CN103605181B - 百瓦级高隔离度在线型光隔离器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种百瓦级高隔离度在线型光隔离器，包括沿正向光入射光轴上依次设置在冷却装置（11）内的第一剥模器（1）、第一光纤准直器（2）、第一光隔离器芯件（3）、2个对称设置的反射镜（5）、第二光隔离器芯件（24）、第二光纤准直器（4）和第二剥模器（17）；第一光纤准直器（2）和第一光隔离器芯件（3）之间设有小光阑A（30），第二光纤准直器（4）和第二光隔离器芯件（24）之间设有小光阑B（31）。本发明具有高隔离度、散热效果好和工作性能稳定的优点，能够用于大功率脉冲激光器。
Description
技术领域
本发明涉及一种隔离器，特别是一种百瓦级高隔离度在线型光隔离器，属于激光加工，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。
背景技术
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，并可能导致性能恶化甚至损坏，因此需要用光隔离器来阻止反射光。光隔离器是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。它的作用是防止光路中由于各种原因产生的反向传输光对光源以及光路系统产生不良影响。
但是现阶段光隔离器所能承载的功率和能达到的隔离程度都不够高，极大程度地影响了高端百瓦级光纤激光器的发展。因此，高端百瓦级光隔离器和其高隔离度是改善高端光纤激光器性能的一个突破口。
目前国内使用的绝大部分是一些小功率的光隔离器，往往在几瓦到几十瓦之间，达到百瓦级以上的光隔离器很少。因为一旦涉及到高功率往往会因为技术原因，容易出现插入损耗大、散热效果不好等现象，而且现有的光隔离器的隔离度不高、工作稳定性较差。综上所述，开发一种高端百瓦级高隔离度的光隔离器势在必行。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种百瓦级高隔离度在线型光隔离器，它具有高隔离度、散热效果好和工作性能稳定的优点，能很好地被用于大功率脉冲激光器、大功率连续激光器等激光光学应用领域中。
本发明的技术方案：一种百瓦级高隔离度在线型光隔离器，包括沿正向光入射光轴上依次设置在冷却装置内的第一剥模器、第一光纤准直器、第一光隔离器芯件、2个对称设置的反射镜、第二光隔离器芯件、第二光纤准直器和第二剥模器；第一光纤准直器和第一光隔离器芯件之间设有小光阑A，第二光纤准直器和第二光隔离器芯件之间设有小光阑B。通过设置第一剥模器和第二剥模器，可以消去残余的泵浦光，还可以剥除从纤芯漏到内包层中传输的高阶模式的激光。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。
前述的百瓦级高隔离度在线型光隔离器中，所述第一光纤准直器包括第一光尾纤和第一透镜，第一光尾纤通过第一透镜与第一光隔离器芯件的光路连接；该第二光纤准直器包括第二光尾纤和第二透镜，第二光尾纤通过第二透镜与第二光隔离器芯件的光路连接；所述与第一光尾纤和第二光尾纤相连接的光纤的尾部均设有端帽。
前述的百瓦级高隔离度在线型光隔离器中，所述第一光隔离器芯件包括沿正向光入射光轴上依次设置的第一双折射晶体A、法拉第旋光器A、1/2波片A和第二双折射晶体A；所述1/2波片A通过紫外固化胶粘贴在第二双折射晶体A的入光端面上；第二光隔离器芯件包括沿正向光入射光轴上依次设置的第一双折射晶体B、法拉第旋光器B、1/2波片B和第二双折射晶体B；所述1/2波片B通过紫外固化胶粘贴在第二双折射晶体B的入光端面上。
前述的百瓦级高隔离度在线型光隔离器中，还包括磁管A和磁管B，所述法拉第旋光器A设于磁管A内，第一双折射晶体A和第二双折射晶体A分别设于磁管A的两端；法拉第旋光器B设于磁管B内，第一双折射晶体B和第二双折射晶体B分别设于磁管B的两端；法拉第旋光器A和法拉第旋光器B的旋光角度均为45°。
前述的百瓦级高隔离度在线型光隔离器中，第一双折射晶体A、第二双折射晶体A、第一双折射晶体B和第二双折射晶体B均采用YVO4晶体。
前述的百瓦级高隔离度在线型光隔离器中，所述2个反射镜与光轴之间的夹角均为40°～50°；所述反射镜采用陶瓷反射镜、铜镜或高反反射镜。
前述的百瓦级高隔离度在线型光隔离器中，所述2个反射镜与光轴之间的夹角均为45°
前述的百瓦级高隔离度在线型光隔离器中，所述冷却装置包括壳体、冷却腔、进液口和出液口，所述壳体的其中一端设有进液口和出液口，进液口设于壳体的下方，出液口设于壳体的上方，壳体的外壁与内壁之间为中空结构，所述进液口和出液口均与该中空结构连接，壳体内的两端分别设有1个冷却腔，冷却腔与中空结构连通，第一剥模器和第二剥模器分别设设置在2个冷却腔内。通过在壳体的两端分别设置冷却腔，将第一剥模器和第二剥模器分别设置在冷却腔内，实现了第一剥模器和第二剥模器直接与冷却介质接触，使其散热效果更好，从而保证在高功率下器件能够正常工作。
前述的百瓦级高隔离度在线型光隔离器中，所述冷却装置包括壳体、冷却腔、进液口和出液口，所述壳体的两端均设有进液口和出液口，进液口设于壳体的下方，出液口设于壳体的上方，壳体的外壁与内壁之间为中空结构，所述进液口和出液口均与该中空结构连接，壳体内的两端分别设有1个冷却腔，冷却腔与中空结构连通，第一剥模器和第二剥模器分别设设置在2个冷却腔内。
前述的百瓦级高隔离度在线型光隔离器中，所述壳体内与反射镜位置相对应的内壁上设有F：-10～0mm的窗口片。
与现有技术相比，本发明通过设置冷却装置，有效提高了散热效果，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。通过在壳体的内壁上设置窗口片，能够将沿光路反射回来的光束发散到冷却介质中，有效防止反射光直接照射到内壁上，一方面起到保护内壁的作用，另一方面能够更有效地散热。
通过设置剥模器，在光入射到准直器前先将其进行剥模处理，剥除有害光，还可以剥除从纤芯漏到内包层中传输的高阶模式的激光，有效保护准直器。采用端帽和透镜组合的准直器可以使其比传统准直器承载更大的功率。
通过设置2个光隔离器芯件并配合2个对称设置的反射镜共同使用，使本发明充分实现了光隔离器的高隔离度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图及正向通光示意图；
图2是本发明一端设有进、出液口的结构示意图及反向通光示意图；
图3是本发明两端均设有进、出液口的结构示意图及正向通光示意图；
图4是本发明两端均设有进、出液口的结构示意图及反向通光示意图；
图5是壳体一端设有进、出液口的结构示意图；
图6是壳体两端均设有进、出液口的结构示意图。
附图中的标记为：1-第一剥模器，2-第一光纤准直器，3-第一光隔离器芯件，4-第二光纤准直器，5-反射镜，6-第一双折射晶体A，7-法拉第旋光器A，8-1/2波片A，9-第二双折射晶体A，10-光纤，11-冷却装置，12-第一光尾纤，13-第一透镜，14-第二光尾纤，15-第二透镜，16-磁管A，17-第二剥模器，18-端帽，19-窗口片，20-壳体，21-冷却腔，22-进液口，23-出液口，24-第二光隔离器芯件，25-第一双折射晶体B，26-法拉第旋光器B，27-1/2波片B，28-第二双折射晶体B，29-磁管B，30-小光阑A，31-小光阑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详细说明，但并不作为对本发明做任何限制的依据。
本发明的实施例1：如图1所示，一种百瓦级高隔离度在线型光隔离器，包括沿正向光入射光轴上依次设置在冷却装置11内的第一剥模器1、第一光纤准直器2、第一光隔离器芯件3、2个对称设置的反射镜5、第二光隔离器芯件24、第二光纤准直器4和第二剥模器17；第一光纤准直器2和第一光隔离器芯件3之间设有小光阑A30，第二光纤准直器4和第二光隔离器芯件24之间设有小光阑B31。第一光纤准直器2包括第一光尾纤12和第一透镜13，第一光尾纤12通过第一透镜13与第一光隔离器芯件3的光路连接；该第二光纤准直器4包括第二光尾纤14和第二透镜15，第二光尾纤14通过第二透镜15与第二光隔离器芯件24的光路连接；所述与第一光尾纤12和第二光尾纤14相连接的光纤10的尾部均设有端帽18。
第一光隔离器芯件3包括沿正向光入射光轴上依次设置的第一双折射晶体A6、法拉第旋光器A7、1/2波片A8和第二双折射晶体A9；所述1/2波片A8通过紫外固化胶粘贴在第二双折射晶体A9的入光端面上；第二光隔离器芯件24包括沿正向光入射光轴上依次设置的第一双折射晶体B25、法拉第旋光器B26、1/2波片B27和第二双折射晶体B28；所述1/2波片B27通过紫外固化胶粘贴在第二双折射晶体B28的入光端面上。还包括磁管A16和磁管B29，所述法拉第旋光器A7设于磁管A16内，第一双折射晶体A6和第二双折射晶体A9分别设于磁管A16的两端；法拉第旋光器B26设于磁管B29内，第一双折射晶体B25和第二双折射晶体B28分别设于磁管B29的两端；法拉第旋光器A7和法拉第旋光器B26的旋光角度均为45°。第一双折射晶体A6、第二双折射晶体A9、第一双折射晶体B25和第二双折射晶体B28均采用YVO4晶体。
所述2个反射镜5与光轴之间的夹角均为45°；所述反射镜5采用陶瓷反射镜。
如图5所示，冷却装置11包括壳体20、冷却腔21、进液口22和出液口23，所述壳体20的其中一端设有进液口22和出液口23，进液口22设于壳体20的下方，出液口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，所述进液口22和出液口23均与该中空结构连接，壳体20内的两端分别设有1个冷却腔21，冷却腔21与中空结构连通，第一剥模器1和第二剥模器17分别设设置在2个冷却腔21内。所述壳体20内与反射镜5位置相对应的内壁上设有F：-5mm的窗口片19。
本发明的实施例2：如图3和图4所示，一种百瓦级高隔离度在线型光隔离器，包括沿正向光入射光轴上依次设置在冷却装置11内的第一剥模器1、第一光纤准直器2、第一光隔离器芯件3、2个对称设置的反射镜5、第二光隔离器芯件24、第二光纤准直器4和第二剥模器17；第一光纤准直器2和第一光隔离器芯件3之间设有小光阑A30，第二光纤准直器4和第二光隔离器芯件24之间设有小光阑B31。第一光纤准直器2包括第一光尾纤12和第一透镜13，第一光尾纤12通过第一透镜13与第一光隔离器芯件3的光路连接；该第二光纤准直器4包括第二光尾纤14和第二透镜15，第二光尾纤14通过第二透镜15与第二光隔离器芯件24的光路连接；所述与第一光尾纤12和第二光尾纤14相连接的光纤10的尾部均设有端帽18。
第一光隔离器芯件3包括沿正向光入射光轴上依次设置的第一双折射晶体A6、法拉第旋光器A7、1/2波片A8和第二双折射晶体A9；所述1/2波片A8通过紫外固化胶粘贴在第二双折射晶体A9的入光端面上；第二光隔离器芯件24包括沿正向光入射光轴上依次设置的第一双折射晶体B25、法拉第旋光器B26、1/2波片B27和第二双折射晶体B28；所述1/2波片B27通过紫外固化胶粘贴在第二双折射晶体B28的入光端面上。还包括磁管A16和磁管B29，所述法拉第旋光器A7设于磁管A16内，第一双折射晶体A6和第二双折射晶体A9分别设于磁管A16的两端；法拉第旋光器B26设于磁管B29内，第一双折射晶体B25和第二双折射晶体B28分别设于磁管B29的两端；法拉第旋光器A7和法拉第旋光器B26的旋光角度均为45°。第一双折射晶体A6、第二双折射晶体A9、第一双折射晶体B25和第二双折射晶体B28均采用YVO4晶体。
2个反射镜5与光轴之间的夹角均为40°；所述反射镜5采用铜镜。
如图6所示，冷却装置11包括壳体20、冷却腔21、进液口22和出液口23，所述壳体20的两端均设有进液口22和出液口23，进液口22设于壳体20的下方，出液口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，所述进液口22和出液口23均与该中空结构连接，壳体20内的两端分别设有1个冷却腔21，冷却腔21与中空结构连通，第一剥模器1和第二剥模器17分别设设置在2个冷却腔21内。所述壳体20内与反射镜5位置相对应的内壁上设有F：-10的窗口片19。
本发明的实施例3：如图1所示，一种百瓦级高隔离度在线型光隔离器，包括沿正向光入射光轴上依次设置在冷却装置11内的第一剥模器1、第一光纤准直器2、第一光隔离器芯件3、2个对称设置的反射镜5、第二光隔离器芯件24、第二光纤准直器4和第二剥模器17；第一光纤准直器2和第一光隔离器芯件3之间设有小光阑A30，第二光纤准直器4和第二光隔离器芯件24之间设有小光阑B31。第一光纤准直器2包括第一光尾纤12和第一透镜13，第一光尾纤12通过第一透镜13与第一光隔离器芯件3的光路连接；该第二光纤准直器4包括第二光尾纤14和第二透镜15，第二光尾纤14通过第二透镜15与第二光隔离器芯件24的光路连接；所述与第一光尾纤12和第二光尾纤14相连接的光纤10的尾部均设有端帽18。
所述第一光隔离器芯件3包括沿正向光入射光轴上依次设置的第一双折射晶体A6、法拉第旋光器A7、1/2波片A8和第二双折射晶体A9；所述1/2波片A8通过紫外固化胶粘贴在第二双折射晶体A9的入光端面上；第二光隔离器芯件24包括沿正向光入射光轴上依次设置的第一双折射晶体B25、法拉第旋光器B26、1/2波片B27和第二双折射晶体B28；所述1/2波片B27通过紫外固化胶粘贴在第二双折射晶体B28的入光端面上。还包括磁管A16和磁管B29，所述法拉第旋光器A7设于磁管A16内，第一双折射晶体A6和第二双折射晶体A9分别设于磁管A16的两端；法拉第旋光器B26设于磁管B29内，第一双折射晶体B25和第二双折射晶体B28分别设于磁管B29的两端；法拉第旋光器A7和法拉第旋光器B26的旋光角度均为45°。第一双折射晶体A6、第二双折射晶体A9、第一双折射晶体B25和第二双折射晶体B28均采用YVO4晶体。
所述2个反射镜5与光轴之间的夹角均为50°；所述反射镜5采用高反反射镜。
如图3所示，所述冷却装置11包括壳体20、冷却腔21、进液口22和出液口23，所述壳体20的其中一端设有进液口22和出液口23，进液口22设于壳体20的下方，出液口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，所述进液口22和出液口23均与该中空结构连接，壳体20内的两端分别设有1个冷却腔21，冷却腔21与中空结构连通，第一剥模器1和第二剥模器17分别设设置在2个冷却腔21内。壳体20内与反射镜5位置相对应的内壁上设有F：0mm的窗口片19。
本发明的工作原理：如图1和图3所示，光正向传输时，光通过第一剥模器1后经端帽18进入第一光纤准直器2，将光纤10中传输的光束转化为准直光，提高耦合效率。然后光进入第一双折射晶体A6，分成o光和e光，两者迅速分开一定角度传输进入旋转角度为45°的法拉第旋光器A7。通过法拉第旋光器A7，o光和e光的振动面各自向同一方向旋转了45°。旋转后的o光和e光经过1/2波片A8后，又都向同一方向改变了45°。此时的o光及e光进入第二双折射晶体A9，合光经过对称设置的2个反射镜5之间的缝隙入射到第一双折射晶体B25，再次分成o光和e光，两者迅速分开一定角度传输进入旋转角度为45°的法拉第旋光器B26。通过法拉第旋光器B26，o光和e光的振动面各自向同一方向旋转了45°。旋转后的o光和e光经过1/2波片B27后，又都向同一方向改变了45°。此时的o光及e光进入第二双折射晶体B28，合光入射到第二光纤准直器4准直出光，实现了光的正向传输。
如图2和图4所示，光路反向时，光首先通过第二剥模器17和端帽18射入第二光纤准直器4，从第二光纤准直器4出来的光射到小光阑B31上，大部分光被小光阑B31挡住，部分光通过小光阑B31上的孔射入第二双折射晶体B28内，快速的分成o光和e光。返回的o光和e光经过1/2波片B27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，通过1/2波片B27的o光和e光光束的振动面朝正向光旋转的方向旋转了45°，此时返回的两分离光束o光e光相对于第一双折射晶体B25，由于进入面的改变使得两分离光束不再沿原来的光路汇聚成一条光束，反而使其分离的距离增大。后经过反射镜5的反射，o光和e光分别以垂直于光轴90°的方向各自被反射出去，以至于反射光不能再耦合，部分通过2个反射镜5之间的缝隙入射到第二双折射晶体A9内，快速的分成o光和e光。返回的o光和e光经过1/2波片A8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，通过1/2波片A8的o光和e光光束的振动面朝正向光旋转的方向旋转了45°，此时返回的两分离光束o光e光相对于第一双折射晶体A6，由于进入面的改变使得两分离光束不再沿原来的光路汇聚成一条光束，反而使其分离的距离增大。然后被小光阑A30挡住，从而达到了反向隔离的目标。垂直于光轴的o光和e光分别入射到设置在壳体20内壁上的窗口片19上，由于窗口片19采用负透镜，可以将光线发散出去，将o光和e光的热量均匀的分散到冷却介质中。
在这两个过程中产生的热量，经过冷却装置11内冷却介质的循环，迅速的带出，从而达到了良好的散热效果。冷却介质采用水或油。
Claims (10)
1.一种百瓦级高隔离度在线型光隔离器，其特征在于：包括沿正向光入射光轴依次设置在冷却装置（11）内的第一剥模器（1）、第一光纤准直器（2）、第一光隔离器芯件（3）、2个对称设置的反射镜（5）、第二光隔离器芯件（24）、第二光纤准直器（4）和第二剥模器（17）；第一光纤准直器（2）和第一光隔离器芯件（3）之间设有小光阑A（30），第二光纤准直器（4）和第二光隔离器芯件（24）之间设有小光阑B（31）；所述2个对称设置的反射镜（5）用于将反射光o光和e光分别以垂直于光轴90°的方向各自被反射出去，再发散到冷却介质中。
2.根据权利要求1所述的百瓦级高隔离度在线型光隔离器，其特征在于：所述第一光纤准直器（2）包括第一光尾纤（12）和第一透镜（13），第一光尾纤（12）通过第一透镜（13）与第一光隔离器芯件（3）的光路连接；该第二光纤准直器（4）包括第二光尾纤（14）和第二透镜（15），第二光尾纤（14）通过第二透镜（15）与第二光隔离器芯件（24）的光路连接；所述与第一光尾纤（12）和第二光尾纤（14）相连接的光纤（10）的尾部均设有端帽（18）。
3.根据权利要求1或2所述的百瓦级高隔离度在线型光隔离器，其特征在于：所述第一光隔离器芯件（3）包括沿正向光入射光轴上依次设置的第一双折射晶体A（6）、法拉第旋光器A（7）、1/2波片A（8）和第二双折射晶体A（9）；所述1/2波片A（8）通过紫外固化胶粘贴在第二双折射晶体A（9）的入光端面上；第二光隔离器芯件（24）包括沿正向光入射光轴上依次设置的第一双折射晶体B（25）、法拉第旋光器B（26）、1/2波片B（27）和第二双折射晶体B（28）；所述1/2波片B（27）通过紫外固化胶粘贴在第二双折射晶体B（28）的入光端面上。
4.根据权利要求3所述的百瓦级高隔离度在线型光隔离器，其特征在于：还包括磁管A（16）和磁管B（29），所述法拉第旋光器A（7）设于磁管A（16）内，第一双折射晶体A（6）和第二双折射晶体A（9）分别设于磁管A（16）的两端；法拉第旋光器B（26）设于磁管B（29）内，第一双折射晶体B（25）和第二双折射晶体B（28）分别设于磁管B（29）的两端；法拉第旋光器A（7）和法拉第旋光器B（26）的旋光角度均为45°。
5.根据权利要求4所述的百瓦级高隔离度在线型光隔离器，其特征在于：第一双折射晶体A（6）、第二双折射晶体A（9）、第一双折射晶体B（25）和第二双折射晶体B（28）均采用YVO4晶体。
6.根据权利要求1所述的百瓦级高隔离度在线型光隔离器，其特征在于：所述2个反射镜（5）与光轴之间的夹角均为40°～50°；所述反射镜（5）采用陶瓷反射镜或铜镜。
7.根据权利要求6所述的百瓦级高隔离度在线型光隔离器，其特征在于：所述2个反射镜（5）与光轴之间的夹角均为45°。
8.根据权利要求1所述的百瓦级高隔离度在线型光隔离器，其特征在于：所述冷却装置（11）包括壳体（20）、冷却腔（21）、进液口（22）和出液口（23），所述壳体（20）的其中一端设有进液口（22）和出液口（23），进液口（22）设于壳体（20）的下方，出液口（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，所述进液口（22）和出液口（23）均与该中空结构连接，壳体（20）内的两端分别设有1个冷却腔（21），冷却腔（21）与中空结构连通，第一剥模器（1）和第二剥模器（17）分别设设置在2个冷却腔（21）内。
9.根据权利要求1所述的百瓦级高隔离度在线型光隔离器，其特征在于：所述冷却装置（11）包括壳体（20）、冷却腔（21）、进液口（22）和出液口（23），所述壳体（20）的两端均设有进液口（22）和出液口（23），进液口（22）设于壳体（20）的下方，出液口（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，所述进液口（22）和出液口（23）均与该中空结构连接，壳体（20）内的两端分别设有1个冷却腔（21），冷却腔（21）与中空结构连通，第一剥模器（1）和第二剥模器（17）分别设设置在2个冷却腔（21）内。
10.根据权利要求8或9所述的百瓦级高隔离度在线型光隔离器，其特征在于：所述壳体（20）内与反射镜（5）位置相对应的内壁上设有F：-10～0mm的窗口片（19）。
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