CN209786419U - 一种大模场三包层无源光纤、模式剥离器和光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于光学领域，提供了一种大模场三包层无源光纤、模式剥离器、激光输出头和光纤激光器。大模场三包层无源光纤包括纤芯、覆盖在纤芯外面的内包层、覆盖在内包层外面的外包层和覆盖在外包层外面的涂覆层；纤芯的横截面形状为正八边形，外包层的横截面形状为正十边形，内包层和涂覆层的横截面形状均为圆形。本实用新型提高了光纤激光器稳定性和可靠性。

Description

一种大模场三包层无源光纤、模式剥离器和光纤激光器

技术领域

本实用新型属于光学领域，尤其涉及一种大模场三包层无源光纤、模式剥离器、激光输出头和光纤激光器。

背景技术

如图1所示，现有技术的大模场双包层无源光纤由纤芯24、覆盖在纤芯24外面的包层25和覆盖在包层25外面的涂覆层26组成，现有技术的大模场双包层无源光纤的纤芯的横截面形状为圆形，直径一般在35～150微米，NA值一般在0.06～0.12，包层的横截面形状为圆形，直径一般在335～400微米。

光纤激光器是用掺杂稀土离子的光纤作为增益介质的第三代光纤激光器，光纤激光器中所采用的光纤的直径等相关参数决定了光纤激光器的稳定性差和可靠性，是能否实现目标功率的重点参数，因此这些参数的选择非常关键。现有技术的光纤激光器中的模式剥离器和激光输出头通常采用的是如图1所示的大模场双包层无源光纤，得益于包层泵浦技术与高亮度泵浦源的突破，商业化的光纤激光器的输出功率已经突破上千瓦。然而，随着单个谐振腔或单根光纤中传输功率的不断增加，光纤纤芯中的功率密度也逐步增加，随之而来的非线性效应和热效应将严重的影响整个光纤激光器长时间的工作稳定性；另外输出激光功率的增加必然要求输入更多的泵浦光，随着双包层无源光纤的涂覆层上所承受泵光功率密度的增加，涂覆层受到高功率密度泵光冲击，降低了光纤激光器的可靠性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种大模场三包层无源光纤、模式剥离器、激光输出头和光纤激光器，旨在解决由于采用大模场双包层无源光纤，导致光纤激光器工作稳定性差，可靠性低的问题。

第一方面，本实用新型提供了一种大模场三包层无源光纤，包括纤芯、覆盖在纤芯外面的内包层、覆盖在内包层外面的外包层和覆盖在外包层外面的涂覆层；纤芯的横截面形状为正八边形，外包层的横截面形状为正十边形，内包层和涂覆层的横截面形状均为圆形。

第二方面，本实用新型提供了一种模式剥离器，所述模式剥离器采用的光纤是如第一方面提供的大模场三包层无源光纤。

进一步地，所述外包层的每一个平面结构的裸光纤表面上刻蚀有至少一个波浪形刻蚀沟槽。

第三方面，本实用新型提供了一种激光输出头，所述激光输出头采用的光纤是如第一方面提供的大模场三包层无源光纤。

第四方面，本实用新型提供了一种光纤激光器，包括如第三方面提供的激光输出头。

第五方面，本实用新型提供了一种光纤激光器，包括如第二方面提供的模式剥离器。

进一步地，光纤激光器具体包括在光路上依次连接的由多个第一泵浦源组成的第一泵浦阵列、第一泵浦合束器、第一光纤光栅、第一级有源光纤、第二光纤光栅、第二级有源光纤、第二泵浦合束器、所述模式剥离器和激光输出头，还包括与第二泵浦合束器的输入端光路连接的由多个第二泵浦源组成的第二泵浦阵列。

进一步地，所述激光输出头采用的光纤是大模场三包层无源光纤，包括纤芯、覆盖在纤芯外面的内包层、覆盖在内包层外面的外包层和覆盖在外包层外面的涂覆层；纤芯的横截面形状为正八边形，外包层的横截面形状为正十边形，内包层和涂覆层的横截面形状均为圆形。

进一步地，每个第一泵浦源和第二泵浦源的输出泵浦光的NA值在0.1～0.22之间，输出功率在200～500W之间，输出波长具有915nm与975nm两个峰值。

在本实用新型中，由于大模场三包层无源光纤包括纤芯、覆盖在纤芯外面的内包层、覆盖在内包层外面的外包层和覆盖在外包层外面的涂覆层；纤芯的横截面形状为正八边形，外包层的横截面形状为正十边形。纤芯的正八边形与常规的大模场双包层无源光纤的纤芯的圆形相比，可以消除纤芯的螺旋激光，使得光斑的能量分布更加均匀；外包层的正十边形与常规的大模场双包层无源光纤的包层的圆形相比，可以有效的避免包层中形成螺旋光，同时正十边形相对较多的平面也更有利于刻蚀泄漏波导，从而更好的剥除包层传输光而有效的净化光束取得更好的加工效果，亦可以更好的处理回光保护激光器；纤芯相比常规的大模场双包层无源光纤的纤芯，纤芯尺寸和NA值较大，可以有效的降低光功率密度，减少非线性效应提高光纤激光器稳定性和可靠性。

又由于模式剥离器采用的大模场三包层无源光纤的外包层的每一个平面结构的裸光纤表面上刻蚀有至少一个波浪形刻蚀沟槽，因此可以破坏平整的全反射平面从而剥除内包层中的光模式，避免了普通圆形结构难以定位、刻蚀连贯性差的问题，实现方式简单可靠易于实现自动化加工。

又由于第一泵浦源和第二泵浦源的输出波长具有915nm与975nm两个峰值，因此充分的利用了有源光纤的吸收特性，兼顾了975nm的高吸收与915nm的宽吸收特点，可以有效的缩短使用有源光纤的长度而有保证良好的稳定性。

又由于光纤激光器包括第一级有源光纤和第二级有源光纤，因此降低了第一光纤光栅和第二光纤光栅承受激光的压力，又不同于传统的MOPA放大结构，简化了光路，还能够有效的降低回光放大。

又由于第一光纤光栅是采用基于三包层无源光纤的反射率范围为85％～99.5％之间的光纤光栅，第二光纤光栅是采用基于三包层无源光纤的反射率范围为8％～22％之间的光纤光栅；激光输出头采用大模场三包层无源光纤。三包层光纤的外包层大幅度减少了泵浦光对于有机物涂覆层的损伤，涂覆层作为全反射界面损伤阈值超高，提高了光纤激光器的稳定性与可靠性。

附图说明

图1是现有技术的大模场双包层无源光纤的结构示意图。

图2是本实用新型实施例提供的大模场三包层无源光纤的结构示意图。

图3是模式剥离器的结构示意图。

图4是本实用新型实施例提供的光纤激光器的基本组成原理图。

图5是三包层无源光纤的结构示意图。

图6是三包层有源光纤的结构示意图。

图7是三种激光器系统的有源光纤的有机物涂覆层沿长度方向承受功率分布曲线示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

为了说明本实用新型所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

请参阅图2，本实用新型实施例提供的大模场三包层无源光纤包括纤芯27、覆盖在纤芯27外面的内包层28、覆盖在内包层28外面的外包层29和覆盖在外包层29外面的涂覆层30；纤芯27的横截面形状为正八边形，外包层29的横截面形状为正十边形，内包层28和涂覆层30的横截面形状均为圆形。

大模场三包层无源光纤应用在高功率光纤激光器时，纤芯的直径太小、功率密度过高会导致整个光路不太稳定，纤芯的直径太大、光束质量会太差不利于加工应用，内包层和外包层都是起到保护作用的，太薄保护作用不够，太厚的话影响散热与弯曲性能。纤芯27的横截面正八边形中相对两直边的距离在50～200微米之间，NA值在0.18～0.24之间，内包层28的直径在70～240微米之间且比纤芯27的两直边的距离大20～40微米，外包层29的横截面正十边形中相对两直边的距离在360～460微米之间。纤芯27的正八边形与常规的大模场双包层无源光纤的纤芯的圆形相比，可以消除纤芯的螺旋激光，使得光斑的能量分布更加均匀；外包层29的正十边形与常规的大模场双包层无源光纤的包层的圆形相比，可以有效的避免包层中形成螺旋光，同时正十边形相对较多的平面也更有利于刻蚀泄漏波导，从而更好的剥除包层传输光而有效的净化光束取得更好的加工效果，亦可以更好的处理回光保护激光器；纤芯27相比常规的大模场双包层无源光纤的纤芯，纤芯尺寸和NA值较大，可以有效的降低光功率密度，减少非线性效应提高激光器稳定性。本实用新型实施例提供的大模场三包层无源光纤应用在高功率光纤激光器时，纤芯的直径可以使整个光路稳定、利于加工应用，且内包层和外包层的直径可以较好地对纤芯起到了保护作用，散热与弯曲性能较佳。

本实用新型实施例还提供了一种模式剥离器，所述模式剥离器采用的光纤是本实用新型实施例提供的大模场三包层无源光纤。

请参阅图3，模式剥离器采用的大模场三包层无源光纤的外包层的每一个平面结构的裸光纤表面31上刻蚀有至少一个波浪形刻蚀沟槽32来破坏平整的全反射平面从而剥除内包层中的光模式；波浪形刻蚀沟槽32的形状可以是随机的。波浪形刻蚀沟槽32的深度在5～15微米之间，宽度在5～10微米之间，多个波浪形刻蚀沟槽32可以是均匀的布满在每一个裸光纤表面31上，波浪形刻蚀沟槽32的沟槽波谷与波峰差在10～30微米之间，相邻两个波浪形刻蚀沟槽32之间的距离在5～10微米之间。

本实用新型实施例还提供了一种激光输出头，所述激光输出头采用的光纤是本实用新型实施例提供的大模场三包层无源光纤。

本实用新型实施例还提供了一种包括本实用新型实施例提供的激光输出头的光纤激光器。

本实用新型实施例还提供了一种包括本实用新型实施例提供的模式剥离器的光纤激光器。

请参阅图4，本实用新型实施例提供的光纤激光器具体可以包括在光路上依次连接的由多个第一泵浦源组成的第一泵浦阵列1、第一泵浦合束器2、第一光纤光栅3、第一级有源光纤4、第二光纤光栅5、第二级有源光纤6、第二泵浦合束器7、模式剥离器8和激光输出头9，还包括与第二泵浦合束器7的输入端光路连接的由多个第二泵浦源组成的第二泵浦阵列10。模式剥离器8和激光输出头9分别是本实用新型实施例提供的模式剥离器和激光输出头。

在本实用新型实施例中，第一泵浦合束器2和第二泵浦合束器7均是基于三包层无源光纤的泵浦合束器，其中，第一泵浦合束器2可以是(18+1)×1的泵浦合束器，第二泵浦合束器7可以是(6+1)×1的泵浦合束器。第一光纤光栅3可以是采用反射率范围为85％～99.5％之间的基于三包层无源光纤的光纤光栅，第二光纤光栅5可以是采用反射率范围为8％～22％之间的基于三包层无源光纤的光纤光栅。第一级有源光纤4和第二级有源光纤6均可以是三包层有源光纤。

请参阅图5，第一泵浦合束器2、第二泵浦合束器7、第一光纤光栅3和第二光纤光栅5采用的三包层无源光纤包括纤芯13、覆盖在纤芯13外面的内包层14、覆盖在内包层14外面的外包层15和覆盖在外包层15外面的涂覆层16，纤芯13、内包层14和外包层15的横截面形状均为圆形。三包层无源光纤的纤芯13的直径在25～50微米之间。其中，第一泵浦合束器2的激光输出光纤采用的三包层无源光纤的内包层14的直径在360～450微米之间，外包层15的直径大于内包层14的直径，外包层15的直径在400～480微米之间，且外包层15与内包层14的直径差在20～40微米之间；第二泵浦合束器7的泵浦光输出光纤采用的三包层无源光纤的纤芯的直径在10～50微米之间，内包层的直径在250～800微米之间，外包层的直径大于内包层的直径，外包层的直径在300～1000微米之间；第二泵浦合束器7的激光输出光纤采用的三包层无源光纤的纤芯的直径在10～50微米之间，内包层直径在80～100微米之间，外包层直径在110～130微米之间。第一光纤光栅3和第二光纤光栅5采用的三包层无源光纤的内包层的直径在250～800微米之间，外包层的直径大于内包层的直径，外包层的直径在300～1000微米之间。

在本实用新型实施例中，第一泵浦阵列1可以是由6个至18个第一泵浦源组成的。每个第一泵浦源的输出泵浦光的NA(Numerical Aperture，数值孔径)值在0.1～0.22之间，输出功率在200～500W之间，输出波长具有915nm与975nm两个峰值。第二泵浦阵列10可以是由6个第二泵浦源组成的。每个第二泵浦源的输出泵浦光的NA值在0.1～0.22之间，输出功率在200～500W之间，输出波长具有915nm与975nm两个峰值。

第一泵浦合束器2具有18根泵浦光输入光纤、1根输入光纤和1根激光输出光纤。第一泵浦源的输出光纤与第一泵浦合束器的泵浦光输入光纤相连接。6个至18个第一泵浦源经过第一泵浦合束器2合成之后的输出泵浦光的NA值在0.15～0.4之间。第二泵浦合束器7具有6根泵浦光输入光纤、1根激光输出光纤和1根泵浦光输出光纤。第二泵浦合束器7通过激光输出光纤与模式剥离器8光路连接；第二泵浦合束器7通过泵浦光输入光纤与第二泵浦源光路连接；第二泵浦合束器7通过泵浦光输出光纤与第二级有源光纤6光路连接。

请参阅图6，在本实用新型实施例中，三包层有源光纤包括纤芯20、覆盖在纤芯20外面的内包层21、覆盖在内包层21外面的外包层22和覆盖在外包层22外面的涂覆层23。内包层21的横截面形状为正八边形，纤芯20、外包层22和涂覆层23的横截面形状均为圆形。

三包层有源光纤的纤芯的直径在10～50微米之间，内包层的直径在250～800微米之间，外包层的直径大于内包层的直径，外包层的直径在300～1000微米之间。

本实用新型实施例提供的三包层有源光纤应用在高功率光纤激光器时，纤芯的直径可以使整个光路稳定、利于加工应用，且内包层和外包层的直径可以较好地对纤芯起到了保护作用，散热与弯曲性能较佳。本实用新型的三包层有源光纤应用在高功率光纤激光器时，纤芯的直径可以使整个光路稳定、利于加工应用，且内包层和外包层的直径可以较好地对纤芯起到了保护作用，散热与弯曲性能较佳。三包层有源光纤中大部分的泵浦光在内包层21与外包层22的界面上进行反射，只有少量的泵浦光会在外包层22和涂覆层23的界面上进行反射；内包层21与外包层22构成的光波导结构，其相对NA值在0.18～0.24之间；外包层22和涂覆层23构成的光波导结构，其相对NA值在0.4～0.48之间；外包层22由掺杂少量氟或硼的石英基玻璃组成，以降低纯石英的折射率形成全反射的波导结构；纯石英基的玻璃材料可以在1200℃时稳定工作，而一般的有机物外包层只能在200℃以下工作，长时间稳定工作温度不超过100℃，抗损伤阈值相对石英基的玻璃材料相差太多。三包层有源光纤的波导结构可以使得大部分泵浦光在石英基外包层界面上进行反射，大幅度减少高功率密度的泵浦光在脆弱的有机物涂覆层界面上反射，从而大大的提高整个激光器光路的可靠性。

第一级有源光纤4的使用长度控制在2～10米，第二级有源光纤6的使用长度控制在10～40米，第一级有源光纤4和第二级有源光纤6的光纤总长度之和在12～50米之间；较短的第一级有源光纤4在光路中形成不饱和的吸收，在第一光纤光栅3和第二光纤光栅5之间产生300～1000W的激光，未完全吸收的泵浦光与产生的激光一起在第二级有源光纤6中进行充分的吸收与放大，输出2000～6000W的激光。

假设以纤芯直径为25微米，包层直径为400微米的常规双包层有源光纤构建双端对称泵浦结构的1500W与2000W激光器系统，以纤芯直径为25微米，内包层直径为360微米，外包层直径为420微米的三包层有源光纤构建双端对称泵浦结构的2000W激光器系统，设定常规双包层有源光纤和三包层有源光纤的吸收均为0.4dB/m，则沿着有源光纤长度方向有机物涂覆层所承受的泵浦光功率如图7所示。通过观测可以发现在基于常规双包层有源光纤构建的双端对称泵浦结构的1500W激光器系统，有源光纤的有机物涂覆层沿长度方向承受功率分布曲线33、在基于常规双包层有源光纤构建的双端对称泵浦结构的2000W激光器系统，有源光纤的有机物涂覆层沿长度方向承受功率分布曲线34、三包层有源光纤构建双端对称泵浦结构的2000W激光器系统，有源光纤的有机物涂覆层沿长度方向承受功率分布曲线35中，三包层有源光纤构建双端对称泵浦结构的2000W激光器系统的有机物涂覆层所承受的功率最低，可见其光路系统的稳定性可靠性最佳。

在本实用新型中，由于大模场三包层无源光纤包括纤芯、覆盖在纤芯外面的内包层、覆盖在内包层外面的外包层和覆盖在外包层外面的涂覆层；纤芯的横截面形状为正八边形，外包层的横截面形状为正十边形。纤芯的正八边形与常规的大模场双包层无源光纤的纤芯的圆形相比，可以消除纤芯的螺旋激光，使得光斑的能量分布更加均匀；外包层的正十边形与常规的大模场双包层无源光纤的包层的圆形相比，可以有效的避免包层中形成螺旋光，同时正十边形相对较多的平面也更有利于刻蚀泄漏波导，从而更好的剥除包层传输光而有效的净化光束取得更好的加工效果，亦可以更好的处理回光保护激光器；纤芯相比常规的大模场双包层无源光纤的纤芯，纤芯尺寸和NA值较大，可以有效的降低光功率密度，减少非线性效应提高激光器稳定性和可靠性。

又由于模式剥离器采用的大模场三包层无源光纤的外包层的每一个平面结构的裸光纤表面上刻蚀有至少一个波浪形刻蚀沟槽，因此可以破坏平整的全反射平面从而剥除内包层中的光模式，避免了普通圆形结构难以定位、刻蚀连贯性差的问题，实现方式简单可靠易于实现自动化加工。

又由于第一泵浦源和第二泵浦源的输出波长具有915nm与975nm两个峰值，因此充分的利用了有源光纤的吸收特性，兼顾了975nm的高吸收与915nm的宽吸收特点，可以有效的缩短使用有源光纤的长度而有保证良好的稳定性。

又由于光纤激光器包括第一级有源光纤和第二级有源光纤，因此降低了第一光纤光栅和第二光纤光栅承受激光的压力，又不同于传统的MOPA放大结构，简化了光路，还能够有效的降低回光放大。

又由于第一光纤光栅是采用基于三包层无源光纤的反射率范围为85％～99.5％之间的光纤光栅，第二光纤光栅是采用基于三包层无源光纤的反射率范围为8％～22％之间的光纤光栅；激光输出头采用大模场三包层无源光纤。三包层光纤的外包层大幅度减少了泵浦光对于有机物涂覆层的损伤，涂覆层作为全反射界面损伤阈值超高，提高了光纤激光器的稳定性与可靠性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种大模场三包层无源光纤，其特征在于，包括纤芯、覆盖在纤芯外面的内包层、覆盖在内包层外面的外包层和覆盖在外包层外面的涂覆层；纤芯的横截面形状为正八边形，外包层的横截面形状为正十边形，内包层和涂覆层的横截面形状均为圆形。

2.如权利要求1所述的大模场三包层无源光纤，其特征在于，所述纤芯的横截面正八边形中相对两直边的距离在50～200微米之间，NA值在0.18～0.24之间，内包层的直径在70～240微米之间且比纤芯的两直边的距离大20～40微米，外包层的横截面正十边形中相对两直边的距离在360～460微米之间。

3.一种模式剥离器，其特征在于，所述模式剥离器采用的光纤是如权利要求1或2所述的大模场三包层无源光纤。

4.如权利要求3所述的模式剥离器，其特征在于，所述外包层的每一个平面结构的裸光纤表面上刻蚀有至少一个波浪形刻蚀沟槽。

5.如权利要求4所述的模式剥离器，其特征在于，所述波浪形刻蚀沟槽的形状是随机的；

波浪形刻蚀沟槽的深度在5～15微米之间，宽度在5～10微米之间，多个波浪形刻蚀沟槽是均匀的布满在每一个裸光纤表面上，波浪形刻蚀沟槽的沟槽波谷与波峰差在10～30微米之间，相邻两个波浪形刻蚀沟槽之间的距离在5～10微米之间。

6.一种激光输出头，其特征在于，所述激光输出头采用的光纤是如权利要求1或2所述的大模场三包层无源光纤。

7.一种光纤激光器，其特征在于，包括如权利要求6所述的激光输出头。

8.一种光纤激光器，其特征在于，包括如权利要求3至5任一项所述的模式剥离器。

9.如权利要求8所述的光纤激光器，其特征在于，光纤激光器具体包括在光路上依次连接的由多个第一泵浦源组成的第一泵浦阵列、第一泵浦合束器、第一光纤光栅、第一级有源光纤、第二光纤光栅、第二级有源光纤、第二泵浦合束器、所述模式剥离器和激光输出头，还包括与第二泵浦合束器的输入端光路连接的由多个第二泵浦源组成的第二泵浦阵列。

10.如权利要求9所述的光纤激光器，其特征在于，所述激光输出头采用的光纤是大模场三包层无源光纤，包括纤芯、覆盖在纤芯外面的内包层、覆盖在内包层外面的外包层和覆盖在外包层外面的涂覆层；纤芯的横截面形状为正八边形，外包层的横截面形状为正十边形，内包层和涂覆层的横截面形状均为圆形。

11.如权利要求10所述的光纤激光器，其特征在于，所述激光输出头采用的大模场三包层无源光纤的纤芯的横截面正八边形中相对两直边的距离在50～200微米之间，NA值在0.18～0.24之间，内包层的直径在70～240微米之间且比纤芯的两直边的距离大20～40微米，外包层的横截面正十边形中相对两直边的距离在360～460微米之间。

12.如权利要求9所述的光纤激光器，其特征在于，第一光纤光栅是采用反射率范围为85％～99.5％之间的基于三包层无源光纤的光纤光栅，第二光纤光栅是采用反射率范围为8％～22％之间的基于三包层无源光纤的光纤光栅。

13.如权利要求12所述的光纤激光器，其特征在于，第一光纤光栅和第二光纤光栅采用的三包层无源光纤包括纤芯、覆盖在纤芯外面的内包层、覆盖在内包层外面的外包层和覆盖在外包层外面的涂覆层，纤芯、内包层和外包层的横截面形状均为圆形。

14.如权利要求13所述的光纤激光器，其特征在于，三包层无源光纤的纤芯的直径在10～50微米之间，内包层的直径在250～800微米之间，外包层的直径大于内包层的直径，外包层的直径在300～1000微米之间。

15.如权利要求9所述的光纤激光器，其特征在于，第一泵浦阵列是由6个至18个第一泵浦源组成的；每个第一泵浦源的输出泵浦光的NA值在0.1～0.22之间，输出功率在200～500W之间，输出波长具有915nm与975nm两个峰值；第二泵浦阵列是由6个第二泵浦源组成的；每个第二泵浦源的输出泵浦光的NA值在0.1～0.22之间，输出功率在200～500W之间，输出波长具有915nm与975nm两个峰值。