CN114050468B - 一种光纤组件及其制备方法、波长锁定激光器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光纤组件及其制备方法、波长锁定激光器系统，所述光纤组件包括：端帽，所述端帽具有相对设置的第一端面和第二端面以及位于所述第一端面和第二端面之间的外侧壁，所述端帽的所述第二端面一侧设置有位于所述端帽中的内孔，所述内孔的内壁包括反射面，所述反射面相对于所述端帽的外侧壁倾斜，所述反射面在所述第二端面的正投影落在所述内孔内部；若干光纤，所述若干光纤的一侧端面与所述内孔周围的第二端面相对设置。本发明提供的光纤组件，避免了在波长锁定激光器系统使用多个体光栅，简化了结构，降低了成本，削弱了温度变化对应用过程的影响。

Description

一种光纤组件及其制备方法、波长锁定激光器系统
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种光纤组件及其制备方法、波长锁定激光器系统。
背景技术
固体激光器和气体激光器输出功率高、光束质量好，在材料加工和远距离能量传输等对于激光功率和激光光束质量有非常严格要求的领域得到了广泛的应用。固体激光器和气体激光器常见的泵浦方式主要有电泵浦、化学泵浦、光泵浦和气动泵浦。半导体激光器二极管具有电光转换效率高、结构紧凑、成本低和寿命长等优点，目前广泛被作为光泵浦源应用于泵浦固体激光器和气体激光器。
常见的大功率半导体激光器泵浦源由半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。由于半导体激光器的增益曲线宽、发光区宽度宽、支持的模式多，而每个模式具有不同的频率，导致半导体激光器输出光谱宽。与此同时，半导体激光器的输出光谱也会随着温度或驱动电流的微小变化而变化，造成输出中心波长漂移和光谱宽度变化。泵浦吸收峰较窄的固体激光器和气体激光器时效率低，能量损失严重。并且未吸收的能量将在激光器内部多次反射，造成激光器温度升高，甚至烧毁激光器。
由于半导体激光器光纤耦合模块泵浦源使用方便，在光泵浦领域得到了广泛的应用。但是传统光纤耦合模块泵浦内部放置体光栅进行线宽压窄，每个光纤耦合模块都需要放置一个体光栅(或每个芯片前端需要放置一个体光栅)，增加了成本。体光栅的锁定效果，即锁定后的光谱中心波长，随温度变化而变化(变化量为0.03nm/℃左右)。在一些要求不高的领域，例如泵浦掺镱光纤，由于吸收峰较宽，即使波长发生漂移仍然可以使用。但是在某些特殊泵浦领域，例如泵浦气体激光器，由于吸收峰较窄(FWHM大致为0.3nm)，需要对体光栅的温度进行控制。因此，使用体光栅的大功率波长锁定半导体激光器中需要精确控制输出波长和光谱宽度，且需要对体光栅进行精确温控。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有光纤耦合模块在波长锁定过程中受到温度的影响且结构复杂、成本较大的问题，从而提供一种光纤组件及其制备方法、波长锁定激光器系统。
本发明提供一种光纤组件，包括：端帽，所述端帽具有相对设置的第一端面和第二端面以及位于所述第一端面和第二端面之间的外侧壁，所述端帽的所述第二端面一侧设置有位于所述端帽中的内孔，所述内孔的内壁包括反射面，所述反射面相对于所述端帽的外侧壁倾斜，所述反射面在所述第二端面的正投影落在所述内孔内部；若干光纤，所述若干光纤的一侧端面与所述内孔周围的第二端面相对设置。
可选的，所述若干光纤的一侧端面与所述内孔周围的第二端面固定连接。
可选的，所述光纤组件还包括：与所述内孔周围的第二端面固定的转接环；所述若干光纤的一侧端面与所述转接环固定。
可选的，所述转接环的材料包括熔融石英。
可选的，所述内孔的形状为圆锥形。
可选的，所述圆锥形的锥角范围为2°～8°。
可选的，所述端帽的材料包括熔融石英。
可选的，所述端帽的中心轴和所述内孔的中心轴重合。
可选的，所述若干光纤中相邻的光纤相切。
可选的，所述光纤的数目大于或等于7个。
可选的，所述光纤包括纤芯与包围所述纤芯的包层，所述纤芯的芯径范围为100μm～1000μm，且光纤的数值孔径小于等于0.24。
可选的，所述若干光纤在所述第二端面的正投影均匀分布在所述内孔的周围。
本发明还提供一种光纤组件的制备方法，包括：形成端帽，所述端帽具有相对设置的第一端面和第二端面以及位于所述第一端面和第二端面之间的外侧壁，所述端帽的所述第二端面一侧设置有位于所述端帽中的内孔，所述内孔的内壁包括反射面，所述反射面相对于所述端帽的外侧壁倾斜，所述反射面在所述第二端面的正投影落在所述内孔内部；提供若干光纤；将所述若干光纤的一侧端面与所述内孔周围的第二端面相对设置。
可选的，所述光纤组件的制备方法还包括：将所述若干光纤的一侧端面与所述内孔周围的第二端面固定连接。
可选的，所述光纤组件的制备方法还包括：提供转接环；将所述转接环固定在所述内孔周围的第二端面；将所述若干光纤的一侧端面与所述内孔周围的第二端面相对设置的步骤包括：将所述若干光纤的一侧端面与所述转接环相对设置；所述光纤组件的制备方法还包括：将所述若干光纤的一侧端面与所述转接环背向所述端帽的一侧固定连接。
本发明还提供一种波长锁定激光器系统，包括：所述的光纤组件；第一半导体激光器，位于所述第一端面的一侧；反射镜，所述反射镜中具有限光孔，所述反射镜位于所述第一半导体激光器和所述端帽之间；若干第二半导体激光器，位于若干所述光纤背向所述端帽的一侧；所述第一半导体激光器适于提供波长锁定的第一光束通过所述限光孔传输至所述光纤组件；所述若干第二半导体激光器适于增益放大所述第一光束并输出第二光束至光纤组件，所述反射镜适于反射所述第二光束；所述限光孔适于限制所述第二光束通过所述反射镜进入所述第一半导体激光器。
可选的，所述第一端面与所述端帽的中心轴垂直；所述反射镜倾斜于所述端帽的第一端面。
可选的，所述反射镜与所述端帽的第一端面的夹角为45°。
可选的，所述第一半导体激光器为电致发光半导体激光器，所述若干第二半导体激光器为光致发光半导体激光器。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明的波长锁定激光器系统，第一半导体激光器发出的光束质量好、已进行波长锁定的第一光束通过反射镜中的限位孔传输至光纤组件的端帽，端帽的反射面将第一光束分散为多束激光后经过若干光纤分别传输至若干第二半导体激光器，若干第二半导体激光器再分别对第一光束进行增益放大形成第二光束，将放大后的多束第二光束经过光纤组件传输至反射镜后被反射改变光路输出，且若干个第二光束反射后合束在一起，形成最终大功率激光。本发明波长锁定激光器系统采用光纤组件，因此避免了多个体光栅的使用，简化了结构，降低了成本。仅需对小功率的第一半导体激光器进行波长和光谱宽度控制即可实现对所有第二半导体激光器的波长和光谱宽度控制，降低了波长和光谱宽度控制的难度以及整个系统的体积，简化了结构。光纤组件在环境温度变化时不会对内部传输的光束有波长的变化，光纤组件能对光束有较好的传输质量，降低了温度变化对波长锁定激光器系统的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。
图1为本发明的光纤组件结构示意图；
图2为光束从空气中入射光纤时的光路示意图；
图3为光束在本发明光线组件中的光路示意图；
图4为7根光纤环形排布的光纤组件剖面图；
图5为本发明波长锁定激光器系统的第一光束光路示意图；
图6为本发明波长锁定激光器系统的第二光束光路示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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；可以是机械连接，也可以是电连接；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发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供一种光纤组件，结构如图1所示，光纤组件1包括：端帽10，所述端帽10具有相对设置的第一端面101和第二端面102以及位于所述第一端面101和第二端面102之间的外侧壁103，所述端帽10的所述第二端面102一侧设置有位于所述端帽10中的内孔104，所述内孔104的内壁包括反射面1041，所述反射面1041相对于所述端帽的外侧壁倾斜，所述反射面1041在所述第二端面102的正投影落在所述内孔内部；若干光纤20，所述若干光纤20的一侧端面与所述内孔104周围的第二端面102相对设置。
本实施例中，所述光纤包括纤芯201与包围所述纤芯201的包层202。
本实施例中，所述光纤组件1还包括：与所述内孔104周围的第二端面102固定的转接环30；所述若干光纤20的一侧端面与所述转接环30固定。
在其他实施例中，若干光纤的一侧端面与内孔周围的第二端面固定连接。
本实施例中，所述端帽10和转接环30的材料包括熔融石英。熔融石英作为端帽10和转接环30的材料，导热系数低，热膨胀系数小，具有极高的热震稳定性。端帽10、光纤20的纤芯201和转接环30三者使用相同的材料，可以避免端帽10与转接环30之间、转接环30与纤芯201之间产生界面反射，也避免造成额外能量损失。
本实施例中，所述端帽的中心轴和所述内孔的中心轴重合。例如，所述内孔104的形状为圆锥形。圆锥形内孔104可以提供均匀的反射面1041，将输入光束反射至各光纤20的纤芯201中进行传输。
本实施例中，所述圆锥形的锥角范围为2°～8°。在工业生产中，大功率光纤20的数值孔径(NA)通常为0.22rad，即12.7°。光束从空气中入射光纤20时的光路示意图如图2所示，图中的虚线为界面的法线，若假设光束波长为780nm，则熔融石英的折射率为1.45368，由于角度则角度α为arcsin[sin(12.7°)/1.45368]＝8.7°。在包层202和纤芯201界面发生全反射的角度β为90°-8.7°＝81.3°，当从纤芯201入射到包层202的角度小于81.3°时不满足全反射条件，无法在纤芯中传输。光束在本发明光线组件中的光路示意图如图3所示，图中的虚线为界面的法线。由外部射向端帽10的光束入射至反射面1041上时，其与法线的角度γ＝90°-θ/2，则有角度β’＝90°-(180°-2×γ)＝90°-θ。由前推导知，在包层202和纤芯201界面发生全反射的角度β为81.3°，所以当锥角θ小于等于8°时，外部入射的光束可在纤芯201中传输。图4为7根光纤环形排布的光纤组件1剖面图，图中尺寸单位为mm。当锥角θ小于2°时，端帽10的长度和直径的比值超过15，导致光纤组件1难以加工并且容易损坏。综上，本实施例中的锥角范围为2°～8°。
本实施例中，所述若干光纤20中相邻的光纤20相切，所述若干光纤20在所述第二端面102的正投影均匀分布在所述内孔104的周围。紧凑的光纤20排布有利于减小光线组件1的体积。
在一个实施例中，所述光纤20的数目大于或等于7个。本实施例的核心应用在于用一个光束质量好的小功率波长锁定半导体激光器去锁定多个光束质量差的大功率半导体激光器。若光纤数目小于7，则可以使用其他外腔波长锁定的方法对大功率半导体激光器进行波长锁定，锁定后调整各个激光器的中心波长和光谱宽度较为简单。使用其他外腔波长锁定方法进行波长锁定的难度随着锁定大功率激光器数目的增加而增加，使用本实施例的光纤组件1进行波长锁定的难度与大功率激光器数目无关。
在一个实施例中，所述纤芯201的芯径范围为100μm～1000μm，且光纤的数值孔径小于等于0.24。通常半导体激光器的出光功率与光束质量成反比，功率越高，光束质量越差，即能够被耦合的光纤20芯径越大，所以纤芯201的芯径不宜过大。相反的，当纤芯201的芯径过小时，则无法耦合大功率半导体激光器。已知光束质量定义为
其中M为光束质量因子，D0为光束的束腰直径，Θ0为光束发散角，λ为光束的波长。目前单波长的大功率半导体激光器功率从几瓦至几千瓦不等，例如10瓦的半导体激光二极管芯片慢轴方向的束腰直径D0约为90μm，光束发散角Θ0约为12°，根据公式(1)计算得到光束质量为(4.71/λ)(mm×mrad)，100μm芯径、数值孔径(NA)为0.22的光纤根据公式(1)计算得到光束质量为(11.00/λ)(mm×mrad)，由于(4.71/λ)(mm×mrad)<(11.00/λ)(mm×mrad)，因此10瓦的半导体激光二极管芯片输出光束可以被耦合进100μm芯径、数值孔径(NA)为0.22的光纤当中；30瓦的半导体激光二极管芯片慢轴方向的束腰直径D0约为230μm，光束发散角Θ0约为12°，根据公式(1)计算得到光束质量为(12.04/λ)(mm×mrad)。100μm芯径、数值孔径(NA)为0.22的光纤根据公式(1)计算得到光束质量为(11.00/λ)(mm×mrad)，由于(12.04/λ)(mm×mrad)>(11.00/λ)(mm×mrad)，因此30瓦的半导体激光二极管芯片输出光束无法被耦合进100μm芯径、数值孔径(NA)为0.22的光纤，但是可以被耦合进200μm芯径、数值孔径(NA)为0.22的光纤。之所以限定数值孔径小于等于0.24，是因为制造公差。通常标称数值孔径为0.22的光纤最大数值孔径为0.24。
实施例2
本实施例提供一种光纤组件1的制备方法，包括：形成端帽10，所述端帽10具有相对设置的第一端面101和第二端面102以及位于所述第一端面101和第二端面102之间的外侧壁103，所述端帽10的所述第二端面102一侧设置有位于所述端帽10中的内孔104，所述内孔104的内壁包括反射面1041，所述反射面1041相对于所述端帽10的外侧壁103倾斜，所述反射面1041在所述第二端面102的正投影落在所述内孔104内部；提供若干光纤20；将所述若干光纤20的一侧端面与所述内孔104周围的第二端面102相对设置。
在本实施例中，所述光纤组件1的制备方法还包括：提供转接环30；将所述转接环30固定在所述内孔104周围的第二端面102；将所述若干光纤20的一侧端面与所述内孔104周围的第二端面102相对设置的步骤包括：将所述若干光纤20的一侧端面与所述转接环30相对设置；所述光纤组件1的制备方法还包括：将所述若干光纤20的一侧端面与所述转接环30背向所述端帽10的一侧固定连接。
在其他实施例中，所述光纤组件1的制备方法还包括：将所述若干光纤20的一侧端面与所述内孔104周围的第二端面102固定连接。
实施例3
本实施例提供一种波长锁定激光器系统，如图5所示，包括：所述的光纤组件1；第一半导体激光器3，位于所述第一端面101的一侧；反射镜2，所述反射镜2中具有限光孔，所述反射镜2位于所述第一半导体激光器3和所述端帽10之间；所述第一端面101与所述端帽10的中心轴垂直，所述反射镜2倾斜于所述端帽10的第一端面101，例如，所述反射镜2与所述端帽10的第一端面101的夹角为45°；若干第二半导体激光器4，位于若干所述光纤20背向所述端帽10的一侧；所述第一半导体激光器3适于提供波长锁定的第一光束通过所述限光孔传输至所述光纤组件1；所述若干第二半导体激光器4适于增益放大所述第一光束并输出第二光束至光纤组件1，所述反射镜2适于反射所述第二光束，所述限光孔适于限制所述第二光束通过所述反射镜2进入所述第一半导体激光器3。
本实施例中，所述第一半导体激光器3为电致发光半导体激光器，所述若干第二半导体激光器4为光致发光半导体激光器。
本实施例中波长锁定激光器系统的所述第一光束光路示意图如图5所示，由小功率的所述第一半导体激光器3输出一束质量好、已进行波长锁定的第一光束，通过所述反射镜2中央的限光孔进入所述光纤组件1，由端帽10的内孔反射面1041反射第一光束进入若干光纤20，在若干光纤内传输至所述若干第二半导体激光器4。
本实施例中波长锁定激光器系统的所述第二光束光路示意图如图6所示，当第一光束在所述若干第二半导体激光器4中增益放大后，输出若干第二光束进入光纤20，通过光纤组件1后被反射镜2反射，得到最终大功率光束。
本实施例提供的波长锁定激光器系统，利用已进行波长锁定的小功率半导体激光器对未进行波长锁定的大功率半导体激光器进行波长锁定，并且仅需对小功率半导体激光器进行波长和光谱宽度控制即可实现对所有大功率光纤耦合半导体激光器的波长和光谱宽度控制，降低了波长和光谱宽度控制的难度以及整个系统的体积。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (18)

1.一种光纤组件，其特征在于，包括：
端帽，所述端帽具有相对设置的第一端面和第二端面以及位于所述第一端面和第二端面之间的外侧壁，所述端帽的所述第二端面一侧设置有位于所述端帽中的内孔，所述内孔的内壁包括反射面，所述反射面相对于所述端帽的外侧壁倾斜，所述反射面在所述第二端面的正投影落在所述内孔内部；所述端帽的中心轴和所述内孔的中心轴重合；
若干光纤，所述若干光纤的一侧端面与所述内孔周围的第二端面相对设置，使得从第一端面输入的光束反射至各所述若干光纤。
2.如权利要求1所述的光纤组件，其特征在于，所述若干光纤的一侧端面与所述内孔周围的第二端面固定连接。
3.如权利要求1所述的光纤组件，其特征在于，还包括：与所述内孔周围的第二端面固定的转接环；所述若干光纤的一侧端面与所述转接环固定。
4.如权利要求3所述的光纤组件，其特征在于，所述转接环的材料包括熔融石英。
5.如权利要求1所述的光纤组件，其特征在于，所述内孔的形状为圆锥形。
6.如权利要求5所述的光纤组件，其特征在于，所述圆锥形的锥角范围为2°～8°。
7.如权利要求1所述的光纤组件，其特征在于，所述端帽的材料包括熔融石英。
8.如权利要求1所述的光纤组件，其特征在于，所述若干光纤中相邻的光纤相切。
9.如权利要求1所述的光纤组件，其特征在于，所述光纤的数目大于或等于7个。
10.如权利要求1所述的光纤组件，其特征在于，所述光纤包括纤芯与包围所述纤芯的包层，所述纤芯的芯径范围为100μm～1000μm，且光纤的数值孔径小于等于0.24。
11.如权利要求1所述的光纤组件，其特征在于，所述若干光纤在所述第二端面的正投影均匀分布在所述内孔的周围。
12.一种光纤组件的制备方法，其特征在于，包括：
形成端帽，所述端帽具有相对设置的第一端面和第二端面以及位于所述第一端面和第二端面之间的外侧壁，所述端帽的所述第二端面一侧设置有位于所述端帽中的内孔，所述内孔的内壁包括反射面，所述反射面相对于所述端帽的外侧壁倾斜，所述反射面在所述第二端面的正投影落在所述内孔内部，所述端帽的中心轴和所述内孔的中心轴重合；
提供若干光纤；
将所述若干光纤的一侧端面与所述内孔周围的第二端面相对设置，使得从第一端面输入的光束反射至各所述若干光纤。
13.如权利要求12所述的光纤组件的制备方法，其特征在于，还包括：将所述若干光纤的一侧端面与所述内孔周围的第二端面固定连接。
14.如权利要求12所述的光纤组件的制备方法，其特征在于，还包括：提供转接环；将所述转接环固定在所述内孔周围的第二端面；
将所述若干光纤的一侧端面与所述内孔周围的第二端面相对设置的步骤包括：将所述若干光纤的一侧端面与所述转接环相对设置；
所述光纤组件的制备方法还包括：将所述若干光纤的一侧端面与所述转接环背向所述端帽的一侧固定连接。
15.一种波长锁定激光器系统，其特征在于，包括：
如权利要求1至11任意一项所述的光纤组件；
第一半导体激光器，位于所述第一端面的一侧；
反射镜，所述反射镜中具有限光孔，所述反射镜位于所述第一半导体激光器和所述端帽之间；
若干第二半导体激光器，位于若干所述光纤背向所述端帽的一侧；
所述第一半导体激光器适于提供波长锁定的第一光束通过所述限光孔传输至所述光纤组件；所述若干第二半导体激光器适于增益放大所述第一光束并输出第二光束至光纤组件，所述反射镜适于反射所述第二光束；所述限光孔适于限制所述第二光束通过所述反射镜进入所述第一半导体激光器。
16.如权利要求15所述的波长锁定激光器系统，其特征在于，所述第一端面与所述端帽的中心轴垂直；所述反射镜倾斜于所述端帽的第一端面。
17.如权利要求16所述的波长锁定激光器系统，其特征在于，所述反射镜与所述端帽的第一端面的夹角为45°。
18.如权利要求15所述的波长锁定激光器系统，其特征在于，所述第一半导体激光器为电致发光半导体激光器，所述若干第二半导体激光器为光致发光半导体激光器。
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