脉冲时序可调的高功率准连续全光纤激光器

本发明主要涉及到光纤激光器，尤其是一种脉冲时序可调的高功率准连续全光纤激光器。

背景技术：

1、目前，光纤激光器已经在工业加工、生物医疗、航空航天、国防军事等领域得到广泛应用。从时间尺度上分，光纤激光器可以分为连续和脉冲两大类。脉冲体制的光纤激光器由于热积累小，受模式不稳定效应限制较小，可以将峰值功率提升至mw级甚至更高。传统脉冲激光器有锁模、调q和增益开关三种实现形式，其中锁模激光器可轻松实现mw甚至更高的峰值功率，但单脉冲持续时间短(ps、fs量级)，单脉冲能量小(μw、pw量级)，只能适用于单脉冲能量要求不高的领域，而调q和增益开关光纤激光器虽可以产生ns级别脉冲，单脉冲能量亦只能达到mj范围内。这些脉冲激光器通常需要一定的调制器件才能产生，脉冲输出特性与调制器件息息相关，通常不能自由调节，此外调制器件所能承受的功率通常不高，导致传统脉冲激光器的平均功率低、单脉冲能量小，难以满足工业加工应用。

2、近年来一种脉宽在ms量级、重频在khz左右的脉冲准连续光纤激光器受到人们青睐，其可以不增加其他光学元器件的条件下，基于同一套设备实现连续和脉冲两种模式的激光输出。在脉冲模式下，准连续激光器的峰值功率为平均功率的十倍左右，兼顾了高峰值和大脉冲能量的特点，因此在工业国防等领域中具有广阔的应用前景。然而受限于了半导体激光器的泵浦能力以及光纤非线性效应，准连续光纤激光器的平均输出功率仅为百瓦量级，难以满足精密钣金、非金属材料等加工处理。

3、随着应用需求的增加，对准连续光纤激光器的输出功率、重复频率、脉冲时序等提出更高的要求。采用非相干合成方式可以一定程度上提高平均功率，如采用多台准连续光纤激光器合束方式，实现激光脉冲的时序合成。但多台光纤激光器合束方式增加了激光器组件和运行体积，降低了光纤激光器稳定性。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的技术问题，本发明提出一种脉冲时序可调的高功率准连续全光纤激光器。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一方面，本发明提供一种脉冲时序可调的高功率准连续全光纤激光器，包括增益光纤、第一输出光纤光栅、第二输出光纤光栅、第一泵浦信号合束器、第二泵浦信号合束器、第一泵浦源、第二泵浦源、第一电控驱动模块、第二电控驱动模块；

4、所述第一输出光纤光栅、第二输出光纤光栅的反射中心波长匹配，所述第一输出光纤光栅、第二输出光纤光栅的激光中心波长反射率相同，第一输出光纤光栅、增益光纤和第二输出光纤光栅形成光纤激光谐振腔，实现激光双向输出；

5、所述第一泵浦信号合束器的各泵浦纤连接有第一泵浦源，第一泵浦源输出的泵浦光经第一泵浦信号合束器注入光纤激光谐振腔；所述第二泵浦信号合束器的各泵浦纤连接有第二泵浦源，第二泵浦源输出的泵浦光经第二泵浦信号合束器注入光纤激光谐振腔；

6、所述第一电控驱动模块通过第一电控连接线连接各第一泵浦源，控制各第一泵浦源输出激光的脉冲时序；所述第二电控驱动模块通过第二电控连接线连接各第二泵浦源，控制各第二泵浦源输出激光的脉冲时序；进而实时调节光纤激光谐振腔两端输出激光的脉冲形态。

7、优选地，所述第一电控驱动模块通过改变加载在各第一泵浦源上的电流驱动信号波形，控制各第一泵浦源输出激光的脉冲时序，产生脉冲准连续泵浦激光注入增益光纤；

8、所述第二电控驱动模块通过改变加载在各第二泵浦源上的电流驱动信号波形，控制各第二泵浦源输出激光的脉冲时序，产生脉冲准连续泵浦激光注入增益光纤；

9、调节第一电控驱动模块加载在各第一泵浦源上的电流驱动信号波形或/和第二电控驱动模块加载在各第二泵浦源上的电流驱动信号波形，实时调节光纤激光谐振腔两端输出激光的脉冲形态。

10、优选地，所述电流驱动信号波形为正弦波、余弦波、方波、三角波、锯齿波中的一个或任意多个组合，可以有效缓解激光器中的热效应，提高模式不稳定效应阈值。

11、优选地，所述第一电控驱动模块的电流驱动信号与第二电控驱动模块的电流驱动信号相同；或者所述第一电控驱动模块的电流驱动信号波形与第二电控驱动模块的电流驱动信号波形不相同。

12、优选地，所述增益光纤为掺杂稀土离子的增益光纤，增益光纤的横截面结构为双包层或三包层结构的光纤横截面结构中的一种，增益光纤的纵向纤芯直径均匀不变或者纵向纤芯直径呈锥形轮廓变化或者纵向纤芯直径呈纺锤形轮廓变化；增益光纤的纤芯直径在10～100微米之间，增益光纤的内包层直径在100～1000微米之间，增益光纤的外包层直径在250～3000微米之间。

13、优选地，所述第一输出光纤光栅、第二输出光纤光栅的反射中心波长相同且在1000纳米-1100纳米之间；所述第一输出光纤光栅、第二输出光纤光栅的激光中心波长反射率在10％-90％之间。

14、优选地，所述第一输出光纤光栅、第二输出光纤光栅的纤芯包层直径与增益光纤两端的纤芯包层直径保持一致。

15、优选地，第一泵浦源和第二泵浦源是增益光纤产生上能级粒子的激励源，第一泵浦源和第二泵浦源有多个，均采用半导体激光器；各第一泵浦源和各第二泵浦源中包括与增益光纤吸收峰匹配的各个波段的半导体激光器，所述各个波段的半导体激光器包括波段为808纳米、915纳米、940纳米、976纳米、981纳米中的一个或多个的组合。

16、优选地，本发明还包括第三信号合束器，光纤激光谐振腔两端输出的激光经第三信号合束器合束输出，调节第一电控驱动模块加载在各第一泵浦源上的电流驱动信号波形或/和第二电控驱动模块加载在各第二泵浦源上的电流驱动信号波形，实时调节经第三信号合束器的输出的激光脉冲形态。

17、优选地，本发明还包括多个包层光滤除器，第一泵浦信号合束器输出的信号激光经过第一包层光滤除器后注入到第三信号合束器，第二泵浦信号合束器输出的信号激光经过第一包层光滤除器后注入到第三信号合束器，第三信号合束器输出的激光经第三包层光滤除器后由输出光纤端帽输出。

18、相对于现有技术，本发明能够产生的技术效果是：

19、本发明通过控制泵浦源的电控驱动模块，可以在一个激光谐振腔中产生不同脉冲形态的激光，实现两路脉冲时序可调控的准连续激光输出，不同脉冲时序的激光可以有效缓解高功率光纤激光器中的热负荷，提高模式不稳定效应的阈值。

20、进一步地通过信号合束器将两路脉冲激光合束，从而实现在一套光学模块和冷却模块下实现脉冲激光时序可调控的激光输出，简化激光器体积重量，降低激光器系统成本。

技术特征：

1.脉冲时序可调的高功率准连续全光纤激光器，其特征在于，包括增益光纤(1)、第一输出光纤光栅(2)、第二输出光纤光栅(3)、第一泵浦信号合束器(4)、第二泵浦信号合束器(5)、第一泵浦源(6)、第二泵浦源(8)、第一电控驱动模块(10)、第二电控驱动模块(12)；

2.根据权利要求1所述的脉冲时序可调的高功率准连续全光纤激光器，其特征在于，所述第一电控驱动模块(10)通过改变加载在各第一泵浦源(6)上的电流驱动信号波形，控制各第一泵浦源(6)输出激光的脉冲时序，产生脉冲准连续泵浦激光注入增益光纤；

3.根据权利要求2所述的脉冲时序可调的高功率准连续全光纤激光器，其特征在于，所述电流驱动信号波形为正弦波、余弦波、方波、三角波、锯齿波中的一个或任意多个组合。

4.根据权利要求2所述的脉冲时序可调的高功率准连续全光纤激光器，其特征在于，所述第一电控驱动模块(10)的电流驱动信号与第二电控驱动模块(12)的电流驱动信号相同；或者，所述第一电控驱动模块(10)的电流驱动信号波形与第二电控驱动模块(12)的电流驱动信号波形不相同。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的脉冲时序可调的高功率准连续全光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤(1)为掺杂稀土离子的增益光纤，增益光纤(1)的横截面结构为双包层或三包层结构的光纤横截面结构中的一种，增益光纤(1)的纵向纤芯直径均匀不变或者纵向纤芯直径呈锥形轮廓变化或者纵向纤芯直径呈纺锤形轮廓变化；增益光纤(1)的纤芯直径在10～100微米之间，增益光纤(1)的内包层直径在100～1000微米之间，增益光纤(1)的外包层直径在250～3000微米之间。

6.根据权利要求5所述的脉冲时序可调的高功率准连续全光纤激光器，其特征在于，所述第一输出光纤光栅(2)、第二输出光纤光栅(3)的反射中心波长相同且在1000纳米-1100纳米之间；所述第一输出光纤光栅(2)、第二输出光纤光栅(3)的激光中心波长反射率在10％-90％之间。

7.根据权利要求6所述的脉冲时序可调的高功率准连续全光纤激光器，其特征在于，所述第一输出光纤光栅(2)、第二输出光纤光栅(3)的纤芯包层直径与增益光纤(1)两端的纤芯包层直径保持一致。

8.根据权利要求1或2或3或4或6或7所述的脉冲时序可调的高功率准连续全光纤激光器，其特征在于，第一泵浦源(6)和第二泵浦源(8)是增益光纤(1)产生上能级粒子的激励源，第一泵浦源(6)和第二泵浦源(8)有多个，均采用半导体激光器；各第一泵浦源(6)和各第二泵浦源(8)中包括与增益光纤(1)吸收峰匹配的各个波段的半导体激光器，所述各个波段的半导体激光器包括波段为808纳米、915纳米、940纳米、976纳米、981纳米中的一个或多个的组合。

9.根据权利要求8所述的脉冲时序可调的高功率准连续全光纤激光器，其特征在于，还包括第三信号合束器(18)，光纤激光谐振腔两端输出的激光经第三信号合束器(18)合束输出，调节第一电控驱动模块(10)加载在各第一泵浦源(6)上的电流驱动信号波形或/和第二电控驱动模块(12)加载在各第二泵浦源(8)上的电流驱动信号波形，实时调节经第三信号合束器(18)的输出的激光脉冲形态。

10.根据权利要求8所述的脉冲时序可调的高功率准连续全光纤激光器，其特征在于，还包括多个包层光滤除器，第一泵浦信号合束器(4)输出的信号激光经过第一包层光滤除器(14)后注入到第三信号合束器(18)，第二泵浦信号合束器(5)输出的信号激光经过第一包层光滤除器(15)后注入到第三信号合束器(18)，第三信号合束器(18)输出的激光经第三包层光滤除器(19)后由输出光纤端帽(20)输出。

技术总结
本发明公开一种脉冲时序可调的高功率准连续全光纤激光器，包括增益光纤、第一输出光纤光栅、第二输出光纤光栅、第一泵浦信号合束器、第二泵浦信号合束器、第一泵浦源、第二泵浦源、第一电控驱动模块、第二电控驱动模块。第一输出光纤光栅和第二输出光纤光栅的反射率相同，第一电控驱动模块和第二电控驱动模块分别控制第一泵浦源和第二泵浦源产生准连续脉冲泵浦激光，进而实时调节光纤激光谐振腔两端输出激光的脉冲形态，本发明可以在一个激光谐振腔中产生不同脉冲形态的激光，实现脉冲时序可调的高功率激光输出，有效降低激光器的成本，提高脉冲准连续激光器的输出功率。

技术研发人员：叶云,王小林,吴函烁,王鹏,张汉伟,潘志勇,奚小明,史尘,习锋杰,王泽锋,韩凯,许晓军,陈金宝
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/6/23