CN203423368U - 光纤激光系统 - Google Patents
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Abstract
一种光纤激光系统，包括种子光源系统、对准激光系统、泵激光系统、合束器以及光纤放大器。种子光源系统发出种子激光光束，且包括第一激光晶体及贴合第一激光晶体的饱和吸收晶体。对准激光系统发出对准激光光束，且包括第二激光晶体及贴合于第二激光晶体的倍频晶体。第一激光晶体以及第二激光光束为掺钕钒酸钇晶体，倍频晶体为磷酸钛氧钾晶体。饱和吸收晶体为掺铬钇铝石榴石晶体，其初始穿透率为85%至97%，反射率为88%至92%。泵激光系统发出泵激光光束。种子激光光束、对准激光光束以及泵激光光束经由合束器耦合，并进入光纤放大器中放大。本实用新型的种子光源系统可以调整种子激光的脉冲宽度以及平均功率，以达到较佳的激光性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种激光系统，且特别是涉及一种光纤激光系统。
背景技术
脉冲式瓦级光纤激光系统是常用的激光加工方式，此种光纤激光系统包括种子激光系统（Seed）、泵激光系统（Pump laser）以及光纤放大器（Fiberamplifier）。种子激光系统会发出一种子激光光束，而泵激光系统会发出一泵激光光线。光纤放大器内具有活性介质（active medium），泵激光光线激发光纤放大器内的活性介质，使得活性介质从低能阶跃迁到高能阶。而跃迁到高能阶的介质则可再受到种子激光光束的作用而回到低能阶，并辐射出一能量。此能量与种子光线的能量相同，且方向一致。介质受到一能量而从高能阶跃迁至低能阶，而发出一能量的过程称为受激辐射。光纤激光系统就是利用这种受激激光的方式对激光信号进行放大。
目前所使用的种子激光包括调Q光纤激光（Q switch）以及调制半导体激光。调Q光纤激光可以产生平均功率高达1W的脉冲光纤激光，因此只需要一级放大即可达到50W以上的功率。然而，调Q光纤激光的脉冲宽度很难改变，大约为50-100ns。另外，调制半导体激光的脉冲宽度是可以进行调整的。调制半导体激光的平均功率小于1mW，因此需要进行二级或三级的放大才能达到10W以上的平均功率。
另外，一般而言，经过光纤放大器放大之后的激光为红外光，其为不可见光。因此，还会再和一对准激光（Aiming laser），通常为红光激光，一起进入一波长多任务器（wavelength division multiplexing,WDM），以使得激光以及对准激光变成同轴，并且能够对准加工品。
而目前的波长加工器可以是利用全光纤式或者是空间合束的方式使得激光以及对准激光变成同轴。全光纤式是将两条光纤熔接在一起，使得激光以及对准激光耦合进同一条光纤。而空间合束则是利用一片二向镜片（dichroic mirror），并使得激光通过此二向镜片，而对准激光则会进行反射，使得两个方向的光线达到合成一束的效果。
实用新型内容
本实用新型提供一种光纤激光系统，其包括利用固态激光制作成种子激光系统以及对准激光系统。
本实用新型提供一种光纤激光系统，该光纤激光系统包括一种子光源系统、一对准激光系统、一泵激光系统、一合束器以及一光纤放大器。种子光源系统包括第一激光晶体以及一饱和吸收晶体，而所第一激光晶体贴合于饱和吸收晶体，且种子光源系统从饱和吸收晶体发出一种子激光光束。其中，第一激光晶体为掺钕钒酸钇晶体，而饱和吸收晶体为掺铬钇铝石榴石晶体。饱和吸收晶体的初始穿透率为85%至97%，反射率为88%至92%。对准激光系统包括一第二激光晶体以及一倍频晶体，第二激光晶体贴合于倍频晶体，且对准激光系统从倍频晶体发出一对准激光光束。其中，第二激光晶体为掺钕钒酸钇晶体，而倍频晶体为磷酸钛氧钾晶体。泵激光系统用于发出一泵激光光束。种子激光光束、对准激光光束以及泵激光光束会经由合束器耦合，并一起进入光纤放大器中。
进一步地，种子光源系统还包括一第一激光二极管，第一激光二极管发出一第一激光光线至第一激光晶体以及所述饱和吸收晶体，以放出种子激光光束。
进一步地，第一激光晶体在第一激光光线的入光面具有一第一光学膜，而饱和吸收晶体在种子激光光束的出光面具有一第二光学膜，其中，第一光学膜使得波长为介于805nm至813nm之间的光线具有大于90%的穿透性，而波长为介于1063nm至1065nm之间的光线具有大于99%的反射性；其中，第一光学膜使得波长为介于805nm至813nm之间的光线具有大于90%的穿透性，而波长为介于1063nm至1065nm之间的光线具有大于99%的反射性；其中，第二光学膜使得波长为介于1063nm至1065nm之间的光线中的88%至92%被反射。
进一步地，第一激光光线的波长为808nm，而种子激光光束的波长为1064nm。
进一步地，对准激光系统还包括一第二激光二极管，第二激光二极管发出一第二激光光线至第二激光晶体以及倍频晶体，以放出对准激光光束。
进一步地，第二激光晶体在第二激光光线的入光面具有一第三光学膜，其中，第三光学膜使得波长为介于805nm至812nm之间的光线具有大于90%的穿透性，而波长为介于1064nm与532nm之间的光线具有大于99%的反射性。
进一步地，第二激光光线的波长为808nm，而对准激光光束的波长为532nm。
进一步地，对准激光光束的光点为100μm。
进一步地，合束器还包括：一第一光纤，第一光纤包括一核心层、一第一包覆层以及一第二包覆层，第一包覆层包覆核心层，而第二包覆层包覆第一包覆层以及核心层，种子激光光束在核心层中行进；一第二光纤，第二光纤从第一光纤的一侧插设于第二包覆层中，对准激光光束从第二光纤传入第一包覆层中，以在第一包覆层中行进；以及一第三光纤，第三光纤从第一光纤的另一侧插设于第二包覆层中，泵激光光束从第三光纤传入第一光纤的第一包覆层中，以在第一包覆层中行进。
综上所述，本实用新型提供一种光纤激光系统，其种子光源系统以及对准激光系统是使用固态激光系统。而本实用新型的种子光源系统是使用掺铬钇铝石榴石晶体做为饱和吸收晶体，并且控制饱和吸收晶体的初始穿透率以及反射率的值。进而可以调整种子激光的脉冲宽度以及平均功率，以达到较佳的激光性能。
为使能更进一步了解本实用新型的特征及技术内容，请参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图，但是此等说明与所附图式仅是用来说明本实用新型，而非对本实用新型的权利要求范围作任何的限制。
附图说明
图1为本实用新型第一实施例的光纤激光系统结构方块示意图。
图2为本实用新型第一实施例的种子光源系统结构示意图。
图3为本实用新型第一实施例的对准激光系统结构示意图。
图4为本实用新型第一实施例的合束器结构示意图。
【符号说明】
1光纤激光系統
10 泵激光系統
16 泵激光光束
20 种子光源系统
21 第一激光二极管
22、32 透镜
23 第一激光光线
24 第一激光晶体
24a 第一光学膜
25 饱和吸收晶体
25a 第二光学膜
26 种子激光光束
30 对准激光系统
31 第二激光二极管
33 第二激光光线
34 第二激光晶体
34a 第三光学膜
35 倍频晶体
36 对准激光光束
40 合束器
41 第一光纤
41a 核心层
41b 第一包覆层
41c 第二包覆层
42 第二光纤
43 第三光纤
50 光纤放大器
具体实施方式
图1为本实用新型第一实施例的光纤激光系统1结构方块示意图。请参阅图1，光纤激光系统1包括一泵激光系统10、种子光源系统20、对准激光系统30、合束器40以及光纤放大器50。在实际操作中，泵激光系统10会发出一泵激光光束16，种子光源系统20会从该饱和吸收晶体发出一种子激光光束26，而对准激光系统30会从该倍频晶体发出一对准激光光束36。而泵激光光束16、种子激光光束26以及对准激光光束36会经由合束器40的耦合，进入光纤放大器50之中，进行放大。
承上述，对准激光光束36经由合束器40的耦合，可形成与泵激光光束16、种子激光光束26同轴的光束，以增加后续激光对加工品进行加工时，对位的精准。另外，本实用新型的光纤放大器50是利用受激辐射的方式对激光进行放大。详细而言，进入光纤放大器50的泵激光光束16会激发光纤放大器50内的活性介质，使活性介质从低能阶跃迁到高能阶。而跃迁到高能阶的活性介质会再经由种子激光光束26的作用回到低能阶并且放出一个与种子激光光束26相同能量且方向一致的能量，进而放大激光能量。
图2为本实用新型第一实施例的种子光源系统20结构示意图。请参阅图2的内容，种子光源系统20包括一第一激光二极管21、透镜22、第一激光晶体24以及饱和吸收晶体25。如图2所示，第一激光晶体24贴合于饱和吸收晶体25。第一激光二极管21会发出一第一激光光线23。而第一激光晶体24为掺钕钒酸钇晶体（Nd：YVO4），饱和吸收晶体25为掺铬钇铝石榴石晶体（Cr：YAG）。
在实际操作上，第一激光光线23会先射至一透镜22，再经由透镜22聚焦射至第一激光晶体24中。第一激光光线23经由第一激光晶体24以及饱和吸收晶体25的作用下，会产生一种子激光光束26，并从饱和吸收晶体25射出。
详细而言，在本实施例中，第一激光光线23的波长可以为808nm。当第一激光光线23射入第一激光晶体24之后，第一激光光线23会将第一激光晶体24中的活性介质激发至高能阶，之后活性介质会再从高能阶回到低能阶而放出一波长为1024nm的种子激光光束26，此种子激光光束26会再进入饱和吸收晶体25之中。饱和吸收晶体25会一直吸收种子激光光束26的能量，待吸收到一个饱和值后，会将种子激光光束26瞬间放出。然而，本实用新型不限定第一激光光线23或者是种子激光光束26的波长。
须说明的是，第一激光晶体24在第一激光光线23的入光面具有一第一光学膜24a，第一光学膜24a使得波长为805nm至813nm的光线有大于90%的穿透性，也就是说，第一激光光线23容易进入第一激光晶体24中。除此之外，第一光学膜24a对于波长为1063nm至1065nm的光线有大于99%的反射性。因此，种子激光光束26不会从第一激光晶体24的入射面射出。
另外，饱和吸收晶体25在光线的出光面则具有一第二光学膜25a，第二光学膜25a使得波长为1063nm至1065nm的光线可部分反射。详细而言，饱和吸收晶体25对于种子激光光束26的初始穿透率为85至97%，而第二光学膜25a对于种子激光光束26具有高反射性，其反射率为88至92%。也就是说，从第一激光晶体24所射出的种子激光光束26容易进入饱和吸收晶体25。然而，第二光学膜25a对于种子激光光束26具有部分的反射性，大约有90%的种子激光光束26会在第一激光晶体24以及饱和吸收晶体25之内来回反射，以将更多的活性介质从高能阶回到低能阶并放出更多的能量。而大约有10%的种子激光光束26会从饱和吸收晶体25的出光面射出。
另外，经过上述第一激光晶体24以及饱和吸收晶体25的作用后所形成的种子激光光束26，频率可进行调整，使其介于20KHz-100KHz之间。平均功率可介于0.03W至0.1W，而瞬间功率可以调整至平均功率的1000-10000倍。此外，脉冲宽度可介于1ns–10ns之间。所述瞬间功率与平均功率的比以及脉冲宽度的比可针对加工需求以及激光需求进行调整，本实用新型不以此为限。而相较于现有技术中，使用调Q光纤激光或者调制半导体激光来做为种子激光，会有较小的平均功率或者是无法调整脉冲宽度的问题。本实用新型的种子光源系统20不仅具有较高的平均功率，还能够针对脉冲宽度进行调整。
接着请参阅图3，图3为本实用新型第一实施例的对准激光系统30结构示意图。对准激光系统30包括第二激光二极管31、透镜32、第二激光晶体34以及倍频晶体35。如图3所示，第二激光晶体34贴合于倍频晶体35。第二激光二极管31会发出一第二激光光线33。而第二激光晶体34为掺钕钒酸钇晶体，倍频晶体35为磷酸钛氧钾晶体（KTiOPO4,KTP）。
在实际操作上，第二激光光线33会先射至透镜32，再经由透镜32聚焦射至第二激光晶体34中。第二激光光线33经由第二激光晶体34以及倍频晶体35的作用下，会产生一对准激光光束36，并从倍频晶体35放出。
详细而言，在本实施例中，第二激光光线33可以为一红外线激光，其波长为808nm。当第二激光光线33射入第二激光晶体34之后，第二激光光线33会将第二激光晶体34中的活性介质激发至高能阶，之后活性介质会再从高能阶回到低能阶并且放出一激光光束，此激光光束会再进入倍频晶体35之中。在经过倍频晶体35的作用后，会放出一对准激光光束36，对准激光光束36的波长为532nm。然而，本实用新型不限定第二激光光线33以及对准激光光束36的波长。
须说明的是，第二激光晶体34在第二激光光线33的入光面具有第三光学膜34a，第三光学膜34a使得波长为805nm至812nm的光线有大于90%的穿透性，而波长为1064nm及532nm光线有大于99%的反射性。也就是说，第二激光光线33容易进入第二激光晶体34中，而对准激光光束36则不会从第二激光晶体34的入射面射出。
值得一提的是，在本实施例中，是利用绿光激光做为第二激光光线33。相较于现有技术中使用红光激光作为对准激光光线，绿光激光对于人眼有较高的感受程度。也就是说，人眼对绿光有较佳的敏感度。另外，进入光纤放大器50的激光通常都会有耗损的情形。然而，利用绿光激光所产生的对准激光光束36在进入光纤放大器50之后，仍能保持有50%的穿透率。
值得一提的是，由于所述第一激光晶体24、饱和吸收晶体25、第二激光晶体34以及倍频晶体35皆为固态激光晶体。相较于一般的半导体激光，固态激光晶体可承受的瞬间功率高达千倍以上，可以避免因回授光造成端面损坏的问题。
接下来，请再参阅图4，图4为本实用新型第一实施例的合束器40的结构示意图。合束器40包括第一光纤41、第二光纤42以及第三光纤43。第一光纤41为一双包覆光纤，包括一核心层41a、一第一包覆层41b以及一第二包覆层41c。须说明的是，第一包覆层41b会包覆核心层41a，而第二包覆层41c会包覆第一包覆层41b。此外，核心层41a、第一包覆层41b以及第二包覆层41c为同轴结构。
如图4所示，第二光纤42会从第一光纤41的一侧插设于第一光纤41的第一包覆层41b中。而第三光纤43会从第一光纤41的另外一侧插设于第一光纤41的第一包覆层41b中。在实际操作中，泵激光光束16、种子激光光束26以及对准激光光束36耦合至合束器40中，以形成同轴的光束，并进入光纤放大器50中进行放大。
详细而言，种子激光光束26会在第一光纤41的核心层41a中行进。而泵激光光束16则是在第二光纤42中行进。由于第二光纤42是从第一光纤41的一侧插设于第一光纤41的第一包覆层41b中，因此泵激光光束16会从第二光纤42进入第一光纤41的第一包覆层41b中。而对准激光光束36会在第三光纤43中行进。由于第三光纤43是从第一光纤41的一侧插设于第一光纤41的第一包覆层41b中，因此对准激光光束36会从第三光纤43进入第一光纤41的第一包覆层41b中。也就是说，泵激光光束16以及对准激光光束36最后会在第一光纤41的第一包覆层41b中行进，并且与在核心层41a的种子激光光束26同轴。
另外，须说明的是，在本实施例中，第一光纤41是使用105/125μm规格的光纤。也就是说，第一光纤41的核心层41a的直径大约为20μm，第一包覆层41b的直径大约为105μm，而第二包覆层41c的直径大约为125μm。然而，本实用新型不限定核心层41a、第一包覆层41b以及第二包覆层41c的直径。另外，在本实施例中，对准激光光束36的光点大约为100μm，接近于第一包覆层41b的直径105μm。也就是说，对准激光光束36容易耦合至第一包覆层41b中，耦合效率可以高达90%。
经由合束器40耦合的泵激光光束16、种子激光光束26以及对准激光光束36会进入光纤放大器50之中。须说明的是，在本实施例中，光纤放大器50是使用双纤壳掺镱光纤（Yb double cladding fiber），且光纤放大器50会针对波长介于1.03-1.08μm的激光进行放大。然而，本实用新型不限制光纤放大器50的种类以及被光纤放大器50放大的激光波长。
综上所述，本实用新型提供一种光纤激光系统，其种子光源系统以及对准激光系统是使用固态激光系统。因此，在使用上不会如同半导体激光具有端面损坏的问题。另外，本实用新型的种子光源系统是使用掺铬钇铝石榴石晶体做为饱和吸收晶体，并且控制饱和吸收晶体的初始穿透率以及反射率的值。进而可以调整种子激光的脉冲宽度以及平均功率，以达到较佳的激光性能。
以上所述仅为本实用新型的实施例，其并非用以限定本实用新型的专利保护范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神与范围内，所作的更动及润饰的等效替换，仍为本实用新型的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种光纤激光系统，其特征在于，所述光纤激光系统包括：
一种子光源系统，所述种子光源系统包括一第一激光晶体以及一饱和吸收晶体，而所述第一激光晶体贴合于所述饱和吸收晶体，且所述种子光源系统从所述饱和吸收晶体发出一种子激光光束，
其中，所述第一激光晶体为掺钕钒酸钇晶体，而所述饱和吸收晶体为掺铬钇铝石榴石晶体，所述饱和吸收晶体的初始穿透率为85%至97%，而所述饱和吸收晶体的反射率为88%至92%；
一对准激光系统，所述对准激光系统包括一第二激光晶体以及一倍频晶体，所述第二激光晶体贴合于所述倍频晶体，且所述对准激光系统从所述倍频晶体发出一对准激光光束，
其中，所述第二激光晶体为掺钕钒酸钇晶体，而所述倍频晶体为磷酸钛氧钾晶体，
一泵激光系统，所述泵激光系统用于发出一泵激光光束；
一合束器；以及
一光纤放大器，
其中，所述种子激光光束、所述对准激光光束以及所述泵激光光束会经由所述合束器耦合，并一起进入所述光纤放大器中。
2.根据权利要求1所述的光纤激光系统，其特征在于，所述种子光源系统还包括一第一激光二极管，所述第一激光二极管发出一第一激光光线至所述第一激光晶体以及所述饱和吸收晶体，以放出所述种子激光光束。
3.根据权利要求2所述的光纤激光系统，其特征在于，所述第一激光晶体在所述第一激光光线的入光面具有一第一光学膜，而所述饱和吸收晶体在所述种子激光光束的出光面具有一第二光学膜，
其中，所述第一光学膜使得波长为介于805nm至813nm之间的光线具有大于90%的穿透性，而波长为介于1063nm至1065nm之间的光线具有大于99%的反射性，
其中，所述第二光学膜使得波长为介于1063nm至1065nm之间的光线中的88%至92%被反射。
4.根据权利要求2所述的光纤激光系统，其特征在于，所述第一激光光线的波长为808nm，而所述种子激光光束的波长为1064nm。
5.根据权利要求1所述的光纤激光系统，其特征在于，所述对准激光系统还包括一第二激光二极管，所述第二激光二极管发出一第二激光光线至所述第二激光晶体以及所述倍频晶体，以放出所述对准激光光束。
6.根据权利要求5所述的光纤激光系统，其特征在于，所述第二激光晶体在所述第二激光光线的入光面具有一第三光学膜，
其中，所述第三光学膜使得波长为介于805nm至812nm之间的光线具有大于90%的穿透性，而波长为介于1064nm与532nm之间的光线具有大于99%的反射性。
7.根据权利要求5所述的光纤激光系统，其特征在于，所述第二激光光线的波长为808nm，而所述对准激光光束的波长为532nm。
8.根据权利要求7所述的光纤激光系统，其特征在于，所述对准激光光束的光点为100μm。
9.根据权利要求1所述的光纤激光系统，其特征在于，所述合束器还包括：
一第一光纤，所述第一光纤包括一核心层、一第一包覆层以及一第二包覆层，所述第一包覆层包覆所述核心层，而所述第二包覆层包覆所述第一包覆层以及所述核心层，所述种子激光光束在所述核心层中行进；
一第二光纤，所述第二光纤从所述第一光纤的一侧插设于所述第二包覆层中，所述对准激光光束从所述第二光纤传入所述第一包覆层中，以在所述第一包覆层中行进；以及
一第三光纤，所述第三光纤从所述第一光纤的另一侧插设于所述第二包覆层中，所述泵激光光束从所述第三光纤传入所述第一光纤的第一包覆层中，以在所述第一包覆层中行进。
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|---|---|---|---|---|
| CN104409950A (zh) * | 2014-11-14 | 2015-03-11 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 高功率亚百皮秒脉冲激光系统 |
| CN104810719A (zh) * | 2015-05-22 | 2015-07-29 | 厦门大学 | Ig模式可控掺钕钒酸钇复合掺铬钇铝石榴石微片激光器 |
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| CN104409950A (zh) * | 2014-11-14 | 2015-03-11 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 高功率亚百皮秒脉冲激光系统 |
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