CN103472546A

CN103472546A - 一种激光波长合束器

Info

Publication number: CN103472546A
Application number: CN2013104465179A
Authority: CN
Inventors: 施建宏; 闫大鹏; 李成
Original assignee: Wuhan Raycus Fiber Laser Technologies Co Ltd
Current assignee: Wuhan Raycus Fiber Laser Technologies Co Ltd
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2013-12-25

Abstract

本发明涉及一种激光波长合束器，包括多路激光波长输入信号、多个光栅或者膜片、多个光束整形、输出光纤、耦合透镜以及底座，其特征在于：多个光栅或者膜片、多个光束整形、输出光纤、耦合透镜分别固定在底座上，输入端为多路激光波长输入信号，每路激光波长输入信号对应一个光束整形、一个光栅或者膜片，每路激光波长输入信号分别通过光束整形，形成准直光，经过各自光栅或者膜片以后，使得多路波长的激光在空间上重合、叠加，最后通过耦合透镜，耦合入输出光纤。本发明通过膜片或者光栅的方式，在较小空间内，使得不同波长激光耦合入同一光纤内。该发明，体积小、可靠性高，能够在保证高光束质量的基础上，实现高功率激光合束。

Description

一种激光波长合束器

技术领域：

本发明属于光纤激光器技术领域，涉及一种高功率激光波长合束器，用于将多个不同波长激光器输入的信号，合成为一个输出，达到提高光纤激光器输出功率、同时保证光束质量的目的。

技术背景：

光纤激光器是继传统气体激光器和固体激光器后的第三代新型激光器，具有结构紧凑、寿命长、免维护、光束质量好、节能环保等优点，已成功应用于机械加工、医疗、汽车制造及军事等领域。随着其应用领域的不断拓展，如汽车制造、传播制造等行业中厚金属板的激光器切割和焊接，希望光纤激光器的输出功率达到数千瓦至数十千瓦。

虽然目前单根光纤的输出功率已经突破2000W，但仅限于实验室水平，且由于掺杂光纤内的非线性效应以及热损伤等物理机制的限制，单根光纤输出功率的进一步提升将非常困难，目前成熟的单个光纤激光器功率单元一般功率在1500W左右。

为提高光纤激光器的输出功率，这就需要将多个光纤激光器功率单元合为一束输出，主要有相干合成和非相干合成两种方法。光纤激光器的相干合成结构较为复杂，且不易调节，可靠性、稳定性不佳，目前国内外报道实现最高功率仅为数千瓦，不适合应用于高功率光纤激光器产品中。光纤激光器的非相干合成，已经商用的合成技术是功率合成，其通过把数根激光束通过熔融拉锥，成为一束，再与单根光纤熔接，该方法简单可靠，也能实现高功率输出，但是无法保证较高的光束质量。

本发明客服了相干合成功率不高、稳定性差，功率合成光束质量差等缺陷问题，实现了多束激光，高功率、高光束质量合成。

发明内容：

本发明的目的为了克服现有技术存在的缺陷和问题，提供一种用于光纤激光器功率合成的激光波长合束器，本发明的输入端为多路不同波长的激光信号，通过光学整形，形成准直光，多路准直光，经过各自光栅或者膜片以后，使得不同波长的激光在空间上重合、叠加，最后通过光束整形，耦合入输出光纤。本发明通过膜片或者光栅的方式，在较小空间内，使得不同波长激光耦合入同一光纤内。该发明，体积小、可靠性高，能够在保证高光束质量的基础上，实现高功率激光合束。

一种激光波长合束器，包括多路激光波长输入信号、多个光栅或者膜片、多个光束整形、输出光纤、耦合透镜以及底座，其特征在于：多个光栅或者膜片、多个光束整形、输出光纤、耦合透镜分别固定在底座上，输入端为多路激光波长输入信号，每路激光波长输入信号对应一个光束整形、一个光栅或者膜片，每路激光波长输入信号分别通过光束整形，形成准直光，经过各自光栅或者膜片以后，使得多路波长的激光在空间上重合、叠加，最后通过耦合透镜，耦合入输出光纤。

所述多路激光波长输入信号为光纤输入、半导体单管输入或半导体Bar条输入，经过光束整形以后，形成准直光输入。

所述多路激光波长输入信号为不同波长激光的输入信号。

所述输出光纤的尾端熔接一段端帽，该端帽一端与光纤熔接，另外一端呈圆弧型，使得激光能够准直输出。

所述膜片表面镀膜，该膜层对其对应的输入波长透射，对其他波长反射。

所述光栅对其对应的输入波长透射，对其他波长反射。

所述输出光纤为单包层光纤、多包层光纤、光子晶体光纤、保偏光纤、多芯光纤、光纤束或者有源光纤。

所述的基座的材料为硅化铝材料。

附图说明：

图1是本发明实施例提供的的主视图。

图2是本发明的端帽制作的示意图。

图3是本发明的膜片镀膜反射曲线图。

图4是波长合成以后，波长与功率曲线图。

图5a、图5b分别是输入激光的光束质量示意图。

图6a、图6b分别是输出激光的光束质量示意图。

具体实施方式：

如图1所示，一种激光波长合束器，包括四路激光波长输入信号、四个光栅或者膜片1、四个光束整形2、输出光纤4、耦合透镜3以及底座，其特征在于：四个光栅或者膜片1、四个光束整形2、输出光纤4、耦合透镜3分别固定在底座上，输入端为四路激光波长输入信号，每路激光波长输入信号对应一个光束整形2、一个光栅或者膜片1，每路激光波长输入信号分别通过光束整形2，形成准直光，经过各自光栅或者膜片1以后，使得四路波长的激光在空间上重合、叠加，最后通过耦合透镜3，耦合入输出光纤4。

以输入激光为3路的光纤信号为例，其制备方法如下：

1、3路输入激光波长分别为：1070nm、1080nm、1090nm，输出光纤为纤芯直径20um、包层直径400um的双包层光纤，NA=0.07，输出激光光束质量M2<1.2。

2、如图2所示，将输入光纤尾部熔接一段直径1.5mm，长度在4-8mm左右，纯石英材料的端帽，端帽一端磨球面，镀AR膜，使得20-400激光从该端帽出射后形成准直激光；该准直光腰斑直径2mm左右。通过选用不同的端帽，来控制光束的工作距离与光斑直径。

3、膜片材料为纯石英材料，厚度为2mm,大小为6mmx6mm，该膜片两面抛光，然后一段镀AR膜，另外一面镀膜要求，在对于波长投射，在其他两个波长反射，如图3所示，入射光为1080+/-1nm波长，该膜层在1080nm透射率>99.9%,在1070nm与1090nm，反射率大于99.9%；

4、经过3次反射以后，最后3束波长的激光在空间上合为一束，最后通过一个透镜，透镜对于3束波长均投射，透镜使得光束耦合入输出光纤，输出光纤直径为25um,NA=0.08,包层为400um。波长合成以后，波长与功率曲线如图4所示。

5、以上各个部件，固定于同一基座上，该基座为硅化铝材料，表面镀金，下面通过加水冷，使得散热更加可靠。

基于该方法，我们已经成功实现3束500W激光如图5a、图5b所示，耦合入单根25-400光纤内如图6a、图6b所示，输出功率1500W，效率大于96.5%，光束质量M²<1.7。

以上镀膜，镀膜面表面需要精细抛光，表面粗糙镀小于0.5nm，镀膜采用离子溅射镀膜，表面损伤阈值高于20J/cm²

以上光纤端帽出射束腰直径一般在2-4mm，端帽制作后，对光束质量畸变小于4%以内。

输出光纤采用以上同样方案制作的端帽，使得激光直接耦合入光纤内，耦合效率高于98%以上。

Claims

1.一种激光波长合束器，包括多路激光波长输入信号、多个光栅或者膜片、多个光束整形、输出光纤、耦合透镜以及底座，其特征在于：多个光栅或者膜片、多个光束整形、输出光纤、耦合透镜分别固定在底座上，输入端为多路激光波长输入信号，每路激光波长输入信号对应一个光束整形、一个光栅或者膜片，每路激光波长输入信号分别通过光束整形，形成准直光，经过各自光栅或者膜片以后，使得多路波长的激光在空间上重合、叠加，最后通过耦合透镜，耦合入输出光纤。

2.如权利要求1所述的激光波长合束器，其特征在于：所述多路激光波长输入信号为光纤输入、半导体单管输入或半导体Bar条输入，经过光束整形以后，形成准直光输入。

3.如权利要求1所述的激光波长合束器，其特征在于：所述多路激光波长输入信号为不同波长激光的输入信号。

4.如权利要求1所述的激光波长合束器，其特征在于：所述输出光纤的尾端熔接一段端帽，该端帽一端与光纤熔接，另外一端呈圆弧型，使得激光能够准直输出。

5.如权利要求1所述的激光波长合束器，其特征在于：所述膜片表面镀膜，该膜层对其对应的输入波长透射，对其他波长反射。

6.如权利要求1所述的激光波长合束器，其特征在于：所述光栅对其对应的输入波长透射，对其他波长反射。

7.如权利要求1所述的激光波长合束器，其特征在于：所述输出光纤为单包层光纤、多包层光纤、光子晶体光纤、保偏光纤、多芯光纤、光纤束或者有源光纤。

8.如权利要求1所述的激光波长合束器，其特征在于：所述的基座的材料为硅化铝材料。