高功率飛秒光纖激光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖激光器，尤其是一種在工業(yè)加工中使用的高功率飛秒光纖激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖激光器作為新一代的激光技術(shù)，由于其優(yōu)良的輸出光束質(zhì)量，良好的散熱性能，極高的光電轉(zhuǎn)換效率，簡單方便的結(jié)構(gòu)，極高的可靠性，免于維護且使用壽命長等優(yōu)點正在吞噬著其他種類激光器的市場。業(yè)已形成的光纖激光器產(chǎn)品其應用覆蓋材料處理、醫(yī)療、印刷、雷達、通信、激光切割、精密加工、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/切害U/焊接、工業(yè)造船、大型基礎建設、航空航天、軍事國防安全等多個領(lǐng)域，市場對光纖激光器的需求也越來越大。受益于政府政策扶持力度的加大，應用市場的打開，國內(nèi)光纖激光器產(chǎn)業(yè)猶如雨后春筍，正在蓬勃發(fā)展，但是，受限于國外核心技術(shù)及材料器件的封鎖，國內(nèi)的光纖激光器產(chǎn)品總體性能、穩(wěn)定度等方面與國外一些公司的產(chǎn)品仍有差距。
[0003 ]適應國內(nèi)市場的需求，光纖激光器將沿著高功率、窄線寬、大范圍可調(diào)諧的方向發(fā)展，其中鑒于高功率光纖激光器在工業(yè)加工方面巨大的潛能，高功率光纖激光器無疑將成為最有發(fā)展前景的方向。
[0004]高功率超短脈沖激光集成了大能量脈沖激光器和高功率連續(xù)激光器的優(yōu)點，在高精度激光切割、高精度激光深層焊接、材料表面特殊處理、特種合金加工、激光噴涂等方面具有無可替代的優(yōu)勢。它不但能提高焊接材料的有效載荷，滿足運載工具向輕型發(fā)展的要求，同時具有高加工速度、微處理損傷的優(yōu)點。
[0005]近年來得益于低損耗高摻雜稀土離子光纖的發(fā)展、高功率多模LD的發(fā)展、雙包層光纖及包層栗浦技術(shù)的發(fā)展，摻鐿光纖激光器輸出功率獲得極大提升，而大模場雙包層光子晶體增益光纖的出現(xiàn)更是使得高平均功率，高脈沖能量，飛秒級脈沖寬度的光纖激光器成為現(xiàn)實。相較于普通的大模場雙包層增益光纖，大模場雙包層光子晶體增益光纖的優(yōu)勢在于其色散可控，普通雙包層增益光纖由于其較大的纖芯直徑使得激光在光纖里傳輸時可能存在多種模式，造成不可控且不可被補償?shù)哪Ｊ缴ⅲ庾泳w光纖獨特的結(jié)構(gòu)使得激光在光纖里能無截止單模傳輸，始終保證輸出光斑的模式為基橫模，方便放大后對脈沖進行壓縮。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種有廣泛的工業(yè)應用前景，特別是在高精度激光切割，高精度激光深層焊接，材料表面特殊處理等方面具有無可替代優(yōu)勢的高功率飛秒光纖激光器，具體應用包括藍寶石及強化玻璃切割、心血管支架構(gòu)造、薄膜太陽能電池高精度加工等。
[0007]實現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術(shù)方案是:
一種高功率飛秒光纖激光器，特點在于該激光器包括電路及光路，其中: 所述電路包括電路板、聲光調(diào)制驅(qū)動器以及作為栗浦的數(shù)個半導體二極管，電路板上固定有低功率栗浦控制模塊、聲光調(diào)制驅(qū)動器控制模塊及高功率栗浦控制模塊，聲光調(diào)制驅(qū)動器控制模塊連接聲光調(diào)制驅(qū)動器;低功率栗浦控制模塊連接數(shù)個小功率栗浦半導體二極管；高功率栗浦控制模塊連接數(shù)個高功率栗浦半導體二極管；電路板由外部電源進行供電；
所述光路包括振蕩器、第一級預放大器、聲光調(diào)制器、第二級預放大器、分離脈沖放大器、第一脈沖壓縮器、主放大器、第二脈沖壓縮器、第一親合器及第二親合器，振蕩器、第一耦合器、第一級預放大器、聲光調(diào)制器、第二耦合器、第二級預放大器、分離脈沖放大器、第一脈沖壓縮器、主放大器及第二脈沖壓縮器依次沿光路連接；
振蕩器連接一小功率栗浦半導體二極管及電路板;第一耦合器輸出端與電路板之間連接一光電二極管;第一級預放大器分別連接一小功率栗浦半導體二極管、一高功率栗浦半導體二極管；聲光調(diào)制器連接聲光調(diào)制驅(qū)動器;第二耦合器輸出端與電路板之間連接一光電二極管;第二級預放大器連接一小功率栗浦半導體二極管;分離脈沖放大器分別連接一小功率栗浦半導體二極管、一高功率栗浦半導體二極管;主放大器連接兩高功率栗浦半導體二極管;其兩高功率栗浦半導體二極管串聯(lián)連接。
[0008]所述振蕩器為全光纖結(jié)構(gòu)的鎖模脈沖振蕩器，采用非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應實現(xiàn)穩(wěn)定的鎖模脈沖輸出；該振蕩器包括帶隔離器的波分復用器、第一增益光纖、電控偏振控制器、偏振分束器及濾波器，各器件依次按照光路順序首尾相連，構(gòu)成環(huán)路。激光器開啟后，振蕩器自啟鎖模，無需調(diào)諧。
[0009]所述第一級預放大器包括第一保偏隔離器、第一保偏波分復用器、第二增益光纖和第一保偏合束器，各器件依次按照光路順序首尾連接。
[0010]所述分離脈沖放大器由分離脈沖部分和光纖放大器部分組成，分離脈沖部分和光纖放大器部分按光路連接；
所述分離脈沖部分包括保偏準直器、第一空間隔離器、二分之一波片、偏振分束器、二分之一波片、分離脈沖晶體和高功率準直器，各器件依次按光路順序設置；
所述光纖放大器部分采用纖芯栗浦和包層栗浦相結(jié)合的方式對信號光進行放大，其為一光纖放大器，它包括第三波分復用器、第四增益光纖、第二保偏合束器和法拉第旋轉(zhuǎn)鏡，各器件依次按光路順序連接。
[0011 ] 本發(fā)明包括電路和光路兩部分組成。電路部分控制該激光器的開啟及運轉(zhuǎn);光路部分用于產(chǎn)生并輸出高功率飛秒脈沖激光，實現(xiàn)激光器的功能。
[0012]所述電路部分包括電路板、聲光調(diào)制驅(qū)動器及若干個半導體二極管。電路板控制激光器的開啟并實時監(jiān)測及控制激光器運行;聲光調(diào)制驅(qū)動器受電路板控制去驅(qū)動聲光調(diào)制器工作實現(xiàn)選脈沖功能;半導體二極管作為激光器光路部分所需的栗浦，為激光器提供栗浦激光。
[0013]電路板上固定有低功率栗浦控制模塊、聲光調(diào)制器驅(qū)動控制模塊、低功率栗浦控制豐吳塊。
[0014]所述的低功率、高功率栗浦控制模塊用于控制激光器中的半導體二極管輸出栗浦激光，半導體二極管按功率可分為小功率栗浦和高功率栗浦，小功率栗浦最高輸出功率小于1W，驅(qū)動方式為電壓驅(qū)動;高功率栗浦最高輸出功率為9W或25W，驅(qū)動方式為電流驅(qū)動。栗浦輸出功率由電路板上的栗浦控制模塊驅(qū)動控制，連續(xù)可調(diào)。
[0015]聲光調(diào)制器驅(qū)動控制模塊用于驅(qū)動聲光調(diào)制器實現(xiàn)選頻功能。
[0016]所述的振蕩器用于產(chǎn)生功率穩(wěn)定的皮秒鎖模脈沖激光，作為高功率偏振穩(wěn)定皮秒光纖激光器的種子源。該振蕩器的鎖模方式可以是利用可飽和吸收鏡的全光纖脈沖振蕩器，也可以是利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)鎖模。利用可飽和吸收鏡鎖模的脈沖振蕩器的優(yōu)勢是穩(wěn)定性較高，只需調(diào)節(jié)栗浦功率即可實現(xiàn)鎖模;利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)鎖模的振蕩器優(yōu)勢是輸出功率較高，可以達到100mW，脈沖的重復頻率可以提高到百兆赫茲以上。
[0017]所述的第一級預放大器用于將振蕩器獲得的種子脈沖的功率進行初步提升，將種子光的平均功率由十毫瓦量級提升至百毫瓦量級。為了保證預放大器的放大效果，可以采用級聯(lián)放大結(jié)構(gòu)對種子光進行放大，也可采用雙向栗浦的方式放大。
[0018]低功率放大過程中栗浦通常選擇較小功率的半導體二極管，增益光纖通常為單模增益光纖，放大過程中，栗浦光和信號光經(jīng)由波分復用器一起耦合到單模增益光纖的纖芯中，即纖芯栗浦放大。高功率放大過程多采用包層栗浦放大方式，栗浦通常為高功率半導體二極管，栗浦輸出尾纖為多模光纖，增益光纖則通常選擇高摻雜的雙包層增益光纖，栗浦光和信號光經(jīng)由合束器一起耦合到雙包層增益光纖中，其中信號光在纖芯里傳輸，栗浦光在內(nèi)包層和纖芯之間來回穿梭，極大地提高了栗浦耦合效率，更適用于高功率放大過程。
[0019]本發(fā)明的第一級預放大器結(jié)構(gòu)采用纖芯栗浦和包層栗浦結(jié)合的方式，栗浦選擇一個500mW的半導體二極管作為前向栗浦，一個9W的半導體二極管作為后向栗浦，增益光纖選用一段雙包層光纖，采用雙向栗浦的方式對信號光進行放大。其優(yōu)勢在于利用這種放大結(jié)構(gòu)可以將信號光放大至瓦量級，而且放大過程中，由于雙包層增益光纖較大的模場直徑能夠有效抑制功率提升時非線性效應的產(chǎn)生，保證放大效果。
[0020]所述的聲光調(diào)制器用于降低脈沖的重復頻率，即選擇部分脈沖進入主放大器進行后續(xù)的放大。聲光調(diào)制器由聲光介質(zhì)和壓電換能器構(gòu)成。當有光脈沖通過聲光調(diào)制器時，如果其驅(qū)動源以某種特定載波頻率(通常是振蕩器重復頻率的整數(shù)分之一)驅(qū)動換能器，換能器即產(chǎn)生同一頻率的超聲波并傳入聲光介質(zhì)，在介質(zhì)內(nèi)形成折射率變化，振蕩器產(chǎn)生的種子光束通過介質(zhì)是即發(fā)生相互作用從而從聲光調(diào)制器輸出端輸出，其余的脈沖序列則被損耗掉。
[0021]所述的第二級預放大器將經(jīng)聲光調(diào)制器選出來的脈沖放大到一百毫瓦，為后續(xù)放大過程提供充足的信號光。
[0022]所述的分離脈沖放大器由分離脈沖晶體部分和光纖放大器部分組成。具體實施過程為第二級預放大器輸出的信號光經(jīng)過分離脈沖晶體后，一個脈沖在時間上被等分為八個脈沖，然后再進行放大，放大之后法拉第旋轉(zhuǎn)鏡將其偏振角度旋轉(zhuǎn)90度后原路返回，再次經(jīng)過分離脈沖晶體后八個脈沖又合為一個脈沖輸出。該結(jié)構(gòu)放大器的優(yōu)勢在于信號光經(jīng)過分離脈沖晶體后脈沖在時域一分為八，其能量也被平均分配到各個小脈沖中，脈沖的峰值功率下降為原脈沖的八分之一，脈沖放大過程中如果峰值功率過高會產(chǎn)生較強的非線性效應，導致脈沖光譜變化，不利于放大的進行，因此選擇八個小脈沖在光纖中進行放大，降低其峰值功率，放大之后脈沖在空間中又合成一個。所述的分離脈沖晶體可以采用釩酸釔晶體或者是偏振分束器與反射鏡的組合。
[0023]所述的第一脈沖壓縮器用于將分離脈沖放大后的信號光進行脈沖壓縮，將其去啁啾后獲得最窄的脈沖再進行主放大。其壓縮原理如下，光脈沖在光纖中傳輸時由于色散效應導致不同頻率的光傳播速度不同。使得脈沖會在時域上被展寬或者壓縮，對于本發(fā)明而言，光脈沖在光纖中傳輸時色散效應導致其單