CN108879303B - 基于全反射和部分反射的双向光纤端帽的全光纤振荡器 - Google Patents
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Abstract
一种基于全反射和部分反射的双向光纤端帽的全光纤振荡器，包括全反射双向光纤端帽(21)、部分反射双向光纤端帽(22)、掺稀土粒子增益光纤(23)、信号传能光纤(26)、泵浦传能光纤(27)、光纤耦合半导体激光器(25)、泵浦信号合束器(24)；反射中心波长匹配的全反射光纤端帽(21)和部分反射光纤端帽(22)构成激光器谐振腔；光纤耦合半导体激光器(25)的泵浦光通过泵浦/信号合束器(24)的泵浦臂注入到激光器谐振腔中、被掺稀土离子增益光纤(23)吸收后产生上能级粒子翻转，满足全反射双向光纤端帽和部分反射双向光纤端帽中心波长的激光在谐振腔中起振，获得对应波段的激光输出。
Description
技术领域
本发明总体地涉及光纤激光领域，具体涉及一种全光纤的振荡器。
背景技术
高功率光纤激光器在激光切割、激光熔覆、3D打印等领域有着广泛的应用。光纤激光振荡器具有结构简单、稳定性好、使用方便等特性，是目前工业应用中使用较多的一类激光源。21世纪初，高功率光纤振荡器大多采用空间结构，利用空间的双色镜进行泵浦注入，利用空间的反射镜搭建谐振腔，由于空间机械结构稳定性较差，难以应用于实际工业生产中。随着光纤耦合半导体激光器、双包层增益光纤、双包层光纤光栅工艺成熟和功率的提升，基于光纤光栅作为谐振腔的全光纤振荡器得到了广泛的应用。随着应用领域的扩展，对激光输出功率要求不断提升，然而由于受到光纤光栅承受功率的限制，全光纤振荡器的输出功率提升遭遇了较大的技术瓶颈。目前一种提高激光器输出功率的方法就是采用主振荡功率放大结构的放大器。放大器结构复杂，在使用过程中，如果遭遇高反射金属，反射回光会影响激光功率稳定性，严重时会导致激光器烧毁。
发明内容
针对上述已有技术的不足，本发明提供了基于全反射和部分反射双向光纤端帽的全光纤振荡器，能够克服现有基于光纤光栅的全光纤激光振荡器功率提升的技术瓶颈，进一步提升全光纤激光振荡器的输出功率。
本发明的技术方案是：一种基于全反射和部分反射的双向光纤端帽的全光纤振荡器，它包括全反射双向光纤端帽、部分反射双向光纤端帽、掺稀土离子增益光纤、泵浦信号合束器、光纤耦合半导体激光器、信号传能光纤、泵浦传能光纤；所述信号传能光纤将全反射双向光纤端帽、泵浦信号合束器、掺稀土离子增益光纤和部分反射双向光纤端帽依次连接；所述泵浦信号合束器有单个或多个泵浦臂以及一个信号输入臂、一个信号输出臂；一组光纤耦合半导体激光器通过泵浦传能光纤连接至泵浦信号合束器的泵浦臂，以使光纤耦合半导体激光器发出的泵浦光通过泵浦臂耦合到泵浦信号合束器输出臂的光纤内包层中，最终实现泵浦光在泵浦信号合束器的中传输；所述全反射双向光纤端帽和部分反射双向光纤端帽均包括光纤和与光纤连接的石英块；所述石英块为连接端面尺寸相同的圆台、柱体和输出曲面体依次连接而成的一体结构；所述光纤的一个端面与石英块的圆台的较小端面熔接，形成界面；所述全反射双向光纤端帽和部分反射双向光纤端帽中石英块的输出曲面体的曲面以光纤的纤芯中心延长线与界面的交点为球心，以石英块中心线在圆台和柱体和输出曲面体内的长度之和为曲率半径，以保证曲面反射的光束能够有效进入光纤纤芯中；所述全反射双向光纤端帽的输出曲面体的曲面上镀有对激光波段的全反射膜；所述部分反射双向光纤端帽的输出曲面体的曲面上镀有对激光波段的半透射半反射膜；所述全反射双向光纤端帽和部分反射双向光纤端帽组成部件的尺寸相同，通过镀膜实现反射中心波长的匹配，以构成谐振腔。
进一步的，本发明的基于全反射和部分反射的双向光纤端帽的全光纤振荡器还包括后向泵浦信号合束器，所述后向泵浦信号合束器设置在掺稀土离子增益光纤和部分反射双向光纤端帽之间，通过信号传能光纤分别与掺稀土离子增益光纤和部分反射双向光纤端帽连接，后向泵浦信号合束器有一个或多个泵浦臂、一个信号输入臂、一个信号输出臂，另一组光纤耦合半导体激光器通过泵浦传能光纤连接至后向泵浦合束器的泵浦臂；泵浦信号合束器将与之连接的光纤耦合半导体激光器的功率注入掺稀土离子增益光纤中，后向泵浦信号合束器将与之连接的另一部分光纤耦合半导体激光器的功率注入掺稀土离子增益光纤中，实现双向泵浦方式提高注入至掺稀土离子增益光纤中的总泵浦功率，最终提高激光器的输出功率。
进一步的，上述掺稀土离子增益光纤用于产生激光增益，其横截面结构为双包层或三包层结构；其纤芯直径在10～1000微米，内包层直径在100～2000微米之间；外包层直径在250～3000微米之间。
进一步的，上述信号传能光纤为用于信号激光传输的非掺稀土离子光纤，其横截面结构为双包层或三包层结构；其纤芯直径在10-1000微米，内包层直径在100～2000微米之间；外包层直径在250～3000微米之间。
进一步的，上述泵浦传能光纤为用于泵浦光传输的非掺稀土离子光纤，其横截面结构为单包层结构；其纤芯直径在10～1000微米，包层直径在100～000微米之间。
进一步的，上述光纤耦合半导体激光器是激发掺稀土离子增益光纤产生上能级粒子的激励源，它包括与掺稀土离子增益光纤吸收峰匹配的各个波段的半导体激光器。
更进一步的，上述半导体激光器的波段为808纳米、915纳米、940纳米、976纳米、1550纳米中的一个或多个的组合。
进一步的，上述光纤是用于激光产生和传输的光纤，为掺稀土离子的增益光纤或不掺稀土离子的传能光纤；且光纤的横截面结构选自单包层、双包层和三包层结构的光纤横截面结构中的一种；光纤的纤芯直径在10～200微米范围内，当光纤的横截面结构为双包层结构时，纤芯直径在10～200微米范围内，内包层直径在100～1000微米之间；外包层直径在250～2000微米之间。
进一步的，上述石英块的圆台的较小端面尺寸是光纤最外包层的直径的2-5倍；所述光纤与石英块熔接的界面为光滑平面，该光滑平面与光纤、石英块的长度方向和激光传输方向垂直。
进一步的，上述石英块的柱体用于光纤端帽的机械加持和固定，其长度在10～100毫米之间，其直径在3～500毫米之间；所述柱体为圆柱体。
本发明利用镀有全反射膜的全反射双向光纤端帽替代传统全光纤振荡器的全反射光纤光栅，利用镀有部分反射膜的部分反射双向光纤端帽替代传统全光纤振荡器中的低反射光纤光栅可以达到以下技术效果：
1、能够克服光纤光栅承受功率较低的缺点，提高光纤振荡器的输出功率：传统全光纤激光器中使用的光纤光栅，其纤芯直径必须与增益光纤差别不大，激光反射面直径较小(一般为20～50微米)的纤芯中实现，其承受总功率较低；全反射双向光纤端帽和部分反射双向光纤端帽的激光反射面在端帽的大端，此处光束在光纤端帽的石英块传输过程中得到扩束，光束反射面直径(1～500毫米)远大于光纤光栅中光束反射直径(20～50微米)，可以承受更高的功率；利用双向光纤端帽，可以提高光纤振荡器的输出功率。
2、同时实现激光的扩束输出：利用具有激光输出和反射功能的双向光纤端帽作为激光输出和反馈器件，不仅能够替代传统全光纤振荡器中的光纤光栅实现光束反馈，还能够实现激光光束的扩束输出。
3、通过对部分反射双向光纤端帽输出端面镀不同反射率的膜层，可以实现不同输出功率和反射功率比例(0～100％)的激光输出和反射，能够适应不同激光波段对不同反馈的要求。
附图说明
从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：
图1是本发明实施例的基于全反射和部分反射双向光纤端帽的全光纤振荡器结构示意图；
图2是本发明实施例中使用的具有全反射功能的双向光纤端帽结构示意图；
图3是本发明实施例中使用的具有部分反射功能的双向光纤端帽结构示意图；
其中，图2和图3中，d1为光纤11纤芯的直径；R为输出曲面体14曲面镀膜的反射率；T为输出曲面体14曲面镀膜的透射率；LL是圆台18的长度；LR是柱体19的长度；LA为输出曲面体14的曲率半径。
图4是本发明实施例的基于全反射和部分反射双向光纤端帽的双端泵浦全光纤振荡器结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种基于全反射和部分反射双向光纤端帽的全光纤振荡器，其结构如图1所示，包括全反射双向光纤端帽21、部分反射双向光纤端帽22、掺稀土离子增益光纤23、泵浦信号合束器24、光纤耦合半导体激光器25、信号传能光纤26、泵浦传能光纤27；所述信号传能光纤26将全反射双向光纤端帽21、泵浦信号合束器24、掺稀土离子增益光纤23和部分反射双向光纤端帽22依次连接；所述泵浦信号合束器24有单个或多个泵浦臂以及一个信号输入臂、一个信号输出臂；一组光纤耦合半导体激光器25通过泵浦传能光纤27连接至泵浦信号合束器24的泵浦臂，以使光纤耦合半导体激光器25发出的泵浦光通过泵浦臂耦合到泵浦信号合束器24输出臂的光纤包层中；掺稀土离子增益光纤23为激光器提供产生激光的增益介质，光纤耦合半导体激光器25为激光器提供泵浦源，信号传能光纤26分别与增益光纤23、合束器24和光纤端帽21和22连接，用于信号激光的传输；所述全反射双向光纤端帽21和部分反射双向光纤端帽22组成部件的尺寸相同，镀膜保证中心高反射和低反射的光纤端帽对激光反射的中心波长匹配，因此，通过镀膜形成匹配的反射中心波长，以构成谐振腔。
其中，实施例中使用的具有全反射功能的双向光纤端帽21，结构示意图如图2所示，包括光纤11、特殊设计的石英块12：石英块12为连接端面尺寸相同的圆台18、柱体19和输出曲面体14依次连接而成的一体结构；所述光纤11的一个端面与石英块12的圆台18的较小端面熔接，形成界面13；所述光纤11的纤芯中心线延长线为石英块12的圆台18和柱体19和输出曲面体14中心线；石英块12的输出曲面体14的曲面以光纤11的纤芯中心延长线与界面13的交点为球心，以石英块12中心线在圆台18和柱体19和输出曲面体14内的长度之和为曲率半径，以保证输出曲面体14反射的光束能够有效进入光纤纤芯中；所述光纤11可以是双包层光纤，由纤芯15、内包层16、外包层17组成，也可以是单包层光纤，由纤芯15、包层17组成；光纤输出端面与石英块12的输入端面熔接后成为一个界面13；激光从光纤纤芯15传输到界面13后，进入石英块12中；激光先后经过石英块的椎体18、柱体19自然扩束后，到达输出曲面体14；输出曲面体14的镀有对激光波段的全反射膜，将激光全部反馈回石英块12，并原路返回到光纤11的纤芯15中，在此过程中激光全部反馈到光纤中，没有激光输出。
实施例中使用的部分反射功能的双向光纤端帽22，结构示意图如图3所示，包括光纤11、特殊设计的石英块12：石英块12为连接端面尺寸相同的圆台18、柱体19和输出曲面体14依次连接而成的一体结构；所述光纤11的一个端面与石英块12的圆台18的较小端面熔接，形成界面13；所述光纤11的纤芯中心线延长线为石英块12的圆台18和柱体19和输出曲面体14中心线；石英块12的输出曲面体14的曲面以光纤11的纤芯中心延长线与界面13的交点为球心，以石英块12中心线在圆台18和柱体19和输出曲面体14内的长度之和为曲率半径，以保证输出曲面体14反射的光束能够有效进入光纤纤芯中；所述光纤11可以是双包层光纤，由纤芯15、内包层16、外包层17组成，也可以是单包层光纤，由纤芯15、包层17组成。光纤输出端面与石英块输入端面熔接后成为一个界面13；激光从光纤纤芯15传输到界面13后，进入石英块12中；激光先后经过石英块的椎体18、柱体19自然扩束后，到达输出曲面体14。输出曲面体14为特殊设计的曲面、并且镀有对激光波段的半透半反射膜，在对扩束后的激光进行准直输出的同时，能实现激光的反射，将激光反馈回石英块12，并原路返回到光纤11的纤芯15中；通过对石英块12的输出曲面体14镀半透半反射的膜，实现比例为90％:10％的输出功率和反馈功率分配。
所述全反射双向光纤端帽21的界面13反射的信号光进入泵浦信号合束器24的信号输入臂，经过掺稀土离子增益光纤23放大后，部分光被部分反射双向光纤端帽22的界面13反射、部分光由部分反射双向光纤端帽22输出；所述部分反射双向光纤端帽22的界面13反射的信号光进入信号传能光纤26中，经过掺稀土离子增益光纤23放大后，被全反射双向光纤端帽21的界面13反射；全反射双向光纤端帽21的界面13反射的光和部分反射双向光纤端帽22端面反射的光在谐振腔内起振，形成稳定的激光输出。
全反射功能的双向光纤端帽21与部分反射功能的双向光纤端帽22的关键区别在于镀膜不同：全反射功能的双向光纤端帽21的输出曲面体14上镀高反膜，反射率100％，无透射光；部分反射功能的双向光纤端帽22在本实施例中为半透半反射度半透半反射膜，即部分反射功能的双向光纤端帽22的输出曲面体14上镀反射:透射＝1:1的膜，50％反射，50％透射。当然也可以根据需要镀其他反射率:透射比例的膜，实现不同反射/透射的比例
实施例2
一种基于本发明提供的基于全反射和部分反射双向光纤端帽的双端泵浦全光纤振荡器，其结构如图4所示，除具有实施例1的基于全反射和部分反射双向光纤端帽的全光纤振荡器的结构组成外，还包括后向泵浦信号合束器28，所述后向泵浦信号合束器28设置在掺稀土离子增益光纤23和部分反射双向光纤端帽22之间，通过传能光纤26分别与掺稀土离子增益光纤23和部分反射双向光纤端帽22连接，后向泵浦信号合束器28有一个或多个泵浦臂、一个信号输入臂、一个信号输出臂；另一组光纤耦合半导体激光器25连接至后向泵浦信号合束器28的泵浦臂；泵浦信号合束器24将与之连接的光纤耦合半导体激光器25的功率注入掺稀土离子增益光纤23中，后向泵浦信号合束器28将与之连接的另一部分光纤耦合半导体激光器25的功率注入掺稀土离子增益光纤23中，实现双向泵浦方式提高注入至掺稀土离子增益光纤23中的总泵浦功率，最终提高激光器的输出功率。
其中使用的全反射功能的双向光纤端帽和部分反射功能的双向光纤端帽结构均与实施例1相同。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于全反射和部分反射的双向光纤端帽的全光纤振荡器，其特征在于，它包括全反射双向光纤端帽(21)、部分反射双向光纤端帽(22)、掺稀土离子增益光纤(23)、泵浦信号合束器(24)、光纤耦合半导体激光器(25)、信号传能光纤(26)、泵浦传能光纤(27)；
所述信号传能光纤(26)将全反射双向光纤端帽(21)、泵浦信号合束器(24)、掺稀土离子增益光纤(23)和部分反射双向光纤端帽(22)依次连接；
所述泵浦信号合束器(24)有一个或多个泵浦臂、一个信号输入臂、一个信号输出臂；一组光纤耦合半导体激光器(25)通过泵浦传能光纤(27)连接至泵浦信号合束器(24)的泵浦臂；
所述全反射双向光纤端帽(21)和部分反射双向光纤端帽(22)均包括光纤(11)和与光纤(11)连接的石英块(12)；所述石英块(12)为连接端面尺寸相同的圆台(18)、柱体(19)和输出曲面体(14)依次连接而成的一体结构；所述光纤(11)的一个端面与石英块(12)的圆台(18)的较小端面熔接，形成界面(13)；所述光纤(11)的纤芯中心线延长线为石英块(12)的圆台(18)和柱体(19)和输出曲面体(14)中心线；石英块(12)的输出曲面体(14)的表面以光纤(11)的纤芯中心延长线与界面(13)的交点为球心，以石英块(12)中心线在圆台(18)和柱体(19)和输出曲面体(14)内的长度之和为曲率半径的球冠；
所述全反射双向光纤端帽(21)的输出曲面体(14)的曲面上有对激光波段的全反射膜；所述部分反射双向光纤端帽(22)的输出曲面体(14)的曲面上有对激光波段的半透射半反射膜；
所述全反射双向光纤端帽(21)和部分反射双向光纤端帽(22)组成部件的尺寸相同，双向光纤端帽(21)的输出曲面体(14)的曲面上的全反射膜和部分反射双向光纤端帽(22)的输出曲面体(14)的曲面上的半透射半反射膜对激光的反射中心波长匹配，以构成激光器反馈谐振腔。
2.根据权利要求1所述的基于全反射和部分反射的双向光纤端帽的全光纤振荡器，其特征在于，还包括后向泵浦信号合束器(28)，所述后向泵浦信号合束器(28)设置在掺稀土离子增益光纤(23)和部分反射双向光纤端帽(22)之间，通过传能光纤(26)分别与掺稀土离子增益光纤(23)和部分反射双向光纤端帽(22)连接，后向泵浦信号合束器(28)有一个或多个泵浦臂、一个信号输入臂、一个信号输出臂；另一组光纤耦合半导体激光器(15)通过泵浦传能光纤(27)连接至后向泵浦信号合束器(28)的泵浦臂；
泵浦信号合束器(24)将与之连接的光纤耦合半导体激光器(25)的功率注入掺稀土离子增益光纤(23)中，后向泵浦信号合束器(28)将与之连接的另一部分光纤耦合半导体激光器(25)的功率注入掺稀土离子增益光纤(23)中。
3.根据权利要求1或2所述的基于全反射和部分反射的双向光纤端帽的全光纤振荡器，其特征在于，所述掺稀土离子增益光纤(23)用于产生激光增益，其横截面结构为双包层或三包层结构；其纤芯直径在10～1000微米，内包层直径在100～2000微米之间；外包层直径在250～3000微米之间。
4.根据权利要求1或2所述的基于全反射和部分反射的双向光纤端帽的全光纤振荡器，其特征在于，所述传能光纤(26)为用于激光传输的非掺稀土离子光纤，其横截面结构为双包层或三包层结构；其纤芯直径在10～1000微米，内包层直径在100～2000微米之间；外包层直径在250～3000微米之间。
5.根据权利要求1或2所述的基于全反射和部分反射的双向光纤端帽的全光纤振荡器，其特征在于，所述光纤耦合半导体激光器(25)是激发掺稀土离子增益光纤(23)产生上能级粒子的激励源，它包括与掺稀土离子增益光纤(23)吸收峰匹配的各个波段的半导体激光器。
6.根据权利要求1或2所述的基于全反射和部分反射的双向光纤端帽的全光纤振荡器，其特征在于，所述半导体激光器(25)的波段为808纳米、915纳米、976纳米、1550纳米中的一个或多个的组合。
7.根据权利要求1或2所述的基于全反射和部分反射的双向光纤端帽的全光纤振荡器，其特征在于，所述光纤(11)是用于激光产生和传输的光纤，为掺稀土离子的增益光纤或不掺稀土离子的传能光纤；且光纤(11)的横截面结构选自单包层、双包层和三包层结构的光纤横截面结构中的一种；光纤(11)的纤芯直径在10～200微米范围内，当光纤(11)的横截面结构为双包层结构时，内包层直径在100～1000微米之间；外包层直径在250～2000微米之间。
8.根据权利要求1或2所述的基于全反射和部分反射的双向光纤端帽的全光纤振荡器，其特征在于，所述石英块(12)的圆台(18)的较小端面尺寸是光纤(11)最外包层的直径的2-5倍；所述光纤(11)与石英块(12)熔接的界面(13)为光滑平面，该光滑平面与光纤(11)、石英块(12)的长度方向和激光传输方向垂直。
9.根据权利要求1或2所述的基于全反射和部分反射的双向光纤端帽的全光纤振荡器，其特征在于，所述石英块(12)的柱体(19)用于光纤端帽的机械夹持和固定，其长度在10～100毫米之间，其直径在3～500毫米之间；所述柱体(19)为圆柱体。
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