CN111628397B

CN111628397B - 一种基于石英波导耦合的大功率光纤激光器

Info

Publication number: CN111628397B
Application number: CN202010515644.XA
Authority: CN
Inventors: 李佳峻; 李伟; 李琼
Original assignee: Phase Optics Beijing Technology Co ltd
Current assignee: Phase Optics Beijing Technology Co ltd
Priority date: 2020-06-09
Filing date: 2020-06-09
Publication date: 2021-12-28
Anticipated expiration: 2040-06-09
Also published as: CN111628397A

Abstract

本发明涉及光电学领域，提供了一种基于石英波导耦合的大功率光纤激光器，目的在于提供的一种结构简单、耦合效率高、成本更低、转化效率高，可实现万瓦级大功率光纤激光输出。主要方案为，LD泵浦源通过反射镜后经耦合透镜进入第一石英波导中，通过第一石英波导耦合进入双包层光纤的内包层中，还包括输入端的种子激光器，其发射激光通过耦合镜进入第一石英波导中，通过第一石英波导耦合进入双包层光纤的纤芯中，在泵浦光的抽运下实现激光放大，并通过第二石英波导输出。也可去掉种子激光，换成一反射镜对激光进行全反射，实现激光振荡输出，此时为激光振荡器。本发明用作激光器和振荡器使用。

Description

一种基于石英波导耦合的大功率光纤激光器

技术领域

本专利涉及一种大功率光纤激光器，具体说是一种不需要光纤耦合器的大功率光纤激光器。

背景技术

现在大功率的光纤激光器多采用进口的光纤耦合器，而且功率受到限制，采用口径较大的石英波导（或称端帽）与光纤端面进行熔接，使其界面处的功率密度大为降低，从而极大增加光纤所承载的功率，提高光纤激光器大功率运转的稳定性和可靠性，同时也可替代大功率光纤耦合器，而大功率光纤耦合器一般为进口产品，本专利采用大口径石英波导耦合器，为进一步研制更大功率的光纤激光器提供支撑。

本发明输入、输出端皆采用了大口径石英波导，可最大限度的降低光纤端面，尤其是与空气界面的功率密度，保证大功率光纤激光稳定可靠运行，并且系统结构简单、耦合效率高、成本更低。

本发明还可以进一步提高光纤激光器功率，方法就是双端泵浦，即在右端对称的放置LD泵浦源，实现更大功率激光输出。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供的一种结构简单、耦合效率高、成本更低、转化效率高，可实现万瓦级大功率光纤激光输出。

本发明为解决上述技术问题，采用以下有益效果：

一种基于石英波导耦合的大功率光纤激光器，包括多个大功率LD泵浦源，第一LD泵浦源通过第一反射镜后经第一耦合透镜进入第一石英波导中，通过第一石英波导耦合进入双包层光纤的内包层中，

还包括输入端的种子激光器，其发射激光通过第一耦合透镜进入第一石英波导中，通过第一石英波导耦合进入双包层光纤的纤芯中，在泵浦光的抽运下实现激光放大，并通过第二石英波导输出。

上述技术方案中，将第二LD泵浦源通过第二反射镜后经第二耦合透镜进入第二石英波导中，通过第二石英波导耦合进入双包层光纤的内包层中。

上述技术方案中，第一石英波导和第二石英波导上都镀2层增透膜，厚度分别为975nm和1080nm。

上述技术方案中，多个LD泵浦源（1-6个）和对应的反射镜按图依次放置。

上述技术方案中，石英波导与双包层光纤是由熔接装置进行了对芯熔接，耦合进入石英波导的泵浦光高效进入双包层光纤的包层中，种子激光或激光在纤芯中传输。

本发明还提供了一种基于石英波导耦合的自激振荡大功率光纤激光器,包括多个大功率LD泵浦源，第一LD泵浦源通过第一反射镜后经第一耦合透镜进入第一石英波导中，通过第一石英波导耦合进入双包层光纤的内包层中，在泵浦光的抽运下，双包层光纤的纤芯中的掺杂粒子的电子从基态跃迁至激发态，并受激辐射产生激光，从第一石英波导射出后在第三反射镜和第二石英波导的输出端面形成激光振荡，实现激光的放大，由于第三反射镜镀反射膜，第二石英波导镀增透膜，所以产生的激光通过石英波导输出，实现大功率的激光输出。

上述技术方案中，第三石英波导输出端镀1080nm 后的96%的减反膜，反射镜镀1080nm反射膜。

本发明因为采用上述技术方案，因此具备以下有益效果：

一、替代进口光纤耦合器，结构简单，可以进一步提升激光功率。

二、输入、输出端皆采用了大口径石英波导，可最大限度的降低光纤端面，尤其是与空气界面的功率密度，保证大功率光纤激光稳定可靠运行，并且系统结构简单、耦合效率高、成本更低。

三、既可实现种子激光的放大，也可实现振荡器模式，更可以进行双端泵浦，进一步提升功率。本发明双端都可以作为耦合输入和输出。

值得注意的是小功率时，同样的泵浦源，在一端泵浦和双端泵浦，效率差不多。但当工作在大功率情况下时，单端增加到比较高的功率时，另外一端还可增加接近一倍的功率，若全增加到一端，工作稳定性会差一些，还可能出现一端饱和，而另外一端尚未达到最大的粒子数反转。

四、激光在光纤输入、输出端与空气交接的界面处由于功率密度过大很容易造成光纤的损毁，而采用口径较大的石英波导与双包层光纤端面进行熔接，使其界面处的功率密度大为降低，从而极大增加光纤所承载的功率，提高光纤激光器大功率运转的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为本专利的种子激光放大模式的结构示意图，即光纤激光放大器示意图；

图2为基于石英波导耦合的光纤激光器示意图，激光振荡器模式；

图3为双端泵浦基于石英波导耦合的大功率光纤激光器原理框图，可实现万瓦级激光输出。

图4为折射率分布曲线，其中，n（r）为代表折射率的轴，r为代表半径的轴，l（r）为代表光强；

图5为W形反射镜立体示意图;

图6为W形反射镜侧视图；

图7为熔接装置示意图。

附图标号说明：

1-种子激光器、2-第一LD泵浦源、2-1- 第二LD泵浦源、3-第一反射镜、3-1-第二反射镜、4-第一耦合透镜、4-1-第二耦合透镜、5-第一石英波导、6-第二石英波导、7-双包层光纤、7-1-外包层、7-2-内包层、7-3-纤芯、8-第三反射镜。

A1-C02激光器，A2-第四反射镜，A3-第五反射镜，A4-W形反射镜，A5-反射聚焦镜，A6-CDDX（X轴向方向），A7-CCDY（Y轴方向），A8-石英波导，A9-石英波导固定块，A10-V型光纤固定，A11-五维调节架（三维电动），A12-五维调节架（一维电动），A13-计算机，A14-双包层光纤，A 8’-石英波导的成像,A14’-双包层光纤的成像;

B1-V形锥镜，B1-1-V形锥镜的反射面，B2-内锥体，B2-1-内锥反射面，B3-

环形平面，B4-外锥反射面，B5-点状-一环-二环光斑，B5-1-点状斑，B5-2-一环光斑，B5-3-外环光斑，B 5-1-点状斑，B5-2-一环光斑对应双包层光纤的纤芯，B5-3-外环光斑对应双包层光纤的内包层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明提供了一种激光的放大器，参见图1，种子激光器1放置输入端（左端），一个或多个LD泵浦源，（如波长为975nm或915nm）分别通过对应的反射镜，再经过耦合透镜进入第一石英波导5中，再耦合进入双包层掺杂光纤7中，泵浦光在双包层光纤7的内包层中传输，种子激光器1发出的种子光在双包层光纤的纤芯7-3中传输时，在泵浦光的抽运下，纤芯中的掺杂粒子的电子从基态跃迁至激发态，在种子光激励下受激跃迁，实现激光的放大，通过石英波导输出，实现种子激光的放大。

实施例

在上述基础上，一种激光的放大器的第一石英波导5镀975nm和1080nm的增透膜，第二石英波导6镀975nm、1080nm的增透膜；

本发明提供了一种激光的振荡器，参见图2，第三反射镜8采用1⁰-反射镜，并放置输入端（左端），一个或多个LD泵浦源，（如波长为975nm或915nm）分别通过对应的反射镜，再经过耦合透镜进入第一石英波导5中，再耦合进入双包层掺杂光纤7中，泵浦光在双包层光纤7的内包层中传输，

在泵浦光的抽运下，纤芯中的掺杂粒子的电子从基态跃迁至激发态，并受激辐射产生激光，并在第三反射镜8和第二石英波导形成激光振荡，实现激光的放大，由于第三反射镜镀99.99%的反射膜，而石英波导输出端9镀的96%左右的增透膜，所以产生的激光通过石英波导输出，实现大功率的激光输出。

实施例

第二石英波导6输出端9镀96%的厚度1080nm的减反膜，第三反射镜8镀1080nm的反射膜。

工作原理：

种子激光器（如波长为1080nm），一个或多个LD泵浦源（如波长为975nm或915nm）通过反射镜和耦合透镜进入第一石英波导6中，再耦合进入双包层光纤7中，泵浦光在双包层光纤7的内包层7-2中传输，种子光在双包层光纤的纤芯7-3中传输时，在泵浦光的抽运下，纤芯中的掺杂粒子的电子从基态跃迁至激发态，在种子光激励下受激跃迁，实现激光的放大，通过石英波导输出，实现种子激光的放大，此时为激光放大器模式，如图1所示。

去掉种子激光1，换成一第三反射镜8对激光进行全反射，实现激光振荡输出，此时为激光振荡器模式，如图2。

为了进一步获得更大功率的光纤激光器，可进行双端泵浦，如图3所示，种子激光耦合进入掺杂双包层光纤，在双端泵浦的泵浦光抽运下，可获得万瓦级的激光放大输出。

参见图7，沿CO2激光器A1出射的激光方向依次布置有第四反射镜A2、第五反射镜A3、锥形反射镜A4和反射聚焦镜A5，石英波导（也可称为端帽）A8固定于石英波导固定块A9，石英波导固定块固定于五维调节架（一维电动）A12上，光纤通过V型光纤固定块A10固定在五维调节架（三维电动）A11上，通过垂直放置的X轴方向CCD X6和Y轴方向CCDY7，可以在计算机A13上监测光纤与石英波导的对芯熔接过程。其中，通过锥形反射镜4后成为环形光斑，再通过五维调节架A11和A12可以使环形光斑聚焦在光纤与石英波导的中心处，光斑大小和激光功率可调。通过X方向、Y 方向CCD监测，计算机控制调节光纤和石英波导的相对位置，达到双包层光纤芯中心轴与石英波导中心轴重合，启动CO2激光器，调节反射聚焦镜，使环形光斑聚焦到光纤与波导的结合处，并按照设置好的程序进行熔接，熔接过程中参数和图像保存于计算机中。

值得注意的是五维调节架是非常成熟的技术，其主要是实现位置调节作用，其不作为本发明创新点，因此不再赘述。

本发明提供了一种W反射镜，包括圆形镜体，在圆形镜体圆心位置设置有内锥体，内锥体的侧面为内锥反射面，内锥体的顶点处设置有V形锥镜，V形锥镜包括反射面，内锥体底面周向上设置有环形平面，所述沿环形平面周向设置有与内锥反射面成夹角a的外锥反射面,对于外锥反射面可采用平面结构，通过改变夹角a的角度大小，可以实现光斑辐照到包层的光斑口径调节。

上述技术方案中，将纤芯划分为中心半径R的高硬区域，和除中心半径R外的低硬区域，所述V形锥镜的圆锥角β根据纤芯中心半径R确定，使得内锥反射面反射的光斑完全覆盖纤芯中心半径R的区域内。本领域技术人员应当得知，同理可以通过调节圆锥角β来实现对不同纤芯中心半径R的覆盖。

上述技术方案中，将纤芯划分为中心半径R的高硬区域，和除中心半径R外的低硬区域，所述内锥反射面产生的光环覆盖低硬区域。

上述技术方案中，所述外锥反射面反射的光斑完全覆盖双包层光纤的内包层。

上述技术方案中，所述外锥反射面为椭球面弧度结构，弧度范围为30度-70度，采用椭球面弧度是为了让反射光向椭球面的另外一焦点会聚，既形成光强分布如图4所示“W”形光斑，同时又起到会聚作用。

本发明在上述一种W反射镜的技术上，进一步的提供了双包层光纤与石英波导的熔接方法，其特征在于包括：

将纤芯划分为中心半径R的高亮度区域，和除中心半径R外的低亮度区域；

使双包层光纤和石英波导的距离为0.5-2um；

通过反射镜使激光以较角度5⁰-15⁰照射进入W反射镜，形成“点状-一环-二环”光斑，并射入反射聚焦镜；

通过调节反射聚焦镜与W反射镜之间的距离和角度使得中心亮度最高的点状光斑覆盖纤芯最中心的高硬区域；一环光斑覆盖低硬区域；二环光斑覆盖双包层光纤的内包层，实现激光光斑照射双包层光纤和石英波导呈熔融状态，使光纤向石英波导推进0.5-2um，熔接完成。

本发明还提供了一种W反射镜的双包层光纤与石英波导的熔接装置，其特征在于：沿CO2激光器出射的激光方向依次布置有两个反射镜、W形反射镜、反射聚焦镜，被熔接的石英波导固定于五维调节架上，被熔接的光纤通过V型光纤固定块固定在五维调节架上，通过垂直放置的两个CCD可以在计算机上监测光纤与石英波导的对芯熔接过程，CO2激光器发出的激光通过W形反射镜后形成“点状-一环-二环”光斑，“点状-一环-二环”光斑经反射聚焦镜聚焦在双包层光纤与石英波导处进行熔接。

上述技术方案中，所述的反射聚焦镜用于调节光斑大小和聚焦点位置。

值得注意的是光纤的规格型号都有严格的行业标准，常见的双包层光纤包括20/400um和30/600um规格的，其虽然尺寸规格虽有不同，但其光纤的纤芯与包层的尺寸比例是一致的，因此可以通过等比例调节“点状-一环-二环”光斑大小即可，通过改变反射聚焦镜聚与W形反射镜距离则可实现光斑大小调节。

Claims

1.一种基于石英波导耦合的大功率光纤激光器，包括多个大功率LD泵浦源，其特征在于：第一LD泵浦源（2）通过第一反射镜（3）后经第一耦合透镜（4）进入第一石英波导（5）中，通过第一石英波导（5）耦合进入双包层光纤的内包层中，

还包括输入端的种子激光器（1），其发射激光通过第一耦合透镜（4）进入第一石英波导（5）中，通过第一石英波导（5）耦合进入双包层光纤的纤芯中，在泵浦光的抽运下实现激光放大，并通过第二石英波导（6）输出；

所述双包层光纤与第一石英波导（5）和第二石英波导（6）通过熔接装置熔接，所述熔接装置：

沿CO2激光器出射的激光方向依次布置有两个反射镜、W形反射镜、反射聚焦镜，被熔接的石英波导固定于五维调节架上，被熔接的光纤通过V型光纤固定块固定在五维调节架上，通过垂直放置的两个CCD可以在计算机上监测光纤与石英波导的对芯熔接过程，CO2激光器发出的激光通过W形反射镜后形成“点状-一环-二环”光斑，“点状-一环-二环”光斑经反射聚焦镜聚焦在双包层光纤与石英波导处进行熔接；

通过调节反射聚焦镜与W形反射镜之间的距离和角度使得中心亮度最高的点状光斑覆盖纤芯最中心的高硬区域；一环光斑覆盖低硬区域；二环光斑覆盖双包层光纤的内包层，实现激光光斑照射双包层光纤和石英波导呈熔融状态，使光纤向石英波导推进0.5-2um，熔接完成。

2.根据权利要求1所述的一种基于石英波导耦合的大功率光纤激光器，其特征在于，将第二LD泵浦源通过第二反射镜（3-1）后经第二耦合透镜（4-1）进入第二石英波导（6）中，通过第二石英波导（6）耦合进入双包层光纤的内包层中。

3.一种基于石英波导耦合的大功率光纤激光器，包括多个大功率LD泵浦源，其特征在于：第一LD泵浦源（3）通过第一反射镜（3）后经第一耦合透镜（4）进入第一石英波导中，通过第一石英波导（5）耦合进入双包层光纤的内包层中，在泵浦光的抽运下，双包层光纤的纤芯中的掺杂粒子的电子从基态跃迁至激发态，并受激辐射产生激光，从第一石英波导（5）射出后在第三反射镜（8）和第二石英波导（6）的输出端面形成激光振荡，实现激光的放大，由于第三反射镜（8）镀反射膜，第二石英波导镀减反膜，从而形成谐振腔，所产生的激光通过第二石英波导（6）输出，实现大功率的激光输出；

4.根据权利要求3所述的一种基于石英波导耦合的大功率光纤激光器，其特征在于，第二石英波导输出端镀1080nm 的96%的减反膜，第三反射镜镀1080nm反射膜。