CN106159656B - 一种高光电转换效率的光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种高光电转换效率的光纤激光器，包含双向泵浦单腔激光模块，双向泵浦单腔激光模块由若干正向泵浦光源、正向合束器、高反光栅、增益光纤、低反光栅、反向合束器、若干反向泵浦光源和输出接头，其中正向合束器、高反光栅、增益光纤、低反光栅、反向合束器和输出接头依次通过光路连接，每一正向泵浦光源与正向合束器之间通过光路连接，每一反向泵浦光源与反向合束器之间通过光路连接；其增益光纤分三块区域盘绕在一绕线盘上，其中第一区域、第二区域、第三区域采用圆圈绕制，其中第二区域位于第一区域的外围，第三区域位于第二区域的外围。本发明的高光电转换效率的光纤激光器电光转换效率可以高达39.3％。

Description

一种高光电转换效率的光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光器技术领域，特别涉及一种高光电转换效率的光纤激光器。
背景技术
目前千瓦级工业激光器基本都会选用非保偏大场模(LMA)光纤作为其增益介质，大规模光纤的特点是纤芯直径以及模场直径(MFD)相对更大，因此其非线性效应的阈值也相应更高，耦合高功率泵浦能力也更强。同时，为了在各种激光材料的加工时有更好的抗强反射能力，目前基本上所有的高功率工业用光纤激光器均会采用单腔模块(如图1所示)而不会使用主震荡功率放大器的结构。图1中的高功率工业用光纤激光模块由泵浦光源1、合束器2、高反光栅3、增益光纤4、低反光栅5和输出接头6构成。
由于在金属片加工应用中需要提供足够的能量，大部分工业光纤激光器需要至少500w以上的输出功率。基于现在的泵浦二极管技术，这种能够提供500W以上功率的单腔工业激光模块主要使用250μm或者400μm包层直径的掺镱大模场(Yb LMA)光纤。为了能够保证单空间模式模输出，Yb LMA光纤的纤芯直接一般会在10μm到20μm之间。就算市面上有更大纤芯(25μm,30μm和50μm)的掺镱大模场光纤，为了提供可靠的单空间模式输出，纤芯直径在10μm到20μm之间的Yb LMA光纤仍然是工业用光纤激光器的首选。对于高功率CW光纤激光器，根据不同的泵浦波长以及有效泵浦吸收系数，为了保证足够的泵浦功率吸收增益光纤的长度一般都在15m到50m之间。
如上所述，工业用的高功率光纤激光器中的增益光纤是相当长的。为了能够合理有效的使用这些增益光纤，需要考虑以下几点:
1、有效冷却
Yb光纤和冷却介质之间需要有足够有效的热接触可以安全的将光纤产生的热量散掉。
2、适当的绕圈直径
太小的光纤绕圈直径会导致额外的宏弯曲损耗，这不仅会降低光纤激光器的效率，同时也会产生更多的热量。另一方面，光纤绕圈直径也不能过大，否则会降低泵浦吸收效率以及降低输出光束质量。因此为了有效的输出单模激光，合适的绕圈直径是非常重要的。
以下是几种常见的光纤绕圈方式：
1.金属芯棒光纤绕圈方式
如图2所示，增益光纤7通常从下至上绕在圆柱形金属芯棒8上。这种方式的优点是所有的绕圈光纤直径可以保值一致。
2.金属绕线盘光纤绕圈方式
如图3和图4所示，金属绕线盘分为光面绕线盘9(图3)和刻槽绕线盘10(图4)两种。刻槽绕线盘10上设置有绕线刻槽。通常的，增益光纤都是从外圈向内圈盘绕，绕圈直径逐渐递减。
3.金属绕线盘光纤绕圈方式和金属芯棒光纤绕圈方式同时使用
参见图5和图6。金属芯棒12采用垂直方式座放在绕线盘13，增益光纤14先由下至上绕在金属芯棒12上，然后由金属芯棒12的上端出来后，再由外向内盘绕在绕线盘13上，绕圈直径逐渐递减。当然绕线方式也可以反过来。
金属芯棒光纤绕圈方式最显而易见的优势就是绕圈直径一致，但是也有其自身的缺点：
1.其冷却效果是通过金属芯棒与底盘散热装置的接触达到的。为了获得好的热传导能力，一般会选用铜或者铝作为导热材料，并且芯棒会得做的足够厚。
2.金属芯棒的高度是由绕线光纤的长度决定。在高功率激光器中，绕30到40米的Yb增益光纤会导致金属芯棒高度过高而非常笨重。
金属绕线盘光纤绕圈方式的优点是光纤可以紧贴绕线盘水平放置，因此绕线盘通常都不会太过于厚重。为了减少光纤绕线损耗，20/400μm光纤的绕线最小绕线直径大概为80mm左右。但是问题在于，为了使光纤获得更好的冷却效果，通常会使用刻槽绕线盘让光纤紧贴槽面。这种设计会导致光纤盘尺寸过大。如图7所示，如果需要将30米的Yb光纤以最小80mm的绕圈直接绕在刻槽宽度为650um，槽壁厚度为1mm的光纤绕线盘上，整个金属盘的直径将会至少需要29.7cm。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有光纤绕圈方式给光纤激光器所带来的上述技术问题而提供一种高光电转换效率的光纤激光器。高光电转换效率的光纤激光器为了获取最佳的泵浦吸收效率并且同时保持单空间耦合模式输出，除了通过创新的光纤绕圈方式，也采用了双向976nm泵浦这种新型的泵浦结构。
本发明所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实现：
一种高光电转换效率的光纤激光器，包含双向泵浦单腔激光模块，所述双向泵浦单腔激光模块由若干正向泵浦光源、正向合束器、高反光栅、增益光纤、低反光栅、反向合束器、若干反向泵浦光源和输出接头组成，其中正向合束器、高反光栅、增益光纤、低反光栅、反向合束器和输出接头依次通过光路连接，每一正向泵浦光源与正向合束器之间通过光路连接，每一反向泵浦光源与反向合束器之间通过光路连接；其特征在于，所述增益光纤分三块区域盘绕在一绕线盘上，其中第一区域、第二区域、第三区域采用圆圈绕制，其中所述第二区域位于所述第一区域的外围，第三区域位于第二区域的外围。
在本发明的一个优选实施例中，所述绕线盘对应于所述增益光纤的三个区域也分为三个区域，所述绕线盘的第一区域、第三区域为刻槽区域，绕线盘的第二区域为光面区域，所述增益光纤的第一区域、第三区域的增益光纤盘绕在绕线盘的第一区域、第三区域的刻槽内。
在本发明的一个优选实施例中，所述正向泵浦光源和反向泵浦光源均采用976nm泵浦光源。
由于采用了如上的技术方案，本发明在改进增益光纤的绕线结构的同时其正向泵浦光源和反向泵浦光源均采用976nm泵浦光源，具有如下优点：
1.双向泵浦使光纤热负荷平衡，因此其工业应用也更加可靠。
2.使用976nm泵浦源可以为1070nm工业激光器提供最大化的量子效率。其电光转换效率可以高达39.3％，而一般的工业激光器的电光转换效率仅为35％。
3.双向976nm泵浦同是也极大的提高了反向非线性效应的阈值，例如受激拉曼散射还有受激布里渊散射。因此这种新型的设计在工业上可以提供大于2KW的单模激光输出。
4.增益光纤两端分别盘绕在绕线盘的刻槽区域，中间部分盘绕在绕线盘的光面区域。这种设计的考虑是，由于双向泵浦结构，增益光纤两端为热负载最大区域，将两端光纤盘绕在刻槽区域可以更有效的冷却光纤提高泵浦吸收效率。中间区域为光面，可以根据需要增加或减少增益光纤长度，这个比全刻槽绕盘更具灵活性。而且本创新绕线盘结合刻槽和光面绕线盘的优点，不仅可以有效冷却光纤，也由于中间光面区域的加入，使得绕线盘整体结构更加灵活以及紧凑。
附图说明
图1为现有单腔激光模块的结构示意图。
图2为增益光纤采用金属芯棒绕线的结构示意图。
图3为光面绕线盘的结构示意图。
图4为刻槽绕线盘的结构示意图。
图5为金属绕线盘光纤绕圈方式和金属芯棒光纤绕圈方式同时使用的俯视图。
图6为金属绕线盘光纤绕圈方式和金属芯棒光纤绕圈方式同时使用的侧视图。
图7为一种金属绕线盘光纤绕圈方式的示意图。
图8为本发明的高光电转换效率的光纤激光器的单腔激光模块结构示意图。
图9为本发明的高光电转换效率的光纤激光器的增益光纤的绕制示意图。
具体实施方式
参见图8，一种高光电转换效率的光纤激光器，包含双向泵浦单腔激光模块，该双向泵浦单腔激光模块由若干正向泵浦光源100、正向合束器200、高反光栅300、增益光纤400、低反光栅500、反向合束器600、若干反向泵浦光源900和输出接头800，其中正向合束器200、高反光栅300、增益光纤400、低反光栅500、反向合束器600和输出接头800依次通过光路连接，每一正向泵浦光源100与正向合束器200之间通过光路连接，每一反向泵浦光源900与增益光纤400分三块区域盘绕在一绕线盘700上，其中第一区域420、第二区域430、第三区域440采用圆圈绕制，其中第二区域430位于第一区域420的外围，第三区域440位于第二区域430的外围。
绕线盘700对应于增益光纤400的三个区域420、430、440也分为三个区域710、720、730，绕线盘700的第一区域710、第三区域730为刻槽区域，绕线盘700的第二区域720为光面区域，增益光纤400的第一区域420、第三区域440的增益光纤盘绕在绕线盘700的第一区域710、第三区域730的刻槽内，增益光纤400的第二区域430在绕线盘700的第二区域720的光面盘内。

Claims (1)

1.一种高光电转换效率的光纤激光器，包含双向泵浦单腔激光模块，所述双向泵浦单腔激光模块由若干正向泵浦光源、正向合束器、高反光栅、增益光纤、低反光栅、反向合束器、若干反向泵浦光源和输出接头组成，其中正向合束器、高反光栅、增益光纤、低反光栅、反向合束器和输出接头依次通过光路连接，每一正向泵浦光源与正向合束器之间通过光路连接，每一反向泵浦光源与反向合束器之间通过光路连接；其特征在于，所述增益光纤分三块区域盘绕在一绕线盘上，其中第一区域、第二区域、第三区域采用圆圈绕制，其中所述第二区域位于所述第一区域的外围，第三区域位于第二区域的外围，可以提供大于2KW的单模激光输出，所述绕线盘对应于所述增益光纤的三个区域也分为三个区域，所述绕线盘的第一区域、第三区域为刻槽区域，绕线盘的第二区域为光面区域，所述增益光纤的第一区域、第三区域的增益光纤盘绕在绕线盘的第一区域、第三区域的刻槽内，增益光纤的第二区域在绕线盘的第二区域的光面盘内，所述正向泵浦光源和反向泵浦光源均采用976nm泵浦光源，双向泵浦使光纤热负荷平衡。
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