CN113097840A - 一种高效导波的双锥形单晶光纤增益模块及其安装方法 - Google Patents

一种高效导波的双锥形单晶光纤增益模块及其安装方法 Download PDF

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Abstract

一种高效导波的双锥形单晶光纤增益模块及其安装方法，包括双锥形单晶光纤和热沉组件；热沉组件包括热沉底座和热沉盖板；所述热沉底座上设有开口向上的空腔，空腔内设有冷却液，空腔通过热沉盖板封闭，并且其之间设有密封组件；热沉底座上设有左右贯穿的通孔，通孔与空腔连通；双锥形单晶光纤包括两侧为圆锥、中间锥点相连接的单晶主体和镀设在单晶主体外侧的金属膜层，双锥形单晶光纤穿过热沉底座两侧的通孔；本高效导波的双锥形单晶光纤增益模块及其安装方法，不仅实现对双锥形单晶光纤的高效散热，用于高功率激光的产生，而且通过包层延长双锥形单晶光纤有效长度，提高激光增益。

Description

一种高效导波的双锥形单晶光纤增益模块及其安装方法
技术领域
本发明涉及激光领域，具体涉及一种高效导波的双锥形单晶光纤增益模块及其安装方法。
背景技术
单晶光纤是由单晶材料制成的光学纤维，是一种新型的功能材料。相对于块状晶体而言，单晶光纤具有高长径比的尺寸、光波导转换效率高、增益大等优势，相对于传统光纤而言，单晶光纤具有热导率高、红外透过性好、损伤阈值高、非线性效应低等优势。这些优势使单晶光纤在高功率激光领域，特别是中红外高功率激光领域具有重大的应用前景。
但是单晶光纤在高功率激光领域的应用中也面临着一些问题。首先，单晶光纤在使用过程中，若不包层，裸纤易受空气中污染物影响进而损耗过大，另外裸纤与空气折射率相差较大，而空气折射率分布不均匀，且难以控制。若包层，则单晶光纤包层至少要满足以下几个条件：包层材料折射率要低于折射率、热膨胀系数与接近、具有良好的机械和热化学稳定性、包层和界面处相平衡和化学结构稳定。另外，制备过程对反应条件要求较高，制备工艺复杂，且难以调控包层折射率。专利CN110217981A提出了一种单晶光纤和包层的制备方法，但是其操作较为复杂，对设备要求较高。其次，由于量子亏损，单晶光纤应用在高功率激光器中，会产生大量热能，散热问题也是亟需解决的问题。专利CN 204290021U提出利用材料为Nd：YAG或YAP的单晶光纤替代传统的有源光纤，以提高激光增益介质的导热率，实现激光高功率。但是该方案并未涉及光纤包层的问题，亦未提出具体的主动散热方式。
发明内容
本发明目的在于提供一种高效导波的双锥形单晶光纤增益模块及其安装方法，不仅通过单晶光纤的双锥形结构实现对双锥形单晶光纤的高效散热，用于高功率激光的产生，而且通过包层延长双锥形单晶光纤有效长度，提高激光增益，简化实验设备和制备工艺。
为实现上述目的，本一种高效导波的双锥形单晶光纤增益模块，包括双锥形单晶光纤和热沉组件；
所述热沉组件包括热沉底座和热沉盖板；所述热沉底座上设有开口向上的空腔，空腔内设有冷却液，空腔通过热沉盖板封闭，并且其之间设有密封组件；
热沉底座上设有左右贯穿的通孔，通孔与空腔连通；
所述双锥形单晶光纤包括两侧为圆锥结构、中间锥点相连的单晶主体和镀设在单晶主体外侧的金属膜层，双锥形单晶光纤穿过热沉底座两侧的通孔。
进一步的，所述金属膜层为金膜或银膜，厚度为10-50nm。
进一步的，所述单晶主体的材料为稀土激活离子掺杂钇铝石榴石晶体、倍半氧化物晶体，或者过渡金属离子掺杂YAG晶体、蓝宝石、ZnSe晶体。
进一步的，所述热沉底座后端设有与空腔连通的出液口、前端设有与空腔连通的进液口，所述出液口和进液口内均设有内螺纹，并对应与出液接头、进液接头螺纹连接；
所述进液接头通过管路依次与冷却装置、出液接头连接并形成回路，所述进液口置于泵浦光输入端，所述出液口置于激光输出端。
进一步的，所述热沉底座的四周设有安装孔，安装孔与热沉底座的周侧开口设置。
进一步的，所述双锥形单晶光纤的长度大于30mm，直径小于1mm，两端分别镀有对激光和泵浦光的增透膜，所述通孔的直径比双锥形单晶光纤的直径大20-50微米，双锥形单晶光纤的两端位于热沉底座外侧，双锥形单晶光纤的总长度与热沉长度相等。
进一步的，所述密封组件包括密封圈，所述热沉底座上端、并位空腔外围侧设有环形凹槽，所述密封圈位于环形凹槽内；
所述热沉盖板上设有多个固定孔，热沉底座上端设有多个与固定孔对应的紧固螺纹孔，锁紧螺钉穿过固定孔、与紧固螺纹孔螺纹连接，使得热沉盖板对密封圈挤压进行密封。
进一步的，所述热沉底座和热沉盖板的材料为铝合金或者紫铜合金。
一种高效导波的双锥形单晶光纤增益模块的安装方法，具体包括以下步骤：
a.取一根直径1mm、长度50mm的Tm:YAG双锥形单晶光纤，将它抛光、超声清新、烘干；
b.采用GVC-1000离子溅射仪对双锥形单晶光纤镀膜，设置参数，包括工作电压、频率、溅射电压、最大功率、溅射电流、溅射时间、工作真空和真空速率；
c.镀膜的厚度为1-50nm，完成双锥形单晶光纤的镀膜；
d.将镀膜后的双锥形单晶光纤放入热沉底座左右贯穿的通孔中，使其中部位于与通孔连通的空腔内，并用紫外固化胶密封通孔和双锥形单晶光纤之间的缝隙；
f.将O型密封圈放置在热沉底座上端的环形凹槽内，把热沉盖板放置在热沉底座上表面，通过锁紧螺杆紧固热沉盖板，并对密封圈施加压力进行密封；
g.将带有管路的进液接头与进液口连接、出液接头与出液口连接，冷却液从进液口进入空腔，再从出液口流出至冷却装置进行冷却，冷却后的冷却液再进入空腔形成回路，进液口置于泵浦光输入端，出液口置于激光输出端，完成双锥形单晶光纤的安装。
进一步的，步骤b中参数具体为：工作电压为200-240VAC，频率为50Hz，溅射电压为DC2400V，最大功率为500W，溅射电流小于30mA，溅射时间小于600s，工作真空小于30Pa，真空速率为小于2L/s。
与现有技术相比，本一种高效导波的双锥形单晶光纤增益模块由于双锥形单晶光纤包括两侧为圆锥结构、中间锥点相连的单晶主体和镀设在单晶主体外侧的金属膜层，其锥形结构能够增加全反射次数，并且锥点在中间相互连接形成较细的节点，有助于限模作用，提高激光效率光束质量；将双锥形单晶光纤外侧进行镀膜处理，通过镀金或镀银金属，其反射率更高，延长双锥形单晶光纤有效长度，提高激光增益，降低泵浦光对模式匹配的依赖性，进而有效提高激光增益，并且双锥形单晶光纤的制作方法简单，可简化实验装置，方便操作，避免传统双锥形单晶光纤包层制备对实验设备要求较高、制备工艺复杂的问题；由于将双锥形单晶光纤穿过与空腔连通的通孔，并在空腔内设有冷却液，因此通过冷却液对导热率较高的双锥形单晶光纤进行冷却，可用于高功率激光的产生，另外冷却液从进液口进入空腔，再从出液口流出至冷却装置、空腔形成回路，因此通过对冷却液的循环利用，使得冷却更加高效。
附图说明
图1是本发明的整体爆炸图；
图2是本发明的双锥形单晶光纤示意图；
图中：1、双锥形单晶光纤，2、热沉底座，3、热沉盖板，4、密封圈，5、通孔，6、进液口，7、出液口，8、紧固螺纹孔，9、固定孔，10、安装孔，11、环形凹槽，12、空腔，13、单晶主体，14、金属膜层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示，本一种高效导波的双锥形单晶光纤增益模块包括双锥形单晶光纤1和热沉组件；
所述热沉组件包括热沉底座2和热沉盖板3；所述热沉底座2上设有开口向上的空腔12，空腔12内设有冷却液，空腔12通过热沉盖板3封闭，并且其之间设有密封组件；
热沉底座2上设有左右贯穿的通孔5，通孔5与空腔12连通；
所述双锥形单晶光纤1包括两侧为圆锥结构、中间锥点相连的单晶主体13和镀设在单晶主体13外侧的金属膜层14，双锥形单晶光纤1穿过热沉底座2两侧的通孔5。
通过两侧锥形结构相互连接的单晶主体13形成双锥形单晶光纤1，其锥形结构增加全反射次数，并且锥点在中间相互连接形成较细的节点，有助于限模作用，提高激光效率光束质量。
进一步的，所述金属膜层14为金膜或银膜，厚度为10-50nm；
进一步的，所述热沉底座2后端设有与空腔12连通的出液口7、前端设有与空腔12连通的进液口6，所述出液口7和进液口6内均设有内螺纹，并对应与出液接头、进液接头螺纹连接；
所述进液接头通过管路依次与冷却装置、出液接头连接并形成回路，所述进液口6置于泵浦光输入端，所述出液口7置于激光输出端。冷却装置可放置在冷却液罐中，冷却液罐与出液接头连接；
进一步的，所述进液口6的高度低于出液口7的高度；
进一步的，所述热沉底座2的四周设有安装孔10，安装孔10与热沉底座2的周侧开口；
进一步的，所述单晶主体13的材料为稀土激活离子掺杂钇铝石榴石晶体、倍半氧化物晶体，或者过渡金属离子掺杂YAG晶体、蓝宝石、ZnSe晶体；
其中稀土激活离子为Nd3+、Yb3+、Tm3+、Ho3+其中一种或者多种混合，钇铝石榴石晶体主要为YAG，倍半氧化物晶体为Y2O3、Sc2O3、Lu2O3，而过渡金属离子为Ti3+、Cr2+、Cr4+其中一种或者多种混合；
进一步的，所述单晶主体的长度大于30mm，直径小于1mm，通孔5的直径比双锥形单晶光纤1的直径大20-50微米，双锥形单晶光纤1的两端位于热沉底座2外侧，并分别镀有对激光和泵浦光的增透膜，双锥形单晶光纤1的总长度与热沉长度相等；
进一步的，所述热沉底座2和热沉盖板3的材料为铝合金或者紫铜合金；
进一步的，所述密封组件包括密封圈4，所述热沉底座2上端、并位空腔12外围侧设有环形凹槽11，所述密封圈4位于环形凹槽11内；
所述热沉盖板3上设有多个固定孔9，热沉底座2上端设有多个与固定孔9对应的紧固螺纹孔8，锁紧螺钉穿过固定孔9、与紧固螺纹孔8螺纹连接，使得热沉盖板3对密封圈4挤压对空腔12密封；
本一种高效导波的双锥形单晶光纤增益模块的安装方法，具体包括制作双锥形单晶光纤1和安装双锥形单晶光纤1，其中制作双锥形单晶光纤1具体包括以下步骤：
a.取一根直径1mm、长度50mm的Tm:YAG双锥形单晶光纤1，将它抛光、超声清新、烘干；
b.采用GVC-1000离子溅射仪对双锥形单晶光纤1镀膜，设置其工作电压、频率、溅射电压、最大功率、溅射电流、溅射时间、工作真空和真空速率；
c.镀膜的厚度为1-50nm，完成双锥形单晶光纤1的镀膜；
其中步骤b中参数具体包括工作电压为200-240VAC，频率为50Hz，溅射电压为DC2400V，最大功率为500W，溅射电流小于30mA，溅射时间小于600s，工作真空小于30Pa，真空速率为小于2L/s；
安装双锥形单晶光纤1，具体包括以下步骤：
d.将镀膜后的双锥形单晶光纤1放入热沉底座2左右贯穿的通孔5中，使其中部位于与通孔5连通的空腔12内，并用紫外固化胶密封通孔5和双锥形单晶光纤1之间的缝隙；
f.将O型密封圈4放置在热沉底座2上端的环形凹槽11内，把热沉盖板3放置在热沉底座2上表面，通过锁紧螺杆紧固热沉盖板3，并对密封圈4施加压力进行密封；
g.将带有管路的进液接头与进液口6连接、出液接头与出液口7连接，冷却液从进液口6进入空腔12，再从出液口7流出至冷却装置进行冷却，冷却后的冷却液再进入空腔12形成回路，进液口6置于泵浦光输入端，出液口7置于激光输出端，完成双锥形单晶光纤1的安装。另外优选的，冷却液可为冷却水。

Claims (10)

1.一种高效导波的双锥形单晶光纤增益模块，其特征在于，包括双锥形单晶光纤(1)和热沉组件；
所述热沉组件包括热沉底座(2)和热沉盖板(3)；所述热沉底座(2)上设有开口向上的空腔(12)，空腔(12)内设有冷却液，空腔(12)通过热沉盖板(3)封闭，并且其之间设有密封组件；
热沉底座(2)上设有左右贯穿的通孔(5)，通孔(5)与空腔(12)连通；
所述双锥形单晶光纤(1)包括两侧为圆锥结构、中间锥点相连的单晶主体(13)和镀设在单晶主体(13)外侧的金属膜层(14)，双锥形单晶光纤(1)穿过热沉底座(2)两侧的通孔(5)。
2.根据权利要求1所述的一种高效导波的双锥形单晶光纤增益模块，其特征在于，所述金属膜层(14)为金膜或银膜，厚度为10-50nm。
3.根据权利要求2所述的一种高效导波的双锥形单晶光纤增益模块，其特征在于，所述单晶主体(13)的材料为稀土激活离子掺杂钇铝石榴石晶体、倍半氧化物晶体，或者过渡金属离子掺杂YAG晶体、蓝宝石、ZnSe晶体。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种高效导波的双锥形单晶光纤增益模块，其特征在于，所述热沉底座(2)后端设有与空腔(12)连通的出液口(7)、前端设有与空腔(12)连通的进液口(6)，所述出液口(7)和进液口(6)内均设有内螺纹，并对应与出液接头、进液接头螺纹连接；
所述进液接头通过管路依次与冷却装置、出液接头连接并形成回路，所述进液口(6)置于泵浦光输入端，所述出液口(7)置于激光输出端。
5.根据权利要求4所述的一种高效导波的双锥形单晶光纤增益模块，其特征在于，所述热沉底座(2)的四周设有安装孔(10)，安装孔(10)与热沉底座(2)的周侧开口设置。
6.根据权利要求4所述的一种高效导波的双锥形单晶光纤增益模块，其特征在于，所述双锥形单晶光纤(1)的长度大于30mm，直径小于1mm，两端分别镀有对激光和泵浦光的增透膜，所述通孔(5)的直径比双锥形单晶光纤(1)的直径大20-50微米，双锥形单晶光纤(1)的两端位于热沉底座(2)外侧，双锥形单晶光纤(1)的总长度与热沉长度相等。
7.根据权利要求6所述的一种高效导波的双锥形单晶光纤增益模块，其特征在于，所述密封组件包括密封圈(4)，所述热沉底座(2)上端、并位空腔(12)外围侧设有环形凹槽(11)，所述密封圈(4)位于环形凹槽(11)内；
所述热沉盖板(3)上设有多个固定孔(9)，热沉底座(2)上端设有多个与固定孔(9)对应的紧固螺纹孔(8)，锁紧螺钉穿过固定孔(9)、与紧固螺纹孔(8)螺纹连接，使得热沉盖板(3)对密封圈(4)挤压进行密封。
8.根据权利要求7所述的一种高效导波的双锥形单晶光纤增益模块，其特征在于，所述热沉底座(2)和热沉盖板(3)的材料为铝合金或者紫铜合金。
9.一种高效导波的双锥形单晶光纤增益模块的安装方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
a.取一根直径1mm、长度50mm的Tm:YAG双锥形单晶光纤(1)，将它抛光、超声清新、烘干；
b.采用GVC-1000离子溅射仪对双锥形单晶光纤(1)镀膜，设置参数，包括工作电压、频率、溅射电压、最大功率、溅射电流、溅射时间、工作真空和真空速率；
c.镀膜的厚度为1-50nm，完成双锥形单晶光纤(1)的镀膜；
d.将镀膜后的双锥形单晶光纤(1)放入热沉底座(2)左右贯穿的通孔(5)中，使其中部位于与通孔(5)连通的空腔(12)内，并用紫外固化胶密封通孔(5)和双锥形单晶光纤(1)之间的缝隙；
f.将O型密封圈(4)放置在热沉底座(2)上端的环形凹槽(11)内，把热沉盖板(3)放置在热沉底座(2)上表面，通过锁紧螺杆紧固热沉盖板(3)，并对密封圈(4)施加压力进行密封；
g.将带有管路的进液接头与进液口(6)连接、出液接头与出液口(7)连接，冷却液从进液口(6)进入空腔(12)，再从出液口(7)流出至冷却装置进行冷却，冷却后的冷却液再进入空腔(12)形成回路，进液口(6)置于泵浦光输入端，出液口(7)置于激光输出端，完成双锥形单晶光纤(1)的安装。
10.根据权利要求9所述的一种高效导波的双锥形单晶光纤增益模块的安装方法，其特征在于，步骤b中参数具体为：工作电压为200-240VAC，频率为50Hz，溅射电压为DC2400V，最大功率为500W，溅射电流小于30mA，溅射时间小于600s，工作真空小于30Pa，真空速率为小于2L/s。
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