CN103618200A - 一种用于光纤激光器的泵浦光剥离器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于光纤激光器的泵浦光剥离器，包括光纤芯、光纤内包层、涂覆层，涂覆层材料的折射率比光纤内包层材料的折射率高，涂覆层由尺寸相同的圆环形剥离点排列而成，剥离点之间距离沿泵浦光传输方向依次减小；或者涂覆层由间距相等的圆环形剥离点排列而成，剥离点宽度沿泵浦光传输方向依次增加。本发明用于光纤激光器的泵浦光剥离器，通过将涂覆层设为尺寸相同、间距依次减小的剥离点或者设为间距相同、宽度依次增加的剥离点，使得各剥离点所剥离的泵浦光功率相近，有利于剥离器温度的分布均匀。

Description

一种用于光纤激光器的泵浦光剥离器

技术领域

本发明涉及半导体光电子领域，具体涉及一种用于光纤激光器的泵浦光剥离器。

背景技术

光纤激光器由于具有能量装换效率高、结构简单、成本低廉、光束质量高等优点而广泛应用于激光焊接、切割、打孔、表面处理以及打标等工业领域，其主要性能参数有：输出功率、光束质量、整体系统光电转换效率、光纤中残留的泵浦光的多少等。光纤激光器的有源介质通常为掺有稀土元素镱的石英玻璃光纤，其对应的吸收谱大约为910-977纳米，发射谱大约为1032-1064纳米，其有两种典型结构：一种为光纤谐振腔结构，即在光纤中制作一对DBR光栅，DBR光栅的反射率由设计而定，这样在两个DBR光栅之间，就会形成特定波长的光谐振；另一种结构为主震荡-光放大器结构，即光纤激光器的激光由半导体种子光源提供，而光纤有源介质对来自于种子光源的激光加以放大。

当今普遍使用的有源光纤采用双包层结构，由内芯、内包层和外包层组成，其中内芯直径为10微米左右，内包层是厚度为130微米左右的石英玻璃，外包层是厚度为250微米甚至更大的涂覆层。光纤的内芯仅支持单模传输，所以光束质量高，用来传输与放大信号激光；而内包层用来耦合与传输泵浦光，这样的设计既保证了光纤激光的光束质量，同时又增加了泵浦光与有源介质之间的耦合系数，提高了系统整体的能量转换效率。

由于在有源光纤中泵浦光在传播过程中，以指数形式衰减，这样在经过有限长度的有源光纤后，还有部分残留光留在光纤内。如果这些残留光不去除的话，会对系统的稳定性以及性能造成很大影响，为此在系统中需要光剥离器消除残留泵浦光。

光剥离器，可以通过去除有源光纤的涂覆层材料，然后覆以折射率比内包层材料的折射率更高的材料来实现，结构如图3所示，其工作机理是当新的涂覆层材料的折射率比光纤内包层的折射率高时，光将不再被限制在光纤的内包层中，而是逃逸出来。现有的光剥离器在制作过程中，新的涂覆材料会被均匀地涂覆上去，其问题是由于各处光的剥离量与该位置处的剩余光功率成正比，造成了第一个剥离点所剥离的光功率最多，然后依次按照几何级数关系下降，直至最后一个剥离点所剥离的功率远小于第一个剥离点所剥离的功率。这一结果造成了剥离器中的温度分布非常不均匀，第一个剥离点温度要比最后一个剥离点温度高出很多，温度分布的不均匀性有可能通过与器件材料的热膨胀系数的耦合从而对器件的运行可靠性产生影响。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种剥离点所剥离功率相同的用于光纤激光器的泵浦光剥离器。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于光纤激光器的泵浦光剥离器，包括光纤芯、包覆于光纤芯外的光纤内包层、包覆于光纤内包层外的涂覆层，所述涂覆层材料的折射率比光纤内包层材料的折射率高，所述涂覆层由尺寸相同的圆环形剥离点排列而成，所述剥离点之间距离沿泵浦光传输方向依次减小，所述剥离点之间的距离满足公式（1）：

$\frac{d_1}{d_n}=\frac{1}{{(1-\mathrm{\α})}^{n-1}}\left(1\right);$

式中，d₁为第1剥离点和第2剥离点之间的距离，d_n为第n剥离点和第n+1剥离点之间的距离为，α为剥离点对泵浦光的剥离系数且0<α<1，n为剥离点数。

优化地，所述泵浦光剥离器的剥离点宽度和剥离点数根据涂覆层的材料性质和对泵浦光的总剥离度进行调节。

进一步地，所述剥离点数随涂覆层材料剥离率增加而减少。

为达到上述目的，本发明采用的另一技术方案是：一种用于光纤激光器的泵浦光剥离器，包括光纤芯、包覆于光纤芯外的光纤内包层、包覆于光纤内包层外的涂覆层，所述涂覆层材料的折射率比光纤内包层材料的折射率高，所述涂覆层由间距相等的圆环形剥离点排列而成，所述剥离点宽度沿泵浦光传输方向依次增加，所述剥离点的宽度满足公式（2）：

$\frac{w_{n+1}}{w_n}=\frac{1}{1-{\mathrm{\&alpha;}}_n}\left(2\right);$

式中，w_n为第n剥离点的宽度，w_n+1为第n+1剥离点的宽度，α_n为第n剥离点对泵浦光的剥离系数且0<α_n<1，n为剥离点数。

优化地，所述泵浦光剥离器的剥离点间的间距和剥离点数根据涂覆层的材料性质和对泵浦光的总剥离度进行调节。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明用于光纤激光器的泵浦光剥离器，通过将涂覆层设为尺寸相同、间距依次减小的剥离点或者设为间距相同、宽度依次增加的剥离点，使得各剥离点所剥离的泵浦光功率相近，有利于剥离器温度的分布均匀。

附图说明

附图1为谐振腔结构的光纤激光器；

附图2为主震荡-光放大器结构的光纤激光器；

附图3为有源光纤结构示意图；

附图4为现有的光剥离器结构示意图；

附图5为本发明实施例一用于光纤激光器的光剥离器结构示意图；

附图6为在总剥离度为95%时所需的剥离点数与剥离率之间关系的曲线图；

附图7为在不同的剥离率下，各剥离点所剥离的功率占总功率的百分比曲线图；

附图8为光剥离器结构中的温度分布图；

附图9为本发明实施例二用于光纤激光器的光剥离器结构示意图；

其中，1、有源光纤；2、光纤光栅；2’、半导体种子光源；3、隔离器；4、半导体泵浦光源；11、有源光纤光纤芯；12、有源光纤内包层；13、有源光纤涂覆层；5、光剥离器；51、光剥离器光纤芯；52、光剥离器内包层；53、光剥离器涂覆层；5’、光剥离器；51’、光纤芯；52’、光纤内包层；53’、涂覆层；5’’、光剥离器；51’’、光纤芯；52’’、光纤内包层；53’’、涂覆层。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明优选实施方案进行详细说明：

如图1所示的光纤激光器，主要包括有源光纤1、光纤光栅2、隔离器3和半导体泵浦光源4；图2所示的光纤激光器，主要包括有源光纤1、半导体种子光源2’、隔离器3和半导体泵浦光源4，它们均利用有源光纤1传递半导体泵浦光源4或半导体种子光源2’产生的激光光束。常用的有源光纤1结构如图3所示，由内向外依次为光纤芯11、内包层12、涂覆层（或者外包层）13。

如图4所示，现有用于光纤激光器的光剥离器5是通过去除有源光纤1的涂覆层13，然后覆以折射率比内包层材料的折射率更高的材料（例如光学凝胶）来制备的，包括光纤芯51、包覆于光纤芯51外的光纤内包层52、包覆于光纤内包层52外的涂覆层53，涂覆层53是连续的且其所使用材料的折射率比光纤内包层52材料的折射率高，使得沿a方向传输的泵浦光不再被限制在光纤的内包层12中，而是逃逸出来。由于泵浦光几何级数下降，使得涂覆层53所剥离的泵浦光功率也呈几何级数下降，造成了剥离器5的温度分布非常不均匀。为了保证光剥离器中各处所剥离的功率相近，本发明提出两种方案，分别列于实施例一和实施例二中。

实施例一

如图5所示用于光纤激光器的光剥离器5’，主要包括光纤芯51’、光纤内包层52’、涂覆层53’，其中光纤内包层52’包覆于光纤芯51’外，涂覆层53’涂覆于光纤内包层52’外，涂覆层材料的折射率比光纤内包层材料的折射率高，可以采用常规的光学凝胶等材料。从图5中可以看出，涂覆层53’被分隔成一块一块尺寸相同的圆环形剥离点，沿泵浦光的传输a方向将剥离点依次命名为第一剥离点、第二剥离点、第三剥离点，…，第n剥离点。

剥离点的宽度和剥离点数不是本实施例的重点，可以根据涂覆层的材料性质和对泵浦光的总剥离度进行调节。例如，图6给出了涂覆层材料在总剥离度为95%时所需的剥离点数与剥离率之间的关系，当涂覆层材料剥离率越高时，所需的剥离点数越少。

当剥离点之间的距离为恒定值时，设总的残留泵浦光功率为P0，则第一个剥离低点所剥离的功率为ΔP₀=αP₀，依次分析各剥离点，可以得出第2个剥离点所剥离的功率为ΔP₁=αP₀(1-α)，第n个点剥离功率为ΔP_n=αP₀(1-α)^(n-1)，其中α为剥离点对泵浦光的剥离系数且0<α<1，其值与剥离点的宽度成正比，取决于涂覆层材料的折射率，并满足如下关系：式中β为剥离率（strip rate）。各剥离点剥离的功率占总功率的百分比绘制于图7中，可以看出第一个剥离点所剥离的功率最多，随后各剥离点所剥离的功率呈几何级数下降；而且涂覆层材料剥离率越高时，所对应的相同剥离点对泵浦光的剥离功率所占总功率的比例越高。从图8中可以看出，剥离点温度上升与其剥离功率成正比，当功率分布均匀时，剥离器内各剥离点温度也分布均匀。由此可知，当剥离点之间的距离为恒定值时，各剥离点剥离的功率不均匀，这造成剥离器中各剥离点的温度分布不均匀，通过与器件材料的热膨胀系数的耦合从而对器件的运行可靠性产生影响。

因此，如图5所示，本实施例的重点在于剥离点之间的距离沿泵浦光传输a方向依次减小且应满足公式（1）：

$\frac{d_1}{d_n}=\frac{1}{{(1-\mathrm{\&alpha;})}^{n-1}}\left(1\right);$

式中，d₁为第1剥离点和第2剥离点之间的距离，d_n为第n剥离点和第n+1剥离点之间的距离为，α为剥离点对泵浦光的剥离系数且0<α<1，n为剥离点的数目。具体地说，当第n剥离点所剥离的功率占总功率的百分比为某一值时，其与第n+1剥离点的间隔占总剥离器长度的百分比应与这一值相同。

在不同剥离率β下（0.25dB、0.50dB、0.75dB、1.00dB、1.25dB），测量剥离点之间的距离并计算其占总剥离器长度的百分比，具体数值列于表1中。由于剥离点对泵浦光的剥离系数α与剥离率β的关系为

通过计算可以看出，表1中剥离点之间的距离符合公式（1）的规律。从表1可以看出，当泵浦光的总剥离度达到95%时，光剥离器所需的剥离点数随着剥离率β的增加而减小，例如，当剥离率为0.25dB时，泵浦光的总剥离度达到95%时需要54个剥离点，而剥离率为1.25dB时，仅需12个剥离点。而且剥离率越大，各剥离点之间的距离分布愈不均匀：当剥离率为1dB时，第一个剥离点与第二个剥离点之间的距离占剥离器的总长度的20.56%，而第二个点与第三个点之间的距离占总长度的16.33%；与上述情形相对照的是当剥离率为0.25dB时，各剥离点之间的距离变化相对要小很多，第一个剥离点与第二个剥离点之间的距离仅占剥离器的总长度的5.59%。

表1每个剥离点之间的距离占总剥离器长度的百分比（总剥离度为95%，即13dB）

实施例二

如图9所示用于光纤激光器的光剥离器5’’，主要包括光纤芯51’’、光纤内包层52’’、涂覆层53’’，其中光纤内包层52’’包覆于光纤芯51’’外，涂覆层53’’涂覆于光纤内包层52’’外，涂覆层材料的折射率比光纤内包层材料的折射率高，可以采用常规的光学凝胶等材料。从图9中可以看出，涂覆层53’’被分隔成一块一块间距相等的圆环形剥离点，沿泵浦光的传输a方向将剥离点依次命名为第一剥离点、第二剥离点、第三剥离点，…，第n剥离点。

剥离点间的间距和剥离点数不是本实施例的重点，可以根据涂覆层的材料性质和对泵浦光的总剥离度进行调节。例如，图6给出了涂覆层材料在总剥离度为95%时所需的剥离点数与剥离率之间的关系，当涂覆层材料剥离率越高时，所需的剥离点数越少。重点在于剥离点的宽度沿泵浦光传输方向依次增加且满足公式（2）：

$\frac{w_{n+1}}{w_n}=\frac{1}{1-{\mathrm{\&alpha;}}_n}\left(2\right);$

式中，w_n为第n剥离点的宽度，w_n+1为第n+1剥离点的宽度，α_n为第n剥离点对泵浦光的剥离系数且0<α_n<1，n为剥离点的数目。这是因为，由于剥离点的宽度不一致，其剥离系数也不一样，设第一剥离点至第n剥离点的剥离系数依次为：α₁，α₂，…，α_n，则各点剥离系数之间存在下列关系：而剥离点的宽度与其对应的剥离系数成正比，这样一来，只要按照光剥离器的设计要求，确定出第一个剥离点的剥离系数（也可确定出第一个剥离点的剥离率），然后随后各点的剥离系数以及对应的尺寸即可算出。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于光纤激光器的泵浦光剥离器，包括光纤芯、包覆于光纤芯外的光纤内包层、包覆于光纤内包层外的涂覆层，所述涂覆层材料的折射率比光纤内包层材料的折射率高，其特征在于：所述涂覆层由尺寸相同的圆环形剥离点排列而成，所述剥离点之间距离沿泵浦光传输方向依次减小，所述剥离点之间的距离满足公式（1）：

 （1）；

式中，d₁为第1剥离点和第2剥离点之间的距离，d_n为第n剥离点和第n+1剥离点之间的距离为，α为剥离点对泵浦光的剥离系数且0<α<1，n为剥离点数。

2.根据权利要求1所述的用于光纤激光器的泵浦光剥离器，其特征在于：所述泵浦光剥离器的剥离点宽度和剥离点数根据涂覆层的材料性质和对泵浦光的总剥离度进行调节。

3.根据权利要求1或2所述的用于光纤激光器的泵浦光剥离器，其特征在于：所述剥离点数随涂覆层材料剥离率增加而减少。

4.一种用于光纤激光器的泵浦光剥离器，包括光纤芯、包覆于光纤芯外的光纤内包层、包覆于光纤内包层外的涂覆层，所述涂覆层材料的折射率比光纤内包层材料的折射率高，其特征在于：所述涂覆层由间距相等的圆环形剥离点排列而成，所述剥离点宽度沿泵浦光传输方向依次增加，所述剥离点的宽度满足公式（2）：

（2）；

式中，w_n为第n剥离点的宽度，w_n+1为第n+1剥离点的宽度，α_n为第n剥离点对泵浦光的剥离系数且0<α_n<1，n为剥离点数。

5.根据权利要求4所述的用于光纤激光器的泵浦光剥离器，其特征在于：所述泵浦光剥离器的剥离点间的间距和剥离点数根据涂覆层的材料性质和对泵浦光的总剥离度进行调节。

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