CN103605184B - 千瓦级高隔离度在线型光隔离器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种千瓦级高隔离度在线型光隔离器，沿正向光入射光轴上依次设有剥模器a、准直器a、法拉第旋光器a、1/2波片a、法拉第旋光器b、1/2波片b、准直器b和剥模器b，准直器a和法拉第旋光器a之间设有偏振分束器a，1/2波片a和法拉第旋光器b之间依次设有偏振分束器b和偏振分束器c，1/2波片b与准直器b之间设有偏振分束器d，光隔离器还设有冷却封装装置，偏振分束器a和偏振分束器c一侧的冷却封装装置的内壁上设有窗口片。与传统技术相比，该光隔离器的工作性能稳定，而且具有插入损耗小、散热效率高以及隔离度高的优点，能够适用于大功率激光器应用条件下的纵多领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种光隔离器，尤其是一种千瓦级高隔离度在线型光隔离器，属于高端激光加工，即激光切割、激光焊接、激光雕刻及激光3D打印等、激光武器、激光雷达通信及激光传感领域等高端科技领域的应用。
背景技术
随着科技的进步和时代的发展，激光从一个遥不可及的高科技产品逐渐在通讯、国防工业、民用工业以及医学领域中得到广泛的应用。光隔离器是激光和光纤通讯领域中不可或缺的光学元件。在高端大功率激光器应用中，大功率光隔离器是关键的核心器件，为大功率激光的正常运行提供可靠保障。高端半导体激光器、高端光放大器以及高端光纤激光器加工系统等高端激光应用领域中，对于来自各熔接点、各光学通过面及所加工之表面所产生的反射光由大功率的原因，反射光能量对系统的影响是非常敏感和致命的，后向传输光可能会导致光学系统中各光学器件的性能恶化甚至损坏，轻者激光器出光不稳定，重者损坏激光器。目前所使用的光隔离器功率很小，而且光隔离器的隔离度很低，极大程度地制约了千瓦级高端光纤激光器的发展。因此，开发一种较高功率的和工作稳定性更好的高隔离度的光隔离器迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的在于提供一种千瓦级高隔离度在线型光隔离器，该光隔离器工作性能稳定，而且具有插入损耗小、散热效率高和隔离度高的优点，能很好地被用于大功率脉冲激光器等光学领域中。
本发明的技术方案：一种千瓦级高隔离度在线型光隔离器，沿正向光入射光轴上依次设有剥模器a、准直器a、法拉第旋光器a、1/2波片a、法拉第旋光器b、1/2波片b、准直器b和剥模器b，准直器a和准直器b上均包括光纤尾纤、端帽和透镜，准直器a和法拉第旋光器a之间设有偏振分束器a，1/2波片a和法拉第旋光器b之间依次设有偏振分束器b和偏振分束器c，1/2波片b与准直器b之间设有偏振分束器d，剥模器a、准直器a、偏振分束器a、法拉第旋光器a、1/2波片a、偏振分束器b、偏振分束器c、法拉第旋光器b、1/2波片b、偏振分束器d、准直器b均设于冷却封装装置内，偏振分束器a和偏振分束器c一侧的冷却封装装置的内壁上设有F：-5～0mm窗口片。其中剥模器a可以剥除从纤芯漏到内包层中传输的高阶模式的激光等有害光，减小了有害光对光传播效率的影响，采用端帽和透镜组合的准直器可以承载的功率较大，窗口片可以将反向光打散，减小单位面积上光的强度，也可以提高准直器的承载功率。
前述的千瓦级高隔离度在线型光隔离器中，偏振分束器a、偏振分束器b、偏振分束器c和偏振分束器d均由1个三角形分光晶体和1个平行四边形分光晶体组成，偏振分束器a、偏振分束器b、偏振分束器c和偏振分束器d上均设有高反膜。
前述的千瓦级高隔离度在线型光隔离器中，所述偏振分束器a由2个三角形分光晶体和1个平行四边形分光晶体组成，偏振分束器b、偏振分束器c和偏振分束器d均由1个三角形分光晶体和1个平行四边形分光晶体组成，偏振分束器b、偏振分束器c和偏振分束器d上均设有高反膜，偏振分束器a的入射光的一侧设有45度反光镜，冷却封装装置内与45度反光镜相对应的位置的内壁上设有F:-5～0mm的窗口片。
前述的千瓦级高隔离度在线型光隔离器中，所述偏振分束器a由4个三角形分光晶体组成，偏振分束器b和偏振分束器d均由2个三角形分光晶体和1个平行四边形分光晶体组成，偏振分束器c由1个三角形分光晶体和1个平行四边形分光晶体组成，偏振分束器c上设有高反膜；偏振分束器a的入射光的一侧设有45度反光镜，冷却封装装置内与45度反光镜相对应的位置的内壁上设有F:-5～0mm的窗口片。
前述的千瓦级高隔离度在线型光隔离器中，高反膜与光轴夹角为45°。分光晶体可以把入射的非偏振光分成两束垂直的光线，其中P光完全通过，而S光以45°角被反射，出射方向与P光成90度角；高反膜能将S光反射进入法拉第旋光器a中。
前述的千瓦级高隔离度在线型光隔离器中，准直器a与偏振分束器a之间设有光阑a,偏振分束器b与偏振分束器c之间设有光阑c，偏振分束器d和准直器b之间设有光阑b。正向光几乎可以无损通过，而反向光可以被光阑遮挡或者反射，只有极少量的反向光通过。
前述的千瓦级高隔离度在线型光隔离器中，所述冷却封装装置包括壳体、冷却腔、冷却介质入口和冷却介质出口，所述壳体的其中一端设有冷却介质入口和冷却介质出口，冷却介质入口设于壳体的下方，冷却介质出口设于壳体的上方，壳体的外壁与内壁之间为中空结构，所述冷却介质入口和冷却介质出口与该中空结构连接，冷却腔设置在壳体内的两端，冷却腔与中空结构连通，剥模器a和剥模器b均设于冷却腔内。
前述的千瓦级高隔离度在线型光隔离器中，冷却封装装置内设有冷却介质，冷却介质可采用水或者油。
前述的千瓦级高隔离度在线型光隔离器中，光纤尾纤与端帽相熔接。
与传统技术相比，本发明能够提供一种千瓦级高隔离度在线型光隔离器，该光隔离器的工作性能稳定，而且具有插入损耗小、散热效率高和隔离度高的优点，能够适用于千瓦级大功率脉冲激光器等光学领域中，所述千瓦级的光隔离器是指额定功率在1000瓦以上。
通过采用双极设计充分实现光隔离器的高隔离度。
通过设置冷却装置，使冷却介质直接与光学器件热承直接接触，极大地提高了散热效果，从而提高了光隔离器的稳定性，使其在长时间的大功率工作状态下，依然能够保持稳定的工作状态。
通过设置剥模器，能够剥除从纤芯漏到内包层中传输的高阶模式的激光等有害光，减小了有害光对光传播效率的影响。采用端帽和透镜组合的准直器可以承载的功率较大，这些改进点都是本发明能够适用于千瓦以上的大功率脉冲激光器的关键。
通过设置窗口片，可以将反向光打散，减小单位面积上光的强度，有效防止反向光损坏冷却封装装置。
附图说明
图1、图3和图5是正向光进入光隔离器的光路图；
图2、图4和图6是反向光进入光隔离器的光路图。
附图中的标记为：1-光阑a，2-光纤尾纤，3-准直器a，4-偏振分束器a,5-法拉第旋光器a,6-1/2波片a,7-偏振分束器b,8-高反膜,9-偏振分束器d，10-准直器b，11-45度反光镜，12-冷却封装装置，13-窗口片，14-剥模器a，15-端帽，16-透镜，17-光阑b，20-壳体，21-冷却腔，22-冷却介质入口，23-冷却介质出口，24-剥模器b，25-光阑c，26-偏振分束器c，27-法拉第旋光器b，28-1/2波片b。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
本发明的实施例1：如图1、图2所示，一种千瓦级高隔离度在线型光隔离器，沿正向光入射光轴上依次设有剥模器a14、准直器a3、法拉第旋光器a5、1/2波片a6、法拉第旋光器b27、1/2波片b28、准直器b10和剥模器b24，准直器a3和准直器b10上均包括光纤尾纤2、端帽15和透镜16，准直器a3和法拉第旋光器a5之间设有偏振分束器a4，1/2波片a6和法拉第旋光器b27之间依次设有偏振分束器b7和偏振分束器c26，1/2波片b28与准直器b10之间设有偏振分束器d9，剥模器a14、准直器a3、偏振分束器a4、法拉第旋光器a5、1/2波片a6、偏振分束器b7、偏振分束器c26、法拉第旋光器b27、1/2波片b28、偏振分束器d9、准直器b10均设于冷却封装装置12内，偏振分束器a4和偏振分束器c26一侧的冷却封装装置12的内壁上设有F:-3mm窗口片13。所述偏振分束器a4、偏振分束器b7、偏振分束器c26和偏振分束器d9均由1个三角形分光晶体和1个平行四边形分光晶体组成，偏振分束器a4、偏振分束器b7、偏振分束器c26和偏振分束器d9上均设有高反膜8。高反膜8与光轴夹角为45°。准直器a3与偏振分束器a4之间设有光阑a1,偏振分束器b7与偏振分束器c26之间设有光阑c25，偏振分束器d9和准直器b10之间设有光阑b17。所述冷却封装装置12包括壳体20、冷却腔21、冷却介质入口22和冷却介质出口23，所述壳体20的其中一端设有冷却介质入口22和冷却介质出口23，冷却介质入口22设于壳体20的下方，冷却介质出口23设于壳体20的上方，壳体20的外壁与内壁之间为中空结构，所述冷却介质入口22和冷却介质出口23与该中空结构连接，冷却腔21设置在壳体20内的两端，冷却腔21与中空结构连通，剥模器a14和剥模器b24均设于冷却腔21内。冷却封装装置12内设有冷却介质。光纤尾纤2与端帽15相熔接。
本发明的实施例2：如图3、图4所示，一种千瓦级高隔离度在线型光隔离器，沿正向光入射光轴上依次设有剥模器a14、准直器a3、法拉第旋光器a5、1/2波片a6、法拉第旋光器b27、1/2波片b28、准直器b10和剥模器b24，准直器a3和准直器b10上均包括光纤尾纤2、端帽15和透镜16，准直器a3和法拉第旋光器a5之间设有偏振分束器a4，1/2波片a6和法拉第旋光器b27之间依次设有偏振分束器b7和偏振分束器c26，1/2波片b28与准直器b10之间设有偏振分束器d9，剥模器a14、准直器a3、偏振分束器a4、法拉第旋光器a5、1/2波片a6、偏振分束器b7、偏振分束器c26、法拉第旋光器b27、1/2波片b28、偏振分束器d9、准直器b10均设于冷却封装装置12内，偏振分束器a4和偏振分束器c26一侧的冷却封装装置12的内壁上设有F:-5mm的窗口片13。所述偏振分束器a4由2个三角形分光晶体和1个平行四边形分光晶体组成，偏振分束器b7、偏振分束器c26和偏振分束器d9均由1个三角形分光晶体和1个平行四边形分光晶体组成，偏振分束器b7、偏振分束器c26和偏振分束器d9上均设有高反膜8，偏振分束器a4的入射光的一侧设有45度反光镜11，冷却封装装置12内与45度反光镜11相对应的位置的内壁上设有F:-5mm的窗口片13。高反膜8与光轴夹角为45°。准直器a3与偏振分束器a4之间设有光阑a1,偏振分束器b7与偏振分束器c26之间设有光阑c25，偏振分束器d9和准直器b10之间设有光阑b17。所述冷却封装装置12包括壳体20、冷却腔21、冷却介质入口22和冷却介质出口23，所述壳体20的其中一端设有冷却介质入口22和冷却介质出口23，冷却介质入口22设于壳体20的下方，冷却介质出口23设于壳体20的上方，壳体20的外壁与内壁之间为中空结构，所述冷却介质入口22和冷却介质出口23与该中空结构连接，冷却腔21设置在壳体20内的两端，冷却腔21与中空结构连通，剥模器a14和剥模器b24均设于冷却腔21内。冷却封装装置12内设有冷却介质。光纤尾纤2与端帽15相熔接。
本发明的实施例3：如图5、图6所示，一种千瓦级高隔离度在线型光隔离器，沿正向光入射光轴上依次设有剥模器a14、准直器a3、法拉第旋光器a5、1/2波片a6、法拉第旋光器b27、1/2波片b28、准直器b10和剥模器b24，准直器a3和准直器b10上均包括光纤尾纤2、端帽15和透镜16，准直器a3和法拉第旋光器a5之间设有偏振分束器a4，1/2波片a6和法拉第旋光器b27之间依次设有偏振分束器b7和偏振分束器c26，1/2波片b28与准直器b10之间设有偏振分束器d9，剥模器a14、准直器a3、偏振分束器a4、法拉第旋光器a5、1/2波片a6、偏振分束器b7、偏振分束器c26、法拉第旋光器b27、1/2波片b28、偏振分束器d9、准直器b10均设于冷却封装装置12内，偏振分束器a4和偏振分束器c26一侧的冷却封装装置12的内壁上设有F:0mm窗口片13。所述偏振分束器a4由4个三角形分光晶体组成，偏振分束器b7和偏振分束器d9均由2个三角形分光晶体和1个平行四边形分光晶体组成，偏振分束器c26由1个三角形分光晶体和1个平行四边形分光晶体组成，偏振分束器c26上设有高反膜8；偏振分束器a4的入射光的一侧设有45度反光镜11，冷却封装装置12内与45度反光镜11相对应的位置的内壁上设有F:0mm的窗口片13。高反膜8与光轴夹角为45°。准直器a3与偏振分束器a4之间设有光阑a1,偏振分束器b7与偏振分束器c26之间设有光阑c25，偏振分束器d9和准直器b10之间设有光阑b17。所述冷却封装装置12包括壳体20、冷却腔21、冷却介质入口22和冷却介质出口23，所述壳体20的其中一端设有冷却介质入口22和冷却介质出口23，冷却介质入口22设于壳体20的下方，冷却介质出口23设于壳体20的上方，壳体20的外壁与内壁之间为中空结构，所述冷却介质入口22和冷却介质出口23与该中空结构连接，冷却腔21设置在壳体20内的两端，冷却腔21与中空结构连通，剥模器a14和剥模器b24均设于冷却腔21内。冷却封装装置12内设有冷却介质。光纤尾纤2与端帽15相熔接。
本发明的工作原理：正向光从光纤尾纤2进入剥模器a14，再经过准直器a3进入偏振分束器a4中，在偏振分束器a4中的分光晶体作用下，将光线分成P光和S光,其中P光穿过分光晶体进入法拉第旋光器a5中，S光被分光晶体反射到高反膜8上，S光在高反膜8的作用下被反射进入法拉第旋光器a5中。两者迅速分开一定角度传输进入45°的法拉第旋光器a5。通过法拉第旋光器a，P光和S光的振动面各自向同一方向旋转了45°。旋转后的P光和S光经过1/2波片a6后，又都向同一方向改变了45°。此时的P光及S光进入偏振分束器b7中，在偏振分束器b7的作用下，将P光和S光合成一束光，合成的光束进入偏振分束器c26，偏振分束器c26再次将光线分成P光和S光，P光和S光穿过法拉第旋光器b27和1/2波片b28进入偏振分束器d9，偏振分束器d9将两束光线再次合成一束光线经过准直器b10和剥模器b24由光纤尾纤2传出，实现了光的正向传输。
反向光通过光纤尾纤2进入准直器b10，再由准直器b10进入偏振分束器b7后，光线被分成P光和S光,P光和S光经过1/2波片a6的作用，其振动面又各自向同一方向改变了45°。由于法拉第效应的非互易性，P光和S光通过法拉第旋光器b27后，偏振方向仍然向同一个方向旋转45°，这样原来的P光和S光在进入偏振分束器c26。P光和S光在偏振分束器c26作用下将其中一束光反射到窗口片13，窗口片使光线分散并被冷却介质吸收。另一束光线进入偏振分束器b7，光线在偏振分束器b7内再次被分成P光和S光，P光和S光经过1/2波片a6和法拉第旋光器a5进入偏振分束器a4，在偏振分束器a4作用下，将光线引致窗口片13上，窗口片使光线再次分散并被冷却介质吸收，释放光的能量。几乎没有光线进入准直器a3中，从而达到了反向高隔离的目的。
其中冷却封装装置12内设有冷却介质，可以将光隔离器产生的热量吸收，改善了光隔离器的工作环境，使光隔离器工作稳定，对光的隔离度较高。
Claims (9)
1.一种千瓦级高隔离度在线型光隔离器，其特征在于：沿正向光入射光轴上依次设有剥模器a（14）、准直器a（3）、法拉第旋光器a（5）、1/2波片a（6）、法拉第旋光器b（27）、1/2波片b（28）、准直器b（10）和剥模器b（24），准直器a（3）和准直器b（10）上均包括光纤尾纤（2）、端帽（15）和透镜（16），准直器a（3）和法拉第旋光器a（5）之间设有偏振分束器a（4），1/2波片a（6）和法拉第旋光器b（27）之间依次设有偏振分束器b（7）和偏振分束器c（26），1/2波片b（28）与准直器b（10）之间设有偏振分束器d（9），剥模器a（14）、准直器a（3）、偏振分束器a（4）、法拉第旋光器a（5）、1/2波片a（6）、偏振分束器b（7）、偏振分束器c（26）、法拉第旋光器b（27）、1/2波片b（28）、偏振分束器d（9）、准直器b（10）均设于冷却封装装置（12）内，偏振分束器a（4）和偏振分束器c（26）一侧的冷却封装装置（12）的内壁上设有窗口片（13）。
2.根据权利要求1所述的千瓦级高隔离度在线型光隔离器，其特征在于：所述偏振分束器a（4）、偏振分束器b（7）、偏振分束器c（26）和偏振分束器d（9）均由1个三角形分光晶体和1个平行四边形分光晶体组成，偏振分束器a（4）、偏振分束器b（7）、偏振分束器c（26）和偏振分束器d（9）上均设有高反膜（8）。
3.根据权利要求1所述的千瓦级高隔离度在线型光隔离器，其特征在于：所述偏振分束器a（4）由2个三角形分光晶体和1个平行四边形分光晶体组成，偏振分束器b（7）、偏振分束器c（26）和偏振分束器d（9）均由1个三角形分光晶体和1个平行四边形分光晶体组成，偏振分束器b（7）、偏振分束器c（26）和偏振分束器d（9）上均设有高反膜（8），偏振分束器a（4）的入射光的一侧设有45度反光镜（11），冷却封装装置（12）内与45度反光镜（11）相对应的位置的内壁上设有F:-5～0mm的窗口片（13）。
4.根据权利要求1所述的千瓦级高隔离度在线型光隔离器，其特征在于：所述偏振分束器a（4）由4个三角形分光晶体组成，偏振分束器b（7）和偏振分束器d（9）均由2个三角形分光晶体和1个平行四边形分光晶体组成，偏振分束器c（26）由1个三角形分光晶体和1个平行四边形分光晶体组成，偏振分束器c（26）上设有高反膜（8）；偏振分束器a（4）的入射光的一侧设有45度反光镜（11），冷却封装装置（12）内与45度反光镜（11）相对应的位置的内壁上设有F:-5～0mm的窗口片（13）。
5.根据权利要求2或3或4所述的千瓦级高隔离度在线型光隔离器，其特征在于：高反膜（8）与光轴夹角为45°。
6.根据权利要求1所述的千瓦级高隔离度在线型光隔离器，其特征在于：准直器a（3）与偏振分束器a（4）之间设有光阑a（1）,偏振分束器b（7）与偏振分束器c（26）之间设有光阑c（25），偏振分束器d（9）和准直器b（10）之间设有光阑b（17）。
7.根据权利要求1所述的千瓦级高隔离度在线型光隔离器，其特征在于：所述冷却封装装置（12）包括壳体（20）、冷却腔（21）、冷却介质入口（22）和冷却介质出口（23），所述壳体（20）的其中一端设有冷却介质入口（22）和冷却介质出口（23），冷却介质入口（22）设于壳体（20）的下方，冷却介质出口（23）设于壳体（20）的上方，壳体（20）的外壁与内壁之间为中空结构，所述冷却介质入口（22）和冷却介质出口（23）与该中空结构连接，冷却腔（21）设置在壳体（20）内的两端，冷却腔（21）与中空结构连通，剥模器a（14）和剥模器b（24）均设于冷却腔（21）内。
8.根据权利要求1所述的千瓦级高隔离度在线型光隔离器，其特征在于：冷却封装装置（12）内设有冷却介质。
9.根据权利要求1所述的千瓦级高隔离度在线型光隔离器，其特征在于：光纤尾纤（2）与端帽（15）相熔接。
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