一种脉冲宽范围连续可调的拉曼光纤激光器的制作方法

1.本实用新型涉及一种脉冲宽范围连续可调的拉曼光纤激光器，属于激光器技术领域。


背景技术：

2.激光器是能发射激光的装置。1954年制成了第一台微波量子放大器，获得了高度相干的微波束。1958年a.l.肖洛和c.h.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，1960年t.h.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。1961年a.贾文等人制成了氦氖激光器。1962年r.n.霍耳等人创制了砷化镓半导体激光器。以后，激光器的种类就越来越多。按工作介质分，激光器可分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器和染料激光器4大类。近来还发展了自由电子激光器，大功率激光器通常都是脉冲式输出。
3.目前脉冲拉曼光纤激光器结构可分为调q拉曼光纤激光器和mopa拉曼光纤激光器，mopa（master oscillator power-amplifier）主振荡功率放大器，由高光束质量的种子信号光和泵浦光耦合进增益光纤，从而使种子源高功率输出，其输出光与种子信号光的频率脉宽保持一致。
4.目前市场上单一的纳秒可调的mopa结构拉曼光纤激光器在加工材料上会受一定限制，有些材料对高能量、热量的需要用纳秒拉曼激光器，而有些热敏材料、需要高峰值功率的材料则需要皮秒拉曼激光器，常规的mopa拉曼光纤激光器不能很好的满足市场需求。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种脉冲宽范围连续可调的拉曼光纤激光器，其是触发信号衍生实现由皮秒到微秒脉冲脉宽可调的mopa结构拉曼光纤激光器，可根据不同加工材料设置相应的脉宽参数,使一台激光器可以满足大部分不同材质材料的加工需求。
6.本实用新型的技术方案是这样实现的：一种脉冲宽范围连续可调的拉曼光纤激光器，其特征在于：脉冲宽范围包括1）100 ps至5 ns超短快脉冲皮秒激光器驱动； 2）5ns至1μs的ttl信号高频大电流激光器驱动；3）采用恒流驱动的100ns至1μs任意波形激光器驱动；其中拉曼激光种子源输出纳秒脉冲时，三选一继电器起动触发信号提供一定占空比频率信号，给逻辑门电路和时间延迟器来识别频率信号上升沿，并产生与触发信号一致频率的纳秒脉冲，再输入到模拟开关高频大电流激光驱动器中，高频大电流激光驱动器有6个通道，由每个通道可在高达 500 ma 的直流电流工作，六通道并联实现3a的拉曼激光种子源激光器驱动能力，再经拉曼激光放大器放大；拉曼激光种子源产生与触发信号频率相同的纳秒脉冲光，拉曼激光种子源为高光束质量的1178nm半导体ld，或1-2μm范围内波长ld；
7.拉曼激光种子源输出皮纳秒脉冲时，三选一继电器起动触发信号提供一定周期的频率信号经超短快脉冲激光驱动器识别信号上升沿，产生与触发信号一致频率的皮秒脉冲在输出，超短快脉冲激光驱动器兼备拉曼激光种子源激光器驱动功能，通过spi总线与外部设备连接，将电流，脉宽等参数，写入该驱动器内，拉曼激光种子源产生与触发信号频率相
同的皮秒秒脉冲光；
8.拉曼激光种子源输出任意波形脉冲时，三选一继电器起动触发信号经高速数模转换器后加入了差分放大电路，必须采用高速运放与之匹配，调节电路放大倍数，输出不同幅值的任意波形，作为恒流电路的设定点，使得恒流电路快速调制激光器输出的峰值功率，实现了拉曼激光种子源激光器任意波形输出。
9.所述的高速数模转换器为cmos数模转换器(dac)的8位分辨率产品，引脚同样兼容10，12，14位分辨率产品，支持125 msps的更新速率，它提供差分电流输出，内置一个1.2 v片内基准电压源和基准电压控制放大器，通过fpga或者mcu对其并行写入数据，使其输出想要的任意电压值，输出的波形包括正弦波，三角波或其他波形。
10.所述的拉曼激光种子源的脉冲输出功率较低需要拉曼激光放大器11多级放大，每级放大之间均需加入隔离器来防止回光对激光器的损伤，并配合tec控温，使激光器在不同温度下更稳地输出，其中拉曼激光放大器包含隔离器，其对拉曼激光种子源放大过程中产生回光对拉曼激光种子源造成损伤，合束器采用（2 1）*1的结构，把拉曼激光种子源的光与泵浦光耦合进增益光纤，进行拉曼激光种子源的功率放大，拉曼增益光纤吸收泵浦光并对拉曼激光种子源产生的信号光进行放大，放大后的激光状态与拉曼激光种子源保持一致，滤波器经过增益光纤放大后激光内含有泵浦光，在输出端加入滤波器可以剥除泵浦光，保证输出激光的纯净，拉曼激光泵浦源，为增益光纤提供能量，起到对种子源的放大作用，激光输出根据不同的应用选择不同输出方式，包括准直输出、准直加隔离输出、光纤跳线输出。
11.本实用新型的积极效果是普通光纤激光器脉冲调解范围ns范围可调，而该激光器实现了在100ps-1us脉宽范围可调，提升拉曼光纤激光器的整体性能参数，更宽更精的脉宽调节机制，能根据不同加工材料设置相应的脉宽参数,使一台激光器可以满足大部分不同材质材料的加工需求，提供了三种激光器的工作模式，即(a)100 ps至5 ns超短快脉冲皮秒激光器驱动，(b)5ns至1μs的ttl信号高频大电流激光器驱动，(c)采用恒流驱动方式实现100ns至1μs任意波形激光器驱动；改变种子源的工作状态，最终实现脉冲宽度在ps到us范围内任意可调的，波形任意的种子源驱动方式。
附图说明
12.图1为本实用新型的结构示意图。
13.触发信号1、逻辑门电路2、时间延迟器3、高频大电流激光驱动器4、超短快脉冲激光驱动器5、高速数模转换器6、差分放大电路7、恒流驱动电路8、三选一继电器9、拉曼激光器种子源10、拉曼激光放大器11。
14.图2为拉曼激光器放大部分的光学结构。
15.隔离器11-1、合束器11-2、拉曼增益光纤11-3、滤波器11-4、拉曼泵浦源11-5、激光器输出11-6。
具体实施方式
16.下面结合附图对本实用新型做进一步的描述：如图1所示：一种脉冲宽范围连续可调的拉曼光纤激光器，其特征在于：脉冲宽范围包括1）100 ps至5 ns超短快脉冲皮秒激光
器驱动； 2）5ns至1μs的ttl信号高频大电流激光器驱动；3）采用恒流驱动的100ns至1μs任意波形激光器驱动；
17.当系统需要输出纳秒脉冲时，三选一继电器9会选择纳秒脉冲的结构输出，触发信号1提供固定占空比的周期信号（即固定的频率信号），信号作用于逻辑门电路2，逻辑门电路对进入的信号进行整合，使不同方式的触发信号经过逻辑门电路都可以转化为时间延时器3所需的触发信号，逻辑门电路2输出的触发信号1经过时间延时器3，时间延时器3对触发信号做了一定延迟，并对延迟信号取反输出，这样产生的延迟时间既为拉曼激光器种子源的脉宽，因延迟时间可以在5ns-1us可调，所以拉曼激光器种子源纳秒脉宽5ns-1us可调，此信号驱动拉曼激光器种子源输出能力略低，需要通过高频大电流激光驱动器4来驱动拉曼激光器种子源，此高频大电流激光驱动器4为六通道激光驱动器，可以在开关频率小于200 mhz的范围内，实现激光二极管的无尖峰开关，六个快速开关通过 ttl 类型触发信号输入独立控制，也可以选择 lvds 类型触发信号输入的三通道模式。每个通道可在高达 500 ma 的直流电流下工作，六通道并联可实现3a的种子源激光器驱动能力，实现在大电流控制下输出5ns-1μs范围内可调谐的脉冲激光，便于拉曼放大。
18.当系统需要输出皮秒脉宽时三选一继电器9会选择纳皮秒脉冲的结构输出，同理由提供触发信号1提供固定占空比的周期信号（即固定的频率信号），此信号作用于超短快脉冲激光驱动器5，产生固定频率的皮秒脉宽，驱动器可以控制脉冲宽度在100 ps至5ns范围内可调，且精度调节可选择为宽范围的粗调模式或者窄范围的精细模式，粗调模式允许以通常250 ps的步长配置脉冲宽度，每一个宽范围的调节步长允许以更加精细的小步长来调节，保证皮秒脉冲的输出。
19.当系统想要任意波形输出时，三选一继电器9会选择任意脉冲的结构输出，同理由触发信号1提供固定占空比的周期信号（即固定的频率信号），信号直接作用于6高速数模转换器上，高速数模转换器属于高性能，低功耗cmos数模转换器(dac)的8位分辨率产品，引脚同样兼容10，12，14位分辨率产品，支持125 msps的更新速率，它提供差分电流输出，内置一个1.2 v片内基准电压源和基准电压控制放大器。通过fpga或者mcu对其并行写入数据，使其输出想要的任意电压值。保证高刷新率的更改输出电压值，这可看作是一种连续信号的量化过程，从而便可得到任意波形的输出；也可选择引脚兼容的更高分辨率的dac，从而增加输出波形的平滑度。高速数模转换器通过外触发信号的控制，实现脉冲宽度在100ns-1μs任意形状连续可调，所述的波形的输出为正弦波，三角波或其他波形，差分放大电路7dac为差分输出，所以后级加入了差分放大电路，必须采用高速运放与之匹配，调节电路放大倍数，输出不同幅值的任意波形，恒流驱动电路8的设定点，使得恒流电路快速调制激光器输出的峰值功率，实现了种子源激光器任意波形输出，配合差分电路使高速数模转换器可以驱动激光器种子源产生高峰值的任意波脉冲输出，便于激光器的功率在放大。
20.拉曼激光器种子源10选择高光束质量的1178nm的ld，或选取1-2μm范围内波长ld。
21.因种子信号光功率较低为满足激光器可以用于材料加工，需要对拉曼激光器种子源进行拉曼激光放大，针对需要高功率的性能需要逐级放大来满足需求，即mopa拉曼光纤脉冲激光器，拉曼激光放大器11的结构如图2所示，拉曼激光器种子源10通过隔离器11-1，保证在对种子源放大过程中产生回光对种子源造成损伤，在通过合束器11-2，一般情况下合束器采用（2 1）*1的结构，把种子源的信号光与拉曼泵浦光11-3耦合进增益光纤，进行种
子源的功率放大，拉曼增益光纤11-4吸收拉曼泵浦光对种子源产生的信号光进行放大，放大后的激光状态与种子源保持一致，经过增益光纤放大后激光内含有泵浦光，因此在输出端加入滤波器11-5可以剥除多余的拉曼泵浦光，保证输出激光的纯净，激光输出11-6可以根据不同的应用条件选择不同输出方式，可以采用准直输出、准直隔离输出、光纤跳线输出。
22.可根据不同材料选择不同的脉宽模式，当塑料、玻璃、电路板等材料微加工时，对激光有高峰值低热量的要求，皮秒脉冲模式能提供较深的刻蚀效果和较低的热影响区域，首先皮秒激光模式；而不锈钢、铝合金等材料打标或除锈时，往往对激光有高热量高平均功率要求，纳秒脉宽的模式能提供高平均功率的同时保障较高峰值功率的输出，首先纳秒激光模式；而激光种子源脉冲是方波的时候，对激光器种子源放大时会优先对脉冲前沿放大，从而产生一个带尖峰脉冲，此尖峰脉冲不利于高平均功率的产生，容易产生非线性效应，因此举可改变脉冲的形状，使前沿变缓，在经过恒流驱动电路驱动种子源产生任意波形的激光脉冲输出，这样在通过光纤放大在一定程度上抑制了非线性的产生，提高激光的输出功率来满足宽脉宽，高功率的加工需求。