CN113193466A - 高功率准直输出隔离器和光纤激光系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种高功率准直输出隔离器和光纤激光系统，该高功率准直输出隔离器设置于光纤激光器的外部；高功率准直输出隔离器包括：光纤准直器和隔离模块；光纤准直器用于增大光纤激光器输出光束的光斑面积；隔离模块用于将光斑面积增大后的光束进行正向传输，还用于将反向传输的光束进行隔离。本发明实施例提供的高功率准直输出隔离器，通过光纤准直器将光纤激光器输出光束的光斑面积增大，从而降低功率密度，防止光纤端面和后面各个晶体元件的端面由于承受不了过高的功率密度而损坏；同时，通过设置相应的隔离模块使得在正向和反向的光束都能顺利透过隔离模块，不会因为光纤准直器输出光的偏心误差而挡光。

Description

高功率准直输出隔离器和光纤激光系统

技术领域

本发明实施例涉及光学技术领域，尤其涉及一种高功率准直输出隔离器和光纤激光系统。

背景技术

随着光纤激光器的应用范围越来越广泛，激光器的输出功率也不断提升。例如，在早期的实验室测试使用中，500mW的激光器就可以满足使用，而如今要应用在500米、1000米、2000米甚至更远的距离上，激光器的功率就要提升到5W、10W、20W甚至更高。激光器输出功率的提升就会使外界反射回光也增强，而回光会导致激光器功率变弱、性能不稳定甚至烧坏内部器件等问题。

现有技术中，隔离回光的方法是在激光器内部接入在线隔离器，防止回光从输出端反向传输至掺杂光纤中。

然而，在激光器内部接入在线隔离器，只能对已经反射回激光器内部的光进行隔离，不能从根本上杜绝外界的回光进入激光器内部；且由于体积、结构等原因只能承受500mw的功率，而高功率光纤激光器光路需要多级放大，掺杂光纤与输出端之间功率会提升至5W及更高，这会导致在线隔离器发热，损耗变大，极易损坏。

发明内容

本发明提供一种高功率准直输出隔离器和光纤激光系统，可以避免激光器受到回光的干扰，且该高功率准直输出隔离器散热效果好，承受功率高。

第一方面，本发明实施例提供了一种高功率准直输出隔离器，该高功率准直输出隔离器设置于光纤激光器的外部；所述高功率准直输出隔离器包括：光纤准直器和隔离模块；

所述光纤准直器用于增大所述光纤激光器输出光束的光斑面积；

所述隔离模块用于将光斑面积增大后的光束进行正向传输，还用于将反向传输的光束进行隔离。

可选的，所述光纤准直器包括光纤头和第一透镜；

所述光纤头包括第一光纤和第二光纤；所述第一光纤的纤芯直径小于所述第二光纤的纤芯直径。

可选的，所述隔离模块的通光区域范围大于等于2.5mm小于等于3mm。

可选的，所述隔离模块包括第一双折射晶体、法拉第旋光器和第二双折射晶体；

所述法拉第旋光器包括磁环和法拉第旋光片；

所述第一双折射晶体的边长为W1，2.5mm≤W1≤3mm；

所述法拉第旋光片的边长为W2，2.5mm≤W2≤3mm；

所述第二双折射晶体的边长为W3，2.5mm≤W3≤3mm。

可选的，所述隔离模块包括第一双折射晶体、法拉第旋光器和第二双折射晶体；所述隔离模块还包括第一环状散热结构、第二环状散热结构、第一粘结结构和第二粘结结构；

所述法拉第旋光器包括磁环和法拉第旋光片；所述磁环环绕所述法拉第旋光片；

所述第一环状散热结构环绕所述第一双折射晶体设置；

所述第二环状散热结构环绕所述第二双折射晶体设置；

所述第一环状散热结构和所述磁环通过所述第一粘结结构连接；

所述第二环状散热结构和所述磁环通过所述第二粘结结构连接。

可选的，所述隔离模块还包括第三粘结结构和第四粘结结构；

所述第三粘结结构位于所述第一双折射晶体的顶点处；所述第一双折射晶体和所述第一环状散热结构通过所述第三粘结结构连接；

所述第四粘结结构位于所述第二双折射晶体的顶点处；所述第二双折射晶体和所述第二环状散热结构通过所述第四粘结结构连接。

可选的，还包括扩束模块；所述扩束模块用于将所述隔离模块进行正向传输的第一光束扩束成第二光束；

其中，所述第一光束的束腰半径小于第二光束的束腰半径；所述第一光束的发散角大于所述第二光束的发散角。

可选的，所述高功率准直输出隔离器包括1550nm高功率准直输出隔离器。

第二方面，本发明实施例还提供了一种光纤激光系统，该光纤激光系统包括光纤激光器以及第一方面所述的高功率准直输出隔离器；

所述光纤激光器与所述高功率准直输出隔离器的光纤准直器通过第三光纤熔接。

可选的，所述光纤激光器用于输出1550nm激光，且所述激光的功率大于500mw。

本发明实施例提供的技术方案，通过将高功率输出隔离器设置于光纤激光器的外部，可以从根本上杜绝外界的回光进入激光器的内部；且通过光纤准直器将光纤激光器输出光束的光斑面积增大，降低功率密度，可以防止光纤端面和后面各个晶体元件的端面由于承受不了过高的功率密度而损坏，使得该隔离器可以承受高功率；同时，通过设置相应的隔离模块使得在正向传输的光束和反向传输的光束都能顺利透过隔离模块，不会造成光束被阻挡的问题，也不会因为光纤准直器输出光的偏心误差而挡光；且该隔离模块的尺寸增大，使得该隔离器具有较好的散热效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种高功率准直输出隔离器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的又一种高功率准直输出隔离器的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种第一双折射晶体的立体图；

图4是本发明实施例提供的一种法拉第旋光片的立体图；

图5是本发明实施例提供的一种第二双折射晶体的立体图；

图6是本发明实施例提供的又一种高功率准直输出隔离器的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的一种第一双折射晶体和第一环状散热结构的侧视图；

图8是本发明实施例提供的一种第二双折射晶体和第二环状散热结构的侧视图；

图9是本发明实施例提供的又一种高功率准直输出隔离器的结构示意图；

图10是本发明实施例提供的一种光纤激光系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是本发明实施例提供的一种高功率准直输出隔离器的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的高功率准直输出隔离器100设置于光纤激光器200的外部；高功率准直输出隔离器100包括：光纤准直器10和隔离模块20；光纤准直器10用于增大光纤激光器200输出光束的光斑面积；隔离模块20用于将光斑面积增大后的光束进行正向传输，还用于将反向传输的光束进行隔离。

其中，光纤激光器200的中心波长例如可以为1550nm。该光纤激光器200例如可以为高功率光纤激光器，其功率例如可以大于500mW，例如可以为5W、10W、20W等，如此，可以实现远距离传输。

本技术方案中，将高功率准直输出隔离器100设置于光纤激光器200的外部，一方面，防止回光反向传输至光纤激光器200中，可以从根本上杜绝外界的回光进入光纤激光器200内部，避免当隔离器位于激光器内部时，隔离器只能对已经反射回激光器内部的光进行隔离，不能从根本上杜绝外界的回光进入激光器内部的问题；另一方面，通过高功率准直输出隔离器100中的光纤准直器10将光纤激光器200输出较高功率的光束的光斑面积增大，使得输出的高斯光束的束腰直径变大，降低功率密度，防止光纤端面和隔离模块20的端面由于承受不了过高的功率密度而损坏；也就是说，由于高功率准直输出隔离器100设置于光纤激光器200的外部，且对光纤激光器200输出的光束进行放大处理，即便光纤激光器200输出光束的功率过高，也不会导致高功率准直输出隔离器100发热，损耗变大，出现损坏的问题。且本实施例通过对隔离模块20进行相应的处理，例如增大隔离模块20的尺寸，使得光斑面积增大后的正向光束以及反向的光束都能顺利透过隔离模块20，不会因为光斑变大而导致部分光束被阻挡的问题；且具有更好的散热效果。

可选的，图2是本发明实施例提供的又一种高功率准直输出隔离器的结构示意图，如图2所示，光纤准直器10包括光纤头11和第一透镜12；光纤头11包括第一光纤和第二光纤；第一光纤的纤芯直径小于第二光纤的纤芯直径。

示例性的，第一光纤的纤芯直径为10μm，第二光纤的纤芯直径为105μm，光束在第一光纤输入到第二光纤之后，因为第二光纤的纤芯直径变大，使得出射的光斑面积变大，从而降低功率密度，防止光纤端面和后面各个元件的端面由于承受不了过高的功率密度而损坏。

需要说明的是，第一光纤的纤芯直径和第二光纤的纤芯直径包括但不限于上述示例，本领域技术人员可以根据实际情况选择第一光纤和第二光纤的类型，本实施例不做具体限定。

可选的，隔离模块20的通光区域范围大于等于2.5mm小于等于3mm。

考虑到，现有隔离器芯的直径仅有零点几毫米，当光纤准直器10将光纤激光器200输出光束的光斑面积增大之后，会出现挡光的问题。本实施例通过将隔离模块20的尺寸增大，例如，尺寸增大后的隔离模块20的通光区域范围在2.5mm和3mm之间，既可以使得光斑面积增大后的正向光束以及反向的光束都能顺利透过隔离模块20，还可以避免因为光纤准直器10输出光的偏心误差而挡光的问题，同时当隔离模块20的尺寸增大之后，还可以提高隔离模块20的散热效果。此外，将隔离模块20的通光区域范围限制在2.5mm和3mm之前，即隔离模块20的尺寸不会太大，如此，还可以最大限度内节省材料成本。

可选的，继续参见图2，隔离模块20包括第一双折射晶体21、法拉第旋光器22和第二双折射晶体23；法拉第旋光器22包括磁环221和法拉第旋光片222。

其中，第一双折射晶体21和第二双折射晶体23例如可以包括楔形的铌酸锂或钒酸钇晶体等可以起到分光作用的双折射晶体。

具体的，高功率光纤激光器200的输出端即为光纤准直器10，光纤准直器10将光纤激光器200输出光束的光斑面积增大之后，光纤准直器10输出的光束进入第一双折射晶体21会双折射成两束偏振方向互相垂直的o光和e光，然后o光和e光进入法拉第旋光器22中。法拉第旋光器22由磁环221和法拉第旋光片222构成，法拉第旋光器22使o光和e光的偏振方向发生45°的旋转，而第一双折射晶体21和第二双折射晶体23的光轴夹角也是45°。于是，原来的o光经过45°旋转进入第二双折射晶体23后仍是o光，原来的e光仍是e光，两束光经过第二双折射晶体23后重新合束为平行光，实现了正向传输作用。外界反射回光进入第二双折射晶体23中，双折射成o光和e光，这两束光经过法拉第旋光器22后偏振方向发生45°旋转。法拉第旋光方向只与磁环221的磁场方向有关，而与光的传输方向无关，所以反向的o光和e光经过法拉第旋转后偏振方向相对于第一双折射晶体21的光轴方向有了90°的夹角，于是o→e，e→o，两束光继续偏折，间距进一步加大，无法进入光纤准直器10中，实现了反向光隔离的作用。

可选的，图3是本发明实施例提供的一种第一双折射晶体的立体图，图4是本发明实施例提供的一种法拉第旋光片的立体图，图5是本发明实施例提供的一种第二双折射晶体的立体图，如图3、图4和图5所示，第一双折射晶体21的边长为W1，2.5mm≤W1≤3mm；法拉第旋光片222的边长为W2，2.5mm≤W2≤3mm；第二双折射晶体23的边长为W3，2.5mm≤W3≤3mm。

考虑到，光纤准直器10输出的高斯光束的束腰直径1/e2会变大，例如由100μm左右变成350μm左右。现有技术中常用的1550nm隔离器芯通光区域为800μm左右，而o光直径加e光直径再加上两束光的间距要大于800μm，反向传输时o光和e光两次偏折，间距更大，所以会有部分光束被阻挡。因此，本实施例中，将第一双折射晶体21、法拉第旋光器22和第二双折射晶体23的尺寸相应变大，可选的，第一双折射晶体21的边长为W1，2.5mm≤W1≤3mm；法拉第旋光器22的边长为W2，2.5mm≤W2≤3mm；第二双折射晶体23的边长为W3，2.5mm≤W3≤3mm，即不会因为第一双折射晶体21、法拉第旋光器22和第二双折射晶体23的尺寸过小会导致部分光束被阻挡，也不会因为第一双折射晶体21、法拉第旋光器22和第二双折射晶体23的尺寸过大而导致材料的浪费，因此，本实施例较佳的设置第一双折射晶体21的边长为W1，2.5mm≤W1≤3mm；法拉第旋光器22的边长为W2，2.5mm≤W2≤3mm；第二双折射晶体23的边长为W3，2.5mm≤W3≤3mm，以在保证正向和反向的光束都能顺利透过各个晶体元件的同时，也不会因为光纤准直器10输出光的偏心误差而挡光，同时在最大限度内节省材料成本。

示例性的，第一双折射晶体21的边长W1为2.5mm；法拉第旋光器22的边长W2为2.5mm；第二双折射晶体23的边长W3为2.5mm。

可选的，图6是本发明实施例提供的又一种高功率准直输出隔离器的结构示意图，如图6所示，隔离模块20还包括第一环状散热结构24、第二环状散热结构25、第一粘结结构26和第二粘结结构27；隔离模块20包括第一双折射晶体21、法拉第旋光器22和第二双折射晶体23；法拉第旋光器22包括磁环221和法拉第旋光片222；磁环221环绕法拉第旋光片222；第一环状散热结构24环绕第一双折射晶体21设置；第二环状散热结构25环绕第二双折射晶体23设置；第一环状散热结构24和磁环221通过第一粘结结构26连接；第二环状散热结构25和磁环221通过第二粘结结构27连接。

其中，第一环状散热结构24和第二环状散热结构25的材料例如可以为铜。需要说明的是，第一环状散热结构24和第二环状散热结构25的材料包括但不限于铜，只要可以起到散热的效果即可。

本实施例中，将隔离模块20中的第一双折射晶体21、法拉第旋光器22和第二双折射晶体23分别装配，将第一双折射晶体21装在散热更好的第一环状散热结构24内，将第二双折射晶体23装在散热更好的第二环状散热结构25内，将法拉第旋光片222单独装在磁环221内。然后，再分别将第一环状散热结构24和磁环221通过第一粘结结构26连接，以及将第二环状散热结构25和磁环221通过第二粘结结构27连接，由于第一双折射晶体21、法拉第旋光片222和第二双折射晶体23之间未设置胶层，且第一双折射晶体21和第二双折射晶体23外侧均设置有散热较好的散热结构，所以本发明实施例提供的隔离模块具有很好的散热效果，避免因功率过大，温度过高而损坏晶体元件。

可选的，图7是本发明实施例提供的一种第一双折射晶体和第一环状散热结构的侧视图，图8是本发明实施例提供的一种第二双折射晶体和第二环状散热结构的侧视图，如图7和图8所示，隔离模块20还包括第三粘结结构28和第四粘结结构29；第三粘结结构28位于第一双折射晶体21的顶点处；第一双折射晶体21和第一环状散热结构24通过第三粘结结构28连接；第四粘结结构29位于第二双折射晶体23的顶点处；第二双折射晶体23和第二环状散热结构25通过第四粘结结构29连接。也就是说，在将第一双折射晶体21和第一环状散热结构24粘结时，只在第一双折射晶体21的顶角处点胶，棱处不点胶，以防止胶水多影响散热；同样，在将第二双折射晶体23和第二环状散热结构25粘结时，只在第二双折射晶体23的顶角处点胶，棱处不点胶，以防止胶水多影响散热，如此，可以进一步提高散热效果，避免因功率过大，温度过高而损坏晶体元件。

在上述各实施例的基础上，可选的，图9是本发明实施例提供的又一种高功率准直输出隔离器的结构示意图，如图9所示，本发明实施例提供的高功率准直输出隔离器100还包括扩束模块30；扩束模块30用于将隔离模块20进行正向传输的第一光束扩束成第二光束；其中，第一光束的束腰半径小于第二光束的束腰半径；第一光束的发散角大于第二光束的发散角。也就是说，隔离模块20输出的平行光经过扩束模块30而扩束成束腰半径更大，发散角更小的激光束，如此，可以实现远距离传输。可选的，扩束模块30例如可以包括扩束镜头；或者，还可以包括由一个凹透镜和一个凸透镜组合形成具有扩束效果的结构。

在上述各实施例的基础上，可选的，高功率准直输出隔离器包括1550nm高功率准直输出隔离器。

现有技术中常用的1550nm隔离器不能用在高功率激光器的最终输出端上。本实施例通过将高功率准直输出隔离器设置于高功率激光器的外部，通过高功率准直输出隔离器将高功率激光器输出光束的光斑面积增大，降低功率密度，防止光纤端面和隔离模块20的端面由于承受不了过高的功率密度而损坏。即本实施例提供的高功率准直输出隔离器既可以避免激光器受到回光得干扰，还可以应用在高功率激光器的最终输出端上，扩大隔离器的应用范围。

在上述各实施例的基础上，可选的，继续参见图9，高功率准直输出隔离器100还包括固定模块40，将光纤准直器10和隔离模块20固定于固定模块40上，同时固定模块40还可以起到对光纤准直器10和隔离模块20保护的作用。

基于同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种光纤激光系统，该光纤激光系统包括上述实施方式提供的任一种高功率准直输出隔离器，还包括光纤激光器。示例性的，图10是本发明实施例提供的一种光纤激光系统的结构示意图，如图10所示，本发明实施例提供的光纤激光系统1000包括光纤激光器200以及上述各实施例中所述的高功率准直输出隔离器100；光纤激光器200与高功率准直输出隔离器100的光纤准直器通过第三光纤熔接300。

可选的，光纤激光器200用于输出1550nm激光，且激光的功率大于500mw。

本实施例中，高功率准直输出隔离器100可以将光纤激光器200输出的光束的光斑面积增大，如此，使得该高功率准直输出隔离器100具有承受高功率的条件，且由于高功率准直输出隔离器100的尺寸相应增大，使得高功率准直输出隔离器100散热效果好。将其与1550nm高功率光纤激光器输出端的准直器结合，最后搭配进一步扩束光斑的模块，使得1550nm高功率光纤激光器满足高功率、远距离传输的工作要求；同时可以从根本上杜绝外界的回光进入激光器内部，避免1550nm高功率光纤激光器受到外界回光的干扰。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种高功率准直输出隔离器，其特征在于，设置于光纤激光器的外部；所述高功率准直输出隔离器包括：光纤准直器和隔离模块；

所述光纤准直器用于增大所述光纤激光器输出光束的光斑面积；

所述隔离模块用于将光斑面积增大后的光束进行正向传输，还用于将反向传输的光束进行隔离。

2.根据权利要求1所述的高功率准直输出隔离器，其特征在于，所述光纤准直器包括光纤头和第一透镜；

所述光纤头包括第一光纤和第二光纤；所述第一光纤的纤芯直径小于所述第二光纤的纤芯直径。

3.根据权利要求2所述的高功率准直输出隔离器，其特征在于，所述隔离模块的通光区域范围大于等于2.5mm小于等于3mm。

4.根据权利要求3所述的高功率准直输出隔离器，其特征在于，所述隔离模块包括第一双折射晶体、法拉第旋光器和第二双折射晶体；

所述法拉第旋光器包括磁环和法拉第旋光片；

所述第一双折射晶体的边长为W1，2.5mm≤W1≤3mm；

所述法拉第旋光片的边长为W2，2.5mm≤W2≤3mm；

所述第二双折射晶体的边长为W3，2.5mm≤W3≤3mm。

5.根据权利要求1所述的高功率准直输出隔离器，其特征在于，所述隔离模块包括第一双折射晶体、法拉第旋光器和第二双折射晶体；所述隔离模块还包括第一环状散热结构、第二环状散热结构、第一粘结结构和第二粘结结构；

所述法拉第旋光器包括磁环和法拉第旋光片；所述磁环环绕所述法拉第旋光片；

所述第一环状散热结构环绕所述第一双折射晶体设置；

所述第二环状散热结构环绕所述第二双折射晶体设置；

所述第一环状散热结构和所述磁环通过所述第一粘结结构连接；

所述第二环状散热结构和所述磁环通过所述第二粘结结构连接。

6.根据权利要求5所述的高功率准直输出隔离器，其特征在于，所述隔离模块还包括第三粘结结构和第四粘结结构；

所述第三粘结结构位于所述第一双折射晶体的顶点处；所述第一双折射晶体和所述第一环状散热结构通过所述第三粘结结构连接；

所述第四粘结结构位于所述第二双折射晶体的顶点处；所述第二双折射晶体和所述第二环状散热结构通过所述第四粘结结构连接。

7.根据权利要求1所述的高功率准直输出隔离器，其特征在于，还包括扩束模块；所述扩束模块用于将所述隔离模块进行正向传输的第一光束扩束成第二光束；

其中，所述第一光束的束腰半径小于第二光束的束腰半径；所述第一光束的发散角大于所述第二光束的发散角。

8.根据权利要求1所述的高功率准直输出隔离器，其特征在于，所述高功率准直输出隔离器包括1550nm高功率准直输出隔离器。

9.一种光纤激光系统，其特征在于，包括光纤激光器以及权利要求1-8任一项所述的高功率准直输出隔离器；

所述光纤激光器与所述高功率准直输出隔离器的光纤准直器通过第三光纤熔接。

10.根据权利要求9所述的光纤激光系统，其特征在于，所述光纤激光器用于输出1550nm激光，且所述激光的功率大于500mw。

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