一种消除调Q脉冲光纤激光器输出脉冲不平滑的控制方法与流程

本发明属于脉冲光纤激光器技术领域，具体涉及一种消除调Q脉冲光纤激光器输出脉冲不平滑的控制方法。

背景技术：

脉冲光纤激光器能够产生功率极高的窄脉冲，并且具有质量好、成本低、体积小、散热性能好等优点，因此在激光加工、通信、医学、军事等实际生活领域中有着广泛的应用。目前，脉冲光纤激光器输出高功率、高品质的窄脉冲方式主要有调Q技术、锁模技术以及主振荡功率放大(MOPA)技术。其中主动调Q脉冲光纤激光器在具有脉冲光纤激光器的一系列优点的同时，还具有输出脉冲重频、脉宽稳定且容易调节的性能，因此在脉冲光纤激光器中占有非常重要的位置。

但是，调Q脉冲光纤激光器会产生不平滑的脉冲，降低了输出脉冲的质量，难以得到理想的平滑高斯脉冲波形，从而影响激光加工效果，更具有安全隐患；如果将调Q脉冲光纤激光器产生的脉冲作为种子源进行放大，不平滑的脉冲依旧会影响放大系统，造成放大器的损伤。因此，如何控制并消除主动调Q脉冲光纤激光器输出脉冲的不平滑，也将成为脉冲光纤激光器研究的重点之一。

技术实现要素：

针对现有调Q脉冲光纤激光器输出脉冲不平滑问题，本发明提出一种消除调Q脉冲光纤激光器输出脉冲不平滑的控制方法。其目的在于通过控制影响输出脉冲平滑度的因素，从而消除输出脉冲的不平滑问题，提高脉冲光纤激光器输出脉冲的质量。

为了实现上述目的，本发明提供的控制方法可以包括：增益光纤4(双包层光纤)最优长度的选取操作；泵浦源输出最佳功率的控制操作；Q开关参数的调节操作。

双包层光纤最优长度的选取操作可以包括：当泵浦功率以及Q开关参数固定时，双包层光纤最优长度的选取操作；当泵浦功率以及Q开关参数可变时，双包层光纤最优长度的选取操作。

泵浦源输出最佳功率的控制操作可以包括：当Q开关参数以及光纤长度固定时，泵浦功率的控制操作；当Q开关参数以及光纤长度可变时，泵浦功率的控制操作。

Q开关的参数的调节操作可以包括：当Q开关的重复频率固定，Q开关的开启时间、上升时间以及下降时间的调节操作；当Q开关的开启时间固定，Q开关的重复频率、上升时间以及下降时间的调节操作；当Q开关的上升时间固定，Q开关的重复频率开启时间以及下降时间的调节操作；当Q开关的下降时间固定，Q开关的重复频率、开启时间以及下降时间的调节操作。

依据本发明的介绍，上述的Q开关可以包括：Q开关调制器以及能够改变Q开关调制器重复频率、开启时间、上升时间和下降时间的信号发生器(PSG)。Q开关调制器常见的包括声光Q调制器或电光Q调制器,信号发生器还可以配置改变信号波形以及幅度的命令功能。

如图1结构所示，调Q脉冲光纤激光器由多模泵浦源8、泵浦源保护器7、光纤合束器6、低反光栅5、增益光纤4、声光调制器(AOM)2、脉冲信号发生器(PSG)3、高反光栅1组成；测试装置由1:99的分束器9、光电探测器10、示波器11、功率计12组成。多模泵浦源8具有输出端口，泵浦源保护器7具有输入端口、输出端口；光纤耦合器6具有泵浦端口、输入端口、输出端口；泵浦源保护器7的通过波长范围包含多模泵浦源8的中心波长，阻止波长包含低反光栅5、高反光栅1的中心波长；增益光纤4的发射谱包含低反光栅5、高反光栅1的中心波长；低反光栅5、高反光栅1为一对高低反光栅；声光调制器(AOM)2具有两端尾纤和电输入端口；脉冲信号发生器(PSG)3具有电输出端口；功率计12具有光信号输入端口；示波器11具有电信号输入端口；光电探测器10具有光信号输入端口和电信号输出端口；1:99的分束器9具有功率输入、1％功率输出和99％功率输出端口。所述分束器9输入端口通过光纤合束器6的输出端口与光纤合束器6相连；分束器9的1％功率输出端口和光电探测器10的光信号输出入端口相连；光电探测器10的电信号输出端口和示波器11的电信号输出端口相连；分束器9的99％功率输出端口和功率计12光信号输入端口相连；激光器多模泵浦源8输出端口与泵浦源保护器7输入端口相连；泵浦源保护器7输出端口通过光纤合束器6的泵浦端口与光纤合束器6相连；光纤合束器6的输出端口依次与低反光栅5、增益光纤4、声光调制器2、高反光栅1相连；脉冲信号脉冲发生器(PSG)3的电输出端口与声光调制器(AOM)2的电输入端口相连。实验中器件连接部分，除了信号脉冲发生器(PSG)与声光调制器(AOM)2以及光电探测器10和示波器11的连接部分用电传输线相连外，其余器件连接部分均采用光纤熔接方式。

工作过程：

多模泵浦源8输出的泵浦光依次经过泵浦源保护器7、光纤合束器6、低反光栅5传输至增益光纤4，实现增益光纤4的粒子数反转。增益光纤4另一端依次连接声光调制器(AOM)2和高反光栅1，高反光栅1和低反光栅5形成激光器的两个谐振腔面，进行输出激光的选波作用，声光调制器(AOM)2是具有调节Q状态功能的Q开关器件，高反光栅1、低反光栅5、具有粒子数反转的增益光纤4、声光调制器(AOM)2共同构成调Q光纤激光器谐振腔，形成调Q脉冲的输出。脉冲信号发生器(PSG)3通过改变产生的脉冲信号的重复频率、占空比、上升时间、下降时间，相应地改变与之相连的声光调制器(AOM)2这个Q开关的重复频率、开启时间、上升沿、下降沿，从而改变输出的调Q脉冲特性，达到消除调Q脉冲光纤激光器中输出脉冲不平滑的目的。

脉冲信号发生器(PSG)3对声光调制器(AOM)2的具体影响为：

脉冲信号发生器(PSG)3通过其产生的信号控制与之相连的声光调制器(AOM)2进行Q状态调节，脉冲信号发生器(PSG)3输出信号处于高电平，对应于声光调制器(AOM)2这个Q开关处于开启状态；脉冲信号发生器(PSG)3输出信号处于低电平，对应于声光调制器(AOM)2这个Q开关处于关闭状态；脉冲信号发生器(PSG)3输出信号处于由低电平至高电平的上升状态，对应于声光调制器(AOM)2这个Q开关处于上升状态；脉冲信号发生器(PSG)3输出信号处于由高电平至低电平的下降状态，对应于声光调制器(AOM)2这个Q开关处于下降状态。据上所述的脉冲信号发生器(PSG)3产生的信号与声光调制器(AOM)2这个Q开关的Q状态的关系可知，脉冲信号发生器(PSG)2通过调节产生的脉冲信号的重复频率、占空比、上升时间、下降时间，声光调制器(AOM)2这个Q开关的重复频率、开启时间(开启时间＝脉冲信号周期×占空比＝1/重复频率×占空比)、上升时间、下降时间也响应地发生改变，从而改变输出的调Q脉冲特性，消除调Q光纤激光器中输出脉冲不平滑问题。

根据本发明提供的控制方法，通过控制影响输出脉冲平滑度的因素，消除脉冲的不平滑，包括以下步骤：

步骤S101，所述脉冲光纤激光器使用的增益光纤4的长度根据所需要获得脉冲的宽度(下述实例中，所需脉冲宽度为10ns～100ns，所需重复频率为10Khz～100Khz)进行计算(计算公式见实施例)，然后设定最优光纤长度；

步骤S102，通过调节信号发生器3，固定Q开关声光调制器(AOM)2的重复频率为所需范围最大(实施例所需重复频率为10Khz～100Khz，因此固定为100Khz)、开启时间为脉冲信号周期(信号周期＝1/重复频率)的10％、上升时间和下降时间为开启时间的10％，将所述脉冲光纤激光器的多模泵浦源8功率从零开始增大，观察示波器，当有脉冲波形生成以后，需同时观察功率计12和示波器11会发现，输出功率会随着泵浦功率的增加而增加，输出脉冲波形两侧的次峰个数也会减少，输出脉冲波形的不平滑度降低，继续增加泵浦功率直到输出功率最高，此时输出脉冲波形两侧的次峰个数最少或两侧凹凸不平变得平滑，输出脉冲波形的不平滑度降低，对应的泵浦功率为最佳泵浦功率；

步骤S103，设定上述泵浦功率为最佳泵浦功率，将所述脉冲光纤激光器Q开关声光调制器(AOM)2的重复频率在所需范围内(实施例中重复频率范围为10Khz～100Khz，上述固定100Khz)从大到小开始调节，通过示波器观察输出脉冲波形，脉冲波形两侧多余的次峰会再慢慢减小或者两侧凹凸不平处减少，当输出脉冲两侧次峰个数最少或两侧凹凸不平处变得平滑时，也是输出脉冲波形的不平滑度最低时，固定此时的重复频率不变；

步骤S104，在以上参数设定的基础上，将所述脉冲光纤激光器Q开关声光调制器(AOM)2的开启时间慢慢减小(开启时间为脉冲信号周期的10％)，同时通过示波器10观察输出脉冲频率和波形会发现，输出脉冲波形两侧多余的次峰或者凹凸不平处，会随着开启时间的减小继续减少或者变得平滑，但是开启时间不能一直减小，会使得输出脉冲的频率不等于Q开关重复频率，因此在满足输出脉冲的频率等于Q开关重复频率的前提下，输出脉冲波形不平滑度最低时，固定此时的开启时间不变；

步骤S105，根据本发明上述的步骤已经能够将输出脉冲的不平滑度降低。如果此时输出脉冲还存在不平滑的情况，需要继续通过脉冲信号发生器(PSG)3调节Q开关声光调制器(AOM)2的上升时间或者下降时间，进一步消除脉冲的不平滑。

本发明中，上述的方法均可以根据实际情况进行不同的结合调节，从而达到有效控制影响脉冲不平滑的因素的目的，进而消除输出脉冲不平滑问题。

上述的实际情况可以包括：当增益光纤长度不能变时，可以省略步骤S101；当重复频率已经固定时，可以省略步骤S103；当输出脉冲波形两侧无次峰，仅有少许凹凸不平处，可以仅仅使用步骤S104、S105等实际情况。

本发明所述方法的功能：

本发明的目的是针对现有输出脉冲不平滑的问题，提出一种消除调Q脉冲光纤激光器输出脉冲不平滑的控制方法。利用现有普遍的实验装置，通过归纳总结，得出一套清晰高效的操作步骤，即增益光纤的优化、最佳泵浦功率的选取、重复频率的调节以及信号发生器的开启时间、上升时间以及下降时间的控制等方法步骤。利用上述步骤方法，能够有效去掉脉冲不平滑部分，从而达到消除调Q脉冲光纤激光器输出脉冲不平滑的目的，优化输出脉冲波形的形状。

需要说明的是：本发明提出的方法，应该根据自身所需，相互进行结合，才能达到优化输出脉冲波形的目的。并且只针对主动调Q脉冲光纤激光器(声光调Q脉冲光纤激光器、电光调Q脉冲光纤激光器等)，拥有主动调Q器件的脉冲光纤激光器，对于被动调Q脉冲光纤激光器，由于很多参数无法进行调节，所以上述方法并不适合。

附图说明

从以下结合附图的示例性实施例描述性中，本发明的上述或其他方面将更加显而易见以及清晰易懂。

图1：本发明所述实验装置结构示意图；

图2：本发明所述信号发生器控制声光调制器(AOM)的开启时间、上升时间以及下降时间的示意图；

图3：本发明所述实验装置控制前、后输出脉冲的波形图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述方法、步骤，下面结合附图和具体实施方法对本发明进行进一步的详细描述。

实施例1：

在本实施例中，功率计12，采用型号HW-VLP-2000-10W型万能激光功率，最大量程为10W；示波器11，使用北京普源精电公司生产的DS06032A数字示波器，带宽为300MHz；光电探测器10，使用thorlabs公司的光纤耦合型铟镓砷探测器，波长响应范围为800-1700nm，带宽为1.2GHz，可承受最大功率为50mW。分束器9，工作波长为1060nm的1：99分束器，1％端用于脉冲光谱和波形的测试，99％端用于脉冲功率测试,最大承受功率为10W；多模泵浦源8，是由上海科乃特公司生产的带有尾纤的多模半导体激光器，中心波长是980nm，最高的泵浦功率是10W；泵浦源保护器7，使用的是波长为975nm的多模泵浦保护滤波器作为泵浦源的保护装置，其通过波长为900-1000nm，阻止波长为1020-1120nm；光纤合束器6，使用(2+1)×1高功率光纤合束器，该合束器单臂最大承受功率为10W；高反光栅1、低反光栅5作为一对高低反光栅，高反光栅1的中心波长为1063.86nm，反射率为99.6％，低反光栅5的中心波长为1063.75nm，反射率为9.8％，两只光栅的光纤尺寸均为10/125um，数值孔径NA为0.08/0.46；增益光纤4为掺镱双包层光纤，纤芯、内包层尺寸为10/130um，数值孔径NA为0.075/0.46，在975nm附近的吸收损耗为3.9dB/m；声光调制器(AOM)2，使用由中电26所研制的SGYF100-1型号的光纤型声光调制器(AOM)，工作波长为1064nm，工作频率为100Mhz，最大可承受平均光功率为5W，上升时间为26ns，插入损耗1.9dB，消光比60dB，输入、输出光纤类型为GSF-10/125，一级衍射光方向为输出端；脉冲信号发生器3，使用北京普源公司生产的型号为DG1000Z系列的任意波形发生器，可产生脉冲波形、方波、三角波信号，本发明中采用产生的脉冲信号，其重复频率、脉冲占空比、上升时间、下降时间均可调，脉冲占空比0.1％-99.9％可调。

本实施例中，如图2中Q开关的示意图所示，t1代表上升时间，t2代表下降时间，t3代表Q开关的总开启时间。本实施例通过调节信号发生器(PSG)3输出脉冲信号的重复频率、上升时间、下降时间、占空比，进而控制Q开关的重复频率、上升时间、下降时间以及总开启时间。

下面结合图1、图2，具体说明本发明提供的消除脉冲不平滑的控制方法。在调Q光纤激光器中，输出调Q脉冲能够获得的最小脉宽Δt_min与增益光纤4长度L之间的关系式如公式(1)所示：

Δt_min＝2nL/c (1)

其中，n为增益光纤4的折射率，c为光速。可知，调Q脉冲光纤激光器所能够获得的最小调Q脉宽Δt_min为光在腔内往返一周所用时间。因此，可以根所需脉冲宽度，求出增益光纤4的长度。在本实施例中，所需的脉冲宽度为10ns～100ns，可以取输出调Q脉冲最小脉宽＝50ns，利用最小脉宽Δt_min与增益光纤长度L之间的关系，推导出增益光纤4的长度为5m。

紧接着，先打开信号发生器(PSG)3，固定Q开关的重复频率为所需的最大频率100Khz(在本实例中，所需重复频率为10Khz～100Khz)，开启时间为脉冲信号周期的10％，即为1us，上升时间和下降时间为开启时间的10％，即均为100ns。

然后开启多模泵浦源8，慢慢增大泵浦功率，并且通过功率计12测量输出功率，直到输出功率不变或者开始减小时，固定此时的泵浦功率不变。这是由于随着泵浦功率的增加，谐振腔中的放大自发辐射光ASE以及非线性效应也会随之增加，因此需要找到泵浦功率的最佳值，使得在该频率下谐振腔增益最大，输出功率最大，并且此时输出的调Q脉冲的不平滑度也越低。在本实施例中当泵浦功率为8W时，最大输出功率为2.14W，所以将实施例中的最佳泵浦功率固设定为8W。

随之调节信号发生器(PSG)3的频率，使Q开关重复频率从大到小，并且观察输出脉冲频率，直至输出脉冲不平滑度最低，固定此时的重复频率不变。这是由于在最佳泵浦功率的条件下，Q开关的开启时间、上升时间、下降时间固定时，重复频率不同，Q开关的关闭时间不同，积累的能量也不同，影响输出脉冲的能量分布，所以通过减小重复频率的方法，调节能量在输出脉冲上的分布，改变脉冲的不平滑度。在本实施例中，当达到最小重复频率为10Khz时，此时的脉冲的不平滑度比较低，所以将实施例中信号发生器的重复频率设定为10Khz。

再次调节信号发生器(PSG)3的开启时间，开启时间的大小决定着反转粒子数的个数。实施例是通过不断调节开启时间，在满足输出脉冲重复频率同Q开关重复频率相同的前提下，观察输出脉冲波形，当输出脉冲最平滑时，固定此时的开启时间不变。同改变Q开关重复频率导致输出脉冲不平滑度改变的原因相同，在最佳泵浦功率和固定重复频率的前提下，改变Q开关开启时间，Q开关关闭时间改变，积累的能量不同，从而输出脉冲不平滑度改变。在本实施例中，当开启时间为500ns时，脉冲的波形最好、最平滑，所以将实施例中信号发生器的开启时间设定为500ns。

按照本实施例上述的方法步骤调节和设定，是能够减少或消除脉冲不平滑的问题；如果脉冲还存才较少不平滑的问题，可以继续按照下面的方法调节信号发生器上升时间以及下降时间。

调节上升时间和下降时间时，要观察输出脉冲的波形情况，随着波形不平滑位置的改变，将上升时间和下降时间调节结合起来。当增大上升时间时，脉冲前言的不平滑度将会减少，造成脉冲后沿的不平滑度升高，这是由于当增大Q开关的上升时间，释放的粒子数的最大速率将向后推迟，使得光子数密度达到最高值的时刻向后推迟，输出脉冲波形达到最高峰的时刻也向后推迟，使得前沿的波形降低，后沿的波形增加，但是增加下降时间时，同理会使前沿的不平滑度增加，后沿的减小。因此在使用调节上升时间或下降时间时，要根据所需的实际，是由消除前沿不平滑度，或者消除后沿不平滑度决定的。

以上是以消除声光调Q脉冲光纤激光器输出脉冲不平滑为例，对本发明所述的基于调Q脉冲光纤激光器输出脉冲不平滑的控制方法进行了详细的介绍，以上实施例的说明有利于帮助理解本发明的方法；同时，对于本领域的一般技术人员，本说明内容不应理解为对本发明的限制，在不背离本发明所述控制方法情况下，对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。