CN104901155B - 一种高功率光纤激光泵浦光耦合与信号光扩束输出装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高功率光纤激光泵浦光耦合与信号光扩束输出装置。该装置由具有凹面镜成像特性的石英晶体和与石英晶体熔接的泵浦光纤、信号光纤组成。其中，石英晶体具有两个光学面，一个输入平面与泵浦光纤和信号光纤熔接，一个输出凹面镀对泵浦光高反、对信号光增透的光学薄膜。泵浦光纤输出的泵浦光经过石英晶体的凹面反射后，全部入射到信号光纤中。同时，由于信号光在石英晶体中以数值孔径所决定的发散角传输，在石英晶体凹面处光斑增大，并通过增透膜高效率输出，即实现了信号光的扩束输出。本发明在实现高功率泵浦光耦合的同时兼有信号光扩束输出的功能，有益于高功率光纤激光系统的简易化、集约化、小型化，提升系统的安全性和稳定性。

Description

一种高功率光纤激光泵浦光耦合与信号光扩束输出装置

技术领域

本发明属于光纤激光领域，涉及一种高功率光纤激光系统泵浦光耦合手段，尤其是一种利用特殊结构设计并镀膜的石英块同时对泵浦光进行耦合和信号光进行扩束的泵浦光耦合装置。

背景技术

二十世纪八十年代后期，随着光纤制作工艺的成熟和固体激光器的发展，光纤激光器开始成为了人们所关注的热点，而随着双包层光纤和包层泵浦技术的日渐成熟，高功率光纤激光器开始取得了突破性的进展。由于光纤激光器具有体积小、紧凑性好、热管理方便、光束质量好等优点，近几年来，光纤输出的高功率光纤激光器已经在光通信、材料加工、医学诊疗、信息存储、激光印刷、激光测控、激光光谱学以及非线性频率转换等领域得到了广泛的应用。

在高功率光纤激光系统中，包层泵浦技术已经成为了常用的关键技术，目前采用的双包层泵浦耦合技术手段主要有以下三种：（1）空间光路耦合；（2）泵浦合束器；（3）GTWave光纤。其中，空间光路耦合的其中一种方法是使用空间的光学器件（如透镜）来实现泵浦光向增益光纤耦合的，另一种是在双包层光纤的内包层、外包层和涂敷层开设的V形槽，并利用光胶合一个镀有高反射膜的V形棱镜，泵浦光经过透镜组聚焦于V形棱镜的镀膜面上耦合进双包层光纤的内包层，并通过内包层传输。而空间光路使用有两点不足，第一是在耦合的过程中需要对光路进行精确的现场调节承受高功率的光纤和光学镜面暴露在空气中，增加了整个激光系统的危险性，降低了系统的稳定性，系统结构复杂；第二是要对增益光纤的耦合端切斜角并进行抛磨，增加了整个系统的工艺难度。相对空间光路耦合，使用泵浦合束器是一个更好的选择，目前关于泵浦功率合束器已经有CN201656240U《光纤泵浦合束器》、CN101794955A《一种全光纤激光合成器件及其制备方法》等专利。泵浦合束器为全光纤结构，采用泵浦光纤和信号光纤之间的熔接替代了空间光的耦合，增加了整个系统的稳定性、安全性和集成化程度。但是目前高功率光纤泵浦合束器受到制作工艺的限制，能够承受最高功率大约在10kW，这限制了激光功率的进一步提高。GTWave光纤利用倏逝波耦合的方式对增益光纤进行侧向泵浦，其相关专利有CN102298173A《侧向泵浦光纤结构及其制造方法》等。其不足在于工艺复杂并且需要比较长的光纤长度，在高功率时，较长的光纤会导致较强的非线性效应，限制了激光功率的进一步提高。因此，提供一种改进的紧凑稳定的，可以承受更高功率泵浦激光的泵浦功率耦合手段是非常必要的。

在高功率激光系统中的另外一个关键技术是输出端面激光扩束。在高光束质量的光纤激光器中，传输激光器的光纤纤芯直径在100μm以下，对应的面积较小，输出光纤端面功率密度较高，这容易导致端面损伤并进一步引起更多器件的损伤。在高功率光纤器中，通常在信号光纤上熔接输出面积较大的光纤端帽，通过对输出光束的扩束来降低输出端的光功率密度，从而实现稳定的高功率激光输出。

发明内容

本发明提供了一种能够在进行高功率的泵浦光耦合的同时对信号光进行扩束输出的装置。通过对石英晶体的结构进行合理的设计，在石英晶体的泵浦光注入面熔接满足一定几何位置关系的泵浦光纤和信号光纤，在石英晶体的信号光输出表面镀对泵浦光波长高反、对信号光波长增透的光学薄膜，当信号光纤和泵浦光纤相对于石英晶体的信号光输出面满足几何光学中的物像关系时，该装置能够同时实现泵浦光从泵浦光纤到信号光纤的耦合以及信号光从光纤到石英晶体输出端面的扩束。

本发明的基本原理如下：

在光学系统中，对于曲率半径为R的凹面反射镜的成像，物像关系满足高斯公式：

（1）

以凹面镜中心顶点为坐标原点时，为物的横坐标，为像的横坐标，为凹面反射镜的曲率半径。为了使物和像处在与光轴垂直的同一平面上，那么设=，又=，可以解得：

（2）

利用(2)式，根据高斯光学系统垂轴放大率和角放大率公式，有：

（3）

这里，垂轴放大率=-1，说明像与物等大且倒置，即物像关于光轴是轴对称的。角放大率=1说明物体发射光的张角与像收光的张角是相等的。在光纤中，这里分析的张角就相当于光纤的数值孔径所决定的光束发散角。综合以上分析，可以看出为了实现泵浦光到信号光的耦合，泵浦光纤和信号光纤应该与光轴对称放置，即= =，= =。为了满足近轴近似条件，应取得较小。为方便起见，设泵浦光纤涂覆层直径为，增益光纤涂覆层直径为，那么光纤轴心与石英晶体光纤接续面的圆心距离可取：

（4）

对于实际应用中，要求尽量高效地将泵浦光纤中的泵浦激光耦合到信号光纤的内包层中，那么泵浦光纤和信号光纤的光束需要满足亮度守恒，即：

（5）

其中，分别为泵浦光纤纤芯数值孔径和直径，为信号光纤的内包层数值孔径和直径。

根据上述原理，本发明的技术方案如下：

提供一种能够在进行高功率的泵浦光耦合的同时对信号光进行扩束输出的泵浦光耦合装置。该装置由具有凹面镜成像特性的石英晶体和与石英晶体熔接的泵浦光纤、信号光纤组成。其特点为石英晶体正反两面为两个光学面，一个光学面为光纤接续面，与泵浦光纤和信号光纤熔接；另一个光学面为凹面，镀对泵浦光高反、对信号光增透的光学薄膜；泵浦光纤与信号光纤的位置相对于凹面镀的光轴对称满足几何光学的物像关系，泵浦光纤和信号光纤的光学参数满足亮度守恒的要求。

下面结合附图1对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。特殊设计石英晶体1-1具有两个光学面、两个固定夹持/冷却面，其中一个光学面是被加工抛磨成曲面、曲率半径为R的凹面1-2，曲面外接口径大小在5mm-50mm之间；另外一个光学面是与泵浦光纤1-3和信号光纤1-4熔接的光纤接续面1-5；

在凹面1-2上，镀上对泵浦光高反（比如反射率大于99.9%）、对信号光增透（比如透过率大于99.9%）光学膜系；在光纤熔接的光纤接续面1-5上，泵浦光纤1-3和信号光纤1-4关于凹面1-2的光轴对称熔接，且距离凹面1-2顶点的距离等于凹面的曲率半径R。这样，泵浦光纤1-3和信号光纤1-4关于凹面1-2满足几何光学的物像关系。

所述泵浦光纤1-3和信号光纤1-4可以通过氢氧焰熔接的方法与光纤接续面1-5进行熔接。泵浦光纤包层尺寸在125μm到2000μm之间。

为了方便石英晶体的固定和夹持，石英晶体的两侧面还具有呈圆柱状夹持面1-6，使得该石英晶体可通过管状固定装置进行固定；在夹持面1-6和光纤接续面1-5之间，石英晶体被打磨成一个锥面1-7，便于在实际应用的光纤激光系统中实施水冷或其他制冷保护措施。夹持面1-6在凹面1-2与锥面1-7之间。

按上述方案，当泵浦光纤1-3和信号光纤1-4满足亮度守恒（）时，泵浦光纤1-3输出的泵浦光经过凹面1-2反射后，能够全部入射到信号光纤1-4中。同时，由于信号光在石英晶体中以数值孔径所决定的发散角传输，在输出凹面1-2处光斑增大，并通过增透膜高效率输出，即实现了信号光的扩束输出。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1、不需要复杂的光学调整架就够实现高效率、高功率的泵浦光耦合，有利于系统的简易化、集约化、小型化；

2、高功率的泵浦激光和信号光束缚在光纤和石英晶体内，没有暴露在空间光路中，提高了系统的稳定性，降低了操作的危险性；

3、在满足上述设计要求的情况下，泵浦光纤和信号光纤种类任意可选，可以实现多种不同类型泵浦合束和信号扩束器的设计；

4、与GTwave方式相比，信号光纤的长度不受限制，可以避免光纤太长导致的非线性效应；

5、整套装置使用石英晶体作为凹面镜来实现了泵浦激光的耦合，有望克服光纤泵浦合束器存在的功率耐受性的问题，使得可以耦合的泵光功率大大提升，提高了工作品质和工作效率；

6、兼具了泵浦合束器和光纤端帽的功能，在进行泵浦光耦合的同时可以对信号光进行扩束输出。

附图说明

图1本发明提供的一种新型高功率光纤激光泵浦耦合与信号扩束装置示意图；

图2 本发明中特殊设计的石英晶体设计示意图；

图3 本发明在高功率光纤激光放大器中实例应用示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于说明理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

请参阅图2，图2的内容为本发明中设计的石英晶体的正视、侧视和俯视图。在设计图中，设在该光纤激光系统中使用976nm的泵浦源来对增益光纤进行泵浦，发射的信号光波长为1064nm。令=2cm，那么石英晶体的泵浦反射面被加工抛磨为半径为2cm的弧面，取夹持柱面的直径=2cm，夹持柱面的高度为=4mm，在实际使用中，可以使用内径2cm的金属套管或者内径2cm的夹具来对石英晶体进行夹持和固定，实际使用中，金属套管配合光纤水冷使用起来更为方便。在穿过弧面球心，平行于夹持柱面横截面的平面上以=5mm为直径加工抛磨光纤接续面。最后在泵浦反射弧面镀上对976nm反射率99.9%而对1064nm透射率99.9%的光学薄膜，石英晶体便加工完成。

参阅图1，将上述特殊设计石英晶体固定后，将其与光纤进行熔接。设所使用的泵浦尾纤为纤芯直径/内包层直径分别为400/440的光纤，纤芯数值孔径=0.46，信号光纤为纤芯直径/内包层直径分别20/400的信号光纤，内包层数值孔径=0.46，它们的涂覆层外径分别为=600和=600。根据发明内容的描述，取光纤轴心与石英晶体光纤接续面的圆心距离=1200，并且两根光纤的轴心相对输出凹面1-2呈中心对称分布。利用氢氧焰将光纤与光纤接续面熔接后，该石英晶体可以起到将泵浦尾纤中的泵浦激光耦合到增益光纤中的作用，并且对信号光进行了扩束输出。

参阅图3，图中为高功率光纤激光放大器的示意图。低功率高光束质量的种子激光器与放大器增益光纤相连接，泵浦源采用带尾纤输出的高功率976nm输出半导体激光器，将泵浦尾纤与增益光纤如前述方式与泵浦光耦合系统的石英晶体进行熔接，即可实现泵浦光到增益光纤的耦合。为了保护前级，在前级隔离器与信号光纤之间做了包层光滤除以倾泻掉未吸收完全的泵浦激光。

上述描述本领域的技术人员容易理解，以上描述仅为本发明的较佳实施例子而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高功率光纤激光泵浦光耦合与信号光扩束输出装置，包括石英晶体和与石英晶体熔接的泵浦光纤、信号光纤，石英晶体(1-1)正反两面为两个光学面，一个光学面为光纤接续面(1-5)，与泵浦光纤和信号光纤熔接；另一个光学面为凹面(1-2)，镀对泵浦光高反、对信号光增透的光学薄膜；其特征在于，泵浦光纤与信号光纤的位置相对于凹面的光轴对称满足几何光学的物像关系；

设泵浦光纤涂覆层直径为d₁，信号光纤涂覆层直径为d₂，那么光纤轴心与石英晶体光纤接续面的圆心距离l取：

l＝d₁+d₂ (4)

实际应用中，要求将泵浦光纤中的泵浦激光耦合到信号光纤的内包层中，那么泵浦光纤和信号光纤的光束需要满足亮度守恒，即：

NA_pd_p≤NA_sd_s (5)

其中，NA_p、d_p分别为泵浦光纤纤芯数值孔径和直径，NA_s、d_s为信号光纤的内包层数值孔径和直径；

当泵浦光纤(1-3)和信号光纤(1-4)满足亮度守恒时，泵浦光纤(1-3)输出的泵浦光经过输出凹面(1-2)反射后，能够全部入射到信号光纤(1-4)中，同时，由于信号光在石英晶体中以内包层数值孔径NA_s所决定的发散角传输，在输出凹面(1-2)处光斑增大，并通过增透膜高效率输出，即实现信号光的扩束输出；

所述凹面(1-2)为曲面；

所述光纤接续面(1-5)上，泵浦光纤(1-3)和信号光纤(1-4)关于凹面(1-2)的光轴对称熔接，且距离凹面(1-2)顶点的距离等于凹面的曲率半径。

2.根据权利要求1所述的一种高功率光纤激光泵浦光耦合与信号光扩束输出装置，其特征在于，所述石英晶体的两侧面还具有呈圆柱状夹持面(1-6)，使得该石英晶体通过管状固定装置进行固定；在夹持面(1-6)和光纤接续面(1-5)之间，石英晶体被打磨成一个锥面(1-7)，便于在实际应用的光纤激光系统中实施制冷保护措施。

3.根据权利要求2所述的一种高功率光纤激光泵浦光耦合与信号光扩束输出装置，其特征在于，所述夹持面(1-6)在凹面(1-2)与锥面(1-7)之间。

4.根据权利要求1所述的一种高功率光纤激光泵浦光耦合与信号光扩束输出装置，其特征在于，所述泵浦光纤包层尺寸在125μm到2000μm之间。

5.根据权利要求1所述的一种高功率光纤激光泵浦光耦合与信号光扩束输出装置，其特征在于，所述输出凹面曲面外接口径大小在5mm-50mm之间。