本發(fā)明涉及激光技術領域，尤其涉及一種時序合成準連續(xù)光纖激光器。
背景技術：
高平均功率全光纖脈沖激光器由于其光束質量好、集成度高、轉換效率高等諸多的優(yōu)異特性，近年來在精細加工、光纖對抗、醫(yī)療、增材制造等領域的應用越來越廣泛。在脈沖光纖激光技術領域，近幾年來準連續(xù)光纖激光器的應用需求逐年增加，其脈沖寬度長、脈沖占空比一般在10％左右，峰值功率是連續(xù)功率的十倍以上，脈沖能量高，對于打孔等應用來說非常有利。目前也廣泛應用于精密鈑金切割，氧化鋁(多晶Al2O3)，氮化鋁(AlN)等超導熱材料打孔與成型加工，硅片、陶瓷、金剛石等非金屬材料的切割和打孔，藍寶石材料的切割等領域。準連續(xù)光纖激光滿足這些精密應用需求，可替代這些領域目前應用較多且價格昂貴的皮秒激光加工系統(tǒng)。
隨著應用需求的增加，對準連續(xù)光纖激光器也提出了越來越高的要求。如對于準連續(xù)的脈沖光纖激光器的重復頻率和平均功率的提升。高重復頻率的脈沖光纖激光器輸出脈沖次數(shù)多，應用效率高。而平均功率是滿足一定應用需求的門檻，也是在既定重復頻率下脈沖能量高低的間接指標。但是由于準連續(xù)的脈沖光纖激光器受其產(chǎn)生機理的限制，一般由調制電源驅動半導體激光器輸出脈沖泵浦光經(jīng)過光纖激光器諧振腔得到準連續(xù)激光輸出，準連續(xù)光纖激光器輸出脈沖重復頻率一般在kHz及以下量級，其脈沖占空比也一般在10％～30％之間。
而在實際的準連續(xù)光纖激光打孔應用時，希望重復頻率高以提高打孔的效率；在準連續(xù)光纖激光器切割時也希望其重復頻率高以提高切割速率。因為鉆孔速率、成型速率以及切割速率直接影響生產(chǎn)成本，所以在實際應用中希望準連續(xù)光纖激光器的重復頻率能夠提高，以提高生產(chǎn)效率。在某些較厚材料的切割、成型應用時，希望準連續(xù)光纖激光的輸出平均功率較高，以期望能加工更厚的板材。
時序合成是一個有效提高激光脈沖重復頻率的技術手段，也相應的能提升合成的平均功率。其技術途徑是將多個脈沖激光器通過一定光路，將各個脈沖激光器的光束按一定時間順序發(fā)射并在空間上重合，實現(xiàn)脈沖在時序上合成，可以有效的提高平均功率。但是目前的時序合成技術應用在固體激光中較多，如中國專利201410669917.0中采用衍射光柵將多束激光脈沖時序合成，但是需要光柵固定周期自傳周期且需配套的對激光脈沖精確控制裝置，實時起來難度較大。中國激光《脈沖激光的非相干合成技術研究》(39(2).2015)文獻中將多路子脈沖激光光束采用同步延時技術對每個光束的激光脈沖的時序進行控制，需要精確調節(jié)電脈沖信號來控制激光脈沖的時序，控制精度在百微秒量級。由于固體激光的輸出光路可以添加空間光學元件來實現(xiàn)脈沖延時，光束合成。但是全光纖激光器由于光束在封閉波導中傳輸，其要實現(xiàn)脈沖時序合成難度很大。目前，對準連續(xù)全光纖激光器的時序合成也少有報道。
技術實現(xiàn)要素：
(一)要解決的技術問題
鑒于上述技術問題，本發(fā)明提供了一種時序合成準連續(xù)光纖激光器，可以保障各路光纖激光器的輸出長脈沖光束在時間上保持時序，經(jīng)過信號合束器簡單合束后即可實現(xiàn)脈沖重復頻率疊加，平均功率有效提升，并能保持較好的光束質量。
(二)技術方案
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種時序合成準連續(xù)光纖激光器包括：相同的多臺光纖激光器；激光電源控制泵浦監(jiān)控裝置，分別與所述多臺光纖激光器連接，用于對所述多臺光纖激光器的泵浦光脈沖參數(shù)進行采樣及顯示，并且對其中未保持時序的光纖激光器，控制調制觸發(fā)相應的延遲，使各臺光纖激光器產(chǎn)生的單路脈沖序列之間保持等間隔的時序，實現(xiàn)激光脈沖的時序合成；以及，信號合束器，其輸入端分別與所述多個光纖激光器的輸出端連接，其輸出端輸出時序合成的激光。
(三)有益效果
從上述技術方案可以看出，本發(fā)明一種時序合成準連續(xù)光纖激光器至少具有以下有益效果其中之一：
(1)采用全光纖結構，在全封閉光纖波導中合成，集成度高、對激光的損耗低，時序合成效率高，對光束直徑約束在百微米及以下量級，可以較好的保持高光束質量；無需額外引入空間結構的脈沖時序控制裝置，簡單易實施，易實行商業(yè)化生產(chǎn)；
(2)通過激光電源控制泵浦監(jiān)控裝置對光纖激光器進行采樣、顯示及控制，調制觸發(fā)相應的延遲，使各單路脈沖序列之間保持等間隔的時序，實現(xiàn)激光脈沖的時序合成，有效提高了準連續(xù)全光纖激光器的重復頻率、平均功率。
附圖說明
通過附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于示出本發(fā)明的主旨。
圖1為本發(fā)明時序合成準連續(xù)光纖激光器結構示意圖。
【主要元件】
01-激光電源控制泵浦監(jiān)控裝置；10、20、30光纖激光器；40-信號合束器；50-輸出端；
101、201、301-調制驅動電源
11、12、13、14、15、16、17、21、22、23、24、25、26、27、31、32、33、34、35、36、37-半導體激光器；
110、210、310-泵浦合束器；111、211、311-高反光纖光柵；112、212、312-低反光纖光柵；113、213、313-包層光濾除器；114、214、314-分束器；115、215、315-增益光纖。
具體實施方式
為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應了解，參數(shù)無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內(nèi)近似于相應的值。實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明的保護范圍。
本發(fā)明公開一種時序合成準連續(xù)光纖激光器，采用對每臺光纖激光器調制驅動電源的集中控制來調整各臺參數(shù)一致的光纖激光器的輸出脈沖寬度、重復頻率，以及通過控制調制驅動電源的延遲來保障每臺光纖激光器輸出脈沖保持一定時序。
為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
本發(fā)明提供了一種時序合成準連續(xù)光纖激光器。圖1為本發(fā)明時序合成準連續(xù)光纖激光器結構示意圖。請參照圖1，本發(fā)明時序合成準連續(xù)光纖激光器包括：
多臺光纖激光器10、20、30，該多臺光纖激光器的參數(shù)相同；
激光電源控制泵浦監(jiān)控裝置01，分別與所述多臺光纖激光器連接，用于對所述多臺光纖激光器的泵浦光脈沖參數(shù)進行采樣及顯示，并且對其中未保持時序的光纖激光器，控制調制觸發(fā)相應的延遲，使各單路脈沖序列之間保持等間隔的時序，實現(xiàn)激光脈沖的時序合成；以及，
信號合束器40，其輸入端分別與所述多個光纖激光器的輸出端連接，其輸出端50輸出時序合成的激光。
所述泵浦光脈沖參數(shù)包括波形、脈沖寬度、重復頻率、以及脈沖序列的先后時序間隔等。所述多臺光纖激光器并聯(lián)連接，優(yōu)選為三臺光纖激光器。
請繼續(xù)參照圖1，所述光纖激光器10為直線腔型光纖激光器，正向泵浦結構，包括：光纖激光器10包括調制驅動電源101、串聯(lián)連接的半導體激光器11、半導體激光器12、半導體激光器13、半導體激光器14、半導體激光器15、半導體激光器16和半導體激光器17，半導體激光器11的輸出端連接分束器114。上述七個半導體激光器的輸出端連接至泵浦合束器110，泵浦合束器輸出端連接諧振腔，諧振腔連接包層光濾除器113，包層光濾除器113的輸出端連接信號合束器40的輸入端；所述諧振腔包括依次連接的高反光纖光柵111、增益光纖115和低反光纖光柵112，其中，泵浦合束器110的輸出端連接高反光纖光柵111，低反光纖光柵112的非反射端連接包層光濾除器113。
類似地，光纖激光器20包括調制驅動電源201、串聯(lián)連接的半導體激光器21、半導體激光器22、半導體激光器23、半導體激光器24、半導體激光器25、半導體激光器26和半導體激光器27，半導體激光器21的輸出端連接分束器214。上述七個半導體激光器的輸出端連接至泵浦合束器210，泵浦合束器輸出端連接諧振腔，諧振腔連接包層光濾除器213，包層光濾除器213的輸出端連接信號合束器40的輸入端；所述諧振腔包括依次連接的高反光纖光柵211、增益光纖215和低反光纖光柵212，其中，泵浦合束器210的輸出端連接高反光纖光柵211，低反光纖光柵212的非反射端連接包層光濾除器213。
光纖激光器30包括調制驅動電源301、串聯(lián)連接的半導體激光器31、半導體激光器32、半導體激光器33、半導體激光器34、半導體激光器35、半導體激光器36和半導體激光器37，半導體激光器31的輸出端連接分束器314。上述七個半導體激光器的輸出端連接至泵浦合束器310，泵浦合束器輸出端連接諧振腔，諧振腔連接包層光濾除器313，包層光濾除器313的輸出端連接信號合束器40的輸入端；所述諧振腔包括依次連接的高反光纖光柵311、增益光纖315和低反光纖光柵312，其中，泵浦合束器310的輸出端連接高反光纖光柵311，低反光纖光柵312的非反射端連接包層光濾除器313。
進一步的，所述調制驅動電源101、201、301為所述光纖激光器10、20、30的動力裝置，同時也是光纖激光器10、20、30實現(xiàn)準連續(xù)激光輸出的調制裝置。所述調制驅動電源101、201、301與所述激光電源控制泵浦監(jiān)控裝置01連接，并受所述激光電源控制泵浦監(jiān)控裝置01的調控。如果所述光纖激光器的脈沖沒有保持時序，通過激光電源控制泵浦監(jiān)控裝置01控制所對應光纖激光器的調制驅動電源，使其調制觸發(fā)相應的延遲，通過這種方式將各單路脈沖序列之間保持等間隔的時序；并通過上述方式將各臺準連續(xù)光纖激光器的脈沖寬度、重復頻率保持一致。最終經(jīng)過信號合束器合束，合成后脈沖重復頻率、平均功率增加、單脈沖能量不變，時序合成后的準連續(xù)光纖激光經(jīng)信號合束器的輸出端50輸出。
所述多臺光纖激光器10、20、30所對應的多個調制驅動電源101、201、301的參數(shù)相同，都可調制輸出20～120V，0～30A的直流電源，調制輸出時輸出脈沖寬度0.5～50000μs，重復頻率10～10000Hz。所述調制驅動電源所驅動半導體激光器輸出的脈沖泵浦光為準連續(xù)光，調制電源可以為脈沖恒流電源、也可以為可控硅放電電源。脈沖的波形可以調制成矩形波、近高斯等波形的脈沖。
各臺光纖激光器所包括的七個半導體激光器型號參數(shù)一致，額定輸出功率都不低于50W，串聯(lián)連接，統(tǒng)一由其對應的調制驅動電源驅動，輸出尾纖纖徑為50μm或100μm，一般為單管耦合封裝的半導體激光器，可由脈沖調制電源驅動。
在各光纖激光器中，所述分束器可連接所述七個半導體激光器中的任意一個半導體激光器的輸出端，其分束比優(yōu)選為99∶1，其中1％低分束比的分束端與所述激光電源控制泵浦監(jiān)控裝置相連接，用于所述采樣調制驅動電源所驅動泵浦光脈沖參數(shù)，反饋給激光電源控制泵浦監(jiān)控裝置01用于控制和調整調制驅動電源。
所述高反光纖光柵的反射波長在1μm附近，反射率不低于99％，可耐受平均功率高于500W。所述低反光纖光柵112的反射波長在1μm附近，反射率不高于50％，可耐受平均功率高于500W。所述增益光纖為摻鐿雙包層光纖，一般纖芯直徑不低于10μm，纖芯數(shù)值孔徑一般不高于0.1。
所述包層光濾除器的包層光剝離能力不低于50W，耐受激光功率不低于400W。
在連續(xù)模式下該光纖激光器可輸出不低于200W的激光功率?？赏ㄟ^采用更高功率的半導體激光來提高輸出功率，如全部采用75W、100W、120W以及更高功率半導體激光器作為泵浦源。
本發(fā)明中，多臺相同的光纖激光器，其輸出參數(shù)、結構、連接方式和采用元器件的參數(shù)一致，并且各全光纖結構元器件的尾纖長度、光學諧振腔長度也一致。如圖1所示，各光纖激光器包含的調制驅動電源、泵浦源采用的半導體激光器的數(shù)量和輸出參數(shù)；分束器的分束比和規(guī)格參數(shù)；增益光纖長度、纖徑、數(shù)值孔徑、摻雜濃度等參數(shù)，高、低反光纖光柵的反射波長、反射率、耐受功率、尾纖長度等參數(shù)；以及輸出端包層光濾除器的型號和傳能光纖的長度等參數(shù)均一致，以保障在相同的調制泵浦源激勵條件下各臺光纖激光器輸出的激光脈沖寬度、重復頻率、激光功率、激光波長參數(shù)相同。
所述信號合束器40的輸入端的光纖與光纖激光器10、光纖激光器20和光纖激光器30的輸出端光纖纖徑參數(shù)與數(shù)值孔徑一致。單臂耐受平均功率不低于500W，總體激光透過率不低于96％，其中輸出端50為鍍膜的石英端帽，可耐受不低于2kW的平均功率激光。
本發(fā)明光纖激光的時序合成的實現(xiàn)方式如下：
每臺光纖激光器泵浦源的其中一個半導體激光器的抽樣泵浦光傳輸?shù)郊す怆娫纯刂票闷直O(jiān)控裝置中，用于對比各個半導體激光器的輸出調制泵浦光的脈沖寬度，重復頻率，是否保持一致，如果其中有不一致的參數(shù)可以通過激光電源控制泵浦監(jiān)控裝置來相應的調整對應光纖激光器的調制驅動電源，使得其泵浦脈沖寬度和重復頻率改變，與其他光纖激光器的泵浦脈沖寬度和重復頻率保持一致。
在各臺光纖激光器脈沖時序控制方面，激光電源控制泵浦監(jiān)控裝置是實現(xiàn)脈沖時序合成的控制單元，其可將各臺光纖激光器的采樣泵浦光的波形、脈沖寬度、重復頻率、以及脈沖序列的先后時序間隔分辨讀出，并能顯示出來。如果各臺光纖激光器的脈沖沒有保持時序，可以通過激光電源控制泵浦監(jiān)控裝置控制未保持時序的光纖激光器所對應的調制驅動電源，使其調制觸發(fā)相應的延遲，通過這種方式將各單路脈沖序列之間保持等間隔的時序，并通過上述方式將各臺準連續(xù)光纖激光器的脈沖寬度、重復頻率保持一致，最終經(jīng)過信號合束器合束，合成后脈沖的重復頻率和平均功率為單臺光纖激光器輸出的準連續(xù)脈沖激光的N倍，單脈沖能量不變，其中，N為光纖激光器的臺數(shù)，時序合成后的準連續(xù)光纖激光經(jīng)信號合束器40的輸出端50輸出。
雖然以上實施例介紹的時序合成準連續(xù)光纖激光器包括三臺光纖激光器，每臺光纖激光器包括七個半導體激光器，但本發(fā)明并不限于此，本領域技術人員顯然明白，時序合成準連續(xù)光纖激光器可以包括三臺以上的光纖激光器，每臺光纖激光器的半導體激光器個數(shù)可以增減。
本發(fā)明的時序合成準連續(xù)光纖激光器，也可以將調制驅動電源的調制功能關閉，實現(xiàn)連續(xù)驅動，使得光纖激光器輸出連續(xù)光。一臺激光器具備連續(xù)和準連續(xù)兩種工作模式，可拓展光纖激光器的用途。
本領域的普通技術人員應當認識到，以上實施方法僅是用來說明本發(fā)明，而并非作為對本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的范圍內(nèi)，對以上實例的變化、變型都將落在本發(fā)明的保護范圍。例如簡單拓展合成光纖激光器的個數(shù)，簡單更換激光器的調制驅動電源的參數(shù)，都落在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)
對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業(yè)技術人員能夠實現(xiàn)或使用本申請。對這些實施例的多種修改對本領域的專業(yè)技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本申請的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本申請將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現(xiàn)方式，均為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換，例如：所述光纖激光器除了為正向泵浦結構之外還可以為反向結構，均不影響本發(fā)明的實現(xiàn)。
以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。