CN112366503B - 一种超连续谱激光输出装置和系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种超连续谱激光输出装置和系统，该超连续谱激光输出装置包括：一基板，基板的上表面设置有间隔分布的第一部位以及第二部位，第一部位以及第二部位相对于基板具有不同的高度；一光子晶体光纤，其呈曲线状地盘旋于所述基板的上表面，所述光子晶体光纤的输入端和输出端分别设置于所述第一部位以及第二部位处以形成高度差，所述光子晶体光纤用于通过输入端接收外部光纤传输的高峰值功率的脉冲光，并根据所述高峰值功率的脉冲光形成超连续谱激光以通过所述输出端传输给所述第二部位以通过所述第二部位向外部射出。

Description

一种超连续谱激光输出装置和系统

技术领域

本申请涉及超连续谱激光技术领域，具体而言，涉及一种超连续谱激光输出装置和系统。

背景技术

现有的光纤激光器输出装置(即输出头)设计主要适用对象为单一特定波长的光纤激光器而无法适用于高功率超连续谱光纤激光器，其原因在于，高功率超连续谱激光器的输出头构型，除需要满足输出功能，还需要实现超连续谱的产生，而目前的光纤激光器输出装置无法兼顾超连续谱产生和输出功能。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种超连续谱激光输出装置和系统，用于解决现有的光纤激光器输出装置无法兼顾超连续谱产生和输出功能的问题。

第一方面，本发明实施例提供一种超连续谱激光输出装置，包括：一基板，所述基板的上表面设置有间隔分布的第一部位以及第二部位，所述第一部位以及第二部位相对于所述基板具有不同的高度；一光子晶体光纤，其呈曲线状地盘旋于所述基板的上表面，所述光子晶体光纤的输入端和输出端分别设置于所述第一部位以及第二部位处以形成高度差，所述光子晶体光纤用于通过输入端接收外部铠装光纤传输的高峰值功率的脉冲光，并根据所述高峰值功率的脉冲光形成超连续谱激光以通过所述输出端传输给所述第二部位以通过所述第二部位向外部射出。

在上述设计的超连续谱激光输出装置中，在基板上设置间隔分布并且相对于基板具有不同高度的第一部位和第二部位，然后在基板的上表面上设置光子晶体光纤，将光子晶体光纤的输入端和输出端分别设置于第一部位和第二部位以形成高度差，通过光子晶体光纤的输入端接收外部光纤传输的高峰值功率的脉冲光，并根据所述高峰值功率的脉冲光形成超连续谱激光并通过其输出端向外部发射从而实现了超连续谱激光的生成以及输出，解决了现有的光纤激光器输出装置无法提供兼顾超连续谱产生和输出的问题，使得设计的超连续谱激光输出装置具有兼顾超连续谱产生以及超连续谱输出的结构构型；同时，第二部位与基板具有一定高度使得产生的超连续谱激光可以无遮挡有效射出，且不对超连续谱输出头的其他部位造成损伤；并且光子晶体光纤的输入端与输出端间隔分布并且具有一定的高度差，使得整个输出装置产生的温度分散分布避免高温相互影响。

在第一方面的可选实施方式中，所述基板上设置有凹槽结构，所述凹槽结构的一端为所述第一部位，所述凹槽结构的另一端为所述第二部位，所述光子晶体光纤设置于所述凹槽结构内。

在第一方面的可选实施方式中，所述凹槽结构的底壁相对于所述基板的上表面的高度向靠近所述第二部位的方向逐渐增大或者降低。

在第一方面的可选实施方式中，所述凹槽结构包括依次连接的第一段槽和第二段槽，所述第一段槽的端部为所述第一部位，所述第二段槽的端部为所述第二部位，所述第一段槽相对于所述基板的高度不变，所述第二段槽相对于所述基板的上表面的高度向靠近所述第二部位的方向逐渐升高或降低。

在第一方面的可选实施方式中，所述凹槽结构呈螺旋曲线状布置于所述基板的上表面，所述光子晶体光纤设置于呈螺旋曲线状的所述凹槽结构内。

在上述设计的多种实施方式中，通过凹槽结构设计使得光子晶体光纤的输入端、跑道以及输出端实现发热区域分散分布，进而避免高温互相影响。

在第一方面的可选实施方式中，所述第一部位包括模场匹配器和输入口，所述模场匹配器设置于所述光子晶体光纤的输入端和所述输入口之间，所述模场匹配器的输入端与所述输入口连接，所述模场匹配器的输出端与所述光子晶体光纤的输入端连接，所述输入口用于与外部光纤连接以接收高峰值功率的脉冲光，所述模场匹配器用于连接所述光子晶体光纤和所述外部光纤并实现模场匹配。

在上述设计的实施方式中，通过模场匹配器将外部铠装光纤与光子晶体光纤进行模场匹配进而解决因直接熔接或机械耦合带来的稳定性不高以及耦合效率偏低等问题，提高光纤的耦合效率同时也使得外部光纤的可移动范围增大并且改善外部铠装光纤使用光子晶体光纤存在的发热量高和脆弱易折的问题。

在第一方面的可选实施方式中，所述超连续谱激光输出装置还包括制冷结构，所述制冷结构设置于所述基板的内部。

在第一方面的可选实施方式中，所述制冷结构包括入水口、出水口以及制冷水道，所述入水口和出水口开设在所述基板的侧壁面，所述制冷水道开设在所述基板的内部并与所述基板的上表面的光子晶体光纤位置对应，所述制冷水道的两端分别与所述入水口和出水口连接，以实现水循环制冷。

在上述设计的两种实施方式中，在设计凹槽结构使得光子晶体光纤的输入端、跑道以及输入端的区域分散分布的情况下，通过制冷结构覆盖模场匹配器、输入端、跑道以及输入端，进而实现分区冷却。

在第一方面的可选实施方式中，所述光子晶体光纤的输出端设置有一包层功率剥离器，所述包层功率剥离器设置于所述光子晶体光纤的输出端的端面之前，以用于剥除包层光以及包层中的返回光。

在上述设计的实施方式中，将光子晶体光纤的输出端设计包层功率剥离器来有效剥离包层光以及包层中回光，防止损伤前级机构。

第二方面，本发明实施例提供一种超连续谱激光输出系统，所述超连续谱激光输出系统包括如前述实施方式中任一项所述的超连续谱激光输出装置、外部铠装光纤以及高峰值功率的脉冲光发生器，所述外部铠装光纤的第一端与所述第一部位连接，所述外部铠装光纤的另一端与所述高峰值功率的脉冲光发生器连接，所述外部铠装光纤用于将所述高峰值功率的脉冲光发生器产生的高峰值功率的脉冲光传输给所述第一部位以使所述第一部位传输给所述光子晶体光纤。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的超连续谱激光输出装置的整体结构第一示意图；

图2为本申请实施例提供的超连续谱激光输出装置的整体结构第二示意图；

图3为本申请实施例提供的超连续光谱激光输出装置的部分结构第一示意图；

图4为本申请实施例提供的超连续光谱激光输出装置的部分结构第二示意图；

图5为本申请实施例提供的超连续光谱激光输出装置的部分结构第三示意图；

图6为本申请实施例提供的超连续光谱激光输出装置的部分结构第四示意图；

图7为本申请实施例提供的光子晶体光纤输出端结构示意图；

图8为本申请实施例提供的防护罩的结构示意图；

图9为本申请实施例提供的超连续光谱激光输出系统的结构示意图。

图标：1-超连续谱激光输出装置；2-外部铠装光纤；3-高峰值功率的脉冲光发生器；10-基板；20-光子晶体光纤；201-输出端的端面；101-第一部位；1011-脉冲光输入口；1012-模场匹配器；102-第二部位；103-凹槽结构；1031-第一段槽；1032-第二段槽；104-凸起结构；105-空缺部；30-制冷结构；301-入水口；302-出水口；303-制冷水道；40-包层功率剥离器；50-防护罩；501-第一开口；502-第二开口。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

第一实施例

如图1、图2、图3以及图4所示，本申请实施例提供一种超连续谱激光输出装置，该超连续谱激光输出装置即为超连续谱激光输出头，用于接收外部铠装光纤传输的高峰值功率的脉冲光，通过高峰值功率的脉冲光泵浦光子晶体光纤产生超连续谱激光并且将产生的超连续谱激光输出。该超连续谱激光输出装置包括一基板10以及光子晶体光纤20，该基板10的上表面设置有间隔分布的第一部位101和第二部位102，该第二部位102可表示为该输出装置产生的超连续谱激光的输出口，该光子晶体光纤20的输出端设置于该第二部位102。

此时，第一部位101的设置包含有以下两种情况：第一，当外部铠装光纤与光子晶体光纤20的型号相同时，也就是外部铠装内的光纤也为光子晶体光纤时，该第一部位101可为输出装置的脉冲光输入口1011，此时光子晶体光纤20的输入端可直接与外部铠装光纤通过脉冲光输入口1011连接，该光子晶体光纤20可直接接收来自外部铠装光纤传输的高峰值功率的脉冲光，进而在内部形成超连续谱激光，进而通过设置于第二部位102的输出端向外部射出。

第二，为了避免外部铠装光纤内的传输光纤直接采用光子晶体光纤而存在的发热量高并且脆弱易折的问题进而提高传输效率以及耐用性，可设计外部铠装光纤为商用无源光纤作为铠装的传输光纤，而此时外部光纤的型号与光子晶体光纤的型号不同而需要进行耦合，此时则需要设置模场匹配器来将外部铠装光纤与光子晶体光纤20连接，此时，该第一部位101可包含有脉冲光输入口1011和模场匹配器1012，该光子晶体光纤的输入端通过模场匹配器1012和脉冲光输入口1011与外部铠装光纤连接。此时，外部铠装光纤输入的高峰值功率的脉冲光经过模场匹配器1012的过渡，注入到该光子晶体光纤20，最终形成超连续谱激光并通过放置于第二部位102处的输出端将生成超连续谱激光输出。

在基于上述两种方式实现超连续谱激光产生和输出的过程中，由于光子晶体光纤20的输出端相对于基板10的上表面具有一定的高度差，因此，产生的超连续谱激光可以无遮挡有效射出，且不对超连续谱输出头的其他部位造成损伤；并且光子晶体光纤20的输入端与输出端间隔分布并且具有一定的高度差，使得整个输出装置产生的温度分散分布避免高温相互影响。

上述设计的超连续谱激光输出装置，在基板10上设置间隔分布并且相对于基板具有不同高度的第一部位和第二部位，然后在基板的上表面上设置光子晶体光纤20，将光子晶体光纤的输入端和输出端分别设置于第一部位和第二部位以形成高度差，通过光子晶体光纤20的输入端接收外部光纤传输的高峰值功率的脉冲光，并根据所述高峰值功率的脉冲光形成超连续谱激光并通过其输出端向外部发射从而实现了超连续谱激光的生成以及输出，解决了现有的光纤激光器输出装置无法提供兼顾超连续谱产生和输出的问题，使得设计的超连续谱激光输出装置具有兼顾超连续谱产生以及超连续谱输出的结构构型；同时，第二部位与基板具有一定高度使得产生的超连续谱激光可以无遮挡有效射出，且不对超连续谱输出头的其他部位造成损伤；并且光子晶体光纤的输入端与输出端间隔分布并且具有一定的高度差，使得整个输出装置产生的温度分散分布避免高温相互影响。

在本实施例的可选实施方式中，该基板10上设置有凹槽结构103，该凹槽结构103可为如图1、图2、图3以及图4所示的呈螺旋曲线状布置于基板10的上表面，当然也可以呈现其他曲线盘旋状，例如“8”字形的曲线盘旋状等；该凹槽结构103的一端设置有该第一部位101，该凹槽结构103的另一端设置有该第二部位102，该光子晶体光纤20可设置于该凹槽结构103内并且其输入端设置于该第一部位101处，其输出端设置于该第二部位102处；另外，当第一部位101包含有脉冲光输入口1011和模场匹配器1012时，脉冲光输入口为该凹槽结构103的一端部，该模场匹配器1012也设置于该凹槽结构103内并且位于凹槽结构103内的模场匹配器1012也是设置在该脉冲光输入口1011与光子晶体光纤20之间，具体的，模场匹配器1012的输入端与该脉冲光输入口1011连接，该模场匹配器1012的输出端与同样设置在凹槽结构103内的光子晶体光纤20的输入端连接。

具体的，该凹槽结构103可有多种设计，例如，该凹槽结构103可包括第一段槽1031和第二段槽1032，第一段槽1031和第二段槽1032依次连接，该第一段槽1031的端部也就是除第一段槽1031和第二段槽1032连接端的另一端部除设置有该第一部位101，该第二段槽1032的端部也就是除第一段槽1031和第二段槽1032连接端的另一端部位该第二部位102，该第一段槽1031可为基于基板10的上表面进行的凹槽设计，其凹槽的底壁相对于基板10上表面的高度保持不变，第二段槽1032的底壁相对于基板10的上表面的高度可设置为向靠近第二部位102方向逐渐升高或降低；具体的，如图2中所示，该基板10上可设置一凸起结构104，该凸起结构104从第一段槽1031的另一端部(非第一部位101)起逐步升高，该第二段槽1032可设置于该凸起结构104的上表面以实现第二段槽1032的底壁相对于基板10的上表面的高度向靠近第二部位102方向逐渐升高，当然如果需要设计成逐渐降低的话可将该凸起结构104设计成逐渐降低的形式。

在上述设计的情况下，光子晶体光纤20可一部分设置于第一段槽1031内，另一部分设置于第二段槽1032内，使得光子晶体光纤20能够分散设置并且通过凸起结构104和第二段槽1032将光子晶体光纤20的输出端挑高并进行架设，使得设计的输出装置输出的激光能够无障碍射出。

在本实施例的可选实施方式中，凹槽结构103除了上述设计以外，还能够使得凸起结构104承载整个凹槽结构103，也就是说整个凹槽结构103就是朝着第二部位102方向呈逐步上升或逐步降低的结构，无需向前述的方式一下将一部分凹槽的高度保持不变，这种凹槽结构的设计方式也在本申请的保护范围内。

在本实施例的可选实施方式中，由于在接收高峰值功率的脉冲光、生成超连续谱激光以及出射超连续谱激光时都会产生大量的热能，为了实现本方案设计的超连续谱激光输出装置的有效冷却，避免高温影响进而实现耐受功率高的超连续谱激光输出装置，可如图5和图6所示在上述设计的超连续谱激光输出装置基础上设计制冷结构30，该制冷结构30可设置在该基板10内，具体的，该制冷结构30包括入水口301、出水口302以及制冷水道303，该入水口301和出水口302开设在该基板10的侧壁面上，该制冷水道303开设在该基板10的内部并且可位于基板10上表面的光子晶体光纤的下方，该制冷水道303的两端可分别与入水口301和出水口302连接，进而在进行通水时可实现水循环制冷。

具体的，在设计的超连续谱激光输出装置中，模场匹配器1012以及凸起结构104上的输出端产生的热量是最多的，因此，当激光输出装置的输出功率需求较小时(例如小于200W)，可如图6所示将制冷水道303主要设置于模场匹配器1012以及光子晶体光纤20的输出端的下方以实现冷却。而当激光输出装置的输出功率需求较大时(如大于200W)，当光子晶体光纤20设置于呈螺旋曲线状的凹槽结构103内，那么对应的制冷水道303也可以设置成曲线状并且与凹槽结构103位置相对应来实现所有机构的分区冷却(图中未画出)，当其这样设计时还可以将模场匹配器1012以及光子晶体光纤20的输出端下方的制冷水道303的水流量设计成大于其余部分的水流量，这样可以实现不同分区的不同程度化的冷却效果。

在本实施例的可选实施方式中，如图7所示，光子晶体光纤20的输出端的端面201为斜八度并且可以在光子晶体光纤20的输出端的端面201之前在光子晶体光纤20中设计一包层功率剥离器40(Cladding Power Stripper，CPS)来有效剥离回光，防止损伤前级机构并且可以降低端面温度防止过热受损。

在本实施例的可选实施方式中，为了使得本方案设计的超连续谱激光输出装置更加小型轻量化，如图1所示，可将基板10中央除凹槽结构103、凸起结构104以及光子晶体光纤20的部分以外进行挖空以形成空缺部105，以减少设计的超连续谱激光输出装置的重量，实现小型轻量化设计。

在本实施例的可选实施方式中，为了使得设计的超连续谱激光输出装置不会被外部灰尘所干扰同时也不容易被误触造成损坏，如图8所示，可设计一防护罩50，该防护罩50可与基板的形状对应并且该防护罩50上可开设有第一开口501以及第二开口502，在该防护罩50与基板进行连接时第一开口501的位置与第一部位101的位置对应，第二开口502的位置与第二部位102的位置对应，以避免频繁打开防护罩，方便操作。

结合上述所有实施方式设计得到的超连续谱激光输出装置，通过凸起结构104以及凹槽结构103使得模场匹配器1012、光子晶体光纤20等产生热能的区域分散分布，制冷结构30覆盖模场匹配器1012和光子晶体光纤20，进而实现分区冷却，避免高温相互影响；同时在光子晶体光纤20的输出端设计CPS剥离回光，有效降低端冒承受功率的压力及温度；在超连续谱激光输出装置中引入模场匹配器1012，避免外部铠装光纤使用光子晶体光纤进而出现脆弱易折的问题，同时挖空基板10的中间部分，实现小型轻量化，设计防护罩，防尘防触，避免误触造成的损坏，在防护罩上设计开光出光口，避免频繁打开防护罩，方便操作。

第二实施例

本申请提供一种超连续谱激光输出系统，如图9所示，其包括第一实施例中任一实施方式所描述的超连续谱激光输出装置1、外部铠装光纤2以及高峰值功率的脉冲光发生器3，该高峰值功率的脉冲光发生器3通过外部铠装光纤2与超连续谱激光输出装置1进行连接，该高峰值功率的脉冲光发生器3用于产生高峰值功率的脉冲光然后通过该外部铠装光纤2传输给超连续谱激光输出装置1进而通过超连续谱激光输出装置1生成超连续谱激光进行输出，其中，在超连续谱激光输出装置1中采用模场匹配器1012的前提下，该外部铠装光纤2可使用商用无源光纤作为铠装的传输光纤进而防止采用光子晶体光纤作为铠装光纤存在的容易发热和脆弱易折的问题。

在本实施例的可选实施方式中，该超连续谱激光输出系统还可以包括一卡扣结构，该卡扣结构设置在超连续谱激光输出装置1中的第一部位101处，以用于将外部铠装光纤2和第一部位101紧密连接。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，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申请中的具体含义。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超连续谱激光输出装置，其特征在于，包括：

一基板，所述基板的上表面设置有间隔分布的第一部位以及第二部位，所述第一部位以及第二部位相对于所述基板具有不同的高度；所述基板上设置有凹槽结构，所述凹槽结构的一端为所述第一部位，所述凹槽结构的另一端为所述第二部位，光子晶体光纤设置于所述凹槽结构内；所述凹槽结构的底壁相对于所述基板的上表面的高度向靠近所述第二部位的方向逐渐增大或者降低；

一光子晶体光纤，其呈曲线状地盘旋于所述基板的上表面，所述光子晶体光纤的输入端和输出端分别设置于所述第一部位以及第二部位处以形成高度差，所述光子晶体光纤用于通过输入端接收外部光纤传输的高峰值功率的脉冲光，并根据所述高峰值功率的脉冲光形成超连续谱激光以通过所述输出端传输给所述第二部位以通过所述第二部位向外部射出。

2.根据权利要求1所述的超连续谱激光输出装置，其特征在于，所述凹槽结构包括依次连接的第一段槽和第二段槽，所述第一段槽的端部为所述第一部位，所述第二段槽的端部为所述第二部位，所述第一段槽相对于所述基板的高度不变，所述第二段槽相对于所述基板的上表面的高度向靠近所述第二部位的方向逐渐升高或降低。

3.根据权利要求1所述的超连续谱激光输出装置，其特征在于，所述凹槽结构呈螺旋曲线状布置于所述基板的上表面，所述光子晶体光纤设置于呈螺旋曲线状的所述凹槽结构内。

4.根据权利要求1所述的超连续谱激光输出装置，其特征在于，所述第一部位包括模场匹配器和输入口，所述模场匹配器设置于所述光子晶体光纤的输入端和所述输入口之间，所述模场匹配器的输入端与所述输入口连接，所述模场匹配器的输出端与所述光子晶体光纤的输入端连接，所述输入口用于与外部光纤连接以接收高峰值功率的脉冲光，所述模场匹配器用于连接所述光子晶体光纤和所述外部光纤并实现模场匹配。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的超连续谱激光输出装置，其特征在于，所述超连续谱激光输出装置还包括制冷结构，所述制冷结构设置于所述基板的内部。

6.根据权利要求5所述的超连续谱激光输出装置，其特征在于，所述制冷结构包括入水口、出水口以及制冷水道，所述入水口和出水口开设于所述基板的侧壁面，所述制冷水道开设于所述基板的内部并与所述基板的上表面的光子晶体光纤位置对应，所述制冷水道的两端分别与所述入水口和出水口连接，以实现水循环制冷。

7.根据权利要求1所述的超连续谱激光输出装置，其特征在于，所述光子晶体光纤的输出端设置有一包层功率剥离器，所述包层功率剥离器设置于所述光子晶体光纤的输出端的端面之前，以用于剥除包层光以及包层中的返回光。

8.一种超连续谱激光输出系统，其特征在于，所述超连续谱激光输出系统包括如权利要求1至7中任一项所述的超连续谱激光输出装置、外部光纤以及高峰值功率的脉冲光发生器，所述外部光纤的第一端与所述第一部位连接，所述外部光纤的另一端与所述高峰值功率的脉冲光发生器连接，所述外部光纤用于将所述高峰值功率的脉冲光发生器产生的高峰值功率的脉冲光传输给所述第一部位以使所述第一部位传输给所述光子晶体光纤。

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