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) La fibra quiral 106 dopada con iterbio de campo modal grande se usa en la amplificación de tres etapas, y una rejilla de fibra fbg inclinada está integrada en el extremo de la fibra quiral 106 dopada con iterbio de campo modal grande para control de modo y ajuste, En la amplificación de tres etapas, el combinador de haz combinador 6+1) 117 se usa para el bombeo inverso, y cinco grupos de fuentes de bomba bloqueadas de 130w 976nm se usan para bombear, y se deja una coleta para el estado de polarización del luz de señal. Monitoreo y análisis, mientras se retroalimenta activamente al controlador de polarización en la fuente de semillas;

[0026]

5) De acuerdo con el monitoreo y análisis del estado de polarización de la luz de frecuencia fundamental de la amplificación de tres etapas, retroalimentación autoadaptativa en tiempo real y regulación del estado de polarización del extremo de la fuente de semillas, para lograr la amplificación de luz de frecuencia fundamental de la mejor relación de extinción, a través de la fibra de tres etapas La luz de frecuencia fundamental amplificada de cientos de vatios pasa a través del aislador óptico espacial de doble etapa 108, la lente de colimación 109 y la lente de enfoque 110 y luego se somete a una frecuencia de cavidad externa módulo de duplicación. El módulo de duplicación de frecuencia de cavidad externa utiliza múltiples grupos de cristales de triborato de litio 111 en serie y duplicación de frecuencia en cascada para mejorar aún más la eficiencia de duplicación de frecuencia de la luz de frecuencia fundamental.

[0027]

6) Finalmente, se establece un espejo dicromático en el extremo de salida para filtrar la luz de frecuencia fundamental infrarroja participante para obtener la luz verde de salida final.

[0028]

En comparación con el estado de la técnica, los efectos beneficiosos de la presente invención son:

[0029]

1) La patente de la presente invención propone una solución de láser verde de alta potencia media, alta frecuencia de repetición y totalmente fibra. La solución totalmente de fibra garantiza estabilidad y confiabilidad, lo que se ha verificado en la aplicación de láseres de fibra continua de alta potencia;

[0030]

2) Dado que esta solución técnica adopta la estructura de amplificación de potencia de oscilación principal de mopa, es una salida de pulso de alta potencia realizada por amplificación multietapa de una fuente de semilla semiconductora cuyo ancho de pulso y frecuencia de repetición se pueden ajustar arbitrariamente. La frecuencia tiene un amplio rango de ajuste, y también puede lograr una alta frecuencia de repetición de hz a 100 mhz y un ajuste de ancho de pulso ultra estrecho de 50ps a 2ns;

[0031]

3) Finalmente, debido a que la fibra de ganancia dopada con medio de ganancia del láser de fibra tiene una relación de área de superficie a volumen muy grande en comparación con el cristal a granel de medio de ganancia utilizado en estado sólido, y la capacidad de disipación de calor es mucho mayor que la del sólido. láser, la potencia promedio del láser de fibra puede ser Para lograr varios kilovatios o incluso decenas de miles de vatios, puede satisfacer completamente la creciente demanda de energía en el procesamiento industrial.

Descripción de dibujos

[0032]

La Figura 1 es un diagrama estructural esquemático de un láser verde y ultravioleta de alta frecuencia de repetición, sub-nanosegundos, totalmente de fibra.

[0033]

La figura 2 es un diagrama estructural esquemático de un modulador de intensidad Mach-Zehnder en cascada en un láser ultravioleta y luz verde de fibra de subnanosegundos de alta frecuencia de repetición.

[0034]

3 es un diagrama estructural esquemático de una forma de onda de ancho de pulso sintonizable de 150ps-2ns en una alta frecuencia de repetición, luz verde de sub-nanosegundos totalmente de fibra y láser ultravioleta.

[0035]

La FIG. 4 es un diagrama estructural esquemático de un esquema de control de polarización de retroalimentación de un modulador de intensidad Mach - Zehnder mzim en un láser verde y ultravioleta de alta frecuencia de repetición, sub-nanosegundos, totalmente de fibra.

[0036]

La Figura 5 es un diagrama estructural esquemático de un esquema de cascada de múltiples cristales en un láser verde y ultravioleta de fibra de subnanosegundos de alta frecuencia de repetición.

[0037]

HIGO. 6 es un diagrama estructural esquemático de un esquema de aumento de potencia para combinar múltiples láseres en una alta frecuencia de repetición, luz verde de fibra de subnanosegundos y láser ultravioleta.

Maneras detalladas

[0038]

Las soluciones técnicas de la presente invención se describirán con más detalle a continuación junto con realizaciones específicas.

[0039]

Consulte la Figura 1, un láser verde y ultravioleta de fibra de subnanosegundos de alta repetición que incluye un dfb de ancho de línea estrecho CW de frecuencia única

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láser de fuente de semilla de semiconductores ld 113, el dfb

-

El circulador 101, el msg de rejilla y el Mach están dispuestos en el eje del extremo de salida del láser de semilla de semiconductor ld 113 en secuencia

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Modulador de intensidad Zehnder 114, dos Machs en cascada

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Después de ser modulada por el modulador de intensidad Zehnder 11, se obtiene una señal de pulso óptico de fuente semilla de subnanosegundos ajustable, y la señal de pulso óptico de fuente semilla de subnanosegundos se somete secuencialmente a amplificación de primer nivel, amplificación de segundo nivel, tercer nivel amplificación y conversión de frecuencia en cascada para lograr una duplicación de frecuencia de alta eficiencia;

[0040]

El dfb de ancho de línea estrecho continuo de frecuencia única

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La potencia del láser de fuente de semillas de semiconductores ld 113 es de 30 mw

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100mw, la señal de pulso de luz de la fuente de semillas de subnanosegundos es una señal de pulso ajustable con una alta relación de extinción de 50-60db y un ancho de pulso de 150ps-2ns.

[0041]

Específicamente, la amplificación de la primera etapa incluye un filtro aislador 102 que mantiene la polarización, una fibra 104 dopada con iterbio, una fuente de bombeo ld115 con una longitud de onda bloqueada de 976 nm y una estructura de amplificación de un wdm103 monomodo de dos extremos. La fibra de la fibra dopada con iterbio 104 El núcleo es de 5 μm y el revestimiento es de 130 μm; la amplificación de segunda etapa incluye un adaptador analógico mfa totalmente de fibra, un filtro aislador que mantiene la polarización 102, una fibra dopada con iterbio 104, un combinador (2+1) 103 y una longitud de onda bloqueada de 976 nm. La fuente de bombeo ld115 de la fibra dopada con iterbio 104 tiene un núcleo de 12 μm y un revestimiento de 130 μm; la amplificación de tres etapas incluye un adaptador analógico mfa totalmente de fibra, un filtro aislador que mantiene la polarización 102, una mano A dopada con iterbio de campo modal fibra quiral 106, un combinador (6+1) 117, una rejilla de fibra fbg, una fuente de bombeo ld115 con una longitud de onda bloqueada de 976 nm y un analizador de polarización 107, el núcleo de la fibra quiral dopada con iterbio de campo modal grande 106 es de 33 um, la capa de revestimiento es de 125 um; la conversión de frecuencia en cascada incluye un aislador óptico espacial de doble etapa 108, una lente de colimación 109, una lente de enfoque 110 y un cristal de triborato de litio 111 dispuestos en secuencia.

[0042]

Como solución adicional de la realización de la presente invención, consulte la FIG. 2, el dfb de ancho de línea estrecho continuo de frecuencia única

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El láser de semilla de semiconductor ld 113 está conectado en cascada por dos Mach

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El modulador de intensidad Zehnder realiza dos modulaciones consecutivas. El ancho de banda de modulación de los dos moduladores de intensidad Mach-Zehnder de niobato de litio es de 10 GHz y el tiempo de flanco ascendente es de 70 ps. La entrada de RF de los dos moduladores de intensidad en cascada La señal, la amplitud del voltaje de entrada y el ancho del pulso de modulación son todos iguales, consulte la Figura 3, el pulso generado tiene una forma de onda rectangular con bordes ascendentes y descendentes agudos, el ancho del pulso y la tasa de repetición son τ y 1/t, respectivamente, y la relación de extinción estática (ser) Cuando no se introduce ninguna señal eléctrica en el puerto de RF del modulador de intensidad Mach-Zehnder, la relación de extinción de la luz de la señal después de pasar por el modulador es:

[0043] [0044]

donde p

min

es la salida mínima obtenida para ajustar el voltaje de polarización de CC del puerto de CC, p