基于柔性传输输出的光纤超短脉冲激光系统及其装配方法

1.本发明涉及超快激光加工领域，具体涉及一种基于柔性传输输出的光纤超短脉冲激光系统及其装配方法。


背景技术：

2.随着超快光纤激光技术的发展，以及大能量超快光纤激光器在工业微加工领域的广泛应用，超快激光微加工市场对于高性能的超快光纤激光光源的需求与日俱增。超快光纤激光器因其全光纤结构相比超快固体激光器具有结构简单、稳定可靠、成本低等显著优势，因此广泛应用于工业加工中。
3.在超快激光微加工中，对于大体积的工件进行大幅面加工时要求光源具备光纤柔性传输输出的功能。因为大体积的工件一般重量较大，装载该工件的工作台也比较庞大而沉重，因此在大幅面加工过程中通过控制工作台运动来移动工件非常困难，而如果激光光源能够过通过光纤柔性传输，最后通过一个体积和重量都比较小的激光头输出，那么通过移动激光头实现大幅面加工就会比较容易。
4.实现超快激光光源的柔性传输输出面临许多困难。首先，超短脉冲激光器由于峰值功率很高，因此在光纤中传输时会产生很强的非线性效应，导致脉冲畸变，不能满足加工要求；其次，要将光源空间传输的光路耦合进光纤不但非常困难，而且稳定性很难控制，很小的耦合光斑也非常容易引起耦合光纤端面的损伤，使得耦合失效。空芯光子晶体光纤的出现，一定程度上缓解了这些困难，最大的改善是对非线性效应的缓解，但使用空芯光子晶体光纤作为柔性传输光纤的传输系统结构非常复杂，稳定性也难以控制，并且空芯光子晶体光纤传输模块价格非常昂贵，在工业应用中的推广受到很大阻力。因此，迫切需要设计一种能够实现超短脉冲激光柔性传输输出的有效方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的是解决现有技术中存在的超快激光光源难以实现柔性传输输出的问题，而提供了一种基于柔性传输输出的光纤超短脉冲激光系统及其装配方法。
6.本发明所采用的技术方案是：
7.一种基于柔性传输输出的光纤超短脉冲激光系统，包括依次连接的种子源及预放大模块、最后一级光纤放大器和激光压缩器，其特殊之处在于：
8.所述最后一级光纤放大器包括从该光纤放大器中扯出的柔性增益光纤、套装于柔性增益光纤外的光纤铠装套管以及熔接于柔性增益光纤输出端的光纤端帽；
9.所述激光压缩器为可移动式激光压缩器；
10.所述最后一级光纤放大器的光纤端帽固定安装在激光压缩器的入光口。
11.进一步地，所述光纤端帽的输出端安装有准直透镜。
12.进一步地，所述光纤端帽为镀有增透膜的石英光纤端帽。
13.进一步地，所述激光压缩器包括光栅对或体啁啾布拉格光栅，用于对输入的激光
脉宽进行压缩获得超短脉冲激光。
14.一种基于柔性传输输出的光纤超短脉冲激光系统装配方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
15.1)将种子源及预放大模块的输出端与最后一级光纤放大器的输入端熔接；
16.2)将最后一级光纤放大器的柔性增益光纤扯出，并在柔性增益光纤外套装光纤铠装套管，在柔性增益光纤输出端熔接光纤端帽；
17.3)将最后一级光纤放大器的光纤端帽固定安装在激光压缩器的入光口。
18.进一步地，所述步骤2)和步骤3)之间还包括：
19.a)在光纤端帽的输出端安装准直透镜。
20.本发明相比现有技术的有益效果是：
21.本发明提供的基于柔性传输输出的光纤超短脉冲激光系统，通过将最后一级光纤放大器的柔性增益光纤扯出，并对其套装光纤铠装套管，在其输出端熔接光纤端帽，作为柔性传输光纤，实现了超短脉冲激光的柔性传输输出，该系统不但保持了光纤超短脉冲激光器的全光纤链路结构，同时创新地使用放大增益光纤同时作为柔性传输光纤，避免了在放大增益光纤后再熔接一段传输光纤而导致的过多的非线性积累；此外，该系统将种子源及预放大模块的光纤传输光路与激光压缩器的空间光路部分在结构上分离开，通过柔性传输光纤连接起来，使得对于结构刚性要求不高的种子源及预放大模块机箱结构设计变得容易很多，其体积重量都可以大幅降低，有利于节省成本，并且激光压缩器的激光头也可以设计的非常简洁小巧，便于微加工应用中激光头的安装和移动。该系统结构简单，且成本较低，能够有效解决超快激光光源难以实现柔性传输输出的问题，有助于推进超快激光微加工在大幅面工件加工中的应用进程。
附图说明
22.图1是本发明基于柔性传输输出的光纤超短脉冲激光系统的原理结构示意图。
具体实施方式
23.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
24.光纤超短脉冲激光器通常采用啁啾脉冲放大技术(cpa)，即高重复频率的种子源信号先经啁啾光纤光栅展宽器进行脉冲时域展宽，然后注入多级光纤放大器进行能量放大，同时通过调制器降低激光的重复频率，放大后的低重频高功率激光具备很大的单脉冲能量，该激光信号最后注入激光压缩器，对脉冲进行时域的脉宽压缩，最终得到高功率、大能量、高峰值功率的超短脉冲激光输出。该系统整个光路通常都是集成在一个激光头内，激光由一个输出窗口通过空间传输的方式输出。
25.本发明提供的基于柔性传输输出的光纤超短脉冲激光系统也采用了传统的cpa放大结构，不同的是，为实现柔性传输输出，将最后一级光纤放大器的柔性增益光纤扯出，使得该段柔性增益光纤不但实现激光放大的功能，同时作为激光柔性传输的传输光纤，最后将激光信号注入一个小体积和重量的激光压缩器进行脉宽压缩，实现超短脉冲激光的柔性传输输出。
26.该激光系统的光路原理结构如图1所示，包括依次连接的种子源及预放大模块、具
有主放大增益及柔性传输光纤的最后一级光纤放大器以及激光压缩器，预放大部分与最后一级光纤放大器组成多级光纤放大器。
27.其中，最后一级光纤放大器包括从该光纤放大器中扯出的柔性增益光纤、套装于柔性增益光纤外的光纤铠装套管以及熔接于柔性增益光纤输出端的光纤端帽，该光纤端帽为镀有增透膜的石英光纤端帽。为保证输出激光准直，光纤端帽的输出端还安装有准直透镜。激光压缩器为可移动式激光压缩器，激光压缩器包括光栅对或体啁啾布拉格光栅，用于对输入的激光脉宽进行压缩获得超短脉冲激光。最后一级光纤放大器的光纤端帽固定安装在激光压缩器的入光口。
28.上述系统按照以下步骤装配：1)将种子源及预放大模块的输出端与最后一级光纤放大器的输入端熔接；2)将最后一级光纤放大器的柔性增益光纤扯出，并在柔性增益光纤外套装光纤铠装套管，在柔性增益光纤输出端熔接光纤端帽；3)在光纤端帽的输出端安装准直透镜；4)将最后一级光纤放大器的光纤端帽固定安装在激光压缩器的入光口。
29.按照本发明提出的方案实际搭建光路并进行原理验证，可获得功率50w，单脉冲能量25μj，脉冲宽度700fs，光束质量小于1.4的超短脉冲激光柔性传输输出。具体实施步骤如下：
30.1)将种子源及预放大部分依次连接并作为一个整体模块封装在一起，即种子源及预放大模块，包括种子源、展宽器、多级光纤放大器的预放大部分、基于声光调制器的降频器以及控制电路等；
31.2)将预放大后的信号和100w的泵浦光同时注入合束器；
32.3)在合束器尾端熔接1米长的柔性增益光纤，并在柔性增益光纤外套装光纤铠装套管，在柔性增益光纤输出端熔接一个镀有增透膜的石英光纤端帽，该柔性增益光纤在空间上展开，作为最后一级光纤放大器，同时作为柔性传输光纤；
33.4)对带有光纤端帽的柔性增益光纤输出端进行机械固定和封装，并在光纤端帽的输出端安装准直透镜，对输出光束进行准直；
34.5)将封装后的柔性增益光纤输出端通过机械夹持固定安装在激光压缩器的入光口，准直输出的激光注入激光压缩器的压缩光路进行脉宽压缩，激光压缩器使用体啁啾布拉格光栅；
35.6)测试压缩后输出的激光指标，功率50w，单脉冲能量25μj，脉冲宽度700fs，光束质量小于1.4；
36.7)测试柔性增益光纤的最高温度为64摄氏度；
37.8)对柔性增益光纤的空间摆放方位进行多次调整，输出激光的指标并未发生变化。