一种快速开关光及功率调节的MOPA激光器及控制方法与流程

一种快速开关光及功率调节的mopa激光器及控制方法
技术领域
1.本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种快速开关光及功率调节的mopa激光器及控制方法。


背景技术：

2.激光加工因其高效率、高精度、非接触加工等方式日益成为加工的首选方式，被广泛应用于各种精细加工过程中。而随着行业的不断发展，对激光器的要求也越来越高，包括更短波长、更高峰值功率，更大脉冲能量方向等。在这些加工过程中需要对激光器进行精密控制，其控制的精度、效率等对加工效果会有比较大的影响，因此对激光器的开关时间提出了更高的要求。
3.传统的激光器外部控制方式包括声光调制技术和机械开关技术，其中机械开关技术可以承受更高的功率且结构简单，但是其开关速度慢，开关过程光斑形状变化严重，无法满足激光加工的需求。声光调制技术(aom)对激光输出的调制，通过门控(gate)信号给出高低电平控制通过aom的激光，分为1级光(出光)或0级光(挡住、不出光)，从而实现激光器的快速开关，声光调制具有开关时间短(10-100ns)的优点，但其1级输出存在光转化效率低的问题，通常为80％左右，从而导致约20％的激光输出损失。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种快速开关光及功率调节的mopa激光器及控制方法，旨在实现激光器的快速开关光和功率调节。
5.本发明实施例提供了一种快速开关光及功率调节的mopa激光器，包括：控制单元、目标种子源、协同种子源、耦合模块、放大组件和输出机构；其中，所述控制单元用于分别控制所述目标种子源和协同种子源的激光输出，所述目标种子源、耦合模块、放大组件和输出机构沿激光输出方向依次连接，和/或所述协同种子源、耦合模块、放大组件和输出机构沿激光输出方向依次连接。
6.进一步的，所述目标种子源为目标脉冲种子源或目标连续种子源，且所述目标种子源为目标脉冲种子源时，脉宽范围为毫秒级～飞秒级，所述目标脉冲种子源为但不限于锁模激光器、调q激光器、光纤激光器、固体激光器或者二极管激光器中的任意一种。
7.进一步的，所述协同种子源为协同脉冲种子源或协同连续种子源，且所述协同种子源为协同脉冲种子源时，脉宽范围为毫秒级～飞秒级，所述协同脉冲种子源为但不限于锁模激光器、调q激光器、光纤激光器、固体激光器或者二极管激光器中的任意一种。
8.进一步的，所述协同种子源的峰值功率低于所述目标脉冲种子源的峰值功率；
9.和/或，所述协同种子源的波长不同于所述目标连续种子源的波长。
10.进一步的，所述放大组件为光纤放大组件、固体放大组件、行波放大组件或者再生放大组件中的任意一种或者多种组合，所述放大组件的输入端与所述耦合模块相连接，所述放大组件的输出端与所述输出机构相连接。
11.进一步的，所述目标种子源为目标脉冲种子源时，所述协同种子源为协同脉冲种子源或者协同连续种子源，所述输出机构为光学谐波输出系统。
12.进一步的，所述目标种子源为目标种子源时，所述协同种子源的波长与所述目标种子源波长不同，所述输出机构包含但不限于双色分光镜和其他色散分光元件，所述输出机构选择性的输出目标种子源放大后的激光信号，协同种子源放大后的激光信号被阻挡，达到输出选择的目的。
13.本发明实施例还提供了一种快速开关光及功率调节的mopa激光器控制方法，采用如上任一项所述的快速开关光及功率调节的mopa激光器实现，包括：
14.所述控制单元接收外部信号，并将所述外部信号分别传递至所述目标种子源和协同种子源，以使所述目标种子源和协同种子源根据所述外部信号进行激光输出控制。
15.进一步的，所述外部信号包括激光输出信号和激光关闭信号；
16.所述控制单元接收外部信号，并将所述外部信号分别传递至所述目标种子源和协同种子源，以使所述目标种子源和协同种子源根据所述外部信号进行激光输出控制，包括：
17.当所述控制单元接收到所述激光输出信号时，将所述激光输出信号分别传递至所述目标种子源和协同种子源，以选通所述目标种子源的输出激光，并关闭所述协同种子源的输出激光；
18.所述目标种子源的输出激光依次经过所述耦合模块和放大组件后进入输出机构，实现激光输出；
19.当所述控制单元接收到所述激光关闭信号时，将所述激光关闭信号分别传递至所述目标种子源和协同种子源，以关闭所述目标种子源的输出激光，并选通所述协同种子源的输出激光；
20.所述协同种子源的输出激光依次经过所述耦合模块和放大组件后进入输出机构，并由于无法产生谐波输出或波长不匹配而无法经输出机构输出，从而实现激光关闭。
21.进一步的，所述外部信号还包括功率调节信号；
22.所述控制单元接收外部信号，并将所述外部信号分别传递至所述目标种子源和协同种子源，以使所述目标种子源和协同种子源根据所述外部信号进行激光输出控制，包括：
23.当所述控制单元接收到功率调节信号时，获取所述功率调节信号对应的功率调节比例，并将所述功率调节比例分别传递至所述目标种子源和协同种子源，以使所述目标种子源和协同种子源分别根据所述功率调节比例输出相应功率的激光，并依次经过耦合模块、放大组件和输出机构，由于协同种子源的放大经过输出机构后无法输出，并且会影响对目标种子源的放大增益，从而实现目标种子源的放大功率变化，达到实现不同功率激光输出的目的。
24.本发明实施例提供了一种快速开关光及功率调节的mopa激光器及控制方法，该激光器包括：控制单元、目标种子源、协同种子源、耦合模块、放大组件和输出机构；其中，所述控制单元用于分别控制所述目标种子源和协同种子源的激光输出，所述目标种子源、耦合模块、放大组件和输出机构沿激光输出方向依次连接，和/或所述协同种子源、耦合模块、放大组件和输出机构沿激光输出方向依次连接。本发明实施例基于双种子源结构、输出结构及控制方法，实现激光的快速开关和功率调节，解决了机械开关响应慢的问题，同时解决利用声光开关光在高功率使用过程中器件损伤问题以及衍射导致的额外激光损耗问题，尤其
适用于高平均功率、高峰值功率、大脉冲能量激光输出和谐波输出。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明实施例提供的一种快速开关光及功率调节的mopa激光器的结构示意图；
27.图2为本发明实施例提供的一种快速开关光及功率调节的mopa激光器的第一示例示意图；
28.图3为本发明实施例提供的一种快速开关光及功率调节的mopa激光器的第二示例示意图；
29.图4为本发明实施例提供的一种快速开关光及功率调节的mopa激光器的开光控制波形示意图；
30.图5为本发明实施例提供的一种快速开关光及功率调节的mopa激光器的功率调节波形示意图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
32.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
33.还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
34.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
35.下面请参见图1，本发明实施例提供了一种快速开关光及功率调节的mopa激光器，包括：控制单元1、目标种子源2、协同种子源3、耦合模块4、放大组件5和输出机构6；其中，所述控制单元1用于分别控制所述目标种子源2和协同种子源3的激光输出，所述目标种子源2、耦合模块4、放大组件5和输出机构6沿激光输出方向依次连接，和/或所述协同种子源3、耦合模块4、放大组件5和输出机构6沿激光输出方向依次连接。
36.本实施例中，所述快速开关光及功率调节的mopa激光器具体为主振荡功率放大结构激光器(主振荡器的功率放大器，mopa)，其包括控制单元1、目标种子源2、协同种子源3、耦合模块4、放大组件5和输出机构6，在控制激光输出时，首先由所述控制单元1接收外部信号，并由所述控制单元1将该外部信号分别传递至所述目标种子源2和协同种子源3上，使所
述目标种子源2和协同种子源3分别根据该外部信号进行相应的激光控制动作或者激光输出调节，然后由所述耦合模块4和放大组件5对控制或者调节的激光进行耦合放大，并最终由所述输出机构6输出相应的激光。
37.本实施例基于双种子源结构、输出结构及控制方法，实现激光的快速开关和功率调节，解决了机械开关响应慢的问题，同时解决利用声光开关光在高功率使用过程中器件损伤问题以及衍射导致的额外激光损耗问题，尤其适用于高平均功率、高峰值功率、大脉冲能量激光输出和谐波输出。
38.在具体实施例中，所述目标种子源2和协同种子源3均设置有相应的控制模块，例如目标控制模块和协同控制模块，当所述控制单元1向所述目标种子源2和协同种子源3传递外部信号时，分别由所述目标控制模块和协同控制模块接收该外部信号，并进一步根据该外部信号对目标种子源2或者协同种子源3的输出激光进行控制或者调节。
39.所述目标种子源2为目标脉冲种子源或目标连续种子源，且所述目标种子源2为目标脉冲种子源时，脉宽范围为毫秒级～飞秒级，所述目标脉冲种子源为但不限于锁模激光器、调q激光器、光纤激光器、固体激光器或者二极管激光器中的任意一种。
40.以及，所述协同种子源3为协同脉冲种子源或协同连续种子源3，且所述协同种子源3为协同脉冲种子源时，脉宽范围为毫秒级～飞秒级，所述协同脉冲种子源为但不限于锁模激光器、调q激光器、光纤激光器、固体激光器或者二极管激光器中的任意一种。
41.在这里，所述目标种子源2可以是脉冲种子源，还可以是连续种子源，同样的，所述协同种子源3也可以是脉冲种子源，又或者是连续种子源。当所述目标种子源2和/或协同种子源3为脉冲种子源时，该脉冲种子源为但不限于锁模激光器、调q激光器、光纤激光器或者固体激光器等中的任意一种激光器。
42.进一步的，所述协同种子源3的峰值功率低于所述目标种子源2的的峰值功率；例如所述协同种子源3的峰值功率为所述目标种子源2的的峰值功率的千分之一又或者是万分之一等等；和/或，所述协同种子源3的波长不同于所述目标种子源2的波长。
43.当输出机构6为光学谐波输出系统61时，目标种子源2的峰值功率远高于协同种子源3，经过耦合模块4和放大组件5后，低峰值功率的激光无法产生谐波转换来实现目标种子源2的快速开关光的效果。当输出机构6为双色分光镜或其他色散分光元件时，目标种子源2和协同种子源3输出不同的波长，经过双色分光镜62时只有目标种子源2的激光可以输出，来实现目标种子源2的快速开关光的效果。
44.所述放大组件5为光纤放大组件、固体放大组件、行波放大组件或者再生放大组件中的任意一种或者多种组合，所述放大组件5的输入端与所述耦合模块4相连接，所述放大组件5的输出端与所述输出机构6相连接。
45.所述的光纤放大组件可以是一种光纤放大器，所述的固体放大组件可以是一种固体放大器，所述的行波放大组件可以是一种行波放大器，所述的再生放大组件可以是一种再生放大器。
46.当然，所述放大组件5还可以由上述光纤放大组件、固体放大组件、行波放大组件或者再生放大组件中的任意一种或者多种组合而成。
47.下面采用三个实施例分别说明快速开关光及功率调节的mopa激光器如何实现快速开关光和功率调节。
48.实施例一：
49.所述目标种子源2为目标脉冲种子源时，所述协同种子源3为协同脉冲种子源或者协同连续种子源，所述输出机构6为光学谐波输出系统61。
50.结合图2，所述的输出机构6为光学谐波输出系统61，目标种子源2与协同种子源3处于正常工作状态。当外部信号输入到控制单元1需要输出目标激光时，即外部信号为激光输出信号，控制单元1将该激光输出信号分别传递至目标种子源2和协同种子源3，并根据该激光输出信号选通目标种子源2输出，同时关闭协同种子源3输出。目标种子源2输出的目标激光依次经过耦合模块4和放大组件5放大后进入光学谐波输出系统61，实现激光输出；
51.当外部信号输入到控制单元1需要关闭目标激光时，即外部信号为激光关闭信号，控制单元1将该激光关闭信号分别传递至目标种子源2和协同种子源3，并根据该激光关闭信号选通协同种子源3输出，关闭目标种子源2输出。协同种子源3输出的协同激光依次经过耦合模块4和放大组件5放大后进入光学谐波输出系统61，此时由于协同激光的峰值功率远低于目标激光无法获得谐波转换，表现为无激光输出，实现激光关光。
52.结合图4，图4具体为目标种子源2的开关光控制的波形示意图，也就是说，由于协同种子源3的存在，避免出现没有种子信号输入放大组件5的问题，造成出现首脉冲过强损坏激光器的问题，同时还可以避免由于热透镜不同造成的输出模式变化问题。还需说明的是，本实施例所述的光学谐波输出系统61既可以是光学二次谐波系统，也可以是光学三次谐波系统等等，即所述光学谐波输出系统61实质上为一种非线性系统。
53.实施例二：
54.所述目标种子源2为目标连续种子源时，所述协同种子源3的波长与所述目标连续种子源波长不同，所述输出机构6包含但不限于双色分光镜62和其他色散分光元件，所述输出机构6选择性的输出目标种子源2放大后的激光信号，协同种子源3放大后的激光信号被阻挡，达到输出选择的目的。
55.结合图3所述的输出机构6为双色分光镜62，目标种子源2与协同种子源3均正常工作。当外部信号输入到控制单元1需要输出目标激光时，即外部信号为激光输出信号，控制单元1将该激光输出信号分别传递至目标种子源2和协同种子源3，并根据该激光输出信号选通目标种子源2输出，并同时关闭协同种子源3输出。目标种子源2输出的目标激光依次经过耦合模块4和放大组件5放大后进入双色镜输出系统，实现激光输出。
56.当外部信号输入到控制单元1需要关闭目标激光时，即外部信号为激光关闭信号，控制单元1将该激光关闭信号分别传递至目标种子源2和协同种子源3，并根据该激光关闭信号选通协同种子源3输出，并同时关闭目标种子源2输出。协同种子源3输出的协同激光依次经过耦合模块4和放大组件5放大后进入双色分光镜62，此时由于协同激光的波长不同于目标激光，无法经过双色分光镜62输出，表现为无激光输出，实现激光关光。
57.实施例三：
58.所述外部信号还可以是功率调节信号，以根据该功率调节信号实现对主振荡功率放大结构激光器的功率调节的效果。具体的，当所述控制单元1接收到功率调节信号时，获取所述功率调节信号对应的功率调节比例，并将所述功率调节比例分别传递至所述目标种子源2和协同种子源3，以使所述目标种子源2和协同种子源3分别根据所述功率调节比例输出相应功率的激光，结合图5，图5展示了主振荡功率放大结构激光器功率调节时的波形示
意图，其中目标种子源为脉冲种子源，协同种子源为连续种子源。
59.本发明实施例还提供了一种快速开关光及功率调节的mopa激光器控制方法，采用如上任一项所述的快速开关光及功率调节的mopa激光器实现，包括：
60.所述控制单元1接收外部信号，并将所述外部信号分别传递至所述目标种子源2和协同种子源3，以使所述目标种子源2和协同种子源3根据所述外部信号进行激光输出控制。
61.进一步的，所述外部信号包括激光输出信号和激光关闭信号；
62.所述控制单元1接收外部信号，并将所述外部信号分别传递至所述目标种子源2和协同种子源3，以使所述目标种子源2和协同种子源3根据所述外部信号进行激光输出控制，包括：
63.当所述控制单元1接收到所述激光输出信号时，将所述激光输出信号分别传递至所述目标种子源2和协同种子源3，以选通所述目标种子源2的输出激光，并关闭所述协同种子源3的输出激光；
64.所述目标种子源2的输出激光依次经过所述耦合模块4和放大组件5后进入输出机构6，实现激光输出；
65.当所述控制单元1接收到所述激光关闭信号时，将所述激光关闭信号分别传递至所述目标种子源2和协同种子源3，以关闭所述目标种子源2的输出激光，并选通所述协同种子源3的输出激光；
66.所述协同种子源3的输出激光依次经过所述耦合模块4和放大组件5后进入输出机构6，并由于无法产生谐波输出或波长不匹配而无法经输出机构6输出，从而实现激光关闭。
67.进一步的，所述外部信号还包括功率调节信号；
68.所述控制单元1接收外部信号，并将所述外部信号分别传递至所述目标种子源2和协同种子源3，以使所述目标种子源2和协同种子源3根据所述外部信号进行激光输出控制，包括：
69.当所述控制单元1接收到功率调节信号时，获取所述功率调节信号对应的功率调节比例，并将所述功率调节比例分别传递至所述目标种子源2和协同种子源3，以使所述目标种子源2和协同种子源3分别根据所述功率调节比例输出相应功率的激光，并依次经过耦合模块4、放大组件5和输出机构6，由于协同种子源3的放大经过输出机构6后无法输出，并且会影响对目标种子源2的放大增益，从而实现目标种子源2的放大功率变化，达到实现不同功率的激光输出。
70.由于方法部分的实施例与装置部分的实施例相互对应，因此方法部分的实施例请参见装置部分的实施例的描述，这里暂不赘述。
71.说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本技术权利要求的保护范围内。
72.还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作
之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。