一種200W納秒脈沖光纖激光器系統的制作方法

本發明涉光纖激光器領域，具體是一種平均功率可達200W納秒脈沖光纖激光器系統。

背景技術：

高功率納秒脈沖光纖激光器具有光束質量好、脈沖寬度窄、可對材料“冷”燒灼、可靠性高、易于集成、無需復雜維護等優點得到越來越多的關注和應用，尤其是微細尺度材料加工領域。

現階段主要通過主控振蕩-放大(MOPA)方法來獲得高峰值功率的納秒脈沖，種子源MO一般采用響應速度快的調制半導體激光器來產生脈沖寬度為納秒量級的種子光，種子光注入到放大器PA中進行放大。采用短脈沖驅動半導體激光器雖然可以獲得短脈沖激光，但是脈沖寬度較窄，若不加處理則會在再放大時光譜展寬，限制激光器峰值功率的提高。同時，抗反饋光能力差，不能標刻鋁、黃銅等高反材料。

技術實現要素：

本發明的目的為了克服現有技術存在的上述問題，提供一種脈沖寬度、重復頻率可調，具有抗反饋光功能、脈沖穩定性好、光束質量好、脈沖種子光狀態可監控、輸出功率穩定的、平均功率可達200W功率的高峰值功率納秒脈沖光纖激光器系統。

本發明的技術方案：

一種200W納秒脈沖光纖激光器系統，由種子源、脈沖信號光監控器、第一級放大器、第二級放大器、紅光系統、第三級放大器、功率監控器、輸出光隔離器、控制系統、驅動電路系統、反饋系統構成；其特征在于：控制系統分別與驅動電路系統和反饋系統相連，驅動電路系統分別驅動種子源、第一級放大器、第二級放大器、紅光系統、第三級放大器；驅動電路系統控制種子源輸出納秒量級脈沖激光；種子源激光經小光隔后小部分激光到達脈沖信號光監控器，絕大部分激光注入到第一級放大器，再依次通過第二級放大器、紅光系統、第三級放大器；第三級放大器輸出的絕大部分激光經輸出光隔離器輸出，少部分激光到達功率監控器；種子源信號光監控器和功率監控器將采集到的信號發送給反饋系統，由反饋系統反饋到控制系統，外部輸入電源為脈沖光纖激光器系統供電。控制系統將采集到的脈沖信號光頻率、脈沖寬度與設定值對比，根據對比結果決定種子源繼續或停止工作；同時將功率監控器采集到的功率信號與設定值對比，根據對比結果判斷激光器是否異常，當沒采集到的功率信號或功率信號低于基準值時，激光器報警。

所述的種子源由快速響應的增益開關型半導體激光器、光纖光柵、光隔離器組成。增益開關型半導體激光器中心波長為1064nm±2nm；控制系統控制種子源產生脈沖信號光，脈沖寬度為納秒或皮秒脈沖。

所述種子源、第一級放大器、第二級放大器均含光隔離器，以保護光路損壞，其中第一、第二級放大器隔離器輸出端同時具有濾波功能，防止放大自發輻射光源(ASE)影響系統的穩定性。

所述第一級放大器、第二級放大器均采用正向泵浦方式，所述的第一級放大器、第二級放大器均由波長為915nm/976nm半導體泵浦源、摻鐿雙包層光纖、耦合器、模式適配器、光纖隔離器組成。

所述第三級放大器均采用正向泵浦方式，所述的第三級放大器由波長為915nm/976nm半導體泵浦源、摻鐿雙包層光纖、耦合器、模式適配器組成。

所述的種子源脈沖光監控器由分束器、光電二極管組成。分束器具有一定的分光比，用于分出少部分信號光用于監控信號光頻率、脈沖寬度。

所述的紅光系統由波分復用WDM、紅光二級管組成。

所述的功率監控器由分束器和光電二極管組成，具有一定分光比的分束器分出少部分信號光用于激光功率監控器。

在種子源脈沖光監控器、功率監控器中利用帶尾纖的光電二極管將采集到的光信號轉換成相應的電信號。

本發明采用MOPA放大結構，在種子源后增加光隔離器，得到脈沖穩定性良好的種子激光。分別在第一級放大、第二級放大末端接入帶窄帶濾波功能的隔離器，濾除有害的ASE，提高系統的穩定性。在第二級放大器后加入紅光指示，提高激光器的操作安全性和靈活性。脈沖信號光后和主放大級后均接入光電二極管，通過反饋系統實現對脈沖信號光頻率、脈沖寬度、功率監控對激光器實時保護。該種納秒脈沖光纖激光器最高輸出平均功率200W，最小脈沖寬度可達到20ns，頻率可在10kHz到1000kHz較寬的范圍內調節，單脈沖能量最高可達2mJ以上，峰值功率40KW。

本發明的工作原理：驅動單元驅動種子源產生納秒脈沖1064nm激光，脈沖信號光經隔離器后經脈沖信號光監測器注入到第一級放大級，第一級放大級、第二級放大級、第三級放大級均采用正向泵浦對信號光逐級放大，每級放大級末端接有具有窄帶濾波功能的光隔離器，信號激光經過三級放大后最后經輸出光隔離器輸出。高功率納秒脈沖光纖激光器系統設置了脈沖種子源信號光監控器和輸出功率監控器，通過帶尾纖的光電二極管將光信號轉換成電信號，控制電路系統將之與設定值進行對比，根據對比結果做出相應的判斷并通過驅動電路系統進行調整。

本發明的優點：本發明為全光纖系統，有效提高了系統的可靠性和穩定性；第一二級放大器中利用具有窄帶濾波光隔離器和模式適配器提高激光器的光束質量、并有效地抑制摻雜光纖內的非線性效應，實現高功率納秒脈沖激光輸出；具有紅光指示的功能，提高系統的可操作性和安全性；具有脈沖信號光實時監控的功能和輸出功率動態調節的功能。

附圖說明

圖1為本發明的光學結構示意圖。

圖2為本發明的系統結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖進一步描述。

參見圖1、圖2，本發明由種子源1、脈沖信號監控器2、第一級放大級3、第二級放大級4、紅光系統5、第三級放大級6、功率監控器7、輸出光隔離器8、控制系統9、驅動電路系統10、反饋系統11構成；其特征在于：控制系統9分別與驅動電路系統10和反饋系統11相連，驅動電路系統10驅動種子源、第一級放大級3、第二級放大級4、紅光系統5、第三級放大級6；驅動電路系統10驅動種子源1輸出納秒級脈沖激光；脈沖種子激光經種子光監測器小部分光到監控光電二極管202，絕大部分激光注入到第一級放大級3，再依次經第二級放大級4、紅光系統5、第三級放大級6，功率監控系統7后的絕大部分激光從輸出光隔離器8輸出，少部分激光到達功率監控器7的監控二極管702；脈沖信號光監控器3中的光電二極管202和功率監控器7中的光電二極管702將采集到的信號發送給反饋系統11，由反饋系統11反饋到控制系統9，外部輸入電源12為脈沖光纖激光器系統供電。控制系統9將采集到的信號光頻率、脈沖寬度與設定值對比，根據對比結果決定種子源1繼續或停止工作；將采集到的功率信號與設定值對比，根據對比結果判斷激光器系統繼續或停止工作。所述第一級放大器3、第二級放大器4、第三級放大器6均采用正向泵浦方式。所述控制系統9驅動種子源1產生納秒量級脈沖激光；種子激光經光隔離器103后再由1:99分束器將脈沖信號光分為兩部分，一小部分激光進入光電二極管202，剩余的絕大部分信號激光進入第一級放大級3。如圖1所示，所述的種子源1由快速響應的增益開關型半導體激光器101、額定功率600mw、波長為1064nm的鎖模光柵102、光隔離器103組成。種子光源1 輸出的激光波長在1064±2nm；所述的光隔離器103具有抗反饋光的作用，增加光學系統可靠性；第一級大級3由6米10/125雙包層摻鐿光纖301、(1+1)*1耦合器302、10W、915nm半導體泵浦源303、模式適配器304和具有窄帶濾波功能的光纖隔離器305構成，采用正向泵浦方式；第二級放大級4由6米長度的20/125雙包層增益光纖401、(1+1)*1耦合器402、40W的915nm半導體泵浦源403、模式適配器404和具有窄帶濾波功能的光纖隔離器405構成；紅光系統5由紅光二極管501、WDM502組成。第三級放大級由15米長度的30/250雙包層摻鐿光纖601、(6+1)*1耦合器602、4只976nm、功率為90W的半導體泵浦源603、模式適配器604組成。功率放大監控系統7由1:99的分光比701、光電二極管702組成。所述的200W納秒激光器控制系統驅動種子源1產生10mW，脈寬為500ns、重復頻率為200kHZ激光、依次經種子源監控器2、第一級放大級3功率放大到1W、第二級放大級4功率放大到20W、經紅光系統5后再經第三級放大級6放大到200W，此時信號激光的脈寬為50ns，重復頻率為200kHZ，頻率峰值功率為20KW。信號激光經功率監控系統7和輸出光隔離器8后輸出。為提高系統的可操作性和安全性，借助1064/633nmWDM在第二級放大級4后由紅光耦合件502耦合入紅光。