輸出特殊波形的光纖雷射器的製作方法

2023-06-17 07:50:16 3

專利名稱：輸出特殊波形的光纖雷射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及光纖雷射器，特別是一種輸出特殊波形的光纖雷射器，能輸出前沿高峰值功率尖峰和後平頂段的雷射脈衝波形，適用於金屬、半導體材料微切割，可提高切割或挖槽速度。
背景技術：
隨著雷射技術和雷射應用技術的發展，雷射作為一種能量材料加工工具，在工業加工領域的應用越來越廣泛。其中，雷射焊接和切割是雷射工業應用中最具有代表性的應用。對於以熱熔化為主要過程的雷射切割工藝，一般用於金屬類材料加工，普遍採用高壓輔助氣體結合高峰值功率雷射脈衝在切割起始點首先產生穿刺孔，然後再以高平均功率連續雷射或大能量脈衝雷射進行熱熔切割。如果採用兩臺脈衝雷射器完成此過程，不但整體成本較高，而且兩臺雷射器時間同步上需要額外器件控制，容錯率較低。以汽化為主要過程的雷射切割工藝，是雷射切割新的衍生應用，多用於金屬材料表面雷射挖槽或深雕，依靠雷射脈衝的高峰值功率高脈衝能量將材料直接汽化進行加工，但材料汽化後往往會發生快速相變形成一些殘留物，影響加工效率和效果，因此往往需要加熱或酸洗等額外工藝來進行清洗，工藝複雜。

發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提供輸出特殊波形的光纖雷射器，該光纖雷射器輸出前沿高峰值功率尖峰和後平頂段的雷射脈衝波形，有利於對金屬、半導體材料微切割，提高了切割或挖槽速度。在一個光脈衝波形內，同時存在高峰值功率尖峰段和平頂段，熱熔切割過程中保證整個加工過程中包含尖峰穿刺、平頂熱熔的過程；汽化切割過程中，平頂段能量加熱揮發汽化殘留物，提高切割或挖槽速度。本發明的技術解決方案如下:一種輸出特殊波形的光纖雷射器，特點在於其構成依次包括:第一泵浦光源、高反射光纖光柵、第一增益光纖、低反射光纖光柵、隔離器、第二增益光纖和第二泵浦光源，所述的高反射光纖光柵和低反射光纖光柵構成雷射諧振腔，驅動電源的輸出端與所述的第一泵浦光源、第二泵浦光源的驅動端相連，驅動電源對第一泵浦光源輸出的驅動電流脈衝包含快速上升前沿、恆定峰值的平頂段和下降沿三段，上升前沿以大於I安倍/微秒的速率到達設定電流峰值，平頂段保持時間大於I微秒，第一增益光纖吸收第一泵浦源的泵浦光後獲得的前沿尖突後平頂的雷射波形輸出，該雷射波形進入第二增益光纖，經第二增益光纖吸收第二泵浦光源的泵浦光放大後，輸出前沿高峰值功率尖峰和後平頂段的雷射脈衝波形。所述的雷射增益光纖是摻Yb3+、Er3+、Tm3+雷射光纖。第一泵源光源是與第一增益光纖，第二泵源光源是與第二增益光纖吸收譜線相匹配的半導體雷射器、光纖雷射器或固體雷射器。本發明的工作原理如下:所述的驅動電源對第一泵浦光源輸出的驅動電流脈衝包含快速上升前沿、恆定峰值的平頂段和下降沿三段，上升前沿以大於I安倍/微秒的速率到達設定電流峰值，平頂段保持時間大於I微秒，第一增益光纖吸收第一泵浦源的泵浦光後獲得的前沿尖突後平頂的雷射波形輸出泵浦光。第一增益光纖吸收第一泵浦光源的脈衝泵浦光後，雷射腔內形成粒子反轉。脈衝泵浦光注入剛開始極短的一段時間內，由於泵浦速率非常高，雷射上能級迅速積累的反轉粒子數遠遠超過閾值水平的反轉粒子數，雷射振蕩發生，大量上能級粒子迅速被消耗到下能級，同時增益小於損耗，形成尖峰脈衝輸出。泵浦脈衝上升的速率越快，輸出的脈衝光的尖峰越高。泵浦脈衝峰值維持時間段內，泵浦光繼續提供能量，但泵浦速率較低，使得反轉粒子數只能再次達到閾值水平附近，獲得低峰值功率的平頂脈衝輸出。本發明的技術效果如下:1、本發明能獲得高峰值功率尖峰段和低功率平頂段共存的雷射脈衝輸出波形，實驗表明這種前沿高峰值功率尖峰和後平頂段的雷射脈衝波形，有利於對金屬、半導體材料微切割，提高了切割或挖槽速度；2、調整所述的驅動電源的泵浦電流的上升速率和峰值，速率越快，峰值越高，輸出的光脈衝尖峰幅值越高；3、雷射輸出頻率由驅動電源精確控制。


圖1是本發明輸出特殊波形的光纖雷射器實施例的結構示意2是本輸出特殊波形的光纖雷射器實施例的驅動電源輸出的泵浦電流脈衝和第一泵浦光源輸出的光單脈衝不意3是輸出特殊波形的光纖雷射器實施例的輸出光脈衝序列的示意圖
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。實施例請參閱圖1，由圖可見，本發明輸出特殊波形的光纖雷射器，構成依次包括:驅動電源I，第一泵浦光源2、高反射光纖光柵3、第一增益光纖4、低反射光纖光柵5、隔離器6、第二增益光纖7和第二泵浦光源8,所述的高反射光纖光柵3和低反射光纖光柵5構成雷射諧振腔，所述的驅動電源I的輸出端與所述的第一泵浦光源2、第二泵浦光源8的驅動端相連，所述的驅動電源I輸出的驅動電流脈衝包含快速上升沿，恆定峰值的平頂段，下降沿，前沿上升速率大於I安倍/微秒，到設定電流峰值，平頂段保持時間大於I微秒，對第一泵浦光源2進行驅動。第一增益光纖4吸收第一泵浦光源2的泵浦光後獲得的雷射輸出，第二增益光纖7吸收第二泵浦光源8的泵浦光後獲得放大，輸出前沿高峰值功率尖峰和後平頂段的雷射脈衝波形。本發明輸出特殊波形的光纖雷射器實施例的第一泵浦光源2、第二泵浦光源8輸出波長915nm，功率均為50W，高反射光纖光柵3對1064nm雷射反射率>99.7%，對915nm泵浦光的透過率>99.5%。低反射光纖光柵4對1064nm雷射的反射率為10%，第一增益光纖4的纖芯為IOum,第二增益光纖7的纖芯為20um。所述的驅動電源I輸出的對第一泵浦光源2的驅動電流脈衝的上升速率為5安培每微妙，電流尖峰持續時間100微秒，泵浦電流脈衝如附圖2所示，第一泵浦光源2經所述的驅動電源I的電流脈衝調製後，輸出脈衝泵浦光，第一增益光纖4吸收915nm泵浦光，輸出脈衝信號光；第二增益光纖7吸收第二泵浦光源8發出的915nm泵浦光後，儲存能量，當信號光通過第二增益光纖7後獲得放大，輸出功率30W的脈衝序列如圖3所示。實驗表明這種前沿高峰值功率尖峰和後平頂段的雷射脈衝波形，有利於對金屬、半導體材料微切割，提高了切割或挖槽速度。本實施例方案同樣適用於摻Er3+，Tm3+等稀土離子的雷射增益光纖。
權利要求
1.一種輸出特殊波形的光纖雷射器，特徵在於其構成依次包括:第一泵浦光源(2)、高反射光纖光柵(3)、第一增益光纖(4)、低反射光纖光柵(5)、隔離器(6)、第二增益光纖(7)和第二泵浦光源(8)，所述的高反射光纖光柵(3)和低反射光纖光柵(5)構成雷射諧振腔，驅動電源(I)的輸出端與所述的第一泵浦光源(2)、第二泵浦光源(8)的驅動端相連，驅動電源(I)對第一泵浦光源(2)輸出的驅動電流脈衝包含快速上升前沿、恆定峰值的平頂段和下降沿三段，上升前沿以大於I安倍/微秒的速率到達設定電流峰值，平頂段保持時間大於I微秒，第一增益光纖(4)吸收第一泵浦源(2)的泵浦光後獲得的前沿尖突後平頂的雷射波形輸出，該雷射波形進入第二增益光纖(7)，該第二增益光纖(7)吸收第二泵浦光源(8)的泵浦光後放大輸出前沿高峰值功率尖峰和後平頂段的雷射脈衝波形。
2.根據權利要求1所述的光纖雷射器，其特徵在於所述的第一雷射增益光纖(4)和第二增益光纖(7)是摻Yb3+、Er3+、Tm3+光纖。
3.根據權利要求1、2所述的光纖雷射器，其特徵在於所述的第一泵浦光源(2)和第二泵浦光源(8)分別是與第一泵浦源(2)、第二增益光纖(7)吸收譜線相匹配的半導體雷射器、光纖雷射器或固體雷射器。
全文摘要
一種輸出特殊波形的光纖雷射器,其構成依次包括第一泵浦光源、高反射光纖光柵、第一增益光纖、低反射光纖光柵、隔離器、第二增益光纖和第二泵浦光源，第一泵浦源光源經驅動電源快速調製後產生脈衝泵浦光，高反射光纖光柵、低反射光纖光柵構成雷射腔，第一增益光纖吸收脈衝泵浦光後輸出前沿尖突後平頂的雷射脈衝波形，經第二增益光纖和第二泵浦光源構成雷射放大器放大後，輸出前沿高峰值功率尖峰和後平頂段的雷射脈衝波形。實驗表明本發明適用於對金屬、半導體材料微切割，提高了切割或挖槽速度。
文檔編號H01S3/11GK103208727SQ20131012603
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月12日 優先權日2013年4月12日
發明者李驍軍, 馬昌贊, 侯曉亮, 彭彪 申請人:上海飛博雷射科技有限公司