A kind of manufacturing method of high repetition frequency optical fiber green light and 15w uv laser

 

1. The present invention relates to the technical field of lasers, in particular to a high repetition frequency, sub-nanosecond all-fiber green light and ultraviolet laser.

 

 

Background technique:

 

2. In recent years, solid-state lasers have developed rapidly, and green lasers have attracted more and more attention. The green laser has a short output wavelength and high processing accuracy, so it has a very wide range of applications in the cutting and drilling of ceramics, glass, pcb boards, solar cells and other materials, especially the sub-nanosecond green laser in the laser There are significant applications in micromachining, laser detection and display lights.

3. In the prior art, a kind of high repetition frequency narrow pulse width green light single-mode laser disclosed in the patent document with application number cn201410295146.3 and a sub-nanosecond green laser disclosed in the patent document with application number cn201810974644.9 Optical lasers are all solid-state green lasers with a full-space structure; 1. Since solid-state green lasers have a full-space structure, they have relatively high requirements for stability and environmental cleanliness, and cannot be long-term stable and reliable in practical industrial applications. Work, maintenance-free; 2. The laser pulse repetition frequency of solid-state lasers can only be up to several hundred khz, so applications with higher processing efficiency (repetition frequencies of several mhz to tens of hundreds of mhz) cannot meet the demand; 3. Solid state At present, the pulse width of the laser can only be as narrow as 10ns, which cannot meet the needs of more precise processing (generally 100ps to 1ns). It can output signal light of no more than 100 watts, which cannot meet the increasing power improvement requirements of the industry.

 

uv laser | green laser | Ultraviolet lasers | uv dpss laser | nanosecond laser | UV laser source | Solid State Lasers

Technical implementation elements:

 

4. The purpose of the present invention is to provide a high repetition frequency, sub-nanosecond all-fiber green light and ultraviolet laser to solve the problems raised in the above background technology.

5. In order to achieve the above object, the present invention provides the following technical solutions:

6. A high repetition frequency, sub-nanosecond all-fiber green and ultraviolet laser, including single frequency continuous narrow linewidth dfb

‑

ld semiconductor seed laser, the dfb

‑

A circulator, a grating msg and a Mach are arranged on the axis of the output end of the ld semiconductor seed source laser in sequence

‑

Zehnder intensity modulator;

7. Two Machs in cascade

‑

After modulation by the Zehnder intensity modulator, an adjustable sub-nanosecond seed source optical pulse signal is obtained, and the sub-nanosecond seed source optical pulse signal undergoes first-level amplification, second-level amplification, third-level amplification and cascaded frequency conversion to achieve high efficiency times. frequency.

8. Preferably, the single-frequency continuous narrow linewidth dfb

‑

The power of ld semiconductor seed source laser is 30mw

‑

100mw, the sub-nanosecond seed source light pulse signal is an adjustable pulse signal with a high extinction ratio of 50-60db and a pulse width of 150ps-2ns.

9. Preferably, the first-stage amplification comprises a polarization-maintaining isolator filter, a ytterbium-doped fiber, a pump source 1d with a locked wavelength of 976 nm, and an amplification structure of double-ended single-mode wdm arranged in sequence, and the core of the ytterbium-doped fiber is is 5μm, cladding 130μm;

10. The secondary amplification includes an all-fiber analog adapter mfa, a polarization-maintaining isolator filter, a ytterbium-doped fiber, a (2+1) combiner, and a pump source ld with a locked wavelength of 976 nm, which are arranged in sequence. The core of the fiber is 12μm and the cladding is 130μm;

11. The three-stage amplification includes an all-fiber analog adapter mfa, a polarization-maintaining isolator filter, a large mode field ytterbium-doped chiral fiber, a (6+1) combiner, an fbg fiber grating, and a locked wavelength of 976 nm. The pump source ld and polarization analyzer, the core of the large mode field ytterbium-doped chiral fiber is 33um, and the cladding is 125um.

12. Preferably, the cascaded frequency conversion comprises a double-stage spatial optical isolator, a collimating lens, a focusing lens and a lithium triborate crystal which are arranged in sequence.

13. Preferably, the single-frequency continuous narrow linewidth dfb

‑

ld semiconductor seed laser 113 is cascaded by two Mach

‑

The Zehnder intensity modulator performs two consecutive modulations. The modulation bandwidth of the two lithium niobate Mach-Zehnder intensity modulators is 10ghz, and the rising edge time is 70ps. The RF input of the two cascaded intensity modulators The signal, the input voltage amplitude and the modulation pulse width are all the same, and the generated pulse has a rectangular waveform with sharp rising and falling edges. The pulse width and repetition frequency are τ and 1/t, respectively. The static extinction ratio (ser) is measured at When no electrical signal is input to the RF port of the Mach-Zehnder intensity modulator, the extinction ratio of the signal light after passing through the modulator is:

[0014] [0015]

where p

min

is the minimum output obtained to adjust the dc bias voltage of the dc port, p

max

is the maximum output, der is measured using the RF signal sent to the mzim’s RF port, the dc bias voltage is set to the minimum drive point of the mzim’s transfer function, the optical average power p

ave

, expressed as follows:

[0016] [0017]

where p

max

6.22 mW, h

min

obtained as h

min

= 57.9nw, which is equivalent to when p

max

=h

max

When the der is 50.3db, and the der of 44db is ensured in the cascade modulation, the optical pulse contains 90% of the total energy, and the excess of 10db is the standard of pulse quality.

[0018]

Preferably, the Mach

‑

The feedback bias method of the Zehnder intensity modulator is as follows: the function generator generates a signal plus a DC bias voltage from the DC input terminal of the Mach-Zehnder modulator, and a rectangular wave voltage signal is added to the RF signal terminal, The modulated optical pulse signal passes through a coupler, one end is split to the pd detector, the other end is output to the lock-in amplifier circuit (lia), and the y component of the signal vs is used as the input of a bias controller (bc), as the bias The feedback signal of the control, based on this configuration, for a single-stage Mach-Zehnder intensity modulation, the calculated static extinction ratio ser is 32.7db, and the dynamic extinction ratio der is 32.3db, using bipolar cascaded Mach-Zehnder intensity modulation , the obtained static extinction ratio ser is 55.4db, and the dynamic extinction ratio der is 50.3db. Through the cascade modulation scheme, the improvement of the seed source extinction ratio is more than 20db.

[0019]

바람직하게는, 캐스케이딩 주파수 변환은 외부 공동 주파수 배가 모듈을 더 포함하고, 외부 공동 주파수 배가 모듈은 여러 그룹의 삼붕산 리튬 결정(111)을 직렬로 연결하고 온도를 각각 제어하며, 두 그룹의 첫 번째 결정 그룹의 온도를 제어합니다. 일련의 결정은 149.5°C, 결정 길이는 14mm입니다. 두 번째 결정 그룹의 온도는 148.5°C이고 결정의 길이는 9mm입니다. 일련의 3개의 결정 그룹에서 첫 번째 결정 그룹의 온도는 150°C이고 결정의 길이는 14mm입니다. 두 번째 결정 그룹의 온도는 149°C이고 결정의 길이는 9mm입니다. 결정의 세 번째 그룹 온도는 148°C이고 결정 길이는 7mm입니다.

[0020]

바람직하게는, 시드 소스 레이저를 빔으로 분할한 후, 3단계 증폭 및 다단계 캐스케이드 주파수 배가 후, 레이저 빔을 결합하여 고출력 광섬유 녹색광 및 자외선 레이저를 구현한다.

[0021]

높은 반복 주파수, 나노초 미만의 전 섬유 녹색광 및 자외선 레이저의 작동 단계는 다음과 같습니다.

[0022]

1) 먼저 단일 주파수 연속 좁은 선폭 dfb 사용

-

ld 반도체 시드 소스 레이저(113)가 방출하는 시드 소스 신호는 편광 유지 광섬유에 의해 결합되어 출력된 후 서큘레이터(101)의 포트 1로 들어간 다음 포트 2에서 출력되어

모드가 높은 반전 격자 메시지와 편광 컨트롤러를 선택한 후 포트 3에서 출력되고 두 개의 계단식 Mach를 통과합니다.

-

젠더 강도 변조기(114)에 의한 변조 후에 조정 가능한 서브나노초 종자광 펄스 신호가 얻어진다.

[0023]

2) 나노초 미만의 시드 소스 광 펄스 신호는 먼저 1단계 증폭을 거치고 1단계 증폭은 이중 종단 단일 모드 wdm103의 증폭 구조를 채택한 다음 모두를 통과한 후 2단계 증폭에 들어갑니다. -파이버 아날로그 어댑터 mfa;

[0024]

3) 2단 증폭은 역펌핑 방식을 채택하여 2단 증폭을 구현하고 들어오는 종자광의 출력을 0.5~1w 수준으로 높인 후 전단 증폭을 통해 3단 증폭으로 들어간다. 파이버 아날로그 어댑터 mfa;

[0025]

4) 대형 모드 전계 이터븀 도핑 키랄 광섬유(106)는 3단계 증폭에 사용되며 기울어진 fbg 광섬유 격자는 모드 제어 및 3단 증폭은 6+1)컴바이너 빔 컴바이너(117)를 리버스 펌핑에 사용하고, 130w 976nm 고정 펌프 소스 5개 그룹을 펌핑에 사용하고, 피그테일은 편광 상태를 위해 남겨둔다. 신호등. 시드 소스에서 편광 컨트롤러에 능동적으로 피드백하면서 모니터링 및 분석

[0026]

5) 3단계 증폭의 기본 주파수 빛의 편광 상태 모니터링 및 분석에 따라, 실시간 자체 적응형 피드백 및 시드 소스 끝의 편광 상태 조절을 통해 기본 주파수 빛 증폭을 달성합니다. 3단 All-Fiber를 통해 증폭된 수백 Watt의 기본 주파수 광은 2단 공간 광 아이솔레이터(108), Collimating Lens(109) 및 Focus Lens(110)를 통과한 후 외부 공진 주파수를 거친다. 더블링 모듈. 외부 공동 주파수 배가 모듈은 기본 주파수 광의 주파수 배가 효율을 추가로 개선하기 위해 일련의 리튬 트리보레이트 결정(111)의 다중 그룹 및 캐스케이드 주파수 배가를 사용한다.

[0027]

6) 마지막으로, 최종 출력 녹색광을 얻기 위해 참여하는 적외선 기본 주파수 광을 필터링하기 위해 출력단에 이색성 거울이 설정됩니다.

[0028]

종래 기술과 비교하여, 본 발명의 유익한 효과는 다음과 같다:

[0029]

1) 본 발명의 특허는 All-Fiber, 고반복 주파수, 고평균 파워 그린 레이저 솔루션을 제안한다. 모든 파이버 솔루션은 고출력 연속 파이버 레이저 적용에서 검증된 안정성과 신뢰성을 보장합니다.

[0030]

2) 본 기술 솔루션은 모파 메인 발진 전력 증폭 구조를 채택하여 펄스 폭과 반복 주파수를 임의로 조절할 수 있는 반도체 시드 소스의 다단 증폭으로 구현한 고출력 펄스 출력이다. 주파수는 조정 범위가 크며 hz에서 100mhz까지의 높은 반복 주파수와 50ps에서 2ns까지의 매우 좁은 펄스 폭 튜닝을 달성할 수 있습니다.

[0031]

3) 마지막으로, 광섬유 레이저의 이득 매질 도핑된 이득 광섬유는 고체 상태에서 사용되는 이득 매질 벌크 결정체에 비해 표면적 대 체적 비율이 매우 크고 열 소산 능력이 고체보다 훨씬 높기 때문에 레이저, 파이버 레이저의 평균 전력은 수 킬로와트 또는 수만 와트를 달성하기 위해 산업 공정에서 증가하는 전력 수요를 완전히 충족할 수 있습니다.

도면 설명

[0032]

그림 1은 높은 반복 주파수, 나노초 이하의 모든 광섬유 녹색 및 자외선 레이저의 개략적인 구조 다이어그램입니다.

[0033]

그림 2는 높은 반복 주파수, 나노초 이하의 모든 광섬유 녹색광 및 자외선 레이저에서 계단식 Mach-Zehnder 강도 변조기의 개략적인 구조 다이어그램입니다.

[0034]

도 3은 높은 반복 주파수, 나노초 미만의 모든 광섬유 녹색광 및 자외선 레이저에서 150ps-2ns 가변 펄스 폭 파형의 개략적인 구조도이다.

[0035]

도 4는 고반복 주파수, 서브나노초 전광섬유 녹색 및 자외선 레이저에서 마하젠더 강도 변조기 mzim의 피드백 바이어스 제어 방식의 개략적인 구조도이다.

[0036]

도 5는 고반복 주파수, 서브나노초 전광섬유 녹색 및 자외선 레이저에서 다결정 캐스케이드 방식의 개략 구조도이다.

[0037]

무화과. 도 6은 높은 반복 주파수에서 다중 레이저, 나노초 이하의 전광섬유 녹색광 및 자외선 레이저를 결합하기 위한 파워 부스팅 방식의 개략적인 구조도이다.

자세한 방법

[0038]

본 발명의 기술적 해결책은 특정 실시예와 관련하여 아래에서 더 상세히 설명될 것이다.

[0039]

단일 주파수 CW 좁은 선폭 dfb를 포함하는 고반복, 서브나노초, 모든 섬유 녹색 및 자외선 레이저인 그림 1을 참조하십시오.

-

ld 반도체 시드 소스 레이저(113), dfb

-

서큘레이터(101), 격자 msg 및 마하(mach)는 ld 반도체 시드 레이저(113)의 출력단 축에 순차적으로 배열된다.

-

Zehnder Intensity Modulator 114, 캐스케이드의 두 마하

-

젠더 강도 변조기(11)에 의해 변조된 후, 조정 가능한 서브나노초 시드 소스 광 펄스 신호가 얻어지고, 서브 나노초 시드 소스 광 펄스 신호는 순차적으로 1단계 증폭, 2단계 증폭, 3단계 증폭을 거친다. 고효율 주파수 배가를 달성하기 위한 증폭 및 계단식 주파수 변환;

[0040]

단일 주파수 연속 좁은 선폭 dfb

-

ld 반도체 시드 소스 레이저(113)의 파워는 30mw이다.

-

100mw, 나노초 미만의 시드 소스 광 펄스 신호는 50-60db의 높은 소멸 비율과 150ps-2ns의 펄스 폭을 가진 조정 가능한 펄스 신호입니다.

[0041]

구체적으로, 1단계 증폭은 편광 유지 아이솔레이터 필터(102), 이터븀 도핑 광섬유(104), 976nm의 고정 파장을 갖는 펌프 소스(ld115) 및 이중 종단 단일 모드 wdm103의 증폭 구조를 포함한다. 이테르븀 도핑된 섬유(104)의 섬유 코어는 5㎛이고 클래딩은 130㎛이다. 2단계 증폭은 모든 섬유 아날로그 어댑터 mfa, 편광 유지 아이솔레이터 필터(102), 이테르븀 도핑된 섬유(104), (2+1) 결합기(103) 및 976nm의 고정 파장을 포함한다. 이테르븀 도핑된 섬유(104)의 펌프 소스(ld115)는 12㎛의 코어 및 130㎛의 클래딩을 갖고; 3단계 증폭은 모든 섬유 아날로그 어댑터 mfa, 편광 유지 아이솔레이터 필터(102), 대형 모드 전계 이테르븀 도핑된 손 A 키랄 섬유(106), (6+1) 결합기(117), fbg 섬유 격자, 976nm의 고정 파장을 갖는 펌프 소스 ld115 및 편광 분석기(107), 대형 모드 전계 이테르븀 도핑 키랄 섬유(106)의 코어는 33um이고, 클래딩층은 125um이고; 캐스케이드된 주파수 변환은 2단 공간 광 아이솔레이터(108), 콜리메이팅 렌즈(109), 포커싱 렌즈(110) 및 리튬 트리보레이트 결정(111)이 순서대로 배열된 것을 포함한다.

[0042]

본 발명의 실시예의 또 다른 해결책으로서, 도 1을 참조한다. 2, 단일 주파수 연속 좁은 선폭 dfb

-

ld 반도체 시드 레이저(113)는 2마하씩 캐스케이드된다.

-

Zehnder 강도 변조기는 두 개의 연속 변조를 수행합니다. 2개의 리튬 니오브산염 마하젠더 강도 변조기의 변조 대역폭은 10ghz이고 상승 에지 시간은 70ps입니다. 두 계단식 강도 변조기의 RF 입력 신호, 입력 전압 진폭 및 변조 펄스 폭은 모두 동일합니다(그림 3 참조). 생성된 펄스는 날카로운 상승 및 하강 에지, 펄스 폭 및 반복 속도가 있는 직사각형 파형을 가집니다. 는 각각 τ와 1/t이며, 정적 소광비(ser)는 마하젠더 강도 변조기의 RF 포트에 전기 신호가 입력되지 않을 때 변조기를 통과한 신호광의 소광비는 다음과 같다.

[0043] [0044]

여기서 피

분

dc 포트의 dc 바이어스 전압을 조정하기 위해 얻은 최소 출력, p