CN107589549B - 一种光纤激光合成器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤激光合成器，包括激光合成单元、多个激光入射单元、和用于搭载所述激光合成单元与激光入射单元的搭载装置；单个激光入射单元用于提供一束入射激光；所述激光入射单元的角度可旋转；所述激光合成单元用于将多束入射激光合成为一束输出；所述激光合成单元包括多片堆叠设置的体布拉格光栅，且体布拉格光栅的数量等于激光入射单元的数量；每片体布拉格光栅用于使一束入射激光衍射，经衍射的入射激光垂直于体布拉格光栅表面输出。本发明所述光纤激光合成器不仅具有高效衍射效率，避免了入射激光的功率损失,而且还可以用于不同波长的入射激光的合成。

Description

一种光纤激光合成器

技术领域

本发明涉及功率合成器件领域，特别涉及一种光纤激光合成器。

背景技术

光纤激光器以稀土离子作为增益介质，以独特波导结构作为光传输通道，具有光束质量好、转换效率高、热管理方便、结构紧凑及免维护等诸多优势，在工业、国防、科研、医疗等多个领域有广泛的应用前景。在诸多应用场景，不仅要求激光器具有高平均功率，更要求激光输出具有好的光束质量。然而，受增益介质热损伤和非线性效应等因素的制约，通常单台单模光纤激光器的输出功率受限，采用一定方式将多台光纤激光器的输出进行光束合成，是现阶段实现更高功率激光输出的必然选择。

近年来，国内外多家研究机构对光纤激光合成技术进行了大量研究，大多仍处于实验室阶段。现有的光纤激光合成器多数采用体布拉格光栅作为激光合成器件，体布拉格光栅的衍射效率随着入射激光的波长或角度变化而变化，例如对于某种波长的入射激光，该入射激光的入射角必须为特定的角度，才能被体布拉格光栅高效衍射，所以用体布拉格光栅作为激光合成器件，激光合成的效率很高。但是现有的利用体布拉格光栅制成的激光合成器，大多只能满足固定波长的入射激光的合成，所以当用户对激光波长有不同需求时，现有的这种激光合成器难以满足用户所需以合成不同波长的激光。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤激光合成器，所述光纤激光合成器利用体布拉格光栅作为激光合成器件，且所述激光合成器能用于不同波长的入射激光的合成。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种光纤激光合成器，包括激光合成单元、多个激光入射单元、和用于搭载所述激光合成单元与激光入射单元的搭载装置；

单个激光入射单元用于提供一束入射激光；对于多次激光合成，单个激光入射单元可提供多种波长的入射激光；所述激光入射单元的角度可旋转；

所述激光合成单元用于将多束入射激光合成为一束输出；所述激光合成单元包括多片堆叠设置的体布拉格光栅，且体布拉格光栅的数量等于激光入射单元的数量；每片体布拉格光栅用于使一束入射激光衍射，经衍射的入射激光垂直于体布拉格光栅表面输出。

上述技术方案中，多束入射激光同时输出第一种波长的入射激光，多束入射激光同时照射至多片体布拉格光栅上，每片体布拉格光栅中栅平面的角度不同。对于第一片体布拉格光栅，多束不同来向的入射激光中，只有一束特定角度的入射激光可被第一片体布拉格光栅衍射，经过衍射的入射激光垂直于体布拉格光栅表面输出。其他角度的入射激光穿过所述体布拉格光栅，且各自的入射角度不改变，其他入射激光分别被第二、第三...第n片体布拉格光栅所衍射，且输出垂直于体布拉格光栅的衍射激光。多束垂直于体布拉格光栅的衍射激光合成为功率更大的激光。

上述技术方案中，多个激光入射单元同时输出第二种波长的入射激光，并手动调整每个激光入射单元的角度，则入射激光与多片光栅之间的入射角度变化，以满足体布拉格光栅灵敏的波长和入射角度选择性。由于入射角度的变化，多束入射激光的相交点已经向前或向后偏离体布拉格光栅，多束入射激光不能同时照射在多片体布拉格光栅上，此时可通过移动激光合成单元，以使得多束入射激光同时照射在多片体布拉格光栅上，实现第二种波长的入射激光的合成。

优选的，所述搭载装置包括多根相互平行的支撑杆；每个激光入射单元包括光纤激光器和准直器；所述激光合成单元还包括多块用于夹持所述体布拉格光栅的重叠设置的夹具板；

每个激光入射单元通过一个固定平台固定于所述搭载装置的同一端，每个激光入射单元与固定平台铰接，每个激光入射单元绕铰接点只能在一个固定的平面内旋转；每片体布拉格光栅设置于每块夹具板的中心，每块夹具板上设置有供所述支撑杆穿过的导向孔，所述激光合成单元可沿所述支撑杆的轴向滑动，滑动期间，所述激光合成单元靠近或远离所述多个激光入射单元。

进一步地，所述多根支撑杆穿过至少一个用于稳固支撑杆的基座，或者所述多根支撑杆之间设置有用于稳固支撑杆的腹杆。通过基座或者腹杆的设置，使多根支撑杆之间连接成整体，减小支撑杆之间的或支撑杆整体的偏移和形变，进而保证了入射激光入射角度的稳定。

进一步地，所述多块重叠设置的夹具板之间相互连接形成整体，可在搭载装置上同步移动。通过将所述多块重叠设置的夹具板连接成整体，方便同步移动夹具板，并且使夹具板之间的距离恒定，增强了所述光纤激光合成器的鲁棒性。

进一步地，每根支撑杆上设置有螺纹，并且每根支撑杆上套设有螺母，所述螺母设置于夹具板的一侧或两侧，旋动所述螺母用于移动夹具板。通过螺纹与螺母的设置，方便夹具板在支撑杆上的移动，并且通过旋动所述螺母移动夹具板，能更精确地控制夹具板的移动距离。

进一步地，所述夹具板上设置有水平仪，和用于固定所述夹具板的锁紧装置。当所述支撑杆竖立设置时，水平仪用于辅助判断夹具板的水平状态，进一步确保入射激光与体布拉格光栅之间的入射角度。

优选的，所述多片体布拉格光栅均为透射式体布拉格光栅，或均为反射式体布拉格光栅。对于透射式体布拉格光栅，合成激光的输出方向与入射激光同向；对于反射式体布拉格光栅，合成激光的输出方向与入射激光反向。

优选的，所述多片体布拉格光栅为一块多阶复用的体布拉格光栅。通过选用所述多阶复用的体布拉格光栅，即将多片体布拉格光栅写入一块材料中，提高了激光合成单元的集成性，增强了所述光纤激光合成器的鲁棒性。

与现有技术相比，本发明所述光纤激光合成器不仅利用体布拉格光栅作为激光合成器件，确保了各束入射激光的高效衍射效率，避免了入射激光的功率损失。同时本发明所述光纤激光合成器还可以用于不同波长的入射激光的合成，进而解决了背景技术中所提出的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简要介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关附图。

图1所示为本发明所述光纤激光合成器的结构示意图。

图2所示为本发明所述光纤激光合成器的俯视图。

图3所示为本发明所述光纤激光合成器的原理图。

图4所示为本发明所述刻度的标记示意图。

图中标号说明：

10-激光入射单元；11-光纤激光器；12-准直器；13-固定平台；20-激光合成单元；21-体布拉格光栅；22-夹具板；23-水平仪；24-锁紧装置；31-支撑杆；32-基座；33-螺帽；34-刻度。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例1：

请参阅图1至图3，本实施例提供了一种光纤激光合成器。所述光纤激光合成器包括多个激光入射单元10、一个激光合成单元20和用于搭载所述激光入射单元10和激光合成单元20的搭载装置。

单个激光入射单元10用于提供一束入射激光；对于多次激光合成，单个激光入射单元10可提供多种波长的入射激光；对于一次激光合成，多个激光入射单元10提供不同种波长的多束入射激光，或者多个激光入射单元10提供同一种波长的多束入射激光；所述激光入射单元10的角度可旋转。所述激光合成单元20用于将多束入射激光合成为一束输出；所述激光合成单元20包括多片堆叠设置的体布拉格光栅21，且体布拉格光栅21的数量等于激光入射单元的数量10。

所述多个激光入射单元10设置于搭载装置的一端，由于每个激光入射单元10的角度均可旋转，所以使得每束入射激光的角度可调整。所述激光合成单元20设置于搭载装置上，并可沿靠近或远离多个激光入射单元10的方向移动。多束入射激光同时照射至多片体布拉格光栅21上，每片体布拉格光栅21使其中一束入射激光发生高效衍射，衍射后的激光垂直于体布拉格光栅21表面输出，多束垂直于体布拉格光栅21输出的衍射激光共同合成为一束高功率激光。

如图3所示，使用时多束入射激光同时输出第一种波长的入射激光，多束入射激光同时照射至多片体布拉格光栅21上，每片体布拉格光栅21中栅平面的角度不同。对于第一片体布拉格光栅21，多束不同来向的入射激光中，只有一束特定角度的入射激光可被第一片体布拉格光栅21衍射，经过衍射的入射激光垂直于体布拉格光栅21表面输出。其他角度的入射激光穿过所述体布拉格光栅21，且各自的入射角度不改变，其他入射激光分别被第二、第三...第n片体布拉格光栅21所衍射，且输出垂直于体布拉格光栅21的衍射激光。多束垂直于体布拉格光栅21的衍射激光合成为功率更大的一束激光。

如图3所示，使用时多个激光入射单元10同时输出第二种波长的入射激光，并手动调整每个激光入射单元10的角度，则入射激光与多片光栅之间的入射角度随之变化，以满足体布拉格光栅21敏感的波长和入射角度选择性。由于入射角度的变化，多束入射激光的相交点已经向前或向后偏离体布拉格光栅21，多束入射激光不能同时照射在多片体布拉格光栅21上，此时可通过移动激光合成单元20，以使得多束入射激光同时照射在多片体布拉格光栅21上，实现第二种波长的入射激光的合成。

以此类推，本实施例中所述光纤激光合成器可实现第三种、第四种...第n种波长的入射激光的合成。

在本实施例中，所述多片体布拉格光栅21可均选用反射式体布拉格光栅，最终合成激光的输出方向与入射激光反向。但不局限于此，所述多片体布拉格光栅21还可均选用透射式体布拉格光栅，最终合成激光的输出方向与入射激光同向。

在本实施例中，所述多片堆叠设置的体布拉格光栅21可替换为一片多阶复用的体布拉格光栅，即将多片体布拉格光栅21写入一块材料中，提高了激光合成单元20的集成性，增强了所述光纤激光合成器的鲁棒性。

实施例2：

请参阅图1至图3，本实施例提供了一种光纤激光合成器，所述光纤激光合成器包括实施例1中所述的所有技术特征。

此外在本实施例中，所述搭载装置包括多根相互平行的圆柱形支撑杆31；多根支撑杆31呈矩形分布。所述每个激光入射单元10包括光纤激光器11和准直器12，所述光纤激光合成器与准直器12插拔连接，通过插拔更换光纤激光器11的型号，使所述激光入射单元10可输出不同波长的入射激光。所述每个激光入射单元10通过一个固定平台13固定安装在所述搭载装置的同一端，激光入射单元10与固定平台13之间通过铰链连接，每个激光入射单元10绕铰接点只能在一个固定的平面内旋转。所述激光合成单元20还包括多块用于夹持所述体布拉格光栅21的重叠设置的夹具板22，所述夹具板22呈矩形，每片体布拉格光栅21设置于夹具板22的中心。所述夹具板22上设置有供所述支撑杆31穿过的导向孔，所述支撑杆31与导向孔间隙配合，所述激光合成单元20可沿所述支撑杆31的轴向滑动，以调整激光合成单元20与多个激光入射单元10之间的距离。

为了方便同步移动夹具板22，并且使夹具板22之间的距离恒定，增强了所述光纤激光合成器的鲁棒性。在本实施例中，所述夹具板22之间可相互固定连接，形成一个整体。连接方式可选用螺钉螺栓等机械连接，或者采用粘贴连接。

考虑到体布拉格光栅21对入射激光的波长和角度具有很灵敏的选择性，所以在本实施例中，为了保证入射激光角度的稳定性，所述多根支撑杆31之间设置有腹杆，用于将多根支撑杆31连接成整体，减小支撑杆31之间的或支撑杆31整体的偏移和形变，保证入射角度不发生偏斜。但不局限于此，通过将所述多根支撑杆31穿过至少一个用于稳固支撑杆31的基座32，也可以达到减小支撑杆31偏移形变的目的。

为了方便所述激光合成单元20在支撑杆31上的移动，能更精确地控制夹具板22的移动距离，在本实施例中，所述支撑杆31上设置有螺纹，并且套设有螺帽33。所述螺帽33设置于夹具板22的一侧或者两侧。当需要移动激光合成单元20时，可通过同时旋动每根支撑杆31上的螺帽33，螺帽33前进推动激光合成单元20移动。

当所述光纤激光合成器需要竖直方向的合成激光时，此时多根支撑杆31呈竖立状态，夹具板22呈水平状态。为进一步确保入射激光角度的稳定性，所述夹具板22需呈严格的水平状态。所以在本实施例中，所述夹具板22上可设置水平仪23，用于辅助判断夹具板22的水平状态，若夹具板22不水平，可通过旋动支撑杆31上的螺帽33进行调节。同时所述夹具板22上还设置有用于固定所述夹具板22的锁紧装置24。所述水平仪23与锁紧装置24为现有成熟技术，所以本实施例不再详细说明。

为了更方便控制激光合成单元20的移动距离，使激光合成单元20迅速定位，在本实施例中，所述支撑杆31上还可以设置刻度34。如图4所示，所述刻度34用于指示入射激光与体布拉格光栅21之间的入射角度。使用时，通过入射激光的波长，计算出相匹配的入射角度，再根据所述计算结果将夹具板22移至刻度34的相应位置，此时旋转激光入射单元10，使多束入射激光可同时照射至多片体布拉格光栅21上即可。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员，在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种光纤激光合成器，其特征在于，包括激光合成单元、多个激光入射单元、和用于搭载所述激光合成单元与激光入射单元的搭载装置；单个激光入射单元用于提供一束入射激光；对于多次激光合成，单个激光入射单元可提供多种波长的入射激光；所述激光入射单元的角度可旋转；所述激光合成单元用于将多束入射激光合成为一束输出；所述激光合成单元包括多片堆叠设置的体布拉格光栅，且体布拉格光栅的数量等于激光入射单元的数量；每片体布拉格光栅用于使一束入射激光衍射，经衍射的入射激光垂直于体布拉格光栅表面输出；

所述搭载装置包括多根相互平行的支撑杆；每个激光入射单元包括光纤激光器和准直器；所述激光合成单元还包括多块用于夹持所述体布拉格光栅的重叠设置的夹具板；每个激光入射单元通过一个固定平台固定于所述搭载装置的同一端，每个激光入射单元与固定平台铰接，每个激光入射单元绕铰接点只能在一个固定的平面内旋转；每片体布拉格光栅设置于每块夹具板的中心，每块夹具板上设置有供所述支撑杆穿过的导向孔，所述激光合成单元可沿所述支撑杆的轴向滑动，滑动期间，所述激光合成单元靠近或远离所述多个激光入射单元；

所述多根支撑杆穿过至少一个用于稳固支撑杆的基座，或者所述多根支撑杆之间设置有用于稳固支撑杆的腹杆；

所述多块重叠设置的夹具板之间相互连接形成整体，可在搭载装置上同步移动；

每根支撑杆上设置有螺纹，并且每根支撑杆上套设有螺母，所述螺母设置于夹具板的一侧或两侧，旋动所述螺母用于移动夹具板。

2.根据权利要求1所述光纤激光合成器，其特征在于，所述夹具板上设置有水平仪，和用于固定所述夹具板的锁紧装置。

3.根据权利要求1所述光纤激光合成器，其特征在于，所述支撑杆上设置有刻度，所述刻度用于指示入射激光与体布拉格光栅之间的入射角度。

4.根据权利要求1所述光纤激光合成器，其特征在于，所述多片体布拉格光栅均为透射式体布拉格光栅，或均为反射式体布拉格光栅。

5.根据权利要求1所述光纤激光合成器，其特征在于，所述多片体布拉格光栅为一块多阶复用的体布拉格光栅。