CN212230771U

CN212230771U - 高功率光纤激光器

Info

Publication number: CN212230771U
Application number: CN202020866551.7U
Authority: CN
Inventors: 李立波; 樊振杰; 闫大鹏
Original assignee: Wuhan Raycus Fiber Laser Technologies Co Ltd
Current assignee: Wuhan Ruiwei Special Light Source Co ltd
Priority date: 2020-05-20
Filing date: 2020-05-20
Publication date: 2020-12-25
Anticipated expiration: 2030-05-20

Abstract

本实用新型涉及光纤激光器技术领域，公开了一种高功率光纤激光器，包括主振荡器和功率放大器，主振荡器包括依次相连的信号反射光纤光栅、双包层掺镱光纤、匹配输出光纤光栅和第一包层光滤除器，匹配输出光纤光栅和第一包层光滤除器之间和/或信号反射光纤光栅的输入端串联有第一光纤耦合器；第一光纤耦合器的泵浦输入端连接有第一泵浦源；第一包层光滤除器的输出端连接于功率放大器的输入端。该高功率光纤激光器通过主振荡器输出激光，再注入功率放大器进行功率放大，可在1040nm～1050nm波段实现千瓦以上的激光输出。

Description

高功率光纤激光器

技术领域

本实用新型涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种高功率光纤激光器。

背景技术

光纤激光器具有散热面积大、光束质量好、体积小巧等优点，是应用最广泛的工业激光器之一。但是受热效应、非线性效应等因素限制，单根增益光纤输出功率的提升遇到了瓶颈，为实现更大功率激光输出，则需要采用多单元光束合束方式实现，目前发展较快的主要有相干合束和光谱合束。相干合束理论上可以无限合成功率，但由于单元光束空间分离的缘故，光束质量无法达到衍射极限，且对单元光束的相位稳定度和控制精度要求极高，工程上实现难度较大。光谱合束技术属于一种非相干合束技术，光谱合束技术通过合成元件将多个不同波长的激光单元合为一束，可以充分利用光纤激光器较宽增益带宽，弥补单纤输出功率受限的问题，获得高功率高光束质量的激光输出，在实现大功率合成的同时仍保持了较好的光束质量，是当前国内外光纤激光领域的研究热点。

为提高光谱合束激光输出功率，就需要尽可能提高各不同波长激光模块的功率。掺镱双包层光纤是高功率光纤激光器的增益介质，其激光发射谱线范围较宽，常见的波长涵盖1000nm～1100nm。目前，1030nm左右波长和1050nm～1100nm波长的光纤激光器目前都实现了超过千瓦甚至万瓦的激光输出，但在1040nm～1050nm波段受非线性效应影响较为严重，单根掺镱光纤的功率提升比较困难。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种高功率光纤激光器，用以解决现有的1040nm～1050nm波段输出功率提升困难的问题。

本实用新型实施例提供一种高功率光纤激光器，包括主振荡器和功率放大器，所述主振荡器包括依次相连的信号反射光纤光栅、双包层掺镱光纤、匹配输出光纤光栅和第一包层光滤除器；所述第一包层光滤除器的输出端连接于所述功率放大器的输入端；所述匹配输出光纤光栅和所述第一包层光滤除器之间和/或所述信号反射光纤光栅的输入端串联有第一光纤耦合器；所述第一光纤耦合器的泵浦输入端连接有第一泵浦源；所述信号反射光纤光栅对泵浦光的透过率在99％以上，所述信号反射光纤光栅对1040nm～1050nm之间的信号光的反射率在95％以上；所述匹配输出光纤光栅对泵浦光的透过率在99％以上，所述匹配输出光纤光栅对1040nm～1050nm之间的信号光的反射率在20％以下。

其中，所述功率放大器包括相连的双包层磷硅酸盐掺镱光纤和第二包层光滤除器，所述双包层磷硅酸盐掺镱光纤和所述第二包层光滤除器之间和/或所述双包层磷硅酸盐掺镱光纤的输入端串联有第二光纤耦合器；所述第二光纤耦合器的泵浦输入端连接有第二泵浦源。

其中，所述第二包层光滤除器的输出端连接有光纤输出光缆。

其中，所述第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器均包括一个信号输入端、一个信号输出端以及至少一个泵浦输入端。

其中，所述双包层掺镱光纤的纤芯直径小于所述双包层磷硅酸盐掺镱光纤的纤芯直径。

其中，所述双包层掺镱光纤的纤芯直径小于20μm，所述双包层磷硅酸盐掺镱光纤的纤芯直径大于20μm。

其中，所述第一泵浦源和所述第二泵浦源均为带尾纤的半导体激光器。

其中，所述第一泵浦源和所述第二泵浦源的输出中心波长为915nm或976nm。

其中，所述主振荡器还包括光纤隔离器，所述第一包层光滤除器的输出端通过所述光纤隔离器连接于所述功率放大器的输入端。

本实用新型实施例提供的高功率光纤激光器，通过信号反射光纤光栅和匹配输出光纤光栅构成主振荡器的谐振腔，利用第一光纤耦合器将第一泵浦源输出的泵浦光耦合进谐振腔内，进而在双包层掺镱光纤内可以形成高功率密度、高增益的1040nm～1050nm波长激光，同时利用第一包层光滤除器滤除光路中的包层光。该高功率光纤激光器通过主振荡器输出激光，再注入功率放大器进行功率放大，可实现千瓦以上的1040nm～1050nm波段激光输出。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例中的一种高功率光纤激光器的示意简图；

图2是本实用新型实施例中的一种主振荡器的结构示意图；

图3是本实用新型实施例中的另一种主振荡器的结构示意图；

图4是本实用新型实施例中的又一种主振荡器的结构示意图；

图5是本实用新型实施例中的一种功率放大器的结构示意图；

图6是本实用新型实施例中的另一种功率放大器的结构示意图；

图7是本实用新型实施例中的又一种功率放大器的结构示意图；

图8是本实用新型的一种具体的实施例示意图。

附图标记说明：

1、主振荡器； 101、第一泵浦源；

102、第一光纤耦合器； 103、信号反射光纤光栅；

104、匹配输出光纤光栅； 105、双包层掺镱光纤；

106、第一包层光滤除器； 107、光纤隔离器；

2、功率放大器； 201、第二泵浦源；

202、第二光纤耦合器； 203、双包层磷硅酸盐掺镱光纤；

204、第二包层光滤除器； 205、光纤输出光缆。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型实施例中的具体含义。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在实用新型实施例中的具体含义。

如图1至图4所示，本实用新型实施例提供的一种高功率光纤激光器，包括主振荡器1和功率放大器2，主振荡器1用于输出种子激光，随后注入功率放大器2进行放大，获得高功率激光。主振荡器1包括依次相连的信号反射光纤光栅103、双包层掺镱光纤105、匹配输出光纤光栅104和第一包层光滤除器106。第一包层光滤除器106的输出端连接于功率放大器2的输入端。

匹配输出光纤光栅104和第一包层光滤除器106之间和/或信号反射光纤光栅103的输入端串联有第一光纤耦合器102，此处表示的有三种情况，第一种(如图2所示)是第一光纤耦合器102串联于信号反射光纤光栅103的输入端，此时为正向单端泵浦；第二种(如图3所示)是第一光纤耦合器102串联于匹配输出光纤光栅104和第一包层光滤除器106之间，此时为反向单端泵浦；第三种(如图4所示)是有两个第一光纤耦合器102，一个位于信号反射光纤光栅103的输入端，另一个位于匹配输出光纤光栅104和第一包层光滤除器106之间，此时为双端泵浦。另外，主振荡器1还可以采用其他的泵浦结构，例如第一光纤耦合器102位于信号反射光纤光栅103和匹配输出光纤光栅104构成的谐振腔内。

第一光纤耦合器102的泵浦输入端连接有第一泵浦源101。第一光纤耦合器102包括泵浦输入端、信号输入端和输出端三个可用端口，且均通过光纤与外部连接，信号输入端光纤、输出端光纤一般为一个无源的双包层光纤；泵浦输入端一般根据所使用第一泵浦源101的数量，选择相应的单模光纤或匹配多模光纤。具体地，第一光纤耦合器102可以采用光纤侧面泵浦耦合器、端面泵浦耦合器或者其他类型的光纤耦合器，只要能实现泵浦光功率和信号传输光纤的耦合即可，此处不做限制。本实施例中以采用光纤侧面泵浦耦合器为例进行说明。

信号反射光纤光栅103对泵浦光的透过率在99％以上，信号反射光纤光栅103对1040nm～1050nm之间的信号光的反射率在95％以上。匹配输出光纤光栅104对泵浦光的透过率在99％以上，匹配输出光纤光栅104对1040nm～1050nm之间的信号光的反射率在20％以下。因而主振荡器1可以输出1040nm～1050nm波段的激光。

第一包层光滤除器106用于滤除光路中的包层光，其输入和输出端光纤分别跟与其相连接的光纤相匹配。第一包层光滤除器106的滤除比一般高于95％。主振荡器1的各组成部件通过尾纤熔接在一起。

本实施例提供的高功率光纤激光器，通过信号反射光纤光栅103和匹配输出光纤光栅104构成主振荡器1的谐振腔，利用第一光纤耦合器102将第一泵浦源101输出的泵浦光耦合进谐振腔内，进而在双包层掺镱光纤105内可以形成高功率密度、高增益的1040nm～1050nm波长激光，同时利用第一包层光滤除器106滤除光路中的包层光。该高功率光纤激光器通过主振荡器1输出激光，再注入功率放大器2进行功率放大，可实现千瓦以上的1040nm～1050nm波长激光输出。

进一步地，如图5至图7所示，功率放大器2包括相连的双包层磷硅酸盐掺镱光纤203和第二包层光滤除器204，双包层磷硅酸盐掺镱光纤203和第二包层光滤除器204之间和/或双包层磷硅酸盐掺镱光纤203的输入端串联有第二光纤耦合器202。第二光纤耦合器的泵浦输入端连接有第二泵浦源。此处表示的有三种情况，第一种(如图5所示)是第二光纤耦合器202串联于双包层磷硅酸盐掺镱光纤203的输入端，此时为正向单端泵浦；第二种(如图6所示)是第二光纤耦合器202串联于双包层磷硅酸盐掺镱光纤203和第二包层光滤除器204之间，此时为反向单端泵浦；第三种(如图7所示)是有两个第二光纤耦合器202，一个位于双包层磷硅酸盐掺镱光纤203的输入端，另一个位于双包层磷硅酸盐掺镱光纤203和第二包层光滤除器204之间，此时为双端泵浦。第二光纤耦合器202也可以采用光纤侧面泵浦耦合器、端面泵浦耦合器或者其他形式的光纤耦合器。本实施例中以采用光纤侧面泵浦耦合器为例进行说明，具体的结构和形式可以与第一光纤耦合器102相同。功率放大器2的各组成部件通过尾纤熔接在一起。

具体地，双包层磷硅酸盐掺镱光纤203的纤芯材料为在二氧化硅玻璃基质中同时掺杂磷离子和镱离子，纤芯直径较大，大于20μm，包层直径一般大于400μm。双包层磷硅酸盐掺镱光纤203在1040nm～1050nm波段具有较高的增益性能和非线性抑制性能。主振荡器1的输出功率一般为数十瓦至二百瓦，可通过功率放大器2放大至千瓦、甚至数千瓦以上。

更进一步地，如图5至图7所示，第二包层光滤除器204的输出端连接有光纤输出光缆205。通过光纤输出光缆205输出高功率激光。

更进一步地，如图2至图7所示，第一光纤耦合器102和第二光纤耦合器202均包括一个信号输入端、一个信号输出端以及至少一个泵浦输入端。

更进一步地，双包层掺镱光纤105的纤芯直径小于双包层磷硅酸盐掺镱光纤203的纤芯直径。具体地，双包层掺镱光纤105的纤芯直径小于20μm，双包层磷硅酸盐掺镱光纤203的纤芯直径大于20μm。

在上述实施例的基础上，第一泵浦源101和第二泵浦源201均为带尾纤的半导体激光器。第一泵浦源101的输出尾纤与第一光纤耦合器102的泵浦输入光纤相匹配，第二泵浦源201的输出尾纤与第二光纤耦合器202的泵浦输入光纤相匹配。

更进一步地，第一泵浦源101和第二泵浦源201的输出中心波长为915nm或976nm，输出功率与主振荡器1的输出功率相关。

在上述实施例的基础上，主振荡器1还包括光纤隔离器107，光纤隔离器107的输入端连接于第一包层光滤除器106的输出端，光纤隔离器107的输出端连接于功率放大器2的输入端，用于防止功率放大器2中的反向激光进入主振荡器1，减少反射光对激光输出功率稳定性产生的不良影响。光纤隔离器107的隔离度一般高于95％。

图8示出了一个具体的实施例，如图8所示，主振荡器1采用10/125μm双包层掺镱光纤105，产生50W左右的激光，随后注入采用25/400μm双包层磷硅酸盐掺镱光纤203的功率放大器2，实现了超过3kW的1046nm激光输出。

通过以上实施例可以看出，本实用新型提供的高功率光纤激光器，通过信号反射光纤光栅103和匹配输出光纤光栅104构成主振荡器1的谐振腔，利用第一光纤耦合器102将第一泵浦源101输出的泵浦光耦合进谐振腔内，进而在双包层掺镱光纤105内可以形成高功率密度、高增益的1040nm～1050nm波长激光，同时利用第一包层光滤除器106滤除光路中的包层光，以提高输出激光光束的质量，再通过光纤隔离器107连接于功率放大器2，防止功率放大器2中的反向激光进入主振荡器1，减少反射光对激光输出功率稳定性产生的不良影响。该高功率光纤激光器通过主振荡器1输出激光，再注入功率放大器2进行功率放大，可实现千瓦以上的1040nm～1050nm波长激光输出。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种高功率光纤激光器，包括主振荡器和功率放大器，其特征在于，所述主振荡器包括依次相连的信号反射光纤光栅、双包层掺镱光纤、匹配输出光纤光栅和第一包层光滤除器；所述第一包层光滤除器的输出端连接于所述功率放大器的输入端；

所述匹配输出光纤光栅和所述第一包层光滤除器之间和/或所述信号反射光纤光栅的输入端串联有第一光纤耦合器；所述第一光纤耦合器的泵浦输入端连接有第一泵浦源；所述信号反射光纤光栅对泵浦光的透过率在99％以上，所述信号反射光纤光栅对1040nm～1050nm之间的信号光的反射率在95％以上；所述匹配输出光纤光栅对泵浦光的透过率在99％以上，所述匹配输出光纤光栅对1040nm～1050nm之间的信号光的反射率在20％以下。

2.根据权利要求1所述的高功率光纤激光器，其特征在于，所述功率放大器包括相连的双包层磷硅酸盐掺镱光纤和第二包层光滤除器，所述双包层磷硅酸盐掺镱光纤和所述第二包层光滤除器之间和/或所述双包层磷硅酸盐掺镱光纤的输入端串联有第二光纤耦合器；所述第二光纤耦合器的泵浦输入端连接有第二泵浦源。

3.根据权利要求2所述的高功率光纤激光器，其特征在于，所述第二包层光滤除器的输出端连接有光纤输出光缆。

4.根据权利要求2所述的高功率光纤激光器，其特征在于，所述第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器均包括一个信号输入端、一个信号输出端以及至少一个泵浦输入端。

5.根据权利要求2所述的高功率光纤激光器，其特征在于，所述双包层掺镱光纤的纤芯直径小于所述双包层磷硅酸盐掺镱光纤的纤芯直径。

6.根据权利要求5所述的高功率光纤激光器，其特征在于，所述双包层掺镱光纤的纤芯直径小于20μm，所述双包层磷硅酸盐掺镱光纤的纤芯直径大于20μm。

7.根据权利要求2所述的高功率光纤激光器，其特征在于，所述第一泵浦源和所述第二泵浦源均为带尾纤的半导体激光器。

8.根据权利要求2所述的高功率光纤激光器，其特征在于，所述第一泵浦源和所述第二泵浦源的输出中心波长为915nm或976nm。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的高功率光纤激光器，其特征在于，所述主振荡器还包括光纤隔离器，所述第一包层光滤除器的输出端通过所述光纤隔离器连接于所述功率放大器的输入端。