CN104051937A - 一种高功率多芯光纤激光器 - Google Patents

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李成
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本发明涉及一种高功率多芯光纤激光器，由种子源、模式匹配器、放大器、光纤传输系统组成，所述的种子源由(N+1)x1耦合器与参杂光纤、两个光纤光栅组成，(N+1)x1耦合器的输出端依次连接一光纤光栅、参杂光纤、另一光纤光栅，所述的模式匹配器由种子源的输出光纤与多芯光纤组成，所述的放大器由多芯(N+1)x1耦合器与多芯参杂光纤组成，模式匹配器的多芯光纤与多芯(N+1)x1耦合器输入端相连，多芯(N+1)x1耦合器的输出端与多芯参杂光纤相连，多芯参杂光纤输出端切平或拉锥切平与端帽熔接成光纤传输系统输出激光。本发明有效避免非线性现象，实现超高功率激光输出，具有结构紧凑，光电转换效率高、稳定可靠、光束质量优的特点。

Description

一种高功率多芯光纤激光器
技术领域：
本发明属于光纤激光器技术领域，涉及一种高功率多芯光纤激光器，用于将单路种子源信号耦合入多芯光纤内，通过多芯光纤放大，最后合成为一路输出，达到抑制高功率非线性，提高光纤激光器输出功率、同时保证光束质量的目的。
技术背景：
光纤激光器是继传统气体激光器和固体激光器后的第三代新型激光器，具有结构紧凑、寿命长、免维护、光束质量好、节能环保等优点，已成功应用于机械加工、医疗、汽车制造及军事等领域。随着其应用领域的不断拓展，如汽车制造、船舶制造等行业中厚金属板的激光器切割和焊接，希望光纤激光器的输出功率达到数千瓦至数十千瓦。
虽然目前单根光纤的输出功率已经突破2000W，但仅限于实验室水平，且由于掺杂光纤内的非线性效应以及热损伤等物理机制的限制，单根光纤输出功率的进一步提升将非常困难，目前成熟的单芯光纤激光器功率单元一般功率在1500W左右。
为提高光纤激光器的输出功率，这就需要将多个光纤激光器功率单元合为一束输出，主要有相干合成和非相干合成两种方法。这两种合束的方法都是基于单芯光纤，使用多路单元激光器模块，最后完成激光合成。光纤激光器的相干合成结构较为复杂，由于使用多路不同模块，需要对各个模块进行相位、波长、频率等反馈控制；最后相干合束或者采用多路空间光路耦合，或者采用多根不同光纤耦合，此方法都无法保证稳定性、与一致性，目前国内外报道实现最高实验室功率仅为数千瓦。光纤激光器的非相干合成，也是已经商用的合成技术是功率合成，其通过把数根激光束通过熔融拉锥，成为一束，再与单根光纤熔接，该方法简单可靠，也能实现高功率输出，但是无法保证较高的光束质量，目前商用激光器报道，7路单模激光，非相干合束，M2在7左右。
发明内容：
本发明的目的为了克服现有技术存在的缺陷和问题，提供一种高功率多芯光纤激光器，由种子源、模式匹配器、放大器、光纤传输系统组成，本发明可有效实避免非线性现象，实现超高功率激光的输出，具有结构紧凑，光电转换效率高、稳定可靠、光束质量优的特点。
本发明的技术方案为：
一种高功率多芯光纤激光器，由种子源、模式匹配器、放大器、光纤传输系统组成，其特征在于：所述的种子源由(N+1)x1耦合器与参杂光纤、两个光纤光栅组成，(N+1)x1耦合器的输出端依次连接一光纤光栅、参杂光纤、另一光纤光栅，所述的模式匹配器由种子源的输出光纤与多芯光纤组成，所述的放大器由多芯(N+1)x1耦合器与多芯参杂光纤组成，模式匹配器的多芯光纤与多芯(N+1)x1耦合器输入端相连，多芯(N+1)x1耦合器的输出端与多芯参杂光纤相连，多芯参杂光纤输出端切平或拉锥切平与端帽熔接成光纤传输系统输出激光。
所述种子源的输出光纤与多芯光纤通过拉锥、扩束或者使用过度光纤，使种子源的输出光纤功率分配到多芯光纤中。
所述多芯光纤和多芯参杂光纤的纤芯数量大于2。
所述多芯光纤和多芯参杂光纤的外包层是圆形或多边形。
所述多芯光纤和多芯参杂光纤的纤芯排布是对称或非对称；多芯光纤的各个纤芯形状相同或不相同。
所述多芯光纤和多芯参杂光纤的纤芯以外的包层是单层或多层；包层外面的涂覆层是单层或多层。
所述多芯(N+1)x1耦合器，输入与输出信号光纤一致，中间没有熔接点。
述多芯光纤和多芯参杂光纤内，各路纤芯激光发生相干合成或发生非相干组束。
所述多芯参杂光纤输出端再拉锥切平，与一段过度光纤熔接，过度光纤熔接一段镀膜端帽，输出空间激光。
本发明使用多芯光纤，可以充分保证各个纤芯的纤芯直径、NA、纤芯形状、纤芯之间距离、折射率分布等指标的一致性，使用单路种子源耦合入多芯光纤内，可以充分保证各个纤芯波长、相位、频率等指标的一致性。通过本发明，可以解决合束的稳定性、一致性的问题。如果各路纤芯激光非相干，同样可以通过拉锥，使得各路纤芯组束，由于多芯光纤的纤芯稳定性，同样可以保证高光束质量的输出。
本发明使用多芯参杂光纤作为放大器部分，使用多芯光纤直接与端帽熔接作为光纤传输系统，整个光路采用极少熔接点。本发明可有效实避免非线性现象，实现超高功率激光的输出，具有结构紧凑，光电转换效率高、稳定可靠、光束质量优的特点。
附图说明：
图1是本发明实施例提供的的主视图。
图2是一种多芯参杂光纤折射率分布示意图。
图3是一种多芯六边形光纤截面示意图。
图4a、图4b、图4c分别是3芯、4芯、19芯光纤截面示意图。
图5是多芯光纤与种子源输出光纤制作模式匹配器示意图。
图6是多芯光纤拉锥后与端帽直接熔接示意图。
图7是多路放大部门级联的示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种高功率多芯光纤激光器，由种子源1、模式匹配器2、放大器3、光纤传输系统组成，其特征在于：所述的种子源1由(N+1)x1耦合器5与参杂光纤6、两个光纤光栅(7,11)组成，(N+1)x1耦合器5的输出端依次连接一光纤光栅11、参杂光纤6、另一光纤光栅7，所述的模式匹配器2由种子源1的输出光纤10与多芯光纤12组成，所述的放大器3由多芯(N+1)x1耦合器8与多芯参杂光纤9组成，模式匹配器2的多芯光纤12与多芯(N+1)x1耦合器8输入端相连，多芯(N+1)x1耦合器8的输出端与多芯参杂光纤9相连，多芯参杂光纤9输出端切平与端帽4熔接成光纤传输系统输出激光。
其制备方法如下：
1、种子源部分，采用(6+1)x1耦合器，输入pump光纤200/220，输入输出光纤20‐400NA＝0.065，参杂光纤使用20‐400八变形光纤，两对光栅同样采用20‐400光纤。
如图2所示，7芯光纤，每个纤芯直径20um，纤芯参杂Ge，呈阶跃折射率分布，NA＝0.065；
中间纤芯中心距边缘6个纤芯中心25um，包层材料为纯石英材料；光纤包层外径1500um；包层外面涂覆折射率<1.36的低折射率胶水。
如图3所示，7芯光纤，每个纤芯直径20um，纤芯纯石英材料，第一包层直径30um，参杂氟，第二包层为纯石英材料；
如图4a、图4b所示，分别为3芯、4芯参杂多边形光纤，图4c为19芯无源光纤。
2、剥除多芯光纤的涂覆层材料，清洗干净以后，使用AFL LZM100CO2拉锥机进行拉锥，拉锥长度30mm，拉锥后外径约为400um。
3、如图5所示，多芯光纤拉锥完在中间切断，与种子源输出光纤20‐400熔接，熔接完包装在散热壳体以内，封装材料下面通水散热；
4、多芯光纤(6+1)x1耦合器，输入、输出多芯光纤为上述多芯光纤，泵浦光纤为600‐660多模光纤，该光纤单腿pump激光传输1000W，合束器承受6000W以上功率，由于采用侧泵结构，单路纤芯信号损耗小于0.1dB。
5、多芯光纤表面涂覆一层3000um的涂覆层，使用金属铠装做成光缆，光缆弯曲半径大于0.5m，如图6所示，在锥形光纤尾部熔接一段直径15mm，长度30mm的端帽，端帽端面镀1064nm AR膜，端帽水冷封装在金属散热壳体内。
6、如图7所示，采用同样的放大方式，级联多路放大模块，可以实现高功率、高光束质量输出。
综上所述，该方案可以以全光纤形式，解决高功率、高光束质量部分相干与非相干激光输出。

Claims (9)

1.一种高功率多芯光纤激光器，由种子源、模式匹配器、放大器、光纤传输系统组成，其特征在于：所述的种子源由(N+1)x1耦合器与参杂光纤、两个光纤光栅组成，(N+1)x1耦合器的输出端依次连接一光纤光栅、参杂光纤、另一光纤光栅，所述的模式匹配器由种子源的输出光纤与多芯光纤组成，所述的放大器由多芯(N+1)x1耦合器与多芯参杂光纤组成，模式匹配器的多芯光纤与多芯(N+1)x1耦合器输入端相连，多芯(N+1)x1耦合器的输出端与多芯参杂光纤相连，多芯参杂光纤输出端切平或拉锥切平与端帽熔接成光纤传输系统输出激光。
2.如权利要求1所述的高功率多芯光纤激光器，其特征在于：所述种子源的输出光纤与多芯光纤通过拉锥、扩束或者使用过度光纤，使种子源的输出光纤功率分配到多芯光纤中。
3.如权利要求1所述的高功率多芯光纤激光器，其特征在于：所述多芯光纤和多芯参杂光纤的纤芯数量大于2。
4.如权利要求1所述的高功率多芯光纤激光器，其特征在于：所述多芯光纤和多芯参杂光纤的外包层是圆形或多边形。
5.如权利要求1所述的多芯光纤的高功率激光合束器，其特征在于：所述多芯光纤和多芯参杂光纤的纤芯排布是对称或非对称；多芯光纤的各个纤芯形状相同或不相同。
6.如权利要求1所述的高功率多芯光纤激光器，其特征在于：所述多芯光纤和多芯参杂光纤的纤芯以外的包层是单层或多层；包层外面的涂覆层是单层或多层。
7.如权利要求1所述的高功率多芯光纤激光器，其特征在于：所述多芯(N+1)x1耦合器，输入与输出信号光纤一致，中间没有熔接点。
8.如权利要求1所述的高功率多芯光纤激光器，其特征在于：述多芯光纤和多芯参杂光纤内，各路纤芯激光发生相干合成或发生非相干组束。
9.如权利要求1所述的高功率多芯光纤激光器，其特征在于：所述多芯参杂光纤输出端再拉锥切平，与一段过度光纤熔接，过度光纤熔接一段镀膜端帽，输出空间激光。
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