CN217984058U - 一种长、短复合脉冲激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及激光技术领域，公开了一种长、短复合脉冲激光器，包括：种子源，用于发射长脉冲激光；分束器，其设有一输入端、第一输出端和第二输出端，所述分束器的输入端与所述种子源的输出端连接，用于将输入的长脉冲激光分成第一子长脉冲激光和第二子长脉冲激光；光强度调制器，其输入端与所述分束器的第一输出端连接，用于将输入的第一子长脉冲激光调制成短脉冲激光；功率放大器，其输入端与所述光强度调制器的输出端连接，用于对输入的短脉冲激光进行功率放大；合束器，其输入端分别与所述功率放大器的输出端和所述分束器的第二输出端连接，用于将功率放大后的短脉冲激光和第二子长脉冲激光进行合束后输出；控制模块和延时模块，所述控制模块分别与所述延时模块、种子源、光强度调制器及功率放大器连接。相较于现有技术，本实用新型实施例可单独控制短脉冲激光的功率及相对于长脉冲激光的时延，不仅可以得到长、短复合脉冲激光，提高对材料的加工能力，也可提高对长脉冲激光的利用率，从而节约了能量。

Description

一种长、短复合脉冲激光器

技术领域

本实用新型涉及激光技术领域，尤其涉及一种长、短复合脉冲激光器。

背景技术

激光加工是现阶段一种常用的加工方式，其在汽车生产、器件制造以及航空航天等领域都有着重要应用。随着自动化水平的提高和科技的发展，如何进一步提升激光加工效率，已成为激光行业的关注点之一。

当前激光加工主要采用高功率连续激光器的热加工方式或高峰值功率脉冲激光冷加工方式。但均受到光源利用效率的影响，如何进一步的提升能量的利用率，实现激光器绿色的有效加工，是目前激光加工业有必要进行深入探讨的问题。因此研究激光加工的新体制对于促进激光加工行业的发展有着十分重要的意义。

近些年来，有研究表明，当使用不同激光器进行复合加工时，可以在保持原有的独立输出参数不变的情况下，通过特定条件下的共同作用，比如特定的功率比，特定的作用时延等，由此可以提升或者改变加工效果，并且加工过程中产生的不利影响也将显著降低。由此推动的激光复合加工也越来被在激光加工行业越来越重视起来。

一般情况下，传统的激光复合加工作用往往需要两台或多台激光器共同作用，因此需要相对复杂的加工平台，加大了调试以及加工的难度，一般配合不同类型的激光器进行复合加工，比如连续结合毫秒长脉冲激光，或连续激光结合纳秒短脉冲等。以此来实现一些特殊工艺的加工需求。

实用新型内容

基于此，本实用新型实施例提供了一种长、短复合脉冲激光器，在长脉冲激光作用待加工物表面的时间内，可通过独立控制短脉冲激光的功率及时延，优化了长脉冲激光和短脉冲激光之间的功率比及相对延时，实现了对材料的有效烧蚀作用，提高了对材料的加工能力。

采用的技术方案是：

一种长、短复合脉冲激光器，包括：种子源，用于发射长脉冲激光；分束器，其设有一输入端、第一输出端和第二输出端，所述分束器的输入端与所述种子源的输出端连接，用于将输入的长脉冲激光分成第一子长脉冲激光和第二子长脉冲激光；光强度调制器，其输入端与所述分束器的第一输出端连接，用于将输入的第一子长脉冲激光调制成短脉冲激光；功率放大器，其输入端与所述光强度调制器的输出端连接，用于对输入的短脉冲激光进行功率放大；合束器，其输入端分别与所述功率放大器的输出端和所述分束器的第二输出端连接，用于将功率放大后的短脉冲激光和第二子长脉冲激光进行合束后输出；控制模块和延时模块，所述控制模块分别与所述延时模块、种子源、光强度调制器及功率放大器连接。

进一步地，所述功率放大器包括：预功率放大器和主功率放大器，所述光强度调制器的输出端与所述预功率放大的输入端连接，所述预功率放大器的输出端与所述主功率放大器的输入端连接，所述控制模块分别与所述预功率放大器和主功率放大器连接。

进一步地，所述预功率放大器包括：预放大级泵浦源、预放大级合束器、预放大级增益光纤，所述主功率放大器包括：主放大级泵浦源、主放大级合束器、主放大级增益光纤，沿着激光输出方向，所述光强度调制器、预放大级合束器、预放大级增益光纤、主放大级合束器、主放大级增益光纤依次连接，所述预放大级泵浦源的泵浦输出端与所述预放大级合束器的泵浦输入端连接，所述主放大级泵浦源的泵浦输出端与所述主放大级合束器的泵浦输入端连接，所述控制模块与分别所述预放大级泵浦源和主放大级泵浦源连接。

进一步地，所述种子源包括：正向泵浦源、正向合束器、谐振腔，所述正向泵浦源的泵浦输出端与所述正向合束器的泵浦输入端连接，所述正向合束器的输出端与所述谐振腔的输入端连接，所述谐振腔的输出端与所述分束器的输入端连接，所述控制模块与所述正向泵浦源连接。

进一步地，所述种子源还包括：反向泵浦源、反向合束器，所述谐振腔的输出端与所述反向合束器的输入端连接，所述反向合束器的输出端与所述分束器的输入端连接，所述控制模块与所述反向泵浦源连接。

进一步地，长、短复合脉冲激光器还包括：激光输出模块，所述分束器的输出端与所述激光输出模块连接。

进一步地，所述激光输出模块为激光输出头、激光准直器或激光隔离器中的一种。

进一步地，所述光强度调制器为电光调制器或声光调制器中的一种，所述合束器为环形光斑合束器或N*1激光合束器中的一种，N为正整数。

进一步地，所述光强度调制器为声光调制器，所述声光调制器上镀有带通膜，所述带通膜的中心波长与所述种子源发射的长脉冲激光的波长一致。

进一步地，所述控制模块为FPGA或者CPLD中的一种，所述分束器的分光比为(95％：5％)～(99.9％：0.1％)。

本实用新型的有益效果：

本实用新型实施例提供了一种长、短复合脉冲激光器，包括：种子源，用于发射长脉冲激光；分束器，其设有一输入端、第一输出端和第二输出端，所述分束器的输入端与所述种子源的输出端连接，用于将输入的长脉冲激光分成第一子长脉冲激光和第二子长脉冲激光；光强度调制器，其输入端与所述分束器的第一输出端连接，用于将输入的第一子长脉冲激光调制成短脉冲激光；功率放大器，其输入端与所述光强度调制器的输出端连接，用于对输入的短脉冲激光进行功率放大；合束器，其输入端分别与所述功率放大器的输出端和所述分束器的第二输出端连接，用于将功率放大后的短脉冲激光和第二子长脉冲激光进行合束后输出；控制模块和延时模块，所述控制模块分别与所述延时模块、种子源、光强度调制器及功率放大器连接。相较于现有技术，本实用新型实施例可单独控制短脉冲激光的功率及相对于长脉冲激光的时延，不仅可以得到长、短复合脉冲激光，提高对材料的加工能力，也可提高对长脉冲激光的利用率，从而节约了能量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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本实用新型实施例提供的一种长、短复合脉冲激光器的示意图；

图2本实用新型实施例提供的一种长、短复合脉冲激光器中的功率放大器的示意图；

图3本实用新型实施例提供的一种长、短复合脉冲激光器中的一种子源的示意图；

图4本实用新型实施例提供的一种长、短复合脉冲激光器中的另一种子源的示意图；

图5本实用新型实施例提供的一种长、短复合脉冲激光的生成过程的示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说的是，当元件被表述为“设于”/“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。此外，在本说明书中，所述“第一”、“第二”字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同项或相似项进行区分。本实用新型以信号光的输出/射出方向为参考进行部件的位置限定，所述输入端、输出端指激光的输入端、输出端，除非特指泵浦光的输入、输出。例如，图2中第一子长脉冲激光从所述光强度调制器3输出依次经过所述预放大级合束器42、预放大级增益光纤43、主放大级合束器45、主放大级增益光纤46。

具体地，下面结合附图，对本实用新型实施例作进一步阐述。

本实用新型实施例还提供一种长、短复合脉冲激光器，如图1所示，包括：种子源1、分束器2、光强度调制器3、功率放大器4、合束器5、控制模块8、延时模块9，所述种子源1，用于发射长脉冲激光；所述分束器2设有一输入端、第一输出端和第二输出端，所述分束器2的输入端与所述种子源1的输出端连接，用于将输入的长脉冲激光分成第一子长脉冲激光L1和第二长脉冲激光L2，所述第一子长脉冲激光L1从所述分束器2的第一输出端输出，所述第二子长脉冲激光L2从所述分束器2的第二输出端输出；所述光强度调制器3与所述分束器2的第一输出端连接，用于将输入的第一长脉冲激光L1调制成短脉冲激光L3，所述功率放大器4的输入端与所述光强度调制器3的输出端连接，用于对输入的短脉冲激光L3进行功率放大；所述合束器5的输入端分别与所述功率放大器4的输出端和所述分束器2的第二输出端连接，用于将功率放大后的短脉冲激光L3和第二子长脉冲激光L2进行合束后输出；所述控制模块8分别与所述延时模块9、种子源1、光强度调制器3、功率放大器4连接。

需要说明的是，本实施例通过对所述种子源1发射的长脉冲激光进行腔外调制以获取短脉冲激光L3，可提高所述长、短复合脉冲激光器对受激放大自发辐射光(ASE)及回返光的抗干扰能力。

此外，本实施例中，在长脉冲激光作用于待加工材料时，短脉冲激光相对于长脉冲激光的时延可调，其可调范围为整个长脉冲激光作用待加工材料的时间长度，即可以在长脉冲激光作用于待加工材料时，获得短脉冲激光，也可以在长脉冲激光将结束时，获得短脉冲激光。根据试验研究发现，在长脉冲激光对待加工材料诱导产生温度变化中，当温度最高时，待加工材料的能量吸收率最大，此时在结合短脉冲激光作用待加工材料，会达到优异的待加工材料的烧蚀效果。因此，本实施例中所述控制模块8读取所述延时模块9的延时时间并根据延时时间分别控制所述种子源1发射长脉冲激光后再控制所述光强度调制器3调制所述第一子长脉冲激光L1以获取短脉冲激光L3，以使获取的短脉冲激光L3相较于所述第二子长脉冲激光L2有一定的时延，同时，为了保证所述短脉冲激光L3被功率放大及保护所述功率放大器4不被烧损，所述控制模块8根据所述延时模块9的延时时间，在所述短脉冲放大器注入短脉冲激光L3后再控制所述功率放大器4发射泵浦光以对注入的M路子短脉冲激光进行功率放大，即控制所述功率放大器4发射泵浦光的时间至少晚于所述短脉冲激光L3到达所述功率放大器4的时间。

在一些实施例中，所述光强度调制器包括但不限于电光调制器(EOM)或声光调制器(AOM)，本实施例中，所述光强度调制器为声光调制器，所述声光调制器上镀有带通膜，所述带通膜的中心波长与所述种子源发射的长脉冲激光的波长一致，所述带通膜的带宽在中心波长的±10nm范围内，从而对短脉冲激光L3经过所述功率放大器4时产生的后向1030nm波段的受激放大自发辐射光(ASE)可实现有效的隔离作用。同时，结合所述分束器2的双向分光作用，可有效隔离因受激放大自发辐射光(ASE)对所述种子源1产生的不利影响。

此外，在本实施例中，所述控制模块8包括但不限于FPGA或CPLD。

进一步地，一般为了满足所述种子源1和分束后的第一子长脉冲激光L1功率在较大范围内可调，以及后续获取的短脉冲激光L3具有合适的激光功率，故所述分束器的分光比为(95％：5％)～(99.9％：0.1％)。

可以理解为，如果要求所述种子源1输出10％的功率输出时，就可以获取合适的第一子长脉冲激光L1和第二子长脉冲激光L2，以满足所述第一子长脉冲激光L2再经过调制获取短脉冲激光L3后可进行功率放大的需求，因此，本实施例中所述分束器2的分光比为(95％：5％)～(99.9％：0.1％)时，可满足所述第一子长脉冲激光L1的功率在百毫瓦级，从而可对获取的短脉冲激光L3进一步的进行功率放大。例如，当所述种子源1输出10％功率时其长脉冲峰值功率为500W，取所述分束器2的分光比为99.9％：0.1％。经过所述分束器2分束后，所述第一子长脉冲激光L1的峰值功率为所述种子源1输出的峰值功率的0.1％，即为500mW，所述第二子长脉冲激光L2的峰值功率为所述种子源1输出的峰值功率的99.9％，即为499.5W。该500mW的第一子长脉冲激光L1再经过所述光强度调制器3调制获取短脉冲激光L3，及短脉冲激光L3经过所述功率放大器4后进行功率放大，最后所述第二子长脉冲激光L2和功率放大后的短脉冲激光L3注入所述合束器5后通过所述合束器5合束输出较高功率的复合脉冲激光。

此外，还需要说明的是，在一些实施例中，提及的输出端与输入端连接都是通过光纤实现的，且所述合束器5的输入端与所述分束器2的第二输出端也是通过无源光纤6连接。即在一些实施例中提供的长、短复合脉冲激光器为全光纤结构，这有利于体积的减小和性能的稳定。

本实施例中，如图1所示，所述长、短复合脉冲激光器还包括：激光输出模块7，所述分束器5的输出端与所述激光输出模块7连接，其中，所述激光输出模块7为激光输出头(QBH)、激光准直器(QCS)或激光隔离器(ISO)，若是将所述复合脉冲激光器应用于中高功率加工设备中，则所述激光输出模块7为激光输出头(QBH)；若是将所述复合脉冲激光器应用于低功率的光纤激光器中，则所述激光输出模块7为激光准直器(QCS)或激光隔离器(ISO)。

进一步地，本实施例中，所述功率放大器4包括预功率放大器(未标示)和主功率放大器(未标示)，所述光强度调制器3的输出端与所述预放大器的输入端连接，所述预功率放大器(未标示)的输出端与所述主功率放大器(未标示)的输入端连接，所述控制模块8分别与所述预功率放大器(未标示)和主功率放大器(未标示)连接。

具体地，如图2所示，所述预功率放大器(未标示)包括：预放大级泵浦源41、预放大级合束器42、预放大级增益光纤43，所述主功率放大器(未标示)包括：主放大级泵浦源44、主放大级合束器45、主放大级增益光纤46，沿着激光输出方向，所述光强度调制器3、预放大级合束器42、预放大级增益光纤43、主放大级合束器45、主放大级增益光纤46依次连接，所述预放大级泵浦源41的泵浦输出端与所述预放大级合束器42的泵浦输入端连接，所述主放大级泵浦源44的泵浦输出端与所述主放大级合束器45的泵浦输入端连接，所述控制模块8与分别所述预放大级泵浦源41和主放大级泵浦源44连接。

在一些实施例中，为获取高功率短脉冲激光，会增加对短脉冲激光进行多级主功率放大，也就是有多个主功率放大器沿激光输出方向依次连接。

在一些实施例中，如图3所示，所述种子源1包括：正向泵浦源11、正向合束器12、谐振腔13，所述正向泵浦源11的泵浦输出端与所述正向合束器12的泵浦输入端连接，所述正向合束器12的输出端与所述谐振腔13的输入端连接，所述谐振腔13的输出端与所述分束器2的输入端连接，所述控制模块8与所述正向泵浦源11连接。所述正向泵浦源11发射的泵浦光会注入到谐振腔13中，以激励产生激光。

其中，所述谐振腔13包括：沿着激光输出方向依次连接的高反光纤光栅131、第三增益光纤132、低反光纤光栅133，所述正向合束器12的输出端与所述高反光纤光栅131的输入端连接，所述低反光纤光栅133的输出端与所述分束器2的输入端连接。

在一些实施例中，如图4所示，为了提高所述复合脉冲激光器输出激光的功率，所述种子源1还可以包括：反向泵浦源15、反向合束器14，所述谐振腔13的输出端与所述反向合束器14的输入端连接，所述反向合束器14的输出端与所述分束器2的输入端连接，所述控制模块8与所述反向泵浦源15连接，具体地，沿着激光输出方向，所述正向合束器12、高反光纤光栅131、第三增益光纤132、低反光纤光栅131、反向合束器14、分束器2依次连接。

需要说明的是，本实施例中，所述泵浦光的波长包括但不限于915nm和/或976nm。

本实施例中，基于本实施例提供的所述长、短复合脉冲激光器生成的长、短复合脉冲激光的生成过程，如图5所示。所述种子源1发射长脉冲激光(记其脉宽为T1，峰值功率为P1)，该长脉冲激光注入所述分束器2后分成第一子长脉冲激光L1和第二子长脉冲激光L2(记其脉宽为T1，峰值功率为P4)，所述第一子长脉冲激光L1注入光强度调制器3，通过控制所述光强度调制器3被调制成短脉冲激光L3(记其脉宽为T2，峰值功率为P2)，所述短脉冲激光L3接着注入所述功率放大器4被进行功率放大，获得功率放大后的短脉冲激光(记其脉宽为T3，峰值功率为P3)，由于所述功率放大器4仅是对获取的短脉冲激光L3进行功率放大，因此T2等于T3；由于所述种子源发射的长脉冲激光经过所述分束器2被分束后得到第二子脉冲激光L2，因此，P1大于P2；本实施例所述种子源发射的长脉冲激光的脉宽T1为毫秒级，获取的短脉冲激光的脉宽T2为纳秒级。

在一些实施例中，所述合束器5为N*1激光合束器，N为正整数，本实施例中，为了得到环形光斑，所述合束器5为环形光斑合束器。当所述合束器2为环形光斑合束器时，则所述第一子长脉冲激光L1经调制、功率放大后，获取功率放大后的短脉冲激光L3，功率放大后的短脉冲激光L3耦合进入环形光斑合束器的中心部分，所述第二子长脉冲激光L2耦合进入所述环形光斑合束器的环形部分，最终从所述环形光斑合束器的输出端输出环形光斑，用于激光加工。

综上所述，本实用新型实施例还提供了一种长、短复合脉冲激光器，包括：种子源1，用于发射长脉冲激光；分束器2，其设有一输入端、第一输出端和第二输出端，所述分束器3的输入端与所述种子源1的输出端连接，用于将输入的长脉冲激光分成第一子长脉冲激光L1和第二子长脉冲激光L2；光强度调制器3，其输入端与所述分束器2的第一输出端连接，用于将输入的第一子长脉冲激光L1调制成短脉冲激光L3；功率放大器4，其输入端与所述光强度调制器3的输出端连接，用于对输入的短脉冲激光L3进行功率放大；合束器5，其输入端分别与所述功率放大器4的输出端和所述分束器2的第二输出端连接，用于将功率放大后的短脉冲激光L3和第二子长脉冲激光L2进行合束后输出；控制模块8和延时模块9，所述控制模块8分别与所述延时模块9、种子源1、光强度调制器3及功率放大器4连接。相较于现有技术，本实用新型实施例可单独控制短脉冲激光的功率及相对于长脉冲激光的时延，不仅可以得到长、短复合脉冲激光，提高对材料的加工能力，也可提高对长脉冲激光的利用率，从而节约了能量。

以上对本实用新型实施例所提供的一种长、短复合脉冲激光器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种长、短复合脉冲激光器，其特征在于，包括：

种子源，用于发射长脉冲激光；

分束器，其设有一输入端、第一输出端和第二输出端，所述分束器的输入端与所述种子源的输出端连接，用于将输入的长脉冲激光分成第一子长脉冲激光和第二子长脉冲激光；

光强度调制器，其输入端与所述分束器的第一输出端连接，用于将输入的第一子长脉冲激光调制成短脉冲激光；

功率放大器，其输入端与所述光强度调制器的输出端连接，用于对输入的短脉冲激光进行功率放大；

合束器，其输入端分别与所述功率放大器的输出端和所述分束器的第二输出端连接，用于将功率放大后的短脉冲激光和第二子长脉冲激光进行合束后输出；

控制模块和延时模块，所述控制模块分别与所述延时模块、种子源、光强度调制器及功率放大器连接。

2.如权利要求1所述的长、短复合脉冲激光器，其特征在于，所述功率放大器包括：预功率放大器和主功率放大器，所述光强度调制器的输出端与所述预功率放大的输入端连接，所述预功率放大器的输出端与所述主功率放大器的输入端连接，所述控制模块分别与所述预功率放大器和主功率放大器连接。

3.如权利要求2所述的长、短复合脉冲激光器，其特征在于，

所述预功率放大器包括：预放大级泵浦源、预放大级合束器、预放大级增益光纤，

所述主功率放大器包括：主放大级泵浦源、主放大级合束器、主放大级增益光纤，

沿着激光输出方向，所述光强度调制器、预放大级合束器、预放大级增益光纤、主放大级合束器、主放大级增益光纤依次连接，所述预放大级泵浦源的泵浦输出端与所述预放大级合束器的泵浦输入端连接，所述主放大级泵浦源的泵浦输出端与所述主放大级合束器的泵浦输入端连接，所述控制模块与分别所述预放大级泵浦源和主放大级泵浦源连接。

4.如权利要求1所述的长、短复合脉冲激光器，其特征在于，所述种子源包括：正向泵浦源、正向合束器、谐振腔，所述正向泵浦源的泵浦输出端与所述正向合束器的泵浦输入端连接，所述正向合束器的输出端与所述谐振腔的输入端连接，所述谐振腔的输出端与所述分束器的输入端连接，所述控制模块与所述正向泵浦源连接。

5.如权利要求4所述的长、短复合脉冲激光器，其特征在于，所述种子源还包括：反向泵浦源、反向合束器，所述谐振腔的输出端与所述反向合束器的输入端连接，所述反向合束器的输出端与所述分束器的输入端连接，所述控制模块与所述反向泵浦源连接。

6.如权利要求1-5任一项所述的长、短复合脉冲激光器，其特征在于，还包括：激光输出模块，所述分束器的输出端与所述激光输出模块连接。

7.如权利要求6所述的长、短复合脉冲激光器，其特征在于，所述激光输出模块为激光输出头、激光准直器或激光隔离器中的一种。

8.如权利要求1-5任一项所述长、短复合脉冲激光器，其特征在于，所述光强度调制器为电光调制器或声光调制器中的一种，所述合束器为环形光斑合束器或N*1激光合束器中的一种，N为正整数。

9.如权利要求1-5任一项所述长、短复合脉冲激光器，其特征在于，所述光强度调制器为声光调制器，所述声光调制器上镀有带通膜，所述带通膜的中心波长与所述种子源发射的长脉冲激光的波长一致。

10.如权利要求1-5任一项所述长、短复合脉冲激光器，其特征在于，所述控制模块为FPGA或者CPLD中的一种，所述分束器的分光比为(95％：5％)～(99.9％：0.1％)。

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