CN114050469B - 一种用于光纤激光器的集成器件及其制造与测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种用于光纤激光器的集成器件及其制造与测试方法，所述集成器件包括光纤拉锥结构、第一光栅结构和第二光栅结构，其中，所述光纤拉锥结构包括一个信号光纤、一个或多个泵浦光纤和一个输出光纤，所述信号光纤、泵浦光纤和输出光纤的一端组合为合束结构；所述信号光纤上设有用于反射泵浦激光的第一光栅结构；所述输出光纤上设有具有腔镜功能的第二光栅结构，其中，所述输出光纤的合束端位于第二光栅结构长波长方向的位置。本发明实施例提供的用于光纤激光器的集成器件，通过在信号光纤上设置第一光栅，能够将激光器在工作过程中没有被谐振腔吸收的泵浦激光反射回谐振腔，实现了泵浦激光的回收和再利用，提高了激光器的转换效率。
Description
技术领域
本发明属于光电技术领域，特别涉及一种用于光纤激光器的集成器件及其制造与测试方法。
背景技术
光纤激光器（Fiber Laser）是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来。在泵浦激光的作用下，光纤内形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，适当加入正反馈回路便可形成激光振荡输出。伴随着高能激光技术的快速发展，光纤激光器的应用场景越来越广泛，大功率、高转换效率的光纤激光器越来越受到市场欢迎。随着新技术的不断产生，新的光纤器件不断被发明并应用于光纤激光器，使得光纤激光器的性能逐步提升。近年来，随着飞秒激光技术的发展，飞秒激光直写光纤光栅的工艺不断成熟，使得在光纤包层上制作光纤光栅成为可能。
现有的光纤激光器仍存在一些技术问题亟待解决：一是由于泵浦激光不能被谐振腔完全吸收转换，激光器无法对未吸收的泵浦激光进行回收和再利用，造成了能量的浪费，导致系统转换效率不高；二是对于未吸收的泵浦激光，为了避免其导致光路中的其他元器件损坏，需要使用剥离器件对其进行剥除，从而需要额外设置独立的剥离器件，这必然会导致激光器内光纤的熔接点增多，线路损耗增大；第三，现有的光纤激光器内部的剥离器件通常需要独立设置，功能单一、集成度不高，不利于激光器设备整体的微型化。
发明内容
针对上述问题，本发明实施例提供一种用于光纤激光器的集成器件及其制造与测试方法，能够有效解决泵浦激光不能被谐振腔完全吸收转换的弊端。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于光纤激光器的集成器件，包括光纤拉锥结构1、第一光栅结构2和第二光栅结构3，其中，所述光纤拉锥结构1包括一个信号光纤11、一个或多个泵浦光纤12和一个输出光纤13，所述信号光纤11、泵浦光纤12和输出光纤13的一端组合为合束结构；所述信号光纤21上设有用于反射泵浦激光的第一光栅结构2；所述输出光纤13上设有具有腔镜功能的第二光栅结构3，其中，所述输出光纤13的合束端位于所述第二光栅结构3长波长方向的位置。
进一步，所述信号光纤11和输出光纤13为双包层光纤；所述第一光栅结构2位于信号光纤11的内包层；所述第二光栅结构3位于输出光纤13的纤芯。
进一步，所述第一光栅结构2采用无载氢处理的光纤光栅制作方法制备。
进一步，所述第二光栅结构3为低反输出光栅。
进一步，所述泵浦光纤12为1根、3根、7根、19根或61根具有相同尺寸、结构和数值孔径参数的光纤。
为了实现上述目的，本发明还采用以下技术方案：
一种光纤激光器，包括泵浦激光器5、谐振腔6，以及如前所述的用于光纤激光器的集成器件，其中，所述泵浦激光器5与所述泵浦光纤12的输入端连接；所述谐振腔6与所述输出光纤13的另一端连接。
为了实现上述目的，本发明还采用以下技术方案：
一种如前所述的用于光纤激光器的集成器件的制作方法，包括以下步骤：
在所述信号光纤11的内包层制作所述第一光栅；
在所述输出光纤13的纤芯制作第二光栅，并标记其长波长方向的位置；
将所述信号光纤11与泵浦光纤12进行拉锥合束，形成第一合束结构；
将所述第一合束结构与所述输出光纤13进行熔接，形成第二合束结构，其中，所述输出光纤13的合束端位于所述第二光栅结构3长波长方向的位置；
将所述第二合束结构进行涂覆封装，获得所述用于光纤激光器的集成器件。
进一步，所述在所述信号光纤11的内包层制作所述第一光栅的方法，采用如下方法之一：紫外激光光刻法、飞秒激光光刻法、电弧放电法、离子束刻蚀法、机械微弯法。
进一步，在所述输出光纤13的纤芯制作第二光栅的方法，采用如下方法之一：飞秒激光光刻法、电弧放电法、离子束刻蚀法、机械微弯法。
为了实现上述目的，本发明还采用以下技术方案：
一种如前所述的用于光纤激光器的集成器件的测试方法，包括以下步骤：
将所述第一光栅2对应波段的泵浦激光器5连接至所述输出光纤13的另一端；
将第一光功率计7连接至所述信号光纤11的另一端，将第二光功率计8连接至所述泵浦光纤12的输入端；
设置所述泵浦激光器5的输出功率；
通过第一光功率计7，获得所述第一所述信号光纤11另一端发出的泵浦激光功率；以及，通过第二光功率计8，获得所述泵浦光纤12输入端发出的泵浦激光功率之和；
利用如下公式计算获得所述用于光纤激光器的集成器件的泵浦激光反射率：
其中，p in 为所述泵浦激光器的输出功率，p out 为所述第一光功率计测量获得的所述信号光纤另一端发出的泵浦激光功率，p s 为所述第二光功率计测量获得的所述泵浦光纤输入端发出的泵浦激光功率之和。
本发明的优点及有益效果是：第一方面，本发明实施例提供的一种用于光纤激光器的集成器件及其制造方法，通过在信号光纤11上设置第一光栅，能够将激光器在工作过程中没有被谐振腔吸收的泵浦激光反射回谐振腔，从而实现了这部分泵浦激光的回收和再利用，不仅提高了激光器的整体转换效率，也克服了现有技术中需要独立设置剥离器件的弊端；同时激光器内部光纤熔点较少，线路损耗极低。第二方面，本发明实施例提供的一种用于光纤激光器的集成器件的测试方法，能够准确测量所述器件内部对泵浦激光的反射率，从而实现对所述集成器件的性能参数进行评估和标定。所述测试方法结构简洁，便于实施，测量结果准确，不会对所述集成器件的结构和性能造成不可逆的损害。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例中一种用于光纤激光器的集成器件的结构示意图；
图2为本发明实施例中一种光纤激光器的结构示意图；
图3为本发明实施例中一种用于光纤激光器的集成器件的制作方法的流程示意图；
图4为本发明实施例中一种用于光纤激光器的集成器件的测试环境示意图；
图5为本发明实施例中一种用于光纤激光器的集成器件的测试方法的流程示意图。
附图标记说明：1-拉锥结构，11-信号光纤，12-泵浦光纤，13-输出光纤，2-第一光栅结构，3-第二光栅结构，4-封装件，5-泵浦激光器，6-谐振腔，7-第一光功率计，8-第二光功率计。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种用于光纤激光器的集成器件，如图1所示，所述集成器件包括光纤拉锥结构1、第一光栅结构2和第二光栅结构3。其中，所述光纤拉锥结构1包括一个信号光纤11、一个或多个泵浦光纤12和一个输出光纤13，所述信号光纤11、泵浦光纤12和输出光纤13的一端组合为合束结构；所述信号光纤21上设有用于反射泵浦激光的第一光栅结构2；所述输出光纤13上设有具有腔镜功能的第二光栅结构3，其中，所述输出光纤13的合束端位于所述第二光栅结构3长波长方向的位置。
所述集成器件的拉锥结构1、信号光纤11、泵浦光纤12和输出光纤13通过合束及熔接方式形成一个不可拆分的最小器件，所述第一光栅结构2和第二光栅结构3通过激光雕刻或蚀刻等方式在所述信号光纤11和输出光纤13上成型，从而构成所述集成器件。由于所述光纤的合束及熔接非常脆弱，优选的，还可以在合束位置设置封装件4，实现对脆弱部位的保护。所述泵浦光纤12可以是一个，也可以是多个，以便采用多个泵浦激光器提供多路泵浦激光，从而提高激光器的总输出功率。
所述集成器件用于应用在激光器中。在一个具体的实施例中，如图2所示，展示了所述集成器件在激光器中的一种应用方式。具体的，通过在所述泵浦光纤12的输入端（即合束端的另一端）连接泵浦激光器5的激光输出，在所述输出光纤13的另一端（即熔接端的另一端）设置谐振腔6，即可构成激光器。所述激光器的工作过程如下：所述泵浦激光器5的激光输出经所述泵浦光纤12合束后经过所述输出光纤13进入谐振腔6，在谐振腔6转换为激光后再以此经过所述输出光纤13和信号光纤11，从所述信号光纤11的另一端（即合束端的另一端）输出。
本实施例提供的用于光纤激光器的集成器件，通过在信号光纤11上设置第一光栅，能够将激光器在工作过程中没有被谐振腔吸收的泵浦激光反射回谐振腔，从而实现了这部分泵浦激光的回收和再利用，不仅提高了激光器的整体转换效率，也克服了现有技术中需要独立设置剥离器件的弊端；同时激光器内部光纤熔点较少，线路损耗低。
在本发明的一个实施例中，所述信号光纤11和输出光纤13为双包层光纤；所述第一光栅结构2位于信号光纤11的内包层；所述第二光栅结构3位于输出光纤13的纤芯。
本实施例中，采用了使用双包层光纤进行包层泵浦的方式，以满足大功率光纤激光器的泵浦要求。双包层光纤激光器是由同心的纤芯,内包层,外包层以及保护层组成,内包层和外包层具有同心的圆截面结构。所述纤芯与单模光纤纤芯一样,具有很大的折射率,其用来传输单模信号光；内包层具有和普通光纤的纤芯相同的材料,其折射率处于纤芯和外包层之间,用来传输多模泵浦光；外包层的折射率最小。内包层和纤芯构成一个大的纤芯,用来传输泵浦光,其以折线方式反复穿过纤芯并被掺杂吸收,这样在纤芯中传播光的比例就会增加。双包层光纤激光器不要求泵浦源是单模的，而且光纤在整个的长度上被泵浦，特别是当纤芯和包层的对称性受到很小的破坏时，对泵浦光的吸收会大大增加，从而可以采用出各种形状的内包层与作为泵源的激光二极管更好的匹配，使多模泵浦光更有效的耦合，将连续激光输出提高到几十瓦甚至上千瓦的量级。
在本发明的一个实施例中，所述第一光栅结构2采用无载氢处理的光纤光栅制作方法制备。
传统方法制作光纤光栅的方法是利用纤芯的光敏性，通过紫外曝光部分折射率改变以形成光栅结构。载氢能够提高纤芯的光敏性，因此传统方法中需要先对光纤进行载氢处理，然后刻写光栅，完成后再做祛氢处理，工艺流程较为复杂。随着飞秒激光加工技术的发展，飞秒激光能够直接引起光纤纤芯或者包层折射率的变化，这也使得飞秒激光能够在无载氢处理的光纤上制作光栅，同时，飞秒激光还能够不祛光纤涂覆层直接进行加工，加工过程简单便捷。
在本发明的一个实施例中，所述第二光栅结构3为低反输出光栅。
在本实施例在，所述第二光栅结构3采用低反输出光栅，有助于提高输出光纤13的激光输出效率。
在本发明的一个实施例中，所述泵浦光纤12为1根、3根、7根、19根或61根具有相同尺寸、结构和数值孔径参数的光纤。
应当理解的是，如上数量仅为本行业激光器件中通常采用的数量，当然也可以采用其他不同的数量。
本发明实施例还提供了一种光纤激光器，如图2所示，所述光纤激光器包括泵浦激光器5、谐振腔6，以及如上实施例所述的用于光纤激光器的集成器件，其中，所述泵浦激光器5与所述泵浦光纤12的输入端连接；所述谐振腔6与所述输出光纤13的另一端连接。
显然，所述光纤激光器具有和上述实施例中记载的方案具有相同的技术效果，此处不再赘述。
本发明实施例还提供了一种上述实施例中所述的用于光纤激光器的集成器件的制作方法，如图3所示，所述方法包括以下步骤S310至S350：
步骤S310：在所述信号光纤11的内包层制作所述第一光栅；
步骤S320：在所述输出光纤13的纤芯制作第二光栅，并标记其长波长方向的位置；
步骤S330：将所述信号光纤11与泵浦光纤12进行拉锥合束，形成第一合束结构；
步骤S340：将所述第一合束结构与所述输出光纤13进行熔接，形成第二合束结构，其中，所述输出光纤13的合束端位于所述第二光栅结构3长波长方向的位置；
步骤S350：将所述第二合束结构进行涂覆封装，获得所述用于光纤激光器的集成器件。
优选的，在步骤S350之后，还可以在所述激光器件的合束/熔接部位设置封装件4，从而实现对所述合束/熔接部位的保护。
显然，上述步骤的编号并不构成对本方法步骤先后实施顺序的限定。本领域技术人员在本实施例的发明构思下，可以对若干步骤的实施顺序进行调整，仍应纳入本实施例所公开的范围。例如，先执行步骤S320，再执行步骤S310，仍可以制作形成本实施例所中述的用于光纤激光器的集成器件。
在本发明的一个实施例中，所述在所述信号光纤11的内包层制作所述第一光栅的方法，采用如下方法之一：紫外激光光刻法、飞秒激光光刻法、电弧放电法、离子束刻蚀法、机械微弯法。
制作第一光栅所具体采用的方法及制作参数，属于本领域技术人员根据实际需要可以灵活选择的现有技术，本实施例不做进一步限定。
在本发明的一个实施例中，所述在所述输出光纤13的纤芯制作第二光栅的方法，采用如下方法之一：飞秒激光光刻法、电弧放电法、离子束刻蚀法、机械微弯法。
制作第一光栅和第二光栅所具体采用的方法及制作参数，属于本领域技术人员根据实际需要可以灵活选择的现有技术，本实施例不做进一步限定。二者的区别在于，在所述输出光纤13的纤芯制作第二光栅的方法不能采用紫外激光光刻法，其原因在于，光纤包层材料没有光敏性，紫外曝光不能引起折射率变化，因此紫外光刻法不能在包层上刻写光栅。
本发明实施例还提供了一种如前所述的用于光纤激光器的集成器件的测试方法，其测试环境如图4所示，其中，所述输出光纤13的另一端（即熔接端的另一端）连接有与所述第一光栅2波段对应的泵浦激光器5，所述信号光纤11的另一端（及合束端的另一端）设有用于测量泵浦激光功率的第一光功率计7，所述泵浦光纤12的输入端（即合束端的另一端）均设有用于测量泵浦激光功率的第二光功率计8，其中，所述第二光功率计8可以是与所述泵浦光纤12的输入端的数量相对应的多个光功率计，也可以是一台具有多个输入口的光功率计，只要能测量获取所述泵浦光纤12的输入端发出的激光功率即可。如图5所示，所述方法包括以下步骤S510至S550：
步骤S510：将所述第一光栅2对应波段的泵浦激光器5连接至所述输出光纤13的另一端；从而，将所述泵浦激光器5输出的泵浦激光注入到所述输出光纤13中；
步骤S520：将第一光功率计7连接至所述信号光纤11的另一端，将第二光功率计8连接至所述泵浦光纤12的输入端；从而，可以通过所述第一光功率计7测量所述信号光纤11的另一端发出的激光功率，通过所述第二光功率计8测量所述泵浦光纤12的输入端发出的激光功率；
步骤S530：设置所述泵浦激光器5的输出功率，记为p in ；即通过泵浦激光器5，将指定功率的泵浦激光输出至所述输出光纤13另一端，所述泵浦激光依次经过所述输出光纤13、第二光栅13、合束/熔接位置、信号光纤11的合束端、第一光栅11，到达信号光纤11的另一端；以及，通过所述输出光纤13、第二光栅13、合束/熔接位置、泵浦光纤12，到达所述泵浦光纤12的输入端。其中，所述泵浦激光经过所述第一光栅11时，部分泵浦激光将被反射，从而无法到达信号光纤11的另一端。
步骤S540：通过第一光功率计7，获得所述第一所述信号光纤11另一端发出的泵浦激光功率，记为p out ；以及，通过第二光功率计8，获得所述泵浦光纤12输入端发出的泵浦激光功率之和，记为p s ；
步骤S550：利用如下公式计算获得所述用于光纤激光器的集成器件的泵浦激光反射率：
其中，p in 为所述泵浦激光器的输出功率，p out 为所述第一光功率计测量获得的所述信号光纤另一端发出的泵浦激光功率，p s 为所述第二光功率计测量获得的所述泵浦光纤输入端发出的泵浦激光功率之和。
具体的，
可以认为是进入所述第一光栅11的激光功率，
可以认为是未被所述第一光栅11反射，而是直接投射出去的激光功率。因此，
即为所述第一光栅11的反射率。
本实施例中，上述步骤的编号并不构成对本方法步骤先后实施顺序的限定。本领域技术人员在本实施例的发明构思下，可以对若干步骤的实施顺序进行调整，仍应纳入本实施例所公开的范围。例如，先执行步骤S520，再执行步骤S510，仍可以准确测量所述用于光纤激光器的集成器件的泵浦激光反射率。
所述泵浦激光的反射率可以用来评价所述集成器件的性能。显然，所述泵浦激光的反射率越高，说明所述集成器件在实际使用时，所述第一光栅11反射回谐振腔的泵浦激光越多，从而从所述信号光纤11另一端发出的泵浦激光越少，泵浦激光的利用效率越高。
本实施例提供的一种用于光纤激光器的集成器件的测试方法，能够准确测量所述器件内部对泵浦激光的反射率，从而实现对所述集成器件的性能参数进行评估和标定。所述测试方法结构简洁，便于实施，测量结果准确，不会对所述集成器件的结构和性能造成不可逆的损害。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种用于光纤激光器的集成器件的测试方法，其特征在于，所述用于光纤激光器的集成器件包括光纤拉锥结构、第一光栅结构和第二光栅结构，其中，
所述光纤拉锥结构包括一个信号光纤、一个或多个泵浦光纤和一个输出光纤，所述信号光纤、泵浦光纤和输出光纤的一端组合为合束结构；
所述信号光纤上设有用于反射泵浦激光的第一光栅结构；
所述输出光纤上设有具有腔镜功能的第二光栅结构，其中，所述输出光纤的合束端位于所述第二光栅结构长波长方向的位置；
所述信号光纤和输出光纤为双包层光纤；
所述第一光栅结构位于信号光纤的内包层；
所述第二光栅结构位于输出光纤的纤芯；
所述第一光栅结构采用无载氢处理的光纤光栅制作方法制备；
在所述信号光纤的内包层制作所述第一光栅的方法为飞秒激光光刻法；所述测试方法包括以下步骤：
将所述第一光栅对应波段的泵浦激光器连接至所述输出光纤的另一端；
将第一光功率计连接至所述信号光纤的另一端，将第二光功率计连接至所述泵浦光纤的输入端；
设置所述泵浦激光器的输出功率；
通过第一光功率计，获得所述第一所述信号光纤另一端发出的泵浦激光功率；以及，通过第二光功率计，获得所述泵浦光纤输入端发出的泵浦激光功率之和；
利用如下公式计算获得所述用于光纤激光器的集成器件的泵浦激光反射率：
其中，p in 为所述泵浦激光器的输出功率，p out 为所述第一光功率计测量获得的所述信号光纤另一端发出的泵浦激光功率，p s 为所述第二光功率计测量获得的所述泵浦光纤输入端发出的泵浦激光功率之和；
所述第二光栅结构为低反输出光栅；
所述泵浦光纤为1根、3根、7根、19根或61根具有相同尺寸、结构和数值孔径参数的光纤；
在所述输出光纤的纤芯制作第二光栅的方法，采用如下方法之一：飞秒激光光刻法、电弧放电法、离子束刻蚀法、机械微弯法。
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