CN105811226B - 模块化的光纤耦合激光系统及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模块化的光纤耦合激光系统，其包括一个激光振荡器，至少一个前置光纤放大器和至少一个自由空间固态功率放大器。激光振荡器的输出端与至少一个前置光纤放大器或至少一个自由空间固态功率放大器的输入端光纤耦合。至少一个前置光纤放大器的输入或输出端与至少一个自由空间固态功率放大器的输出或输入端光纤耦合。本发明所提供的模块化的光纤耦合激光系统是一种能灵活装配前置光纤放大器和自由空间固态功率放大器的高功率激光系统。

Description

模块化的光纤耦合激光系统及其制作方法

技术领域

本发明涉及模块化的光纤耦合激光系统，更具体的说，由激光振荡器、前置光纤放大器和自由空间的固态功率放大器所组成的模块化的光纤耦合激光系统。

技术背景

高功率激光器广泛应用于切割、焊接和折皱金属和聚合物材料。高峰值功率和纳秒激光脉冲能够高效地对材料进行打标和雕刻。高功率的激光和良好的光束质量能够获得更干净的切边和更快的加工速度。一个高功率激光系统包括一个振荡器，多级前置光纤放大器和自由空间固态功率放大器。振荡器决定了激光波长、脉冲宽度和重复频率，而光纤放大器将激光功率提高到所需的量级。高功率激光器最后一个模块是自由空间固态放大器，其将从前置光纤放大器接收到的激光束再次放大。

在目前的高功率激光系统中，经过前置光纤放大器的激光束在自由空间中传输并进入自由空间固态功率放大器。前置光纤放大器和自由空间固态功率放大器之间的准直要求非常严格，近似0.1度的倾斜角也可以让激光输出功率大大降低。因此，无需严格准直的高功率激光系统是人们期望所得到的。

前置光纤放大器和自由空间固态功率放大器的位置需固定，使其保持必需的准直，但两者位置设定的有效空间往往不够或不合适。因此，能灵活装配前置光纤放大器和自由空间固态功率放大器的高功率激光系统也是人们期望所得到的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种模块化的光纤耦合激光系统以解决现有技术的缺陷。

为了解决上述问题，本发明提供一种模块化的光纤耦合激光系统，其包括：一个激光振荡器；至少一个前置光纤放大器；和至少一个自由空间固态功率放大器；其中，激光振荡器的输出端与至少一个前置光纤放大器或至少一个自由空间固态功率放大器的输入端光纤耦合；其中，至少一个前置光纤放大器的输入或输出端与至少一个自由空间固态功率放大器的输出或输入端光纤耦合。

优选地，所述模块化的光纤耦合激光系统还包括激光振荡器，该激光振荡器包括：一个泵浦源，用于发射泵浦光；一个增益光纤，用于吸收泵浦光和产生激光；一个波长选择性反射器和一个可饱和吸收镜形成激光腔体；一个Y型耦合器，用于耦合泵浦光和增益光纤；和一个功率分配器，用于输出激光；其中，产生的激光被光纤耦合入至少一个前置光纤放大器或至少一个自由空间固态功率放大器的输入端。

优选地，Y型耦合器是一个波分复用器(WDM)。

优选地，波长选择性反射器是一个光纤布拉格光栅。

优选地，所述模块化的光纤耦合激光系统还包括前置光纤放大器，该前置光纤放大器包括：一个泵浦源，用于发射泵浦光；一个增益光纤，用于吸收泵浦光和放大入射的激光；一个Y型耦合器，用于耦合泵浦光到增益光纤；一个输入耦合光纤，用于输入入射的激光；和一个输出耦合光纤，用于输出放大的激光；其中，入射的激光被光纤耦合输入前置光纤放大器，和放大的激光被光纤耦合输出前置光纤放大器。

优选地，Y型耦合器是一个波分复用器(WDM)。

优选地，所述模块化的光纤耦合激光系统还包括自由空间固态功率放大器，该自由空间固态功率放大器包括：一个固态激活介质，用于放大入射的激光；一个聚焦透镜，用于将入射的激光聚焦到固态激活介质；多个反射器，用于使入射激光能多次通过固态激活介质；一个泵浦源，用于发射泵浦光；固态激活介质的后镜，用于反射入射激光和通过泵浦光；一个输入耦合光纤，用于输入入射的激光；和一个输出耦合光纤，用于输出激光；其中，后镜对泵浦光的波长通过，反射入射的激光波长；其中，入射的激光被光纤耦合输入自由空间固态功率放大器，和输出的激光被光纤耦合输出自由空间固态功率放大器。

优选地，所述自由空间固态功率放大器进一步包括：一个第一光纤耦合透镜，用于准直入射耦合光纤里的入射激光；和一个第二光纤耦合透镜，用于聚焦输出激光到输出耦合光纤。

优选地，固态激活介质是固态晶体、固态棒和固态碟片中的一种。

优选地，多个反射器包括棱镜。

优选地，泵浦源是一种激光二极管或LED。

本发明还提供一种自由空间固态功率放大器，其包括：一个固态激活介质，用于放大入射的激光；一个聚焦透镜，用于将入射的激光聚焦到固态激活介质；多个反射器，用于使激光能多次通过固态激活介质；一个泵浦源，用于输出泵浦光；固态激活介质的后镜对泵浦光的波长通过，反射入射的激光波长；一个输入耦合光纤，用于输入入射的激光；和一个输出耦合光纤，用于输出出射的激光；其中，后镜对泵浦光的波长通过，反射入射的激光波长；其中，入射的激光被耦合入射自由空间功率放大器，和输出的激光被耦合输出自由空间固态功率放大器。

优选地，所述自由空间固态功率放大器进一步包括：一个第一光纤耦合镜，用于将由入射耦合光纤输入的激光准直；和一个第二光纤耦合镜将输出的激光聚焦到输出耦合光纤。

优选地，固态激活介质是固态晶体、固态棒和固态碟片中的一种。

优选地，多个反射器包括棱镜。

优选地，泵浦源是一种激光二极管或LED。

本发明还提供一种制作模块化的光纤耦合激光系统的方法，其包括：提供一个激光振荡器；提供至少一个前置光纤放大器；和提供至少一个自由空间固态功率放大器；其中，激光振荡器的输出端与至少一个前置光纤放大器或至少一个自由空间固态功率放大器的输入端光纤耦合；至少一个前置光纤放大器的输入或输出端与至少一个自由空间固态功率放大器的输出或输入端光纤耦合。

优选地，所述的制作模块化的光纤耦合激光系统的方法，进一步包括：提供一个固态激活介质，用于放大入射的激光；提供一个聚焦透镜，用于将入射的激光聚焦到固态激活介质；提供多个反射器，用于使入射激光能多次通过固态激活介质；提供一个泵浦源，用于发射泵浦光；提供一个固态激活介质的后镜，用于反射入射激光和通过泵浦光；提供一个输入耦合光纤，用于输入入射的激光；提供一个输出耦合光纤，用于输出激光；入射的激光被光纤耦合输入自由空间固态功率放大器；和输出的激光被光纤耦合输出自由空间固态功率放大器；其中，后镜对泵浦光的波长通过，反射入射的激光波长。

优选地，所述的制作模块化的光纤耦合激光系统的方法，进一步包括：提供一个第一光纤耦合镜，用于将由入射耦合光纤输入的激光准直；和提供一个第二光纤耦合镜将输出的激光聚焦到输出耦合光纤。

本发明所提供的模块化的光纤耦合激光系统是一种能灵活装配前置光纤放大器和自由空间固态功率放大器的高功率激光系统。

附图简要说明

本发明非限制和非详尽的特征根据以下的图例去描述，其中参考序号指的是贯穿整篇文章的各个部分，除非另有说明。

根据本发明的一个实施例，图1显示的是一个模块化的光纤耦合激光系统的典型原理图。

根据本发明的一个实施例，图2显示的是一个自由空间固态功率放大器的典型原理图。

根据本发明的一个实施例，图3显示的是另一个自由空间固态功率放大器的典型原理图。

根据本发明的一个实施例，图4显示的是一个前置光纤放大器的典型原理图。

根据本发明的一个实施例，图5显示的是另一个前置光纤放大器的典型原理图。

根据本发明的一个实施例，图6显示的是一个激光振荡器的典型原理图。

相应的引用字符表明整个多视图图例的相关元件。专业的技术人员会理解图中阐述的各种简单清晰的元件，且各元件没有必要按比例画出。例如，图中一些元件的尺寸相对于元件本身也许会夸大，这为了帮助大家对本发明有更好的理解。

具体实施方式

为了让大家深入了解本发明，在下文中提出许多特定的细节。然而，显而易见的是发明中一些普通的技术细节没有必要详细描述。在其他情况下，众所周知的一些材料和方法在本发明中并没有详细描述，避免对发明造成含糊。

关于贯穿本发明的“一个特征”或者“一特征”指的是以特征这词来描述的其独有的功能、结构或特性，且本发明至少有一个特征拥有上述表现。因此，本发明许多地方出现的短语“一个特征”或“一特征”并不全指代同样的特征。而且，这独有的功能、结构或特性的表达可以任意融合在一起来描述一个或多个特征。

根据本发明的一个实施例，图1显示的是一个模块化的光纤耦合激光系统100的典型原理图。模块化的光纤耦合激光系统100包括一个激光振荡器102，一个前置光纤放大器104，和一个自由空间固态功率放大器106。激光振荡器102和前置光纤放大器104通过光纤108和光纤110耦合。首个光纤耦合器放置在光纤108和光纤110之间。前置光纤放大器104和自由空间固态功率放大器106通过光纤114和光纤116耦合。第二个光纤耦合器118放置在光纤114和光纤116之间。一输出光纤120与自由空间固态功率放大器106耦合，并输出激光122。

模块化的光纤耦合激光系统100的一个特征是该激光系统由多个模块化的子系统组成，各子系统用光纤互相耦合。各子系统可以放置在桌子上，且由于它们之间用光纤耦合，则其位置摆放非常灵活。总而言之，当各子系统之间用光纤耦合时，它们不可以在某一表面上固定和对齐，应让其保持自由状态。

此外，因为激光被束缚在耦合光纤中，则在耦合接口处的光纤错位所导致功率的损耗应尽量减少。如果从前置光纤放大器104出来的激光在自由空间中被耦合进自由空间固态功率放大器106，换言之，从前置光纤放大器104出来的激光在自由空间中传输，并进入自由空间固态功率放大器106，若耦合处的错位角达到0.1°，都会造成该激光系统的功率大大降低。

子系统可包括一个产生激光脉冲的激光振荡器，其决定激光的波长，脉宽和重复频率。激光振荡器也可以产生连续的激光。子系统也包括一个前置光纤放大器，其将产生的激光功率提高到所需的量级。前置的光纤放大器也包括连接在一起的多个光纤放大器。每个光纤放大器可将激光功率提高到一定的量级，典型值在几到几十。

模块化的光纤耦合激光系统的最后一个模块是一个自由空间固态功率放大器，其将从前置光纤放大器出来的激光进行功率放大。相比于传统的自由空间固态放大器或激光器，在模块化的光纤耦合激光系统中的自由空间固态功率放大器包括一个输入耦合光纤和输出耦合光纤。模块化的自由空间固态功率放大器可用光纤耦合，接收输出的激光。自由空间固态功率放大器将接收的激光进行放大后，通过输出耦合光纤将放大的激光输出。因耦合光纤很灵活，各模块可放置在任一所期望的位置。

模块化的光纤耦合激光系统不只限于图1所示的例子，前置光纤放大器和固态功率放大器的位置顺序可以颠倒。而且，激光系统可以包括多个前置光纤放大器和多个固态功率放大器，它们可以放置在任一合适的位置顺序。

根据本发明的一个实施例，图2显示的是一个自由空间固态功率放大器200的典型原理图。一束入射激光202通过输入耦合光纤204进入自由空间固态功率放大器200，输入耦合光纤可以是图1中的光纤116。从输入耦合光纤204射出的激光经过第一光纤耦合透镜206后被准直，变成一准直光束208。第一光纤耦合透镜206可包括在一个光纤准直器中。准直光束208被聚焦透镜210聚焦，射入固态激发介质212。固态激发介质212可以是固态晶体，晶体棒或碟片。固态激发介质212可以由Nd:YAG，掺钕和掺镱玻璃等等组成。

一个端面镜214将入射的聚焦光束反射，通过聚焦透镜210后射到第一棱镜216。入射的激光束通过固态增益介质212后被其放大。被发射的激光束通过聚焦透镜210后被其准直。第一棱镜216将准直光束反射到第二棱镜218。第二棱镜218通过聚焦透镜210将准直光束反射回固态增益介质212。聚焦透镜210将被反射的准直激光束聚集，射入固态增益介质212。端面镜214反射从第二棱镜218入射的聚焦激光束，通过聚焦透镜210后进入第三棱镜220。值得注意的是，在激光束入射到第三棱镜220之前，自由空间固态功率放大器200可包括两个以上棱镜，如棱镜216和棱镜218。

被反射的激光通过聚焦透镜220准直。第三棱镜220将准直的激光反射到第二光纤耦合透镜222，第二光纤耦合透镜222可包括在一个光纤准直器中。第二光纤耦合镜222将准直激光聚焦到输出耦合光纤224中，输出耦合光纤224可以是图1中的光纤112。输出耦合光纤224输出放大后的激光束226，其波长、脉冲宽度和重复频率与输入激光202一致，但功率相比于输入激光202得到了放大。值得注意的是，棱镜216，218和220可以用任何反射器代替，如反射镜或光束定向器(光栅、全息光学元件)等等。

泵浦源228发射一束泵浦光，被泵浦光耦合光纤230耦合进入自由空间固态功率放大器200。从泵浦光耦合光纤230射出的泵浦光被泵浦光耦合透镜232准直，接着被泵浦光聚焦透镜234聚焦到固态增益介质的后端且透过端面镜214。端面镜214对泵浦光高透，对激光波长高反。多个泵浦源可以取代单个泵浦源，提供更高功率的泵浦光。泵浦源228可以是一个激光二极管或者一个LED。

根据本发明的一个实施例，图3显示的是另一个几乎一样的自由空间固态功率放大器300的典型原理图，其可替代图2中的自由空间固态功率放大器200。为简单起见，相同部分的描述细节在此省去。图3与图2的区别在于，自由空间固态功率放大器300包括一个分束器302，传输准直的激光208到聚焦透镜210，和用一个反射镜304代替第三棱镜220。反射镜304入射的准直激光反射到固态增益介质212。被反射的准直激光最后入射到分束器302，其将激光反射到输出耦合光纤224。输出耦合光纤224发射已放大的输出激光226。

每次激光经过固态增益介质212，都会被其放大，且从固态增益介质后端入射的泵浦光都能在固态增益介质212中传输。因此，许多光学系统都应用这一点，促进了许多次经过固态增益介质212的激光能产生被放大的强烈的输出激光226。

值得注意的是，图2和图3只是两个例子。通常来说，一个自由空间固态功率放大器包括一个固态增益介质用于放大入射的激光，一个泵浦源和提供泵浦激光的相关光学元件，一个光学系统用于使入射激光多次通过固态激光介质。根据本发明的一个实施例，自由空间固态功率放大器更由入射耦合光纤和输出耦合光纤组成。入射的激光通过入射耦合光纤耦合进入自由空间固态功率放大器，输出的激光通过输出耦合光纤耦合离开自由空间固态功率放大器。因此，自由空间固态功率放大器可以不需要与前期的光纤前置放大器和接收输出激光的器件对齐或固定。

根据本发明的一个实施例，图4显示的是一个前置光纤放大器400的典型原理图。入射激光402通过入射耦合光纤404耦合进入前置光纤放大器400，其可以是图1中的光纤110。通过入射耦合光纤404的激光进入由激发介质组成的增益光纤408，穿过耦合光纤406。增益光纤408可以由掺Yb3+、Er3+等等离子的石英光纤组成。增益光纤408与Y型耦合器410的第一端410A耦合，输出耦合光纤412与Y型耦合器410的第二端410B耦合。输出耦合光纤412输出被前置放大后的激光414。

泵浦源416发射泵浦光，由泵浦光耦合光纤418耦合进Y型耦合器410的第三端410C。泵浦光通过Y型耦合器410进入增益光纤408。Y型耦合器410可以是波分复用器(WDM)。泵浦光在增益光纤408中传输的方向与前置放大的激光在增益光纤408中传输的方向相反。泵浦光被增益光纤吸收，相反，入射的激光被增益光纤放大。多个泵浦源可以取代单个泵浦源，提供更高功率的泵浦光。泵浦源228可以是一个激光二极管或者一个LED。入射的激光通过光纤耦合进入前置光纤放大器，被放大的激光通过光纤耦合离开前置光纤放大器。前置光纤放大器可以不需要一对反射器来形成激光谐振腔。

根据本发明的一个实施例，图5显示的是另一个几乎一样的前置光纤放大器500的典型原理图，其可替代图4中的前置光纤放大器400。为简单起见，相同部分的描述细节在此省去。图5与图4的区别在于，前置光纤放大器500由两级前置光纤放大器组成，每一级放大器都有一段增益光纤408。值得注意的是，图4和图5只是两个例子，另一个特征，一个多个前置光纤放大器连接在一起可应用于产生更强大的被前置放大的激光。

在一个实施例中，基于偏振的多程激光放大器可以用于此，该待审专利的专利申请号是13/999,936，名称为多程放大的光纤放大器，通过引用包含于此。

根据本发明的一个实施例，图6显示的是一个光纤激光主振荡器600的典型原理图。任何激光振荡器都可以使用。泵浦源602发射波长为λ1的泵浦光，耦合到Y型耦合器604的泵浦端口604C。Y型耦合器604可以是波分复用器(WDM)。泵浦源602可以是激光二极管或LED。增益光纤606与Y型耦合器604的普通端口604B耦合。增益光纤606吸收泵浦光，泵浦光激发增益光纤中的原子跃迁到高能态。当高能态的原子跃迁回基态时，产生波长为λ2(λ2>λ1)的受激激光脉冲。如果增益光纤是由掺Yb3+离子组成的石英光纤，辐射光λ2的波长大约为1μm。如果增益光纤是由掺Er3+离子组成的石英光纤，辐射光λ2的波长大约为1.5μm。其他增益光纤也是如此。

光纤主振荡器600由波长选择性反射器608和可饱和吸收镜610形成一个激光谐振腔。激光脉冲从增益光纤606向波长选择性反射器608传输，通过Y型耦合器的普通端口604B，并从激光端口604A离开。波长选择性反射器608只是发射一部分光，这部分光的波长范围在增益光纤606的增益光谱和波长选择性反射器608的反射通带之内。例如，波长选择性反射器608可以是一个光纤布拉格光栅，其目的是反射在特定通频带内的特定中心波长。另外，光纤布拉格光栅可以对光纤主振荡器固有的非线性效应进行色散补偿。

被波长选择性反射器608反射的激光再次通过Y型耦合器604，进入增益光纤606。激光被增益光纤606放大，并继续通过普通端口612A，向功率分配器612传输。一部分激光通过功率分配器612的激光端口612B，并射入可饱和吸收镜610。可饱和吸收镜610的吸收体610A在高能量激光密度下变得饱和，因此，允许腔体的大部分能量穿过吸收体610A，并进入可饱和吸收镜610的反射镜610B，其将能量反射回激光腔体。在低能量激光密度下，吸收体不再饱和并吸收所有入射的能量，由于调Q锁模的抑制，有效地将低能量密度激光从激光腔内去除。而且，由于激光脉冲的前沿被吸收，激光脉冲宽度在反射过程中会稍微减少。一部分出射激光616通过输出耦合光纤614，从功率分配器612的输出端612C射出，输出耦合光纤614可以是图1中的光纤108。

值得注意的是，图6只是一个例子。另一个特征，其他类型的激光振荡器也会用到。在任意特征中，激光振荡器产生的激光脉冲决定了被自由空间功率放大器放大后的激光波长，脉宽，和重复频率。

模块化的光纤耦合激光系统包括一个激光振荡器，至少一个前置光纤放大器，和至少一个自由空间固态功率放大器，这已经被公开。激光振荡器的输出端与至少一个前置光纤放大器或至少一个自由空间固态功率放大器的输入端光纤耦合。至少一个前置光纤放大器的输入或输出端与至少一个自由空间固态功率放大器的输出或输入端光纤耦合。

因此，制作模块化的光纤耦合激光系统的方法包括：(a)提供一个激光振荡器；(b)提供至少一个前置光纤放大器；(c)提供至少一个自由空间固态功率放大器；(d)激光振荡器的输出端与至少一个前置光纤放大器或至少一个自由空间固态功率放大器的输入端光纤耦合；和(e)至少一个前置光纤放大器的输入或输出端与至少一个自由空间固态功率放大器的输出或输入端光纤耦合。

虽然本发明的典型特征和最好的实现方法已经被一一描述，本发明其中一些普通的技术显然需要修改，提高和组合。文中许多特征，改编和变化在没有违背本发明精神和其中的适应范围情况下，是允许的。对于公开的方法，没有必要循序地表达。对于公开的装置，若工作原理是一样的话可以按序号更换。

权利要求书所使用的术语并不应该理解成将本发明限制在规范说明书和要求权利要求书下描述的具体特征。更确切的说，其范围完全由下文的声明权利要求书所决定，其声明权利要求书可理解成与已建立的理论解释一致。本发明的说明和图形因此可被认为是直观阐述的而非限制的。

Claims (5)

1.一种模块化的光纤耦合激光系统，其特征在于，包括：

一个激光振荡器；

至少一个前置光纤放大器；和

至少一个自由空间固态功率放大器；

其中，激光振荡器的输出端与至少一个前置光纤放大器或至少一个自由空间固态功率放大器的输入端光纤耦合；

其中，至少一个前置光纤放大器的输入或输出端与至少一个自由空间固态功率放大器的输出或输入端光纤耦合；

所述激光振荡器包括：

一个泵浦源，用于发射泵浦光；

一个增益光纤，用于吸收泵浦光和产生激光；

一个波长选择性反射器和一个可饱和吸收镜形成激光腔体；

一个Y型耦合器，用于耦合泵浦光和增益光纤；和

一个功率分配器，用于输出激光；

其中，产生的激光被光纤耦合入至少一个前置光纤放大器或至少一个自由空间固态功率放大器的输入端；

波长选择性反射器是一个光纤布拉格光栅；

所述前置光纤放大器包括：

一个泵浦源，用于发射泵浦光；

一个增益光纤，用于吸收泵浦光和放大入射的激光；

一个Y型耦合器，用于耦合泵浦光到增益光纤；

一个输入耦合光纤，用于输入入射的激光；和

一个输出耦合光纤，用于输出放大的激光；

其中，入射的激光被光纤耦合输入前置光纤放大器，和放大的激光被光纤耦合输出前置光纤放大器；

所述自由空间固态功率放大器包括：

一个固态激活介质，用于放大入射的激光；

一个聚焦透镜，用于将入射的激光聚焦到固态激活介质；

多个反射器，用于使入射激光能多次通过固态激活介质；

一个泵浦源，用于发射泵浦光；

固态激活介质的后镜，用于反射入射激光和通过泵浦光；

一个输入耦合光纤，用于输入入射的激光；和

一个输出耦合光纤，用于输出激光；

其中，后镜对泵浦光的波长通过，反射入射的激光波长；

其中，入射的激光被光纤耦合输入自由空间固态功率放大器，和输出的激光被光纤耦合输出自由空间固态功率放大器。

2.如权利要求1中所述的模块化的光纤耦合激光系统，其特征在于：Y型耦合器是一个波分复用器(WDM)。

3.如权利要求2中所述的模块化的光纤耦合激光系统，其特征在于：所述自由空间固态功率放大器进一步包括：

一个第一光纤耦合透镜，用于准直入射耦合光纤里的入射激光；和

一个第二光纤耦合透镜，用于聚焦输出激光到输出耦合光纤。

4.如权利要求3中所述的模块化的光纤耦合激光系统，其特征在于：固态激活介质是固态晶体、固态棒和固态碟片中的一种。

5.如权利要求4中所述的模块化的光纤耦合激光系统，其特征在于：多个反射器包括棱镜。