CN105814757B - 大功率高效率光纤激光器和用于优化其墙插效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明激光器在所述激光器壳体内配置有多个带有尾纤的多模(MM)二极管激光器，其中每个二极管激光器在被保持在20℃‑25℃的室温下接收直流输入电流。二极管激光器均被配置为在优化工作范围内操作于期望波长下操作，在所述优化工作范围内所述二极管激光器在63％到75％之间的WPE范围操作。将在每个二极管激光器中输入的直流电流选择为低于所述二极管激光器的效率曲线上的阈值，在所述阈值之后在二极管激光器的输出功率继续增加时二极管激光器的效率开始降低。激光器还配置有包括有源光纤介质的光纤增益块，其中用累计泵浦输出来对所述有源光纤介质进行泵浦，所述有源光纤介质用于在优化工作范围内发射波长是期望波长并且功率范围在几百瓦至几十千瓦甚至几百千瓦之间的激光输出。相应的MM二极管激光器和光纤增益块的优化工作范围相互匹配，以便实现相应效率最大值的叠加，提供高至55％的整体最大系统效率。

Description

大功率高效率光纤激光器和用于优化其墙插效率的方法

技术领域

本公开涉及一种具有增强型墙插效率(“WPE”：WALL PLUG EFFICIENCY)的大功率光纤激光器以及配置具有增强型WPE的大功率光纤激光器的方法，其中所述增强型WPE超过45％。

背景技术

由于大功率光纤激光器相较于传统激光源具有可靠性高、维护成本低、占用空间小和成本低的优点，已成为许多工业应用的首选激光器。光纤激光器和光纤耦合激光器市场的基本要求是减少成本。因此，尤其重要的是增加激光器的墙插效率，即总的电-光功率效率。

通常，通过三个关键参数来确定固态激光器的效率：泵浦半导体激光二极管电-光转换效率、泵浦光到有源介质的耦合或传输效率以及有源增益介质的光-光转换效率和激光器本身的以下功率损耗。当然，还可以将这些参数拆分为子参数。

泵浦半导体激光二极管的效率较高，大约是电-光效率的50％。实验室结果甚至更好，大约是电泵浦能量的70％或甚至更多转换为光。当这种输出的波长与光纤激光器的吸收谱线周密地相匹配时，将得到泵浦光纤激光器的增强型墙插效率(“WPE”)。

光-光转换效率依赖于较小的量子缺陷、较大的激发和提取效率以及背景损耗。它可以大约是60％到90％。

当然，光纤激光器系统的其他组件(诸如，激光器组件和电子元件的热量控制、用于监控二极管、AC-DC功率转换效率等的辅助控制电子元件)引入了附加损耗。然而，它们对系统总效率低下的累积影响是较不明显的。激光器领域的技术人员公知的是，除半导体激光器之外，所有已知其他类型的激光器(包括由受让人的制造并被指定为YLS-xxx-Y13的光纤激光器)的WPE也均操作在25％到35％的范围内。应提升该范围的上限，且应将所述上限大幅提升以满足市场的需要。

因此，需要一种大功率光纤激光器，其中所述大功率光纤激光器的总WPE高于现有技术的WPE。优选地，Yb大功率光纤激光器在大约45％到55％之间的有效范围内操作。

回到光纤激光器系统的特定组件，每个激光器组件具有自身的对不同参数的依赖关系。例如，电源的WPE依赖于输出电压和工作电流；泵浦激光二极管(“PLD”)的WPE依赖于LD电流等。具体地，激光二极管是效率低的。在激光二极管开始发光之前，所消耗的功率完全是被浪费的。光纤块(fiber block)也存在相同问题，但是其损耗基本上低于激光二极管的损耗。电子组件(诸如，监控器、控制电路、驱动器和其他组件)对总损耗有所贡献，但是相较于激光二极管，在大输出功率的情况下它们的贡献微不足道。

因此，还需要一种配置为使得每个组件在相应的最大效率范围下进行操作的大功率光纤激光器系统，其中所述最大效率范围将光纤激光器系统的总效率提升至高于55％的效率。

参考使总体墙插效率低下的主要因素——PLD，在工作时存在一些损耗机制。一个是所谓的低于阈值(Below Threshold)，在所述低于阈值的状态下包括一定量的驱动电流，其中仅将所述一定量的驱动电流消耗用于实现激光器内的粒子数反转。此外，存在一些消耗载流子的非辐射机制。第二种机制包括能带对准：激光二极管必须克服由于各种异质结界面的能带结构的未对准而导致的电压逆差(voltage deficit)。在克服逆差之前，无法产生有用的光功率。另一种机制是载流子泄漏，载流子泄漏是指无法使之成为量子阱以高效地产生光子的双极性载流子。再一种公知机制是对所产生的光子的散射和吸收，所产生的光子由于在量子阱、波导或不完美的镜面内发生的散射而不会停留在波导中。附加地，可以通过自由载流子来吸收波导内的光子。最终，焦耳加热机制是由于二极管的有效串联电阻而引起的，包括接触电阻以及异质结本身的体电阻。在列出的所有损耗机制中，低于阈值机制对于PLD的WPE是最有害的。

因此，还需要一种配置有一个或更多个PLD的大功率光纤激光器系统，其中每个PLD操作在高于LD操作效率降低的电流阈值处。

发明内容

通过所公开的大功率光纤激光器和用于配置这种系统的方法来解决上述需要。

所公开的大功率光纤激光器系统配置有一个或更多个PLD，所述PLD发射耦合到增益介质内的多模光。在大功率光纤激光器系统(即，可操作用于输出信号光的系统，其中所述信号光的输出功率可以达到几十和几百kW)的任何设计下的前提之一是非常简单的且易于由激光领域的普通技术人员理解：增加每个激光二极管的功率。出于对大功率的不变追求，激光二极管领域中已实现相当高等级的功率。激光器领域的普通技术人员应易于认识到，可以在一些最大等级的二极管电流下实现达到最大可用功率。

本公开的发明构思是基于相对与正常预期相反的方法。代替将PLD操作在高输入电流下以便引起最大功率，本发明使用低于某个预定阈值的电流电平，即在大于所述电流电平时尽管输出功率增加但PLD效率开始减小。优化的激光二极管增加的WPE与大功率光纤激光器系统的各个组件的其他优选参数相结合使得整个系统的总效率能够达到约55％。应注意，出于本发明的目的，WPE不包括操作任何水冷机来向激光器提供水冷冷却流体(例如，水)所需的功率。

最大可达55％的WPE是首创的数字。申请人(均是在光纤激光器产业方面具有多年经验并在激光物理方面的高学历者)不知晓WPE接近甚至40％的单个可用光纤激光器(特别是大功率Yb光纤激光器)。

此外，使用在低于阈值的电流电平下操作的激光二极管明显增加了二极管的使用寿命。减小单个PLD的功率导致缓解与高温相关的热动力过程的有害结果，其中所述高温低于与典型PLD相关联的高温。因此，操作所公开的光纤激光器系统的成本明显减小。

尽管PLD引入的损耗是最大的，然而所公开的大功率光纤激光器的其他组件均配置为进行操作以便对增加的WPE有所贡献。

基于上述内容，本发明的激光器在所述激光器壳体内配置有多个带有尾纤的多模(MM)二极管激光器，其中每个二极管激光器在被保持在20℃-25℃的室温下接收直流输入电流。二极管激光器均被配置为在优化工作范围内操作于期望波长下，在所述优化工作范围内所述二极管激光器在63％到75％之间的WPE范围操作。将输入每个二极管激光器中的直流电流选择为低于所述激光二极管的效率曲线上的阈值，在所述阈值之后在二极管激光器的输出功率继续增加时二极管激光器的效率开始降低。激光器还配置有包括有源光纤介质的光纤增益块，其中用累计泵浦输出来对所述有源光纤介质进行泵浦，所述有源光纤介质用于在优化工作范围内发射波长为期望波长并且输出功率的范围在几百瓦至几十千瓦甚至几百千瓦内的激光输出。优选地，有源光纤具有被耦接到相应SM光纤的两个端部，且配置所述有源光纤使得整个光纤增益块操作在优化工作范围内，其中在所述优化工作范围下光-光转换效率的范围在80％至90％之间。

相应的激光二极管或泵浦和增益块的效率最大值都是相互匹配的，使得整个最大系统效率范围高至55％。以下全部组件单独地且相互组合地配置为对为55％的总WPE最大值有所贡献。对于Yb大功率光纤激光器，总WPE范围在45％-55％内。

例如，包括多个数字组件的驱动单元配置为在至少为98％的优化效率范围内进行操作。对驱动单元提供能量并包括多个电子数字组件的电源块提供最大系统效率，其中所述多个电子数字组件配置为在具有约95％效率最大值的最优效率范围内提供所述电源块的操作，其中当与二极管激光器、电源块和驱动器的相应最大效率相互叠加时效率最大值提供最大的系统效率。

因此，下文将在具体说明书中详细讨论上述和其它特征、目的和优点。

附图说明

基于附图，具体说明书将变得更易于理解，附图中：

图1是所公开的大功率光纤激光器系统的示意光学图；

图2是示出了图1的光纤激光器系统的总效率的图；

图3是示出了PLD效率相对LD电流的典型依赖关系的图；

图4是示出了针对特定输出电压的电源的WPE相对输出电流的典型依赖关系的图；

图5示出了在给定冷却水温度下PLD累计谱(cumulative spectrum)相对LD电流的图；

图6示出了在给定冷却水温度下PLD累计谱的中心波长相对LD电流的依赖关系；

图7示出了镱(“Yb”)光纤块的效率相对LD电流的依赖关系；

图8是图7的框内部分的放大视图；以及

图9示出了Yb光纤块的输出功率相对泵浦功率的典型依赖关系。

具体实施方式

本公开的以下部分涉及Yb光纤激光器。然而，本领域技术人员应认识到，本发明构思完全可应用于包括所有相关稀土元素的任何光纤增益介质。激光器领域的技术人员应认识到，任何激光器的WPE取决于所选的稀土元素。本领域技术人员清楚认识到，由于饵(Er)和铥(Tm)的固有物理特性，Er和Tm的WPE一定程度上低于Yb光纤激光器的WPE。然而，尽管以下描述基于Yb振荡器(激光器)，然而光纤放大器本质上被包括在本公开的范围内，且下文公开的方法应用于基于除了Yb稀土离子之外的激光器和放大器。

光纤激光器的组件均可以以优化效率进行操作，其中优化效率随着多个参数而改变。本发明构思涉及增加配置有系统组件中的至少一个组件的整个光纤系统的效率，使得对这种组件的操作加以表征的所选参数在提供所述组件最大WPE的特定范围内改变。

参考图1，示例大功率光纤激光器系统100配置有多个组件。增益块配置有包括增益介质的壳体1，其中这种光纤3掺杂有任何合适的稀土元素或这些元素组合。例如，有源光纤3可以具有双包层配置并掺杂有Yb离子——针对许多工业光纤激光器应用的元素选项，这是激光器领域的普通技术人员所熟知的。通常，有源光纤3配置有能够支持基本仅传播给定波长的基模的多模纤芯，如美国专利No....所公开。当然，有源光纤可以具有单模纤芯。因此，无论纤芯的配置，本发明激光器的输出按照单模发射。

耦接到有源光纤3的相对端部的光纤是相应的单模输入和输出无源光纤6，其中沿着熔接区域4将所述单模输入和输出无源光纤6分别熔接到有源光纤的对应端部。将强输入和弱输出光纤布拉格光栅5写入相应的无源光纤6，并限定在包括有源光纤3的整个长度的谐振腔之间。如上所述，激光器系统100配置有容纳振荡器的单个增益块，但本领域技术人员应易于认识到，系统100可以将若干光纤增益块耦接到一起，且每个光纤增益块均被配置为放大器。对放大器与振荡器加以区分的结构差别仅包括缺少光栅。此外，每个均与所示块相同地配置的若干增益块可以具有在SM-MM组合器8中被耦接在一起的相应输出光纤7(例如如美国专利7953435和美国专利申请序列号...所述)以及具有将信号光传送到期望目的地的单个传输光纤9的其他光纤。

根据美国专利号7,773,655和其它专利配置的泵102包括多个单独的PLD 11，其中所述多个单独的PLD发射多模(“MM”)的泵浦光。来自PLD的泵浦光被耦合到相应的MM泵浦光传输光纤10，其中所述相应的MM泵浦光传输光纤10通过泵耦合器2被耦合到增益介质3。如图所示，沿着相反两个方向将泵浦光耦合到增益介质3，且仅可以使用同向传播耦合方向和反向传播耦合方向之一。电源块13输出耦合在驱动器12中的电流，如本领域技术所熟知。

如上所公开的大功率光纤激光器系统10具有典型配置。本系统的创新性包括：对所公开的组件中的一个或更多个进行配置，使得所选组件以相应的最大WPE进行操作，其中所述相应的最大WPE允许系统100的整个系统WPE高至55％。

每个激光组件的效率在其参数的特定范围内达到其最大值。不同激光组件的这些优化工作范围相互匹配，以便实现导致最大系统效率的效率最大值的叠加。与泵和光纤增益块相组合的激光组件中的每个仅可以在Yb大功率激光器中增强44-55％的效率范围。类似地，全部组件或组件与增益块和泵的任意组合产生本发明的效率范围。

图2示出了可操作用于根据总功率消耗(即，系统组件的累计消耗)发射约1kW SM输出的系统100的输出功率的典型依赖关系。这种依赖关系的阈值大约为200W。这意味着初始的200W是被浪费的，通常被转换为不需要的热量，因此就需要强大的冷却系统，进而使得整体系统的效率低下。如果可以将阈值移至零，则总的WPE(即，Pout/Pin比)将逐渐变得越来越统一(uniform)。换言之，系统的总效率将与输出功率无关。然而，实际上，随后不可能配置完全有效的激光系统。例如，必须消耗一定量的驱动电流，为了在激光二极管中获得粒子数反转。类似的机制同样发生在任何增益介质中。因此，所公开系统的目的在于以尽可能低的阈值进行操作。通过优化至少一个(优选地，全部)系统组件的效率来实现该目的。

结合图1，图3示出了在给定电压下PLD 11的WPE对它的驱动电流(“LD”)的典型依赖关系。通常，LD的WPE＝有用的光学输出功率÷(输入电流x设备两端的电压降)。PLD的运行是导致图1的系统100的总效率低下的最有害因素之一。为了最小化这种因素的影响，迫切的是每个激光二极管运行在优化电流范围内。图3的曲线清楚地示出了PLD 11的最大WPE与约5A的LD范围相对应。然而，在图1所示类型的大功率光纤激光器系统中使用的激光二极管通常运行在9A到13A范围内，以便增加泵浦光的瓦特。因此，在给定电压下将PLD11操作在逐渐高于5A的电平下将逐渐减小二极管的WPE。

考虑到PLD 11的最大WPE，Yb光纤激光器系统100的泵102配置有PLD 11，每个PLD均操作在驱动电流4A到6A的范围内，其中所述驱动电流对应于约63％的二极管WPE。优选地，PLD 11在接近5A的驱动电流下激射泵浦光。经过比较，激光二极管的最高已知效率低于60％，并且在少数情况下它可以达到约70％，但是仅在实验室中。所公开的具有泵102的系统100配置为操作在现场条件下，并适于大量生产。应注意，PLD 11与在包括系统100的kW级光纤激光器系统中使用的那些激光二极管相同。每个优化的PLD 11能够在它典型的大安培范围内(更具体地，对于1kW Yb光纤激光器典型的是13A)进行操作。但是从效率的角度，这种大电流没有任何意义。

参考图1和4，电源13的WPE依赖于输出电压和工作电流。图4示出了针对特定输出电压的电源WPE相对输出电流的典型依赖关系。对于电源13，所示的优化电流范围是15-25A。

参考图1和图5-6，Yb光纤3的泵浦转换效率依赖于泵吸收效率，其中所述泵吸收率严格地依赖于泵辐射的波长。镱掺杂有源光纤中的最大泵吸收与PLD波长975nm相对应。转而，PLD辐射的波长依赖于LD电流和冷却环境。具体地，当增加LD电流和冷却水温度变高时，波长光谱移至较长波长(图5和6)。

参考图1以及图3-图9，已知系统100对应组件的多个单个优化效率值，所述优化值应该相互匹配以便实现系统100的优化效率。例如，图3所示的PLD效率的最大值应与PLD的975nm波长相对应。这种配置确保在普通冷却环境下在LD电流5-6下发出约975nm的辐射，并通过将包括泵的Yb光纤块耦接和熔接在光纤6和3之间，允许在LD电流5-6A下实现泵转换效率的最大值。在PLD 11的优化(5A)工作电流以及对应温度15℃、18℃和21℃下，Yb光纤块的转换效率范围从约83％到约87％，甚至90％(图9)。将激光器的壳体内的优化温度范围确定为是20到25℃之间的室温。

除了上述组件的优化之外，还可以优化其他系统组件。为了使系统100的总效率超过45％，确定对应系统组件的以下对应优化效率值，并列出如下：

A.在6A的LD电流以及适当的冷却环境下，泵浦激光二极管(PLD)11的墙插效率应＞62％。

B.PLD的驱动电阻元件12应确保在整个LD电流范围内损耗＜2％。

C.电源(PS)13的最大效率应＞94％。

D.镱光纤块(YFB)的泵浦转换效率应＞87％。上述要求通过以下配置来满足：

d1.对有源光纤3的初步选择。有源光纤应具有较小的泵浦损耗、较小的信号损耗以及较大的泵浦吸收。

d2.有源光纤3的基模应与无源光纤6的基模相匹配，以便确保较低的熔接损耗。

d3.光纤布拉格光栅(FBG)5应写入在相应的无源光纤6上。FBG应具有较低的固有损耗。

d4.泵浦耦合器2的损耗应＜2％。

E.如果需要，应通过组合元件8将多个YFB的单模辐射发射到输出多模光纤9中。在这种情况下，组合元件的损耗应＜1.5％。

上述全部内容允许将YFB泵浦转换效率的最大值实现为超过87％。

更具体地，输出直流电流的驱动单元配置为以98％最大效率操作在优化效率范围内，在任何情况下均将驱动单元配置为在激光二极管的最大有效范围内，以低于2％的损耗进行操作。

对驱动单元提供能量并包括多个数字组件的电源块配置为向电源块的操作提供约95％的效率最大值。直接耦接到光纤增益块的输出并将激光输出传导到目的点的传输光纤配置为在期望波长下的损耗低于0.1％。如果根据本发明配置的和并排耦接的多个SM光纤激光器具有在SM-MM组合器中组合的相应SM输出，其中所述SM-MM组合器配置为在期望波长下的损耗小于0.1％。每个激光器可以配置为包括两个增益块，因此所述增益块限定了MOPA配置。

在所公开结构WPE＞45％的光纤激光器的许多优点中，以下优点是尤其重要的：

低功耗、低操作成本。

生态问题。减小的能耗允许减少二氧化碳和其它温室气体的排放量。

较低的热负载。所述冷却系统在这种情况下应是简单的且廉价的。

激光器设计更加鲁棒和可靠，以确保更长的工作寿命。

根据所公开的结构，操作在所公开效率范围内的激光二极管产生的泵浦输出基本与应由相同数量的操作在最大安培下的激光二极管产生的泵输出相匹配，但其效率远远超出效率曲线的优化点。对于大功率镱光纤激光器，最大安培的典型范围在12A和13A之间改变，而对于相同激光器的有效范围可以在4A和6A之间改变。

参考附图描述了本发明优选实施例中的至少一个，应理解本发明不限于这些精确的实施例。如上所述，可以将其他稀土元素用于掺杂光纤。本领域技术人员可以对不同波长、光纤参数和稀土掺杂物进行各种改变、修改和调整，而不脱离以上公开的本发明的精神或原理的范围。上文引述的所有应用和专利都全文合并于此，并被认为是本申请的组成部分。

Claims (12)

1.一种具有高墙插效率WPE的光纤激光器，其中WPE是指除了冷却功率之外的电功率转换为光功率的能量转换效率，所述光纤激光器包括：

多个带有尾纤的多模MM二极管激光器，其中每个二极管激光器在室温下接收直流输入电流并用于发出被共同耦接在累计泵浦输出中的相应输出，所述二极管激光器均被配置为在优化工作范围内操作于期望波长下，在所述优化工作范围内所述二极管激光器在63％到75％之间的WPE范围操作，其中所述直流输入电流低于所述二极管激光器的效率曲线上的阈值，在所述阈值之后在二极管激光器的输出功率继续增加时二极管激光器的效率开始降低；以及

光纤增益块，包括增益介质，其中用累计泵浦输出来对所述增益介质进行泵浦，所述增益介质用于在优化工作范围内发射波长为期望波长并且功率在几百瓦至几十千瓦的范围之间的激光输出，其中所述光纤增益块操作在优化工作范围内，在所述优化工作范围内光-光转换效率范围在80％至90％之间，

其中各MM二极管激光器和光纤增益块的优化工作范围匹配，以便实现相应效率最大值的叠加，提供高至55％的整体最大系统效率。

2.根据权利要求1所述的光纤激光器，其中所述增益介质掺杂有镱Yb离子，具有Yb增益块的光纤激光器的最大系统效率范围在45％到55％之间。

3.根据权利要求1所述的光纤激光器，其中所述激光二极管每个均在20℃至25℃之间变化的室温范围下操作在63％-75％的效率范围内。

4.根据权利要求1所述的光纤激光器，还包括含有多个数字组件的驱动单元，所述多个数字组件彼此相连以便输出耦接至相应二极管激光器的输入的电流信号，所述驱动单元配置为操作在具有98％效率最大值的优化效率范围内，其中该效率最大值与二极管激光器和光纤增益块的对应最大效率相叠加以便提供在期望波长下的最大系统效率。

5.根据权利要求4所述的光纤激光器，还包括电源块，所述电源块对驱动单元提供能量并包括多个数字组件，所述数字组件配置为在具有95％效率最大值的优化效率范围内提供所述电源块的操作，其中该效率最大值与二极管激光器、电源块和驱动器的相应最大效率相互叠加时提供最大系统效率。

6.根据权利要求1所述的光纤激光器，其中所述光纤增益块配置有掺杂有稀土元素离子的有源光纤，所述有源光纤的纤芯选自单模纤芯或多模纤芯，其中所述纤芯配置为在单模下发射激光输出。

7.根据权利要求6所述的光纤激光器，还包括：直接耦接到光纤增益块的输出并将单模SM的激光输出传导到目的点的传输光纤，所述传输光纤配置为在期望波长下的损耗低于0.1％以便提供最大系统效率。

8.根据权利要求6所述的光纤激光器，还包括多个高WPE激光器，所述多个高WPE激光器彼此并行耦接并配置有光纤增益块。

9.根据权利要求8所述的光纤激光器，还包括传输光纤以及单模-多模SM-MM光纤组合器，其中所述SM-MM光纤组合器耦接在各WPE激光器的光纤增益块和传输光纤之间，所述传输光纤将激光器输出传导到目的点，其中所述光纤组合器配置为损耗小于2％，并且所述传输光纤配置为在期望波长下的损耗小于0.1％以便提供最大系统效率。

10.根据权利要求1所述的光纤激光器，还包括与主振荡器/功率放大器配置MOPA中的所述光纤增益块的输入串联耦接的附加光纤增益块。

11.一种用于优化光纤激光器的墙插效率WPE的方法，其中WPE是指除了冷却功率之外的电功率转换为光功率的能量转换效率，所述方法包括：

产生低于二极管激光器效率曲线上的阈值的直流电流，在所述阈值之后，在所述二极管激光器的输出功率继续增加时所述二极管激光器的效率开始降低；

在室温下将所述直流电流耦接到带有尾纤的多模MM二极管激光器中的每一个，从而将每个二极管激光器操作在期望波长下且WPE范围在63％至75％之间；

在累计泵浦输出中将各MM二极管激光器的输出耦接在一起；

将所述累计泵浦输出输入到光纤增益块的增益介质中，从而在优化工作范围内发射期望波长下的功率范围在几百瓦到几十千瓦之间的激光输出，其中在所述优化工作范围内所述光纤增益块的光-光转换效率范围在80％和90％之间；以及

将各MM二极管激光器和光纤增益块的优化工作范围进行匹配，以便实现相应效率最大值的叠加，提供高至55％的整体最大系统效率。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述增益介质掺杂有镱Yb离子，具有Yb增益块的光纤激光器的WPE范围在45％到55％之间。