一种MOPA激光器的脉宽调节方法及系统

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其是指一种MOPA激光器的脉宽调节方法及系统。

背景技术

纳秒级激光源由于具有功率大、稳定性高且易实现等优点，在科学研究以及工业领域的许多方面应用广泛。近年来，随着激光技术的迅速发展，传统的单一脉宽激光输出在很多场合已经无法满足应用需求，因此，如何调节激光输出的脉宽已经成为一个越来越被重视的问题。

现有技术中调节MOPA激光器的激光输出脉宽的方法主要有两种，一种是通过斩波的方法，即将MOPA激光器输出的激光光束导入斩波器中，通过控制斩波器的开关时间调节激光光束被斩断的长度，由此得到不同脉冲宽度的激光输出，但是，这种方式往往伴随着巨大的能量损失，例如，将激光脉宽从100纳秒转变为20纳秒，只有原来输出的五分之一的能量可以被使用，而损耗的能量通过偏振片发射回谐振腔，又会影响整机的稳定，严重浪费了激光器的性能；另一种方法是电调制法，通过调制器件(光强调制器、相位调制器)对MOPA激光器的输出信号进行调制，从而实现对脉宽的调节，这种方法对脉冲形状具有良好的控制能力，能够实现一定范围内的脉宽调节，也能够得到良好的激光特性，但是，其调制效果往往受调制器件的性能限制，由于调制器件的调制信号有限，导致无法实现脉宽的连续可调，而且通过额外的控制器实现对脉宽的精确控制，增加了系统的复杂性和成本。

综上所述，现有的MOPA激光器的激光脉宽调节方法存在能量损耗大、无法对激光脉宽进行连续调节且成本高的问题。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的MOPA激光器的激光脉宽调节方法存在能量损耗大、成本高且无法对激光脉宽实现连续调节的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种MOPA激光器的脉宽调节系统，包括：

种子源，用于发出种子光；

电控单元，与所述种子源相连，用于连续调节所述种子源的温度，改变所述种子源发出的种子光的脉冲中心波长，以便基于每次温度调节后的种子源发出的种子光得到不同脉冲中心波长的种子光；

泵浦源，用于发出泵浦光；

激光晶体，与所述种子源和所述泵浦源相连，用于吸收所述泵浦光并放大不同脉冲中心波长的种子光以输出与不同脉冲中心波长的种子光对应的激光；

主放单元，与所述激光晶体相连，用于对所述激光晶体输出的激光进行放大，输出与不同脉冲中心波长的种子光对应的脉宽连续可调的激光光束。

在本发明的一个实施例中，所述脉宽连续可调的激光光束的脉宽范围为300ps～2ns。

在本发明的一个实施例中，还包括电调制单元，与所述种子源相连，当所述主放单元输出的激光光束的脉宽为2ns时，所述电调制单元增大所述种子光的脉冲宽度，从而输出脉宽大于2ns的激光光束。

在本发明的一个实施例中，还包括预放单元，与所述种子源相连，用于对所述种子源发出的种子光进行预放大。

在本发明的一个实施例中，所述种子源发出的种子光为1064nm的窄线宽偏振光；所述泵浦源发出的泵浦光的波长为808nm、878nm或888nm。

在本发明的一个实施例中，所述激光晶体为Nd：YV04激光晶体。

在本发明的一个实施例中，所述主放单元为掺镱光纤放大器、Nd：YV04固体放大器和Nd：YAG固体放大器中的一种。

在本发明的一个实施例中，所述预放单元为掺镱光纤放大器。

在本发明的一个实施例中，当所述种子源为时，当所述种子源为CoherentCMDFB1064A时，所述电控单元的温度调节范围为32℃～42℃。

本发明还提供了一种MOPA激光器的脉宽调节方法，所述方法应用于上述的MOPA激光器的脉宽调节系统中，包括：

利用电控单元连续调节种子源的温度，改变所述种子源发出的种子光的脉冲中心波长；

基于每次温度调节后的种子源发出的种子光得到不同脉冲中心波长的种子光；

将所述不同脉冲中心波长的种子光与泵浦源发出的泵浦光同时输入至激光晶体中，所述激光晶体吸收所述泵浦光并对所述不同脉冲中心波长的种子光进行放大，输出与所述不同脉冲中心波长的种子光对应的激光；

利用主放单元对所述激光晶体输出的激光进行放大，得到与所述不同脉冲中心波长的种子光对应的脉宽连续可调的激光光束。

本发明提供的MOPA激光器的脉宽调节方法通过改变种子源的温度从而改变种子源输出的种子光的脉冲中心波长，使得种子光的脉冲中心波长偏离激光晶体的发射峰，通过将种子光和泵浦源发出的泵浦光输入至激光晶体中，使得位于脉冲前沿的信号增益明显小于或大于脉冲后沿的信号增益，从而改变输出激光的脉宽。另外，本申请通过连续调节种子源的温度可以得到不同脉冲中心波长的种子光，基于不同脉冲中心波长的种子光可以得到脉宽连续可调的激光光束，通过对种子源温度的连续调节实现了对激光脉宽的连续调节；除此之外，采用本申请提供的脉宽调节方法无需利用额外的控制器控制激光光束的脉宽。本申请提供的MOPA激光器的脉宽调节方法不仅能量效率高、成本低，还可以实现激光脉宽的连续可调。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明提供的一种MOPA激光器的脉宽调节系统结构示意图；

图2为本发明提供的一种MOPA激光器的种子光的光强和输出激光的光强随时间变化的波形示意图；其中，图2中的(a)为种子光的光强随时间变化的波形图，图2中的(b)为输出激光的光强随时间变化的波形图；

图3为本发明提供的另一种MOPA激光器的种子光的光强和输出激光的光强随时间变化的波形示意图；其中，图3中的(a)为种子光的光强随时间变化的波形图，图3中的(b)为输出激光的光强随时间变化的波形图；

图4为本发明提供的一种MOPA激光器的脉宽调节方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

请参阅图1，图1所示为本申请提供的一种MOPA激光器的脉宽调节系统结构示意图，其具体包括：

种子源，用于发出种子光；

电控单元，与种子源相连，用于连续调节种子源的温度，改变种子源发出的种子光的脉冲中心波长，以便基于每次温度调节后的种子源发出的种子光得到不同脉冲中心波长的种子光；

泵浦源，用于发出泵浦光；

激光晶体，与种子源和泵浦源相连，用于吸收泵浦光并放大不同脉冲中心波长的种子光以输出与不同脉冲中心波长的种子光对应的激光；

主放单元，与激光晶体相连，用于对激光晶体输出的激光进行放大，输出与不同脉冲中心波长的种子光对应的脉宽连续可调的激光光束。

本申请提供的MOPA激光器的脉宽调节系统通过设置电控单元调节种子源的温度，改变种子源发出的种子光的脉冲中心波长，使得种子光的脉冲中心波长偏离激光晶体的发射峰，从而使得位于脉冲后沿的信号增益与位于脉冲前沿的信号增益不一致，进而改变MOPA激光器的输出激光的脉宽。通过连续改变种子源的温度，可以得到脉冲中心波长连续增大或连续减小的种子光，基于脉冲中心波长连续增大或连续减小的种子光就可以得到脉宽连续增大或连续减小的激光光束。

具体地，当种子光的脉冲中心波长靠近激光晶体的发射峰时，种子光的光谱完全处于激光晶体的发射峰覆盖范围内，从而输出脉宽与种子光脉宽相同的激光；当种子光的脉冲中心波长偏离激光晶体的发射峰时，种子光的部分光谱未处于激光晶体的发射峰覆盖范围内，因此这部分光谱无法得到放大，从而导致输出激光的脉宽变短；因此，可以通过控制种子光的脉冲中心波长偏离激光晶体发射峰的程度来调节输出激光的脉宽。

改变种子源的温度可以改变种子光的脉冲中心波长，并且，不同的温度对应不同的脉冲中心波长，不同温度下的种子光的脉冲中心波长与激光晶体的发射峰的偏离程度不同，对应的脉冲后沿的信号增益与脉冲前沿的信号增益的差值不同，从而使得激光晶体输出的激光脉宽也不同；因此，通过改变种子源的温度即可以改变种子光的脉冲中心波长与激光晶体发射峰的偏离程度。

进一步地，通过连续调节种子源的温度，就可以得到脉冲中心波长连续增大或减小的种子光，相应地，将脉冲中心波长连续增大或减小的种子光与泵浦源发出的泵浦光同时输入至激光晶体中，就可以得到脉宽连续增大或减小的激光。

示例地，请参阅图2，图2所示为控制种子源的温度使得种子光的脉冲中心波长靠近激光晶体发射峰时，种子光的光强和输出激光的光强随时间变化的波形示意图，其中，图2中的(a)为种子光的光强随时间变化的波形图，图2中的(b)为输出激光的光强随时间变化的波形图，从图中可以看出，当种子光的脉冲中心波长靠近激光晶体的发射峰时，输出激光的脉宽等于种子光的脉宽。

请参阅图3，图3所示为控制种子源的温度使得种子光的脉冲中心波长偏离激光晶体的发射峰时，种子光的光强和输出激光的光强随时间变化的波形示意图，其中，图3中的(a)为种子光的光强随时间变化的波形图，图3中的(b)为输出激光的光强随时间变化的波形图，从图中可以看出，当种子光的脉冲中心波长偏离激光晶体的发射峰时，输出激光的脉宽小于种子光的脉宽。

使用本申请提供的脉宽调节系统所能实现的脉宽调节范围为300ps～2ns。

可选地，在本申请的一些实施例中，该系统还包括电调制单元，与种子源相连，当主放单元输出的激光光束的脉宽为2ns时，电调制单元增加种子光的脉冲宽度，从而得到脉宽大于2ns的激光光束。

电调制方法通过改变种子光的脉冲宽度改变激光的脉宽，其可以实现300ps～2ns或者2ns～300ns的脉宽调节，但是其只能单向调节激光光束的脉宽，无法实现300ps～300ns之间的脉宽调节，因此，本申请实施例将温度调节和电调制相结合，在300ps～2ns之间使用温度调节激光光束的脉宽，当输出激光的脉宽为2ns时，若想获得脉宽更宽的激光光束则可以使用电调制方法改变种子光的脉冲宽度，从而获得300ps～300ns范围内任意脉宽的激光光束。

相比单独使用电调制或温度调节，将二者相结合调节激光光束的脉宽，拓宽了脉宽的调节范围，能够输出脉宽范围更大的激光光束。

可选地，在本申请的一些实施例中，该MOPA激光器的脉宽调节系统还包括预放单元，与种子源相连，用于对种子源发出的种子光进行预放大。

在激光晶体前先使用预放单元对种子源发出的种子光进行预放大是由于种子源发出的种子光功率较低，通过对其进行预放大，可以提高光转换效率。

具体地，在本申请的一些实施例中，种子源发出的种子光是1064nm的窄线宽偏振光；泵浦源发出的泵浦光的波长为808nm、878nm或888nm。窄线宽偏振光是一种特殊的光束，其光线宽度窄且具有特定的偏振态，具有高消光比和高输出功率等优点。另外，808nm、878nm或888nm均为泵浦源的常用波长。

由于种子光的波长为1064nm，可选地，激光晶体可以为Nd：YAG、Nd：YVO4、Nd：YLF等工作波长为1064nm的激光晶体。

作为优选地，本申请实施例中使用Nd：YVO4激光晶体，这是因为Nd：YVO4激光晶体具有高吸收系数，在一定的吸收带宽范围内，Nd：YVO4激光晶体的吸收效率是Nd：YAG激光晶体的5倍，带宽是Nd：YAG的2.4～6.3倍；并且，Nd：YVO4激光晶体在1064nm时的受激发射截面约为Nd：YAG激光晶体的3倍，具有更高的发射功率和更好的光束质量。

可选地，在本申请的一些实施例中，主放单元为掺镱光纤放大器、Nd：YV04固体放大器和Nd：YAG固体放大器中的一种。

掺镱光纤放大器、Nd：YV04固体放大器和Nd：YAG固体放大器的输出波长均为1064nm，其中，掺镱光线放大器能够实现1064nm波段信号的低噪声、高稳定性、高功率的输出；Nd：YV04固体放大器和Nd：YAG固体放大器均具有高稳定性、高可靠性和低成本的优点。

作为本申请的具体示例，预放单元为掺镱光纤放大器，以实现1064nm波段信号的低噪声、高稳定性、高功率的输出。

本申请实施例还提供了一种MOPA激光器的脉宽调节方法，该方法应用于上述的MOPA激光器的脉宽调节系统中，如图4所示，其具体包括：

S10：利用电控单元连续调节种子源的温度，改变种子源发出的种子光的脉冲中心波长；

S20：基于每次温度调节后的种子源发出的种子光得到不同脉冲中心波长的种子光；

S30：将不同脉冲中心波长的种子光与泵浦源发出的泵浦光同时输入至激光晶体中，蒋光晶体吸收泵浦光并对不同脉冲中心波长的种子光进行放大，输出与不同脉冲中心波长的种子光对应的激光；

S40：利用主放单元对激光晶体输出的激光进行放大，得到与不同脉冲中心波长的种子光对应的脉宽连续可调的激光光束。

下面通过具体实施例对上述的MOPA激光器的脉宽调节方法进行进一步解释说明，以下实施例中采用的种子源均为Coherent CMDFB1064A，其常态下的温度为42度，对应的种子光的脉冲中心波长为1064.17nm。

实施例1

步骤1：利用电控单元调节种子源的温度至32度，使得种子源输出的种子光的脉冲中心波长为1063.47nm；

步骤2：将脉冲中心波长为1063.47nm的种子光输入至预放单元进行预放大，输出预放大后的种子光；

步骤3：将预放大后的种子光与泵浦源发出的泵浦光同时输入至激光晶体中，激光晶体吸收泵浦光并对预放大后的种子光进行放大；

步骤4：利用主放单元对激光晶体输出的激光进行放大，输出脉宽为300ps的激光光束。

具体地，泵浦源输出的泵浦光的波长为808nm；激光晶体为Nd：YVO4激光晶体；主放单元和预放单元均为掺镱光纤放大器。

实施例2

步骤1：利用电控单元调节种子源的温度至37度，使得种子源输出的种子光的脉冲中心波长为1063.82nm；

步骤2：将脉冲中心波长为1063.82nm的种子光输入至预放单元进行预放大，输出预放大后的种子光；

步骤3：将预放大后的种子光与泵浦源发出的泵浦光同时输入至激光晶体中，激光晶体吸收泵浦光并对预放大后的种子光进行放大；

步骤4：利用主放单元对激光晶体输出的激光进行放大，输出脉宽为750ps的激光光束。

具体地，泵浦源输出的泵浦光的波长为808nm；激光晶体为Nd：YVO4激光晶体；主放单元和预放单元均为掺镱光纤放大器。

实施例3

步骤1：利用电控单元调节种子源的温度至42度，使得种子源输出的种子光的脉冲中心波长为1064.17nm；

步骤2：将脉冲中心波长为1064.17nm的种子光输入至预放单元进行预放大，输出预放大后的种子光；

步骤3：将预放大后的种子光与泵浦源发出的泵浦光同时输入至激光晶体中，激光晶体吸收泵浦光并对预放大后的种子光进行放大；

步骤4：利用主放单元对激光晶体输出的激光进行放大，输出脉宽为2ns的激光光束。

具体地，泵浦源输出的泵浦光的波长为808nm；激光晶体为Nd：YVO4激光晶体；主放单元和预放单元均为掺镱光纤放大器。

上述实施例1和实施例2中均通过降低种子源的温度，使得种子源发出的种子光的脉冲中心波长偏离1064.17nm，从而使得脉冲后沿与前沿信号增益不完全一致，导致从激光晶体输出的激光脉宽变短。对比实施例1和实施例2可以看出，通过改变种子源的温度，可以改变种子源输出的种子光的脉冲中心波长，从而改变种子光的脉冲中心波长与激光晶体发射峰的偏离程度，相应地，改变脉冲后沿与脉冲前沿的信号增益的差值，进而改变激光晶体的输出激光脉宽。

上述实施例3中将种子源的温度控制在42度，使得种子源发出的种子光的脉冲中心波长靠近1064.17nm，即种子光的脉冲中心波长对应激光晶体的发射峰，使得位于脉冲后沿的信号增益等于位于脉冲前沿的信号增益，即种子光的光谱完全处于激光晶体的发射峰覆盖范围内，从而使得种子光的脉宽被完全放大，获得脉宽与种子光脉宽相同的激光光束。

综上，通过在32度～42度范围内连续调节种子源的温度，即可得到300ps～2ns范围内脉宽连续可调的激光光束；另外，通过在32度～42度范围内任意调节种子源的温度，即可实现将短脉宽调节为长脉宽或将长脉宽调节为短脉宽；例如，先将种子源的温度调节至35度，此时输出激光的脉宽小于种子光的脉宽，若想实现将短脉宽变为长脉宽，可以再将种子源的温度调节至42度，此时输出激光的脉宽与种子光的脉宽相同。具体地，电控单元的温度调节范围与种子源相关，同种型号的不同种子源之间存在些许差异。

通过上述实施例1、实施例2和实施例3可以得出，种子光的脉冲中心波长偏离激光晶体的发射峰越远，脉宽被压缩的越窄，输出的激光光束的脉宽越短，相反，种子光的脉冲中心波长越靠近激光晶体的发射峰，脉宽越宽。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。