CN208797346U - 一种抑制受激拉曼散射的波长镀膜端帽组 - Google Patents

Abstract

一种抑制受激拉曼散射的波长镀膜端帽组，包括第一端帽和第二端帽，两个端帽均包括光纤和石英块；石英块由连接端面尺寸相同的圆台、柱体和输出曲面体依次连接而成；光纤的一个端面与圆台的较小端面熔接，形成界面；光纤的纤芯中心线延长线为圆台和柱体和输出曲面体的中心线；输出曲面体的曲面以光纤的纤芯中心延长线与界面的交点为球心、以石英块中心线在圆台和柱体和输出曲面体内的长度之和为曲率半径，输出曲面体的曲面上有镀膜，第一端帽曲面上的镀膜对900‑1000纳米和1060‑1100纳米波段高反射；第二端帽曲面上的镀膜对1060‑1100纳米波段低反射，其他波段全透射。

Description

一种抑制受激拉曼散射的波长镀膜端帽组

技术领域

本实用新型总体地涉及光纤激光领域，具体涉及一种抑制受激拉曼散射的波长镀膜端帽组。

背景技术

高功率光纤激光器在激光切割、激光熔覆、3D打印等领域有着广泛的应用。近年来，随着双包层光纤制作工艺和高亮度半导体激光器的功率提升，单路高功率光纤激光输出功率得到了飞速的发展，从21世纪初的100瓦提高到目前的10千瓦。随着光纤激光输出功率的不断提高，受激拉曼散射成为限制高功率光纤激光器输出功率的主要限制因素之一。传统抑制SRS的方式有缩短增益光纤长度，增大模场面积等。然后随着输出功率的提升，传统抑制受激拉曼散射的方式存在一定的局限性。

传统的光纤端帽主要用于光纤激光的独立输出或独立输入。目前，在光纤激光器领域应用较多的是具有光束输出功能的光纤端帽，通过将传能光纤与锥形的石英块熔接，达到光束扩束和保护输出端面的作用；这类光纤端帽需要在端面镀上增透膜，以严格防止激光反馈导致的激光器损伤，因此仅仅具有激光输出功能。在光纤耦合半导体激光器领域，为了实现可插拔的光纤尾纤，使用较多的是具有激光耦合功能的光纤端帽，将空间输入的激光通过锥形光纤端帽耦合到传能光纤纤芯中；这类光纤端帽也需要在端面镀上增透膜，保证激光耦合效率，避免激光功率损耗导致的热效应和光纤损伤。

目前而言，在一般输出扩束和输入耦合等常规应用中，都要求光纤端帽有较高的功率透过效率，同时避免可能导致系统不稳定的反馈。因此，目前尚无一种能够同时具备反馈和抑制受激拉曼散射效应的双向光纤端帽。

发明内容

针对上述已有技术都是采用减小增益光纤的长度、以及增大增益光纤模场面积的方式来抑制受激拉曼散射，但是这两种方式又会导致光纤模式不稳定阈值减低，从而仅能有限的抑制受激拉曼散射的不足，本实用新型提供了一种抑制受激拉曼散射的波长镀膜端帽组，将它应用在振荡器中，能够在实现激光输出扩束的同时，抑制全光纤振荡器中的受激拉曼散射效应。

本实用新型的技术方案是：一种抑制受激拉曼散射的波长镀膜端帽组，它包括第一端帽和第二端帽，所述第一端帽和第二端帽均包括光纤和与光纤连接的石英块；所述石英块为连接端面尺寸相同的圆台、柱体和输出曲面体依次连接而成的一体结构；所述光纤的一个端面与石英块的圆台的较小端面熔接，形成界面；所述光纤的纤芯中心线延长线为石英块的圆台和柱体和输出曲面体中心线；所述石英块的输出曲面体的表面是以光纤的纤芯中心延长线与界面的交点为球心，以石英块中心线在圆台和柱体和输出曲面体内的长度之和为曲率半径的球冠；所述石英块的输出曲面体的曲面上有镀膜；所述第一端帽中输出曲面体的曲面上的镀膜对900-1000纳米波段和1060-1100纳米波段具有等于或大于99％的高反射率、且对其他波段全透射；所述第二端帽中输出曲面体的曲面上的镀膜对1060-1100纳米波段具有在5％-20％范围内的低反射率、且对其他波段全透射。

进一步的，其他波段包括放大自发辐射波段和拉曼波长波段。

更进一步的，上述放大自发辐射波段的波长范围为1030±20纳米；所述拉曼波长波段是指输出激光波长右移约56纳米。

还进一步的，上述光纤是用于激光产生和传输的光纤，为掺稀土粒子的增益光纤或不掺稀土粒子的传能光纤；且光纤的横截面结构选自单包层、双包层和三包层结构的光纤横截面结构中的一种；光纤的纤芯直径在10-200微米范围内，当光纤的横截面结构为双包层结构时，内包层直径在100-1000微米之间；外包层直径在250-2000微米之间。

还进一步的，上述石英块的圆台的较小端面尺寸是光纤最外包层的直径的2-5倍。

还进一步的，上述光纤与石英块熔接的界面为光滑平面，该光滑平面与光纤、石英块的长度方向和激光传输方向均垂直。

还进一步的，上述石英块的柱体用于光纤端帽的机械夹持和固定，其长度在10毫米-100毫米之间，其直径在3毫米-500毫米之间。

还进一步的，上述柱体为圆柱体。

本实用新型的抑制受激拉曼散射的波长镀膜端帽组可以应用在全光纤振荡器中：第一端帽形成的高反射的波长镀膜端帽，与传统全光纤振荡器中的高反射光栅作用相同；第二端帽形成的低反射的波长镀膜端帽，与传统全光纤振荡器中的低反射耦合输出光栅作用相同。第一端帽和第二端帽构成光纤激光器的反馈谐振腔，结合泵浦源和增益光纤，可以实现全光纤的振荡器输出。由于光纤端帽采取波长镀膜方式，实现激光反馈的同时，使得激光在拉曼波段的不起振，从而达到抑制振荡器中受激拉曼散射的作用，实现更高功率的输出。

本实用新型中：因为光纤的输出端面与石英块的输入端面熔接，形成界面；激光经光纤从界面进入石英块中，激光光斑在石英块中传输并扩束；石英块的输出端面为特殊设计的曲面，曲面上有针对波长的镀膜，第一端帽中曲面上的镀膜对900-1000纳米波段和1060-1100纳米波段高反射，对其他波段尤其是ASE波段(1030纳米)和拉曼波段(激光波长+56纳米)全透射；第二端帽中曲面上的镀膜对1060-1100纳米波段低反射，对其他波段尤其是放大自发辐射波段(1030纳米)和拉曼波段(激光波长+56纳米)全透射，这样当二者一起用于振荡器中在实现激光反馈输出的同时，保证放大自发辐射和拉曼光不起振，达到抑制振荡器中受激拉曼散射效应的作用。

本实用新型利用激光波长镀膜方式，在一个端帽中对所需要的激光信号波段镀高反射膜，对放大自发辐射波段(1030纳米)和拉曼波段(激光波长+56纳米)全透射以替代传统全光纤振荡器中的高反射光纤光栅；在另一个端帽中对所需要的激光信号光波段镀低反射膜，对其他波段，比如放大自发辐射波段(1030纳米)和拉曼波段(激光波长+56纳米)全透射，以替代传统全光纤振荡器中的低反射输出耦合光纤光栅，可以达到以下技术效果：

1、同时实现光纤激光的扩束和激光反射、反馈：利用激光的发散特性，光纤输出激光在石英块中传输时光斑自然扩束，通过合理设计石英块、改变激光在石英块中传输的距离，可以实现不同尺寸的光斑输出；通过合理设计的输出曲面，保证曲面反射的光束能够有效入射到光纤纤芯中；通过对石英块输出端面镀具有一定反射率的反射膜层，可以实现激光的反馈。

2、通过在第一端帽中曲面上的镀膜，对900-1000纳米波段和1060-1100纳米波段高反射，其余波段，尤其是放大自发辐射波段(1030纳米)和拉曼波段(激光波长+56纳米)全透射；在第二端帽中曲面上的镀膜，对1060-1100纳米波段低反射，其余波段，尤其是放大自发辐射波段(1030纳米)和拉曼波段(激光波长+56纳米)全透射，二者用于振荡器中可以有效地抑制拉曼波段激光起振，抑制其中的受激拉曼散射效应。这使得端帽组在替代传统光纤光栅构成谐振腔的同时，能够抑制激光中的受激拉曼散射，实现高功率全光纤振荡器的输出。

附图说明

从下面结合附图对本实用新型实施例的详细描述中，本实用新型的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：

图1是本实用新型实施例中抑制受激拉曼散射的波长镀膜端帽组的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中第一端帽A的结构示意图；

图3是本实用新型实施例中第二端帽B的结构示意图；

图4为应用抑制受激拉曼散射的波长镀膜端帽组的全光纤振荡器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

实施例1

一种抑制受激拉曼散射的波长镀膜端帽组，结构示意图如图1所示，包括第一端帽A和第二端帽B，其中第一端帽A的结构如图2所示，第二端帽B的结构如图3所示，可以看出，所述第一端帽A和第二端帽B均包括光纤11、特殊设计的石英块12：所述光纤11可以是双包层光纤，由纤芯15、内包层16、外包层17组成，也可以是单包层光纤，由纤芯15、包层17组成；石英块12为由连接端面尺寸相同的圆台18、柱体19和输出曲面体14依次连接而成的一体结构；光纤11的输出端面与石英块12的输入端面(即圆台18的较小端面)熔接后成为一个界面13；激光从光纤纤芯15传输到界面13后，进入石英块12中，激光先后经过石英块的圆台18区域、柱体19区域自然扩束后，到达输出曲面体14的曲面；石英块12的输出曲面体14是以光纤11纤芯中心延长线与界面13的交点为球心、以石英块12的中心线在圆台18和柱体19和输出曲面体14内的长度和为曲率半径的球面，输出曲面体14的曲面上有镀膜，在第一端帽A中输出曲面体14的曲面上的镀膜对900-1000纳米波段和1060-1100纳米波段的反射率大于等于99％，优选100％、且对其他波段比如放大自发辐射波段(1030纳米)和拉曼波段(激光波长+56纳米)全透射；第二端帽B中输出曲面体14曲面上的镀膜对1060-1100纳米波段具有5％-20％范围、优选10％的低反射率(剩余90％透射)、且对其他波段比如放大自发辐射波段(1030纳米)和拉曼波段(激光波长+56纳米)全透射，将二者用在振荡器中可以实现在对扩束激光进行扩束输出的同时，保证有效激光波段起振，而拉曼波段激光全部损耗，达到抑制受激拉曼散射的效果。

实施例2

一种应用抑制受激拉曼散射的波长镀膜端帽组的全光纤振荡器，其结构如图4所示，它包括第一端帽A、第二端帽B、掺稀土粒子增益光纤23、泵浦信号合束器24、光纤耦合半导体激光器25、信号传能光纤26、泵浦传能光纤27；所述信号传能光纤26将第一端帽A、泵浦信号合束器24、掺稀土粒子增益光纤23和第二端帽B依次连接；所述泵浦信号合束器24有一个或多个泵浦臂、一个信号输入臂、一个信号输出臂；一组光纤耦合半导体激光器25通过泵浦传能光纤27连接至泵浦信号合束器24的泵浦臂；所述第一端帽A和第二端帽B的结构如实施例1所示，且第一端帽A和第二端帽B组成部件的尺寸相同，第一端帽A和第二端帽B的反射中心波长匹配，构成激光器反馈谐振腔。该振荡器的工作过程为：泵浦光从所述的光纤耦合半导体激光器25输出端输出后注入泵浦信号合束器24，然后经信号传能光纤26注入到所述的光纤激光谐振腔中，增益光纤在泵浦光的激励和谐振腔的反馈下，产生激光输出。输出的激光中900-1000纳米波段和1060-1100纳米波段的光在第一端帽A的反射下全部反射回谐振腔中，而光束中其余波段的激光则从第一端帽A中全部透射，这样保证泵浦激光和有效信号激光能够在谐振腔中振荡。激光经过第二端帽B的低反射反馈后输出只有1060-1100纳米波段的信号激光，根据激光原理，由于放大自发辐射波段(1030纳米)和拉曼波段(激光波长+56纳米)的激光在谐振腔中没有有效反馈，不能起振，使得输出激光中不含拉曼波段激光，从而达到抑制全光纤振荡器中受激拉曼散射的效果。

以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种抑制受激拉曼散射的波长镀膜端帽组，其特征在于，它包括第一端帽(A)和第二端帽(B)，所述第一端帽(A)和第二端帽(B)均包括光纤(11)和与光纤(11)连接的石英块(12)；

所述石英块(12)为连接端面尺寸相同的圆台(18)、柱体(19)和输出曲面体(14)依次连接而成的一体结构；

所述光纤(11)的一个端面与石英块(12)的圆台(18)的较小端面熔接，形成界面(13)；

所述光纤(11)的纤芯中心线延长线为石英块(12)的圆台(18)和柱体(19)和输出曲面体(14)中心线；

所述石英块(12)的输出曲面体(14)的表面是以光纤(11)的纤芯中心延长线与界面(13)的交点为球心，以石英块(12)中心线在圆台(18)和柱体(19)和输出曲面体(14)内的长度之和为曲率半径的球冠；

所述石英块(12)的输出曲面体(14)的曲面上有镀膜；

所述第一端帽中输出曲面体(14)的曲面上的镀膜对900-1000纳米波段和1060-1100纳米波段具有大于或等于99％的反射率、且对其他波段全透射；

所述第二端帽中输出曲面体(14)的曲面上的镀膜对1060-1100纳米波段具有5％-20％范围的反射率、且对其他波段全透射。

2.根据权利要求1所述的抑制受激拉曼散射的波长镀膜端帽组，其特征在于，

其他波段包括放大自发辐射波段和拉曼波长波段。

3.根据权利要求2所述的抑制受激拉曼散射的波长镀膜端帽组，其特征在于，所述放大自发辐射波段的波长范围为1030±20纳米；所述拉曼波长波段是指输出激光波长右移约56纳米。

4.根据权利要求3所述的抑制受激拉曼散射的波长镀膜端帽组，其特征在于，所述光纤(11)是用于激光产生和传输的光纤，为掺稀土粒子的增益光纤或不掺稀土粒子的传能光纤；且光纤(11)的横截面结构选自单包层、双包层和三包层结构的光纤横截面结构中的一种；光纤(11)的纤芯直径在10-200微米范围内，当光纤(11)的横截面结构为双包层结构时，内包层直径在100-1000微米之间；外包层直径在250-2000微米之间。

5.根据权利要求3所述的抑制受激拉曼散射的波长镀膜端帽组，其特征在于，所述石英块(12)的圆台(18)的较小端面尺寸是光纤(11)最外包层的直径的2-5倍。

6.根据权利要求3所述的抑制受激拉曼散射的波长镀膜端帽组，其特征在于，所述光纤(11)与石英块(12)熔接的界面(13)为光滑平面，该光滑平面与光纤(11)、石英块(12)的长度方向和激光传输方向均垂直。

7.根据权利要求3所述的抑制受激拉曼散射的波长镀膜端帽组，其特征在于，所述石英块(12)的柱体(19)用于光纤端帽的机械夹持和固定，其长度在10毫米-100毫米之间，其直径在3毫米-500毫米之间。

8.根据权利要求3所述的抑制受激拉曼散射的波长镀膜端帽组，其特征在于，所述柱体(19)为圆柱体。