CN217306937U - 光纤耦合晶体结构及增益设备 - Google Patents

Abstract

本申请适用于激光增益技术领域，提出一种光纤耦合晶体结构，包括第一尾纤、第一端帽、激光介质、第二端帽、第二尾纤；第一端帽与第二端帽分别设于激光介质相对的两侧，第一尾纤的一端连接于第一端帽远离激光介质的一侧，第二尾纤的一端连接于第二端帽远离激光介质的一侧；第一端帽与第二端帽均为玻璃材质制成；本申请还提出一种增益设备，包括第一合束器、第二合束器，第一信号光纤、第二信号光纤、第一泵浦光纤、第二泵浦光纤以及光纤耦合晶体结构；本申请结构简洁，利用端帽作为中间介质，在固体激光器中实现了利用光纤向激光晶体传输信号光，提高了信号光的传递效率，同时降低了输出光的复杂程度，实用性强。

Description

光纤耦合晶体结构及增益设备

技术领域

本申请涉及激光增益技术领域，特别涉及一种光纤耦合晶体结构及增益设备。

背景技术

传统的固体激光器通常采用空间光路，泵浦光和信号光通过分色镜打入激光晶体内，实现信号光的放大。近年来除了传统激光晶体外，也有单晶光纤等新型晶体材料，其本质仍为单晶材料，这里统称为激光晶体。

空间光路具有体积大，安装复杂等缺点。而且，输出光为空间光，使用起来比光纤柔性输出复杂；但光纤与激光晶体的熔点不同，导致两者的熔接在加工工艺上难度很大，固体激光器采用光纤传输难以实现。

申请内容

针对上述问题，本申请提供了一种光纤耦合晶体结构、增益设备及正泵、反泵增益方法，解决了现有技术中空间光路体积大、安装复杂且输出光复杂，光纤与激光晶体难以直接熔接的问题。

本申请实施例提出一种光纤耦合晶体结构，包括第一尾纤、第一端帽、激光介质、第二端帽、第二尾纤；

所述第一端帽与所述第二端帽分别连接于所述激光介质相对的两侧，所述第一尾纤的一端连接于所述第一端帽远离所述激光介质的一侧，所述第二尾纤的一端连接于所述第二端帽远离所述激光介质的一侧。

在一实施例中，所述激光介质为激光晶体、激光陶瓷或单晶光纤。

在一实施例中，所述激光介质的基质晶体为钒酸钇晶体、钇铝石榴石晶体、KGW晶体、KYW晶体、氟化钙晶体及石英晶体中的一种；

所述钒酸钇晶体掺杂有Nd³⁺、Yb³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺中的至少一种。

在一实施例中，所述第一端帽、所述第二端帽的材质均为与所述激光介质的基质晶体的材质相同的玻璃材质。

在一实施例中，所述第一端帽、所述第二端帽均通过光胶现象经扩散键合工艺连接于所述激光介质的端面。

在一实施例中，所述光纤耦合晶体结构还包括包覆层和热沉；

所述包覆层包覆于所述第一端帽、所述激光介质、所述第二端帽之外，并容置于所述热沉内。

在一实施例中，所述包覆层为铟箔。

本申请实施例还提供一种增益设备，所述增益设备包括：第一合束器、第二合束器，第一信号光纤、第二信号光纤、第一泵浦光纤、第二泵浦光纤与所述光纤耦合晶体结构；

所述第一合束器与所述第二合束器分别与所述第一尾纤、所述第二尾纤相连；

所述第一信号光纤、第一泵浦光纤均与所述第一合束器相连；

所述第二信号光纤、第二泵浦光纤均与所述第二合束器相连。

在一实施例中，所述第一合束器、所述第二合束器为微光学合束器或拉锥合束器。

在一实施例中，所述第一合束器用于对所述第一信号光纤传输的信号光和所述第一泵浦光纤传输的泵浦光进行合束并将合束后的光传输至所述光纤耦合晶体结构，所述光纤耦合晶体结构用于对所述信号光进行增益，增益后的信号光经所述第二合束器由所述第二信号光纤输出，剩余的所述泵浦光经所述第二合束器由所述第二泵浦光纤输出。

在一实施例中，所述第一合束器用于将所述第一信号光纤传输的信号光传输至所述光纤耦合晶体结构，所述第二合束器用于将所述第二泵浦光纤传输的泵浦光传输至所述光纤耦合晶体结构，所述信号光在所述光纤耦合晶体结构内被所述泵浦光增益，增益后的信号光经所述第二合束器由所述第二信号光纤输出，剩余的所述泵浦光经所述第一合束器由所述第一泵浦光纤输出。

本申请针对现有技术中空间光路体积大、安装复杂且输出光复杂，光纤与激光晶体难以直接熔接的问题作出改进设计，具有以下有益效果：

1、通过设置端帽，将光纤熔接于端帽，并将端帽连接于激光介质，通过端帽作为中间介质实现了光纤与激光介质的相连；

2、在固体激光器中利用光纤实现信号光的输出，输出光更加简单；

本申请结构简洁，利用端帽作为中间介质，在固体激光器中实现了利用光纤向激光晶体传输信号光，提高了信号光的传递效率，同时降低了输出光的复杂程度，实用性强。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中空间光在固体激光器中的传输结构示意图。

图2为本申请实施例提供的光纤耦合晶体结构的结构示意图。

图3为本申请实施例提供的增益设备的结构示意图。

图中标记的含义为：

11、第一尾纤；12、第一端帽；13、激光介质；14、第二端帽；15、第二尾纤；16、热沉；

2、第一信号光纤；3、第一泵浦光纤；4、第一合束器；5、第二信号光纤；6、第二泵浦光纤；7、第二合束器。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图即实施例，对本申请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用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以是直接或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对专利的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

还需说明的是，本申请实施例中以同一附图标记表示同一组成部分或同一零部件，对于本申请实施例中相同的零部件，图中可能仅以其中一个零件或部件为例标注了附图标记，应理解的是，对于其他相同的零件或部件，附图标记同样适用。

为了说明本申请所述的技术方案，下面结合具体附图及实施例来进行说明。

本申请实施例提供一种光纤耦合晶体结构，利用端帽作为尾纤与激光介质之间的中间介质，使得信号光能通过光纤输入激光介质，且能够使激光介质射出的信号光经尾纤输出，降低了输出信号光的复杂程度。

实施例一

参考图1、图2，本申请实施例一提供的光纤耦合晶体结构包括第一尾纤11、第一端帽12、激光介质13、第二端帽14与第二尾纤15。

第一端帽12的一端连接有第一尾纤11，且另一端与激光介质13相连；第二端帽14的一端连接有第二尾纤15，且另一端与激光介质13相连；第一端帽12与第二端帽14分别位于激光介质13的相对的两端。

前级的信号光通过第一尾纤11射入第一端帽12，并依次经第一端帽12、激光介质13、第二端帽14，之后射入第二尾纤15并通过第二尾纤15输出。

参考图1，现有技术中，固体激光器中信号光的传输均在空气中进行，即为空间光，空间光传输过程中易出现光信号的衰减、光信号漂移等情况，需要额外的器件来保持光信号的强度与稳定性。

相较于现有技术中的空间光传输，本实施例的有益效果在于：在激光介质13两端设置第一端帽12与第二端帽14，并在第一端帽12与第二端帽14的另一端分别连接第一尾纤11与第二尾纤15，使激光介质13能够通过第一端帽12、第二端帽14与光纤相连，实现信号光的柔性光纤传输，降低了信号光的衰减，保证了信号光传输的稳定性，同时方便与其他光纤器件柔性连接，降低了空间占用。

可选的，因本实施例提供的光纤耦合晶体结构用于固体激光器中，故激光介质13可以为激光晶体、激光陶瓷或单晶光纤。

进一步的，激光介质13的基质晶体可以是钒酸钇晶体，并在钒酸钇晶体内至少掺入Nd³⁺、Yb³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺中的一种。

激光介质13还可以是钇铝石榴石晶体、KGW晶体、KYW晶体、氟化钙晶体及石英晶体中的一种。

在一实施例中，第一端帽12的材质为与激光介质13的基质晶体材质相同的玻璃材质，因玻璃为多种无机矿物为主原料制成，故第一端帽12的材质为玻璃且该玻璃的主原料与激光介质13的基质晶体的材质相同。

第二端帽14与第一端帽12的材质相同。

因第一端帽12和第二端帽14的设置主要用于作为第一尾纤11、第二尾纤15与激光介质13之间的中间介质，以便于第一尾纤11、第二尾纤15能够与激光介质13相连，并实现光信号的传输，故将第一端帽12和第二端帽14设置为玻璃，光信号在第一端帽12与第二端帽14内不会出现漂移或其他变化，降低第一端帽12、第二端帽14在光信号传输过程中对光信号的影响。

第一尾纤11熔接于第一端帽12，第二尾纤15熔接于第二端帽14，将第一端帽12、第二端帽14的材质设置为玻璃，还因为光纤便于熔接于玻璃，且熔接过程中不会造成玻璃的损伤。

本实施例的有益效果在于：提供了一种第一端帽12、第二端帽14的具体材质，使得第一尾纤11、第二尾纤15能够分别熔接于第一端帽12、第二端帽14，且不会损伤第一端帽12、第二端帽14。

可选的，第一端帽12的材质可以选择与激光介质13的基质晶体导热率相近，熔点低的其他玻璃材质。

可选的，第一端帽12、第二端帽14均通过光胶现象经扩散键合工艺连接于激光介质13，其中光胶现象指将两个表面经抛光等表面处理后，紧密地贴在一起，在室温下形成紧密贴合相连；然后再对第一端帽12、第二端帽14与激光介质13进行热处理，通过热扩散键合技术实现稳固结合，在无须其他粘结剂的情况下形成永久性键合，该方式对光信号的传输影响较小，且结合稳固。

参考图2，在一实施例中，光纤耦合晶体结构还包括包覆层和热沉16。

包覆层将第一端帽12、激光介质13、第二端帽14包覆为一体，并将其安装于热沉16内；第一尾纤11、第二尾纤15穿过包覆层和热沉16延伸至热沉16之外，热沉16用于辅助散热，防止激光介质13过热。

可选的，包覆层的材质为铟箔制成。

本申请实施例一的有益效果在于：

1、通过设置端帽，将光纤熔接于端帽，并将端帽连接于激光介质13，通过端帽作为中间介质实现了光纤与激光介质13的相连；

2、在固体激光器中利用光纤实现信号光的输出，输出光更加简单；

3、提供了一种端帽与激光介质13的包覆与固定方案，将光纤耦合晶体结构置于热沉16内，便于其散热。

实施例二

参考图3，在实施例一的基础上，本申请实施例二提供一种增益设备，应用于实施例一的光纤耦合晶体结构，包括第一合束器4、第二合束器7，第一信号光纤2、第二信号光纤5、第一泵浦光纤3、第二泵浦光纤6与光纤耦合晶体结构。

第一信号光纤2用于将前级的信号光输入至第一合束器4，第一泵浦光纤3用于将第一泵浦光输入至第一合束器4，信号光与第一泵浦光经第一合束器4合束后进入激光介质13。

激光介质13增益后的信号光经第二合束器7后从第二信号光纤5输出，剩余的泵浦光则自激光介质13射入第二合束器7后，经第二泵浦光纤6输出。

第一合束器4与第二合束器7分别与第一尾纤11、第二尾纤15相连；第一信号光纤2、第一泵浦光纤3均与第一合束器4相连；第二信号光纤5、第二泵浦光纤6均与第二合束器7相连。

本实施例的有益效果在于：提供了一种激光增益设备的具体结构，利用合束器代替分色镜和泵浦透镜，降低了增益设备对空间的占用，且安装简单，输出的信号光为光纤柔性输出。

可选的，第一合束器4、第二合束器7为微光学合束器或拉锥合束器。

实施例三

本实施例提供一种信号光在增益设备中的传播光路，其中，第一合束器4用于对第一信号光纤2传输的信号光和第一泵浦光纤3传输的泵浦光进行合束并将合束后的光传输至光纤耦合晶体结构。

光纤耦合晶体结构用于对信号光进行增益。

增益后的信号光经第二合束器7由第二信号光纤5输出，剩余的泵浦光经第二合束器7由第二泵浦光纤6输出。

信号光在增益设备中的光路为：

信号光自第一信号光纤2输入并依次传输至第一合束器4、激光介质13、第二合束器7，并经第二信号光纤5输出。

泵浦光在增益设备中的光路为：

泵浦光自第一泵浦光纤3输入并依次传输至第一合束器4、激光介质13、第二合束器7，并经第二泵浦光纤6输出；

信号光在激光介质13内经泵浦光增益，经过增益后的信号光经第二合束器7后从第二信号光纤5输出；对信号光增益后剩余的泵浦光则经第二合束器7后从第二泵浦光纤6输出。

即本实施例中第一合束器4起到信号光与泵浦光合束的作用，而第二合束器7则起到将增益后的信号光与剩余的泵浦光分光的作用。

本实施例提供的为泵浦光对信号光的正泵增益方案。

可选的，对信号光增益后剩余的泵浦光也可不经过第二泵浦光纤6输出，而是直接输出为空间光。

实施例四

本实施例提供一种信号光在增益设备中的传播光路，其中，第一合束器4用于将第一信号光纤2传输的信号光传输至光纤耦合晶体结构。

第二合束器7用于将第二泵浦光纤6传输的泵浦光传输至光纤耦合晶体结构。

信号光在光纤耦合晶体结构内被泵浦光增益，增益后的信号光经第二合束器7由第二信号光纤5输出，剩余的泵浦光经第一合束器4由第一泵浦光纤3输出。

信号光在增益设备中的光路为：

信号光自第一信号光纤2输入并依次传输至第一合束器4、激光介质13、第二合束器7，并经第二信号光纤5输出。

泵浦光在增益设备中的光路为：

泵浦光自第二泵浦光纤6输入并依次传输至第二合束器7、激光介质13、第一合束器4，并经第一泵浦光纤3输出。

信号光在激光介质13内经泵浦光增益，经过增益后的信号光经第二合束器7后从第二信号光纤5输出；对信号光增益后剩余的泵浦光则经第一合束器4后从第一泵浦光纤3输出。

本实施例提供的为泵浦光对信号光的反泵增益方案。

可选的，对信号光增益后剩余的泵浦光也可不经过第一泵浦光纤3输出，而是直接输出为空间光。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤耦合晶体结构，其特征在于，包括第一尾纤(11)、第一端帽(12)、激光介质(13)、第二端帽(14)、第二尾纤(15)；

所述第一端帽(12)与所述第二端帽(14)分别连接于所述激光介质(13)相对的两侧，所述第一尾纤(11)的一端连接于所述第一端帽(12)远离所述激光介质(13)的一侧，所述第二尾纤(15)的一端连接于所述第二端帽(14)远离所述激光介质(13)的一侧。

2.根据权利要求1所述的光纤耦合晶体结构，其特征在于，所述激光介质(13)为激光晶体、激光陶瓷或单晶光纤。

3.根据权利要求2所述的光纤耦合晶体结构，其特征在于，所述激光介质(13)的基质晶体为钒酸钇晶体、钇铝石榴石晶体、KGW晶体、KYW晶体、氟化钙晶体及石英晶体中的至少一种；

所述钒酸钇晶体掺杂有Nd³⁺、Yb³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺中的一种。

4.根据权利要求3所述的光纤耦合晶体结构，其特征在于，所述第一端帽(12)、所述第二端帽(14)的材质均与所述激光介质(13)的基质晶体的材质相同的玻璃材质。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的光纤耦合晶体结构，其特征在于，所述第一端帽(12)、所述第二端帽(14)均通过光胶现象经扩散键合工艺连接于所述激光介质(13)的端面。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的光纤耦合晶体结构，其特征在于，所述光纤耦合晶体结构还包括包覆层和热沉(16)；

所述包覆层包覆于所述第一端帽(12)、所述激光介质(13)、所述第二端帽(14)之外，并容置于所述热沉(16)内。

7.一种增益设备，其特征在于，包括：第一合束器(4)、第二合束器(7)，

第一信号光纤(2)、第二信号光纤(5)、第一泵浦光纤(3)、第二泵浦光纤(6)以及如权利要求1-6中任一项所述的光纤耦合晶体结构；

所述第一合束器(4)与所述第二合束器(7)分别与所述第一尾纤(11)、所述第二尾纤(15)相连；

所述第一信号光纤(2)、第一泵浦光纤(3)均与所述第一合束器(4)相连；

所述第二信号光纤(5)、第二泵浦光纤(6)均与所述第二合束器(7)相连。

8.根据权利要求7所述的增益设备，其特征在于，所述第一合束器(4)、所述第二合束器(7)为微光学合束器或拉锥合束器。

9.根据权利要求7或8所述的增益设备，其特征在于，所述第一合束器(4)用于对所述第一信号光纤(2)传输的信号光和所述第一泵浦光纤(3)传输的泵浦光进行合束并将合束后的光传输至所述光纤耦合晶体结构，所述光纤耦合晶体结构用于对所述信号光进行增益，增益后的信号光经所述第二合束器(7)由所述第二信号光纤(5)输出，剩余的所述泵浦光经所述第二合束器(7)由所述第二泵浦光纤(6)输出。

10.根据权利要求7或8所述的增益设备，其特征在于，所述第一合束器(4)用于将所述第一信号光纤(2)传输的信号光传输至所述光纤耦合晶体结构，所述第二合束器(7)用于将所述第二泵浦光纤(6)传输的泵浦光传输至所述光纤耦合晶体结构，所述信号光在所述光纤耦合晶体结构内被所述泵浦光增益，增益后的信号光经所述第二合束器(7)由所述第二信号光纤(5)输出，剩余的所述泵浦光经所述第一合束器(4)由所述第一泵浦光纤(3)输出。

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