CN103605185B - 千瓦级高隔离度准直型光隔离器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种千瓦级高隔离度准直型光隔离器，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a、1/2波片a、法拉第旋光器b、1/2波片b和扩束器，准直器和法拉第旋光器之间设有偏振分束器a，1/2波片与法拉第旋光器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与扩束器之间设有偏振分束器d；冷却封装装置内与偏振分束器a和偏振分束器c一侧的内壁上设有窗口片。本发明的工作性能稳定，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众多领域。

Description

千瓦级高隔离度准直型光隔离器

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准直型光隔离器，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

随着激光加工技术的发展以及激光在各行业应用以及推广，对相关的一些光学器件提出了新的要求。光隔离器是一种只允许光沿一个方向通过的光学器件，而在相反的方向阻挡光通过的光无源器件。而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。因此，本千瓦级光隔离器在激光加工、激光通信及传感等高端激光应用中起着很重要的关键作用。对高性能的光隔离器的研究也受到国内外相关行业的广泛关注。

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。为此，光隔离器的作用尤为重要。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千瓦级光纤激光器的发展。因此，高端千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。

我国从上个世纪八十年代开始就有不少企业在研究光隔离器，但是，现阶段国内使用的光隔离器功率依旧很小，达到百瓦级以上的光隔离器很少。小功率的光隔离器的技术已经十分成熟，但是高端大功率的光隔离器的技术还处于摸索阶段。现阶段国内大多数使用的光隔离器性能还不太稳定，容易出现插入损耗大、散热效率低或者隔离度不高等问题，严重时甚至会损坏光学系统。随着高端光纤激光器加工行业的迅速发展，对该种光隔离器的性能提出了新的更高要求和挑战。综上所述，开发一种高端千瓦级光隔离器及良好的隔离效果势在必行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种千瓦级高隔离度准直型光隔离器，该光隔离器工作性能稳定，而且具有插入损耗小、散热效率高以及隔离度高的优点，能很好地被用于大功率脉冲激光器、大功率连续激光器等高端激光光学应用领域中。

本发明的技术方案：一种千瓦级高隔离度准直型光隔离器，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a、1/2波片a、法拉第旋光器b、1/2波片b和扩束器，准直器包括光纤尾纤、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波片与法拉第旋光器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与扩束器之间设有偏振分束器d；剥模器、准直器、偏振分束器a、法拉第旋光器、1/2波片、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和扩束器均设于冷却封装装置内，冷却封装装置内与偏振分束器a和偏振分束器c一侧的内壁上设有窗口片。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。

前述的这种千瓦级高隔离度准直型光隔离器中，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。

前述的这种千瓦级高隔离度准直型光隔离器中，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入射光的一侧还设有45度反光镜；冷却封装装置内与45度反光镜相对应位置的内壁上设有F：-5～0mm的窗口片。

前述的这种千瓦级高隔离度准直型光隔离器中，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入射光的一侧还设有45度反光镜；冷却封装装置内与45度反光镜相对应位置的内壁上设有F：-5～0mm的窗口片。

前述的这种千瓦级高隔离度准直型光隔离器中，高反膜与光轴线方向夹角为45°。偏振分光晶体能把入射的非偏振光分成两束垂直的光，其中P光完全通过，而S光以45°角被高反膜反射，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中。

前述的这种千瓦级高隔离度准直型光隔离器中，准直器与偏振分束器a之间设有光阑a，偏振分束器b与偏振分束器c之间设有光阑b，扩束器右侧设有光阑c，偏振分束器d与扩束器之间依次设有光阑d和四方棱镜。从左到右的正向光可以几乎无损通过，而反向光可以被光阑遮挡反射，反射掉大量的反向光。

前述的这种千瓦级高隔离度准直型光隔离器中，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一侧，冷却腔与中空结构连通，剥模器设于冷却腔内。其关键在于冷却介质直接与剥模器和所有的光学零件热承安装零件接触，起到充分导热散热作用。

前述的这种千瓦级高隔离度准直型光隔离器中，冷却封装装置内设有冷却介质，冷却介质可采用水或者油。

前述的这种千瓦级高隔离度准直型光隔离器中，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准直型光隔离器，该光隔离器中设有冷却封装装置，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。而且具有插入损耗小、散热效率高以及隔离度高的优点，能够适用于上千瓦的大功率激光器等激光应用光学领域中。所述千瓦级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了光隔离器的高隔离度。

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，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-偏振分束器d，10-45度反光镜，11-冷却封装装置，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-冷却腔，22-冷却介质入口，23-冷却介质出口，24-法拉第旋光器b，25-1/2波片b，26-光阑d，27-偏振分束器c。

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准直型光隔离器，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a5、1/2波片a6、法拉第旋光器b24、1/2波片b25和扩束器17，准直器3包括光纤尾纤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与法拉第旋光器b24之间依次设有偏振分束器b7和偏振分束器c27，1/2波片b25与扩束器17之间设有偏振分束器d9；剥模器13、准直器3、偏振分束器a4、法拉第旋光器5、1/2波片6、偏振分束器b7、偏振分束器c27、法拉第旋光器b24、1/2波片b25、偏振分束器d9和扩束器17均设于冷却封装装置11内，冷却封装装置11内与偏振分束器a4和偏振分束器c27一侧的内壁上设有F：-3mm的窗口片12。所述偏振分束器a4、偏振分束器b7、偏振分束器c27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c27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3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c27之间设有光阑b15，扩束器17右侧设有光阑c18，偏振分束器d9与扩束器17之间依次设有光阑d26和四方棱镜16。所述冷却封装装置11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内的一侧，冷却腔21与中空结构连通，剥模器13设于冷却腔21内。冷却封装装置11内设有冷却介质。光纤尾纤2与端帽14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准直型光隔离器，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a5、1/2波片a6、法拉第旋光器b24、1/2波片b25和扩束器17，准直器3包括光纤尾纤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与法拉第旋光器b24之间依次设有偏振分束器b7和偏振分束器c27，1/2波片b25与扩束器17之间设有偏振分束器d9；剥模器13、准直器3、偏振分束器a4、法拉第旋光器5、1/2波片6、偏振分束器b7、偏振分束器c27、法拉第旋光器b24、1/2波片b25、偏振分束器d9和扩束器17均设于冷却封装装置11内，冷却封装装置11内与偏振分束器a4和偏振分束器c27一侧的内壁上设有F：-5mm的窗口片12。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c27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c27和偏振分束器d9上均设有高反膜8，偏振分束器a4入射光的一侧还设有45度反光镜10；冷却封装装置11内与45度反光镜10相对应位置的内壁上设有F：-5的窗口片12。偏振分束器a4、偏振分束器b7、偏振分束器c27和偏振分束器d9内均设有高反膜8，高反膜8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与偏振分束器c27之间设有光阑b15，扩束器17右侧设有光阑c18，偏振分束器d9与扩束器17之间依次设有光阑d26和四方棱镜16。所述冷却封装装置11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内的一侧，冷却腔21与中空结构连通，剥模器13设于冷却腔21内。冷却封装装置11内设有冷却介质。光纤尾纤2与端帽14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准直型光隔离器，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a5、1/2波片a6、法拉第旋光器b24、1/2波片b25和扩束器17，准直器3包括光纤尾纤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与法拉第旋光器b24之间依次设有偏振分束器b7和偏振分束器c27，1/2波片b25与扩束器17之间设有偏振分束器d9；剥模器13、准直器3、偏振分束器a4、法拉第旋光器5、1/2波片6、偏振分束器b7、偏振分束器c27、法拉第旋光器b24、1/2波片b25、偏振分束器d9和扩束器17均设于冷却封装装置11内，冷却封装装置11内与偏振分束器a4和偏振分束器c27一侧的内壁上设有F：0mm的窗口片12。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c27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c27上设有高反膜8；偏振分束器a4入射光的一侧还设有45度反光镜10；冷却封装装置11内与45度反光镜10相对应位置的内壁上设有F：0mm的窗口片12。偏振分束器a4、偏振分束器b7、偏振分束器c27和偏振分束器d9内均设有高反膜8，高反膜8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与偏振分束器c27之间设有光阑b15，扩束器17右侧设有光阑c18，偏振分束器d9与扩束器17之间依次设有光阑d26和四方棱镜16。所述冷却封装装置11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内的一侧，冷却腔21与中空结构连通，剥模器13设于冷却腔21内。冷却封装装置11内设有冷却介质。光纤尾纤2与端帽14相熔接。

本发明的工作原理：如图1、图3和图5所示，正向光从光纤尾纤2进入剥模器13中，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。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5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，合成的光束进入偏振分束器c27，光路再次被分成P光和S光，其中P光穿过分光晶体进入法拉第旋光器24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24中。两者迅速分开一定角度传输进入45°的法拉第旋光器24。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25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d9后被合成一束光线。合成的光束经过四方棱镜16改变光线的路径，被合成的再光经过扩束器17将光路放大，实现了光的正向传输，其中光阑a1、光阑b15、光阑c17和光阑d18均滤除掉一部分有害光。

如图2、图4和图6所示，反向光经过扩束器17后汇聚成一束光，汇聚的光线经过四方棱镜16改变路径，改变路径的光线穿过偏振分束器d9并将光线分成P光和S光，P光和S光再经过1/2波片25、法拉第旋光器24和偏振分束器c27将光线再次汇聚成两束光，其中一束光被冷却封装装置11壁上的窗口片12扩散并被冷却介质吸收，减小了反向光的强度，另一束反向光进入偏振分束器b7后，光线再次被分成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分光晶体射出，S光直接被分光晶体反射，P光和S光耦合成一束光线，光线穿过窗口片12，在窗口片12和冷却介质的作用下将集中的光线分散吸收，如图4和图6所示，45度反光镜10一侧上也设有窗口片12，该窗口片12也起到分散吸收光线的作用，几乎没有光线进入准直器3中，从而达到了反向高度隔离的目的，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。其中冷却封装装置11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。

Claims (9)

1.一种千瓦级高隔离度准直型光隔离器，其特征在于：沿正向光入射光轴上依次设有剥模器（13）、准直器（3）、法拉第旋光器a（5）、1/2波片a（6）、法拉第旋光器b（24）、1/2波片b（25）和扩束器（17），准直器（3）包括光纤尾纤（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）与法拉第旋光器b（24）之间依次设有偏振分束器b（7）和偏振分束器c（27），1/2波片b（25）与扩束器（17）之间设有偏振分束器d（9）；剥模器（13）、准直器（3）、偏振分束器a（4）、法拉第旋光器（5）、1/2波片（6）、偏振分束器b（7）、偏振分束器c（27）、法拉第旋光器b（24）、1/2波片b（25）、偏振分束器d（9）和扩束器（17）均设于冷却封装装置（11）内，冷却封装装置（11）内与偏振分束器a（4）和偏振分束器c（27）一侧的内壁上设有窗口片（12）。

2.根据权利要求1所述的千瓦级高隔离度准直型光隔离器，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（27）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（27）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准直型光隔离器，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（27）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（27）和偏振分束器d（9）上均设有高反膜（8），偏振分束器a（4）入射光的一侧还设有45度反光镜（10）；冷却封装装置（11）内与45度反光镜（10）相对应位置的内壁上设有F：-5～0mm的窗口片（12）。

4.根据权利要求1所述的千瓦级高隔离度准直型光隔离器，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（27）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（27）上设有高反膜（8）；偏振分束器a（4）入射光的一侧还设有45度反光镜（10）；冷却封装装置（11）内与45度反光镜（10）相对应位置的内壁上设有F：-5～0mm的窗口片（12）。

5.根据权利要求2或3或4所述的千瓦级高隔离度准直型光隔离器，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准直型光隔离器，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）与偏振分束器c（27）之间设有光阑b（15），扩束器（17）右侧设有光阑c（18），偏振分束器d（9）与扩束器（17）之间依次设有光阑d（26）和四方棱镜（16）。

7.根据权利要求1所述的千瓦级高隔离度准直型光隔离器，其特征在于：所述冷却封装装置（11）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）内的一侧，冷却腔（21）与中空结构连通，剥模器（13）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准直型光隔离器，其特征在于：冷却封装装置（11）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准直型光隔离器，其特征在于：光纤尾纤（2）与端帽（14）相熔接。