CN107681424A - 一种监测输出功率的紧凑型高功率单模光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种监测输出功率的紧凑型高功率单模光纤激光器，包括用于散热的水冷板；若干个泵浦激光器，所述若干个泵浦激光器至少分为两行或两列倾斜排布在水冷板上，光纤输出端子及电源焊接端子不干涉排布；一个输出功率监测装置，根据输出功率监测装置的反馈电压得到单模光纤激光器的输出功率；与若干个泵浦激光器依次熔接的泵浦合束器、高反射率光纤光栅、增益光纤、低反射率光纤光栅、包层光剥离器和输出终端；与水冷板连接的供水器，供水器向水冷板提供冷却水，为水冷板上的器件降温。本发明解决了光纤盘内部光纤、水管和导线交叉排布的问题，将水管设置于外部，避免了水管漏水导致器件损坏的问题。

Description

一种监测输出功率的紧凑型高功率单模光纤激光器

技术领域

本发明属于高功率光纤激光技术，具体涉及一种监测输出功率的紧凑型高功率单模光纤激光器。

背景技术

高功率光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、阈值低、散热性能好、结构紧凑、可靠性高、工作寿命长、维护费用和功率消耗低、性价比高等优点，已广泛应用于科技、军事、医疗、工业加工和通信等领域。近年来，高功率光纤激光器的功率输出水平不断提高，在空间光通信、工业加工、激光焊接、印刷、打标、医疗以及军事等领域有着广泛的应用前景。在工业加工领域中，它可以作为高强度光源，用于切割、打孔、焊接等；在军事领域可用于车载、舰载激光武器，也可作为激光武器的信标光源，并且在光电对抗、激光制导和激光诱导核聚变等领域也有广泛应用。

高功率激光器主要由泵浦激光器、泵浦合束器、光纤光栅、增益光纤、包层光功率剥离器、输出端帽等组成。当光纤激光器的输出功率达到百瓦以上量级时（称为高功率光纤激光器），通常需要几十甚至上百个光纤耦合泵浦激光器。由于泵浦激光器数量巨大，其排布十分复杂。激光器的光纤输出端子，输出光纤及电源焊接端子极易发生干涉，在光纤激光器的制作过程，焊接电源导线容易损伤光纤输出端子及输出光纤。

高功率激光器中，增益光纤的盘绕方式不仅需要考虑光束质量的改善，提高激光器输出功率，同时需要考虑增益光纤熔接点的放置从而保护熔接点及降低熔接点温度，增益光纤熔接点若放置于弯道，极易导致熔接点应力甚至断裂。此外需要考虑增益光纤盘绕结构的外形尺寸使得激光器结构更加紧凑，而且高功率激光器中增益光纤必须保证不能交叉，否则会导致增益光纤烧毁。现有光纤盘绕方式包括圆柱型、锥形螺线管型、圆盘型、肾型、梅花型等形式，现有研究成果及发明专利主要针对光束质量的改善、输出功率的提高等因素。因此研究一种同时能改善光束质量、保护光纤熔接点、实现激光器小型化的高功率激光器增益光纤不交叉盘绕方式具有重要的现实意义。

监控激光器的输出功率是保障激光器工作安全的重要方法。传统的监控方式需要在激光器的输出端添加激光采样镜，采样激光和输出激光的功率成线性关系，但这需要添加额外的高功率光学元件，并增加了光纤激光器输出端口的尺寸。通过监测得到的激光器水流，水温、器件温度及输出功率数据能够判断激光器的工作状态，但监测所得数据的波动以及数据传输过程中引入的噪声容易引起激光器工作状态的误判，影响激光器的使用。

另一方面，在输出功率达到百瓦以上量级的激光器中，增益光纤及光纤器件构成的光纤模块会发出较大热量，其中，高功率光纤器件，如合束器，包层光剥除器等通常需要独立供水，这些器件的水接口若放置在光纤盘内部，会出现光纤、水管同时排布的现象。当水管漏水时，极易损毁激光器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种监测输出功率的紧凑型高功率单模光纤激光器，解决了光纤盘内部光纤、水管和导线交叉排布的问题，将水管设置于外部，避免了水管漏水导致器件损坏的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种监测输出功率的紧凑型高功率单模光纤激光器，包括，

用于散热的水冷板；

若干个泵浦激光器，所述若干个泵浦激光器至少分为两行或两列倾斜排布在水冷板上，光纤输出端子及电源焊接端子不干涉排布；

一个输出功率监测装置，根据输出功率监测装置的反馈电压得到单模光纤激光器的输出功率；

与若干个泵浦激光器依次熔接的泵浦合束器、高反射率光纤光栅、增益光纤、低反射率光纤光栅、包层光剥离器和输出终端；

与水冷板连接的供水器，供水器向水冷板提供冷却水，为水冷板上的器件降温。

一种监测输出功率的紧凑型高功率单模光纤激光器，还包括一个指示激光器6，所述指示激光器6与若干个泵浦激光器并列熔接在泵浦合束器上。

当若干个泵浦激光器分为n行或n列倾斜排布时，n≥2，第n-1行或第n-1列的泵浦激光器的光纤输出端子与第n行或第n列的泵浦激光器光纤输出端子同侧排布，第n-1行或第n-1列的泵浦激光器的光纤输出端子与第n行或第n列泵浦激光器的电源焊接端子异侧排列。

当一块水冷板无法排布若干个泵浦激光器、泵浦合束器、高反射率光纤光栅、增益光纤、低反射率光纤光栅、包层光剥离器和输出终端时，需要继续增加水冷板，相邻的两块水冷板之间通过螺纹固连，在单模光纤激光器的调试及维修过程中，相邻的两块水冷板之间通过铰链固定。

所述增益光纤采用八卦形不交叉盘绕结构，其中心为S形，两个自由端以S形为中心呈跑道状环绕布置，且跑道半径由内而外依次递增。

一种监测输出功率的紧凑型高功率单模光纤激光器，还包括光电二极管，所述光电二极管设置在包层光剥离器的封装输出端口。

所述泵浦合束器和包层光剥离器均设置在水冷板的边缘处，通过水管与水冷板连接。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）提高了光束质量。

（2）有效地降低了熔接点温度。

（3）整体结构更加紧凑。

（4）提高了装置的安全性。

附图说明

图1为本发明监测输出功率的紧凑型高功率单模光纤激光器实施例1的结构示意图，其中（a）为水冷板正面示意图，（b）为水冷板背面示意图，（c）为各器件连接示意图。

图2为本发明监测输出功率的紧凑型高功率单模光纤激光器实施例2的结构图，其中（a）为平铺状态示意图，（b）为90°折叠状态示意图。

图3为本发明监测输出功率的紧凑型高功率单模光纤激光器的增益光线盘绕结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

一种监测输出功率的紧凑型高功率单模光纤激光器，包括，

用于散热的水冷板3；

若干个泵浦激光器1，所述若干个泵浦激光器1至少分为两行或两列倾斜排布在水冷板3上，光纤输出端子及电源焊接端子不干涉排布；

一个输出功率监测装置2，根据输出功率监测装置2的反馈电压得到单模光纤激光器的输出功率；

与若干个泵浦激光器1依次熔接的泵浦合束器7、高反射率光纤光栅8、增益光纤9、低反射率光纤光栅10、包层光剥离器11和输出终端12；

与水冷板3连接的供水器，供水器向水冷板3提供冷却水，从而为水冷板3上的器件降温，特别是对散热量大的泵浦合束器7和包层光剥离器11降温。

所述的监测输出功率的紧凑型高功率单模光纤激光器，还包括一个指示激光器6，所述指示激光器6与若干个泵浦激光器1并列熔接在泵浦合束器7上。

当若干个泵浦激光器1分为n行或n列倾斜排布时，n≥2，第n-1行或第n-1列的泵浦激光器1的光纤输出端子与第n行或第n列的泵浦激光器1光纤输出端子同侧排布，第n-1行或第n-1列的泵浦激光器1的光纤输出端子与第n行或第n列泵浦激光器1的电源焊接端子异侧排列。在焊接泵浦激光器1电源焊接端子及盘绕泵浦激光器1输出光纤时，避免这两种端子之间的位置干涉损坏泵浦激光器1的现象。

当一块水冷板3无法排布若干个泵浦激光器1、泵浦合束器7、高反射率光纤光栅8、增益光纤9、低反射率光纤光栅10、包层光剥离器11和输出终端12时，需要继续增加水冷板3，相邻的两块水冷板3之间通过螺纹固连，在单模光纤激光器的调试及维修过程中，相邻的两块水冷板3之间通过铰链固定。

结合图3，为改善光束质量、实现激光器的小型化，增益光纤9采用八卦形不交叉盘绕结构，其中心为S形，两个自由端以S形为中心呈跑道状环绕布置，且跑道半径由内而外依次递增。

所述一种监测输出功率的紧凑型高功率单模光纤激光器，还包括光电二极管，所述光电二极管设置在包层光剥离器11的封装输出端口。在包层光剥离器的封装输出端口附近安装光电二极管，利用光电二极管探测到的功率信号监控激光器的输出功率。光电二极管与包层光剥离器的相对位置可调，调节二者之间的相对位置使得入射到二极管上的最大光功率在二极管的饱和功率值以下。标定激光器输出功率和二极管输出光电信号之间的比例关系，由二极管输出光光电信号反馈激光器的输出功率。求取输出电压的平均值，避免单个传感器信号的随机噪声造成激光器工作状态的误判。

所述泵浦合束器7和包层光剥离器11均设置在水冷板3的边缘处，通过水管与水冷板3连接。

实施例1

结合图1，泵浦激光器1个数为16个，分为四行相互平行倾斜排布，如图1所示，（a）为水冷板3背面，（b）为水冷板3正面。泵浦激光器1、泵浦合束器7设置在水冷板3的背面，输出终端12设置在侧面，指示激光器6、高反射率光纤光栅8、增益光纤9、低反射率光纤光栅10和包层光剥离器11设置在水冷板3正面，增益光纤9采用八卦形不交叉盘绕结构，图3中黑色加粗线段为熔接点位置，熔接点位于跑道的直道上。 依次将泵浦激光器1、泵浦合束器7、高反射率光纤光栅8、增益光纤9、低反射率光纤光栅10、包层光剥离器11和输出终端12熔接，输出功率监测装置2设置在包层光剥离器11的出口位置，如图1（c）所示，供水器通过水管与水冷板3连接。

第1行泵浦激光器1的光纤输出端子与第2行的泵浦激光器1光纤输出端子同侧排布，第1行的泵浦激光器1的光纤输出端子与第2行的泵浦激光器1的电源焊接端子异侧排列。第3行泵浦激光器1的光纤输出端子与第4行的泵浦激光器1光纤输出端子同侧排布，第3行的泵浦激光器1的光纤输出端子与第4行的泵浦激光器1的电源焊接端子异侧排列。

在焊接泵浦激光器1电源焊接端子及盘绕泵浦激光器1输出光纤时，避免这两种端子之间的位置干涉损坏泵浦激光器1的现象。

工作过程如下：

工作时，泵浦激光器1产生的泵浦光通过泵浦合束器7合并后与指示激光器6产生的指示光一起入射到高反射率光纤光栅8，然后进入到增益光纤9，在泵浦光的作用下，增益光纤9中发生受激辐射产生激光通过增益光纤9后传播至低反射率光纤光栅10上，高反射率光纤光栅8、增益光纤9、反射率光纤光栅10构成的谐振腔使激光振荡放大，然后从反射率光纤光栅10输出，输出的激光通过包层光剥离器11将剩余的泵浦光剥除掉，最后通过输出终端12输出。输出功率监测装置2安装在包层光剥离器11的输出端，通过检测剥离器输出端漏出的光功率从而得到激光器输出功率。在工作过程中供水器通过水管连接水冷板3为其提供冷水，对各器件进行降温。

实施例2

结合图2，泵浦激光器1个数为22个，排布在两块水冷板3上，第一块水冷板3上平行倾斜排布2行4列共8个，第二块水冷板3上排布4行，前2行3列后2行4列，均为平行倾斜排布。泵浦激光器1、泵浦合束器7设置在两块水冷板3的背面，输出功率监测装置2、包层光剥离器11设置在第一块水冷板的背面，指示激光器6、高反射率光纤光栅8、增益光纤9、低反射率光纤光栅10设置在第一块水冷板的正面，输出终端12设置在第一块水冷板的侧面。增益光纤9采用八卦形不交叉盘绕结构，图3中黑色加粗线段为熔接点位置，熔接点位于跑道的直道上。 依次将泵浦激光器1、泵浦合束器7、高反射率光纤光栅8、增益光纤9、低反射率光纤光栅10、包层光剥离器11和输出终端12熔接，输出功率监测装置2设置在包层光剥离器11的出口位置。供水器通过水管分别与两块水冷板3连接。在单模光纤激光器的调试及维修过程中，两块水冷板3之间通过铰链固定，使得调试维修过程中可以平铺和折叠。如图2（a）为平铺时示意图，图2(b)为折叠90°时示意图。调试完毕后，将两块水冷板3通过螺纹固连。

Claims (7)

1.一种监测输出功率的紧凑型高功率单模光纤激光器，其特征在于：包括，

用于散热的水冷板（3）；

若干个泵浦激光器（1），所述若干个泵浦激光器（1）至少分为两行或两列倾斜排布在水冷板（3）上，光纤输出端子及电源焊接端子不干涉排布；

一个输出功率监测装置（2），根据输出功率监测装置（2）的反馈电压得到单模光纤激光器的输出功率；

与若干个泵浦激光器（1）依次熔接的泵浦合束器（7）、高反射率光纤光栅（8）、增益光纤（9）、低反射率光纤光栅（10）、包层光剥离器（11）和输出终端（12）；

与水冷板（3）连接的供水器，供水器向水冷板（3）提供冷却水，为水冷板（3）上的器件降温。

2.根据权利要求1所述的监测输出功率的紧凑型高功率单模光纤激光器，其特征在于：还包括一个指示激光器6，所述指示激光器6与若干个泵浦激光器（1）并列熔接在泵浦合束器（7）上。

3.根据权利要求1所述的监测输出功率的紧凑型高功率单模光纤激光器，其特征在于：当若干个泵浦激光器（1）分为n行或n列倾斜排布时，n≥2，第n-1行或第n-1列的泵浦激光器（1）的光纤输出端子与第n行或第n列的泵浦激光器（1）光纤输出端子同侧排布，第n-1行或第n-1列的泵浦激光器（1）的光纤输出端子与第n行或第n列泵浦激光器（1）的电源焊接端子异侧排列。

4.根据权利要求1所述的监测输出功率的紧凑型高功率单模光纤激光器，其特征在于：当一块水冷板（3）无法排布若干个泵浦激光器（1）、泵浦合束器（7）、高反射率光纤光栅（8）、增益光纤（9）、低反射率光纤光栅（10）、包层光剥离器（11）和输出终端（12）时，需要继续增加水冷板（3），相邻的两块水冷板（3）之间通过螺纹固连，在单模光纤激光器的调试及维修过程中，相邻的两块水冷板（3）之间通过铰链固定。

5.根据权利要求1所述的监测输出功率的紧凑型高功率单模光纤激光器，其特征在于：所述增益光纤（9）采用八卦形不交叉盘绕结构，其中心为S形，两个自由端以S形为中心呈跑道状环绕布置，且跑道半径由内而外依次递增。

6.根据权利要求1所述的监测输出功率的紧凑型高功率单模光纤激光器，其特征在于：还包括光电二极管，所述光电二极管设置在包层光剥离器（11）的封装输出端口。

7.根据权利要求1所述的监测输出功率的紧凑型高功率单模光纤激光器，其特征在于：所述泵浦合束器（7）和包层光剥离器（11）均设置在水冷板（3）的边缘处，通过水管与水冷板（3）连接。