CN104577692A - 一种光纤光栅选频的频谱合束装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光纤光栅选频的频谱合束装置，包括至少两路不同波长的光纤激光器、准直器、光束方向调整器以及体光栅，每路光纤激光器包括顺序布置的第一泵浦源、高反射光纤光栅、第一有源光纤以及输出耦合光纤光栅，准直器用于对相应的光纤激光器输出的激光进行准直；光束方向调整器用于对经准直器准直后的激光进行方向调整，使其以预定的入射角入射至体光栅；体光栅用于对来自各个光束方向调整器的以不同入射角入射、并具有不同波长的激光合为一束。采用本发明的光纤光栅选频的频谱合束装置，省去了传统由可调谐半导体激光器发出特定激光波长，经过多级放大实现高功率的复杂布局，可以由光纤激光振荡级直接产生高功率窄线宽激光装置。

Description

一种光纤光栅选频的频谱合束装置
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体地涉及一种光纤光栅选频的频谱合束装置。
背景技术
光纤激光器具有体积小、结构紧凑等优点，已成功应用在激光切割、激光焊接、激光打标等激光加工领域，是非常有前景的新一代激光技术之一。
对于光纤激光器来说，单根光纤激光的输出功率受光纤内在特性(如非线性效应、热沉积等)和半导体激光器抽运功率的制约，单横模光纤激光器的功率输出受到光纤承受功率密度的限制，导致单横模光纤输出功率的提升变得非常困难。
为提高光纤激光器的输出功率，需要将多束光纤激光器的输出高效地合为一束输出，主要的合束技术有光纤合束、相干合束和频谱合束三种。光纤合束直接将多根光纤激光器的输出端捆绑在一起，使激光输出功率达到各分激光器功率总和，由于此方法对合成的光束没有控制，形成多横模输出，使光束质量变差，并且激光的亮度降低。相干合束需要严格控制多个激光器的输出激光的波长相位和偏振态，使得多束光波相干加强，得到高功率激光输出，此方法实现较难。
频谱合束是采用色散元件使得各单元光束在同方向上实现非相干叠加，从而在不改变能量的横向分布的情况下提高整个系统的输出功率，增强激光亮度。该合束技术比较容易实现，并且还能提供较好的光束质量。
传统的频谱合束是采用可调谐单频半导体激光器作为选择波长的激光种子源，通过多级光纤放大后，再进行光谱合束。该种方式实现高功率输出需要将毫瓦级的半导体激光种子源放大至千瓦级，至少需要经过三级放大，其结构复杂，能量转换效率低，不利于用于工业生产。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种光纤光栅选频的频谱合束装置。利用由高反射光纤光栅和输出耦合光纤光栅组成的光纤光栅对构成的谐振腔，实现对单元激光波长的选择。多个单元激光器产生多束激光，分别经准直、光束方向调整照射到体光栅上，利用体光栅的衍射效应，使得各单元光束在近场和远场相叠加，最终实现激光横向分布的合束，得到功率高、光束质量好的激光输出。
本发明的技术解决方案包括：
一种光纤光栅选频的频谱合束装置，包括至少两路不同波长的光纤激光器、准直器、光束方向调整器以及体光栅，其中，每路光纤激光器包括顺序布置的第一泵浦源、高反射光纤光栅、第一有源光纤以及输出耦合光纤光栅，第一泵浦源输出的泵浦光通过高反射光纤光栅耦合至第一有源光纤，以激活第一有源光纤；高反射光纤光栅和输出耦合光纤光栅组成光纤激光器的谐振腔，用于选择该路光纤激光器的激光波长；第一有源光纤作为光纤激光器的增益介质；准直器的数量与光纤激光器的数量对应，每个准直器用于对相应的光纤激光器输出的激光进行准直；光束方向调整器的数量与准直器的数量对应，每个光束方向调整器用于对经准直器准直后的激光进行方向调整，使其以预定的入射角入射至体光栅；体光栅用于对来自各个光束方向调整器的以不同入射角入射、并具有不同波长的激光合为一束。
优选地，每路光纤激光器包括多个第一泵浦源和连接在多个第一泵浦源下游的一个第一光纤合束器，多个第一泵浦源输出的泵浦光经第一光纤合束器合束耦合之后传输给高反射光纤光栅。
优选地，在每路光纤激光器中还包括顺序地布置在输出耦合光纤光栅下游的包层功率剥离器和光纤输出端帽。
优选地，每个光束方向调整器包括第一反射镜和第二反射镜，其中，经准直器准直后的激光先后经过第一反射镜和第二反射镜反射之后，以预定的入射角入射至体光栅。
优选地，每路光纤激光器还包括多个第二泵浦源、第二光纤合束器、第二有源光纤，多个第二泵浦源的输出泵浦光与经输出耦合光纤光栅处理后的激光一起经第二光纤合束器进行合束耦合处理之后，输出至第二有源光纤；第二有源光纤对来自第二光纤合束器的激光进行增益放大之后，传送给准直器。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)每路光纤激光器采用不同周期结构的光纤光栅对(包括高反射光纤光栅和输出耦合光纤光栅)作为光纤激光器的谐振腔，可以选择不同的输出激光波长，该选频方式结构简单、稳定性好，使得光纤激光器的结构简单；光纤光栅选频使每路光纤激光器波长可由光纤光栅选择，波长的稳定性好，省去传统由可调谐半导体激光器发出预定激光波长，经过多级放大实现高功率的复杂布局，本发明可以由光纤激光振荡级直接产生高功率窄线宽激光装置。
(2)体光栅的频谱合束技术，通过对各路光纤激光器输出的激光做准直、调整方向处理，将各路激光入射至体光栅，利用体光栅的衍射效应即可实现光束合束，得到功率高、光束质量好的激光输出。
附图说明
图1为根据本发明的光纤光栅选频的频谱合束装置的组成示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对根据本发明的光纤光栅选频的频谱合束装置做进一步详细的说明。
根据本发明的光纤光栅选频的频谱合束装置如图1所示，其包括至少两路不同波长的光纤激光器、准直器2、光束方向调整器3以及体光栅4。在本发明中，采用四路光纤激光器。实践中，根据需要也可以选择6路或者更多的光纤激光器。
每路光纤激光器包括顺序布置的第一泵浦源11、高反射光纤光栅12、第一有源光纤3以及输出耦合光纤光栅14。第一泵浦源11输出的泵浦光通过高反射光纤光栅12耦合至第一有源光纤13，以激活第一有源光纤13。高反射光纤光栅12和输出耦合光纤光栅14组成光纤激光器的谐振腔，用于选择该路光纤激光器的激光波长。第一有源光纤13作为光纤激光器的增益介质。
准直器2的数量与光纤激光器的数量对应。每个准直器2用于对相应的光纤激光器输出的激光进行准直。
光束方向调整器3的数量与准直器2的数量对应，每个光束方向调整器3用于对经相应的准直器2准直后的激光进行方向调整，使其以预定的入射角入射至体光栅。
体光栅4用于对来自各个光束方向调整器3的以不同入射角入射、并具有不同波长的激光合为一束。
该光纤光栅选频的频谱合束装置的工作机理是：每路光纤激光器由第一泵浦源11、高反射光纤光栅12、第一有源光纤13、输出耦合光纤光栅14组成。各路光纤激光器的光纤光栅选择不同的激光波长输出，例如，在如图1所示的优选实施例中，为四路，则每路光纤激光器输出的激光波长分别为λ1、λ2、λ3、λ4。每路光纤激光器输出的激光经过准直器2做光束准直，然后经过光束方向调整器3调整方向，将激光输入至体光栅4。
前述入射至体光栅的激光的预定的入射角根据以下公式确定：
其中，i为入射角，θ为衍射角，d为光栅的缝距，λ为波长，m为衍射级次。
由于每路光纤激光器输出的激光波长不同，其对应的衍射角也不同，因此四路激光以不同的预定角度入射至体光栅4。
利用体光栅进行衍射叠加完成合束。采用本发明的光纤光栅选频的频谱合束装置进行合束，既可省去由可调谐激光器作为特定波长种子源及多级预防大设施，又能有效实现多束光纤激光器的单模大功率激光输出。
优选地，每路光纤激光器包括多个第一泵浦源11和连接在多个第一泵浦源11下游的一个第一光纤合束器，多个第一泵浦源11输出的泵浦光经第一光纤合束器合束耦合之后传输给高反射光纤光栅12。
在每路光纤激光器中还可以包括顺序地布置在输出耦合光纤光栅14下游的包层功率剥离器和光纤输出端帽。其中，包层功率剥离器用来去除光纤包层中未完全被第一有源光纤吸收的泵浦光。光纤输出端帽用于降低激光从光纤中输出时的功率密度。
在如图1所述的具体实施例中，每个光束方向调整器包括第一反射镜31和第二反射镜32。其中，经准直器2准直后的激光先后经过第一反射镜31和第二反射镜32反射之后，以预定的入射角入射至体光栅。当然，根据实际需要，也可以增加反射镜数量，以方便调整激光入射角，在此不做具体限定。
此外，为了在合束之前提高激光的输出功率，还可以在每路光纤激光器中设置多个第二泵浦源、第二光纤合束器、第二有源光纤。多个第二泵浦源的输出泵浦光与经输出耦合光纤光栅14处理后的激光一起经第二光纤合束器进行合束耦合处理之后，输出至第二有源光纤；第二有源光纤对来自第二光纤合束器的激光进行增益放大之后，传送给准直器2。
本说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种光纤光栅选频的频谱合束装置，其特征在于，包括至少两路不同波长的光纤激光器、准直器(2)、光束方向调整器(3)以及体光栅(4)，其中，
每路光纤激光器包括顺序布置的第一泵浦源(11)、高反射光纤光栅(12)、第一有源光纤(13)以及输出耦合光纤光栅(14)，第一泵浦源(11)输出的泵浦光通过高反射光纤光栅(12)耦合至第一有源光纤(13)，以激活第一有源光纤(13)；高反射光纤光栅(12)和输出耦合光纤光栅(14)组成光纤激光器的谐振腔，用于选择该路光纤激光器的激光波长；第一有源光纤(13)作为光纤激光器的增益介质；
准直器(2)的数量与光纤激光器的数量对应，每个准直器(2)用于对相应的光纤激光器输出的激光进行准直；
光束方向调整器(3)的数量与准直器(2)的数量对应，每个光束方向调整器(3)用于对经准直器(2)准直后的激光进行方向调整，使其以预定的入射角入射至体光栅；
体光栅(4)用于对来自各个光束方向调整器(3)的以不同入射角入射、并具有不同波长的激光合为一束。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅选频的频谱合束装置，其特征在于，每路光纤激光器包括多个第一泵浦源(11)和连接在多个第一泵浦源(11)下游的一个第一光纤合束器，多个第一泵浦源(11)输出的泵浦光经第一光纤合束器合束耦合之后传输给高反射光纤光栅(12)。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅选频的频谱合束装置，其特征在于，在每路光纤激光器中还包括顺序地布置在输出耦合光纤光栅(14)下游的包层功率剥离器和光纤输出端帽。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅选频的频谱合束装置，其特征在于，每个光束方向调整器包括第一反射镜(31)和第二反射镜(32)，其中，经准直器(2)准直后的激光先后经过第一反射镜(31)和第二反射镜(32)反射之后，以预定的入射角入射至体光栅。
5.根据权利要求1所述的光纤光栅选频的频谱合束装置，其特征在于，每路光纤激光器还包括多个第二泵浦源、第二光纤合束器、第二有源光纤，多个第二泵浦源的输出泵浦光与经输出耦合光纤光栅(14)处理后的激光一起经第二光纤合束器进行合束耦合处理之后，输出至第二有源光纤；第二有源光纤对来自第二光纤合束器的激光进行增益放大之后，传送给准直器(2)。
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