脈衝同步合成準連續光纖雷射器的製作方法

2023-04-25 00:51:06 1

本發明涉及雷射技術領域，尤其涉及一種脈衝同步合成準連續光纖雷射器。

背景技術：

高功率全光纖雷射器由於其光束質量好、集成度高、轉換效率高等諸多的優異特性，近年來在工業加工、國防軍事、醫療、3D列印等領域的應用越來越廣泛。準連續光纖雷射器已經廣泛應用於工業打孔，焊接等領域，其相比於在該領域應用已久的傳統燈泵YAG雷射具有更高的電光轉換效率、更高的光束質量、更少的維護成本。高功率準連續光纖雷射器是現有的燈泵YAG雷射器的完美替代品。因此、高功率準連續光纖雷射器是點焊、縫焊和鑽孔等需要長脈寬、高峰值功率的工業應用的理想選擇。此外高功率準連續光纖雷射器在雷射去除、劃線、精密加工、雷射增材製造等領域也表現出優異性能。

但是受限於光纖光柵器件耐受能力，半導體雷射器可承受的調製能力以及自身的輸出功率水平，諧振腔可注入的泵浦功率，泵浦亮度等諸多因素限制，目前單個準連續光纖雷射器產品的輸出平均功率限制在百瓦量級。但是隨著應用需求的增加，對準連續光纖雷射器的技術指標要求也越來越高，尤其在對其平均功率提出了較高的要求，如對於較厚高反材料的加工應用，需要更高的平均功率。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

為了解決現有技術存在的上述問題，本發明提供了一種脈衝同步合成準連續光纖雷射器。

(二)技術方案

本發明提供了一種脈衝同步合成準連續光纖雷射器，包括雷射驅動調製電源、多臺光纖雷射器以及合束器，所述雷射驅動調製電源對多臺光纖雷射器進行同步準連續調製；所述多臺光纖雷射器參數一致且與雷射驅動調製電源並行連接，經所述同步準連續調製而輸出準連續脈衝雷射；所述合束器將多臺光纖雷射器的準連續脈衝雷射合束輸出。

優選地，每臺光纖雷射器包括多個半導體雷射器、泵浦合束器、諧振腔和包層光濾除器；所述多個半導體雷射器串行連接且參數一致，半導體雷射器的輸出端連接至泵浦合束器，泵浦合束器連接諧振腔，諧振腔連接包層光濾除器，包層光濾除器的輸出端連接合束器的泵浦臂；多臺光纖雷射器的半導體雷射器、泵浦合束器、諧振腔和包層光濾除器的參數一致；所述雷射驅動調製電源開啟，其對多個半導體雷射器進行同步準連續調製，半導體雷射器同步輸出準連續脈衝泵浦光，準連續脈衝泵浦光由泵浦合束器合束後導入諧振腔，準連續脈衝泵浦光在諧振腔中振蕩形成準連續脈衝雷射並輸出至包層光濾除器，經包層光濾除器濾除包層光後輸入合束器的泵浦臂，合束器將準連續脈衝雷射合束並由其輸出端輸出。

優選地，所述諧振腔包括依次連接的高反光纖光柵、增益光纖和低反光纖光柵；多臺光纖雷射器的高反光纖光柵、增益光纖和低反光纖光柵的參數一致。

優選地，相鄰兩個半導體雷射器的電極相互連接。

優選地，相對於單臺光纖雷射器輸出的準連續脈衝雷射，合束器輸出端輸出的準連續脈衝雷射的脈衝重複頻率不增加，平均功率和峰值功率成倍提高。

優選地，所述雷射驅動調製電源關閉，半導體雷射器輸出連續泵浦光，連續泵浦光經泵浦合束器進入諧振腔，連續泵浦光在諧振腔中振蕩形成連續雷射，並經包層光濾除器濾除包層光後輸入合束器，合束器將連續雷射合束輸出。

優選地，所述半導體雷射器內部為單管耦合，帶尾纖輸出，額定功率不低於75W。

優選地，所述雷射驅動調製電源的輸出信號脈衝長度0.01～100ms，調製頻率100～500000Hz，工作在準連續狀態。

優選地，所述合束器為N×1型合束器，N為光纖雷射器的臺數，N≥3。

優選地，所述泵浦合束器為M×1型合束器，M為每臺光纖雷射器中的半導體雷射器個數。

(三)有益效果

從上述技術方案可以看出，本發明的脈衝同步合成準連續光纖雷射器具有以下有益效果：

(1)將多臺輸出參數一致的光纖雷射器進行脈衝同步合成，其生成的準連續脈衝雷射重複頻率不變，平均功率和峰值功率得到有效提升，並且不會明顯惡化光束質量，可以應用到工業切割、焊接、打孔等領域，易於實行商業化生產，且維護成本低。

(2)可以實現準連續脈衝雷射和連續雷射的輸出，具備兩種工作模式，通過開關雷射驅動調製電源即可實現兩種模式第切換，應用面廣，一機兩用，方便快捷。

附圖說明

圖1為根據本發明實施例的脈衝同步合成準連續光纖雷射器的結構示意圖。

【符號洗明】

01-雷射驅動調製電源；10、20、30-光纖雷射器；40-合束器；50-輸出端；

11、12、13、14、15、16、17、21、22、23、24、25、26、27、31、32、33、34、35、36、37-半導體雷射器；

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-增益光纖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。

本發明的脈衝同步合成準連續光纖雷射器，採用雷射驅動調製電源統一控制各單臺光纖雷射器的泵浦源，各單臺光纖雷射器的參數一致以保障輸出的脈衝光參數同步一致，各單臺光纖雷射器的輸出脈衝雷射經合束器合束後同步疊加。

如圖1所示，本發明實施例的脈衝同步合成準連續光纖雷射器，包括一雷射驅動調製電源01、三臺參數一致的光纖雷射器10、20和30、以及一合束器40，雷射驅動調製電源01包括三組電極，並行向三臺光纖雷射器的泵浦源統一同步供給調製電源，三臺光纖雷射器的輸出端與合束器40的泵浦臂相連接，合束器的輸出端50輸出脈衝同步合束的準連續雷射。

三臺參數一致的光纖雷射器10、20和30串聯在一起，每臺光纖雷射器包括七個半導體雷射器、一泵浦合束器、一諧振腔和一包層光濾除器。具體來說，光纖雷射器10包括串行連接的半導體雷射器11、半導體雷射器12、半導體雷射器13、半導體雷射器14、半導體雷射器15、半導體雷射器16和半導體雷射器17，其中相鄰兩個半導體雷射器的電極相互連接，半導體雷射器11的一個電極連接半導體雷射器12的一個電極，其另一個電極連接雷射驅動調製電源01的一個電極，半導體雷射器17的一個電極連接半導體雷射器16的一個電極，其另一個電極也連接雷射驅動調製電源01的一個電極，雷射驅動調製電源01提供單獨一路電源供電驅動。上述七個半導體雷射器的輸出端連接至泵浦合束器110，諧振腔包括依次連接的高反光纖光柵111、增益光纖114和低反光纖光柵112，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。

半導體雷射器作為光纖雷射器的泵浦源，其採用直流電源供電，可用雷射驅動調製電源01進行脈衝驅動，輸出相應的脈衝光，脈衝光通過泵浦合束器110注入到諧振腔中，諧振腔中可注入不低於500W的平均泵浦功率。各半導體雷射器的型號參數一致，其內部為單管耦合，帶尾纖輸出，額定功率不低於75W，尾纖纖徑優選100μm，數值孔徑優選0.15。

泵浦合束器110為7×1型合束器，其輸入光纖參數與半導體雷射器的尾纖參數一致，單臂耐受平均功率不低於200W，其輸出信號纖與諧振腔中的高反光纖光柵、低反光纖光柵和增益光纖的纖徑和數值孔徑參數一致。

高反光纖光柵111和低反光纖光柵112都為全光纖器件，二者纖芯與數值孔徑參數一致。高反光纖光柵111對雷射波長的反射率不低於99.5％，耐受平均功率不低於1000W。低反光纖光柵112對雷射波長的反射率約為10％，耐受平均功率不低於1000W。增益光纖的長度滿足泵浦功率的充分吸收。諧振腔內注入500W平均功率泵浦光，可輸出350W左右的雷射。經過調製的脈衝光泵浦時，其對應的泵浦光和雷射平均功率值仍可保持70％左右的轉換效率。

類似地，光纖雷射器20包括串行連接的半導體雷射器21、半導體雷射器22、半導體雷射器23、半導體雷射器24、半導體雷射器25、半導體雷射器26和半導體雷射器27，半導體雷射器21的一個電極連接半導體雷射器22的一個電極，其另一個電極連接雷射驅動調製電源01的一個電極，半導體雷射器27的一個電極連接半導體雷射器26的一個電極，其另一電極也與雷射驅動調製電源01的一個電極相連，雷射驅動調製電源01提供單獨一路電源供電驅動。上述七個半導體雷射器的輸出端連接至泵浦合束器210，諧振腔包括依次連接的高反光纖光柵211、增益光纖214和低反光纖光柵212，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。

光纖雷射器30包括串行連接的半導體雷射器31、半導體雷射器32、半導體雷射器33、半導體雷射器34、半導體雷射器35、半導體雷射器36和半導體雷射器37，半導體雷射器31的一個電極連接半導體雷射器32的一個電極，其另一個電極連接雷射驅動調製電源01的一個電極，半導體雷射器37的一個電極連接半導體雷射器36的一個電極，其另一個電極連接雷射驅動調製電源01的一個電極，雷射驅動調製電源01提供單獨一路電源供電驅動。上述七個半導體雷射器的輸出端連接至泵浦合束器310，諧振腔包括依次連接的高反光纖光柵311、增益光纖314和低反光纖光柵312，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。

包層光濾除器113、213和313的輸出端分別連接合束器40的泵浦臂。合束器40為高功率信號光合束縛器，其為3×1型，單臂耐受平均功率不低於750W，耐受脈衝峰值功率MW量級，總體透過率不低於97％，每個泵浦臂的光纖長度一致。

光纖雷射器20和30的七個半導體雷射器參數與光纖雷射器10的半導體雷射器參數一致，光纖雷射器20和30的泵浦合束器210、310與光纖雷射器10的泵浦合束器110參數一致，光纖雷射器20和30的諧振腔與光纖雷射器10的諧振腔參數也一致，其腔長一致，其高反光纖光柵211和311、低反光纖光柵212和312以及增益光纖214和314的參數與光纖雷射器10的相應部件參數一致，增益光纖的摻鐿離子濃度一致，長度一致，纖徑和數值孔徑一致，纏繞方式一致。光纖雷射器20和30的包層光濾除器213、313與光纖雷射器10的包層光濾除器113參數也一致。

雷射驅動調製電源01，用於給三臺光纖雷射器的所有串聯的半導體雷射器統一同步供電，其輸出的調製信號對所有半導體雷射器進行同步準連續調製，使半導體雷射器同步輸出準連續脈衝泵浦光。

雷射驅動調製電源01單路可輸出不低於200V的電壓，不低於15A的電流，調製脈衝長度為0.01～100ms，調製脈衝重複頻率為100～500000Hz的調製信號，以驅動半導體雷射器工作於準連續狀態。雷射驅動調製電源01的脈衝長度、調製頻率等參數可調，並且同步給各半導體雷射器供電驅動。

本發明的脈衝同步合成準連續光纖雷射器，雷射驅動調製電源01對各光纖雷射器的所有半導體雷射器進行同步準連續調製，在同一調製電源的同步準連續調製下，光纖雷射器10的半導體雷射器11、半導體雷射器12、半導體雷射器13、半導體雷射器14、半導體雷射器15、半導體雷射器16和半導體雷射器17同步輸出準連續脈衝泵浦光，上述各半導體雷射器輸出的準連續脈衝泵浦光由泵浦合束器110導入到由高反光纖光柵111、低反光纖光柵112和增益光纖114組成的諧振腔中，準連續脈衝泵浦光在諧振腔中振蕩形成準連續脈衝雷射，並由低反光柵112的非反射端輸出至包層光濾除器113，經包層光濾除器113濾除包層光後輸入合束器40的泵浦臂。

光纖雷射器20、30的工作過程與光纖雷射器10相同，其各自形成的準連續脈衝雷射也同步輸入合束器40的泵浦臂，光纖雷射器10、20、30的準連續脈衝雷射經合束器40合束後由輸出端50輸出。

三臺光纖雷射器的同步準連續脈衝雷射參數一致，三個準連續脈衝雷射合束後，時間上同步疊加，脈衝重複頻率不增加，相對於單臺光纖雷射器的準連續脈衝雷射，輸出端50輸出的準連續脈衝雷射的平均功率會相應的增加三倍，峰值功率也相應提高三倍。按上述光纖雷射器的功率參數合束，可以總入射不低於1050W的同步準連續脈衝雷射，經過合束器40可以得到千瓦級的準連續脈衝雷射輸出，可應用於較厚金屬材料的打孔、焊接、切割。

由此可見，本發明的脈衝同步準連續光纖雷射器，可以將多臺輸出參數一致的光纖雷射器進行脈衝同步合成，其生成的準連續脈衝雷射重複頻率不變的，平均功率和峰值功率得到有效提升，並且不會明顯惡化光束質量。該雷射器可以應用到工業切割、焊接、打孔等領域，易於實行商業化生產，且維護成本低。

本發明的脈衝同步準連續光纖雷射器，除了工作於上述脈衝雷射輸出模式外，也可以工作於連續雷射輸出模式。將雷射驅動調製電源01關閉，使雷射驅動調製電源01停止輸出調製信號，則各光纖雷射器的半導體雷射器輸出連續泵浦光，與脈衝雷射輸出模式類似，連續泵浦光經泵浦合束器110進入諧振腔，連續泵浦光在諧振腔中振蕩形成連續雷射，並經包層光濾除器113濾除包層光後輸入合束器40，合束器40將連續雷射合束輸出。本發明的脈衝同步準連續光纖雷射器，可以實現準連續脈衝雷射和連續雷射的輸出，具備兩種工作模式，通過開關雷射驅動調製電源01即可實現兩種模式第切換，應用面廣，一機兩用，方便快捷。

雖然以上實施例介紹的脈衝同步準連續光纖雷射器包括三臺光纖雷射器，每臺光纖雷射器包括七個半導體雷射器，但本發明並不限於此，本領域技術人員顯然明白，脈衝同步準連續光纖雷射器可以包括三臺以上的光纖雷射器，雷射驅動調製電源包括多組電極並行向多臺光纖雷射器統一同步供給調製電源，相應地合束器40可以為N×1型合束器，N為光纖雷射器的臺數，每臺光纖雷射器的半導體雷射器個數可以增減，相應地泵浦合束器110為M×1型合束器，M為每臺光纖雷射器的半導體雷射器個數，通過改變雷射驅動調製電源01的輸出功率驅動多臺光纖雷射器。

本發明的脈衝同步準連續光纖雷射器，也適用於通過雷射驅動調製電源調製的其他脈衝雷射合成。泵浦形式也可以採用反向泵浦結構或雙向泵浦結構。

至此，已經結合附圖對本實施例進行了詳細描述。依據以上描述，本領域技術人員應當對本發明的脈衝同步準連續光纖雷射器有了清楚的認識。

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方式，均為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式，並未進行詳細說明。此外，上述對各元件的定義並不僅限於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：

(1)實施例中提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附圖的方向，並非用來限制本發明的保護範圍；

(2)上述實施例可基於設計及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實施例混合搭配使用，即不同實施例中的技術特徵可以自由組合形成更多的實施例。

以上所述的具體實施例，對本發明的目的、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，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。