CN201780389U - 一种集成滤波、隔离、模场匹配功能的光纤器件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及到一种集成滤波、隔离、模场匹配功能的光纤器件，该光纤器件包括输入光纤、输入准直镜、光滤波片、光隔离器模组、输出准直镜、输出光纤和外壳，在外壳内依次分布有输入准直镜、光滤波片、光隔离器模组和输出准直镜，输入光纤的一端伸入到外壳的内部并靠近输入准直镜，输入光纤的纤芯正中轴线、输入准直镜的光轴与光隔离器模组的输入光轴三者在同一直线上；输出光纤的一端伸入至外壳的内部并靠近输出准直镜，输出光纤的纤芯正中轴线、输出准直镜的光轴与光隔离器模组的输出光轴三者在同一直线上；所述光滤波片与输入准直镜的光轴成一锐角。本实用新型的光纤器件具有插入损耗低、成本低、可靠性高、体积小等显著特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学器件，特别涉及到一种用于激光器中集成有滤波、隔离和模场匹配功能的光纤器件。
背景技术
基于MOPA(Master Oscillator Power Amplifier，主振荡功率放大)结构的光纤激光器已经成为当前获得高功率激光的一种流行的技术。MOPA技术的基本原理是用一个小功率的、性能稳定的激光作为种子激光(即主振荡)，用单级或者若干级串联的光放大器将种子激光放大到所需功率的激光(即功率放大)。为了获得稳定的高功率的激光，通常在主振荡激光器与光放大器之间或者在串联的光放大器之间，需要设置光隔离器、光滤波器等光器件。
图1是欧洲专利(公开号：EP1734622A1)公开的一种抑制MOPA结构的光纤激光器中的ASE(Amplified Spontaneous Emission，放大的自发辐射)的方法的原理示意图，主振荡激光器101发出的激光经过两级串联的光放大器102、104放大，在光放大器102与104之间插入光滤波器103用来滤除光放大器102产生的ASE光。光滤波器103是一个带通滤波器，其中心波长与主振荡激光器101的工作波长相同，其通带宽度略大于主振荡激光器101的线宽，即光滤波器103只让处于工作波长的激光通过，而阻止其他波长的光。在光放大器102的增益带宽内都会产生ASE光，是一种宽带的噪声，如果不加以滤除，ASE光将进入光放大器104，消耗104中的反转粒子数，进而降低了光放大器104的增益，使得光放大器104输出的激光功率减小，而且ASE噪声功率增大。反之，使用光滤波器103滤除光放大器102产生的ASE光，能够增加光放大器104输出的激光功率，而且较小ASE噪声功率。通常，光滤波器103可以使用光薄膜滤波器或者是光纤光栅。
图2是国际专利(公开号：W02007/132182A2)公开的一种基于MOPA结构的光纤激光器系统原理示意图，主振荡激光器201发出的激光经过两级串联的光放大器203、205放大，在主振荡激光器201与光放大器203之间插入了光隔离器202，在光放大器203与205之间插入了光隔离器204。光隔离器能够通过正向传输的光，而阻止反向传输的光。例如，光隔离器202能够通过从主振荡激光器201发出的激光进入光放大器203，而阻止从光放大器203到主振荡激光器201的反向光；光隔离器204能够通过从光放大器203发出的激光进入光放大器205，而阻止从光放大器205到光放大器203的反向光。在MOPA结构的光纤激光器中，通常反向光会引起激光器工作不稳定，严重的话会造成一些器件的不可恢复的损害。在MOPA结构的光纤激光器中插入光隔离器后，能够保证光单方向放大、传播，使得系统能够稳定输出激光，而且能保障相关光器件的安全使用。
在MOPA结构的光纤激光器中，通常主振荡激光器与光放大器或者串联的光放大器之间的光纤传输模场是不匹配的，如果不作任何处理，必然会引起较大的插入损耗(M.Faucher，and Y.K.Lize，Mode fieldadaptation for high power fiber lasers，Proceedings of CLEO，CF17，2007)。所以，需要插入具有模场匹配功能的光纤器件。
虽然，在MOPA结构的光纤激光器中使用分立的光滤波器、光隔离器、光模场匹配器也能够达到滤波、隔离、模场匹配的目的。但是，这样必然会造成较大的插入损耗、较高的成本，而且会占用更多的空间，不便于使用在紧凑结构的光纤激光器中。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种新型结构形式的光纤器件。本实用新型的光纤器件集成有滤波、隔离和模场匹配功能，以保障激光器系统的安全、稳定的输出高功率激光。
为了达到上述实用新型目的，本实用新型提供的技术方案如下：
一种集成滤波、隔离、模场匹配功能的光纤器件，该光纤器件包括有输入光纤、输入准直镜、光滤波片、光隔离器模组、输出准直镜、输出光纤和外壳，在所述外壳内依次分布有所述的输入准直镜、光滤波片、光隔离器模组和输出准直镜，所述输入光纤的一端伸入到所述外壳的内部并靠近输入准直镜，输入光纤的纤芯正中轴线、输入准直镜的光轴与光隔离器模组的输入光轴三者在同一直线上；所述的输出光纤的一端伸入至所述外壳的内部并靠近输出准直镜，输出光纤的纤芯正中轴线、输出准直镜的光轴与光隔离器模组的输出光轴三者在同一直线上；所述光滤波片与输入准直镜的光轴成一锐角。
在本实用新型中，所述的光隔离器模组包括楔形双折射晶体、法拉第旋光片和磁环，所述法拉第旋光片夹在两块楔形双折射晶体之间形成三明治结构，所述磁环套在法拉第旋光片的周围。
在本实用新型中，所述的输入准直镜、光滤波片、光隔离器模组和输出准直镜上均镀有用以降低组件端面反射光的增透膜。
在本实用新型中，所述的输入光纤的模场直径为Φi，输入光纤的数值孔径为NAi，所述输出光纤的模场直径为Φo，输出光纤的数值孔径为NAo，模场匹配满足如下关系：
ΦiNAi≤ΦoNAo。
在本实用新型中，所述的外壳内部的输入光纤和输出光纤的端面为斜面，光纤的端面与纤芯正中轴的夹角为锐角。
在本实用新型中，所述的输入准直镜和输出准直镜均为自聚焦透镜。
在本实用新型中，所述外壳的内壁为经过发黑处理的内壁，以吸收发射到器件内部的杂散光。
基于上述技术方案，本实用新型的光纤器件较现有技术具有如下技术优点：
本实用新型从技术上实现了一种集成滤波、隔离、模场匹配功能的光纤器件，该光纤器件仅仅经过一次光纤到空间以及空间到光纤的耦合过程，相比较用分立光器件实现这三个功能需要三次光纤到空间以及空间到光纤的耦合过程以及额外的光纤熔接损耗而言，该光器件具有插入损耗低、成本低、可靠性高、体积小等显著特点。将本实用新型的光纤器件应用在基于MOPA结构的光纤激光器中，能够保障激光器系统安全、稳定的输出高功率激光。当然，本实用新型的光纤器件不仅限于应用在基于MOPA结构的光纤激光器中，也可以应用在其他需要光滤波、隔离、模场匹配功能的场合，例如光纤传感、探测技术，光纤放大器等。
附图说明
图1是欧洲专利(公开号：EP1734622A1)公开的一种抑制MOPA结构光纤激光器中的ASE的方法的原理示意图。
其中，
101-主振荡激光器 102-光放大器 103-光滤波器
104-光放大器
图2是国际专利(公开号：WO2007/132182A2)公开的一种基于MOPA结构的光纤激光器系统原理示意图。
其中，
201-主振荡激光器 202-光隔离器 203-光放大器
204-光隔离器 205-光放大器
图3是本实用新型的集成滤波、隔离、模场匹配功能的光纤器件实施例的轴向截面示意图。
其中，
301-输入光纤 302-输入准直镜 303-光滤波片
304-光隔离器模组 305-输出准直镜 306-输出光纤
307-外壳 308-输入准直镜光轴
309-光隔离器模组的输入光轴 310-光隔离器模组的输出光轴
311-输出准直镜光轴
图4a是本实用新型的光纤器件实施例应用在MOPA结构的光纤激光器中的输入光谱示意图。
图4b是本实用新型的光纤器件实施例应用在MOPA结构的光纤激光器中的输出光谱示意图。
其中，
401-激光工作波长 402-带外光谱 403-受激拉曼散射光谱
404-滤波片透射谱
图5是本实用新型的光纤器件实施例中使用的光隔离器模组的轴向截面示意图。
其中，
501-楔形双折射晶体 502-法拉第旋光片
503-楔形双折射晶体 504-磁环
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例来对本实用新型的集成滤波、隔离、模场匹配功能的光纤器件做进一步的详细描述，以求更为清楚地阐述本实用新型的内容，但不能因此而限制本实用新型的保护范围。
本实用新型集成滤波、隔离、模场匹配功能的光纤器件，由输入光纤、输入准直镜、光滤波片、光隔离器模组、输出准直镜、输出光纤和外壳几个组件构成。
本实用新型中，在器件外壳内部，输入准直镜、光滤波片、光隔离器模组、输出准直镜自左向右依次放置。此处左右顺序是以光路的输入为左端，光路的输出端为右端。上述器件中，输入准直镜、光滤波片、光隔离器模组、输出准直镜的光学表面都镀有激光工作波长的增透膜，以降低组件端面的反射光。输入光纤从外壳的左面进入，外壳内部的输入光纤的端面为一斜面，并镀有激光工作波长的增透膜，以降低光纤端面的反射光。输入光纤的纤芯正中轴线、输入准直镜的光轴与光隔离器模组的输入光轴三者在同一直线上。
光滤波片与输入准直镜的光轴成一定夹角，该夹角为锐角，通常为82度，起到降低反射光进入输入光纤的功能。
输出光纤从外壳的右面穿出，外壳内部的输出光纤的端面为一斜面，并镀有激光工作波长的增透膜，以降低光纤端面的反射光。输出光纤的纤芯正中轴线、输出准直镜的光轴与光隔离器模组的输出光轴三者在同一直线上。
实施例
图3是本实用新型集成滤波、隔离、模场匹配功能的光纤器件实施例的轴向截面示意图。本实用新型的光纤器件由输入光纤301、输入准直镜302、光滤波片303、光隔离器模组304、输出准直镜305、输出光纤306、外壳307等组件构成。
本实施例中，输入准直镜302、光滤波片303、光隔离器模组304、输出准直镜305的光学表面都镀有1064nm的增透膜，以降低组件端面的反射光。输入光纤301的模场直径是6um，数值孔径是0.12，输出光纤306的模场直径是15um，数值孔径是0.11，满足φi·NAi≤φi·NAo，能够进行模场匹配。外壳307内部的输入光纤301和输出光纤306的端面为斜面，端面与纤芯正中轴线夹角为82度(端面与光纤横截面夹角为8度，即通常所说的斜8度)，并镀有1064nm的增透膜，以降低光纤端面的反射光。输入准直镜302和输出准直镜305是工作波长为1064nm的自聚焦透镜。输入光纤的纤芯正中轴线、输入准直镜的光轴308与光隔离器模组的输入光轴309三者在同一直线上。输出光纤的纤芯正中轴线、输出准直镜的光轴311与光隔离器模组的输出光轴310三者在同一直线上。
本实施例中，使用楔型光隔离器模组，其由一个磁环、一个法拉第旋光片和两个楔形双折射晶体组成。光隔离模组能够通过自左向右的光，阻止自右向左的光，即单向性，实现了器件的隔离功能。图5是本实用新型的光纤器件实施例中使用的光隔离器模组的轴向截面示意图。由图可知，法拉第旋光片502夹在两块楔形双折射晶体501、503之间，形成三明治结构，两个楔形双折射晶体背对放置以保持其斜面相互平行，而磁环套504则围在法拉第旋光片502的周围，图中的309是光隔离器模组的输入光轴，310是光隔离器模组的输出光轴。
本实施例中，光滤波片为一薄膜型滤波片，其通带中心波长为1064nm，通带宽度为5nm(略大于激光工作线宽3nm)，通带透过率大于85％。光滤波片与输入准直镜的光轴308成82度夹角。图4a、图4b分别是本实用新型的光纤器件实施例应用在MOPA结构的光纤激光器中的输入、输出光谱示意图。401为激光工作波长1064nm；402为带外光谱，主要是ASE光；403是受激拉曼散射光谱，是光放大器中的光纤的非线性效应造成的；404是滤波片透射谱。可见，本光纤器件实施例能够滤除输入光谱中的ASE光和受激拉曼散射光成分，仅让激光工作波长的光通过，达到滤波目的。
本实施例中，外壳307内部作发黑处理，能够吸收被反射到器件内部的杂散光。
虽然实用新型已依据本实用新型的实施例，在上文中加以说明，但这并不表示本实用新型的范围只局限上述的结构，只要被本实用新型的权利要求所覆盖的结构在保护范围之内。本技术领域的要求技术人在阅读上述的说明后很容易的发展出等效替代结构，而这些等效的替代结构亦是在本案要求的范围之内。
Claims (7)
1.一种集成滤波、隔离、模场匹配功能的光纤器件，其特征在于，该光纤器件包括有输入光纤、输入准直镜、光滤波片、光隔离器模组、输出准直镜、输出光纤和外壳，在所述外壳内依次分布有所述的输入准直镜、光滤波片、光隔离器模组和输出准直镜，所述输入光纤的一端伸入到所述外壳的内部并靠近输入准直镜，输入光纤的纤芯正中轴线、输入准直镜的光轴与光隔离器模组的输入光轴三者在同一直线上；所述的输出光纤的一端伸入至所述外壳的内部并靠近输出准直镜，输出光纤的纤芯正中轴线、输出准直镜的光轴与光隔离器模组的输出光轴三者在同一直线上；所述光滤波片与输入准直镜的光轴成一锐角。
2.根据权利要求1所述的一种集成滤波、隔离、模场匹配功能的光纤器件，其特征在于，所述的光隔离器模组包括楔形双折射晶体、法拉第旋光片和磁环，所述法拉第旋光片夹在两块楔形双折射晶体之间形成三明治结构，所述磁环套在法拉第旋光片的周围。
3.根据权利要求1所述的一种集成滤波、隔离、模场匹配功能的光纤器件，其特征在于，所述的输入准直镜、光滤波片、光隔离器模组和输出准直镜上均镀有用以降低组件端面反射光的增透膜。
4.根据权利要求1所述的一种集成滤波、隔离、模场匹配功能的光纤器件，其特征在于，所述的输入光纤的模场直径为Φi，输入光纤的数值孔径为NAi，所述输出光纤的模场直径为Φo，输出光纤的数值孔径为NAo，模场匹配满足如下关系：
ΦiNAi≤ΦoNAo。
5.根据权利要求1所述的一种集成滤波、隔离、模场匹配功能的光纤器件，其特征在于，所述的外壳内部的输入光纤和输出光纤的端面为斜面，光纤的端面与纤芯正中轴的夹角为锐角。
6.根据权利要求1所述的一种集成滤波、隔离、模场匹配功能的光纤器件，其特征在于，所述的输入准直镜和输出准直镜均为自聚焦透镜。
7.根据权利要求1所述的一种集成滤波、隔离、模场匹配功能的光纤器件，其特征在于，所述外壳的内壁为经过发黑处理的、吸收发射到器件内部的杂散光的内壁。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Pinghu Zhongtian Hebo Communication Technology Co., Ltd. Assignor: Zhejiang hop wave optical technology Co., Ltd.|Shanghai Wave Communication Technology Co., Ltd. Contract record no.: 2012990000802 Denomination of utility model: Optical fiber device integrating filtering, isolation and mode filed matching functions Granted publication date: 20110330 License type: Exclusive License Record date: 20121030 |
|
| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model | ||
| EM01 | Change of recordation of patent licensing contract |
Change date: 20131010 Contract record no.: 2012990000802 Assignee after: HEBO OPTICAL COMMUNICATION TECHNOLOGY CO., LTD. Assignee before: Pinghu Zhongtian Hebo Communication Technology Co., Ltd. |
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| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model | ||
| EM01 | Change of recordation of patent licensing contract |
Change date: 20131010 Contract record no.: 2012990000802 Assignee after: HEBO OPTICAL COMMUNICATION TECHNOLOGY CO., LTD. Assignee before: Pinghu Zhongtian Hebo Communication Technology Co., Ltd. |
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| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 314200, the east side of Pinghu Avenue, Pinghu Economic Development Zone, Zhejiang Province, is prosperous on the north side Co-patentee after: Shanghai Bandweaver Technology Co., Ltd. Patentee after: Innovative Optics (ZheJiang) Co., Ltd. Address before: 314200, the east side of Pinghu Avenue, Pinghu Economic Development Zone, Zhejiang Province, is prosperous on the north side Co-patentee before: Shanghai Bohui Communication Technology Co., Ltd. Patentee before: Innovative Optics (ZheJiang) Co., Ltd. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20110330 |
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| CX01 | Expiry of patent term |