偏振稳定的高功率皮秒光纤激光器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可以在工业加工上使用的偏振稳定的高功率皮秒光纤激光器。
【背景技术】
[0002]激光作为继原子能、计算机、半导体之后人类的又一重大发明，由于其所携带的极高的能量，极好的相干性，极强的亮度，被人们称为最快的刀，最准的尺，最亮的光。鉴于激光相较于自然光的种种优势，人们发明了激光器来产生并利用激光，其中激光器可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器等。
[0003]光纤激光器作为固体激光器的一种，它的发展和激光器的发展几乎是同步进行的，但是直到近年来才成为科学研究的热点，它的发展和应用随之受到广泛关注。光纤激光器相较于其他类型的激光器优势在于光纤激光器有极高的光电转化效率，输出光束亮度极高，紧凑的结构，低廉的成本，稳定的性能，而且完全免维护。因此，光纤激光器对传统的激光器产生巨大的冲击，在某些方面正在取代其他类型激光器。
[0004]近年来低损耗高掺杂稀土离子光纤的发展、高功率多模LD的发展、双包层光纤及包层栗浦技术的发展，极大地促进了掺镱光纤激光器功率的迅速提升。相应的高功率掺镱光纤激光器的各项应用也并没有让人们失望，在工业生产的许多方面都展现出巨大的优势。现有工业激光器主要包括两类:其一是大能量脉冲激光器，它主要依靠高能量闪光灯栗浦，调Q运转，利用激光脉冲携带的高能量实现工业应用，缺点在高精度加工时光斑质量难以满足要求，工作速率受限，体积庞大且造价昂贵、能耗效比很低且使用维护不方便；另一类是高功率的连续光纤激光系统，这一类激光系统多用半导体激光器栗浦，体积小巧，多用于微加工或者医学工业领域，缺点是连续运行模式限制了激光的强度，从而限制了其更广泛的应用。而高功率光纤皮秒激光器集成了上述二类传统激光加工设备的优势，具有更广泛的工业应用前景，特别是在高精度激光切割、高精度激光深层焊接、材料表面特设处理、特种合金加工、激光喷涂等方面具有无可替代的优势。它不但能提高焊接材料的有效载荷，满足运载工具向轻型发展的要求，同时具有高加工速度、微处理损伤的优点。在欧美发达国家，高精度光纤激光技术已经在先进工业加工领域发挥出重要作用，大约有50%_70%的汽车零部件都用到了激光加工技术，其中以激光焊接和激光切割为主，而在造船和航空航天器制造工业中也广泛使用高精度的激光焊接技术，一方面由于激光焊接的适用材料范围更广泛，比如一些专用合金甚至非金属材料的焊接；另一方面，高精度激光焊接有更高的焊接强度，更高的精度，更小的零部件体积。
[0005]我国光纤激光器产业起步较晚，而且受限于国外的核心技术封锁，国内的工业光纤激光产品主要以中小功率激光加工设备为主，如激光打标机、雕刻机、切割机、焊接机等也广泛应用各个行业，大功率光纤激光器工业加工应用尚是空白。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种偏振稳定的高功率皮秒光纤激光器，可作为工业上LED蓝宝石基片切割、太阳能电池分离、晶圆划片、精细加工、打标等用途的理想光源。
[0007]实现本发明目的的具体技术方案是:
一种偏振稳定的高功率皮秒光纤激光器，特点在于该激光器包括电路及光路，其中:所述电路包括电路板、声光调制驱动器以及作为栗浦源的数个半导体二极管，电路板上固定有低功率栗浦控制模块、声光调制驱动器控制模块及高功率栗浦控制模块，声光调制驱动器控制模块连接声光调制驱动器；低功率栗浦控制模块连接数个小功率栗浦半导体二极管；高功率栗浦控制模块连接数个高功率栗浦半导体二极管；电路板由外部电源进行供电；
所述光路包括振荡器、预放大器、声光调制器、主放大器、第一耦合器及第二耦合器，所述振荡器、第一耦合器、预放大器、声光调制器、第二耦合器及主放大器依次沿光路连接；振荡器连接一小功率栗浦半导体二极管；第一耦合器另一输出端与电路板之间通过光电二极管连接；预放大器连接两个小功率栗浦半导体二极管；声光调制器与声光调制驱动器连接；第二耦合器另一输出端与电路板之间连接一光电二极管；主放大器连接一小功率栗浦半导体二极管和数个高功率栗浦半导体二极管，高功率栗浦半导体二极管串联连接。
[0008]所述振荡器为全光纤结构的锁模脉冲振荡器，采用非线性偏振旋转效应实现稳定的锁模脉冲输出；该振荡器包括带隔离器的波分复用器、第一增益光纤、电控偏振控制器、偏振分束器和滤波器，所述波分复用器、第一增益光纤、电控偏振控制器、偏振分束器和滤波器依次按照光路顺序首尾相连，形成闭合的环路结构。
[0009]所述预放大器包括第一保偏隔离器、第一保偏波分复用器、第二增益光纤和第二保偏波分复用器，所述第一保偏隔离器、第一保偏波分复用器、第二增益光纤和第二保偏波分复用器依次按照光路顺序首尾连接。
[0010]所述主放大器包括第一级主放大器、第二级主放大器和第三级主放大器，各级主放大器首尾相连，对信号光逐级放大。
[0011]本发明电路部分控制激光器的开启及运转；光路部分用于产生并输出高功率飞秒脉冲激光，实现激光器的功能。
[0012]所述电路部分包括电路板、声光调制驱动器及数个半导体二极管。电路板控制激光器的开启并实时监测及控制激光器运行；声光调制驱动器受电路板控制去驱动声光调制器工作实现选脉冲功能；半导体二极管作为激光器光路部分所需的栗源，为激光器提供栗浦激光。
[0013]电路板上固定有低功率栗浦控制模块、声光调制器驱动控制模块、高功率栗浦控制丰旲块。
[0014]所述的低功率、高功率栗浦控制模块用于控制激光器中的半导体二极管输出栗浦激光，半导体二极管按功率可分为小功率栗源和高功率栗源，小功率栗源最高输出功率小于1W，驱动方式为电压驱动；高功率栗源最高输出功率为9W或25W，驱动方式为电流驱动。栗源输出功率由电路板上的栗浦控制模块驱动控制，连续可调。
[0015]声光调制器驱动控制模块用于驱动声光调制器实现选频功能。
[0016]本发明的光路部分用于产生高平均功率的皮秒脉冲激光，其组成有振荡器、预放大器、声光调制器、主放大器以及两个耦合器。
[0017]所述的振荡器用于产生功率稳定的皮秒锁模脉冲激光，作为高功率偏振稳定皮秒光纤激光器的种子源。该振荡器的锁模方式可以是利用可饱和吸收镜的全光纤脉冲振荡器，也可以是利用非线性偏振旋转实现锁模。利用可饱和吸收镜锁模的脉冲振荡器的优势是稳定性较高，只需调节栗浦功率即可实现锁模；利用非线性偏振旋转实现锁模的振荡器优势是输出功率较高，可以达到lOOmW，脉冲的重复频率可以提高到百兆赫兹以上。
[0018]所述的预放大器用于将振荡器获得的种子脉冲的功率进行初步提升，将种子光的平均功率由十毫瓦量级提升至百毫瓦量级。为了保证预放大器的放大效果，可以采用级联放大结构对种子光进行放大，也可采用双向栗浦的方式放大。预放大器的栗浦选择通常是较小功率的半导体二极管，原因是振荡器输出种子光较弱的时候，如果选用较高功率的半导体二极管去栗浦的话，会产生较强的自发辐射，不利于放大的进行。
[0019]所述的声光调制器用于降低脉冲的重复频率，即选择部分脉冲进入主放大器进行后续的放大。声光调制器由声光介质和压电换能器构成。当有光脉冲通过声光调制器时，如果其驱动源以某种特定载波频率(通常是振荡器重复频率的整数分之一)驱动换能器，换能器即产生同一频率的超声波并传入声光介质，在介质内形成折射率变化，振荡器产生的种子光束通过介质是即发生相互作用从而从声光调制器输出端输出，其余的脉冲序列则被损耗掉。
[0020]所述的主放大器将经声光调制器选出来的脉冲放大到百瓦量级。由于声光调制器的选频作用，经过预防大后的种子脉冲只有部分透过声光调制器进入到主放大器之中，其平均功率也随之下降，导致主放大器的种子脉冲较弱，使得对其的放大有一定难度，故主放大器采用级联的多级放大器对声光调制器输出脉冲逐级放大，最终输出近百瓦激光。
[0021]所述的親合器用于将信号光按固定的比例一分为二，即振荡器输出信号光被親合器一分为二，其中一束用于后续的放大过程，另一束信号反馈到电路板中对振荡器的锁模参数进行实时监测；声光调制器后面的親合器将选出来的信号光一分为二，一束作为后续放大过程中的种子光，另一束反馈到电路板中对声光调制器及预放大器进行监测。
[0022]本发明通过对振荡器输出种子脉冲的放大、降频、再放大的过程，有效地将激光器输出功率提升至近百瓦量级，单个脉冲携带能量提升至百微焦量级，而且整个激光器全部使用偏振保持的光纤元器件以及保偏的有源及无源光纤，始终保证激光器中光脉冲的偏振态不变，极大地提高了激光器的稳定性，且对恶劣环境有较强的耐受能力，以满足工业的需求。
[0023]本发明的有益效果是:
1、激光器最大输出功率近100W，，且连续可调，充分满足不同种类的工业需求。
[0024]2、激光器内部采用光电分离的结构，将光路部分和电路部分有效分离，整个系统简洁明了。
[0025]3、激光器振荡器米用全光纤结构的锁模脉冲振荡器，激光器上电振荡器锁模即实现，无需人为手动调谐，且全光纤的结构确保振荡器的长期工作稳定性，满足工业上对激光器实用、便捷、稳定的要求。