调Q激光和宏脉冲激光等。
如图1所示，振荡器单元3包括高反光栅31、第一增益光纤32、调制器33和低反光栅34；高反光栅31与第一泵浦合束器2的输出端耦合设置，高反光栅31的输出端设置有第一增益光纤32，第一增益光纤32的输出端与调制器33的输入端光路连接，调制器33的输出端与低反光栅34的输入端光路连接；第一泵浦光经第一泵浦合束器2耦合至高反光栅31中，高反光栅31将第一泵浦光经由第一增益光纤32输入调制器33中，调制器33通过开启状态对第一泵浦光进行连续或者脉冲输出至低反光栅34；低反光栅34将产生的激光输出至第一功率放大单元4的输入端。振荡器单元3的内部器件构成了一个谐振腔，符合谐振腔谐振频率的激光信号会被选频输出，即相应频段的连续激光或者脉冲激光。
振荡器单元3产生的连续或者脉冲激光器，功率受限于调制器的承受功率，一般为1-10W量级。可通过后级进一步设置放大器，将激光放大到100W以上。第一泵浦LD和调制器33的驱动脉冲时序需要严格控制，相位要进行同步，以防止脉冲失控。
调制器33可以采用声光调制器或者电光调制器。调制器33的开启状态模式可以选择完全开启或者脉冲开启。调制器33既可以单独工作，也可以配合第一泵浦LD1协同工作。以声光调制器为例，说明调制器33的协同工作模式如下：
A、当调制器33连续开启、第一泵浦LD1连续开启时，产生连续激光。声光调制器的驱动波形、第一泵浦LD1输出波形和输出激光波形如图2所示。此工作模式下，调制器33先开启，然后开启第一泵浦LD1，时间差大于ms级即可，直接输出连续激光。
B、当调制器33连续开启、第一泵浦LD1脉冲开启时，振荡器单元3产生脉冲激光，脉冲激光的频率和脉宽/占空比受限于调制器33的声光参数或者电光参数，该模式下可产生毫秒级和微秒级激光，频率从单发到数百kHz，输出参数类似于QCW激光；声光调制器的驱动波形、第一泵浦LD1输出波形和输出激光波形如图3所示。此工作模式下，调制器33先开启，然后开启第一泵浦LD1，时间差大于ms级即可，直接输出QCW机制的脉冲激光。
C、当调制器33脉冲开启、第一泵浦LD1脉冲连续开启时，振荡器单元3产生纳秒级几十kHz到几百kHz脉冲激光，输出类似于调Q脉冲；声光调制器的驱动波形、第一泵浦LD1输出波形和输出激光波形如图4所示。此工作模式下，第一泵浦LD1一般先于调制器33开启，开启时间为10微秒量级，主要用于增益光纤储能，之后再开启调制器33，这样可以实现首发脉冲起振，产生调Q的数百ns级脉冲。
D、当调制器33脉冲开启、第一泵浦LD1脉冲开启时，振荡器单元3产生单发到几十kHz脉冲激光，频率可调，宏脉冲个数受控于泵浦LD的脉冲宽度。声光调制器的驱动波形、第一泵浦LD1输出波形和输出激光波形如图5所示。此工作模式下，第一泵浦LD1先于调制器33开启，开启时间为10微秒量级，同时在出光过程中，第一泵浦LD1关闭需要和调制器33的关闭同步，同步精度在1微秒以内；第一泵浦LD1先于调制器33关闭会导致脉冲输出能力下降，第一泵浦LD1晚于调制器33关闭可能引起机器烧毁。
可见，种子光即第一泵浦LD1输出的泵浦光决定了调制器33与激光器的工作模式。本发明提供的脉宽可调光纤激光器，相对于调Q激光器具有激光工作参数多、脉宽频率范围广的特点，可从连续光到纳秒级脉冲光，产生激光的参数受控能力强，和具有脉宽可调，频率可调等优势；相对于连续或者QCW激光器，可以方便产生纳秒脉冲激光，控制灵活。
需要说明的是，工作模式B中的激光脉宽一般和第一泵浦LD脉宽相同或者接近；工作模式C和工作模式D中的输出激光脉宽一般小于声光调制器脉宽，一般的声光调制器脉宽在1-2微秒，而产生的激光脉宽一般在80-200纳秒。
如图1所示，第一功率放大单元4用于将振荡器单元3输出的连续激光或者脉冲激光进行预防大。其中，第一功率放大单元4包括第二增益光纤41、第二泵浦合束器42和第二泵浦LD43；第二增益光纤41的输入端与低反光栅34的输出端连接，第二增益光纤41的输出端与第二泵浦合束器42的第一输入端连接，第二泵浦LD43的输出端与第二泵浦合束器42的第二输入端连接，第二泵浦合束器42的输出端与第二功率放大单元5的输入端连接。具体的，振荡器单元3输出的连续激光或者脉冲激光送入第二增益光纤41中会进行增益放大，然后第二泵浦LD43输出的泵浦光与第二增益光纤41增益放大后的激光信号在第二泵浦合束器42处进行合束进一步进行功率放大，即进行了两级连续的增益放大和功率放大。
同样如图1所示，第二功率放大单元5包括第一在线隔离器50、第三增益光纤52、第三泵浦合束器53、第三泵浦LD54和准直隔离器55；第一在线隔离器50的输入端与第二泵浦合束器42的输出端连接，第一在线隔离器50的输出端与第三增益光纤52的输入端连接，第三增益光纤52的输出端与第三泵浦合束器53的第一输入端连接，第三泵浦LD54的输出端与第三泵浦合束器53的第二输入端连接，第三泵浦合束器53的输出端与准直隔离器55的输入端连接。第二功率放大单元5主要进行功率放大，其第一在线隔离器50用于维持第一功率放大单元4输出的稳定，经过第一功率放大单元4输出的预防大的激光，依次经过第三增益光纤52的增益放大，然后在第三泵浦合束器53中与第三泵浦LD54输出的泵浦光合束后进行功率放大后输出至准直隔离器55中，准直隔离器只允许正向光通过，抑制后级的反向光输入第二功率放大单元5中。
作为一种优选的实施方式，第二功率放大单元5还包括包层光剥离器51，包层光剥离器51位于第一在线隔离器50与第三增益光纤52之间，包层光剥离器51的输入端与第一在线隔离器50的输出端连接，包层光剥离器51的输出端与第三增益光纤52的输入端连接；用于消除第一放大单元的残余泵浦光或者第三增益光纤52的反射光，使得输出的激光的频段更加稳定与单一。
为了保证光学***传输状态的稳定性；本方案还包括第二在线隔离器6，第二在线隔离器6位于振荡器单元3与第一功率放大单元4之间，第二在线隔离器6的输入端与振荡器单元3的输出端连接，第二在线隔离器6的输出端与第一功率放大单元4的输入端连接。本方案的第二在线隔离器6可以采用保偏型在线隔离器，常见的保偏型在线隔离器由起偏器、法拉第旋转器、半波片、检偏器和一对准直器构成，保偏型在线隔离器属于本领域惯用技术手段，在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种脉宽可调光纤激光器，其特征在于，包括顺次设置的第一泵浦LD(1)、第一泵浦合束器(2)、振荡器单元(3)、第一功率放大单元(4)和第二功率放大单元(5)；
所述第一泵浦LD(1)，用于输出第一泵浦光；
所述第一泵浦合束器(2)，与第一泵浦LD(1)的输出端连接，用于将第一泵浦光耦合至振荡器单元(3)的输入端；
所述振荡器单元(3)，与第一泵浦合束器(2)的输出端连接，用于接收第一泵浦光并产生连续激光或者脉冲激光；
所述第一功率放大单元(4)，与振荡器单元(3)的输出端连接，用于对振荡器单元(3)产生的激光进行预功率放大；
所述第二功率放大单元(5)，与第一功率放大单元(4)的输出端连接，用于对预功率放大后的激光进行二次放大后输出。
2.根据权利要求1所述的一种脉宽可调光纤激光器，其特征在于，所述振荡器单元(3)包括高反光栅(31)、第一增益光纤(32)、调制器(33)和低反光栅(34)；高反光栅(31)与第一泵浦合束器(2)的输出端耦合设置，高反光栅(31)的输出端设置有第一增益光纤(32)，第一增益光纤(32)的输出端与调制器(33)的输入端光路连接，调制器(33)的输出端与低反光栅(34)的输入端光路连接；第一泵浦光经第一泵浦合束器(2)耦合至高反光栅(31)中，高反光栅(31)将第一泵浦光经由第一增益光纤(32)输入调制器(33)中，调制器(33)通过开启状态对第一泵浦光进行连续或者脉冲输出至低反光栅(34)；低反光栅(34)将产生的激光输出至第一功率放大单元(4)的输入端。
3.根据权利要求2所述的一种脉宽可调光纤激光器，其特征在于，所述调制器(33)为声光调制器或者电光调制器。
4.根据权利要求3所述的一种脉宽可调光纤激光器，其特征在于，所述调制器(33)的开启状态为完全开启或者脉冲开启。
5.根据权利要求3所述的一种脉宽可调光纤激光器，其特征在于，所述第一功率放大单元(4)包括第二增益光纤(41)、第二泵浦合束器(42)和第二泵浦LD(43)；第二增益光纤(41)的输入端与低反光栅(34)的输出端连接，第二增益光纤(41)的输出端与第二泵浦合束器(42)的第一输入端连接，第二泵浦LD(43)的输出端与第二泵浦合束器(42)的第二输入端连接，第二泵浦合束器(42)的输出端与第二功率放大单元(5)的输入端连接。
6.根据权利要求5所述的一种脉宽可调光纤激光器，其特征在于，所述第二功率放大单元(5)包括第一在线隔离器(50)、第三增益光纤(52)、第三泵浦合束器(53)、第三泵浦LD(54)和准直隔离器(55)；第一在线隔离器(50)的输入端与第二泵浦合束器(42)的输出端连接，第一在线隔离器(50)的输出端与第三增益光纤(52)的输入端连接，第三增益光纤(52)的输出端与第三泵浦合束器(53)的第一输入端连接，第三泵浦LD(54)的输出端与第三泵浦合束器(53)的第二输入端连接，第三泵浦合束器(53)的输出端与准直隔离器(55)的输入端连接。
7.根据权利要求6所述的一种脉宽可调光纤激光器，其特征在于，所述第二功率放大单元(5)还包括包层光剥离器(51)，包层光剥离器(51)位于第一在线隔离器(50)与第三增益光纤(52)之间，包层光剥离器(51)的输入端与第一在线隔离器(50)的输出端连接，包层光剥离器(51)的输出端与第三增益光纤(52)的输入端连接；用于消除第一放大单元的残余泵浦光或者第三增益光纤(52)的反射光。
8.根据权利要求1所述的一种脉宽可调光纤激光器，其特征在于，还包括第二在线隔离器(6)，第二在线隔离器(6)位于振荡器单元(3)与第一功率放大单元(4)之间，第二在线隔离器(6)的输入端与振荡器单元(3)的输出端连接，第二在线隔离器(6)的输出端与第一功率放大单元(4)的输入端连接。
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2023
- 2023-07-07 CN CN202310832348.6A patent/CN116845682A/zh active Pending
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