CN104993365B - 一种泵浦源装置、激光源装置及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泵浦源装置、激光源装置及其设计方法，该泵浦源装置输出空心泵浦光，包括：环形激光器阵列、聚焦透镜和光纤；所述环形激光器阵列包括环形分布的多个激光器，用于输出多束激光；所述聚焦透镜包括一个或多个透镜，用于将多束激光会聚耦合进所述光纤中；所述光纤用于输出光斑强度呈空心分布的泵浦光。本发明提供的技术方案所搭建的泵浦源装置的原理简单、配置合理，与现有技术相比，无需增加额外的光束变换元件，具有光路简单、搭建难度低、光路稳定性高、成本低、可实施性高等显著优势；再利用该泵浦源装置输出的空心泵浦光泵浦激光源装置，得到空心激光，对于当前利用空心激光进行科研、生产的各领域来说都具有重要的意义。

Description

一种泵浦源装置、激光源装置及其设计方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种泵浦源装置、激光源装置及其设计方法。

背景技术

长期以来，实心激光光束在传统激光加工行业如切割、熔覆、焊接和打标等上有着广泛的应用，随着激光技术的不断发展，近年来，各种中心强度较低的激光束——空心激光光束相继产生，空心激光光束在光信息处理、微电子学、材料科学、生物技术、医学等领域中有着广泛的应用前景，这也促进了很多传统激光应用领域反思光束形式的进一步优化。例如对于激光冲击成形这样的传统激光加工应用，空心光束也具有一定的优势。

空心激光光束的产生分为两种，一种是变换已有光束，该方法要么对已有光束的特性有一定要求，要么需要辅助光学元件；另一种是由激光器直接产生，直接输出空心光束，该方法可将入射到固体激光器(例如薄片激光器)的激光晶体上的泵浦光从通常的实心形式改变成为空心形式，由于激光振荡的轴心部分没有增益，因此通常率先振荡的较低阶横模的增益低于高阶横模而被压制，空心的高阶横模则率先振荡输出，得到空心激光光束。

然而在现有技术中，要产生空心的泵浦光往往需要将泵浦光从实心形式变换为空心形式，需要额外的光束变换元件，导致输出空心泵浦光的泵浦光学系统具有光路复杂、搭建难度高、光路稳定性差、成本高、可实施性差等缺陷。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种泵浦源装置、激光源装置及其设计方法，以解决上述问题或者至少部分地解决上述问题。

依据本发明的一个方面，提供了一种泵浦源装置，该泵浦源装置输出空心泵浦光，该泵浦源装置包括：环形激光器阵列、聚焦透镜和光纤；

所述环形激光器阵列包括环形分布的多个激光器，用于输出多束激光；

所述聚焦透镜包括一个或多个透镜，用于将多束激光会聚耦合进所述光纤中；

所述光纤用于输出光斑强度呈空心分布的泵浦光。

可选地，该泵浦源装置进一步包括：与所述多个激光器一一对应的多个光束整形元件；

所述多个光束整形元件设置于所述多个激光器与所述聚焦透镜之间，用于分别对多束激光进行准直，并将准直后的多束激光入射到聚焦透镜上。

可选地，所述多个激光器为半导体激光器。

可选地，所述光纤的输入端面上镀有增透膜。

依据本发明的另一个方面，提供了一种激光源装置，该激光源装置输出空心激光，该激光源装置是由如上任一项所述的泵浦源装置输出的泵浦光进行泵浦的。

依据本发明的又一个方面，提供了一种泵浦源装置的设计方法，该泵浦源装置输出空心泵浦光，该方法包括：

将环形分布的多个激光器组成环形激光器阵列，利用所述环形激光器阵列输出多束激光；

利用聚焦透镜将多束激光会聚耦合进光纤中，其中，所述聚焦透镜包括一个或多个透镜；

利用所述光纤输出光斑强度呈空心分布的泵浦光。

可选地，该方法进一步包括：

将多个光束整形元件设置于所述多个激光器与所述聚焦透镜之间，所述多个光束整形元件与所述多个激光器一一对应，利用所述多个光束整形元件分别对多束激光进行准直，并将准直后的多束激光入射到聚焦透镜上。

可选地，所述多个激光器为半导体激光器。

可选地，该方法进一步包括：

在所述光纤的输入端面上镀有增透膜。

依据本发明的再一个方面，提供了一种激光源装置的设计方法，该激光源装置输出空心激光，该方法包括：

利用如上任一项方法所设计的泵浦源装置输出的泵浦光对所述激光源装置进行泵浦。

由上述可知，本发明提供的技术方案通过环形激光器阵列、聚焦透镜和光纤的配合，使得环形激光器阵列输出的环形分布的多束激光经过聚焦透镜的会聚耦合进入光纤中，得到光纤输出的光斑强度呈空心分布的泵浦光。该方案所搭建的泵浦源装置的原理简单、配置合理，与现有技术相比，无需增加额外的光束变换元件，具有光路简单、搭建难度低、光路稳定性高、成本低、可实施性高等显著优势；再利用该泵浦源装置输出的空心泵浦光泵浦激光源装置，得到空心激光，对于当前利用空心激光进行科研、生产的各领域来说都具有重要的意义。

附图说明

图1示出了根据本发明一个实施例的一种输出空心泵浦光的泵浦源装置的光路图；

图2示出了根据本发明第一实施例的多束激光在出光面上的光斑示意图；

图3示出了根据本发明第一实施例的多束激光在聚焦透镜上的光强分布图；

图4示出了根据本发明第一实施例的多束激光会聚到光纤端面上的光强分布图；

图5示出了根据本发明第二实施例的多束激光在出光面上的光斑示意图；

图6示出了根据本发明第二实施例的多束激光在聚焦透镜上的光强分布图；

图7示出了根据本发明第二实施例的多束激光会聚到光纤端面上的光强分布图；

图8示出了根据本发明一个实施例的一种输出空心泵浦光的泵浦源装置的设计方法。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1示出了根据本发明一个实施例的一种输出空心泵浦光的泵浦源装置的光路图。如图1所示，该泵浦源装置包括：环形激光器阵列1、聚焦透镜2和光纤3。

在本实施例中，环形激光器阵列1包括环形分布的多个激光器，用于输出多束激光；聚焦透镜2包括一个或多个透镜，用于将多束激光会聚耦合进光纤3中；光纤3用于输出光斑强度呈空心分布的泵浦光。

可见，图1所示的泵浦源装置通过环形激光器阵列1、聚焦透镜2和光纤3的配合，使得环形激光器阵列1输出的环形分布的多束激光经过聚焦透镜2的会聚耦合进入光纤3中，得到光纤3输出的光斑强度呈空心分布的泵浦光。该方案原理简单、配置合理，与现有技术相比，无需增加额外的光束变换元件，具有光路简单、搭建难度低、光路稳定性高、成本低、可实施性高等显著优势。

由于环形激光器阵列1中输出各束激光在传输过程中所产生的发散会影响其最终耦合进光纤3的效率，为了降低激光发散所带来的影响，在本发明的一个实施例中，图1所示的泵浦源装置进一步包括：与多个激光器一一对应的多个光束整形元件；该多个光束整形元件设置于环形激光器阵列1中各激光器的光输出侧，位于多个激光器与聚焦透镜2之间，用于分别对多束激光进行准直，并将准直后的多束激光入射到聚焦透镜上。具体实施过程中，可以根据环形激光器阵列1输出的多束激光在快轴和慢轴上的发散情况，选择合适的快轴准直透镜或慢轴准直透镜作为光束整形元件。

图2示出了根据本发明第一实施例的多束激光在出光面上的光斑示意图，在本实施例中，环形激光器阵列1包括环形分布的八个半导体激光器单管，该八个半导体激光器单管输出的八束激光经过快轴准直和慢轴准直后，得到如图2所示的光斑示意图。如图2所示，各光斑在快轴方向上的大小为2mm，发散半角为4.86mrad，在慢轴方向上的大小为2mm，发散半角为6.08mrad。八束激光在出光面上的环形分布的八个光斑的内切圆半径应为2.414mm，外接圆半径应为4.526mm。

基于以上设置，为了实现将八束激光顺利会聚耦合进光纤，需要满足以下条件：八束激光的全部入射到聚焦透镜2上；八束激光会聚后数值孔径小于光纤3的数值孔径且焦斑小于光纤3的纤芯。

则在本实施例中，上述八束激光由一个直径为10mm，焦距为25mm的聚焦透镜2会聚到一个数值孔径NA＝0.2，芯径为0.400mm的光纤3的输入端面上。

一方面，上述八束激光的八个光斑形成的环形的外接圆半径小于聚焦透镜2的半径，即八束激光全部入射到聚焦透镜2上；图3示出了根据本发明第一实施例的多束激光在聚焦透镜上的光强分布图，如图3所示，八束激光的光斑总体上分布于直径10mm的聚焦透镜2之内，图中的圆表示直径为10mm的聚焦透镜2的在垂直于光轴的方向上的大小。

另一方面，会聚的八束激光占用的数值孔径为：满足光纤3的数值孔径，由于各激光在快轴方向上的发散半角小于其在慢轴方向上的发散半角，以各激光在慢轴方向上的发散半角为依据估算八束激光会聚到光纤3的输入端面上的最大焦斑半径，即八束激光会聚到光纤3的输入端面上的最大焦斑半径为：25mm×6.08mrad＝0.152mm，该焦斑半径小于光纤3的纤芯半径。图4示出了根据本发明第一实施例的多束激光会聚到光纤端面上的光强分布图，如图4所示，会聚到光纤3的输入端面上的焦斑小于光纤的0.400mm芯径，图中的圆表示0.400mm的光纤芯径。

图5示出了根据本发明第二实施例的多束激光在出光面上的光斑示意图，在本实施例中，环形激光器阵列1包括环形分布的八个半导体激光器单管，该八个半导体激光器单管输出的八束激光经过快轴准直和慢轴准直后，得到如图5所示的光斑示意图。如图5所示，各光斑在快轴方向上的大小为0.36mm，发散半角为3.3333mrad，在慢轴方向上的大小为3.144mm，发散半角为3.7313mrad。环形激光器阵列1在摆放时留些余量，使得每个半导体激光器单管在慢轴方向上占2.5mm，在快轴方向上占0.5mm，八束激光在出光面上的环形分布的八个光斑的内切圆半径应为3.0178mm，外接圆半径应为3.7333mm。

基于以上设置，为了实现将八束激光顺利会聚耦合进光纤，需要满足以下条件：八束激光的全部入射到聚焦透镜2上；八束激光会聚后数值孔径小于光纤3的数值孔径且焦斑小于光纤3的纤芯。

则在本实施例中，上述八束激光由一个直径为8mm，焦距为20mm的聚焦透镜2会聚到一个数值孔径NA＝0.2，芯径为0.150mm的光纤3的输入端面上。

一方面，上述八束激光的八个光斑形成的环形的外接圆半径小于聚焦透镜2的半径，即八束激光全部入射到聚焦透镜2上；图6示出了根据本发明第二实施例的多束激光在聚焦透镜上的光强分布图，如图6所示，八束激光的光斑总体上分布于直径8mm的聚焦透镜2之内，图中的圆表示直径为8mm的聚焦透镜2的在垂直于光轴的方向上的大小。

另一方面，会聚的八束激光占用的数值孔径为：满足光纤3的数值孔径，以激光在慢轴方向上的发散半角为依据估算八束激光会聚到光纤3的输入端面上的最大焦斑半径为：20mm×3.7313mrad＝0.0746mm，该焦斑半径小于光纤3的纤芯半径。图7示出了根据本发明第二实施例的多束激光会聚到光纤端面上的光强分布图，如图7所示，会聚到光纤3的输入端面上的焦斑小于光纤的0.150mm芯径，图中的圆表示0.150mm的光纤芯径。

需要说明的是，第一实施例与第二实施例中所采用的组成环形激光器阵列的激光器的数量、类型不应当对本发明产生限制。

在本发明的一个实施例中，为了进一步提高光纤耦合效率，可以在光纤3的输入端面上镀有增透膜，以减少反射引起的损耗。

依据本发明的另一个方面，提供了一种输出空心激光的激光源装置，该激光源装置是由如上任一实施例所述的泵浦源装置输出的泵浦光进行泵浦的。

图8示出了根据本发明一个实施例的一种输出空心泵浦光的泵浦源装置的设计方法。如图8所示，该方法包括：

步骤S810，将环形分布的多个激光器组成环形激光器阵列，利用该环形激光器阵列输出多束激光。

步骤S820，利用聚焦透镜将多束激光会聚耦合进光纤中。

本步骤中，所述聚焦透镜包括一个或多个透镜。

步骤S830，利用该光纤输出光斑强度呈空心分布的泵浦光。

可见，图8所示的方法利用环形激光器阵列1、聚焦透镜2和光纤3搭建输出空心泵浦光的泵浦源装置，使得环形激光器阵列1输出的环形分布的多束激光经过聚焦透镜2的会聚耦合进入光纤3中，得到光纤3输出的光斑强度呈空心分布的泵浦光。该方案原理简单、配置合理，与现有技术相比，无需增加额外的光束变换元件，具有光路简单、搭建难度低、光路稳定性高、成本低、可实施性高等显著优势。

在本发明的一个实施例中，图8所示的方法进一步包括：将多个光束整形元件设置于所述多个激光器与所述聚焦透镜之间，所述多个光束整形元件与所述多个激光器一一对应，利用所述多个光束整形元件分别对多束激光进行准直，并将准直后的多束激光入射到聚焦透镜上。

在本发明的一个实施例中，环形激光器阵列中的多个激光器为半导体激光器。

在本发明的一个实施例中，图8所示的方法进一步包括：在所述光纤的输入端面上镀有增透膜，以减小反射引起的损耗。

需要说明的是，图8所示方法的各实施例与图1-图7所示的各实施例对应相同，上文中已有详细说明，在此不再赘述。

依据本发明的另一个方面，提供了一种输出空心激光的激光源装置的设计方法，该方法包括：利用如上任一实施例所述的泵浦源装置输出的泵浦光对所述激光源装置进行泵浦。

综上所述，本发明提供的技术方案通过环形激光器阵列、聚焦透镜和光纤的配合，使得环形激光器阵列输出的环形分布的多束激光经过聚焦透镜的会聚耦合进入光纤中，得到光纤输出的光斑强度呈空心分布的泵浦光。该方案所搭建的泵浦源装置的原理简单、配置合理，与现有技术相比，无需增加额外的光束变换元件，具有光路简单、搭建难度低、光路稳定性高、成本低、可实施性高等显著优势；再利用该泵浦源装置输出的空心泵浦光泵浦激光源装置，得到空心激光，对于当前利用空心激光进行科研、生产的各领域来说都具有重要的意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种泵浦源装置，该泵浦源装置输出空心泵浦光，其特征在于，该泵浦源装置包括：环形激光器阵列、聚焦透镜和光纤；

所述环形激光器阵列包括环形分布的多个激光器，用于输出多束激光；所述多个激光器为半导体激光器；

所述聚焦透镜包括一个或多个透镜，用于将多束激光会聚耦合进所述光纤中；其中，所述多束激光的光斑形成的外接圆半径小于所述聚焦透镜的半径；

所述光纤用于输出光斑强度呈空心分布的泵浦光。

2.如权利要求1所述的泵浦源装置，其特征在于，该泵浦源装置进一步包括：与所述多个激光器一一对应的多个光束整形元件；

所述多个光束整形元件设置于所述多个激光器与所述聚焦透镜之间，用于分别对多束激光进行准直，并将准直后的多束激光入射到聚焦透镜上。

3.如权利要求1所述的泵浦源装置，其特征在于，所述光纤的输入端面上镀有增透膜。

4.一种激光源装置，该激光源装置输出空心激光，其特征在于，该激光源装置是由如权利要求1-3中任一项所述的泵浦源装置输出的泵浦光进行泵浦的。

5.一种泵浦源装置的设计方法，该泵浦源装置输出空心泵浦光，其特征在于，该方法包括：

将环形分布的多个激光器组成环形激光器阵列，利用所述环形激光器阵列输出多束激光；所述多个激光器为半导体激光器；

利用聚焦透镜将多束激光会聚耦合进光纤中，其中，所述聚焦透镜包括一个或多个透镜；所述多束激光的光斑形成的外接圆半径小于所述聚焦透镜的半径；

利用所述光纤输出光斑强度呈空心分布的泵浦光。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：

将多个光束整形元件设置于所述多个激光器与所述聚焦透镜之间，所述多个光束整形元件与所述多个激光器一一对应，利用所述多个光束整形元件分别对多束激光进行准直，并将准直后的多束激光入射到聚焦透镜上。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：

在所述光纤的输入端面上镀有增透膜。

8.一种激光源装置的设计方法，该激光源装置输出空心激光，其特征在于，该方法包括：

利用如权利要求5-7中任一项方法所设计的泵浦源装置输出的泵浦光对所述激光源装置进行泵浦。