CN104466630A - 一种高功率光纤激光器 - Google Patents

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薛宇豪
宫武鹏
张红
冯晓波
杨超
王�琦
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Abstract

本发明涉及一种高功率光纤激光器，主要包括前向泵浦源、前向光纤合束器、高反光纤光栅、掺杂光纤、低反光纤光栅、后向光纤合束器、后向泵浦源、输出端帽以及信号输出端。本发明的有益效果在于，采用双向泵浦一级振荡结构，通过在掺杂光纤中间安装包层光滤除器来防止未充分吸收的泵浦光进入对面的光纤合束器和泵浦源中，从而实现千瓦以上的激光功率输出，具有良好的光束质量，结构紧凑，性能稳定，能满足各领域的应用需求。

Description

一种高功率光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光技术领域，特别涉及一种高功率光纤激光器。
背景技术
高功率光纤激光器具有高效率、高光束质量、结构紧凑等优点，广泛应用于工业、医疗、军事等领域。特别是千瓦级全光纤激光器，可以直接进行金属切割、焊接、转孔等工业加工，而通过将多台千瓦级全光纤激光器进行功率合成，很容易得到万瓦级激光输出，从而满足一些特殊领域的需求。
由于目前泵浦合束器耦合功率等器件的限制，一般采用前向或后向的单向泵浦结构，只能获得几十到百瓦级的激光输出，然后再通过一级放大结构来实现千瓦以上的功率输出。例如在2008年10月15日公开的发明专利申请CN101288211A中披露了一种光纤激光器，该光纤激光器包括单模或低阶模包层泵浦光纤激光振荡器或前置放大器，适合于导引多横模的包层泵浦光纤激光功率放大器。而采用放大结构的激光器需要很好的隔离器来防止激光反向传输，目前还没有能够承受百瓦以上的光纤隔离器，因此采用放大结构的千瓦级光纤激光器很难成为稳定的激光系统满足各个领域的应用。
而在现有技术中，采用双向泵浦结构，虽然可以提高耦合入光纤中的总泵浦功率水平，但由于掺杂光纤吸收峰值波长较窄，泵浦源发射中心波长随温度变化而漂移，使得泵浦光未能被充分吸收，那么剩余的泵浦光进入对面的光纤合束器和泵浦源，容易造成器件损坏，这就需要对泵浦源的温度进行精确的控制，确保泵浦光被掺杂光纤充分吸收，这就会导致系统比较复杂，难以实现千瓦级激光稳定输出。
发明内容
为了有效的解决现有技术的问题，本发明提供了一种高功率光纤激光器，其可以有效的减少未被充分吸收的泵浦光和外界反馈光的影响，实现稳定的千瓦级激光输出。
一种高功率光纤激光器，主要包括前向泵浦源、前向光纤合束器、高反光纤光栅、掺杂光纤、低反光纤光栅、后向光纤合束器、后向泵浦源、输出端帽以及信号输出端，其中，在掺杂光纤中间安装有包层光滤除器，前向泵浦源输出的泵浦光经过前向光纤合束器以及高反光纤光栅后进入掺杂光纤中，经过前半段掺杂光纤的吸收后，剩余未被吸收的泵浦光经过包层光滤除器导出掺杂光纤，防止进入对面的光纤系统中，同样，后向泵浦源输出的泵浦光经过后向光纤合束器以及低反光纤光栅后进入掺杂光纤中，经过后半段掺杂光纤的吸收后，剩余未被吸收的泵浦光经过包层光滤除器导出掺杂光纤，防止进入前面的光纤系统中，最终获得千瓦级激光经过输出端帽输出。
所述的前向光纤合束器的信号输出端用来对高功率光纤激光器的激光光谱、时间特征以及稳定性进行监测；所述的前向泵浦源和后向泵浦源包括多个尾纤输出的激光器，其是半导体激光器、光纤激光器或者固体激光器，且前向泵浦源的总输出功率高于后向泵浦源的总输出功率；所述的高反光纤光栅对输出激光波长的反射率大于99％，低反光纤光栅对输出激光波长的反射率小于20％；所述的掺杂光纤为双包层或多包层光纤，其内包层形状为非圆形，直径为200～600μm，纤芯直径为20～40μm，纤芯掺稀土离子包括以下一种或者多种：镱、铒、铥；所述的包层光滤除器可承受十瓦以上的包层光功率；所述的输出端帽为一段无芯石英光纤，其输出端面可以镀激光增透膜或者切8°斜面，防止产生自激振荡。
所述的前向光纤合束器和后向光纤合束器分别包括N个泵浦输入光纤、1个信号输入光纤以及1个信号输出光纤，其中泵浦输入光纤和信号输出光纤位于前向光纤合束器或后向光纤合束器的一侧，信号输入光纤位于前向光纤合束器或后向光纤合束器的另一侧。泵浦输入光纤为单包层非掺杂光纤，信号输入光纤和信号输出光纤都为双包层非掺杂光纤，纤芯直径为20μm，内包层直径为400μm。前向光纤合束器的泵浦输入光纤经过前向光纤合束器的透过率大于90％，后向光纤合束器的信号输入光纤经过或后向光纤合束器的透过率大于90％。
本发明的有益效果在于，采用双向泵浦一级振荡结构，通过在掺杂光纤中间安装包层光滤除器来防止未充分吸收的泵浦光进入对面的光纤合束器和泵浦源中，从而实现千瓦以上的激光功率输出具有良好的光束质量，结构紧凑，性能稳定，能满足各领域的应用需求。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明高功率光纤激光器的结构示意图。
图2为本发明中前向和后向光纤合束器的示意图。
具体实施方式
图1为本发明所述高功率光纤激光器的结构示意图。该光纤激光器由六个前向泵浦源1、前向光纤合束器2、高反光纤光栅3、掺杂光纤4、包层光滤除器5、低反光纤光栅6、后向光纤合束器7、六个后向泵浦源8、输出端帽9以及信号输出端10构成。
其中，前向泵浦源1输出的泵浦光经过前向光纤合束器2以及高反光纤光栅3后进入掺杂光纤4中，经过前半段掺杂光纤的吸收后，剩余未被吸收的泵浦光经过包层光滤除器5导出掺杂光纤4，防止进入后面的光纤系统中，同样，后向泵浦源8输出的泵浦光经过后向光纤合束器7以及低反光纤光栅6后进入掺杂光纤4中，经过后半段掺杂光纤的吸收后，剩余未被吸收的泵浦光经过包层光滤除器5导出掺杂光纤4，从而防止进入前面的光纤系统中，最终获得千瓦级激光经过输出端帽9输出。
所述的前向光纤合束器2的信号输出端10用来对高功率光纤激光器的激光光谱、时间特征以及稳定性进行监测。
所述的前向泵浦源1和后向泵浦源8包括多个尾纤输出的激光器，其是半导体激光器、光纤激光器或者固体激光器，且前向泵浦源1的总输出功率高于后向泵浦源8的总输出功率。
所述的高反光纤光栅3对输出激光波长的反射率大于99％，所述的低反光纤光栅6对输出激光波长的反射率小于20％。
所述的掺杂光纤4为双包层光纤，其内包层形状为八边形，直径为400μm，纤芯直径为20μm，缠绕在直径小于15cm的圆桶上来抑制高阶模的产生，纤芯掺稀土离子包括以下一种或者多种：镱、铒、铥。
所述的包层光滤除器5位于掺杂光纤4中间，可承受十瓦以上的包层光功率，将前向和后向泵浦中未被充分的泵浦光从掺杂光纤4中导出，防止进入对面的泵浦源中造成损坏。
所述的输出端帽9为一段无芯石英光纤，其输出端面可以镀激光增透膜或者切8°斜面，防止产生自激振荡。
如图2所示，所述的前向光纤合束器2和后向光纤合束器7分别包括六个泵浦输入光纤12、一个信号输入光纤11以及一个信号输出光纤13，其中泵浦输入光纤12和信号输出光纤13位于前向光纤合束器2或后向光纤合束器7的一侧，信号输入光纤11位于前向光纤合束器2或后向光纤合束器7的另一侧。
其中六个泵浦输入光纤12为单包层非掺杂光纤，纤芯直径为200μm，信号输入光纤11和信号输出光纤13为双包层非掺杂光纤，纤芯直径为20μm，内包层直径为400μm。前向光纤合束器2的泵浦输入光纤12经过前向光纤合束器2的透过率大于90％，后向光纤合束器7的信号输入光纤11经过或后向光纤合束器7的透过率大于90％。

Claims (10)

1.一种高功率光纤激光器，主要包括前向泵浦源(1)、前向光纤合束器(2)、高反光纤光栅(3)、掺杂光纤(4)、低反光纤光栅(6)、后向光纤合束器(7)、后向泵浦源(8)、输出端帽(9)以及信号输出端(10)，
其特征在于，在掺杂光纤中间安装有包层光滤除器(5)，前向泵浦源(1)输出的泵浦光经过前向光纤合束器(2)以及高反光纤光栅(3)后进入掺杂光纤(4)中，经过前半段掺杂光纤的吸收后，剩余未被吸收的泵浦光经过包层光滤除器(5)导出掺杂光纤(4)，防止进入对面的光纤系统中，同样，后向泵浦源(8)输出的泵浦光经过后向光纤合束器(7)以及低反光纤光栅(6)后进入掺杂光纤(4)中，经过后半段掺杂光纤的吸收后，剩余未被吸收的泵浦光经过包层光滤除器(5)导出掺杂光纤(4)，防止进入前面的光纤系统中，最终获得千瓦级激光经过输出端帽(9)输出。
2.根据权利要求1所述的高功率光纤激光器，其特征在于，所述的前向光纤合束器(2)的信号输出端(10)用来对高功率光纤激光器的激光光谱、时间特征以及稳定性进行监测。
3.根据权利要求1所述的高功率光纤激光器，其特征在于所述的前向泵浦源(1)和后向泵浦源(8)包括多个尾纤输出的激光器，其是半导体激光器、光纤激光器或者固体激光器，且前向泵浦源(1)的总输出功率高于后向泵浦源(8)的总输出功率。
4.根据权利要求1所述的高功率光纤激光器，其特征在于，所述的高反光纤光栅(3)对输出激光波长的反射率大于99％，低反光纤光栅(6)对输出激光波长的反射率小于20％。
5.根据权利要求1所述的高功率光纤激光器，其特征在于，所述的掺杂光纤(4)为双包层或多包层光纤，其内包层形状为非圆形，直径为200～600μm，纤芯直径为20～40μm，纤芯掺稀土离子包括以下一种或者多种：镱、铒、铥。
6.根据权利要求1所述的高功率光纤激光器，其特征在于，所述的包层光滤除器可承受十瓦以上的包层光功率。
7.根据权利要求1所述的高功率光纤激光器，其特征在于，所述的输出端帽(9)为一段无芯石英光纤，其输出端面可以镀激光增透膜或者切8°斜面，防止产生自激振荡。
8.根据权利要求1至7之一所述的高功率光纤激光器，其特征在于，所述的前向光纤合束器(2)和后向光纤合束器(7)分别包括N个泵浦输入光纤(12)、1个信号输入光纤(11)以及1个信号输出光纤(13)，其中泵浦输入光纤(12)和信号输出光纤(13)位于前向光纤合束器(2)或后向光纤合束器(7)的一侧，信号输入光纤(11)位于前向光纤合束器(2)或后向光纤合束器(7)的另一侧。
9.根据权利要求8所述的高功率光纤激光器，其特征在于，泵浦输入光纤(12)为单包层非掺杂光纤，信号输入光纤(11)和信号输出光纤(13)都为双包层非掺杂光纤，纤芯直径为20μm，内包层直径为400μm。
10.根据权利要求9所述的高功率光纤激光器，其特征在于，前向光纤合束器(2)的泵浦输入光纤(12)经过前向光纤合束器(2)的透过率大于90％，后向光纤合束器(7)的信号输入光纤(11)经过或后向光纤合束器(7)的透过率大于90％。
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