一种用于调Q脉冲光纤激光器的波形控制器

一种用于调q脉冲光纤激光器的波形控制器
技术领域
1.本技术涉及高功率大能量脉冲激光放大技术领域，尤其涉及一种用于调q脉冲光纤激光器的波形控制器。


背景技术：

2.调q脉冲光纤激光器具有光束质量好，结构紧凑，效率高、稳定性高、灵活性好、易于散热等优点，在很多领域有着广泛应用，如在工业加工、医疗领域、军工领域、通信领域有着广泛的应用。
3.脉冲光纤激光器的发展趋势为更高峰值功率和更大能量。但是，实现高峰值功率会受到非线性效应的限制，当峰值功率达到非线性阈值时，系统能量会向其他波段进行转移，造成信噪比下降；另外，大能量的实现则会受到饱和效应的限制，当系统内能量大于饱和能量时，会出现脉冲压窄效应，造成脉冲畸变。
4.调q脉冲光纤激光放大器中的脉冲压窄，表现为脉冲前沿变陡后沿变缓，脉冲被压窄。该现象产生原因为脉冲前沿先到达增益光纤，消耗大量上能级反转粒子数，但是泵浦不足以在短时间内将损耗补足，因而脉冲后沿到达时，已经没有足够的反转粒子数对其进行放大。造成的结果是，脉冲前沿的强度过强，而后沿的能量较低，最终造成脉冲波形前沿过陡，使脉冲被压窄，不利于脉冲激光在进一步放大时对存储能量的提取，同时影响输出脉冲形貌。压窄的脉冲会造成峰值功率会大大增高，而非线性效应与光纤中的峰值功率密度有密切关系，在高峰值功率下极易达到非线性阈值而出现非线性效应，非线性效应的出现如受激拉曼散射srs会造成脉冲激光的能量向斯托克斯stokes波段转移，使输出信噪比降低。
5.因此，在脉冲光纤放大系统中，控制脉冲宽度对放大过程中的能量提取和峰值功率控制有重要意义。


技术实现要素：

6.本技术提供了一种用于调q脉冲光纤激光器的波形控制器，主要目的在于控制调q脉冲光纤激光放大器的脉冲波形。
7.根据本技术的一方面，提供了一种用于调q脉冲光纤激光器的波形控制器，包括：
8.输入光纤，用于导入第一脉冲激光；
9.分束单元，所述分束单元的输入端连接所述输入光纤，用于将所述第一脉冲激光按预设分束比例分束为至少三路光纤传输的第二脉冲激光；
10.延时单元，所述延时单元的输入端连接所述分光单元的输出端，用于对所述至少三路的第二脉冲激光进行时域波形调控，得到至少三路的第三脉冲激光；
11.合束单元，所述合束单元的输入端连接所述延时单元的输出端，用于将所述至少三路的第三脉冲激光合束为一路，得到第四脉冲激光；
12.输出光纤，所述输出光纤连接所述合束单元的输出端，用于导出所述第四脉冲激光。
13.可选地，在本技术的一个实施例中，所述分束单元，包括：
14.光纤准直单元，所述光纤准直单元的输入端连接所述输入光纤，用于将所述第一脉冲激光的传输方式从光纤传输转换为空间准直输出；
15.光纤分束单元，所述光纤分束单元的输入端连接所述光纤准直镜的输出端，用于将所述空间准直输出的第一脉冲激光按预设分束比例分束为至少三路空间准直输出的第二脉冲激光；
16.光纤耦合单元，所述光纤耦合单元的输入端连接所述光纤分束单元的输出端，用于将所述至少三路空间准直输出的第二脉冲激光转换为至少三路光纤传输的第二脉冲激光。
17.可选地，在本技术的一个实施例中，所述光纤分束单元包括至少三个平面反射镜，所述光纤分束单元用于将所述单路空间准直输出的第一脉冲激光按预设分束比例分束为至少三路空间准直输出的第二脉冲激光时，具体用于：
18.获取分束比例；
19.根据所述分束比例对所述至少三个平面反射镜进行镀膜；
20.通过镀膜后的至少三个平面反射镜将所述单路空间准直输出的第一脉冲激光分束为与所述分束比例对应的至少三路空间准直输出的第二脉冲激光。
21.可选地，在本技术的一个实施例中，所述光纤分束单元，包括：
22.棱镜或者光纤分束器件，用于将所述单路空间准直输出的第一脉冲激光分束为至少三路空间准直输出的第二脉冲激光。
23.可选地，在本技术的一个实施例中，所述光纤准直单元为非球面透镜；所述光纤耦合单元包括至少三个非球面透镜。
24.可选地，在本技术的一个实施例中，所述延时单元，包括至少三根长度可调的传输光纤，用于通过调节所述至少三根长度可调的传输光纤的长度，对所述至少三路的第二脉冲激光进行时域波形调控，以得到至少三路的第三脉冲激光。
25.可选地，在本技术的一个实施例中，所述延时单元，包括至少三根长度可调的传输光纤，用于通过调节所述至少三根长度可调的传输光纤的长度，对所述至少三路的第二脉冲激光进行时域波形调控，以得到至少三路的第三脉冲激光时，具体用于：
26.获取每一路的第二脉冲激光对应的延时时长；
27.根据所述延时时长确定每一路的第二脉冲激光对应的传输光纤的长度。
28.可选地，在本技术的一个实施例中，所述合束单元为经过绝热拉锥的光纤合束器。
29.可选地，在本技术的一个实施例中，所述输出光纤的尺寸大于所述输入光纤的尺寸。
30.可选地，在本技术的一个实施例中，所述波形控制器还包括波形调节密封控制器，所述分束单元和所述合束单元密封于所述波形调节密封控制器中。
31.综上，本技术实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：
32.1)本技术通过对目标脉冲激光的波形进行时域展宽，可以获得最佳的放大输入波形，可以有效降低输入的脉冲激光的峰值功率，从而有利于降低调q脉冲光纤激光器的非线性阈值，有利于进一步放大调q脉冲光纤激光器的脉冲激光功率和能量；
33.2)本技术通过分束单元、延时单元和合束单元，可以实现对输入的脉冲激光的时
域波形的整形，从而得到特定波形的脉冲激光，进而有效改善产生脉冲畸变的脉冲，利于系统的进一步放大。
34.3)本技术采用全光纤连接封装，稳定性高，可以在对脉冲激光功率放大后获得更高能量的脉冲激光，提高调q脉冲光纤激光器的性能。
35.本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
36.本技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
37.图1为本技术实施例所提供的一种用于调q脉冲光纤激光器的波形控制器的结构示意图；
38.图2为本技术实施例所提供的一种分束单元的结构示意图；
39.图3为本技术实施例所提供的一种波形调节密封控制器的结构示意图；
40.图4为本技术实施例所提供的七路波形控制器的结构示意图；
41.图5为本技术实施例所提供的第一种脉冲激光的波形示意图；
42.图6为本技术实施例所提供的第二种脉冲激光的波形示意图。
具体实施方式
43.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。相反，本技术的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
44.下面结合具体的实施例对本技术进行详细说明。
45.图1为本技术实施例所提供的一种用于调q脉冲光纤激光器的波形控制器的结构示意图。
46.如图1所示，本技术实施例提供的一种用于调q脉冲光纤激光器的波形控制器，包括：
47.输入光纤101，用于导入第一脉冲激光；
48.分束单元102，分束单元的输入端连接输入光纤，用于将第一脉冲激光按预设分束比例分束为至少三路光纤传输的第二脉冲激光；
49.延时单元103，延时单元的输入端连接分束单元的输出端，用于对至少三路的第二脉冲激光进行时域波形调控，得到至少三路的第三脉冲激光；
50.合束单元104，合束单元的输入端连接延时单元的输出端，用于将至少三路的第三脉冲激光合束为一路，得到第四脉冲激光；
51.输出光纤105，输出光纤连接合束单元的输出端，用于导出第四脉冲激光。
52.根据一些实施例，第一脉冲激光指的是调q脉冲光纤激光器的上一级放大级输入的脉冲激光，该第一脉冲激光并不特指某一固定激光。例如，当调q脉冲光纤激光器发生变
化时，该第一脉冲激光也可以发生变化。
53.根据一些实施例，第二脉冲激光指的是对第一脉冲激光按预设分束比例进行分束后得到的脉冲激光，该第二脉冲激光并不特指某一固定激光。例如，当第一脉冲激光发生变化时，该第二脉冲激光也可以发生变化。当分束比例发生变化时，该第二脉冲激光也可以发生变化。
54.例如，可以将光强为a的第一脉冲激光均分为7路光纤传输的光强为1/7a的第二脉冲激光；也可以将光强为b的第一脉冲激光分为7路光纤传输的第二脉冲激光，其中每一路光纤传输的第二脉冲激光的强度分别为12％b，15％b，15％b，15％b，15％b，15％b和13％b。
55.根据一些实施例，第三脉冲激光指的是对第二脉冲激光进行时域波形调控后得到的脉冲激光，该第三脉冲激光并不特指某一固定激光。例如，当第二脉冲激光发生变化时，该第三脉冲激光也可以发生变化。当时域波形调控的调控参数发生变化时，该第三脉冲激光也可以发生变化。
56.根据一些实施例，第四脉冲激光指的是将至少三路的第三脉冲激光合束为一路时得到的脉冲激光。该第四脉冲激光并不特指某一固定激光。例如，当第三脉冲激光发生变化时，该第四脉冲激光也可以发生变化。当第一脉冲激光发生变化时，该第四脉冲激光也可以发生变化。
57.根据一些实施例，输入光纤并不特指某一固定光纤，该输入光纤包括但不限于双包层无源光纤。
58.在一些实施例中，输出光纤可以将整形好的第四脉冲激光注入调q脉冲光纤激光器的下一级放大级中。
59.在本技术实施例中，图2为本技术实施例所提供的一种分束单元的结构示意图，如图2所示，分束单元102，包括：
60.光纤准直单元112，光纤准直单元112的输入端连接输入光纤101，用于将第一脉冲激光的传输方式从光纤传输转换为空间准直输出；
61.光纤分束单元122，光纤分束单元122的输入端连接光纤准直镜112的输出端，用于将空间准直输出的第一脉冲激光按预设分束比例分束为至少三路空间准直输出的第二脉冲激光；
62.光纤耦合单元132，光纤耦合单元132的输入端连接光纤分束单元122的输出端，用于将至少三路空间准直输出的第二脉冲激光转换为至少三路光纤传输的第二脉冲激光。
63.根据一些实施例，光纤准直单元和光纤耦合单元所采用的器件包括但不限于非球面器件。
64.根据一些实施例，光纤分束单元中采用的器件包括但不限于平面反射镜、棱镜或者光纤分束器件、45度分光镜等等。
65.在本技术实施例中，光纤分束单元122包括至少三个平面反射镜，光纤分束单元122用于将单路空间准直输出的第一脉冲激光按预设分束比例分束为至少三路空间准直输出的第二脉冲激光时，具体用于：
66.获取分束比例；
67.根据分束比例对至少三个平面反射镜进行镀膜；
68.通过镀膜后的至少三个平面反射镜将单路空间准直输出的第一脉冲激光分束为
与分束比例对应的至少三路空间准直输出的第二脉冲激光。
69.根据一些实施例，通过对平面反射镜镀预设反射率的和预设透射率的膜层，可以控制平面反射镜的反射功能和透射功能，进而控制分束比例。
70.在本技术实施例中，光纤准直单元112为非球面透镜；光纤耦合单元132包括至少三个非球面透镜。
71.根据一些实施例，在非球面透镜上镀增透膜可以减少脉冲激光的损耗。
72.在本技术实施例中，延时单元103，包括至少三根长度可调的传输光纤，用于通过调节至少三根长度可调的传输光纤的长度，对至少三路的第二脉冲激光进行时域波形调控，以得到至少三路的第三脉冲激光。
73.根据一些实施例，延时单元采用传输光纤可以实现脉冲激光的柔性传输。
74.根据一些实施例，通过调节至少三路的第三脉冲激光中每一路的第三脉冲激光的光纤传输长度，可以对每一路的第三脉冲激光进行物理延时，由于每一路的第三脉冲激光对应的光纤传输长度不同，可以实现至少三路的第三脉冲激光在空间上的叠加，从而对至少三路的第二脉冲激光进行时域波形调控。
75.在本技术实施例中，延时单元，包括至少三根长度可调的传输光纤，用于通过调节至少三根长度可调的传输光纤的长度，对至少三路的第二脉冲激光进行时域波形调控，以得到至少三路的第三脉冲激光时，具体用于：
76.获取每一路的第二脉冲激光对应的延时时长；
77.根据所述延时时长确定每一路的第二脉冲激光对应的传输光纤的长度。
78.在一些实施例中，根据每一路的第二脉冲激光对应的延时时长确定对应的传输光纤的长度，具体，根据下式确定对应的传输光纤的长度：
[0079][0080]
其中，l为传输光纤的长度，c为真空中传播的光速，n为所传输光纤的折射率，t为预设的延时时长。
[0081]
在一些实施例中，延时单元中不同传输光纤对应的光路间的脉冲延时宽度小于输入的第一脉冲激光的脉冲宽度，以保证仅改变第一脉冲激光的形状，不会改变第一脉冲激光的重频。
[0082]
在本技术实施例中，合束单元104为经过绝热拉锥的光纤合束器。
[0083]
在本技术实施例中，输出光纤105的尺寸大于输入光纤101的尺寸。
[0084]
在本技术实施例中，波形控制器还包括波形调节密封控制器106，分束单元102和合束单元104密封于波形调节密封控制器中，如图3所示。
[0085]
根据一些实施例，将分束单元和合束单元密封于波形调节密封控制器中，可以实现波形控制器的全密封，从而可以将波形控制器作为一个光纤器件使用，从而增强波形控制器的实用性。
[0086]
易于理解的是，本技术提供用于调q脉冲光纤激光器的波形控制器可以根据以下两种方案控制输入的脉冲激光的波形：
[0087]
第一种方案，对已经产生脉冲变形，即被压窄的脉冲进行展宽，实现对输入的脉冲激光的脉冲控制，使输入的脉冲激光的前沿不再陡峭，将激光峰值功率下降至非线性阈值
以下；
[0088]
第二种方案，将输入时域波形转换为高斯型，高斯型时域波形有着逐渐增大的上升沿和逐渐减小的下降沿，不会随着放大器增益在脉冲持续时间内改变脉冲形状，有利于对脉冲激光功率和能量进一步放大。
[0089]
以一个场景举例，调q脉冲光纤激光器的主振荡功率放大mopa结构包括：种子源、主放大级和至少一个预放大级，其中，种子源输出的种子激光经过至少一个预放大级进入主放大级，以进行最终功率放大。将本技术所提供的波形控制器应用于mopa结构中的至少一个预放大级之后、主放大级之前，可以实现对mopa结构输出的脉冲激光功率的进一步放大。
[0090]
根据一些实施例，搭建一个包括种子源、主放大级和一个预放大级的第一两级mopa结构，其中，种子源的光纤芯径为10/125μm，预放大级的光纤芯径为10/125μm，主放大级的光纤芯径为50/250μm。
[0091]
在一些实施例中，图4为本技术实施例所提供的七路波形控制器的结构示意图。如图4所示，预放大级输出的脉冲激光a1经过尺寸为10/125μm的输入光纤1进入波形调节密封控制器2中，在波形调节密封控制器2中，输入的脉冲激光a1通过光纤准直单元从单路光纤传输转换为单路空间准直输出。随后，单路空间准直输出的脉冲激光a1经过七个反射率分别为6/7、1/6、1/5、1/4、1/3、1/2、1的45
°
反射镜后分束为七路光强相等的脉冲激光a2，其中，脉冲激光a2的光强为脉冲激光a1的光强的1/7。接着，七路光强相等的脉冲激光a2分别进入七个耦合透镜，从而脉冲激光a2从空间准直输出转换为光纤传输。随后，七路光纤传输的脉冲激光a2进入延时单元3，延时单元3中传输光纤的折射率为1.45，光速为3
×
108m/s，令延时单元中第一路传输光纤长度为0，第二路传输光纤的长度至第七路传输光纤的长度按10.34m的长度递增，从而使得相邻两路的脉冲激光a2的延时为50ns。最后，合束单元4将7路延时后的脉冲激光a2合为一路脉冲激光a3在输出光纤5中传输，输出光纤5的尺寸为50/400μm，大于输入光纤1的尺寸，从而可以降低预放大级输出的脉冲激光的损耗。
[0092]
易于理解的是，图5为本技术实施例所提供的第一种脉冲激光的波形示意图。如图5所示，整形前170ns为预放大级输出的脉冲激光a1的时域波形，其中，该波形的前沿变陡，后沿变缓，脉冲出现压窄。分束1-7为7路延时后的脉冲激光a2的时域波形。整形后383ns为脉冲激光a3的时域波形，其中，该波形上升沿不再陡峭，脉冲宽度加大，从而实现对被压窄的脉冲进行展宽，实现对预放大级输出的脉冲激光的脉冲控制，使预放大级输出的脉冲激光的前沿不再陡峭，将激光峰值功率下降至非线性阈值以下。
[0093]
在一些实施例中，预放大级输出的脉冲激光b1经过尺寸为10/250μm的输入光纤进入波形调节密封控制器中，在波形调节密封控制器中，输入的脉冲激光b1通过光纤准直单元从单路光纤传输转换为单路空间准直输出。随后，单路空间准直输出的脉冲激光b1经过七个反射率分别为88％、17.04％、20.54％、25.86％、34.88％、53.57％、100％的45
°
反射镜后分束为七路光强不等的脉冲激光b2，其中，与45
°
反射镜对应的每一路的脉冲激光b2的光强分别为脉冲激光b1的光强的12％，15％，15％，15％，15％，15％和13％。接着，七路光强不等的脉冲激光b2分别进入七个耦合透镜，从而将脉冲激光b2从空间准直输出转换为光纤传输。随后，七路光纤传输的脉冲激光b2进入延时单元，延时单元中传输光纤的折射率为1.45，光速为3
×
108m/s，令延时单元中第一路传输光纤长度为0，第二路传输光纤的长度至
第七路传输光纤的长度按4.13m的长度递增，从而使得相邻两路的脉冲激光b2的延时为20ns。最后，合束单元将7路延时后的脉冲激光b2合为一路脉冲激光b3在输出光纤中传输，输出光纤的尺寸为50/400μm，大于输入光纤的尺寸，从而可以降低预放大级输出的脉冲激光的损耗。
[0094]
易于理解的是，图6为本技术实施例所提供的第二种脉冲激光的波形示意图。如图5所示，整形前170ns为预放大级输出的脉冲激光b1的时域波形，其中，该波形的前沿变陡，后沿变缓，脉冲出现压窄。分束1-7为7路延时后的脉冲激光b2的时域波形。整形后209ns为脉冲激光b3的时域波形，其中，该波形上升沿不再陡峭，时域脉冲波形整形为类高斯型，脉冲宽度加大，脉宽有所展宽，该波形利于mopa结构的进一步放大。
[0095]
综上，本技术实施例提出的波形控制器，通过输入光纤导入第一脉冲激光；分束单元将第一脉冲激光分束为至少三路光纤传输的的第二脉冲激光；延时单元对至少三路的第二脉冲激光进行时域波形调控，得到至少三路的第三脉冲激光；合束单元将至少三路的第三脉冲激光合束为一路，得到第四脉冲激光；输出光纤导出第四脉冲激光。本技术通过对目标脉冲激光的波形进行时域展宽，可以获得最佳的放大波形，可以有效降低输入的脉冲激光的峰值功率，从而有利于降低调q脉冲光纤激光器的非线性阈值，有利于进一步放大调q脉冲光纤激光器的脉冲激光功率和能量；通过分束单元、延时单元和合束单元，可以实现对输入的脉冲激光的时域波形的整形，从而得到特定波形的脉冲激光，进而有效减缓由增益饱和现象造成的前沿变陡现象，通过采用全光纤连接封装，稳定性高，可以在对脉冲激光功率放大后获得更高能量的脉冲激光，从而提高调q脉冲光纤激光器的功率。
[0096]
需要说明的是，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0097]
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的单元、片段或部分，并且本技术的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本技术的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0098]
应当理解，本技术的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0099]
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
[0100]
此外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。所述集成的单元如
果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
[0101]
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0102]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0103]
尽管上面已经示出和描述了本技术的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本技术的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。