CN211743667U - 一种基于高功率光纤激光器阵列的非相干激光组束装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于高功率光纤激光器阵列的非相干激光组束装置，包括：光纤激光器阵列、光纤头阵列、透镜、第一光栅、第二光栅、平面镜和输出耦合镜，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依次连接的第一放大模块、第二放大模块和第三放大模块。该激光组束装置通过采用三级放大的光纤激光器阵列，有效提高了光纤激光器阵列的输出功率，提高了光纤激光器阵列的输出光束质量，从而提高了光纤激光组束装置的组束功率，进而提高了光纤激光组束装置的输出功率和光束质量。

Description

一种基于高功率光纤激光器阵列的非相干激光组束装置

技术领域

本实用新型属于光纤和激光技术领域，具体涉及一种基于高功率光纤激光器阵列的非相干激光组束装置。

背景技术

随着科学技术的不断发展，光纤激光器已广泛应用于人们的日常生活以及工作中，为人们的生活带来了极大的便利。光纤激光器在效率、体积、寿命以及集成化等方面具有显著的优点，在工业以及军事等领域有着很大的应用前景。

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。

然而，目前的光纤激光组束的输出功率低、稳定性差，无法满足实用性的要求。

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高功率光纤激光器阵列的非相干激光组束装置。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高功率光纤激光器阵列的非相干激光组束装置，包括：光纤激光器阵列、光纤头阵列、透镜、第一光栅、第二光栅、平面镜和输出耦合镜，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依次连接的第一放大模块、第二放大模块和第三放大模块；

所述光纤激光器阵列通过光纤与所述光纤头阵列一一对应连接，且所述光纤头阵列设置在所述透镜的前焦平面上；

所述第一光栅设置在所述透镜的后焦点之前，所述平面镜设置在所述第一光栅上且与所述第一光栅之间相交，所述第二光栅与所述第一光栅之间呈交叉状态且所述第二光栅设置在所述平面镜的反射面一侧；

所述输出耦合镜设置在所述平面镜的反射光路和所述第二光栅的衍射光路上。

在本实用新型的一个实施例中，所述第一放大模块、所述第二放大模块和所述第三放大模块均包括双向泵浦激光器。

在本实用新型的一个实施例中，所述光纤头阵列由多根单模光纤排列构成，多根所述单模光纤彼此相邻且呈二维分布。

在本实用新型的一个实施例中，多根所述单模光纤呈圆盘分布并且相互紧靠。

在本实用新型的一个实施例中，所述第一光栅和所述第二光栅的结构相同，所述第一光栅和所述第二光栅的光栅周期均为2～5μm，光栅频率均为200mm^-1～400mm^-1，光栅厚度均为2～4mm。

在本实用新型的一个实施例中，每个所述光纤激光器还包括第一分束器、第一反射器、第二分束器、第二反射器、第三分束器和第三反射器，其中，

所述第一分束器和所述第一反射器设置在所述第一放大模块和所述第二放大模块之间，所述第一分束器的第一输出端连接所述第二放大模块的输入端，所述第一分束器的第二输出端连接所述第一反射器的输入端；

所述第二分束器和所述第二反射器设置在所述第二放大模块和所述第三放大模块之间，所述第二分束器的第三输出端连接所述第三放大模块的输入端，所述第二分束器的第四输出端连接所述第二反射器的输入端；

所述第三分束器和所述第三反射器设置在所述第三放大模块之后，所述第三分束器的第五输出端连用于输出激光，所述第三分束器的第六输出端连接所述第三反射器的输入端。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本实用新型的激光组束装置通过采用三级放大的光纤激光器阵列，有效提高了光纤激光器阵列的输出功率，提高了光纤激光器阵列的输出光束质量，从而提高了光纤激光组束装置的组束功率，进而提高了光纤激光组束装置的输出功率和光束质量。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种基于高功率光纤激光器阵列的非相干激光组束装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种多根单模光纤分布的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种光纤激光器的结构示意图。

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高功率光纤激光器阵列的非相干激光组束装置的结构示意图。该高功率非相干光纤激光组束装置包括：光纤激光器阵列1、光纤头阵列2、透镜3、第一光栅4、第二光栅5、平面镜6和输出耦合镜7。

具体地，光纤激光器阵列1包括若干并列排布的光纤激光器11，每个光纤激光器11包括通过光纤依次连接的第一放大模块111、第二放大模块112和第三放大模块113。光纤激光器阵列1通过光纤与光纤头阵列2一一对应连接，且光纤头阵列2设置在透镜3的前焦平面上。第一光栅4设置在透镜3的后焦点之前，用于接收并反射透镜3的主光轴下半部分输出的光束，形成第一光束。平面镜6设置在第一光栅4上且与第一光栅4之间相交，用于接收并反射第一光束，形成第二光束。第二光栅5与第一光栅4呈相交状态，用于接收并反射透镜3的主光轴上半部分输出的光束，形成第三光束，第三光束与第二光束平行。输出耦合镜7设置在第二光束和所述第三光束的光路上，用于对第二光束和第三光束进行耦合，并输出耦合后的光束。

上述光纤激光组束装置的工作过程为：由于光纤激光器阵列1中每个光纤激光器均采用三级放大的光纤激光器，其可以发射出多束功率较高的激光光束，每束激光光束为发散光束，激光光束组由光纤头阵列2输出，并且在空间上发生一定程度的叠加，叠加后的激光光束组一部分照射至透镜3主光轴的上半部分(包括主光轴)，一部分照射至透镜3主光轴的下半部分(包括主光轴)，透镜3对各个部分的光束进行聚焦后，一部分光束从透镜3主光轴上半部分输出，另一部分从透镜主光轴下半部分输出，形成若干不同角度的光束照射至第二光栅5；从透镜3主光轴下半部分输出光束照射并穿过第二光栅5到达第一光栅4，第一光栅4对其进行反射，得到第一光束，反射后的第一光束由平面镜6进行再次反射，得到第二光束；从透镜3主光轴上半部分输出光束的中心光束以布拉格角入射第二光栅5，第二光栅5对其进行反射，形成第三光束；调整第一光栅4、平面镜6、第二光栅5的角度，使得第二光束与第三光束平行，并且垂直入射到输出耦合镜7，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再次反射振荡得以放大，从而输出高功率的激光光束。

本实施例激光组束装置通过采用三级放大的光纤激光器阵列，有效提高了光纤激光器阵列的输出功率，提高了光纤激光器阵列的输出光束质量，从而提高了光纤激光组束装置的组束功率，进而提高了光纤激光组束装置的输出功率和光束质量。

在一个具体实施例中，第一放大模块111、第二放大模块112和第三放大模块113均包括双向泵浦激光器。采用双向泵浦激光器，可以使得有源区增益分布均匀性得到改善，实现更高功率输出。

进一步地，第一放大模块11中增益光线纤芯的直径大于第二放大模块12中增益光线纤芯的直径大于第三放大模块13中增益光线纤芯的直径，并且第一放大模块11中双向泵浦源的泵浦波长大于第二放大模块12中双向泵浦源的泵浦波长大于第三放大模块13中双向泵浦源的泵浦波长，以使得光束在三个模块中进行三次放大，前两次放大增大光束的功率，最后一次放大抑制激光放大自发辐射和受激拉曼散射等非线性的产生，最终输出高功率和高质量的激光光束。

在一个具体实施例中，光纤头阵列2由多根单模光纤21排列构成，多根单模光纤21彼此相邻且呈二维分布。将单模光纤头设置为二维分布的形式，相邻单模光纤头可以在空间上发生光束叠加，从而提高光纤头阵列的输出功率，提高光纤激光组束的输出功率，提高光纤激光组束的输出亮度。

进一步地，多根单模光纤21呈圆盘分布并且相互紧靠。请参见图2，图2为本实用新型实施例提供的一种多根单模光纤分布的结构示意图。图2中，单模光纤的数量为7根，其中一根光纤位于圆盘的中心，剩余6根光纤均匀分布在中心光纤周围，并且均与中心光纤紧密接触，这6根光纤中相邻两根光纤彼此紧靠。

将多根单模光纤21设置为圆盘分布且相互紧靠的形式，可以使得多根单模光纤输出的光束最大程度在空间上发生叠加，大幅度提高光纤头阵列的输出功率，进而提高光纤激光组束的输出功率，同时提高光纤激光组束的输出亮度。

在一个具体实施例中，透镜3为双凸透镜，用于将光纤头阵列2输出的激光光束组进行聚焦。透镜3的焦距可以为5～20cm，优选的为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4和第二光栅5可以采用相同的结构，其光栅周期均为2～5μm，光栅频率均为200mm^-1～400mm^-1，光栅厚度均为2～4mm。第一光栅和第二光栅采用相同的结构，可以使得第一光栅和第二光栅的衍射效率相同，得到相当的激光光束，有利于输出耦合镜对光束的耦合。

在一个具体实施例中，输出耦合镜7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％。

请参见图3，图3为本实用新型实施例提供的一种光纤激光器的结构示意图。图3中，光纤激光器11包括通过光纤依次连接的第一放大模块111、第二放大模块112和第三放大模块113。

其中，第一放大模块111、第二放大模块112之间设置有第一分束器114和第一反射器115，第一分束器114的第一输出端连接第二放大模块112的输入端，第一分束器114的第二输出端连接第一反射器115的输入端。

具体地，第一分束器114用于分出第一放大模块111输出的目标激光和残余泵浦光，第一反射器115可以为反射镜，经第一分束器114分出的残余泵浦光经光纤传输至第一反射器115中，第一反射器115将残余泵浦光进行反射，再次进入光纤中反向传输，反向传输的光进入第一放大模块111中进行再次放大。

第二放大模块112和第三放大模块113之间设置有第二分束器116和第二反射器117，第二分束器116的第三输出端连接第三放大模块113的输入端，第二分束器116的第四输出端连接第二反射器117的输入端。

具体地，第二分束器116用于分出第二放大模块112输出的目标激光和残余泵浦光，第二反射器117可以为反射镜，经第二分束器116分出的残余泵浦光经光纤传输至第二反射器117中，第二反射器117将残余泵浦光进行反射，再次进入光纤中反向传输，反向传输的光进入第二放大模块112中进行再次放大。

第三放大模块113之后设置有第三分束器118和第四分束器119，第三分束器118的第五输出端连用于输出激光，第三分束器118的第六输出端连接第三反射器119的输入端。

具体地，第三分束器118用于分出第三放大模块113输出的目标激光和残余泵浦光，第三反射器119可以为反射镜，经第三分束器118分出的残余泵浦光经光纤传输至第三反射器119中，第三反射器119将残余泵浦光进行反射，再次进入光纤中反向传输，反向传输的光进入第三放大模块113中进行再次放大。

本实施例设置分束器和反射器，可以将各个模块输出的目标激光和残余泵浦光分离，反射器再将残余泵浦光反射入有源光纤中进行再次放大，提高了泵浦光的利用率，提高了光纤激光器的效率。

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)

1.一种基于高功率光纤激光器阵列的非相干激光组束装置，其特征在于，包括：光纤激光器阵列、光纤头阵列、透镜、第一光栅、第二光栅、平面镜和输出耦合镜，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依次连接的第一放大模块、第二放大模块和第三放大模块；

所述光纤激光器阵列通过光纤与所述光纤头阵列一一对应连接，且所述光纤头阵列设置在所述透镜的前焦平面上；

所述第一光栅设置在所述透镜的后焦点之前，所述平面镜设置在所述第一光栅上且与所述第一光栅之间相交，所述第二光栅与所述第一光栅之间呈交叉状态且所述第二光栅设置在所述平面镜的反射面一侧；

所述输出耦合镜设置在所述平面镜的反射光路和所述第二光栅的衍射光路上。

2.如权利要求1所述的基于高功率光纤激光器阵列的非相干激光组束装置，其特征在于，所述第一放大模块、所述第二放大模块和所述第三放大模块均包括双向泵浦激光器。

3.如权利要求1所述的基于高功率光纤激光器阵列的非相干激光组束装置，其特征在于，所述光纤头阵列由多根单模光纤排列构成，多根所述单模光纤彼此相邻且呈二维分布。

4.如权利要求3所述的基于高功率光纤激光器阵列的非相干激光组束装置，其特征在于，多根所述单模光纤呈圆盘分布并且相互紧靠。

5.如权利要求1所述的基于高功率光纤激光器阵列的非相干激光组束装置，其特征在于，所述第一光栅和所述第二光栅的结构相同，所述第一光栅和所述第二光栅的光栅周期均为2～5μm，光栅频率均为200mm^-1～400mm^-1，光栅厚度均为2～4mm。

6.如权利要求1所述的基于高功率光纤激光器阵列的非相干激光组束装置，其特征在于，每个所述光纤激光器还包括第一分束器、第一反射器、第二分束器、第二反射器、第三分束器和第三反射器，其中，

所述第一分束器和所述第一反射器设置在所述第一放大模块和所述第二放大模块之间，所述第一分束器的第一输出端连接所述第二放大模块的输入端，所述第一分束器的第二输出端连接所述第一反射器的输入端；

所述第二分束器和所述第二反射器设置在所述第二放大模块和所述第三放大模块之间，所述第二分束器的第三输出端连接所述第三放大模块的输入端，所述第二分束器的第四输出端连接所述第二反射器的输入端；

所述第三分束器和所述第三反射器设置在所述第三放大模块之后，所述第三分束器的第五输出端连用于输出激光，所述第三分束器的第六输出端连接所述第三反射器的输入端。

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