偏振穩(wěn)定的高功率皮秒光纖激光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種可以在工業(yè)加工上使用的偏振穩(wěn)定的高功率皮秒光纖激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]激光作為繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后人類的又一重大發(fā)明，由于其所攜帶的極高的能量，極好的相干性，極強(qiáng)的亮度，被人們稱為最快的刀，最準(zhǔn)的尺，最亮的光。鑒于激光相較于自然光的種種優(yōu)勢，人們發(fā)明了激光器來產(chǎn)生并利用激光，其中激光器可分為固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器等。
[0003]光纖激光器作為固體激光器的一種，它的發(fā)展和激光器的發(fā)展幾乎是同步進(jìn)行的，但是直到近年來才成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)，它的發(fā)展和應(yīng)用隨之受到廣泛關(guān)注。光纖激光器相較于其他類型的激光器優(yōu)勢在于光纖激光器有極高的光電轉(zhuǎn)化效率，輸出光束亮度極高，緊湊的結(jié)構(gòu)，低廉的成本，穩(wěn)定的性能，而且完全免維護(hù)。因此，光纖激光器對傳統(tǒng)的激光器產(chǎn)生巨大的沖擊，在某些方面正在取代其他類型激光器。
[0004]近年來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，極大地促進(jìn)了摻鐿光纖激光器功率的迅速提升。相應(yīng)的高功率摻鐿光纖激光器的各項(xiàng)應(yīng)用也并沒有讓人們失望，在工業(yè)生產(chǎn)的許多方面都展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢?，F(xiàn)有工業(yè)激光器主要包括兩類:其一是大能量脈沖激光器，它主要依靠高能量閃光燈栗浦，調(diào)Q運(yùn)轉(zhuǎn)，利用激光脈沖攜帶的高能量實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，缺點(diǎn)在高精度加工時光斑質(zhì)量難以滿足要求，工作速率受限，體積龐大且造價昂貴、能耗效比很低且使用維護(hù)不方便;另一類是高功率的連續(xù)光纖激光系統(tǒng)，這一類激光系統(tǒng)多用半導(dǎo)體激光器栗浦，體積小巧，多用于微加工或者醫(yī)學(xué)工業(yè)領(lǐng)域，缺點(diǎn)是連續(xù)運(yùn)行模式限制了激光的強(qiáng)度，從而限制了其更廣泛的應(yīng)用。而高功率光纖皮秒激光器集成了上述二類傳統(tǒng)激光加工設(shè)備的優(yōu)勢，具有更廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景，特別是在高精度激光切割、高精度激光深層焊接、材料表面特設(shè)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(yùn)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(diǎn)。在歐美發(fā)達(dá)國家，高精度光纖激光技術(shù)已經(jīng)在先進(jìn)工業(yè)加工領(lǐng)域發(fā)揮出重要作用，大約有50%_70%的汽車零部件都用到了激光加工技術(shù)，其中以激光焊接和激光切割為主，而在造船和航空航天器制造工業(yè)中也廣泛使用高精度的激光焊接技術(shù)，一方面由于激光焊接的適用材料范圍更廣泛，比如一些專用合金甚至非金屬材料的焊接;另一方面，高精度激光焊接有更高的焊接強(qiáng)度，更高的精度，更小的零部件體積。
[0005]我國光纖激光器產(chǎn)業(yè)起步較晚，而且受限于國外的核心技術(shù)封鎖，國內(nèi)的工業(yè)光纖激光產(chǎn)品主要以中小功率激光加工設(shè)備為主，如激光打標(biāo)機(jī)、雕刻機(jī)、切割機(jī)、焊接機(jī)等也廣泛應(yīng)用各個行業(yè)，大功率光纖激光器工業(yè)加工應(yīng)用尚是空白。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]本實(shí)用新型的目的是提供一種偏振穩(wěn)定的高功率皮秒光纖激光器，可作為工業(yè)上LED藍(lán)寶石基片切割、太陽能電池分離、晶圓劃片、精細(xì)加工、打標(biāo)等用途的理想光源。
[0007]實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的具體技術(shù)方案是:
[0008]一種偏振穩(wěn)定的高功率皮秒光纖激光器，特點(diǎn)在于該激光器包括電路及光路，其中:
[0009]所述電路包括電路板、聲光調(diào)制驅(qū)動器以及作為栗浦源的數(shù)個半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體二極管；電路板由外部電源進(jìn)行供電；
[0010]所述光路包括振蕩器、預(yù)放大器、聲光調(diào)制器、主放大器、第一耦合器及第二耦合器，所述振蕩器、第一耦合器、預(yù)放大器、聲光調(diào)制器、第二耦合器及主放大器依次沿光路連接；
[0011]振蕩器連接一小功率栗浦半導(dǎo)體二極管;第一耦合器另一輸出端與電路板之間通過光電二極管連接;預(yù)放大器連接兩個小功率栗浦半導(dǎo)體二極管;聲光調(diào)制器與聲光調(diào)制驅(qū)動器連接;第二耦合器另一輸出端與電路板之間連接一光電二極管;主放大器連接一小功率栗浦半導(dǎo)體二極管和數(shù)個高功率栗浦半導(dǎo)體二極管，高功率栗浦半導(dǎo)體二極管串聯(lián)連接。
[0012]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(yīng)實(shí)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(fù)用器、第一增益光纖、電控偏振控制器、偏振分束器和濾波器，所述波分復(fù)用器、第一增益光纖、電控偏振控制器、偏振分束器和濾波器依次按照光路順序首尾相連，形成閉合的環(huán)路結(jié)構(gòu)。
[0013]所述預(yù)放大器包括第一保偏隔離器、第一保偏波分復(fù)用器、第二增益光纖和第二保偏波分復(fù)用器，所述第一保偏隔離器、第一保偏波分復(fù)用器、第二增益光纖和第二保偏波分復(fù)用器依次按照光路順序首尾連接。
[0014]所述主放大器包括第一級主放大器、第二級主放大器和第三級主放大器，各級主放大器首尾相連，對信號光逐級放大。
[0015]本實(shí)用新型電路部分控制激光器的開啟及運(yùn)轉(zhuǎn);光路部分用于產(chǎn)生并輸出高功率飛秒脈沖激光，實(shí)現(xiàn)激光器的功能。
[0016]所述電路部分包括電路板、聲光調(diào)制驅(qū)動器及數(shù)個半導(dǎo)體二極管。電路板控制激光器的開啟并實(shí)時監(jiān)測及控制激光器運(yùn)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(shí)現(xiàn)選脈沖功能;半導(dǎo)體二極管作為激光器光路部分所需的栗源，為激光器提供栗浦激光。
[0017]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、高功率栗浦控制豐吳塊。
[0018]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(dǎo)體二極管輸出栗浦激光，半導(dǎo)體二極管按功率可分為小功率栗源和高功率栗源，小功率栗源最高輸出功率小于1W，驅(qū)動方式為電壓驅(qū)動;高功率栗源最高輸出功率為9W或25W，驅(qū)動方式為電流驅(qū)動。栗源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)。
[0019]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(shí)現(xiàn)選頻功能。
[0020]本實(shí)用新型的光路部分用于產(chǎn)生高平均功率的皮秒脈沖激光，其組成有振蕩器、預(yù)放大器、聲光調(diào)制器、主放大器以及兩個耦合器。
[0021]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(shí)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(shí)現(xiàn)鎖模;利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)鎖模的振蕩器優(yōu)勢是輸出功率較高，可以達(dá)到100mW，脈沖的重復(fù)頻率可以提高到百兆赫茲以上。
[0022]所述的預(yù)放大器用于將振蕩器獲得的種子脈沖的功率進(jìn)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(yù)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(jìn)行放大，也可采用雙向栗浦的方式放大。預(yù)放大器的栗浦選擇通常是較小功率的半導(dǎo)體二極管，原因是振蕩器輸出種子光較弱的時候，如果選用較高功率的半導(dǎo)體二極管去栗浦的話，會產(chǎn)生較強(qiáng)的自發(fā)輻射，不利于放大的進(jìn)行。
[0023]所述的聲光調(diào)制器用于降低脈沖的重復(fù)頻率，即選擇部分脈沖進(jìn)入主放大器進(jìn)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(dāng)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(fù)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。
[0024]所述的主放大器將經(jīng)聲光調(diào)制器選出來的脈沖放大到百瓦量級。由于聲光調(diào)制器的選頻作用，經(jīng)過預(yù)防大后的種子脈沖只有部分透過聲光調(diào)制器進(jìn)入到主放大器之中，其平均功率也隨之下降，導(dǎo)致主放大器的種子脈沖較弱，使得對其的放大有一定難度，故主放大器采用級聯(lián)的多級放大器對聲光調(diào)制器輸出脈沖逐級放大，最終輸出近百瓦激光。
[0025]所述的耦合器用于將信號光按固定的比例一分為二，即振蕩器輸出信號光被耦合器一分為二，其中一束用于后續(xù)的放大過程，另一束信號反饋到電路板中對振蕩器的鎖模參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測；聲光調(diào)制器后面的親合器將選出來的信號光一分為二，一束作為后續(xù)放大過程中的種子光，另一束反饋到電路板中對聲光調(diào)制器及預(yù)放大器進(jìn)行監(jiān)測。
[0026]本實(shí)用新型通過對振蕩器輸出種子脈沖的放大、降頻、再放大的過程，有效地將激光器輸出功率提升至近百瓦量級，單個脈沖攜帶能量提升至百微焦量級，而且整個激光器全部使用偏振保持的光纖元器件以及保偏的有源及無源光纖，始終保證激光器中光脈沖的偏振態(tài)不變，極大地提高了激光器的穩(wěn)定性，且對惡劣環(huán)境有較強(qiáng)的耐受能力，以滿足工業(yè)的需求。
[0027]本實(shí)用新型的有益效果是:
[0028]1、激光器最大輸出功率近100W，，且連續(xù)可調(diào)，充分滿足不同種類的工業(yè)需求。
[0029]2、激光器內(nèi)部采用光電分離的結(jié)構(gòu)，將光路部分和電路部分有效分離，整個系統(tǒng)簡潔明了。
[°03°] 3、激光器振蕩器米用全光纖結(jié)構(gòu)的鎖模脈沖振蕩器，激光器上電振蕩器鎖模即實(shí)現(xiàn)，無需人為手動調(diào)諧，且全光纖的結(jié)構(gòu)確保振蕩器的長期工作穩(wěn)定性，滿足工業(yè)上對激光器實(shí)用、便捷