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]

Preferably, the cascading frequency conversion further includes an external cavity frequency doubling module, the external cavity frequency doubling module connects multiple groups of lithium triborate crystals 111 in series and controls the temperature respectively, and the temperature of the first group of crystals in the two groups of crystals in series is 149.5°C , the crystal length is 14mm; the temperature of the second group of crystals is 148.5°C and the length of the crystal is 9mm. In the series of three groups of crystals, the temperature of the first group of crystals is 150°C and the length of the crystal is 14mm; the temperature of the second group of crystals is 149°C and the length of the crystal is 9mm; the third group of crystals The temperature is 148°C, and the crystal length is 7mm.

[0020]

Preferably, after the seed source laser is divided into beams, after three-stage amplification and multi-stage cascade frequency doubling, the laser beams are combined to realize higher power fiber green light and ultraviolet lasers.

[0021]

The working steps of the high repetition frequency, sub-nanosecond all-fiber green light and ultraviolet laser are as follows:

[0022]

1) First use a single-frequency continuous narrow linewidth dfb

‑

The ld semiconductor seed source laser 113, the seed source signal it emits is coupled and output by the polarization maintaining fiber and then enters the port 1 of the circulator 101, and then outputs from the port 2 and passes through a

After the mode selects a high-inversion grating msg and a polarization controller, it is output from port 3 and passes through two cascaded Machs.

‑

After modulation by the Zehnder intensity modulator 114, an adjustable sub-nanosecond seed light pulse signal is obtained;

[0023]

2) The sub-nanosecond seed source light pulse signal first undergoes first-level amplification, and the first-level amplification adopts the amplification structure of double-ended single-mode wdm103, and then enters the second-level amplification after passing through the all-fiber analog adapter mfa;

[0024]

3) The second-stage amplification adopts the reverse pumping method to realize the second-stage amplification, and the power of the incoming seed light is increased to the level of 0.5-1w, and then enters the third-stage amplification through the all-fiber analog adapter mfa;

[0025]

4) The large-mode field ytterbium-doped chiral fiber 106 is used in the three-stage amplification, and a tilted fbg fiber grating is integrated at the tail end of the large-mode field ytterbium-doped chiral fiber 106 for mode control and adjustment, In the three-stage amplification, the 6+1) combiner beam combiner 117 is used for reverse pumping, and five groups of 130w 976nm-locked pump sources are used for pumping, and a pigtail is left for the polarization state of the signal light. Monitoring and analysis, while actively feeding back to the polarization controller at the seed source;

[0026]

5) According to the monitoring and analysis of the polarization state of the fundamental frequency light of the three-stage amplification, real-time self-adaptive feedback and regulation of the polarization state of the seed source end, to achieve the fundamental frequency light amplification of the best extinction ratio, through the three-stage all-fiber The amplified fundamental frequency light of hundreds of watts passes through the double-stage spatial optical isolator 108 , the collimating lens 109 and the focusing lens 110 and then undergoes an external cavity frequency doubling module. The external cavity frequency doubling module uses multiple groups of lithium triborate crystals 111 in series and cascade frequency doubling to further improve the frequency doubling efficiency of the fundamental frequency light. By optimizing the external cavity frequency doubling structure and parameters, and multiple groups of The optimized design of lithium triborate crystal 111 achieves the final high efficiency and frequency doubling of more than 65%, and obtains green lasing with high power, high beam quality and high peak power;

[0027]

6) Finally, a dichromatic mirror is set at the output end to filter out the participating infrared fundamental frequency light to obtain the final output green light.

[0028]

Compared with the prior art, the beneficial effects of the present invention are:

[0029]

1) The patent of the present invention proposes an all-fiber, high repetition frequency, high average power green laser solution. The all-fiber solution ensures stability and reliability, which has been verified in the application of high-power continuous fiber lasers;

[0030]

2) Da diese technische Lösung die Mopa-Hauptoszillationsleistungsverstärkungsstruktur annimmt, ist es ein Hochleistungsimpulsausgang, der durch mehrstufige Verstärkung einer Halbleiter-Seed-Quelle realisiert wird, deren Impulsbreite und Wiederholungsfrequenz willkürlich eingestellt werden können. Die Frequenz hat einen großen Einstellbereich und kann auch eine hohe Wiederholfrequenz von Hz bis 100 MHz und eine ultraschmale Impulsbreitenabstimmung von 50 ps bis 2 ns erreichen;

[0031]

3) Schließlich, weil die mit Verstärkungsmedium dotierte Verstärkungsfaser des Faserlasers ein sehr großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen im Vergleich zu dem im Festkörper verwendeten Volumenkristall mit Verstärkungsmedium hat und die Wärmeableitungskapazität viel höher ist als die des Festkörpers Laser kann die mittlere Leistung des Faserlasers mehrere Kilowatt oder sogar Zehntausende Watt erreichen, er kann den steigenden Leistungsbedarf in der industriellen Bearbeitung voll decken.

Beschreibung der Zeichnungen

[0032]

Fig. 1 ist ein schematisches Strukturdiagramm eines grünen und ultravioletten Vollfaserlasers mit hoher Wiederholungsfrequenz im Subnanosekundenbereich.

[0033]

Fig. 2 ist ein schematisches Strukturdiagramm eines kaskadierten Mach-Zehnder-Intensitätsmodulators in einem Sub-Nanosekunden-Vollfaser-Grünlicht- und Ultraviolettlaser mit hoher Wiederholungsfrequenz.

[0034]

3 ist ein schematisches Strukturdiagramm einer abstimmbaren Impulsbreitenwellenform von 150 ps–2 ns in einem Vollfaser-Grünlicht- und Ultraviolettlaser mit hoher Wiederholungsfrequenz im Subnanosekundenbereich.

[0035]

4 ist ein schematisches Strukturdiagramm eines Feedback-Bias-Steuerungsschemas eines Mach-Zehnder-Intensitätsmodulators mzim in einem Sub-Nanosekunden-Vollfaser-Grün- und Ultraviolettlaser mit hoher Wiederholungsfrequenz.

[0036]

Fig. 5 ist ein schematisches Strukturdiagramm eines Mehrkristall-Kaskadenschemas in einem Grün- und Ultraviolett-Vollfaserlaser mit hoher Wiederholungsfrequenz im Subnanosekundenbereich.

[0037]

FEIGE. Fig. 6 ist ein schematisches Strukturdiagramm eines Leistungsverstärkungsschemas zum Kombinieren mehrerer Laser in einem Sub-Nanosekunden-Vollfaser-Grünlicht- und Ultraviolettlaser mit hoher Wiederholungsfrequenz.

Detaillierte Wege

[0038]

Die technischen Lösungen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend in Verbindung mit spezifischen Ausführungsformen ausführlicher beschrieben.

[0039]

Siehe Abbildung 1, ein grüner und ultravioletter Vollfaserlaser mit hoher Wiederholung im Sub-Nanosekundenbereich, einschließlich eines dfb mit schmaler Linienbreite bei Einzelfrequenz-CW

-

ld Halbleiter-Seed-Source-Laser 113, der dfb

-

Der Zirkulator 101, das Gitter msg und das Mach sind nacheinander auf der Achse des Ausgangsendes des ld-Halbleiter-Seed-Lasers 113 angeordnet

-

Zehnder Intensity Modulator 114, zwei Machs in Kaskade

-

Nachdem es durch den Zehnder-Intensitätsmodulator 11 moduliert wurde, wird ein einstellbares optisches Seed-Source-Impulssignal im Sub-Nanosekunden-Bereich erhalten, und das optische Seed-Source-Impulssignal im Sub-Nanosekundenbereich wird sequentiell einer Erstpegelverstärkung, einer Zweitpegelverstärkung und einer Drittpegelverstärkung unterzogen Verstärkung und kaskadierte Frequenzwandlung, um eine hocheffiziente Frequenzverdopplung zu erreichen;

[0040]

Die kontinuierliche schmale Einzelfrequenz-Linienbreite dfb

-

Die Leistung des Halbleiter-Seed-Source-Lasers 113 beträgt 30 mW

-

100 mW, das Sub-Nanosekunden-Lichtimpulssignal der Seed-Quelle ist ein einstellbares Impulssignal mit einem hohen Extinktionsverhältnis von 50–60 dB und einer Impulsbreite von 150 ps–2 ns.

[0041]

Insbesondere umfasst die Verstärkung der ersten Stufe einen polarisationserhaltenden Isolatorfilter 102 , eine Ytterbium-dotierte Faser 104 , eine Pumpquelle ld115 mit einer verriegelten Wellenlänge von 976 nm und eine Verstärkungsstruktur eines doppelendigen Einmoden-WDM 103 . Die Faser der Ytterbium-dotierten Faser 104 Der Kern ist 5 &mgr;m dick und der Mantel ist 130 &mgr;m dick; die Verstärkung der zweiten Stufe umfasst einen Vollfaser-Analogadapter MFA, einen polarisationserhaltenden Isolatorfilter 102 , eine Ytterbium-dotierte Faser 104 , einen (2+1)-Kombinator 103 und eine verriegelte Wellenlänge von 976 nm. Die Pumpquelle ld115 der Ytterbium-dotierten Faser 104 hat einen Kern von 12 µm und einen Mantel von 130 µm; die dreistufige Verstärkung umfasst einen Vollfaser-Analogadapter MFA, einen polarisationserhaltenden Isolatorfilter 102, eine Ytterbium-dotierte Hand-A-chirale Faser 106 mit großem Modenfeld, einen (6+1)-Kombinierer 117, ein fbg-Fasergitter, eine Pumpquelle ld115 mit einer verriegelten Wellenlänge von 976 nm und einen Polarisationsanalysator 107, der Kern der Ytterbium-dotierten chiralen Faser 106 mit großem Modenfeld ist 33 um, die Mantelschicht ist 125 um; die kaskadierte Frequenzumwandlung umfasst einen zweistufigen räumlichen optischen Isolator 108 , eine Kollimationslinse 109 , eine Fokussierlinse 110 und einen Lithiumtriborat-Kristall 111 , die in Reihe angeordnet sind.

[0042]

Als weitere Lösung des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung sei auf Fig. 7 verwiesen. 2, die Einzelfrequenz kontinuierliche schmale Linienbreite dfb

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Der Halbleiter-Seed-Laser 113 ist um zwei Mach kaskadiert

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Der Zehnder-Intensitätsmodulator führt zwei aufeinanderfolgende Modulationen durch. Die Modulationsbandbreite der beiden Lithiumniobat-Mach-Zehnder-Intensitätsmodulatoren beträgt 10 GHz und die Anstiegsflankenzeit 70 ps. Der HF-Eingang der beiden kaskadierten Intensitätsmodulatoren Das Signal, die Eingangsspannungsamplitude und die Modulationsimpulsbreite sind alle gleich, siehe Abbildung 3, der erzeugte Impuls hat eine rechteckige Wellenform mit scharfen ansteigenden und abfallenden Flanken, die Impulsbreite und die Wiederholungsrate sind τ bzw. 1/t und das statische Extinktionsverhältnis (ser). Wenn kein elektrisches Signal in den HF-Port des Mach-Zehnder-Intensitätsmodulators eingegeben wird, ist das Extinktionsverhältnis des Signallichts nach dem Durchgang durch den Modulator:

[0043] [0044]

wo p

Mindest

ist die minimale Ausgabe, die erhalten wird, um die DC-Vorspannung des DC-Anschlusses einzustellen, p