CN104242024A - 一种光纤激光器光路系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤激光器光路系统，结构为输入端激光通过激光输入耦合装置，耦合进入传输光纤，传输光纤一端刻有高反的光纤光栅，另一端刻有低反的光纤光栅，传输光纤输出端熔接端帽，以上激光输入耦合装置和端帽分别固定于两个固定座上，整个光路系统封装在水冷系统内，水冷系统外侧包围光纤光缆；传输光纤一端刻有高反的光纤光栅，另一端刻有低反的光纤光栅，或在激光输入耦合装置、光纤端帽表面镀膜，形成激光腔体。本发明在传输光纤两端直接熔接激光耦合装置与端帽，并使得整个光路系统放置于水冷装置中，结构外侧包围光缆保护。本发明具有体积小、可靠性高，集成度高、成本低等优点，能够在保证高光束质量的基础上，实现高功率激光输出。

Description

一种光纤激光器光路系统

技术领域：

本发明属于光纤激光器技术领域，用于将复杂的光纤激光器光路系统，集成于一简单的光纤激光器光路系统中，该发明具有体积小、可靠性高，集成度高、成本低等优点，能够在保证高光束质量的基础上，实现高功率激光稳定输出。

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。

传统光纤激光器由：电路控制单元、半导体泵浦单元、光纤激光光路单元、功率传输单元组成。其中光纤光路单元与功率传输单元是光纤激光器区别于半导体激光器的关键。目前，商用的光纤激光器都是把这两部分作为单独组件，进行装配。

光纤激光器与半导体激光器是目前最新一代的激光器，相比于光纤激光器，半导体激光器由于没有有源光纤光路单元，所以成本、转换效率、体积等方便有比较明显优势；另外随着光束合束技术的发展，半导体激光器在光束质量上面，正逐步接近光纤激光器，在一些焊接、切割、熔覆等领域正逐步替代光纤激光器。但是在一些精密切割、打标等加工领域，需要近单模光束输出，这方面，是半导体激光器无法取代的。

发明内容：

本发明的目的提供一种光纤激光器光路系统，通过整合，把激光光路单元与传输单元，结合成一个整体，不仅使得激光器的结构更加紧凑，而且成本得到大幅度降低。

本发明的通过以下技术方案来实现：

一种光纤激光器光路系统，包括激光输入耦合装置、传输光纤、光纤光栅、光纤端帽、水冷系统、固定座以及光纤光缆，其特征在于：输入端激光通过激光输入耦合装置，耦合进入传输光纤，传输光纤一端刻有高反的光纤光栅，另一端刻有低反的光纤光栅，传输光纤输出端熔接端帽，以上激光输入耦合装置和端帽分别固定于两个固定座上，整个光路系统封装在水冷系统内，水冷系统外侧包围光纤光缆。

一种光纤激光器光路系统，包括激光输入耦合装置、传输光纤、光纤端帽、水冷系统、固定座以及光纤光缆，其特征在于：输入端激光通过激光输入耦合装置，耦合进入传输光纤，传输光纤输出端熔接端帽，激光输入耦合装置和端帽分别固定于两个固定座上，整个光路系统封装在水冷系统内，水冷系统外侧包围光纤光缆；在激光输入耦合装置、光纤端帽表面镀膜，形成激光腔体。

输入激光通过激光输入耦合装置耦合进入传输光纤的纤芯或包层。

所述的激光输入耦合装置直接与传输光纤熔接或通过空间耦合进入传输光纤。

所述的激光输入耦合装置是锥形光学棒、NX1合束器、(N+1)x1合束器或光学透镜。

传输光纤全部是参杂光纤或部分是参杂光纤，部分是非参杂光纤。

传输光纤输出端熔接端帽，端帽的材料为耐高功率材料，选择高纯熔融石英、氟化钙、氟化镁、宝石、硅或硒化锌材料。

上述激光输入耦合装置、光纤端帽固定于固定座上，激光输入耦合装置、传输光纤、光纤光栅、光纤端帽，通过同一水冷装置进行水冷散热。

水冷装置外侧包围一层光纤光缆以保护该光路系统。

本发明通过制作不同规格的光路系统，可以对同一输入光源进行扩展。比如，切割、焊接、熔覆，三者对于光束质量要求各不相同，对于光纤直径也各自不同。我们根据本发明通过更换不同规格的光路系统，可以满足客户不同需求，并且更换过程简单，易于操作。比如对于熔覆，我们选择非参杂传输光纤，可以直接把输入半导体激光耦合进入光路系统；对于切割，我们选择参杂光纤，两端制作光栅，可以输出高功率单模激光。

本发明用于将复杂的光纤激光器光路系统，集成于一简单激光传输系统中，该发明具有体积小、可靠性高，集成度高、成本低等优点，能够在保证高光束质量的基础上，实现高功率激光稳定输出。本发明利用同一半导体泵浦源，通过更换不同部件，可以使得最后输出激光在光纤激光与半导体激光之间转换，大大增强了激光器的多样性。

附图说明：

图1是本发明实施例提供的的结构示意图。

图2是输入915nm泵浦激光，输出1064nm单模激光的示意图；

图3是输入915nm，输出是915nm，输入耦合装置是耦合透镜，通过空间光路整合，耦合进入光纤纤芯的示意图；

图4是输入915nm，输出是915nm，输入耦合装置是锥形石英棒，通过熔接，耦合进入光纤的示意图；

图5是本光路系统与各个激光模块组成的激光系统示意图。

图6是本光路系统与各个激光模块组成的MPOA激光系统示意图。

具体实施方式：

结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1，如图1、图2所示，一种光纤激光器光路系统，包括激光输入耦合装1、传输光纤3、光纤光栅(2,4)、光纤端帽5、水冷系统8、两个固定座(9,10)以及光纤光缆11，其特征在于：输入端激光通过激光输入耦合装置1，耦合进入传输光纤3，传输光纤3一端刻有高反的光纤光栅2，另一端刻有低反的光纤光栅4，传输光纤3输出端熔接端帽5，以上激光输入耦合装置1和端帽5分别固定于两个固定座(9、10)上，整个光路系统封装在水冷系统8内，水冷系统8设有进水口6，出水口7，水冷系统外侧包围光纤光缆11。

实施例2，如图3、图4所示，一种光纤激光器光路系统，包括激光输入耦合装置1、传输光纤3、光纤端帽5、水冷系统8、两个固定座(9,10)以及光纤光缆11，其特征在于：输入端激光通过激光输入耦合装置1，耦合进入传输光纤3，传输光纤3输出端熔接端帽5，激光输入耦合装置1和端帽5分别固定于两个固定座(9、10)上，整个光路系统封装在水冷系统8内，水冷系统8设有进水口6，出水口7，水冷系统外侧包围光纤光缆11；在激光输入耦合装置1、光纤端帽5表面镀膜，形成激光腔体。

一、如图5所示，以输出单模激光为例，其光纤激光光路系统实施方法如下：

1、输入915nm泵浦激光通过激光耦合装置，耦合进入20/400双包层，该光纤纤芯NA＝0.065，包层为八边形，纤芯参杂Yb；激光耦合装置一端镀膜，膜层对915nm激光增透，透过率大于99.8％，对1080nm高反，反射率大于99％，耦合装置呈锥形，另外一端直径395um，与20/400光纤熔接；输入泵浦激光通过耦合装置，耦合进入双包层光纤内，耦合效率要求大于99％，通过控制锥形装置的锥度，可以控制，注入光纤的发散角；

2、根据参杂光纤泵浦吸收率，可以定出光纤长度，一般参杂光纤长度大于10米，参杂光纤穿于一密闭套管内；

3、参杂光纤的另外一端熔接一段直径10mm,长度28mm石英棒，石英棒输出端表面镀有增透膜，对于1060-1090nm波长，透过率大于99.8％；

4、对参杂光纤两端各1米处，通过窗口剥除6cm长度涂覆层，在输入端刻写高反光栅，对输出端刻写低反光栅，一对光栅中心波长1064nm，刻写完毕后，用涂覆机涂覆；亦可使用无源光纤，刻写光栅，然后再与参杂光纤熔接，两端无源光纤再与输入耦合装置，输出端帽熔接，熔接后熔接点需涂覆保护，亦可达到以上效果；

5、把上述输入耦合装置、端帽分别封装在金属固定座上，固定座与上述2密闭套管封装，固定座外侧便于定位、固定，如采用QBH机械结构，便于与输入激光器与输出加工装置定位、匹配；

6、水冷系统使流动水，直接与耦合装置、光纤、端帽结合；便于高功率产生的热量，直接被水带走；

7、在水冷装置外侧包围金属光缆，金属光缆两头分别连接金属固定座，保证整个激光光路系统的机械可靠性。

该结构可实现千瓦级别以内的单模激光输出；

二、如图6所示，另一种MOPA放大系统，实施方式如下：

1、耦合装置是(6+1)x1全光纤合束器，合束器输入信号端是20/400无源光纤，输入泵浦端是200/220光纤，输入光纤通过熔融拉锥，形成光纤束，与输出YB光纤直接熔接，YB光纤是20/400八边形光纤，与输入无源光纤匹配；整合(6+1)x1合束器锥区用低折射率胶水封装，整个器件封装在金属固定座上；

2、上述信号输入20/400光纤与一个700w，1070nm种子源熔接，输入端200/220光纤与6个200W915nm泵浦源熔接，整个光学系统由控制电路控制；

3、上述1有源Yb光纤长度30米以上，光纤外侧包围密封套管，光纤两端无光栅，输出端Yb光纤熔接一段直径10mm，长度20mm镀膜端帽；

4、把上述输入耦合装置、端帽分别封装在金属固定座上，固定座与上述密闭套管封装，固定座外侧便于定位、固定，如采用QBH机械结构，便于与输入激光器与输出加工装置定位、匹配；

6、水冷系统使流动水，直接与耦合装置、光纤、端帽结合；便于高功率产生的热量，直接被水带走；

7、在水冷装置外侧包围金属光缆，金属光缆两头分别连接金属固定座，保证整个激光光路系统的机械可靠性。

该结构可实现千瓦以上，高功率准单模激光输出；亦可实现数千瓦级别，高功率少模激光输出；通过多次级联，还可以实现多次放大；

三、如图3、4，输出915nm激光的光路系统，实施方式如下：

1、如图3，耦合装置是光学透镜，输入915nm泵浦激光，通过光学透镜耦合进入传输光纤；

2、如图4，耦合装置是锥形光纤棒，光纤棒一端磨抛成光学透镜，另外一端与传输光纤熔接；

3、通过3、4，使得915nm泵浦激光直接耦合进入传输光纤的纤芯；传输光纤大于10米，输出端熔接一段端帽；

4、把上述输入耦合装置、端帽分别封装在金属固定座上，固定座与上述密闭套管封装，固定座外侧便于定位、固定，如采用QBH机械结构，便于与输入激光器与输出加工装置定位、匹配；

5、水冷系统使流动水，直接与耦合装置、光纤、端帽结合；便于高功率产生的热量，直接被水带走；

6、在水冷装置外侧包围金属光缆，金属光缆两头分别连接金属固定座，保证整个激光光路系统的机械可靠性。

该结构，可以直接把半导体激光耦合进入传输系统，应用于一些高功率，对光束质量要求的场合，如熔覆、焊接。

Claims (7)

1.一种光纤激光器光路系统，包括激光输入耦合装置、传输光纤、光纤光栅、光纤端帽、水冷系统、固定座以及光纤光缆，其特征在于：输入端激光通过激光输入耦合装置，耦合进入传输光纤，传输光纤一端刻有高反的光纤光栅，另一端刻有低反的光纤光栅，传输光纤输出端熔接端帽，以上激光输入耦合装置和端帽分别固定于两个固定座上，整个光路系统封装在水冷系统内，水冷系统外侧包围光纤光缆。

2.一种光纤激光器光路系统，包括激光输入耦合装置、传输光纤、光纤端帽、水冷系统、固定座以及光纤光缆，其特征在于：输入端激光通过激光输入耦合装置，耦合进入传输光纤，传输光纤输出端熔接端帽，激光输入耦合装置和端帽分别固定于两个固定座上，整个光路系统封装在水冷系统内，水冷系统外侧包围光纤光缆；在激光输入耦合装置、光纤端帽表面镀膜，形成激光腔体。

3.如权利要求1或2所述的光纤激光器光路系统，其特征在于：输入激光通过激光输入耦合装置耦合进入传输光纤的纤芯或包层。

4.如权利要求1或2所述的光纤激光器光路系统，其特征在于：所述的激光输入耦合装置直接与传输光纤熔接或通过空间耦合进入传输光纤。

5.如权利要求1或2所述的光纤激光器光路系统，其特征在于：所述的激光输入耦合装置是锥形光学棒、NX1合束器、(N+1)x1合束器或光学透镜。

6.如权利要求1或2所述的光纤激光器光路系统，其特征在于：传输光纤全部是参杂光纤或部分是参杂光纤，部分是非参杂光纤。

7.如权利要求1或2所述的光纤激光器光路系统，其特征在于：传输光纤输出端熔接端帽，端帽的材料为耐高功率材料，选择高纯熔融石英、氟化钙、氟化镁、宝石、硅或硒化锌材料。