CN110797736A - 光纤激光器及其冷却装置 - Google Patents
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Abstract
光纤激光器及其冷却装置，涉及光纤激光器技术领域，光纤激光器包括增益光纤，冷却装置设有用于盘绕光纤的光纤跑道，光纤跑道包括用于盘绕增益光纤的环形的增益光纤跑道，增益光纤盘绕在增益光纤跑道上形成与跑道相同的形状。增益光纤跑道每圈主要由4段弯曲半径为R2的第二类圆弧跑道段和4段用于让所盘绕的光纤实现弯曲选模的弯曲半径为R1的第一类圆弧跑道段平滑拼接而成，第一类圆弧跑道段和第二类圆弧跑道段交替拼接，第一类圆弧跑道段的圆心在增益光纤跑道环内，第二类圆弧跑道段的圆心在增益光纤跑道环外，R1小于R2。可减少泵浦光的泄露，提高光光转换效率和输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器技术领域。
背景技术
高功率光纤激光器具有效率高、体积小、光束质量优异、工作稳定可靠和环境适应性强等突出优势，在光电对抗及工业加工等领域具有广阔的应用前景。近年来，光纤材料、器件和系统集成技术不断取得新的进展和突破，人们逐渐对光纤激光器提出了更高输出功率、更好光束质量的要求，特别是军事上更提出了单纤大功率单模的具体要求，因为只有具有足够高的输出功率和足够好的光束质量的光纤激光器，才能够快速作用于目标，进而摧毁目标。
光纤激光器包括充当谐振腔的谐振腔光纤和作为增益介质的增益光纤。目前，光纤激光器的增益光纤的纤芯直径较大，一般在20μm-40μm的范围，纤芯中传输几个甚至数十个导光模式，从而无法实现近单模衍射极限的激光光束，光束质量较差。弯曲选模技术是实现高光束质量激光光束最常用办法。由于光纤在弯曲时，原先在纤芯中以导模形式传输的激光功率会部分转化为辐射模的形式，从纤芯中逸出形成损耗，但是由于纤芯中不同的模式具有不同的传播常数和模场分布情况，因此不同模式对于光纤弯曲时的敏感程度有很大的区别。在相同情况下，高阶模的弯曲敏感度要远大于基模，在光纤激光器中对増益光纤选取合适的弯曲半径，可以有效的抑制高阶模的增益，提高输出激光的光束质量，这就是弯曲选模技术。
现有技术中，通常是将光纤弯曲成圆环形，选取合适的弯曲半径即可实现弯曲选模。实现弯曲选模效果并不需要太长的弯曲长度，但增益光纤的长度一般比较长，为减小光纤激光器的体积，通常将大部分增益光纤都与弯曲选模的部分一起弯曲盘绕成圆环形。实现弯曲选模的弯曲半径一般比较小，光纤在弯曲半径比较小的情况下，泵浦光泄露比较严重，光光转换效率较低，降低了光纤激光器的输出功率。而且，在弯曲半径比较小的区域进行弯曲选模时，泵浦光泄露比较严重，现有的这种圆环形盘绕的方式，热点比较集中，不利于散热，也限制了光纤激光器输出功率的提升。此外，现有的这种圆环形的盘绕方式，需要盘绕的圈数较多。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种光纤激光器，其泵浦光泄露较少，光光转换效率较高，可提高输出功率，更容易实现高光束质量高功率激光输出。
为实现以上目的，提出以下技术方案。
光纤激光器，包括增益光纤，增益光纤包括弯曲盘绕成环形的增益盘绕段，增益盘绕段每圈主要由4段弯曲半径为R2的第二类圆弧光纤段和4段用于弯曲选模的弯曲半径为R1的第一类圆弧光纤段平滑拼接而成，第一类圆弧光纤段和第二类圆弧光纤段交替拼接，第一类圆弧光纤段的圆心在增益盘绕段环内，第二类圆弧光纤段的圆心在增益盘绕段环外，R1小于R2。
本发明地光纤激光器中，增益光纤每盘绕一圈，有弯曲半径为R1的部分，以进行弯曲选模，也有弯曲半径更大的部分(R2)，以减少泵浦光的泄露，从而提高光光转换效率和输出功率。而且，第一类圆弧光纤段和第二类圆弧光纤段交替拼接，从而让弯曲半径小的用于弯曲选模的第一类圆弧光纤段比较分散，发热点分布分散，更利于散热，从而可提高光纤激光器的输出功率，更容易实现高光束质量高功率激光输出。除此之外，同等长度的增益光纤，本发明的光纤激光器中，增益光纤的盘绕圈数更少。
优选地，R1为4cm-10cm。此时弯曲选模效果更佳。
优选地，R2为20cm-80cm。如此一方面可有效减少泵浦光的泄露，另一方面还可兼顾激光器体积，使其体积保持较小。
优选地，每段第一类圆弧光纤段的两个端点分别与该圆弧光纤段的圆心的连线之间的夹角小于90°。以在保证弯曲选模的效果的基础上，控制第一类圆弧光纤段的长度不至于过长，进一步减少泵浦光的泄露，平衡每段第一类圆弧光纤段的发热量。
进一步地，还包括谐振腔光纤，谐振腔光纤包括弯曲盘绕成圆环形的谐振盘绕段，谐振盘绕段设在增益盘绕段环内。可充分利用空间，减小光纤激光器的重量，实现轻量化。
优选地，谐振盘绕段的弯曲半径R3为4cm-8cm。
本发明还提出一种光纤激光器的冷却装置，其可让光纤激光器的泵浦光泄露较少，提高光光转换效率及输出功率，并可分散发热点，利于散热及提高输出功率。
为实现上述目的，提出以下技术方案。
光纤激光器的冷却装置，设有用于盘绕光纤的光纤跑道，光纤跑道包括用于盘绕增益光纤的环形的增益光纤跑道，增益光纤跑道每圈主要由4段弯曲半径为R2的第二类圆弧跑道段和4段用于让所盘绕的光纤实现弯曲选模的弯曲半径为R1的第一类圆弧跑道段平滑拼接而成，第一类圆弧跑道段和第二类圆弧跑道段交替拼接，第一类圆弧跑道段的圆心在增益光纤跑道环内，第二类圆弧跑道段的圆心在增益光纤跑道环外，R1小于R2。
采用本发明的冷却装置，在其光纤跑道上，增益光纤每盘绕一圈，有弯曲半径为R1的部分，以进行弯曲选模，也有弯曲半径更大的部分(R2)，以减少泵浦光的泄露，从而提高光光转换效率和输出功率。而且，第一类圆弧跑道段和第二类圆弧跑道段交替拼接，从而让盘绕其中的弯曲半径小的用于弯曲选模的光纤部分比较分散，发热点分布分散，更利于散热，从而可提高光纤激光器的输出功率。除此之外，同等长度的增益光纤，采用本发明的冷却装置，增益光纤的盘绕圈数更少。
进一步地，光纤跑道还包括用于盘绕谐振腔光纤的圆环形的谐振腔光纤跑道，谐振腔光纤跑道设在增益光纤跑道环内。
优选地，谐振腔光纤跑道的半径R3为4cm-8cm。
附图说明
图1示出本发明的光纤激光器的冷却装置在一个实施例中增益光纤跑道的形状及光纤激光器的增益光纤的增益盘绕段在该增益光纤跑道盘绕一圈的形状；
图2示出本发明的光纤激光器的冷却装置在一个实施例中增益光纤跑道及谐振腔光纤跑道的形状及光纤激光器的增益光纤的增益盘绕段在该增益光纤跑道盘绕一圈的形状和谐振腔光纤在该谐振腔光纤跑道盘绕一圈的形状。
附图标记包括：
1-增益光纤跑道、增益盘绕段；11-第一类圆弧跑道段、第一类圆弧光纤段；12-第二类圆弧跑道段、第二类圆弧光纤段；
2-谐振腔光纤跑道、谐振盘绕段。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作详细说明。
本实施例的光纤激光器包括冷却装置、谐振腔光纤和增益光纤，冷却装置上设有用于盘绕光纤的光纤跑道。如图1所示，光纤跑道包括环形的增益光纤跑道1，用于盘绕增益光纤，增益光纤跑道1主要由4段弯曲半径为R2的第二类圆弧跑道段12和4段弯曲半径为R1的第一类圆弧跑道段11平滑拼接而成，第一类圆弧跑道段11用于让所盘绕的光纤实现弯曲选模，第一类圆弧跑道段11和第二类圆弧跑道段12交替拼接，第一类圆弧跑道段11的圆心在增益光纤跑道1环内，第二类圆弧跑道段12的圆心在增益光纤跑道1环外，R1小于R2。增益光纤盘绕在增益光纤跑道1的部分为增益盘绕段1，增益盘绕段1每盘绕一圈，随增益光纤跑道1的形状形成主要由4段弯曲半径为R2的第二类圆弧光纤段12和4段用于弯曲选模的弯曲半径为R1的第一类圆弧光纤段11平滑拼接而成的形状，第一类圆弧光纤段11和第二类圆弧光纤段12交替拼接，第一类圆弧光纤段11的圆心在增益盘绕段1环内，第二类圆弧光纤段12的圆心在增益盘绕段1环外。增益光纤每盘绕一圈，有弯曲半径为R1的部分，以进行弯曲选模，也有弯曲半径更大的部分(R2)，以减少泵浦光的泄露，从而提高光光转换效率和输出功率。而且，第一类圆弧光纤段11和第二类圆弧光纤段12交替拼接，从而让弯曲半径小的用于弯曲选模的第一类圆弧光纤段11比较分散，发热点分散，更利于散热，从而可提高光纤激光器的输出功率。除此之外，同等长度的增益光纤，本实施例的光纤激光器中，增益光纤的盘绕圈数更少。
优选地，每段第一类圆弧光纤段11的两个端点分别与该圆弧光纤段的圆心的连线之间的夹角小于90°，相应地，每段第一类圆弧跑道段11也是如此，以在保证弯曲选模的效果的基础上，控制第一类圆弧光纤段11的长度不至于过长，进一步减少泵浦光的泄露，平衡每段第一类圆弧光纤段11的发热量。
本实施例中，优选地，R1为4cm-10cm，R2为20cm-80cm。应用在单谐振腔结构的光纤激光器中，可实现1kW～3kW级近衍射极限激光光束输出。上述R1、R2的优选数值范围，并非必须是一个组合，两者之间没有必然的联系。
冷却装置具体为水冷板，水冷板的增益光纤跑道1环内可挖空，以减轻重量。
如图2所示，冷却装置的光纤跑道还包括圆环形的谐振腔光纤跑道2，谐振腔光纤跑道2用于盘绕谐振腔光纤，谐振腔光纤跑道2设在增益光纤跑道1环内。谐振腔光纤盘绕在谐振腔光纤跑道2的部分为谐振盘绕段2，谐振盘绕段2在增益盘绕段1环内。优选地，谐振腔光纤跑道2及谐振盘绕段2的半径R3为4cm-8cm。如此，可充分利用空间，减小光纤激光器的重量，实现轻量化。应用在主振荡控制放大MOPA结构的光纤激光器中，能实现3kW～10kW级高光束质量的激光输出。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (9)
1.光纤激光器，包括增益光纤，增益光纤包括弯曲盘绕成环形的增益盘绕段，其特征是，增益盘绕段每圈主要由4段弯曲半径为R2的第二类圆弧光纤段和4段用于弯曲选模的弯曲半径为R1的第一类圆弧光纤段平滑拼接而成，第一类圆弧光纤段和第二类圆弧光纤段交替拼接，第一类圆弧光纤段的圆心在增益盘绕段环内，第二类圆弧光纤段的圆心在增益盘绕段环外，R1小于R2。
2.如权利要求1所述的光纤激光器，其特征是，R1为4cm-10cm。
3.如权利要求1或2所述的光纤激光器，其特征是，R2为20cm-80cm。
4.如权利要求1所述的光纤激光器，其特征是，每段第一类圆弧光纤段的两个端点分别与该圆弧光纤段的圆心的连线之间的夹角小于90°。
5.如权利要求1所述的光纤激光器，其特征是，还包括谐振腔光纤，谐振腔光纤包括弯曲盘绕成圆环形的谐振盘绕段，谐振盘绕段设在增益盘绕段环内。
6.如权利要求5所述的光纤激光器，其特征是，谐振盘绕段的弯曲半径R3为4cm-8cm。
7.光纤激光器的冷却装置，设有用于盘绕光纤的光纤跑道，光纤跑道包括用于盘绕增益光纤的环形的增益光纤跑道，其特征是，增益光纤跑道每圈主要由4段弯曲半径为R2的第二类圆弧跑道段和4段用于让所盘绕的光纤实现弯曲选模的弯曲半径为R1的第一类圆弧跑道段平滑拼接而成，第一类圆弧跑道段和第二类圆弧跑道段交替拼接，第一类圆弧跑道段的圆心在增益光纤跑道环内，第二类圆弧跑道段的圆心在增益光纤跑道环外，R1小于R2。
8.如权利要求7所述的光纤激光器的冷却装置，其特征是，光纤跑道还包括用于盘绕谐振腔光纤的圆环形的谐振腔光纤跑道，谐振腔光纤跑道设在增益光纤跑道环内。
9.如权利要求8所述的光纤激光器的冷却装置，其特征是，谐振腔光纤跑道的半径R3为4cm-8cm。
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