CN102570253A - 盘式波导激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盘式波导激光器，包括泵浦光源系统和增益组件，增益组件包括由外到内的盘形基体、包层和增益介质，增益介质位于包层内形成与盘面平行的螺旋盘绕结构，泵浦光源系统包括泵浦光源和耦合透镜；本发明采用在盘式机体内形成与盘面平行的螺旋盘绕结构的增益介质，增益介质外包全透光包层，并且，线形泵浦光由侧面的狭缝射入至包层对增益介质实现泵浦，整个激光器结构简单，整体体积小，易于制作，成本低，能实现大功率输出和高效率耦合泵浦。

Description

盘式波导激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，涉及波导激光器，特别涉及一种大功率侧向泵浦盘式波导激光器。

背景技术

光纤激光器具有光束质量好，转换效率高，工作物质热负荷小，制冷要求低，体积小，重量轻，结构简单，使用方便等优点，在多个领域已得到广泛应用，而高效、大功率耦合抽运是大功率光纤激光器的关键技术。

现有技术中，具有采用集中耦合泵浦，把单包层掺杂光纤缠绕集中在一个特定形状的容器内，其间空隙部分用透明树脂填充，容器的内壁镀有对泵浦光高反的反射层。几百瓦乃至上千瓦的多模泵浦激光经过简单整形准直后，被耦合进这个容器，对集中于其中的掺杂纤芯进行泵浦。集中耦合泵浦具有耦合简单、耦合效率高的优点，但单包层光纤没有涂敷层的保护，易断裂；无法在有限的体积内设置较长或者较多的增益介质，如果在光纤制造厂家拉制光纤时将其螺旋缠绕在盘状容器内，则工艺复杂，制造成本高昂。

因此，需要一种较高功率的波导激光器，结构简单，整体体积小，易于制作，成本低，能实现大功率输出和高耦合效率激光泵浦。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种盘式波导激光器，该激光器结构简单，整体体积小，易于制作，成本低，能实现大功率输出和高效率耦合泵浦。

本发明的盘式波导激光器，包括泵浦光源系统和增益组件，所述增益组件包括盘形基体、包层和增益介质，所述包层全透光且位于盘形基体内部，盘形基体与包层接触的表面为向包层内部的全反层，所述增益介质位于包层内形成与盘面平行的螺旋盘绕结构，增益介质位于靠近圆心的端部为反射端，远离圆心的端部设有伸出盘形基体透射窗口形成谐振腔；

泵浦光源系统包括泵浦光源和耦合透镜，所述盘形基体外圆沿圆周方向开有弧形狭缝，所述耦合透镜正对弧形狭缝将泵浦光源的入射光耦合聚焦于环形狭缝射入至包层。

进一步，所述盘形基体包括上基体和下基体，所述包层包括下包层和上包层，所述上基体与下基体封装成整体并形成紧密嵌合包层的容腔，所述容腔内表面镀有高反射膜形成全反层；

所述下包层镀于下基体的上表面的高反射膜上，增益介质镀于下包层上表面并经刻蚀形成平行于盘形基体盘面的螺旋盘绕结构，上包层镀于螺旋盘绕结构上部，与下包层共同形成将螺旋盘绕结构的增益介质全面包裹的单包层光纤结构；

进一步，所述泵浦光源为激光二极管阵列，耦合透镜至少包括设有变焦距变折射率的锥状微柱透镜，耦合后的泵浦光聚焦于盘形基体上的弧形狭缝，且聚焦后的泵浦光为与弧形狭缝相同的弧形；

进一步，还包括冷却系统，所述冷却系统包括冷却驱动装置和设置于盘形基体上的水冷通道或者风冷通道；

进一步，所述泵浦光源系统为多组沿盘形基体外圆周分布，弧形狭缝与多个与泵浦光源系统一一对应沿圆周方向分布于盘形基体；

进一步，所述盘形基体、包层和增益介质、泵浦光源系统和冷却系统封装成一体；

进一步，所述弧形狭缝在圆周方向的长度位于微柱透镜长度方向的投影与微柱透镜的长度相同，且长于激光二极管的发光长度。

本发明的有益效果：本发明的盘式波导激光器，采用在盘式机体内形成与盘面平行的螺旋盘绕结构的增益介质，增益介质外包全透光包层，并且，线形泵浦光由狭缝射入至包层对增益介质实现泵浦，整个激光器结构简单，整体体积小，易于制作，成本低，能实现大功率输出和高耦合效率激光泵浦。

本发明的激光器，可实现集中耦合泵浦，把掺杂光纤集中在一个较大的波导内，激光二极管光束经过简单整形准直后从盘状基体的侧面耦合进波导进行泵浦，耦合简单、耦合效率高；增益介质以及包层可采用镀膜并生长的方式形成，并可利用刻蚀的方式使增益介质螺旋缠绕的环形盘状结构，当然也可采用其它成型方式，成型工艺简单，制造成本低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明的结构原理示意图；

图2为本发明轴向剖视爆炸图；

图3为本发明径向剖视图；

图4为本发明耦合透镜结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明的结构原理示意图，如图所示：本实施例的盘式波导激光器，包括泵浦光源系统和增益组件，所述增益组件包括盘形基体1、包层2和增益介质3，所述包层2全透光且位于盘形基体1内部，盘形基体1与包层2接触的表面为向包层内部的全反层，所述增益介质3位于包层2内其形成与盘面平行的螺旋盘绕结构，增益介质3位于靠近圆心的端部为反射端，远离圆心的端部设有伸出盘形基体的透射窗口8形成谐振腔；也就是，由于螺旋盘绕结构具有两端头，在增益介质3的两端头均刻有波导光栅，内端靠近圆心，刻有高反射率的光栅6，外端为较低反射率的光栅7，两个光栅构成整个激光器的谐振腔；

泵浦光源系统包括泵浦光源4和耦合透镜5，所述盘形基体1外圆沿圆周方向开有弧形狭缝11，所述耦合透镜5正对弧形狭缝11将泵浦光源4的入射光耦合聚焦于环形狭缝11射入至包层2；如图所示，弧形狭缝11贯穿盘形基体1和全反层，以使泵浦光进入。

本实施例中，所述盘形基体1包括上基体1a和下基体1b，所述包层2包括下包层2a和上包层2b，所述上基体1a与下基体1b封装成整体并形成紧密嵌合包层的容腔1c，所述容腔1c内表面镀有高反射膜形成全反层，如图所示，上基体1a镀有高反射膜9，下基体1b镀有高反射膜10；

所述下包层2b镀于下基体1b的上表面的高反射膜10上，增益介质3镀于下包层2b上表面并经刻蚀形成平行于盘形基体1盘面的螺旋盘绕结构，上包层2a镀于螺旋盘绕结构上部，实践中，上包层2a镀的过程中，填充满增益介质刻蚀后留下的空隙，与下包层2b共同形成将螺旋盘绕结构的增益介质3全面包裹的单包层光纤结构；如图所示，上包层2a、下包层2b与增益介质3被封装于盘状基体1中，增益介质3被光刻成螺旋形缠绕的结构，被刻蚀的部分被包层介质填充，从而形成一个环形缠绕的单包层光纤结构；盘状基体1由内、外侧壁与上下表面构成，它们的内表面都镀有对泵浦光全反的高反射膜(图中为高反射膜9和高反射膜10)形成高反层；本实施例中，包层选用透光性能优异，导热性好，热膨胀系数较小的SiO₂；增益介质采用Yb参杂CVD法生长，其参杂比例与现有技术的参Yb的高功率光纤激光器的增益介质参杂比例相同，在实际应用中，在这一参杂比例的基础上实现出光后，再进一步优化参杂沉积工艺与配比，以实现高泵浦效率与低非线性效应；光刻精度控制在0.5u内，增益介质厚度与宽度由设计的输出激光功率确定，通过优化包层与增益层配比以及光刻工艺，实现低数值孔径；由以上结构及其实施工艺可以看出，本发明能够解决如何将光光纤结构螺旋缠绕在盘状容器内的难题，且工艺简单，极大的降低制造成本。

本实施例中，所述泵浦光源4为激光二极管阵列，耦合透镜5至少包括变焦距变折射率的锥状微柱透镜，如图所示，耦合透镜5设有微柱透镜5a和锥状微柱透镜5b，锥状微柱透镜5b为出射透镜，耦合后的泵浦光聚焦于盘形基体1上的弧形狭缝11，且聚焦后的泵浦光为与弧形狭缝相同的弧形；由于激光二极管条的光束经现有技术的耦合透镜整形后只能实现让其聚焦焦斑为一条直线，难以保证聚焦光斑全部通过圆弧形细小狭缝耦合进盘状基体1内；微柱透镜5a和锥状微柱透镜5b为变焦距变折射率微锥状柱透镜，其聚焦光斑可实现与圆弧形细小狭缝相同的形状，从而保证聚焦光斑全部通过细小狭缝耦合进盘状基体内，实现高效耦合；变焦距锥状变折射率微柱透镜通过光刻离子交换工艺制作，在原有制作棒状微柱透镜的基础上，将其细长的矩形离子交换窗口改为梯形离子交换窗口，梯形的高与激光二极管的发光区长度一致或稍长于激光二极管的发光区，上下底的差以及离子交换的深度由以下两个因素确定，一个是金属基底外侧壁的厚度，另一个是入射泵浦光与盘状基体入射点切线之间的夹角，夹角越小，则上下底的差越大；

本实施例中，所述泵浦光源4的泵浦光入射方向与盘形基体1入射点径向线之间的夹角为40°；使得泵浦光在盘形基体内的分布较均匀，同时能够较多的增加反射次数，泵浦方式能有效地减小非线性效应，提高输出光束的质量。

本实施例中，还包括冷却系统，所述冷却系统包括冷却驱动装置和设置于盘形基体1上设有水冷通道或者风冷通道；盘形基体1的上下表面与冷却装置相连设有水冷通道或者风冷通道，根据激光器功率大小，较大时采用水冷、较小则风冷或半导体冷却器冷却；由于冷却系统为现有技术中成熟的技术方案，因而在此不再赘述，图中也无需表示。

本实施例中，所述泵浦光源系统为多组沿盘形基体外圆周分布，弧形狭缝11与多个与泵浦光源系统一一对应沿圆周方向分布于盘形基体1；如图所示，盘状基体1外侧壁开有多个弧形狭缝11(本实施例为4个)，缝宽为0.1mm，弧形狭缝11在圆周方向的长度位于微柱透镜(微柱透镜5a和微柱透镜5b)长度方向的投影与微柱透镜(微柱透镜5a和微柱透镜5b)的长度相同，略长于激光二极管的发光长度；带有硅微通道冷却器的激光二极管条发出的泵浦光束经耦合透镜由弧形狭缝进入盘形基体1对增益介质3泵浦，

本实施例中，增益介质3轴向厚度和径向宽度为10-20um，增益介质3与包层2的体积比为1∶2，具体的增益介质3厚度与宽度由设计的输出激光功率确定，本实施例中，增益介质轴向厚度和径向宽度为15um.

本实施例中，所述盘形基体1、包层2和增益介质3、泵浦光源系统和冷却系统封装成一体结构简单紧凑，体积较小，并实现大功率输出。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种盘式波导激光器，其特征在于：包括泵浦光源系统和增益组件，所述增益组件包括盘形基体、包层和增益介质，所述包层对泵浦光全透且位于盘形基体内部，盘形基体与包层接触的表面为向包层内部的全反层，所述增益介质位于包层内形成与盘面平行的螺旋盘绕结构，增益介质位于靠近圆心的端部为反射端，远离圆心的端部设有伸出盘形基体透射窗口形成谐振腔；

泵浦光源系统包括泵浦光源和耦合透镜，所述盘形基体外圆沿圆周方向开有弧形狭缝，所述耦合透镜正对弧形狭缝将泵浦光源的入射光耦合聚焦于环形狭缝射入至包层。

2.根据权利要求1所述的盘式波导激光器，其特征在于：所述盘形基体包括上基体和下基体，所述包层包括下包层和上包层，所述上基体与下基体封装成整体并形成紧密嵌合包层的容腔，所述容腔内表面镀有高反射膜形成全反层；

所述下包层镀于下基体的上表面的高反射膜上，增益介质镀于下包层上表面并经刻蚀形成平行于盘形基体盘面的螺旋盘绕结构，上包层镀于螺旋盘绕结构上部，与下包层共同形成将螺旋盘绕结构的增益介质全面包裹的单包层光纤结构。

3.根据权利要求2所述的盘式波导激光器，其特征在于：所述泵浦光源为激光二极管阵列，耦合透镜至少包括设有变焦距变折射率的锥状微柱透镜，耦合后的泵浦光聚焦于盘形基体上的弧形狭缝，且聚焦后的泵浦光为与弧形狭缝相同的弧形。

4.根据权利要求3所述的盘式波导激光器，其特征在于：还包括冷却系统，所述冷却系统包括冷却驱动装置和设置于盘形基体上的有水冷通道或者风冷通道。

5.根据权利要求4所述的盘式波导激光器，其特征在于：所述泵浦光源系统为多组沿盘形基体外圆周分布，弧形狭缝与多个与泵浦光源系统一一对应沿圆周方向分布于盘形基体。

6.根据权利要求5所述的盘式波导激光器，其特征在于：所述盘形基体、包层和增益介质、泵浦光源系统和冷却系统封装成一体。

7.根据权利要求6所述的盘式波导激光器，其特征在于：所述弧形狭缝在圆周方向的长度位于微柱透镜长度方向的投影与微柱透镜的长度相同，且长于激光二极管的发光长度。

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