一种产生激光脉冲串的装置及方法与流程

1.本发明涉及一种产生脉冲串的装置及方法，具体涉及一种产生激光脉冲串的装置及方法。


背景技术：

2.激光脉冲串在激光加工、激光测量等激光应用技术领域具有重要应用价值，尤其是由有限次相同子激光脉冲组成的超高频激光脉冲串在激光瞬态照明、瞬态信号测量等领域具有重要意义。比如，阴影法测量发光环境界面的演化时，连续激光由于功率密度太低难以清晰照出界面，需使用脉冲激光来照射，而为实现较好的时间分辨，超高频的激光脉冲串是很好的选择；在基于光谱技术测量爆炸、燃烧等剧烈变化的环境中某组分的时间变化历程时，为实现较好的时间分辨，需使用超高频的激光脉冲串快速依次照明激励。
3.为产生由有限次相同子激光脉冲组成的超高频激光脉冲串，研究人员尝试了多种方法，但大多尚有一定的缺陷。比如，高重频激光器是产生激光脉冲串的最有效方法，但受限于多种技术难题，现有高重频激光器的重复频率最多在几百khz量级，无法满足纳秒量级信号测量时的照明要求；通过光斩波器将连续光进行斩波是产生相同激光脉冲串的一种方法，但受限于光斩波器的频率，对连续光进行斩波的方法所产生的激光脉冲串频率无法达到几百mhz，甚至连几十mhz也很难达到；同时，连续激光的功率密度有限，限制了其使用场景；在有限次脉冲的使用环境中，为达到超高频率激光脉冲串的输出，有研究人员串连多台单脉冲激光器，通过时序控制使多台激光器依次输出激光脉冲，实现超高频率激光脉冲串的产生，但由于各激光器工作状态的差异，各激光脉冲在能量、脉宽等多方面均有一定的差异，并且该方法成本很高。因此，开发一种简单、高效地产生由有限次相同子激光脉冲组成的超高频激光脉冲串的方法及装置对超高频瞬态照明、瞬态信号测量等具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术难以产生由有限次相同子激光脉冲组成的超高频激光脉冲串，进而难以简单、高效地实现超高频瞬态照明和瞬态信号测量的技术问题，而提供一种产生激光脉冲串的装置及方法，产生由超高频、有限次、相同子激光脉冲组成的激光脉冲串。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
6.一种产生激光脉冲串的装置，其特殊之处在于：包括脉冲激光器、沿脉冲激光器的出射光路依次设置的光纤耦合器、光纤机构以及光纤准直器；
7.光纤耦合器将脉冲激光器出射的单束激光脉冲耦合进光纤机构；
8.光纤机构包括沿光路传输方向依次连接的入射段光纤、光纤分束单元、多根传输段光纤、光纤合束单元以及出射段光纤；多根传输段光纤的长度依次递增；
9.光纤分束单元用于将入射段光纤传输的单束激光脉冲空间上分为多束子激光脉冲；
10.光纤合束单元用于将多根传输段光纤传输的多束子激光脉冲完成空间合束，使多束子激光脉冲按时序依次传输至出射段光纤；
11.光纤准直器用于将出射段光纤射出的激光脉冲串整形为平行的激光脉冲串。
12.进一步地，所述多根传输段光纤依次之间的长度差为0.02m-200m，传输段光纤的长度≥0.1m。通过调节每根传输段光纤的长度，可以获取不同时间间隔的激光脉冲串。
13.进一步地，所述入射段光纤和出射段光纤的芯径均大于传输段光纤的芯径。
14.进一步地，所述入射段光纤、传输段光纤和出射段光纤均为多模光纤；
15.光纤耦合器为石英光纤耦合器；
16.光纤准直器为石英光纤准直器；
17.脉冲激光器为产生纳秒级脉宽的脉冲激光器；
18.激光脉冲为单束激光脉冲。
19.进一步地，所述入射段光纤和出射段光纤的芯径取值范围均为60μm-1000μm；
20.传输段光纤的芯径取值范围为50μm-600μm；
21.脉冲激光器出射的单束激光脉冲宽度为8ns。
22.进一步地，所述入射段光纤和出射段光纤的芯径均为1000μm；
23.传输段光纤的芯径为600μm，传输段光纤的光纤数量为七根，七根传输段光纤依次之间的长度差为3m；
24.相邻的传输段光纤传输的子激光脉冲时间间隔为15ns。
25.进一步地，所述光纤分束单元采用熔融拉锥分束，能量分布均匀性大于95％；光纤合束单元采用熔融拉锥合束。
26.同时，本发明还提供了一种产生激光脉冲串的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
27.s1、脉冲激光器发出单束激光脉冲；
28.s2、通过光纤耦合器，将单束激光脉冲耦合进光纤机构的入射段光纤；
29.s3、单束激光脉冲经入射段光纤传输至光纤分束单元，光纤分束单元将单束激光脉冲分为多束子激光脉冲，实现激光脉冲空间维度上的分开；
30.s4、多束子激光脉冲经过不同长度的传输段光纤，依次到达光纤合束单元，实现激光脉冲由空间维度分开向时间维度分开的演化；
31.s5、多束子激光脉冲依次经光纤合束单元后，完成空间合束，并按时序依次传送至出射段光纤；
32.s6、经出射段光纤依次射出的多个子激光脉冲形成激光脉冲串，且入射至光纤准直器，经过光纤准直器准直为平行的激光脉冲串，获得所需激光脉冲串。
33.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
34.1、一种产生激光脉冲串的装置及方法，基于同一激光脉冲的空间分光以及空间维度分开向时间维度分开的演化，实现了激光脉冲串的产生；首先通过光纤分束单元的空间分束，使单束激光脉冲分束为多束子激光脉冲，设定分束后、合束前的每根传输段光纤的不同长度，实现空间维度向时间维度的演化，最后统一经出射段光纤按时序依次输出，实现超高频激光脉冲串的产生。
35.2、一种产生激光脉冲串的装置及方法，通过光纤分束单元分束后各子激光脉冲实
现空间维度分开向时间维度分开的演化，从而产生激光脉冲串，通过合理控制光纤熔融拉锥分束和熔融拉锥合束的工艺方法，可有效保证各子激光脉冲能量、脉宽等性质的一致性，实现多个相同子激光脉冲的产生。
36.3、一种产生激光脉冲串的装置及方法，利用中间多根传输段光纤的长度差异，使各子激光脉冲在时间维度上分开，通过调节每根传输段光纤的长度，可以获取不同时间间隔的激光脉冲串。
37.4、一种产生激光脉冲串的装置及方法，调节多根传输段光纤的长度，使各子激光脉冲不完全分开，即前一个子激光脉冲的后沿与后一个子激光脉冲的前沿交叠，可以实现单束激光脉冲在时间维度上的拉长，也是一种产生单个长脉宽激光脉冲的有效办法。
附图说明
38.图1为本发明一种产生激光脉冲串的装置的原理示意图；
39.图2(a)为本发明一种产生激光脉冲串的装置中单束激光脉冲的示意图；
40.图2(b)为图2(a)中单束激光脉冲产生的激光脉冲串示意图；
41.图3为本发明一种产生激光脉冲串的装置产生2个子激光脉冲的光纤结构示意图；
42.图4为本发明一种产生激光脉冲串的装置产生3个子激光脉冲的光纤结构示意图；
43.图5为本发明一种产生激光脉冲串的装置产生4个子激光脉冲的光纤结构示意图；
44.图6为本发明一种产生激光脉冲串的装置产生5个子激光脉冲的光纤结构示意图；
45.图7为本发明一种产生激光脉冲串的装置产生6个子激光脉冲的光纤结构示意图；
46.图8为本发明一种产生激光脉冲串的装置产生7个子激光脉冲的光纤结构示意图。
47.图中附图标记为：
48.1-脉冲激光器，2-光纤耦合器，3-光纤机构，4-光纤准直器，31-入射段光纤，32-光纤分束单元，33-传输段光纤，34-光纤合束单元，35-出射段光纤。
具体实施方式
49.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明技的术方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
50.如图1所示，一种产生激光脉冲串的装置，包括脉冲激光器1、沿脉冲激光器1的出射光路依次设置的光纤耦合器2、光纤机构3以及光纤准直器4；其中，光纤机构3包括沿光路传输方向依次连接的入射段光纤31、光纤分束单元32、多根传输段光纤33、光纤合束单元34以及出射段光纤35；
51.光纤耦合器2位于脉冲激光器1的出射光路上，光纤耦合器2将脉冲激光器1的出射光耦合进光纤机构3；光纤分束单元32用于将入射段光纤31传输的单束激光脉冲分为多束子激光脉冲；光纤合束单元34用于将多根传输段光纤33传输的多束子激光脉冲完成空间合束，使多束子激光脉冲按时序依次传输至出射段光纤35；光纤准直器4位于出射段光纤35的出射光路上，用于将从出射段光纤35射出的激光脉冲串整形为平行的激光脉冲串。
52.如图2(a)、图2(b)所示，脉冲激光器1发出单束激光脉冲，通过光纤耦合器2耦进光
纤机构3的入射段光纤31，经入射段光纤31传输一段距离后，由光纤分束单元32将其从空间维度上分为多束子激光脉冲，每束子激光脉冲经传输段光纤33传输不同的距离后，实现从空间维度分开向时间维度分开的演化，再依次经过出射段光纤35，完成空间维度上的合束，之后依次从出射段光纤35的同一出口输出，产生超高频激光脉冲串，最后经光纤准直器4将其整形为平行的激光脉冲串。
53.本发明光纤机构3采用的光纤需要分别进行熔融拉锥分束和熔融拉锥合束，形成光纤分束单元32和光纤合束单元34，以实现单束入射激光脉冲的空间分束和多束子激光脉冲的空间合束，从而实现由单束激光脉冲到多束子激光脉冲的转变；在分束后、合束前的中间传输段光纤33，各传输段光纤33的长度不同，使每根传输段光纤33内的子激光脉冲到达合束点时所传输的距离不同，即到达的时间有先后差异；通过优化熔融拉锥分束工艺，控制分束时每路子激光脉冲的能量差异，可获得基本相同的多路子激光脉冲，通过调节各传输段光纤33的长度差异，可获得子激光脉冲间隔时间不同的超高频激光脉冲串。
54.光纤耦合器2使用石英透镜制成；光纤准直器4，实现经光纤传输并生成的激光脉冲串的准直，使激光脉冲串变为平行光，优选的使用石英透镜制成的光纤准直器4；脉冲激光器1为产生纳秒级脉宽激光的脉冲激光器1；脉冲激光器1出射的激光脉冲为单激光脉冲；入射段光纤31、多根传输段光纤33和出射段光纤35均为多模光纤；入射段光纤31和出射段光纤35的芯径均大于每根传输段光纤33的芯径；入射段光纤31和出射段光纤35的芯径为60μm-1000μm；每根传输段光纤33的芯径为50μm-600μm；多根传输段光纤33之间的长度差为0.02m-200m，每根传输段光纤33的长度≥0.1m。
55.本实施例中，脉冲激光器1发出激光脉冲，脉冲宽度可以是纳秒级的，也可以是皮秒级的，优选的使用产生纳秒级脉宽激光的脉冲激光器1；脉冲激光器1发出激光脉冲，可以是单束激光脉冲，也可以是具有一定重复频率的激光脉冲，优选的使用可以单束激光脉冲输出的脉冲激光器1，脉冲激光器1输出的单束激光脉冲宽度为8ns。光纤耦合器2将脉冲激光器1产生的激光脉冲耦合进光纤机构，耦合效率越高激光的利用率会越高，优选的使用石英透镜制成的光纤耦合器2。光纤耦合器2搭配优选的光纤，其耦合效率不低于80％；光纤准直器4可实现光束发散角的压缩(从光纤输出后变成发散光，发散角很大，使用光纤准直器4变成平行光，即使发散角变小，使光纤机构输出的发散光变为平行的激光脉冲。
56.光纤机构3采用的光纤由入射段(入射段光纤31)、传输段(传输段光纤33)、出射段(出射段光纤35)三部分组成，三段均为多模光纤。光纤中入射段(入射段光纤31)至传输段(传输段光纤33)通过熔融拉锥工艺实现，传输段(传输段光纤33)至出射段(出射段光纤35)通过熔融拉锥工艺实现。入射段(入射段光纤31)、传输段(传输段光纤33)、出射段(出射段光纤35)三部分的光纤芯径可以相同也可以不同，优选的入射段、出射段使用大芯径光纤、传输段使用小芯径光纤，为避免光纤损伤同时保证激光利用率，入射段的光纤芯径为1000μm；出射段的光纤芯径为1000μm；中间传输段的光纤芯径为600μm。
57.光纤的传输段即(传输段光纤33)，传输光纤的数量可为2-37根，根据使用需要调节；光纤的传输段即分束段，传输光纤的长度各不相同，根据使用需要调节；最短传输光纤的长度不宜过长。如图3-图8所示，中间的传输光纤的光纤数量为2、3、4、5、6、7根，第一根传输段光纤33的长度为0.5m，每根传输段光纤33的长度依次递增3m(第二根比第一根长3m，第三根比第二根长3m
……
)，分别为0.5m、3.5m、6.5m、9.5m、12.5m、15.5m、18.5m，可实现7个相
同子激光脉冲的产生，相邻的传输段光纤33传输的子激光脉冲之间时间间隔15ns。
58.如图8所示，光纤中入射段(入射段光纤31)至传输段(传输段光纤33)、传输段(传输段光纤33)至出射段(出射段光纤35)均通过熔融拉锥工艺，分别实现激光脉冲的1分7及7合1，即中间传输段光纤33有7根长度不同的光纤，可产生7个子激光脉冲；光纤在通过熔融拉锥分束时，每束的能量分布均匀性控制在95％以上；
59.对于脉冲激光器1发出的单束激光脉冲，通过光纤耦合器2将其耦合进光纤机构的入射段，传输一段距离后，入射段光纤熔融拉锥分束为多根光纤，入射激光脉冲相应的从空间维度上分成多路，分束后的每根光纤长度不同，即每路子激光脉冲传输的距离不同，之后各传输光纤通过熔融拉锥合束为一束，相应的，各子激光脉冲会时序依次经过合束后的光纤，从光纤的同一出口输出，实现空间维度分开向时间维度分开的演化，从而使单束激光脉冲在时间维度上分开，产生超高频输出的激光脉冲串，最后通过光纤准直器4，将发散的激光脉冲串整形为平行传输的激光脉冲串。
60.本发明所用的光纤需要分别进行熔融拉锥分束和熔融拉锥合束，以实现入射激光脉冲的空间分束和各子激光脉冲的空间合束，在分束后、合束前的中间传输段，各传输光纤的长度不同，每根传输光纤内的子激光脉冲到达合束点时所传输的距离不同，即到达的时间有先后差异，从而实现由单一激光脉冲到多束激光脉冲的转变，通过优化熔融拉锥分束工艺，控制分束时每路子激光脉冲的能量差异，可获得基本相同的多路子激光脉冲，通过调节各传输光纤的长度差异，可获得子激光脉冲间隔时间不同的超高频激光脉冲串。
61.本发明还提供了一种产生激光脉冲串的方法，包括以下步骤：
62.s1、脉冲激光器1发出单束激光脉冲；
63.s2、通过光纤耦合器2，将单束激光脉冲耦合进光纤机构的入射段光纤31；
64.s3、单束激光脉冲经入射段光纤31传输至光纤分束单元32，光纤分束单元32将单束激光脉冲分为多束子激光脉冲，实现激光脉冲空间维度上的分开；
65.s4、每束子激光脉冲经过不同长度的传输段光纤33，依次到达光纤合束单元34；
66.s5、每束子激光脉冲依次经光纤合束单元34，完成空间合束后，并按一定时序依次传送至出射段光纤35，实现激光脉冲由空间维度分开向时间维度分开的演化；
67.s6、经出射段光纤35依次射出的多束子激光脉冲形成激光脉冲串，且入射至光纤准直器4，经过光纤准直器4准直成为平行的激光脉冲串，实现目标激光脉冲串的产生。
68.本发明基于同一激光脉冲的空间分光以及由传输光程差异造成的空间维度向时间维度的演化，实现了由有限次相同子激光脉冲组成的超高频激光脉冲串的产生，具有简单、高效、成本低、兼容性强等优势。