CN107658686A - 一种直接调制光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种直接调制光纤激光器，包括：PC控制端、信号处理端、调制信号输出端、驱动信号输出端、信号监控端、种子激光系统、激光放大系统，激光输出端。其中PC控制端采用计算机软件程序对激光器输出状态进行控制，信号处理端接收PC控制端信号并进行处理，形成驱动种子激光系统的脉冲调制信号及驱动激光放大系统的连续信号。激光放大系统将种子激光系统产生的低功率脉冲信号进行放大实现高能量脉冲激光输出。本发明可以通过计算机软件程序对输出激光的重复频率、脉冲宽度、输出功率进行控制，同时具备信号监控功能对激光器系统状态进行实时监控提供保护，可实现低频、高能量激光输出。

Description

一种直接调制光纤激光器

技术领域

本申请属于激光技术领域，具体地说，涉及一种直接调制光纤激光器。

背景技术

脉冲光纤激光器是指对激光器谐振腔中增益及损耗进行控制实现激光谐振腔内能量的周期性释放，得到瞬间高能量的激光输出。具有峰值功率高，单脉冲能量强等优点在激光打标、激光切割、激光测距等领域应用广泛。

目前工业应用的脉冲光纤激光器主要采用调Q技术或锁模技术得到脉冲的种子激光输出，再经激光放大系统，实现高功率脉冲激光输出。其中调Q技术主要采用在激光谐振腔内加入声光或电光等调制晶体对谐振腔进行开关控制实现脉冲输出，其脉冲能量和平均功率通常较小，脉冲能量的提升受限于光纤端面阈值的限制。锁模光纤激光器常采用可饱和吸收体、Kerr镜等，采用单模光纤实现脉冲激光输出，其结构复杂，输出脉冲宽度窄，在光纤通信中应用广泛，由于有源光纤中非线性效应的限制锁模结构光纤激光器难以实现高脉冲能量激光输出。

发明内容

有鉴于此，本申请所要解决的技术问题是提供了一种直接调制光纤激光器，采用全光纤化结构，对半导体激光器泵浦源的驱动电流进行周期性调制，实现高能量脉冲光纤激光器输出。

为了解决上述技术问题，本申请公开了一种直接调制光纤激光器，其包括PC控制端、信号处理端、调制信号输出端、驱动信号输出端、信号监控端、种子激光系统、激光放大系统、以及激光输出端；其中，PC控制端对光纤激光器参数进行控制，信号处理端接收PC控制端信号并进行处理，形成驱动种子激光系统的脉冲调制信号及驱动激光放大系统的连续信号；激光放大系统对种子激光系统输出光进行放大，实现高能量的脉冲激光在激光输出端输出，激光输出端采用一定隔离作用的输出器，对应用中回返光进行有效隔离。

根据本发明的一实施方式，其中上述PC控制端通过计算机软件程序对光纤激光器的重复频率、脉冲信号及输出功率参数进行控制。

根据本发明的一实施方式，其中上述信号处理端采用CPLD器件接收PC控制端的控制信号，并对控制信号进行处理；处理包括根据重复频率、脉冲宽度信号进行处理形成调制电流信号输出；根据功率信号进行处理形成驱动电流信号输出；且信号处理端接收信号监控端信号进行监控。

根据本发明的一实施方式，其中上述调制信号输出端接收信号处理端的调制信号，对种子激光系统中半导体激光器进行直接调制，实现脉冲泵浦光输出。

根据本发明的一实施方式，其中上述驱动信号输出端接收信号处理端的驱动信号，对激光放大系统中泵浦源进行驱动。

根据本发明的一实施方式，其中上述信号监控端对种子激光系统及激光放大系统中激光信号进行监控，并反馈至信号处理端，实现光路的保护。

根据本发明的一实施方式，其中上述种子激光系统，包括2×2光纤耦合器、种子有源光纤、（1+1）×1合束器构成的环形谐振腔，直接调制的半导体激光器提供脉冲的激励源，激光在环形谐振腔内多次循环放大，形成脉冲种子激光输出。

根据本发明的一实施方式，其中上述种子激光系统，包括高反光栅、种子有源光纤、低反光栅构成的线性谐振腔，直接调制的半导体激光器提供脉冲的激励源，激光在线性谐振腔内多次反射放大，形成脉冲种子激光输出。

根据本发明的一实施方式，其中上述激光放大系统包括泵浦源、（N+1）×1合束器、放大有源光纤，激光放大系统对种子激光系统输出的脉冲光进行能量放大；同时在激光放大前采用滤波器、隔离器对种子激光光谱优化。

与现有技术相比，本申请可以获得包括以下技术效果：

1）本发明采用直接调制的电流对种子系统的泵浦源进行调制，实现脉冲激光输出，整个系统为全光纤化系统，避免分立元件中光学端面对激光的反射，有效提高激光系统的稳定性。

2）本发明可通过计算机对输出脉冲的重复频率及脉冲宽度进行调节控制，有利于工业应用。

3）本发明中在种子激光系统及激光放大系统均设有激光信号监控窗口，保证整机系统工作过程的稳定性，同时对意外情况导致的激光异常情况进行监控，对整机的安全性进行保护。

当然，实施本申请的任一产品必不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本发明一实施方式的直接调制光纤激光器线框图；

图2是本发明一实施方式实施例1的种子激光系统结构示意；

图3为本发明一实施方式实施例1的直接调制电信号及单脉冲光信号；

图4为本发明一实施方式实施例1的直接调制电信号及双脉冲光信号；

图5为本发明一实施方式实施例2的种子激光系统结构示意图；

图6为本发明一实施方式的激光放大系统结构示意图。

附图标记

PC控制端10、信号处理端20、调制信号输出端30、驱动信号输出端40、信号监控端50、种子激光系统60、激光放大系统70、激光输出端80，

半导体激光器61、（1+1）×1合束器62、种子有源光纤63、2×2光纤耦合器64、低反光栅65、高反光栅66，

滤波器71、隔离器72、泵浦源73、（N+1）×1合束器74、放大有源光纤75。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，藉此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

请参考图1，图1是本发明一实施方式的直接调制光纤激光器线框图。如图所示，一种直接调制光纤激光器包括PC控制端10、信号处理端20、调制信号输出端30、驱动信号输出端40、信号监控端50、种子激光系统60、激光放大系统70、以及激光输出端80；其中，PC控制端10对光纤激光器参数进行控制，信号处理端20接收PC控制端10信号并进行处理，形成驱动种子激光系统60的脉冲调制信号及驱动激光放大系统70的连续信号；激光放大系统70对种子激光系统60输出光进行放大，实现高能量的脉冲激光在激光输出端80输出，激光输出端80采用一定隔离作用的输出器，对应用中回返光进行有效隔离。在本发明一实施方式中，信号监控端50对光纤激光器通光情况进行监控，提供实时保护。

PC控制端10使用计算机软件程序对光纤激光器的输出重复频率、脉冲宽度、输出功率进行控制。

信号处理端20接收PC控制端10的信号，通过CPLD可编程器件进行分析处理，根据接收的重复频率、脉宽信号对调制电流信号的周期、开光时间进行控制；根据功率信号控制驱动信号的幅值。同时CPLD接收信号监控端50的监控信号对光纤激光器提供实时监测保护。

信号监控端50采用光电二极管对种子激光系统60、激光放大系统70中的光信号进行实时监控，对出现异常光信号反馈到信号处理端20，对激光器实行关断保护。

调制信号输出端30接收到信号处理端20的调制电流信号对种子激光系统60的半导体激光器进行控制，实现半导体激光器61的直接电流调制。

驱动信号输出端40接收信号处理端20的驱动信号对激光放大系统70的泵浦源进行控制。

种子激光系统60中半导体激光器接收调制电流信号，对激光系统提供周期性的泵浦光，实现直接调制光纤激光器种子激光输出，其详细光路在图2、4的实施例中进行详细说明。

激光放大系统70，对种子激光进行放大实现高能量激光，激光放大前首先对种子激光进行滤波、隔离处理，详细光路在图5的实施例中进行详细说明。

激光输出端80采用具有隔离作用的输出器，对应用中回返光进行有效隔离，保证系统的稳定性。

图2为本发明实施例1中种子激光系统结构示意图，实施例1半导体激光器61在直接调制信号驱动下实现脉冲激光输出，经（1+1）×1合束器耦合到种子有源光纤63，种子有源光纤63内掺杂的稀土离子周期性的吸收半导体激光器61的泵浦光，实现离子数反转，上能级离子数积累到一定程度释放形成脉冲激光输出。2×2光纤耦合器64具有90:10的分光比，其中out端为将传输的0.1倍的激光输出，另一端口用于将剩余的0.9倍的激光再次传输到有源光纤中，构成环形的激光谐振腔用于将激光多次放大输出，实现脉冲种子激光的输出。

半导体激光器61在调制信号的一个周期内开光时种子有源光纤63中掺杂离子吸收泵浦光形成离子数反转，当上能级离子数积累到一定程度时自发辐射形成激光，如果在上能级离子数释放后半导体激光器61仍然处在开光状态时会再次形成离子数的反转及释放，得到双脉冲激光输出。在实验中验证在半导体激光器61在开关时间为15μs-25μs范围内时，在重复频率10KHz-500KHz范围内得到稳定的单脉冲激光输出，如图3所示，图3为本发明一实施方式实施例1的直接调制电信号及单脉冲光信号。半导体激光器开光时间在25μs-40μs范围时，得到稳定的双脉冲激光输出，单个周期内的两个脉冲间隔时间为10μs，如图4所示，图4为本发明一实施方式实施例1的直接调制电信号及双脉冲光信号。

图5为本发明实施例2种子激光系统结构示意图，采用低反光栅65、高反光栅66构成激光谐振腔的两个腔镜，种子有源光纤63中稀土离子吸收直接调制的半导体激光器61输出的脉冲泵浦光后形成离子数反转分布，上能级离子数积累到一定程度自发辐射形成的激光经高反光栅66及低反光栅65多次反射放大，形成脉冲种子激光在低反光栅65另一端输出。

图6为本发明实施例的激光放大系统结构示意图，种子激光系统60输出的脉冲种子激光经滤波器71实现ASE杂散光的滤除，再经过级间隔离器72防止后续的放大过程中产生的回返传输的光对种子激光系统的损坏，激光放大系统70中泵浦源73采用连续的电流信号进行驱动，实现连续泵浦光输出，种子激光和泵浦光经（N+1）×1合束器74耦合到放大有源光纤75，放大有源光纤75中稀土离子吸收泵浦源中的能量跃迁到上能级形成离子数反转，上能级积累的离子数被种子激光激发形成受激辐射实现激光的放大。激光放大系统中（N+1）×1合束器74的N值根据所要实现的激光放大中需要的泵浦源的个数进行匹配，常见的有2、6、19等。另外激光放大不能无限制的进行放大，为了系统的安全常选取10倍率的放大倍数，并根据激光的放大倍率选取放大级的级数。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种直接调制光纤激光器，其特征在于，包括：

PC控制端、信号处理端、调制信号输出端、驱动信号输出端、信号监控端、种子激光系统、激光放大系统、以及激光输出端；

其中，所述PC控制端对光纤激光器参数进行控制，所述信号处理端接收所述PC控制端信号并进行处理，形成驱动所述种子激光系统的脉冲调制信号及驱动所述激光放大系统的连续信号；所述激光放大系统对所述种子激光系统输出光进行放大，实现高能量的脉冲激光在所述激光输出端输出，所述激光输出端采用一定隔离作用的输出器，对应用中回返光进行有效隔离。

2.根据权利要求1所述的直接调制光纤激光器，其特征在于，其中所述PC控制端通过计算机软件程序对所述光纤激光器的重复频率、脉冲信号及输出功率参数进行控制。

3.根据权利要求1所述的直接调制光纤激光器，其特征在于，其中所述信号处理端采用CPLD器件接收所述PC控制端的控制信号，并对所述控制信号进行处理；所述处理包括根据重复频率、脉冲宽度信号进行处理形成调制电流信号输出；根据功率信号进行处理形成驱动电流信号输出；且所述信号处理端接收所述信号监控端信号进行监控。

4.根据权利要求1所述的直接调制光纤激光器，其特征在于，其中所述调制信号输出端接收所述信号处理端的调制信号，对所述种子激光系统中半导体激光器进行直接调制，实现脉冲泵浦光输出。

5.根据权利要求1所述的直接调制光纤激光器，其特征在于，其中所述驱动信号输出端接收所述信号处理端的驱动信号，对所述激光放大系统中泵浦源进行驱动。

6.根据权利要求1所述的直接调制光纤激光器，其特征在于，其中所述信号监控端对所述种子激光系统及所述激光放大系统中激光信号进行监控，并反馈至所述信号处理端，实现光路的保护。

7.根据权利要求1所述的直接调制光纤激光器，其特征在于，其中所述种子激光系统，包括2×2光纤耦合器、种子有源光纤、（1+1）×1合束器构成的环形谐振腔，激光在环形谐振腔内多次循环放大，形成脉冲种子激光输出。

8.根据权利要求1所述的直接调制光纤激光器，其特征在于，其中所述种子激光系统，包括高反光栅、种子有源光纤、低反光栅构成的线性谐振腔，激光在线性谐振腔内多次反射放大，形成脉冲种子激光输出。

9.根据权利要求1所述的直接调制光纤激光器，其特征在于，其中所述激光放大系统包括泵浦源、（N+1）×1合束器、放大有源光纤，所述激光放大系统对所述种子激光系统输出的脉冲光进行能量放大；同时在激光放大前采用滤波器、隔离器对种子激光光谱优化。