CN211743660U - 一种基于非相干组束的光纤激光器系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于非相干组束的光纤激光器系统，包括沿光路依次设置的光纤激光器阵列、透镜、第一光栅和输出耦合镜，其中，光纤激光器阵列包括若干并列排布的光纤激光器，每个光纤激光器包括双包层有源光纤、第一泵浦源、第一泵浦源输入光纤、第二泵浦源、第二泵浦源输入光纤、第二光栅、第三光栅和包层光剥离器。该光纤激光器阵列包括若干并列排布的光纤激光器，且光纤激光器采用双泵浦结构，可以实现较高功率的输出，进而提高非相干光组束的效率，从而提高组束后输出的光束功率和质量。

Description

一种基于非相干组束的光纤激光器系统

技术领域

本实用新型属于光纤和激光技术领域，具体涉及一种基于非相干组束的光纤激光器系统。

背景技术

光纤激光器/放大器是以掺杂稀土元素的光纤为增益介质的激光器/放大器，通过掺杂不同的稀土元素，如饵(Er)、镒(Yb)、铥(Tm)、钬(Ho)、钕(Nd)等，光纤激光器/放大器的工作波段覆盖了从紫外到中红外。与其他激光器/放大器相比，光纤激光器/放大器具有能量转化率高、输出光束质量好、结构紧凑稳定、无需光路调整、散热性能好、寿命长和无需维护等鲜明特点，因此得到快速发展以及广泛地应用。

激光组束是目前国际上激光技术领域的研究热点，其目的是将多束激光组合成一束输出，是大幅提升激光输出功率和亮度的有效手段。利用组束技术对光纤激光器阵列的输出进行合成，未来可获得几十至几百kW的输出功率，将其作为激光系统的光源，可大大增加激光系统的紧凑性和灵活性，增大激光系统的实用性。

激光组束技术可分为相干组束和非相干组束两大类。相干组束要求所有阵元输出光束的波长和偏振方向一致，并且需要对每路光束的相位进行严格的检测和控制，实现起来比较困难。而非相干组束对各阵元输出光束的偏振方向和相位没有限制，只要求其波长处于组束元件的频谱范围内，实现功率的标量叠加，组束方法结构简单、系统稳定且易于控制；然而，现有激光器阵列输出功率较低，导致非相干光组束效率较低，导致组束后输出的光束功率和质量均较低。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种基于非相干组束的光纤激光器系统。本实用新型要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本实用新型实施例提供了一种基于非相干组束的光纤激光器系统，包括沿光路依次设置的光纤激光器阵列、透镜、第一光栅和输出耦合镜，其中，所述光纤激光器阵列包括若干并列排布的光纤激光器，每个所述光纤激光器包括双包层有源光纤、第一泵浦源、第一泵浦源输入光纤、第二泵浦源、第二泵浦源输入光纤、第二光栅、第三光栅和包层光剥离器；

所述双包层有源光纤由内至外依次包括掺杂纤芯、内包层和外包层，且所述内包层中设置有泵浦纤芯，所述双包层有源光纤的一端连接第二光栅，所述双包层有源光纤的另一端连接第三光栅，所述包层光剥离器设置在所述双包层有源光纤的中部；

所述第一泵浦源的输出端连接所述第一泵浦源输入光纤的输入端，所述第一泵浦源输入光纤的输出端连接所述泵浦纤芯的一端；

所述第二泵浦源的输出端连接所述第二泵浦源输入光纤的输入端，所述第二泵浦源输入光纤的输出端连接所述泵浦纤芯的另一端。

在本实用新型的一个实施例中，所述掺杂纤芯的折射率随着掺杂纤芯半径的增加而逐渐减小。

在本实用新型的一个实施例中，所述第一泵浦源采用多泵浦源泵浦结构。

在本实用新型的一个实施例中，所述第二泵浦源采用多泵浦源泵浦结构。

在本实用新型的一个实施例中，所述透镜的焦距为5～20cm。

在本实用新型的一个实施例中，所述第一光栅的光栅周期为2～5μm，光栅频率为200mm^-1～400mm^-1，光栅厚度为2～4mm。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本实用新型的光纤激光器阵列包括若干并列排布的光纤激光器，且光纤激光器采用双泵浦结构，可以实现较高功率的输出，进而提高非相干光组束的效率，从而提高组束后输出的光束功率和质量。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种基于非相干组束的光纤激光器系统的结构示意图；

图2为本实用新型提供的一种光纤激光器的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种双包层有源光纤的结构示意图；

图4a～4c为本实用新型实施例提供的三种多泵浦源的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型做进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1为本实用新型实施例提供的一种基于非相干组束的光纤激光器系统的结构示意图。该光纤激光器系统包括光纤激光器阵列1、透镜2、第一光栅3和输出耦合镜4，其中，光纤激光器阵列1、透镜2、第一光栅3和输出耦合镜4依次沿光路设置。

具体地，透镜2为双凸透镜，光纤激光器阵列1可以设置在透镜2的前焦平面上，透镜2将光纤激光器阵列1发出的激光束组进行聚焦。

第一光栅3可以设置在透镜2的后焦平面上，第一光栅3用于对透镜2聚焦后的激光组束进行折射或衍射。进一步地，第一光栅3可以为反射型光栅，此时输出耦合镜4设置在第一光栅3的光线经反射后的一侧；第一光栅3也可以为透射型光栅，此时输出耦合镜4设置在光线经透射后的一侧。

输出耦合镜4可以为部分反射镜，其与光束入射方向垂直设置，光线垂直入射时的反射率可以为5％～30％。

上述光纤激光器系统的工作过程为：光纤激光器阵列1发射出多束发散的激光束组，经过透镜2聚焦后，各个光纤激光器的光束以不同的角度入射第一光栅3，其中中心光束以布拉格角入射，经第一光栅3反射或者衍射的光束具有相同的反射角或衍射角，并且垂直入射到输出耦合镜4；输出耦合镜4具有反馈作用，其与光纤激光器阵列1之间形成谐振腔，光束在该谐振腔之前进行反射振荡得以放大，从而输出激光光束。

在一个具体实施例中，透镜2的焦距为5～20cm。优选的，透镜2的焦距为5cm，此时，透镜对光束的聚焦效果较好，光纤激光器系统的耦合效率较高。

在一个具体实施例中，第一光栅3的光栅周期为2～5μm，光栅频率为200mm^-1～400mm^-1，光栅厚度为2～4mm。

优选的，第一光栅3的光栅周期为5μm，光栅厚度为4mm，光栅频率为200mm^-1，此时，光栅对光束的衍射效率越高，光纤激光器系统的耦合效率较高，而且光栅的制作工艺条件合适，容易制作得到光栅。

进一步地，请参见图2，图2为本实用新型提供的一种光纤激光器的结构示意图。该光纤激光器阵列1包括若干并列排布的光纤激光器11，其中，每个光纤激光器11包括双包层有源光纤111、第一泵浦源112、第一泵浦源输入光纤113、第二泵浦源114、第二泵浦源输入光纤115、第二光栅116、第三光栅117和包层光剥离器118。

具体地，双包层有源光纤111的一端连接第二光栅116，另一端连接第三光栅117，第二光栅116和第三光栅117形成了谐振腔。第二光栅116为高反射率光栅，其反射率可以大于99％，第三光栅117为低反射率光栅，其反射率可以大于95％，以获得较高的光学增益和较低的噪声增益。

包层光剥离器118设置在双包层有源光纤111的中部；包层光剥离器的承受信号光功率大于500W，可剥除泵浦功率大于50W。

第一泵浦源112的输出端连接第一泵浦源输入光纤113的输入端，第一泵浦源输入光纤113的输出端连接至第二光栅116一侧的双包层有源光纤111。第二泵浦源114的输出端连接第二泵浦源输入光纤115的输入端，第二泵浦源输入光纤115的输出端连接至第三光栅117一侧的双包层有源光纤111。上述第一泵浦源112、第一泵浦源输入光纤113依次是指正向泵浦源、正向泵浦源输入光纤，第二泵浦源114、第二泵浦源输入光纤115依次是指反向泵浦源、反向泵浦源输入光纤。

请参见图3，图3为本实用新型实施例提供的一种双包层有源光纤的结构示意图。双包层有源光纤111由内之外依次包括掺杂纤芯1111、内包层1112和外包层1113，在内包层1112的中设置有泵浦光纤1114。进一步地，第一泵浦源输入光纤113的输入端和第二泵浦源输入光纤115的输入端分别连接至双包层有源光纤111中的泵浦光纤1114，使得泵浦源直接将泵浦光泵入泵浦光纤1114中。

进一步地，掺杂纤芯1111、内包层1112和外包层1113的折射率依次减小，使得大部分能量可以在掺杂纤芯1111中传输。外包层1113可以选用高分子材料层，从而起到保护掺杂纤芯1111、提高光纤机械强度和抗微弯强度并降低衰减的作用。泵浦纤芯14的折射率小于内包层1112的折射率，使得大部分能量能够耦合进内包层1112中，从而在掺杂纤芯1111中进行传输。

上述光纤激光器的工作过程为：第一泵浦源112产生激光，通过第一泵浦源输入光纤113传输至泵浦纤芯14；进入泵浦纤芯14的激光被耦合至内包层1112中，经过内包层1112与外包层1113界面的反射进入掺杂纤芯1111；激光在掺杂纤芯1111中产生受激辐射而得到放大，放大后的激光在谐振腔中进行振荡，当放大后的光到达第三光栅117后，绝大部分被重新反射进双包层有源光纤111中，从而在双包层有源光纤111再次发生受激辐射进行放大；当再次放大的光到达第二光栅116后，光源全部被反射；光源每反射一次，激光就产生一次放大过程，直到光强度达到阈值后，放大光的一小部分通过第三光栅117输出，剩余的光继续被反射回去产生光放大。在激光被振荡放大的过程中，每反射一次，包层光剥离器118对在内包层1112产生的包层光进行一次剥离。

本实施例的光纤激光器在双包层有源光纤的中部设置包层光剥离器，并且包层光剥离器的承受信号光功率大于500W，可剥除泵浦功率大于50W，能够减少包层中的光进入第一泵浦源和第二泵浦源中，降低了包层光对第一泵浦源和第二泵浦源造成损害，进而提高了光纤激光器的使用寿命。

本实施例在双包层有源光纤的内包层中设置泵浦纤芯，使得第一泵浦源和第二泵浦源直接通过光纤与泵浦纤芯连接，避免采用泵浦耦合器，减少了泵浦耦合器的熔接点，从而避免了光线中的泵浦光和信号光在熔接点处发生泄漏，进而提高了激光的输出功率。

在一个具体实施例中，掺杂纤芯1111的折射率随着掺杂纤芯1111半径的增加而逐渐减小，形成渐变光纤。

本实施例中将掺杂纤芯1111设置为渐变光纤，可以降低光在掺杂纤芯1111中的损耗，使得双包层有源光纤输出较高的脉冲，进而提高光纤激光器的输出能量。

在一个具体实施例中，泵浦纤芯1114的数量为多个，多个泵浦纤芯1114围绕掺杂纤芯1111均匀分布。图2中，泵浦纤芯14的数量为6个，6个泵浦纤芯1114围绕在掺杂纤芯1111的周围且均匀分布。

本实施例中多个泵浦纤芯1114均匀分布在掺杂纤芯1111的周围，可以使得激光在由泵浦纤芯1114均匀耦合至内包层1112，避免激光光束品质降低，从而保证大功率高光束品质的加工要求。

在一个具体实施例中，第一泵浦源112采用多泵浦源泵浦结构(即包括多个泵浦源)，例如：三泵浦源泵浦结构、五泵浦源泵浦结构、七泵浦源泵浦结构中的任一种；第二泵浦源114采用多泵浦源泵浦结构，例如：三泵浦源泵浦结构、五泵浦源泵浦结构、七泵浦源泵浦结构中的任一种。请参见图4a～4c，图4a～4c为本实用新型实施例提供的三种多泵浦源的结构示意图，图4a为三泵浦源泵浦结构，图4b为五泵浦源泵浦结构，图4c为七泵浦源泵浦结构。

具体地，泵浦源在进行泵浦工作时，可以同时启动多个泵浦源进行泵浦，也可以启动部分泵浦源进行泵浦，本实施例不做进一步限制，但是启动的泵浦源数量越多，光纤激光器的输出功率越大。

本实施例中的第一泵浦源和第二泵浦源均采用多泵浦源泵浦结构，不仅提高了第一泵浦源和第二泵浦源的输出功率，而且提高了单根光纤的输出功率，进而增加了光纤激光器的输出功率，实现了高功率输出，提高了非相干光组束的效率，提高了组束后输出的光束功率和质量。同时，采用多泵浦源泵浦结构，可以根据实际需求启动泵浦源，灵活性较高，应用范围较广。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于非相干组束的光纤激光器系统，其特征在于，包括沿光路依次设置的光纤激光器阵列、透镜、第一光栅和输出耦合镜，其中，所述光纤激光器阵列包括若干并列排布的光纤激光器，每个所述光纤激光器包括双包层有源光纤、第一泵浦源、第一泵浦源输入光纤、第二泵浦源、第二泵浦源输入光纤、第二光栅、第三光栅和包层光剥离器；

所述双包层有源光纤由内至外依次包括掺杂纤芯、内包层和外包层，且所述内包层中设置有泵浦纤芯，所述双包层有源光纤的一端连接第二光栅，所述双包层有源光纤的另一端连接第三光栅，所述包层光剥离器设置在所述双包层有源光纤的中部；

所述第一泵浦源的输出端连接所述第一泵浦源输入光纤的输入端，所述第一泵浦源输入光纤的输出端连接所述泵浦纤芯的一端；

所述第二泵浦源的输出端连接所述第二泵浦源输入光纤的输入端，所述第二泵浦源输入光纤的输出端连接所述泵浦纤芯的另一端。

2.如权利要求1所述的基于非相干组束的光纤激光器系统，其特征在于，所述掺杂纤芯的折射率随着掺杂纤芯半径的增加而逐渐减小。

3.如权利要求1所述的基于非相干组束的光纤激光器系统，其特征在于，所述第一泵浦源采用多泵浦源泵浦结构。

4.如权利要求1所述的基于非相干组束的光纤激光器系统，其特征在于，所述第二泵浦源采用多泵浦源泵浦结构。

5.如权利要求1所述的基于非相干组束的光纤激光器系统，其特征在于，所述透镜的焦距为5～20cm。

6.如权利要求1所述的基于非相干组束的光纤激光器系统，其特征在于，所述第一光栅的光栅周期为2～5μm，光栅频率为200mm^-1～400mm^-1，光栅厚度为2～4mm。

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