一种反馈式高峰值功率皮秒脉冲光纤激光器系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及反馈式高峰值功率皮秒脉冲光纤激光器系统，在种子源后加入脉冲整形单元对脉冲进行整形，压缩种子源脉冲宽度，改善种子源波形，提高种子光质量。分别在放大级和主放大级前接入光纤隔离器和窄带滤波器，滤除有害的ASE，提高系统的稳定性。在预放大级和主放大级之间加入红光指示，提高激光器的操作安全性和灵活性。种子源后和主放大级后均接入光电二极管，通过主控单元实现对激光器的实时保护和功率动态调节。本发明是全光纤系统，有效提高系统的机械稳定性和对环境的适应能力；利用光纤光栅、窄带滤波器和模式适配器提高激光器的光束质量，并有效地抑制掺杂光纤内的非线性效应，实现高峰值功率皮秒脉冲激光输出。
【专利说明】一种反馈式高峰值功率皮秒脉冲光纤激光器系统
【技术领域】
[0001]本发明涉光纤激光器领域，具体是一种反馈式高峰值功率皮秒脉冲光纤激光器系统。
【背景技术】
[0002]高功率皮秒脉冲光纤激光器具有光束质量好、脉冲宽度窄、可对材料“冷”烧灼、可靠性高、易于集成、无需复杂维护等优点得到越来越多的关注和应用，尤其是微细尺度材料加工领域。
[0003]现阶段主要通过主控振荡-放大(MOPA)方法来获得高峰值功率的皮秒脉冲，种子源MO —般采用响应速度快的调制半导体激光器来产生脉冲宽度为皮秒量级的种子光，种子光注入到放大器PA中进行放大。采用短脉冲驱动半导体激光器虽然可以获得短脉冲激光，但是光谱宽度较窄，若不加处理则会在再放大时使脉冲展宽、噪声增强，限制了激光器峰值功率的提高。
[0004]激光器长时间使用过程中泵浦半导体激光器等器件受温度影响会出现功率波动，直接影响到激光器输出功率的稳定性，激光器加工工艺效果一致性、完整性等不能达到要求。
【发明内容】
[0005]本发明的目的为了克服现有技术存在的上述问题，提供一种光束质量好、峰值功率高、种子源状态可监控、输出功率稳定性可动态调节的高峰值功率皮秒脉冲激光器系统。
[0006]本发明的技术方案:
[0007]—种反馈式高峰值功率皮秒脉冲光纤激光器系统，由种子源、脉冲整形单元、信号光监控器、隔离器、预放大级、窄带滤波器、红光耦合件、主放大级、功率监控器、输出光隔离器、主控单元、驱动单元、反馈单元构成；其特征在于:主控单元分别与驱动单元和反馈单元相连，驱动单元分别控制种子源、预放大级、主放大级；驱动单元驱动种子源输出皮秒量级种子光；种子光经脉冲整形单元之后小部分光到达信号光监控器，绝大部分光再经隔离器后注入到预放大级，再依次通过窄带滤波器、红光耦合件、主放大级，主放大级输出的绝大部分激光从输出光隔离器输出，少部分激光到达功率监控器；信号光监控器和功率监控器将采集到的信号发送给反馈单元，由反馈单元反馈到主控单元；主控单元将采集到的信号光频率、脉冲宽度或光谱宽度参数与设定值对比，根据对比结果决定种子源继续或停止工作；将采集到的功率信号与设定值对比，根据对比结果通过驱动单元增加预放大级和主放大级的泵浦电流或种子源停止工作。
[0008]所述的种子源为快速响应的增益开关型半导体激光器，驱动单元产生脉冲电流驱动种子源产生皮秒脉冲信号光。
[0009]所述的种子源还包括中心波长在1064±2nm的光纤光栅，使信号光具有较高的信噪比和较窄的线宽。
[0010]所述的脉冲整形单元由光纤环形器和啁啾光栅组成，啁啾光栅改变种子源输出信号光的固有啁啾，从而实现改善脉冲波形、压缩脉宽，得到最短脉宽约50pS的信号光。
[0011]所述预放大级前端和后端分别设置隔离器和滤波器，防止放大自发辐射光源(ASE)影响系统的稳定性。
[0012]所述预放大级由两级放大器和光纤隔离器构成，放大器采用反向泵浦方式，两级之间加入光纤隔离器；每级放大器由耦合器、976nm泵浦源和单模增益光纤构成。
[0013]所述主放大级由耦合器、976nm泵浦源和大模场双包层掺Yb光纤、模式适配器MFA构成，采用反向包层泵浦方式。主放大级前端耦合入红光，增强系统的可操控性和安全性。主放大级采用大模场双包层掺Yb光纤，为与预放大级光纤匹配，改善系统的光束质量，在主放大级前加入模式适配器MFA。
[0014]在信号光监控器中通过具有一定分光比的分束器分出少部分信号光用于监控信号光频率、脉冲宽度或光谱宽度。
[0015]在功率监控器中通过具有一定分光比的分束器分出少部分信号光用于激光功率监控器。
[0016]在功率监控器中利用带尾纤的光电二极管将采集到的光信号转换成相应的电信号。
[0017]本发明采用主控振荡放大结构，在种子源后加入啁啾光栅对脉冲进行整形，改善种子源波形，保证种子源脉冲宽度，提高种子源质量。分别在预放大级和主放大级前接入隔离器和窄带滤波器，滤除有害的ASE，提高系统的稳定性。在预放大级和主放大级之间加入红光指示，提高激光器的操作安全性和灵活性。种子源后和主放大级后均接入光电二极管，通过反馈单元实现对信号光频率、脉冲宽度或光谱宽度监控和对激光器实时保护以及对输出功率进行动态调节。该种皮秒脉冲光纤激光器最高输出功率20W，最小脉冲宽度为50ps，频率可在1kHz到IMHz较宽的范围内调制，单脉冲能量最高可达1.5mJ，峰值功率40KW。
[0018]本发明的工作原理:驱动单元驱动种子源产生频率可在1kHz到IMHz较宽的范围内调制的信号光，经整形后脉冲宽度最小为50ps，信号光经隔离器后注入到预放大级，预放大级反向泵浦对信号光初步放大后再经窄带滤波器滤波、红光耦合后注入到主放大级，主放大级反向泵浦对激光进一步放大，最后经输出光隔离器输出。反馈式高峰值功率皮秒脉冲光纤激光器系统设置了种子源信号光监控器和输出功率监控器，通过带尾纤的光电二极管将光信号转换成电信号，主控单元将之与设定值进行对比，根据对比结果做出相应的判断并通过反馈电路进行调整。
[0019]本发明的优点:
[0020]所述反馈式高峰值功率皮秒脉冲光纤激光器系统是全光纤系统，有效提高了系统的机械稳定性和对环境的适应能力；
[0021]所述反馈式高峰值功率皮秒脉冲光纤激光器系统利用啁啾光栅、窄带滤波器和模式适配器提高激光器的光束质量，并有效地抑制掺杂光纤内的非线性效应，实现高峰值功率皮秒脉冲激光输出；
[0022]所述反馈式高峰值功率皮秒脉冲光纤激光器系统具有红光指示的功能，提高系统的可操作性和安全性；
[0023]所述反馈式高峰值功率皮秒脉冲光纤激光器系统具有信号光实时监控的功能和输出功率动态调节的功能。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明的结构示意图。
[0025]图2为本发明光学结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图进一步描述。
[0027]参见图1，本发明由种子源1、脉冲整形单元2、信号光监控器3、隔离器4、预放大级
5、窄带滤波器6、红光耦合件7、主放大级8、功率监控器9、输出光隔离器10、主控单元11、驱动单元12、反馈单元13构成；其特征在于:主控单元11分别与驱动单元12和反馈单元13相连，驱动单元12分别控制种子源1、预放大级5、主放大级8 ;驱动单元12驱动种子源I输出皮秒量级种子光；种子光经脉冲整形单元2之后小部分光到达信号光监控器3，绝大部分光再经隔离器4后注入到预放大级5，再依次通过窄带滤波器6、红光耦合件7、主放大级8，主放大级8输出的绝大部分激光从输出光隔离器10输出，少部分激光到达功率监控器
9;信号光监控器3和功率监控器9将采集到的信号发送给反馈单元13，由反馈单元13反馈到主控单元11 ;主控单元11将采集到的信号光频率、脉冲宽度或光谱宽度参数与设定值对比，根据对比结果决定种子源I继续或停止工作；将采集到的功率信号与设定值对比，根据对比结果通过驱动单元12增加预放大级5和主放大级8的泵浦电流或种子源I停止工作。
[0028]所述驱动单元12驱动种子源I产生皮秒量级信号光；信号光经脉冲整形单元2整形之后再由1:99分束器将信号光分为两部分，见图2，所述的种子源I是快速响应的增益开关型半导体激光器101、中心波长在1064±2nm的光纤光栅102组成，驱动单元12产生脉冲电流驱动增益开关型半导体激光器101产生皮秒脉冲信号光，光纤光栅102使信号光具有较高的信噪比和较窄的线宽；所述的脉冲整形单元2由光纤环形器201和啁啾光栅202组成，啁啾光栅202改变种子源输出信号光的固有啁啾，从而达到改善脉冲波形、压缩脉宽的目的；一小部分光到达信号光监控器3，所述的光监控器3由分束器和带尾纤的光电二极管302组成，绝大部分光再经光纤隔离器4注入到预放大级5 ;预放大级5由两级放大器和光纤隔离器403构成，放大器采用反向泵浦方式，两级之间加入光纤隔离器403 ;第一级放大器由耦合器402、976nm泵浦源LD406和单模增益光纤401构成，第二级放大器由另一耦合器405、另一 976nm泵浦源LD407和另一单模增益光纤404构成；两级预放大器也可以共用一个976nm泵浦源，由35:65分束器分光后分别给第一级预放大和第二级预放大提供泵浦能量；预放大级5输出激光经窄带滤波器6滤波后注入主放大级8。为提高系统的可操作性和安全性，可借助1064/633nmWDM在滤波器6和主放大级8之间加入红光耦合件7耦合入红光，所述红光耦合件7由耦合器701、红光泵浦源LD702组成。所述主放大级由耦合器801、976nm泵浦源LD804和大模场双包层掺Yb光纤802、模式适配器MFA803构成，采用反向包层泵浦方式。主放大级8的输出激光由1:99分束器分为两部分，绝大部分激光从输出光隔离器10输出，少部分激光到达功率监控器器9，所述的功率监控器器9由分束器和带尾纤的光电二极管902组成。信号光监控器3和功率监控器9将采集到的信号经反馈单元13反馈到主控单元11 ;主控单元11将采集到的信号光频率、脉冲宽度或光谱宽度参数与设定值对比，根据对比结果决定种子源I继续或停止工作；将采集到的功率信号与设定值对比，根据对比结果决定通过驱动单元12增加或减小预放大级5和主放大级8泵浦电流，或是使种子源I停止工作。
[0029]本发明所采用的主控单元11、驱动单位12、反馈单元13为现有常规结构，直接从市场购买得到。
【权利要求】
1.一种反馈式高峰值功率皮秒脉冲光纤激光器系统，由种子源(I)、脉冲整形单元(2)、信号光监控器(3)、隔离器(4)、预放大级(5)、窄带滤波器(6)、红光耦合件(7)、主放大级(8)、功率监控器(9)、输出光隔离器(10)、主控单元(11)、驱动单元(12)、反馈单元(13)构成；其特征在于:主控单元(11)分别与驱动单元(12)和反馈单元(13)相连，驱动单元(12)分别控制种子源(I)、预放大级(5)、主放大级(8);驱动单元(12)驱动种子源(I)输出皮秒量级种子光；种子光经脉冲整形单元(2)之后小部分光到达信号光监控器(3)，绝大部分光再经隔离器(4)后注入到预放大级(5)，再依次通过窄带滤波器￠)、红光耦合件(7)、主放大级(8),主放大级(8)输出的绝大部分激光从输出光隔离器(10)输出，少部分激光到达功率监控器(9);信号光监控器(3)和功率监控器(9)将采集到的信号发送给反馈单元(13),由反馈单元(13)反馈到主控单元(11)。
2.根据权利要求1所述的反馈式高峰值功率皮秒脉冲光纤激光器系统，其特征在于，所述的种子源(I)为快速响应的增益开关型半导体激光器，驱动单元(12)产生脉冲电流驱动种子源产生皮秒脉冲信号光。
3.根据权利要求2所述的反馈式高峰值功率皮秒脉冲光纤激光器系统，其特征在于，所述的种子源(I)还包括中心波长在1064±2nm的光纤光栅。
4.根据权利要求1所述的反馈式高峰值功率皮秒脉冲光纤激光器系统，其特征在于，所述的脉冲整形单元(2)由光纤环形器和啁啾光栅组成。
5.根据权利要求1所述的反馈式高峰值功率皮秒脉冲光纤激光器系统，其特征在于，所述预放大级由两级放大器和光纤隔离器构成，放大器采用反向泵浦方式，两级之间加入光纤隔离器；每级放大器由耦合器、976nm泵浦源和单模增益光纤构成。
6.根据权利要求1所述的反馈式高峰值功率皮秒脉冲光纤激光器系统，其特征在于，所述主放大级由耦合器、976nm泵浦源和大模场双包层掺Yb光纤、模式适配器MFA构成，采用反向包层泵浦方式。
7.根据权利要求1所述的反馈式高峰值功率皮秒脉冲光纤激光器系统，其特征在于，在信号光监控器(3)中通过具有一定分光比的分束器分出少部分信号光用于监控信号光频率、脉冲宽度或光谱宽度。
8.根据权利要求1所述的反馈式高峰值功率皮秒脉冲光纤激光器系统，其特征在于，在功率监控器(9)中通过具有一定分光比的分束器分出少部分信号光用于激光功率监控器。
9.根据权利要求1所述的反馈式高峰值功率皮秒脉冲光纤激光器系统，其特征在于，在功率监控器(9)中利用带尾纤的光电二极管将采集到的光信号转换成相应的电信号。
10.根据权利要求1所述的反馈式高峰值功率皮秒脉冲光纤激光器系统，其特征在于，所述红光耦合件(7)由耦合器、红光二极管组成。
【文档编号】H01S3/0941GK104242028SQ201410484592
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2014年9月19日
【发明者】祝贤, 黄保, 李星, 周郭 申请人:武汉锐科光纤激光器技术有限责任公司