高峰值功率

高峰值功率，高可重复频率脉冲光纤激光器的刻印加工应用

1. 引言

作为工业应用激光器的一种选择，光纤脉冲激光器正被越来越多的采用，例如微加工，钻孔和刻印加工。在高峰值功率输出应用中，例如刻印加工中，为了获得快速特色刻印加工和生产能力，激光器必须具有在高可重复率下保持高输出峰值功率（2.5~5千瓦）的能力。

常见的单级调Q 激光器具有极高的储能效率。但是当重复率上升时它们便会显示出平均功率和基本峰值功率下降的特性。大多数情况下峰值功率会因速度和输出能力接近极限的过程而产生副作用而下降。另一方面，主控主控震荡器的功率放大器的配置可以在脉冲特性和脉冲激光器的功率表现上提供更多的可控性，并且拓宽了刻印单元的可操控空间且在更高的可重复频率上提高刻印速度。

在本论文中，我们首次刊载了一种脉冲光纤激光器的主可控振荡器的功率放大器配置，它可以在200kw 频率范围上维持高于5W 的峰值输出功率水平，它由一个已调的1080纳米的激光二极管源，两个二级全光纤放大单元和一个附加传输光纤组成。平均功率在12W 左右，脉冲能量处于0.1~0.5mJ，脉冲持续时间可在10nS 到200nS 间变化，并且峰值功率可以在10khz~200khz重复频率上维持5kw 或者10kw 的功率输出水平。据我们所知，这是这种脉冲激光器表现第一次被报道，并且它很有希望在工业领域产生巨大的影响，例如开发出更高效更快速的刻印设备。

2．刻印应用要求

图1应用状况图，a 展现了对工件强度的要求，b 展现了光束质量与平均激光功率关系。很明显由于刻印与钻孔技术的相关性，尽管对平均功率的要求仅数十瓦特，对工件强度或者峰值输出功率的要求还是很高的。另外在整个应用领域对光束质量的提高的要求还是很强烈的。优质的光束质量与应要求而结合在一起的低平均高峰值功率一起使脉冲光纤激光器成为刻印与打孔应用中的优秀候选者。

图表1：应用状况图，a 展现了对工件强度的要求，b 展现了光束质量与平均激光功率关系，对于不同的激光应用领域。

表1总结了对不同的工件水平典型的参数。这些参数完全取决于被刻印的材料和刻印速度。 表1：不同应用领域的不同工件的典型脉冲参数

﹡脉冲能量： 0.5~2mj

﹡脉冲时间： 50~200ns

﹡输出光束尺寸： 0.5~1mm

﹡光束发散角：： 1~3mrad

﹡聚焦光斑尺寸： 50~200um

﹡聚焦能量密度： ~0,05-0,1w/um2

这些刻印强度被转化为相关的光纤输出强度，它们一般处于25-50w/um2的光纤强度和

2.5-5kw 的典型峰值输出功率。对于这样的强度和峰值功率水平，在设计光纤盒全面的脉冲系统时必须避免非线性光学效应和光学损伤。另外，必须强调在上述脉冲参数下必须可以保持高重复率以确保刻印速度和系统生产能力。

3 脉冲激光器的配置

许多不同的类型的脉冲光纤激光器已经被研发且使用了独立类型或者作为主控制震荡器放大器的配置一部分。尤其是调Q 光纤激光器相当有吸引力，由于它可以提供相当高的峰值脉冲功率和稳定的几毫焦的能量。但是当把它推广到通用的工业应用时，独立脉冲调Q 激光器的一个主要缺点便显现出来，所有关键的参数如脉冲重复率，能量，峰值功率和脉冲宽度是相关联的并且不能够独立的控制。

图表2：在固定输出能量条件下，调Q 激光器的峰值和平均能量取决于脉冲饱和率。

图表2展现了对固定的输出能量条件下，典型调Q 激光器的峰值功率和平均功率在脉冲重复率上的规律性。很明显提高脉冲重复率时会导致输出较小的峰值功率。这是由于当脉冲重复率提高时脉冲能量的减少和脉冲宽度的增加的结合效应。换句话说，由于增益饱和，平均功率单调的与脉冲重复率共同增长。图表2说明当高峰值功率输出过程到达极限时脉冲可重复率一定处于极低的水平此时激光器的效率极低。这样会导致较慢的过程速度和减少生产能力。相类似的局限被确信会在单级放大可控制震荡放大器中出现。

3.1多级放大可控制震荡放大器

许多这样的问题可以被解决，并且通过采用多级放大可控制震荡放大器，要求的高峰值功率表现可以被拓展，如图表

3

图表3：多级放大可控制震荡放大器。

这种条件下脉冲源可以是一个低能量的调Q 激光器或者是一个直模的半导体激光器。后者可以实现直接控制并且可以在限制脉冲尺寸和脉冲重复率上有更多的选择，同时也为它们更好的满足应用上的需求提供选择。另外它们是基于今年来为通讯产业而开发的十分完善的半导体技术。通过控制放大链上的增益介质的增益贡献从而使不同参数的连续放大脉冲得到精确的控制。

通过研究该系统，半导体二极管在1090纳米是功率为1瓦特。功率放大光纤是镱掺杂A eff =245 m 2并且在915纳米时其泵浦吸收为1,8db/m。此光纤的模式是GTWave 。

3.2 时空理论分布模型

时空理论分布模型是为了全部放大环节而开发的，它基于线性方法。这个模型

可以展现脉冲外形的所有特征，像脉冲重复率的作用，泵浦功率，输入脉冲能量和尺寸，掺杂的贡献和光纤类型。而且这个模型还可以加入对应激拉曼散射贡献的考量。该模型可以在研究脉冲参数间影响时提供有用的帮助，且在确认一个既定的应用领域的系统参数时也很有帮助

。

表格4：a 与c 展现了镱随时间的密度变化，b 和d 展现了脉冲的强度随功率放大器长度的

变化。

表格4中a 展现了一个典型的掺杂镱的激光器的密度情况，且b 展现了功率放大器的长度随时间变化的单一作用情况。表格4中的a 和c 展现了在相同参数下的更小的时间间隔。在一个反向传播装置中脉冲重复率是20khz 泵浦功率为18w 。正如表格四中a 和c 展现的那样，在脉冲到达放大器的输出端之前本征反转将提高。当光纤趋于表象消失效应时，反转贡献的知识在定义温度转化速率就很重要。正如脉冲的传输那样，它耗尽反转粒子且提高了强度。从表格4的d 中可以明显的看出放大过程的结果是典型的脉冲塑型和前端削尖。这个在限制脉冲宽度和峰值功率时尤其重要，就像在限制

应激拉曼散射一类的各种非线性效应。

4 实验结果

许多带有不同放大单元的主控振荡器的功率放大器已经完成，且正进行实验验证。我们研究在输出脉冲上的可信的细节，对于不同的原始脉冲持续和光纤类型，对增益介质和输出脉冲能量的作用。另外，我们确信脉冲重朔在受激拉曼散射临界值和受激拉曼散射的全面反转中的影响。结果已经经受住预言和许多时空理论分布的检验并且显示出极好的吻合。

4.1 脉冲朔型和拉曼效应在光纤功率放大器中的作用

表格5展现了对于不同的初始脉冲持续输出时，输出脉冲朔型和峰值功率取决于输出脉冲能量。源中心波长为1070纳米脉冲重复率为50khz

。，

表格5：脉冲朔型和峰值功率取决于输出脉冲能量，对不同的源输出脉冲而言。源中心波长为1070纳米脉冲重复率为50khz 。

大家都知道对于所有的源脉冲宽度都会由于功率放大器的输出功率和输出脉冲能量的增加和峰值功率的非线性增加而受到影响。由于非线性的峰值功率的增加光纤非线性特性，例如拉曼散射效应，将限制主可控震荡功率放大器在相关低脉冲能量石的可操控性。

表格6的a 和b 展现了对于不同的源脉冲相关输出的半峰全宽和峰值功率取决于输出脉冲能量。源中心波长为1070纳米脉冲重复率为50khz 。表格也展现了拉曼散射产生的极限值。

表格6：a 脉冲半峰全宽 b 对不同的源脉冲脉冲峰值取决于输出脉冲能量。源中心波长为1070纳米脉冲重复率为50khz 。

图表6表明对于所有初始脉冲宽度，所有输出脉冲半峰全宽基本保持不变的输出脉冲能量。在能级之上时，所有的脉冲便会自然地重新朔型，并且减少他们的半峰全宽度。这是由于脉冲需要吸收足够的能量来使放大器达到饱和。众所周知，在这样的条件下，能量一般抽取自脉冲的前边缘，是脉冲的重朔和扭曲的结果。图表6的b 表明相应的峰值脉冲随着脉冲能量非线性的增长，不可避免的超越9kw 这个拉曼散射的极限。它也表明拉曼散射极限随着输入脉冲的宽度逐渐的达到脉冲能量极限。这是由于脉冲的长尾，它们不仅增加能量输出而且产生拉曼散射效应。

图表7：a 脉冲外形，b 光谱输出脉冲放大。中心波长1070纳米，脉冲重复率为50khz 。

图表7的a 和b 表明脉冲外形和相应的光谱，中心波长1070纳米，脉冲重复率为50khz 。相应的脉冲总能量大约0.55mj 图表a 表明通过多重拉曼转换，大部分能量转换为长波。同时也表明拉曼散射极限是9kw 。从图表7可以推断脉冲外形和拉曼散射从产生的原始窄谱信号上升到十多个纳米的带宽。这意味着在波长强度的应用上，全峰值能量能够在更宽的光学带宽上应用。否则，有用的峰值能量是十分有限的。

图表8展现了对于不同的源脉冲宽度，作为总脉冲能量的各个原始波长带宽的脉冲能量。源中心波长是1070纳米，脉冲重复率时50Khz 。很明显信号脉冲能量局限的分立与0。15mj ，0.25mj ，0.35mj ，分别对应着20ns,50ns,100ns 。正如前边提到的，在拉曼散射效应产生之前，更长的源脉冲能量产生更高的能量。这些结果和图表6十分吻合。

图表8：对于不同的源脉冲宽度，作为总脉冲能量的各个原始波长带宽的脉冲能量。源中心波长是1070纳米，脉冲重复率时50Khz 。

图表9：源激光