CN112134127B - 一种风冷包层泵浦高功率光纤放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种风冷包层泵浦高功率光纤放大器，包括掺稀土光纤、夹具和导气管，所述掺稀土光纤包括纤芯和包层，所述包层位于纤芯的外侧，所述导气管套设在掺稀土光纤的外侧，所述掺稀土光纤的左端和右端分别通过多根夹具与导气管固定连接，所述包层的外壁与导气管的内壁之间形成空隙，所述空隙内注入流动的气体，所述气体在空隙内流动带走掺稀土光纤表面的热量。本发明公开了一种以风冷形式散热的适用于高功率包层泵浦放大的掺稀土光纤放大器结构，信号光在掺稀土光纤的纤芯中传输放大，泵浦光在掺稀土光纤的包层中传输并被纤芯吸收，用于风冷的气体在掺稀土光纤与导气管之间流动对光纤进行散热。

Description

一种风冷包层泵浦高功率光纤放大器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种风冷包层泵浦高功率光纤放大器。
背景技术
双包层(或多包层)掺稀土光纤是指具有纤芯、包层(或多包层)、涂覆层结构的掺稀土光纤，其结构见图1A和图1B。纤芯通常为单模或少模光纤，掺杂稀土元素，具有吸收泵浦光、放大信号光的作用；包层为多模光纤，有利于高功率多模泵浦的耦合与传输；涂覆层为具有低折射率的聚合物材料。
双包层掺稀土光纤的纤芯的折射率需要高于包层的折射率，从而实现单模(或少模)信号光的传导。包层外可以由涂覆层或新的包层组成，该涂覆层或新的包层的折射率要低于内包层的折射率，从而实现多模泵浦光的传导。
高功率光纤放大器具有效率高、易维护等优点。目前在工业切割、打孔、雕刻、物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中具有广泛应用。实现高功率光纤放大器依赖于大功率多模泵浦以及包层泵浦技术的使用。在包层泵浦放大结构中：信号光在双包层(或多包层)掺稀土光纤的纤芯中传输放大，泵浦光在掺稀土光纤的包层中传输并被纤芯吸收。
包层泵浦光纤放大器可以采用正向泵浦、反向泵浦、或者双向泵浦结构，以正向泵浦为例，该放大器通常使用一个双色镜加一个透镜的结构，实现对泵浦与光纤包层以及信号与光纤纤芯的耦合。
高功率光纤激光器已经可以输出超过100kW的功率，这通常是经过多级合束实现的。单级光纤放大器的输出已经可以达到几千瓦。虽然光纤激光器的效率比其它类型的激光器高，但是不可避免地在放大过程中会发热升温。随着放大器输出功率的逐渐提升，对光纤的耐温性能、散热性能的要求也越来越高。
目前，双包层(或多包层)掺稀土光纤的低折射率涂覆层通常能采用的材料如丙烯酸树酯，其耐温性、导热性较差。光纤的涂覆层在制作工艺过程中会出现涂覆不均匀、涂覆缺陷、涂覆过剩的情况，这类缺陷会导致光纤局部过热，当涂覆材料温度达到一定程度后，光纤涂覆层通常会燃烧、损坏，导致激光器损坏。双包层(或多包层)掺稀土光纤通常用胶带或导热硅胶盘绕固定在水冷金属板上，通过水冷的方式散热。然而，由于光纤的涂覆层导热性差，光纤与散热面的接触面小，大大降低了水冷方式的散热效率。
随着激光器功率的不断提高，对光纤的要求也越来越高。超高功率放大器的设计对光纤涂覆层工艺缺陷的容错度、对光纤的散热都提出了更高要求。涂覆层温度过高会导致涂覆层燃烧，纤芯处温度过高会导致输出模式的不稳定性。随着激光器产能的提高，对激光器制作调试效率也提出了更高要求。传统放大器结构已经不能满足高功率激光放大器的生产需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种风冷包层泵浦高功率光纤放大器，该光纤放大器提高了光纤的散热效率，降低了对光纤的工艺制作要求。
本发明提供一种风冷包层泵浦高功率光纤放大器，包括掺稀土光纤、夹具和导气管，所述掺稀土光纤包括纤芯和包层，所述包层位于纤芯的外侧，所述导气管套设在掺稀土光纤的外侧，所述掺稀土光纤的左端和右端分别通过多根夹具与导气管固定连接，所述夹具起到固定掺稀土光纤的作用，但不阻挡气体流通，所述包层的外壁与导气管的内壁之间形成空隙，所述空隙内注入流动的气体，所述气体在空隙内流动带走掺稀土光纤表面的热量实现散热。
进一步地，所述气体的流动方向与信号光、泵浦光的输入方向同向或反向。
进一步地，所述光纤放大器还包括第一双色镜和第一耦合透镜，所述第一双色镜、第一耦合透镜和掺稀土光纤自左至右依次设置，经过第一双色镜反射和第一耦合透镜聚焦后的信号光耦合进入掺稀土光纤的纤芯中；经过第一双色镜透射和第一耦合透镜聚焦后的泵浦光耦合进入掺稀土光纤的包层中。
进一步地，所述光纤放大器还包括第二耦合透镜和第二双色镜，所述第一双色镜、第一耦合透镜、掺稀土光纤、第二耦合透镜和第二双色镜自左至右依次设置，所述导气管的中间开设小孔。
进一步地，所述光纤放大器还包括光纤合束器，所述光纤合束器与掺稀土光纤熔接，所述光纤合束器将信号光耦合入掺稀土光纤的纤芯，所述光纤合束器将泵浦光耦合入掺稀土光纤的包层。
进一步地，所述夹具的一端与包层的外壁粘接，所述夹具的另一端与导气管的内壁粘接。
进一步地，所述夹具为金属棒、玻璃棒或陶瓷棒。
进一步地，所述掺稀土光纤的左端和右端分别熔接端帽，所述夹具选用螺丝，在每个所述端帽上分别开设第一螺栓孔，在所述导气管上开设与第一螺栓孔位置一一对应的第二螺栓孔，所述螺丝插入第一螺栓孔和第二螺栓孔内将导气管与端帽螺栓连接。
进一步地，所述气体选用空气、氮气、惰性气体(如氦气、氖气、氩气等)或其他可以用来风冷的气体。
进一步地，所述纤芯的直径大于5μm，所述包层的直径大于100μm，所述纤芯掺杂铒、镱、钕、钬等稀土元素中的任一种；所述包层为玻璃包层。
进一步地，所述掺稀土光纤为保偏光纤或非保偏光纤。
进一步地，所述端帽的直径大于或等于掺稀土光纤的直径。
进一步地，所述导气管选用内径为8mm的玻璃导气管。
进一步地，所述第一双色镜、第二双色镜反射信号光、透射泵浦光或反射泵浦光、透射信号光。
进一步地，所述光纤放大器的结构为泵浦与反射同向、泵浦与信号反向或双向泵浦的结构。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明公开了一种以风冷形式散热的适用于高功率包层泵浦放大的掺稀土光纤放大器结构，信号光在掺稀土光纤的纤芯中传输放大，泵浦光在掺稀土光纤的包层中传输并被纤芯吸收，用于风冷的气体在掺稀土光纤与导气管之间流动对光纤进行散热；本发明提出的光纤放大器结构通过去除掺稀土光纤不耐高温的涂覆层，利用空气或其他气体对光纤进行风冷散热，一方面，用来风冷的气体具有低折射率，能实现泵浦光在掺稀土光纤的包层中的传输；另一方面，洁净的冷空气在光纤表面流通，可以带走光纤表面的热量，对光纤实现散热，能够充分优化包层泵浦光纤放大器所能承受的热量，突破掺稀土光纤放大器可实现功率的现有限制。
附图说明
图1是现有的双包层光纤的结构示意图。
图2是本发明实施例1提供的一种风冷包层泵浦高功率光纤放大器的结构示意图。
图3是本发明实施例2提供的一种风冷包层泵浦高功率光纤放大器的结构示意图。
图4是本发明实施例3提供的一种风冷包层泵浦高功率光纤放大器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和实施例对本发明实施方式作进一步地描述。
实施例1：
请参考图2，本发明的实施例1提供了一种风冷包层泵浦高功率光纤放大器，包括第一双色镜1、第一耦合透镜2、掺稀土光纤3、夹具4和导气管5，第一双色镜1、第一耦合透镜2、掺稀土光纤3自左至右依次设置。
第一双色镜1反射中心波长为1030nm的信号光、透射中心波长为976nm的泵浦光，第一双色镜1的直径为25mm；第一耦合透镜2的直径为25mm，焦距为30mm。
掺稀土光纤3包括纤芯31和包层32，包层32位于纤芯31的外侧，纤芯31的直径为25μm，包层32的直径为250μm；导气管5套设在掺稀土光纤3的外侧，导气管5的内壁与包层32的外壁不接触，导气管5的内壁与包层32的外壁之间形成空隙51，夹具4设置在掺稀土光纤3与导气管5之间，其用于固定掺稀土光纤3，掺稀土光纤3的左端和右端分别通过多根夹具4与导气管5固定连接，夹具4的一端与包层32的外壁通过胶水粘接，夹具4的另一端与导气管5的内壁通过胶水粘接；本实施例中，导气管5为内径为8mm的玻璃导气管，夹具4可以为金属棒、玻璃棒或陶瓷棒，掺稀土光纤3的左端和右端各设置三根长度为3.875mm的夹具4。优选地，设置在掺稀土光纤3的左端或右端的夹具4与导气管5之间的粘结点组成的三角形为锐角三角形，以使掺稀土光纤3与导气管5稳定连接。
利用实施例1提供的光纤放大器传输信号光的工作过程为：中心波长为1030nm、光斑直径为2mm的准直的单模信号光首先通过第一双色镜1反射，信号光与第一双色镜1的入射角为45度，信号光经第一双色镜1反射后的出射光与入射光的夹角为90度，反射后的信号光经过第一耦合透镜2聚焦，然后耦合进入掺稀土光纤3的纤芯31中，耦合效率大于95％，第一耦合透镜2至掺稀土光纤3的光程约为30mm。
利用实施例1提供的光纤放大器传输泵浦光的工作过程为：中心波长为976nm、光斑直径为15mm的准直的多模泵浦光首先经过第一双色镜1，泵浦光与第一双色镜1的入射角为45度，泵浦光透射经过第一双色镜1，传输方向不发生变化，泵浦光再经过第一耦合透镜2聚焦，然后耦合进入掺稀土光纤3的包层32中，耦合效率大于95％。
在实施例1提供的光纤放大器工作时，从光纤放大器的信号输出端向导气管5与包层32之间的空隙51内持续注入洁净的冷空气，进入空隙51内的冷空气从信号输入端流出，冷空气在流动过程中带走掺稀土光纤3表面的热量，从信号输入端流出的热空气被排放到光纤放大器之外。
实施例2：
请参考图3，本发明的实施例2提供了一种风冷包层泵浦高功率光纤放大器，包括第一双色镜1、第一耦合透镜2、掺稀土光纤3、夹具4、导气管5、第二耦合透镜6和第二双色镜7，第一双色镜1、第一耦合透镜2、掺稀土光纤3、第二耦合透镜6和第二双色镜7自左至右依次设置。
第一双色镜1和第二双色镜7反射中心波长为1030nm的信号光、透射中心波长为976nm的泵浦光，第一双色镜1和第二双色镜7的直径为25mm；第一耦合透镜2和第二耦合透镜6的直径为25mm、焦距为30mm。
掺稀土光纤3包括纤芯31和包层32，包层32位于纤芯31的外侧，掺稀土光纤3的左端和右端分别熔接端帽8；导气管5套设在掺稀土光纤3的外侧，导气管5的中间开设小孔52，导气管5的内壁与包层32的外壁不接触，导气管5的内壁与包层32的外壁之间形成空隙51，夹具4设置在导气管5与端帽8之间，每个端帽8分别通过多根夹具4与导气管5固定连接，导气管5的内壁与端帽8的间距为1mm；本实施例中，导气管5为内径为8mm的玻璃导气管，端帽8为直径为6mm、长度为3mm的石英玻璃端帽，夹具4为螺丝。优选地，沿着每个端帽8的外侧分别均匀开设四个第一螺栓孔81，在导气管5上开设与第一螺栓孔81位置一一对应的第二螺栓孔53，将螺丝插入第一螺栓孔81和第二螺栓孔53内即将导气管5与端帽8螺栓连接。
利用实施例2提供的光纤放大器传输信号光的工作过程为：中心波长为1030nm、光斑直径为2mm的准直的单模信号光首先通过第一双色镜1反射，信号光与第一双色镜1的入射角为45度，信号光经第一双色镜1反射后的出射光与入射光的夹角为90度，反射后的信号光经过第一耦合透镜2聚焦，然后耦合进入掺稀土光纤3的纤芯31中，耦合效率大于95％，第一耦合透镜2至掺稀土光纤3的光程约为30mm；经过掺稀土光纤3放大后的信号光从掺稀土光纤3的输出端出射，首先通过第二耦合透镜6准直成为光斑直径约为2mm的准直的单模信号光，再经过第二双色镜7反射，信号光与第二双色镜7的入射角为45度，信号光经第二双色镜7反射后的出射光与入射光的夹角为90度。
利用实施例2提供的光纤放大器传输泵浦光的工作过程为：其中一路中心波长为976nm、光斑直径为15mm的准直的多模泵浦光首先经过第一双色镜1，泵浦光与第一双色镜1的入射角为45度，泵浦光透射经过第一双色镜1，传输方向不发生变化，泵浦光再经过第一耦合透镜2聚焦，然后耦合进入掺稀土光纤3的包层32中，耦合效率大于95％；另一路中心波长为976nm、光斑直径为15mm的准直的多模泵浦光从掺稀土光纤3的输出端耦合进入掺稀土光纤3的包层32中，反向泵浦首先经过第二双色镜7，泵浦光与第二双色镜7的入射角为45度，泵浦光透射经过第二双色镜7，传输方向不发生变化，泵浦光再经过第二耦合透镜6聚焦，然后耦合进入掺稀土光纤3的包层32中，耦合效率大于95％。
在实施例2提供的光纤放大器工作时，通过小孔52向导气管5与包层32之间的空隙51内持续注入结净的冷空气，进入空隙51内的冷空气从掺稀土光纤3的两端流出，冷空气在空隙51内流动的过程中带走掺稀土光纤3表面的热量，从掺稀土光纤3的两端流出的热空气被排放到光纤放大器之外。
实施例3：
请参考图4，本发明的实施例3提供了一种风冷包层泵浦高功率光纤放大器，包括光纤合束器9、掺稀土光纤3、夹具4和导气管5。
光纤合束器9由被动光纤组成，该被动光纤为常见的具有纤芯、包层(或多包层)、涂敷层结构的被动光纤，光纤合束器以多根被动光纤作为输入端，以一根包层(或多包层)非掺稀土被动光纤作为输出端，光纤合束器9的输出端通过熔接的方式与掺稀土光纤3连接。
掺稀土光纤3包括纤芯31和包层32，包层32位于纤芯31的外侧，纤芯31的直径为25μm，包层32的直径为250μm；导气管5套设在掺稀土光纤3的外侧，导气管5的内壁与包层32的外壁不接触，导气管5的内壁与包层32的外壁之间形成空隙51，夹具4设置在掺稀土光纤3与导气管5之间，其用于固定掺稀土光纤3，掺稀土光纤3的左端和右端分别通过多根夹具4与导气管固定连接，夹具4的一端与包层32的外壁通过胶水粘接，夹具4的另一端与导气管5的内壁通过胶水粘接；本实施例中，导气管5为内径为8mm的玻璃导气管，夹具4可以为金属棒、玻璃棒或陶瓷棒，掺稀土光纤3的左端和右端各设置三根长度为3.875mm的夹具4。优选地，设置在掺稀土光纤3的左端或右端的夹具与导气管5之间的粘结点组成的三角形为锐角三角形，以使掺稀土光纤3与导气管5稳定连接。
利用实施例3提供的光纤放大器传输信号光的工作过程为：信号光经光纤合束器9耦合进入掺稀土光纤3的纤芯31中。
利用实施例3提供的光纤放大器传输泵浦光的工作过程为：泵浦光经光纤合束器9耦合进入掺稀土光纤3的包层32中。
在实施例1提供的光纤放大器工作时，从光纤放大器的信号输出端向导气管5与包层32之间的空隙51内持续注入洁净的冷空气，进入空隙51内的冷空气从信号输入端流出，冷空气在流动过程中带走掺稀土光纤3表面的热量，从信号输入端流出的热空气被排放到光纤放大器之外。
图2-图4中，虚线箭头表示冷空气流动的方向。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风冷包层泵浦高功率光纤放大器，其特征在于，包括掺稀土光纤、夹具和导气管，所述掺稀土光纤由纤芯和包层组成，所述包层位于纤芯的外侧，所述导气管套设在掺稀土光纤的外侧，所述掺稀土光纤的左端和右端分别通过多根夹具与导气管固定连接，所述包层的外壁与导气管的内壁之间形成空隙，所述空隙内注入流动的气体，所述气体在空隙内流动带走掺稀土光纤表面的热量。
2.根据权利要求1所述的风冷包层泵浦高功率光纤放大器，其特征在于，所述光纤放大器还包括第一双色镜和第一耦合透镜，所述第一双色镜、第一耦合透镜和掺稀土光纤自左至右依次设置。
3.根据权利要求2所述的风冷包层泵浦高功率光纤放大器，其特征在于，所述光纤放大器还包括第二耦合透镜和第二双色镜，所述第一双色镜、第一耦合透镜、掺稀土光纤、第二耦合透镜和第二双色镜自左至右依次设置，所述导气管的中间开设小孔。
4.根据权利要求1所述的风冷包层泵浦高功率光纤放大器，其特征在于，所述光纤放大器还包括光纤合束器，所述光纤合束器与掺稀土光纤熔接，所述光纤合束器将信号光耦合入掺稀土光纤的纤芯，所述光纤合束器将泵浦光耦合入掺稀土光纤的包层。
5.根据权利要求2-4任一项所述的风冷包层泵浦高功率光纤放大器，其特征在于，所述夹具的一端与包层的外壁粘接，所述夹具的另一端与导气管的内壁粘接。
6.根据权利要求5所述的风冷包层泵浦高功率光纤放大器，其特征在于，所述夹具为金属棒、玻璃棒或陶瓷棒。
7.根据权利要求2-4任一项所述的风冷包层泵浦高功率光纤放大器，其特征在于，所述掺稀土光纤的左端和右端分别熔接端帽，所述夹具选用螺丝，在每个所述端帽上分别开设第一螺栓孔，在所述导气管上开设与第一螺栓孔位置一一对应的第二螺栓孔，所述螺丝插入第一螺栓孔和第二螺栓孔内将导气管与端帽螺栓连接。
8.根据权利要求1所述的风冷包层泵浦高功率光纤放大器，其特征在于，所述气体选用空气、氮气或惰性气体。
9.根据权利要求1所述的风冷包层泵浦高功率光纤放大器，其特征在于，所述纤芯的直径大于5μm，所述包层的直径大于100μm，所述纤芯掺杂稀土元素铒、镱、钕或钬中的任一种。
10.根据权利要求1所述的风冷包层泵浦高功率光纤放大器，其特征在于，所述掺稀土光纤为保偏光纤或非保偏光纤。
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