CN103499890B - 千瓦级准直型隔离器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种千瓦级准直型隔离器，沿正向光入射光轴上依次设有剥模器13、准直器3、法拉第旋光器5、1/2波片6和扩束器17，准直器3上设有光纤尾纤2，准直器3和法拉第旋光器5之间设有偏振分束器a4，1/2波片6的右侧设有偏振分束器b7，准直器3、法拉第旋光器5、1/2波片6、偏振分束器a4以及偏振分束器b7均设于水冷封装装置11内，水冷封装装置11内与偏振分束器a4位置相对应的内壁上设有F：-5～0mm的窗口片12。与传统技术相比，该隔离器中设有水冷封装装置，冷却介质可以吸收隔离器使用过程中产生的热量。该隔离器的工作性能稳定，而且具有插入损耗小、散热效率高的优点，能够适用于大功率脉冲激光器等光学领域中。
Description
技术领域
本发明涉及一种隔离器，尤其是一种高功率的准直型隔离器，属于激光、传感以及光纤通讯技术领域。
背景技术
光隔离器在光纤通信、光信息处理系统、光纤传感以及精密光学测量系统中具有重要的作用。它的作用是防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路系统产生的不良影响。光隔离器是一种只允许光沿一个方向通过，而在相反的方向阻挡光通过的光无源器件。半导体激光器、光放大器以及光纤激光器等对于来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感，后向传输光可能会导致上述光学器件性能恶化甚至损坏，因此需要用光隔离器来阻止反射光。在光纤通信中，通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离。
由于技术瓶颈，目前国内使用的光隔离器功率很小，绝大部分在几瓦到几十瓦之间。虽然小功率的隔离器技术已经成熟，但是大功率的隔离器的技术还在摸索阶段。而且现阶段国内大多数使用的光隔离器性能不太稳定，容易出现插入损耗大、散热效率低等问题，进而导致隔离器的隔离度不高、工作不稳定的后果，严重时甚至会损坏激光器。在此之前，国内还没有出现能用于千瓦级以上的大功率脉冲激光器的光隔离器。随着科学技术以及激光行业的发展，对更大功率的光隔离器提出了新的要求和新的挑战。综上所述，开发一种千瓦级的隔离器势在必行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种千瓦级准直型隔离器，该隔离器工作性能稳定，而且具有插入损耗小、散热效率高的优点，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：一种千瓦级准直型隔离器，沿正向光入射光轴上依次设有剥模器、准直器、法拉第旋光器、1/2波片和扩束器，准直器上从左到右依次设有光纤尾纤、端帽和透镜，准直器和法拉第旋光器之间设有偏振分束器a，1/2波片的右侧设有偏振分束器b，准直器、法拉第旋光器、1/2波片、偏振分束器a以及偏振分束器b均设于水冷封装装置内，水冷封装装置内与偏振分束器a位置相对应的内壁上设有F：-5～0mm的窗口片，其中剥模器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。
前述的一种千瓦级准直型隔离器中，所述偏振分束器a和偏振分束器b由1个三角形棱镜和1个平行四边形棱镜组成。
前述的一种千瓦级准直型隔离器中，所述偏振分束器a和偏振分束器b由4个三角形棱镜组成，其中偏振分束器a一侧还设有反光镜。
前述的一种千瓦级准直型隔离器中，所述偏振分束器a和偏振分束器b由2个三角形棱镜和1个平行四边形棱镜组成，其中偏振分束器a一侧还设有反光镜。
前述的一种千瓦级准直型隔离器中偏振分束器a和偏振分束器b内均设有高反膜和偏振分光膜。
前述的一种千瓦级准直型隔离器中，高反膜和偏振分光膜相平行且与光的轴线方向夹角为45°。偏振分光膜能把入射的非偏振光分成两束垂直的线偏光，其中P偏光完全通过，而S偏光以45°角被反射，出射方向与P光成90度角；高反膜能将S偏光反射进入法拉第旋光器中。
前述的一种千瓦级准直型隔离器中，准直器与偏振分束器a之间设有光阑a，偏振分束器b与扩束器之间从左到右依次设有光阑b和四方棱镜，扩束器右侧还设有光阑c，从左到右的正向光可以无损通过，而反向光可以被光阑遮挡反射，反射掉大量的反向光。
前述的一种千瓦级准直型隔离器中，所述水冷封装装置包括壳体、水冷腔、进水口和出水口，所述壳体的其中一端设有进水口和出水口，进水口设于壳体的下方，出水口设于壳体的上方，壳体的外壁与内壁之间为中空结构，所述进水口和出水口与该中空结构连接，水冷腔设置在壳体内，剥模器设于水冷腔内，水冷腔与中空结构连通。
前述的一种千瓦级准直型隔离器中，水冷封装装置内设有冷却介质，冷却介质可采用水或者油。
前述的一种千瓦级准直型隔离器中，光纤尾纤与端帽相连接。
与传统技术相比，本发明能够提供一种较高功率的准直型隔离器，该隔离器中设有水冷封装装置，冷却介质可以吸收隔离器使用过程中产生的热量，因此，该隔离器的工作性能稳定，而且具有插入损耗小、散热效率高的优点，能够适用于上千瓦的大功率脉冲激光器等光学领域中。
附图说明
图1、图3和图5是正向光进入隔离器光路图；
图2、图4和图6是反向光进入隔离器光路图。
附图中的标记为：1-光阑a，2-光纤尾纤，3-准直器，4-偏振分束器a,5-法拉第旋光器,6-1/2波片,7-偏振分束器b,8-高反膜,9-偏振分光膜，10-反光镜，11-水冷封装装置，12-窗口片，13-剥模器，14-端帽，15-光阑b，16-四方棱镜，17-扩束器，18-光阑c，19-透镜，20-壳体，21-水冷腔，22-进水口，23-出水口。
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，一种千瓦级准直型隔离器，沿正向光入射光轴上依次设有剥模器13、准直器3、法拉第旋光器5、1/2波片6和扩束器17，准直器3上从左到右依次设有光纤尾纤2、端帽14和透镜19，准直器3和法拉第旋光器5之间设有偏振分束器a4，1/2波片6的右侧设有偏振分束器b7，准直器3、法拉第旋光器5、1/2波片6、偏振分束器a4以及偏振分束器b7均设于水冷封装装置11内，水冷封装装置11内与偏振分束器a4位置相对应的内壁上设有一块F：-3mm的窗口片12。所述偏振分束器a4和偏振分束器b7均由1个三角形棱镜和1个平行四边形棱镜组成。偏振分束器a4和偏振分束器b7内均设有高反膜8和偏振分光膜9。高反膜8和偏振分光膜9相平行且与光轴夹角为45°。准直器3与偏振分束器a4之间设有光阑a1，偏振分束器b7与扩束器17之间从左到右依次设有光阑b15和四方棱镜16，扩束器17右侧还设有光阑c18。所述水冷封装装置11包括壳体20、水冷腔21、进水口22和出水口23，所述壳体20的其中一端设有进水口22和出水口23，进水口22设于壳体20的下方，出水口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，所述进水口22和出水口23与该中空结构连接，水冷腔21设置在壳体20内，剥模器13设于水冷腔21内，水冷腔21与中空结构连通。水冷封装装置11内设有冷却介质，冷却介质为水。光纤尾纤2与端帽14相连接。
本发明的实施例2：如图3、图4所示，一种千瓦级准直型隔离器，沿正向光入射光轴上依次设有剥模器13、准直器3、法拉第旋光器5、1/2波片6和扩束器17，准直器3上从左到右依次设有光纤尾纤2、端帽14和透镜19，准直器3和法拉第旋光器5之间设有偏振分束器a4，1/2波片6的右侧设有偏振分束器b7，准直器3、法拉第旋光器5、1/2波片6、偏振分束器a4以及偏振分束器b7均设于水冷封装装置11内，水冷封装装置11内与偏振分束器a4位置相对应的内壁上设有两块F：-5mm的窗口片12。所述偏振分束器a4和偏振分束器b7均由2个三角形棱镜和1个平行四边形棱镜组成，其中偏振分束器a4一侧还设有反光镜10。偏振分束器a4和偏振分束器b7内均设有高反膜8和偏振分光膜9。高反膜8和偏振分光膜9相平行且与光轴夹角为45°。准直器3与偏振分束器a4之间设有光阑a1，偏振分束器b7与扩束器17之间从左到右依次设有光阑b15和四方棱镜16，扩束器17右侧还设有光阑c18。所述水冷封装装置11包括壳体20、水冷腔21、进水口22和出水口23，所述壳体20的其中一端设有进水口22和出水口23，进水口22设于壳体20的下方，出水口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，所述进水口22和出水口23与该中空结构连接，水冷腔21设置在壳体20内，剥模器13设于水冷腔21内，水冷腔21与中空结构连通。水冷封装装置11内设有冷却介质，冷却介质为水。光纤尾纤2与端帽14相连接。
本发明的实施例3：如图5、图6所示，一种千瓦级准直型隔离器，沿正向光入射光轴上依次设有剥模器13、准直器3、法拉第旋光器5、1/2波片6和扩束器17，准直器3上从左到右依次设有光纤尾纤2、端帽14和透镜19，准直器3和法拉第旋光器5之间设有偏振分束器a4，1/2波片6的右侧设有偏振分束器b7，准直器3、法拉第旋光器5、1/2波片6、偏振分束器a4以及偏振分束器b7均设于水冷封装装置11内，水冷封装装置11内与偏振分束器a4位置相对应的内壁上设有两块F：0mm的窗口片12。所述偏振分束器a4和偏振分束器b7均由4个三角形棱镜组成，其中偏振分束器a4一侧还设有反光镜10。偏振分束器a4和偏振分束器b7内均设有高反膜8和偏振分光膜9。高反膜8和偏振分光膜9相平行且与光轴夹角为45°。准直器3与偏振分束器a4之间设有光阑a1，偏振分束器b7与扩束器17之间从左到右依次设有光阑b15和四方棱镜16，扩束器17右侧还设有光阑c18。所述水冷封装装置11包括壳体20、水冷腔21、进水口22和出水口23，所述壳体20的其中一端设有进水口22和出水口23，进水口22设于壳体20的下方，出水口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，所述进水口22和出水口23与该中空结构连接，水冷腔21设置在壳体20内，剥模器13设于水冷腔21内，水冷腔21与中空结构连通。水冷封装装置11内设有冷却介质，冷却介质为油。光纤尾纤2与端帽14相连接。
本发明的工作原理：正向光从光纤尾纤2进入剥模器13中，剥模器13剥离掉残余的泵浦光，再经过准直器3进入偏振分束器a4中，在偏振分束器a4中的偏振分光膜9作用下，将光线分成P光和S光,其中P光穿过偏振分光膜9进入法拉第旋光器5中，S光被偏振分光膜9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5中。两者迅速分开一定角度传输进入45°的法拉第旋光器5。通过法拉第旋光器，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6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，被合成的光经过扩束器17将光路放大，实现了光的正向传输，其中光阑a1、光阑b15以及光阑c17滤除掉一部分有害光。
反向光进入偏振分束器b7后，光线被分成P光和S光,P光和S光经过1/2波片6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5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a4。P光在高反膜8高反膜的作用下被反射并穿过偏振分光膜9射出，S光直接被偏振分光膜9反射，P光和S光耦合成一束光线，合成的光线不能进入准直器3中，从而达到了反向隔离的目标，其中光阑a1、光阑b15以及光阑c17滤除掉大量的有害光。窗口片12可以使光线直接进入冷却介质中，释放光的能量。
其中水冷封装装置11内设有冷却介质，可以将隔离器产生的热量吸收，改善了隔离器的工作环境，使隔离器工作稳定。
Claims (8)
1.一种千瓦级准直型隔离器，其特征在于：沿正向光入射光轴上依次设有剥模器（13）、准直器（3）、法拉第旋光器（5）、1/2波片（6）和扩束器（17），准直器（3）上从左到右依次设有光纤尾纤（2）、端帽（14）和透镜（19），准直器（3）和法拉第旋光器（5）之间设有偏振分束器a（4），1/2波片（6）的右侧设有偏振分束器b（7），准直器（3）、法拉第旋光器（5）、1/2波片（6）、偏振分束器a（4）以及偏振分束器b（7）均设于水冷封装装置（11）内，水冷封装装置（11）内与偏振分束器a（4）位置相对应的内壁上设有F：-5～0mm的窗口片（12）。
2.根据权利要求1所述的一种千瓦级准直型隔离器，其特征在于：所述偏振分束器a（4）和偏振分束器b（7）由1个三角形棱镜和1个平行四边形棱镜组成。
3.根据权利要求1所述的一种千瓦级准直型隔离器，其特征在于：所述偏振分束器a（4）和偏振分束器b（7）由4个三角形棱镜组成，其中偏振分束器a（4）一侧还设有一个反光镜（10）。
4.根据权利要求1所述的一种千瓦级准直型隔离器，其特征在于：所述偏振分束器a（4）和偏振分束器b（7）由2个三角形棱镜和1个平行四边形棱镜组成，其中偏振分束器a（4）一侧还设有一个反光镜（10）。
5.根据权利要求2或3或4所述的一种千瓦级准直型隔离器，其特征在于：偏振分束器a（4）和偏振分束器b（7）内均设有高反膜（8）和偏振分光膜（9）。
6.根据权利要求5所述的一种千瓦级准直型隔离器，其特征在于：高反膜（8）和偏振分光膜（9）相平行且与光轴夹角为45°。
7.根据权利要求1所述的一种千瓦级准直型隔离器，其特征在于：准直器（3）与偏振分束器a（4）之间设有光阑a（1），偏振分束器b（7）与扩束器（17）之间从左到右依次设有光阑b（15）和四方棱镜（16），扩束器（17）右侧还设有光阑c（18）。
8.根据权利要求1所述的一种千瓦级准直型隔离器，其特征在于：所述水冷封装装置（11）包括壳体（20）、水冷腔（21）、进水口（22）和出水口（23），所述壳体（20）的其中一端设有进水口（22）和出水口（23），进水口（22）设于壳体（20）的下方，出水口（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，所述进水口（22）和出水口（23）与该中空结构连接，水冷腔（21）设置在壳体（20）内，剥模器（13）设于水冷腔（21）内，水冷腔（21）与中空结构连通。
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