CN103620889A - 光纤激光器用的激发单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤激光器用的激发单元（2），所述激发单元具有激发光纤（3）和纵向轴线（6）并且在光纤激光器的谐振区中形成二维或三维结构。当在截面中观察时，激发光纤（3）由激活光纤芯（3a）、包围激活光纤芯（3a）的泵浦包层（3b）、包围泵浦包层（3b）的石英玻璃包层（3）和至少一层外皮（3e）构成。谐振区配备有基板（5），在基板（5）上形成有多个激发壳体（18），每个激发壳体（18）均限定气密的激发腔（22）。激发光纤延伸过每个激发腔至少一次并且被保持在保持单元（8）中，当在激发光纤（3）的纵向轴线（6）上观察时，保持单元（8）位于各激发腔的侧方。在激发腔的一些区域中激发光纤的外皮被去除而在保持单元（8）的区域中激发光纤的外皮是完整存在的。激发腔（22）在与激发光纤的纵向轴线垂直的截面中以椭圆形的方式形成。激发壳体（18）设置有透明的壳体窗（19），横向泵浦光源（30）在各透明的壳体窗（19）的区域中被配置成使得：离开泵浦光源（30）的泵浦光（25）优选地以垂直的方式入射到激发光纤的纵向轴线上。

Description

光纤激光器用的激发单元

技术领域

本发明涉及一种光纤激光器用的激发单元。

背景技术

光纤激光器是一种特定形式的固态激光器。简单而言，光纤激光器、更准确地的是光纤激光器的谐振器由玻璃纤维构成，该玻璃纤维具有掺杂的芯和包层。玻璃纤维的掺杂的芯由此形成激活介质（active medium）。如此便是具有光波导特性的固态激光器。由于光纤激光器的较大长度（高纵横比），泵浦光通过泵浦光学器给送到光纤激光器的谐振器，该泵浦光激发激活介质。

光纤激光器被光学地泵浦：例如来自二极管激光器的射线通常同轴地耦合入光纤芯、包层或光纤芯自身中。双包层光纤允许实现较高的功率；泵浦光束从两个包层的最内侧到达激活芯。在大多数情况下，在泵浦处理期间，组合多个二极管激光器的功率。在本技术领域内，这种装置被成为“组合件”。组合件是如下泵浦模块：其中，若干光纤被拼接成激发光纤，二极管激光器的光透过各若干光纤。

用于实现泵浦模块的另一可能方案由如下配置组成：多个激光二极管被配置成使得它们的输出光束彼此平行并且位于同一平面内。这种相邻配置的激光二极管形成所谓的激光棒。如果若干激光棒以一个在另一个上方的方式堆叠，则这形成激光堆叠体。

光纤激光器实质上例如由一个以上的泵浦激光二极管、输入耦合光学器（光纤耦合二极管激光器，与包层分离或拼接到包层）和谐振器构成。在该说明书中所用的术语“激发单元”包括一个以上的泵浦光源（例如组合件形式的激光二极管或上述激光棒）和为了将泵浦光耦合到激活光纤中所必需的光学机械部件。

谐振器可构造成不同的方式：在一种方式中，由两个附加反射镜（mirror）构成，附加反射镜例如可以是两个镜像的光纤端面；在另一种方式中，在反射器中和/或输出耦合区中的透镜和通常激光反射镜的配置也是可以的。一般，还设置布拉格光栅（还，FBGs=光纤布拉格光栅），其借助于紫外线照射（例如借助248nm的受激准分子激光器）刻在波导中。这导致光纤芯内的具有高低折射率的区域的折射率的横向差异，具有高低折射率的区域根据周期长度而反射特定波长的射线。这样的优点在于，在单一模或单模光纤中的这些光栅上不发生附加的耦合损失，布拉格光栅仅选择性地反射所期望的波长。这使得激光器的极其窄的带操作成为可能。大于20μm的多模光纤导致包含较宽的射线带宽的多模。可以借助于外部反射镜减小波长范围。

在从激活光纤射出之后，激光束进入传输光纤或进入包含这种光纤的光纤光缆。由于实质上没有耦合损失，所以该过程高效地进行。射线例如经由光纤光缆进入到激光材料处理机的聚焦光学器。

光纤激光器还包括电源、用于冷却泵浦激光二极管的装置以及其它散热装置。

有时，高性能光纤激光器还具有小光纤激光器或高效激光二极管，高性能光纤激光器被称为种子激光器且用于生成下游光纤放大器（光学泵浦激活光纤）用的输入功率。将激光器分成种子激光器和后放大器具有能够更好地控制激光活性的优点。这适用于波长稳定性、光束品质和功率稳定性或脉冲性。通常，在种子激光器和光纤放大器之间存在光学隔离件。

根据光纤芯的直径，从芯发射的激光束（例如na=0.06）例如具有大约5°-10°（na-0.05-0.1）的总角度。光束品质高；对于激光器制造者和工业领域，光束模通常优选为TEM00模，即所谓的单一模或单模，这是因为其具有用于焊接、切割、钻孔等良好的特性。

DE2646692A1示出具有闪烁灯形式的激发光源5、6的液体激光器，激发光源5、6均被收容在椭圆形腔中。在两个椭圆形腔之间，存在两个聚焦透镜15、16，将光学谐振器4保持在这两个聚焦透镜15、16之间。谐振器4借助于激发光源进行泵浦，即泵浦光从位于激发腔内的激发光源延伸到谐振器。

DE19833166A1公开了一种用于激光激活光纤的泵浦光输入配置。在该文献的图1a和图1b中示出了这种激光激活光纤：其被螺旋地收纳在管状容积内，激光二极管13将泵浦光垂直地投射到光纤上，光纤是具有鞘的完整光纤的形式。在这种情况下，由于激光激活光纤存在鞘，所以光耦合入的效率可能极其低。激光二极管和光纤之间没有聚焦透镜。

DE3943722C2示出一种传统的将泵浦光耦合入激光介质2的耦合方法。借助于示例，在图1a-图1c的示出的示例中，泵浦光42从激光二极管41被引到激光介质2的表面上。激光二极管与激光介质垂直地取向，光引导装置总是以使泵浦光与激光介质成锐角地进入激光介质的方式延伸。发生耦合入的位置通常被称为拼接点（splice point）。

发明内容

本发明的目的是改善光纤激光器，使得呈现出泵浦光的垂直照射效率的可接受的程度并且使得可以免除用于泵浦的中间光纤耦合。换言之，泵浦光不应当借助于附加的光纤而进入光纤激光器的激活光纤。该问题通过具有方案1限定的特征的设备来解决。其它有利实施方式在从属方案中说明。

从参照附图对优选实施方式的说明可以得到本发明的其它特征和优点。

附图说明

图1示出根据本发明的激发单元（excitation unit）的实施方式的俯视图；

图2示出图1中的标记X的区域的截面图；

图3示出激发腔的区域中的激发光纤的截面图；

图4示出激发腔的变形；

图5示出具有两个示例性横向泵浦光源的激发光纤的部分的俯视图；

图6示出沿着图5的线A-A的截面图；

图7a-图7e示出用于在泵浦包层内分配耦合入的光束（incoupled beam）的不同方案；以及

图8以概略的形式示出泵浦光源的不同空间配置。

具体实施方式

图1示出根据本发明的激发单元2的俯视图。光纤激光器除包括该激发单元2之外，还包括壳体、能量源和冷却系统，为清楚起见未示出这些部件。

可以看出，在本实施方式中，激活光纤（active fibre）或激发光纤3在基板5上配成若干环。

激发光纤3具有第一光纤端4a和第二光纤端4b。“X”标记出激发壳体18的区域，将结合图2对该区域进行更详细的说明。

示出了纵向泵浦光源7，其例如可实现为二极管激光器的形式并且发射纵向泵浦光束9，纵向泵浦光束9经由输入准直仪11和弯曲的插接连接器12a耦合入位于第一光纤端4a的区域中的激发光纤3。此外，种子激光器可设置在泵浦光源7的区域中，种子激光器与泵浦光源7垂直地配置并且经由半透明的反射镜将其光耦合入。可选地，如图1所示，种子激光器31还可设置在光纤激光器的输出光束17的区域中。第一光纤端4a和第二光纤端4b的区域中的两个种子激光器都是可选的，不是必须存在。

从泵浦光源7开始，光在激发光纤3内传输，激发光纤3如示出的例如在基板5上配置成3个U形环。激发光纤在基板5上的直线区在平面内形成与纸面平行地排列的配置。通过示例，概略地示出总共6个激发壳体18，在图2中更详细地说明其中一个激发壳体18。在每种情况下，保持单元8位于激发壳体18前方和位于激发壳体18之间，激发光纤3延伸通过保持单元8并且在保持单元8内被保持。在图1中，在各激发壳体18之间概略地示出三个保持单元8，其中，这些三个独立的保持单元8也可组合成单个保持单元。

在第二光纤端4b的区域中，存在第二弯曲的插接连接器12b。来自激发光纤3的光透过该第二弯曲的插接连接器12b、输出透镜13和耦合出窗（outcoupling window）15射出，然后能由此处传输到处理单元（未示出）。

如果跟随图1中的激发光纤3的路径，则可以看出，在从第一光纤端4a到第二光纤端4b的途中，光纤总是仅以曲线的方式向右延伸。已经发现，在多模光纤中，这能够损害发射的激光束的光束品质。这种现象被本领域的专家称为“回音壁”（whispering gallery）效应并且是指跨越激光束截面的不期望的、不规则的功率分布。参照图1，在具体方面，这意味着，在与纸面垂直的截面中，在第二光纤端4b处的光纤中的激光束在截面的右手侧的功率比在截面的左手侧的功率高。如果光纤主要以左手曲线的方式铺设，或仅以左手曲线的方式铺设，类似地，第二光纤端4b处的左手侧的功率将高。

为了抵消该现象，可以以左手曲线和右手曲线（未示出）交替的方式来铺设激发光纤，由此在各曲线之间可存在直线部。不是绝对必要的是，每个右手曲线应当由左手曲线跟随，也不必在每种情况下、在两个曲线之间存在直线部。各曲线部应当在弯曲的数目和曲率半径方面进行平衡。这适用于例如图1中所示的激发光纤的二维配置且适用于激发光纤的三维配置（未示出）。

图2示出图1的区域X的激发壳体18的与纵向光纤轴线6垂直的截面图。激发壳体18座设在基板5上并且实质上由两个壳体部18a、18b构成，两个壳体部18a、18b以气密的方式连接在一起。这两个壳体部18a、18b形成激发腔22，激发腔22具有形成为椭圆形的内表面。这些形成为椭圆形的表面是反射性的并且优选地是金属化的。如图2所示，壳体窗19装配到上壳体部18a的开口中。横向泵浦光束25从横向泵浦光源30透过该壳体窗19进入激发腔22并且入射到激发光纤3上。泵浦光束25借助聚焦透镜26聚焦。聚焦透镜26优选可调节并且可以被安装到激发壳体。在未示出的实施方式中，还可以将元件26、30、31和33配置在基板5的下方，并且允许横向泵浦光束25透过基板5和下壳体部18b中的对应的孔而进入激发腔22。还可以将横向泵浦光源30设计成可调节的。

除了横向泵浦光源30之外，还示出了种子激光器31，为了获取上述优点，还可以在横向耦合入的区域中使用种子激光器31，但不是必须的。利用附图标记33概略地示出半透明的反射镜。泵浦光源30和种子激光器31发射具有不同波长的光。

如图2所示，形成为椭圆形的表面产生若干焦线，在该情况下为3个。激发光纤3以如下方式通过激发腔：在各种情况下，激发光纤3的各段的纵向光纤轴线6与激发腔22的三个焦线中的一个一致。聚焦透镜26的焦线与图2中示出的激发光纤3的位于中央的段的纵向光纤轴线6一致。

图3示出激发光纤3的截面图。附图标记3a表示光纤的激活芯（activecore），附图标记3b表示泵浦包层，附图标记3c表示石英玻璃包层，附图标记3d表示硅缓冲层，这些对于本领域的专家而言是足够熟悉的。附图标记3e通常表示外皮（cover），外皮在大多数情况下可以由诸如PA或尼龙等塑性材料构成。该外皮3e进而可以由若干层构成，这对于本发明不是很重要，因此不对其详细说明。

激发光纤3的分别位于壳体部18a、18b的内部的段均被剥皮，即在特定长度内去除外皮3e和硅缓冲层3d。根据本实施方式，激发光纤3三次通过各激发腔22，使得：如图2的示例所示，激发光纤3的总共3×6＝18个局部段被剥皮。

在图1所示的俯视图中，这18个剥皮的局部段位于激发壳体18内。在相邻的激发壳体18之间，即在保持单元8的区域内，光纤不被剥皮，也就是说，保持完全完整无缺，且包含其外皮3e。可选地，激发光纤3也可以在保持单元8的区域中被剥皮。

图4示出根据本发明的激发单元2的激发壳体18的第二实施方式。与图2所示的实施方式相比，不同之处在于，激发光纤3通过各激发腔22仅两次。这里，两个壳体部18a、18b的内表面也为椭圆形形式并且生成两个焦线。激发光纤的纵向光纤轴线6沿这些焦线配置。

此外，示出气体入口20a和气体出口20b，通过气体入口20a和气体出口20b实现主动的直接气体冷却。气体可以通过这些端口20a、20b导入/抽出，特别地是冷却气体可以通过这些端口20a、20b导入/抽出。附图标记21表示壳体部18a、18b中的冷却孔；优选地使冷却水流过壳体部，实现被动水冷却。

横向泵浦光源30发射横向泵浦光束25，横向泵浦光束25通过聚焦透镜26被聚焦，使得：聚焦后的横向泵浦光束25的焦线与激发光纤3的位于激发腔22内的左侧的段的纵向轴线一致。

图5更精确地示出泵浦光源30的空间配置：这些泵浦光源30可以为所谓的激光棒的形式，这对于本领域的专家而言足够熟悉。激光棒通常形成为棒状并且由多个平行的相邻激光二极管构成，激光二极管进而为纵向的且可以具有矩形截面。激光棒产生以狭槽状图案发射的（见双箭头）平的、高度发散的激光，在这种情况下，激光被用作泵浦光。从激光棒发射的激光（见图4的俯视图和图5的截面图）以如下方式经由聚集透镜26聚焦：泵浦光的焦线、激发光纤3的纵向轴线和激发腔22的焦线（这里未示出）均一致。

示例性的激光棒30的光束特性在图5和图6中示出。在图5所示的俯视图中，可以看出较明显的光束发散，光束发散可达到30°。图6在侧视图中示出在达到大约8°的范围内的较窄的光束发散（见双箭头）。聚焦透镜26例如实现为筒状透镜的形式，聚焦透镜26借助于安装固定件（未示出）被固定到激发壳体18自身；这些安装固定件优选地是可调节的。优选地，激光棒或横向泵浦光源30也是可调节的。聚焦透镜用的安装固定件以及横向泵浦光源的安装固定件的调节和安装的精确设计不是本发明的关键点，因此不对其进行说明。

图7a-图7e示出垂直泵浦光束可以耦合入泵浦包层的不同可能方案。这些图示出激发光纤3的截面的一部分，更精确地说，示出具有激活芯3a、泵浦包层3b和石英玻璃包层3c的被剥皮的激发光纤3。仅在图7a和7b中给出这些附图标记，但是它们对应地适用于其它的图7c-图7e。

图7a示出经由所谓的异质梯度（inhomogeneous gradient）耦合入，图7b示出衍射耦合入，图7c示出折射耦合入，图7d示出通过反射镜耦合入，图7e示出通过全反射耦合入。这种结构通常借助于改变折射率用的方法来生成。图7a-图7e示出在泵浦包层3b的表面区域中的耦合入元件或结构的配置。还可以将这些元件或结构配置在激活光纤3a的表面的区域中，或者也可以配置在泵浦包层3b或激活光纤3a的体积内的任何部位处。

在根据图7a-图7e的所有变形中，在小表面积上（例如点状聚焦或线状聚焦）发生耦合入，耦合入的光束在泵浦包层3b或激活光纤3a内的较大体积上分布。因此，减小了能量密度，相应地，来自包层和光纤的反射低。此外，各射线呈不同角度，因此优选地保持在石英玻璃介质内。

图8以示意的形式示出激发单元的不同构思。这里，横向泵浦光源30示出为由若干独立的激光二极管组成，这些激光二极管均与激发光纤的纵向光纤轴线6成角度地配置。泵浦单元定位成十分靠近激活介质，在不插入聚焦透镜的状态下发生耦合入。仅示出激发光纤的激活芯3a和泵浦包层3b。概略地示出单一光射线，其倾斜地入射到泵浦包层的表面。泵浦包层的半径用于聚焦泵浦光束。

根据本发明的光纤激光器使得能够在长段的激发光纤上对激发光纤进行平行、同时的泵浦，以便能实现最快可能的激光束生成效果。可通过精确的空间定位和在光纤端4a、4b的区域中的反射镜和透镜的配置来实现耦合到短脉冲激光的模式。这使得波长的带宽变窄和稳定。此外，泵浦包层的表面上的、激活介质的表面上的和这些元件的两个体积内的所刻入的折射率的变化是有利的，因为这允许泵浦光束偏转激发光纤或激活介质容许的角度。

在本发明中，要求保护能够对所谓的多模光纤进行简单且经济的激发的设备。多模光纤是激活光纤，更准确的是光纤芯，其具有20μm～500μm以及更大的直径。相比之下，在现有技术中，主要使用单模光纤作为激活光纤；由于物理的原因，这些仅能够具有在大约4μm～20μm范围内的最大直径。鉴于（光纤芯的）激活介质的大幅增大的体积，清楚的是，根据本发明的光纤可以具有比先前使用的显著高的功率输出。此外，这种大芯径具有如下优点：对于横向激发，由于泵浦光的波前完全落在光纤芯的体积内，所以它们的效率很高。

应当注意，本发明关于一个实施方式描述的方面还可以包含在另一实施方式中，即使对于此未特别说明。换言之，所有实施方式和/或任意实施方式的特征可以根据需要组合在一起。

附图标记说明

1	光纤激光器
		2	激发单元
3	激发光纤
		3a	激活芯
3b	泵浦包层
		3c	石英玻璃包层
3d	硅缓冲层
		3e	外皮
4a	第一光纤端
		4b	第二光纤端
5	基板
		6	纵向光纤轴线
7	纵向泵浦光源
		8	保持单元
9	纵向泵浦光束
		11	输入准直仪
12a	弯曲的插接连接器
		12b	弯曲的插接连接器
13	输出透镜
		15	耦合出窗
17	输出光束
		18	激发壳体
18a	壳体部

18b	壳体部
		19	壳体窗
20a	气体入口
		20b	气体出口
21	冷却通道
		22	激发腔
25	横向泵浦光束
		26	聚焦透镜
30	横向泵浦光源
		31	种子激光器
33	半透明的反射镜

Claims (19)

1.一种光纤激光器用的激发单元（2），所述激发单元具有至少一个激发光纤（3），所述激发光纤（3）具有纵向轴线（6）并且在所述光纤激光器的谐振区中形成二维或三维结构，当在截面中观察时，所述激发光纤（3）由激活光纤芯（3a）、包围所述激活光纤芯（3a）的泵浦包层（3b）、包围所述泵浦包层（3b）的石英玻璃包层（3c）、包围所述石英玻璃包层（3c）的硅缓冲层（3d）和外皮（3e）构成，所述谐振区配备有基板（5），在所述基板（5）上设置有多个激发壳体（18），每个激发壳体（18）均形成气密的激发腔（22），所述激发光纤延伸通过每个激发腔至少一次并且被保持在保持单元（8）中，当在所述激发光纤（3）的纵向轴线（6）上观察时，所述保持单元（8）位于各激发壳体（18）的侧方，在所述激发腔（22）中所述激发光纤的外皮被去除，在所述保持单元（8）的区域中所述激发光纤的外皮是完整存在的，所述激发光纤（3）具有用作反射元件的第一光纤端（4a）和用作耦合出反射镜元件的第二光纤端（4b），其特征在于：

a）所述激发腔（22）在与所述激发光纤（3）的纵向轴线（6）垂直的截面中以椭圆形的方式形成，

b）所述激发壳体（18）设置有透明的壳体窗（19），以及

c）横向泵浦光源（30）在各透明的壳体窗（19）的区域中被配置成使得：离开所述泵浦光源（30）的泵浦光束（25）入射到所述激发光纤（3）的纵向轴线（6）上，离开所述泵浦光源（30）的泵浦光束（25）优选地以垂直的方式入射到所述激发光纤（3）的纵向轴线（6）上。

2.根据权利要求1所述的激发单元，其特征在于，所述激发光纤（3）延伸通过各激发腔（22）两次、三次、四次或更多次。

3.根据权利要求1或2所述的激发单元，其特征在于，使气体流过所述激发腔（22）。

4.根据权利要求1所述的激发单元，其特征在于，使冷却介质流过所述激发壳体（18）。

5.根据权利要求4所述的激发单元，其特征在于，所述激发壳体（18）由两个壳体部（18a、18b）构成。

6.根据权利要求3所述的激发单元，其特征在于，所述激发腔（22）内的椭圆形弯曲的表面生成焦线。

7.根据权利要求6所述的激发单元，其特征在于，所述椭圆形弯曲的表面的焦线彼此平行地延伸。

8.根据权利要求7所述的激发单元，其特征在于，所述激发光纤（3）在所述激发腔（22）内的纵向轴线（6）与所述椭圆形弯曲的表面的焦线一致。

9.根据前述权利要求中任一项所述的激发单元，其特征在于，在所述横向泵浦光源（30）和所述激发光纤（3）之间设置聚焦透镜（26）。

10.根据前述权利要求中任一项所述的激发单元，其特征在于，所述聚焦透镜和/或所述横向泵浦光源（30）是能调节的。

11.根据权利要求1所述的激发单元，其特征在于，所述横向泵浦光源（30）从如下的组中选取：激光棒、激光二极管、二极管激光器、其它激光光源、种子激光器、激光器堆叠体。

12.根据前述权利要求中任一项所述的激发单元，其特征在于，若干激发壳体（18）组合而形成更大的、连续的激发壳体。

13.根据前述权利要求中任一项所述的激发单元，其特征在于，在所述激发光纤（3）的第一光纤端（4a）上设置耦合入单元，在所述激发光纤的第二光纤端（4b）上设置耦合出单元。

14.根据权利要求13所述的激发单元，其特征在于，纵向泵浦光源（7）和/或种子激光器（31）设置在所述第一光纤端（4a）的区域中和/或所述第二光纤端（4b）的区域中。

15.根据权利要求14所述的激发单元，其特征在于，所述纵向泵浦光源从如下的组中选取：激光棒、激光二极管、二极管激光器、其它激光光源、种子激光器。

16.根据前述权利要求中任一项所述的激发单元，其特征在于，所述激发光纤（3）配置有相反方向的弯曲。

17.根据前述权利要求中任一项所述的激发单元，其特征在于，所述横向泵浦光束（25）在小面积上耦合到所述激发光纤（3）的泵浦包层（3b）中，所述横向泵浦光束（25）优选地以点状聚焦或线状聚焦的方式在小面积上耦合到所述激发光纤（3）的泵浦包层（3b）中。

18.根据权利要求17所述的激发单元，其特征在于，所述横向泵浦光束（25）借助于异质梯度、衍射、折射、反射镜或全反射耦合到所述激发光纤（3）的泵浦包层（3b）中。

19.一种具有前述权利要求中任一项所述的激发单元的光纤激光器。

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