CN110518449B - 一种提高sesam全光纤锁模激光振荡器可靠性的封装结构 - Google Patents

一种提高sesam全光纤锁模激光振荡器可靠性的封装结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高SESAM全光纤锁模激光振荡器可靠性的封装结构，属于激光技术领域，包括SESAM封装结构和全光纤锁模激光振荡器结构，其中SESAM封装结构包括光纤跳线，光纤跳线包括偏振保持光纤和螺柱式插芯，螺柱式插芯上卡接有半导体可饱和吸收镜，螺柱式插芯的外侧螺纹连接有转换套筒，转换套筒上插接有陶瓷插芯，全光纤锁模激光振荡器结构包括激光振荡器本体，激光振荡器本体内设有单模泵浦激光源和与SESAM封装结构相连的波分复用器，波分复用器的输出端依次设有单模掺镱增益光纤、宽带啁啾光纤光栅和偏振相关隔离器，可以实现防止半导体可饱和吸收镜表面污染，方便半导体可饱和吸收镜损坏后的维修和损坏时的更换，提高维护效率。

Description

一种提高SESAM全光纤锁模激光振荡器可靠性的封装结构
技术领域
本发明涉及激光技术领域，更具体地说，涉及一种提高SESAM全光纤锁模激光振荡器可靠性的封装结构。
背景技术
光纤激光以优异的光束质量、良好的导热性、高平均功率输出等特性在超快激光技术发展中迅速崛起。作为一种重要的激光技术，超快光纤激光可用于多种研究与应用领域。在工业、航空航天及国防领域，超快光纤激光制造技术以其能耗低、效率高、数字化及智能化等特点在精密机械加工、增材制造、智能装备制造等领域具有重大应用价值。超快光纤激光源的多领域应用对其自身输出激光性能提出了更高要求。目前制约超快光纤激光源规模化应用的主要因素是低的可靠性与寿命。作为超快光纤激光放大器的核心构成模块，超短脉冲锁模光纤激光振荡器的稳定与可靠性，对于整个光纤激光系统的高性能运作，具有重要意义。由于超快的时间响应特性与锁模自启动特性，半导体可饱和吸收镜全保偏光纤锁模技术被广泛用于工业级高性能锁模激光振荡器的研发。
SESAM是半导体可饱和吸收镜的简称，半导体可饱和吸收镜的基本结构就是把反射镜与半导体可饱和吸收体结合在一起。底层一般为半导体反射镜，其上生长一层半导体可饱和吸收体薄膜，最上层可能生长一层反射镜或直接利用半导体与空气的界面作为反射镜，这样上下两个反射镜就形成了一个法布里-珀罗腔，通过改变吸收体的厚度以及两反射镜的反射率，可以调节吸收体的调制深度和反射镜的带宽。
然而，由于半导体可饱和吸收镜强的线性吸收与光纤端面杂质缺陷，加之半导体可饱和吸收镜与单模光纤在固化过程中易受到胶污染，使半导体可饱和吸收镜抗损伤阈值降低，导致其极易受到损坏。目前紫外固化技术将半导体可饱和吸收镜固化带到光纤端面，然而，由于半导体可饱和吸收镜与光纤端面紧密的固化，在对半导体可饱和吸收镜进行坏点位置更换时，相对困难，多数情况下需要更换新的半导体可饱和吸收镜，原有半导体可饱和吸收镜在拆卸过程中已损坏，使得其维修效率低下，且增加了成本。
发明内容
1.要解决的技术问题
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种提高SESAM全光纤锁模激光振荡器可靠性的封装结构，它可以实现防止半导体可饱和吸收镜表面污染，方便半导体可饱和吸收镜损坏后的维修和损坏时的更换，提高维护效率。
2.技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种提高SESAM全光纤锁模激光振荡器可靠性的封装结构，包括SESAM封装结构，所述SESAM封装结构，包括光纤跳线，所述光纤跳线包括偏振保持光纤和螺柱式插芯，所述螺柱式插芯上螺纹连接有转换套筒，所述转换套筒包括壳体和内筒，所述螺柱式插芯与内筒的一端螺纹连接，所述螺柱式插芯上卡接有半导体可饱和吸收镜，所述半导体可饱和吸收镜包括保护环，所述保护环内固定连接有吸收镜本体，所述保护环的侧壁上开凿有环形限位槽，所述螺柱式插芯的内壁上固定连接有与环形限位槽相匹配的橡胶限位环，所述内筒远离光纤跳线的一端卡连接有陶瓷插芯，所述内筒的两端分别开凿有与陶瓷插芯相匹配的插槽和与螺柱式插芯相匹配的螺纹槽，可以实现防止半导体可饱和吸收镜表面污染，方便半导体可饱和吸收镜损坏后的维修和损坏时的更换，提高维护效率。
进一步的，所述偏振保持光纤为长度1-1.5m单模光纤跳线,所述偏振保持光纤的芯径为5-6μm。
进一步的，所述螺柱式插芯内设有与保护环相匹配的光纤，所述光纤靠近半导体可饱和吸收镜的一端为角度为0°的平面端，易于使光纤端面与半导体可饱和吸收镜贴合紧密，减少半导体可饱和吸收镜与光纤端面之间的空隙。
进一步的，所述半导体可饱和吸收镜的弛豫时间为450-500fs，反射带宽为900-1100nm。
进一步的，所述陶瓷插芯的直径为2-2.5mm，所述陶瓷插芯的长度为2.5-3cm，使陶瓷插芯与内筒尺寸相匹配，使内筒与陶瓷插芯之间的连接处不易出现空隙。
进一步的，所述壳体的表面铺设有橡胶保护层，所述橡胶保护层上开凿有防滑纹，方便转换套筒的安装。
进一步的，所述保护环的一部分露出在螺柱式插芯外，所述保护环露出部分的侧壁上开凿有多个卸载槽，方便工作人员半导体可饱和吸收镜从螺柱式插芯上拆卸。
一种提高SESAM全光纤锁模激光振荡器可靠性的封装结构，包括一种全光纤锁模激光振荡器结构，所述全光纤锁模激光振荡器结构包括激光振荡器本体，所述激光振荡器本体内设有单模泵浦激光源，所述单模泵浦激光源的一侧设有波分复用器，所述单模泵浦激光源的输出端与波分复用器的输入端匹配，所述SESAM封装结构与波分复用器的输入端连接，所述波分复用器的输出端设有宽带啁啾光纤光栅，所述波分复用器与宽带啁啾光纤光栅之间设有单模掺镱增益光纤，所述宽带啁啾光纤光栅的输出端设有偏振相关隔离器，提高半导体可饱和吸收镜锁模激光的稳定性和可靠性，增强其抗环境干扰特性。
进一步的，所述宽带啁啾光纤光栅8的中心波长为1030nm，易于提升激光振荡器输出的锁模激光强度。
进一步的，所述宽带啁啾光纤光栅通过偏振相关隔离器输出80％锁模激光功率，所述宽带啁啾光纤光栅将剩余的20％锁模激光功率反射回谐振腔内
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)通过将半导体可饱和吸收镜卡入螺柱式插芯中，使半导体可饱和吸收镜的反射面与螺柱式插芯内的光纤端面弹性式紧密接触，通过保护环与橡胶限位环卡接实现半导体可饱和吸收镜的固定，半导体可饱和吸收镜的反射面与螺柱式插芯内的光纤端面弹性式紧密接触，可以提高半导体可饱和吸收镜锁模激光的稳定性和可靠性，增强其抗环境干扰特性。
(2)通过将半导体可饱和吸收镜卡入螺柱式插芯中，通过橡胶限位环进行密封，保证半导体可饱和吸收镜与螺柱式插芯的连接处不漏光，半导体可饱和吸收镜露出螺柱式插芯的部分设有卸载槽，技术人员可通过钢针等工具插入卸载槽中来将半导体可饱和吸收镜从螺柱式插芯中撬出，方便半导体可饱和吸收镜更换和维护，提高了维护效率，避免了采用直接将半导体可饱和吸收镜紫外固化到光纤端面方式所引起的半导体可饱和吸收镜表面易污染与半导体可饱和吸收镜损坏难以维修的缺陷。
附图说明
图1为本发明的SESAM封装结构立体图；
图2为本发明的SESAM封装结构爆炸图；
图3为本发明的SESAM封装结构剖视图；
图4为图3中A处的结构示意图；
图5为本发明的全光纤锁模激光振荡器结构工作原理图；
图6为本发明的全光纤锁模激光振荡器结构在不同宽带啁啾光纤光栅中心波长条件下所输出的锁模激光强度统计图；
图7为本发明的全光纤锁模激光振荡器结构在168小时长时间工作下的稳定性测试结果统计图；
图8为本发明的全光纤锁模激光振荡器结构在不同温度下的运行测试结果统计图。
图中标号说明：
1光纤跳线、101偏振保持光纤、102螺柱式插芯、103橡胶限位环、2转换套筒、201壳体、202内筒、3半导体可饱和吸收镜、301保护环、302吸收镜本体、4陶瓷插芯、5单模泵浦激光源、6波分复用器、7单模掺镱增益光纤、8宽带啁啾光纤光栅、9偏振相关隔离器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图；对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然；所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例；而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
请参阅图1、图2和图3，一种提高SESAM全光纤锁模激光振荡器可靠性的封装结构，包括SESAM封装结构，SESAM封装结构包括光纤跳线1，光纤跳线1包括偏振保持光纤101和螺柱式插芯102，振保持光纤101为长度1-1.5m单模光纤跳线,振保持光纤101的芯径为5-6μm，螺柱式插芯102内设有与保护环301相匹配的光纤，光纤穿设在螺柱式插芯102内，光纤靠近半导体可饱和吸收镜的一端为角度为0°的平面端，螺柱式插芯102上螺纹连接有转换套筒2，本方案中的转换套筒2为FC/PC转FC/PC匹配套筒，转换套筒2包括壳体201和内筒202，壳体201的表面铺设有橡胶保护层，橡胶保护层上开凿有防滑纹，方便旋转转换套筒2来进行安装，内筒202远离光纤跳线1的一端卡连接有陶瓷插芯4，内筒202的两端分别开凿有与陶瓷插芯4相匹配的插槽和与螺柱式插芯102相匹配的螺纹槽，陶瓷插芯4的直径为2-2.5mm，陶瓷插芯4的长度为2.5-3cm。
请参阅图3和图4，螺柱式插芯102与内筒202的一端螺纹连接，螺柱式插芯102上卡接有半导体可饱和吸收镜3，半导体可饱和吸收镜3包括保护环301，保护环301内固定连接有吸收镜本体302，保护环301的侧壁上开凿有环形限位槽，半导体可饱和吸收镜3的弛豫时间为450-500fs，反射带宽为900-1100nm，保护环301的一部分露出在螺柱式插芯102外，保护环301露出部分的侧壁上开凿有多个卸载槽，方便工作人员半导体可饱和吸收镜从螺柱式插芯上拆卸，螺柱式插芯102的内壁上固定连接有与环形限位槽相匹配的橡胶限位环103。
本发明所提供的SESAM封装结构包括一种封装方法：首先通过半导体可饱和吸收镜3卡入螺柱式插芯102内，使保护环301上的环形限位槽与橡胶限位环103卡接，此时吸收镜本体302上的反射面与螺柱式插芯102内光纤的端面弹性式紧密贴合接触固定，然后再将螺柱式插芯102与内筒202的一端螺纹连接，最后在内筒202的另一端插入陶瓷插芯4，此时完成半导体可饱和吸收镜3的封装。
本发明的SESAM封装结构，通过将半导体可饱和吸收镜3卡入螺柱式插芯102中，使吸收镜本体302上的反射面与螺柱式插芯102内光纤的端面弹性式紧密贴合接触固定，通过橡胶限位环103进行密封，保证半导体可饱和吸收镜3与螺柱式插芯102的连接处不漏光，半导体可饱和吸收镜3露出螺柱式插芯102的部分设有卸载槽，技术人员可通过钢针等工具插入卸载槽中来将半导体可饱和吸收镜3从螺柱式插芯102中撬出，方便半导体可饱和吸收镜3更换和维护，提高了维护效率，避免了采用直接将半导体可饱和吸收镜3紫外固化到光纤端面方式所引起的半导体可饱和吸收镜3表面易污染与半导体可饱和吸收镜损坏难以维修的缺陷。
请参阅图5，一种提高SESAM全光纤锁模激光振荡器可靠性的封装结构，包括一种全光纤锁模激光振荡器结构，其特征在于：全光纤锁模激光振荡器结构包括激光振荡器本体，激光振荡器本体内设有单模泵浦激光源5，单模泵浦激光源5的一侧设有波分复用器6，单模泵浦激光源5的输出端与波分复用器6的输入端匹配，SESAM封装结构与波分复用器6的输入端连接，波分复用器6的输出端设有宽带啁啾光纤光栅8，波分复用器6与宽带啁啾光纤光栅8之间设有单模掺镱增益光纤7，宽带啁啾光纤光栅8的输出端设有偏振相关隔离器9，可以提高半导体可饱和吸收镜锁模激光的稳定性，增强其抗环境干扰特性。
上述全光纤锁模激光振荡器封装结构可组成一种环境稳定的色散管理型全保偏单轴掺镱全光纤锁模激光振荡器的结构，其中单模泵浦激光源5通过波分复用器6将泵浦功率耦合至单模掺镱增益光纤7，产生激光振荡所需的增益，激光器腔内采用了中心波长为1030nm的宽带啁啾光纤光栅8作为脉冲时间域整形器件，采用宽带啁啾光纤光栅8进行色散补偿，对脉冲时间域进行整形，实现超短脉冲锁模激光输出。
请参阅图6，由图所示，宽带啁啾光纤光栅8的波长(wavelength)在为1030nm附近时激光振荡器输出的锁模激光强度(intensity)最大，所以本装置选用中心波长为1030nm的宽带啁啾光纤光栅8作为脉冲时间域整形器件。
宽带啁啾光纤光栅8输出80％锁模激光功率并且在激光谐振腔中只有慢轴激光振荡，宽带啁啾光纤光栅将剩余的20％功率反射回谐振腔内，构成激光振荡，本发明SESAM封装结构作为激光振荡器的第二反射端和启动锁模元件，锁模输出的80％激光功率经过偏振相关隔离器9后输出。
请参阅图7，由图像可知，本发明所提出的全光纤锁模激光振荡器封装结构在长时间工作下发出的光线强度(power)始终可以保持稳定，所以本发明所提出的全光纤锁模激光振荡器封装结构可以长时间保持稳定工作，具有可靠性。
请参阅图8，温度测试范围为15-40℃，该温度范围为正常环境温度变化区间，选取该区间目的时测试本发明所提出的全光纤锁模激光振荡器封装结构在正常环境温度变化下的出光功率(output power)变化，由图像可知，本发明所提出的全光纤锁模激光振荡器封装结构在较高温度和较低温度环境下都可以保持稳定出光功率，且出光功率随温度的降低而缓慢上升，随温度的上升而缓慢下降，出光功率的波动范围在5-6.3mW之间。
所以使用本发明所提出SESAM封装结构的全光纤锁模激光振荡器封装结构，所组成的组成一种环境稳定的色散管理型全保偏单轴掺镱全光纤锁模激光振荡器的输出锁模激具有较高的稳定性，本发明所提率的封装结构可以增强锁模激光振荡器的抗环境干扰特性。
综上所述，本发明一方面可以提高通过半导体可饱和吸收镜3和激光振荡器后输出的锁模激光稳定性，增强锁模激光的抗环境干扰特性，另一方面有助于半导体可饱和吸收镜3损坏时的更换，提高了维护效率，避免了采用直接将半导体可饱和吸收镜3使用紫外固化到光纤端面方式所引起的半导体可饱和吸收镜3表面易污染与半导体可饱和吸收镜3损坏难以维修的缺陷。
以上所述；仅为本发明较佳的具体实施方式；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；根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变；都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种提高SESAM全光纤锁模激光振荡器可靠性的封装结构，包括SESAM封装结构，其特征在于：所述SESAM封装结构包括光纤跳线(1)，所述光纤跳线(1)包括偏振保持光纤(101)和螺柱式插芯(102)，所述螺柱式插芯(102)上螺纹连接有转换套筒(2)，所述转换套筒(2)包括壳体(201)和内筒(202)，所述螺柱式插芯(102)与内筒(202)的一端螺纹连接，所述螺柱式插芯(102)上卡接有半导体可饱和吸收镜，所述半导体可饱和吸收镜(3)包括保护环(301)，所述保护环(301)内固定连接有吸收镜本体(302)，所述保护环(301)的侧壁上开凿有环形限位槽，所述螺柱式插芯(102)的内壁上固定连接有与环形限位槽相匹配的橡胶限位环(103)，所述内筒(202)远离光纤跳线(1)的一端卡连接有陶瓷插芯(4)，所述内筒(202)的两端分别开凿有与陶瓷插芯(4)相匹配的插槽和与螺柱式插芯(102)相匹配的螺纹槽。
2.根据权利要求1所述的一种提高SESAM全光纤锁模激光振荡器可靠性的封装结构，其特征在于：所述偏振保持光纤(101)为长度1-1.5m单模光纤跳线,所述偏振保持光纤(101)的芯径为5-6μm。
3.根据权利要求1所述的一种提高SESAM全光纤锁模激光振荡器可靠性的封装结构，其特征在于：所述螺柱式插芯(102)内设有与保护环(301)相匹配的光纤，所述光纤靠近半导体可饱和吸收镜(3)的一端为角度为0°的平面端。
4.根据权利要求1所述的一种提高SESAM全光纤锁模激光振荡器可靠性的封装结构，其特征在于：所述半导体可饱和吸收镜(3)的弛豫时间为450-500fs，所述半导体可饱和吸收镜(3)的反射带宽为900-1100nm。
5.根据权利要求1所述的一种提高SESAM全光纤锁模激光振荡器可靠性的封装结构，其特征在于：所述陶瓷插芯(4)的直径为2-2.5mm，所述陶瓷插芯(4)的长度为2.5-3cm。
6.根据权利要求1所述的一种提高SESAM全光纤锁模激光振荡器可靠性的封装结构，其特征在于：所述壳体(201)的表面铺设有橡胶保护层，所述橡胶保护层上开凿有防滑纹。
7.根据权利要求1所述的一种提高SESAM全光纤锁模激光振荡器可靠性的封装结构，其特征在于：所述保护环(301)露出在螺柱式插芯(102)外，所述保护环(301)露出部分的侧壁上开凿有多个卸载槽。
8.根据权利要求1所述的一种提高SESAM全光纤锁模激光振荡器可靠性的封装结构，其特征在于：包括与SESAM封装结构相连的全光纤锁模激光振荡器结构，所述全光纤锁模激光振荡器结构包括激光振荡器本体，所述激光振荡器本体内设有单模泵浦激光源(5)，所述单模泵浦激光源(5)的一侧设有波分复用器(6)，所述单模泵浦激光源(5)的输出端与波分复用器(6)的输入端匹配，所述SESAM封装结构与波分复用器(6)的输入端连接，所述波分复用器(6)的输出端设有宽带啁啾光纤光栅(8)，所述波分复用器(6)与宽带啁啾光纤光栅(8)之间设有单模掺镱增益光纤(7)，所述宽带啁啾光纤光栅(8)的输出端设有偏振相关隔离器(9)。
9.根据权利要求8所述的一种提高SESAM全光纤锁模激光振荡器可靠性的封装结构，其特征在于：所述宽带啁啾光纤光栅(8)的中心波长为1030nm。
10.根据权利要求8所述的一种提高SESAM全光纤锁模激光振荡器可靠性的封装结构，其特征在于：所述宽带啁啾光纤光栅(8)通过偏振相关隔离器(9)输出80％锁模激光功率，所述宽带啁啾光纤光栅(8)将剩余的20％锁模激光功率反射回谐振腔内。
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