CN217934561U - 一种基于熔接多段增益光纤结构的光纤激光器 - Google Patents
一种基于熔接多段增益光纤结构的光纤激光器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型提供了一种基于熔接多段增益光纤结构的光纤激光器，其包括光纤模组、种子信号源、光纤耦合半导体激光器、泵浦信号合束器、包层光滤除器、光纤端帽，种子信号源、光纤耦合半导体激光器与泵浦信号合束器一端通过光纤连接，泵浦信号合束器另一端与光纤模组一端连接，光纤模组另一端与包层光滤除器连接，包层光滤除器与光纤端帽通过光纤连接，光纤模组包括多段增益离子掺杂浓度不同的增益光纤，多段增益光纤顺次连接，增益光纤的增益离子掺杂浓度沿光信号传输方向逐段增大。本实用新型能够达到通过降低部分增益光纤中增益离子的掺杂浓度来降低纤芯及光纤表面的温度的目的，同时能够避免发生受激拉曼散射效应，有利于功率的扩展。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤激光器制造技术领域，尤其涉及一种基于熔接多段增益光纤结构的光纤激光器。
背景技术
光纤激光器具有体积小、重量轻、高斜率效率、良好的光束质量、出色的热管理等优点，已被广泛应用于打标、切割、焊接、清洗、3D打印等诸多领域。通过使用高功率、高亮度泵浦源并结合包层泵浦技术，掺镱双包层光纤激光器的输出功率提升非常显著。
例如专利CN113809623A提出了一种连续脉冲复合模式高功率全光纤激光器系统，其包括电控模块、高功率连续光纤激光模块组、高功率脉冲光纤激光模块组、全光纤激光合束模块以及激光输出头；电控模块分别与高功率连续光纤激光模块组和高功率脉冲光纤激光模块组连接，高功率连续光纤激光模块组和高功率脉冲光纤激光模块组的输出端共同连接至全光纤激光合束器模块，全光纤激光合束器模块与激光输出头连接；本发明实现了高功率连续脉冲复合模式的全光纤激光器，可以实现只输出连续激光或只输出脉冲激光，也可以实现连续激光与脉冲激光同时输出，并且连续激光与脉冲激光的功率比例可以调节。
但该方案存在以下问题：双包层光纤的低折射率聚合物涂层对高热负荷非常敏感，以至于当温度接近150～200℃时会造成热损坏(长期可靠性需要在80℃以下运行)，因此需要对高功率光纤激光器增益光纤中的热分布进行控制与管理；就普通双包层光纤而言，可以通过降低纤芯中增益离子的掺杂浓度来降低纤芯及光纤表面的温度，但这会造成光纤的使用长度增加，容易发生受激拉曼散射效应(SRS)，非常不利于功率的扩展；而增加纤芯中增益离子掺杂浓度，虽然可以减少使用长度来避免SRS，但是其纤芯及光纤表面会承受着更高温度，容易造成光纤烧毁。
实用新型内容
有鉴于此，有必要提供一种基于熔接多段增益光纤结构的光纤激光器，实现在抑制受激拉曼散射效应的同时实现增益光纤的热管理。
本实用新型提供一种基于熔接多段增益光纤结构的光纤激光器，包括：
光纤模组、种子信号源、光纤耦合半导体激光器、泵浦信号合束器、包层光滤除器、光纤端帽，所述种子信号源、所述光纤耦合半导体激光器与所述泵浦信号合束器一端通过光纤连接，所述泵浦信号合束器另一端与所述光纤模组一端连接，所述光纤模组另一端与所述包层光滤除器连接，所述包层光滤除器与所述光纤端帽通过光纤连接，所述光纤模组包括多段增益离子掺杂浓度不同的增益光纤，多段所述增益光纤顺次连接，所述增益光纤的增益离子掺杂浓度沿光信号传输方向逐段增大。
可选的，多段所述增益光纤的几何尺寸保持一致，都包括纤芯、内包层、外包层，所述内包层包裹所述纤芯，所述外包层包裹所述内包层，所述纤芯和所述外包层横截面为圆形，所述内包层横截面为正八边形。
可选的，所述增益光纤的数量为三个，分别为低浓度掺杂增益光纤、中浓度掺杂增益光纤、高浓度掺杂增益光纤，所述低浓度掺杂增益光纤一端与所述泵浦信号合束器连接，所述低浓度掺杂增益光纤另一端与所述中浓度掺杂增益光纤一端连接，所述中浓度掺杂增益光纤另一端与所述高浓度掺杂增益光纤一端连接，所述高浓度掺杂增益光纤另一端与所述包层光滤除器连接。
可选的，所述低浓度掺杂增益光纤中增益离子的掺杂浓度为1×1025～6×1025m-3，所述中浓度掺杂增益光纤中增益离子的掺杂浓度为6×1025～8×1025m-3，所述低浓度掺杂增益光纤中增益离子的掺杂浓度为8×1025～1.3×1026m-3，所述低浓度掺杂增益光纤、所述中浓度掺杂增益光纤、所述高浓度掺杂增益光纤的长度为1～20m。
可选的，所述种子信号源注入进所述泵浦信号合束器的种子信号功率设置100W，种子信号波长设置为1080nm。
可选的，所述光纤耦合半导体激光器包括多个与增益光纤吸收峰匹配的各个波段的半导体激光器，所述半导体激光器匹配的波段包括915nm、940nm、975nm、981nm。
可选的，所述光纤耦合半导体激光器注入所述泵浦信号合束器的泵浦功率设置5000W，泵浦波长设置为975nm。
可选的，所述泵浦信号合束器包括信号输入臂、信号输出臂以及多个泵浦输入臂，所述信号输入臂与所述种子信号源连接，所述泵浦输入臂与所述光纤耦合半导体激光器连接，所述信号输出臂与所述光纤模组连接。
可选的，还包括信号传能光纤，所述信号输入臂与所述种子信号源之间通过所述信号传能光纤连接，所述包层光滤除器与所述光纤端帽之间通过所述信号传能光纤连接。
可选的，所述显示屏包括显示屏主体以及环绕显示屏主体设置的固定框，还包括泵浦传能光纤，所述泵浦输入臂与所述光纤耦合半导体激光器通过所述泵浦传能光纤连接。
本实用新型的有益效果为：
本实用新型提供了一种基于熔接多段增益光纤结构的光纤激光器，在沿光信号传输方向上设置有增益离子掺杂浓度逐段增大的多段所述增益光纤，对光信号实现逐段处理，达到通过降低部分增益光纤中增益离子的掺杂浓度来降低纤芯及光纤表面的温度的目的，同时能够避免发生受激拉曼散射效应(SRS)，有利于功率的扩展。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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为本实用新型中基于熔接多段增益光纤结构的光纤激光器的结构示意图；
图2为对照组1沿光纤长度的温度分布图；
图3为实验组1沿光纤长度的温度分布图；
图4为对照组1的光纤激光器的输出光谱图；
图5为实验组1的光纤激光器的输出光谱图；
图6为实验组2沿光纤长度的温度分布图；
图7为实验组2的光纤激光器的输出光谱图；
其中：1-光纤模组，11-增益光纤，12-低浓度掺杂增益光纤，13-中浓度掺杂增益光纤，14-高浓度掺杂增益光纤，2-种子信号源，3-光纤耦合半导体激光器，4-泵浦信号合束器，5-包层光滤除器，6-光纤端帽，7-信号传能光纤，8-泵浦传能光纤。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理，并非用于限定本实用新型的范围。
如图1所示，本实用新型的实施例提供一种基于熔接多段增益光纤结构的光纤激光器，其包括：光纤模组1、种子信号源2、光纤耦合半导体激光器3、泵浦信号合束器4、包层光滤除器5、光纤端帽6，所述种子信号源2、所述光纤耦合半导体激光器3与所述泵浦信号合束器4一端通过光纤连接，所述泵浦信号合束器4另一端与所述光纤模组1一端连接，所述光纤模组1另一端与所述包层光滤除器5连接，所述包层光滤除器5与所述光纤端帽6通过光纤连接，所述光纤模组1包括多段增益离子掺杂浓度不同的增益光纤11，多段所述增益光纤11顺次连接，所述增益光纤11的增益离子掺杂浓度沿光信号传输方向逐段增大。
所述种子信号源2、所述光纤耦合半导体激光器3输出的激光注入到所述泵浦信号合束器4，然后从所述泵浦信号合束器4输出，经过所述光纤模组1，到所述包层光滤除器5后，最终由所述光纤端帽6扩束输出。
在本实用新型中，在沿光信号传输方向上设置有增益离子掺杂浓度逐段增大的多段所述增益光纤，对光信号实现逐段处理，达到通过降低部分增益光纤中增益离子的掺杂浓度来降低纤芯及光纤表面的温度的目的，同时能够避免发生受激拉曼散射效应(SRS)，有利于功率的扩展。
具体的，多段所述增益光纤11的几何尺寸保持一致，都包括纤芯、内包层、外包层，所述内包层包裹所述纤芯，所述外包层包裹所述内包层，所述纤芯和所述外包层横截面为圆形，所述内包层横截面为正八边形。便于多段所述增益光纤11之间进行连接。
具体的，多段所述增益光纤11内的增益离子为镱离子。
具体的，多段所述增益光纤11的数量可以根据需求进行调整，在本实施例中，所述增益光纤11的数量为三个，分别为低浓度掺杂增益光纤12、中浓度掺杂增益光纤13、高浓度掺杂增益光纤14，所述低浓度掺杂增益光纤12一端与所述泵浦信号合束器4连接，所述低浓度掺杂增益光纤12另一端与所述中浓度掺杂增益光纤13一端连接，所述中浓度掺杂增益光纤13另一端与所述高浓度掺杂增益光纤14一端连接，所述高浓度掺杂增益光纤14另一端与所述包层光滤除器5连接。
进一步的，所述低浓度掺杂增益光纤12中增益离子的掺杂浓度为1×1025～6×1025m-3，所述中浓度掺杂增益光纤13中增益离子的掺杂浓度为6×1025～8×1025m-3，所述低浓度掺杂增益光纤12中增益离子的掺杂浓度为8×1025～1.3×1026m-3，所述低浓度掺杂增益光纤12、所述中浓度掺杂增益光纤13、所述高浓度掺杂增益光纤14的长度为1～20m。
具体的，所述种子信号源2注入进所述泵浦信号合束器4的种子信号功率设置100W，种子信号波长设置为1080nm。
具体的，所述光纤耦合半导体激光器3包括多个与增益光纤吸收峰匹配的各个波段的半导体激光器，所述半导体激光器匹配的波段包括915nm、940nm、975nm、981nm。
具体的，所述光纤耦合半导体激光器3注入所述泵浦信号合束器4的泵浦功率设置5000W，泵浦波长设置为975nm。
具体的，所述泵浦信号合束器4包括信号输入臂、信号输出臂以及多个泵浦输入臂，所述信号输入臂与所述种子信号源2连接，所述泵浦输入臂与所述光纤耦合半导体激光器3连接，所述信号输出臂与所述光纤模组1连接。光纤耦合半导体激光器3发出的泵浦光通过所述泵浦输入臂耦合到所述泵浦信号合束器4的信号输出臂的光纤内包层中，最终实现泵浦光在所述泵浦信号合束器4的中传输。
具体的，还包括信号传能光纤7，所述信号输入臂与所述种子信号源2之间通过所述信号传能光纤7连接，所述包层光滤除器5与所述光纤端帽6之间通过所述信号传能光纤7连接。
具体的，所述包层光滤除器5用于滤除所述信号传能光纤7的包层中残留泵浦光和高阶模激光；所述光纤端帽6用于将所述信号传能光纤7中的信号光扩束输出，降低输出端面的功率密度，提高激光器的可靠性。
具体的，还包括泵浦传能光纤8，所述泵浦输入臂与所述光纤耦合半导体激光器3通过所述泵浦传能光纤8连接。
实验操作1：
实验组1：所述纤芯、所述内包层、所述外包层直径分别设置为20、400、550μm，数值孔径设置为0.065；所述低浓度掺杂增益光纤12的掺杂浓度设置为3.533×1025m-3，对应吸收系数@975nm为0.633dB/m；所述中浓度掺杂增益光纤13的掺杂浓度设置为7.067×1025m-3，对应吸收系数@975nm为1.266dB/m；所述高浓度掺杂增益光纤14的掺杂浓度设置为1.060×1026m-3，对应吸收系数@975nm为1.899dB/m；为了简单考虑，所述低浓度掺杂增益光纤12、所述中浓度掺杂增益光纤13、所述高浓度掺杂增益光纤14的长度分别设置为6.9m、2m、6.9m，总吸收保证在20dB。传能光纤设置10m。
对照组1：基于单根常规光纤的光纤激光器，常规光纤的增益离子为镱离子，纤芯、内包层、外包层直径设置为20、400、550μm，数值孔径设置为0.065，掺杂浓度设置7.067×1025m-3，对应吸收系数@975nm为1.266dB/m；长度设置15.8m，总吸收保证在20dB。
对照组1和实验组1中的增益光纤沿光纤长度的温度分布分别如图2和图3所示。可以看出实验组1的光纤激光器相对对照组1可以降低光纤纤芯及光纤表面的最高温度。图4和图5分别是对照组1的输出光谱图、实验组1的光纤激光器的输出光谱图，可以看出，实验组1的光纤激光器相对对照组1具有更好的SRS抑制能力，SRS抑制比提升到17.60dB。
实验操作2：
实验组2：所述纤芯、所述内包层、所述外包层直径分别设置为20、400、550μm，数值孔径设置为0.065；所述低浓度掺杂增益光纤12的掺杂浓度设置为1.004×1025m-3，对应吸收系数@975nm为0.18dB/m；所述中浓度掺杂增益光纤13的掺杂浓度设置为1.116×1026m-3(超出要求范围)，对应吸收系数@975nm为2dB/m；所述高浓度掺杂增益光纤14的掺杂浓度设置为1.194×1026m-3，对应吸收系数@975nm为2.138dB/m；低浓度掺杂增益光纤12、中浓度掺杂增益光纤13、高浓度掺杂增益光纤14的长度分别设置为6.9m、2m、6.9m，总吸收保证在20dB。传能光纤设置10m。
实验组2增益光纤沿光纤长度的温度分布和输出光谱图分别如图6和图7所示。可以看出相比对照组1，该条件下实验组2的光纤激光器虽然提高了SRS抑制比到23.40dB，但是光纤纤芯及光纤表面的最高温度没有得到降低。
本实用新型有益效果是：
在本实用新型中，在沿光信号传输方向上设置有增益离子掺杂浓度逐段增大的多段所述增益光纤，对光信号实现逐段处理，达到通过降低部分增益光纤中增益离子的掺杂浓度来降低纤芯及光纤表面的温度的目的，同时能够避免发生受激拉曼散射效应(SRS)，有利于功率的扩展。
以上，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于熔接多段增益光纤结构的光纤激光器，其特征在于，包括：
光纤模组、种子信号源、光纤耦合半导体激光器、泵浦信号合束器、包层光滤除器、光纤端帽，所述种子信号源、所述光纤耦合半导体激光器与所述泵浦信号合束器一端通过光纤连接，所述泵浦信号合束器另一端与所述光纤模组一端连接，所述光纤模组另一端与所述包层光滤除器连接，所述包层光滤除器与所述光纤端帽通过光纤连接，所述光纤模组包括多段增益离子掺杂浓度不同的增益光纤，多段所述增益光纤顺次连接，所述增益光纤的增益离子掺杂浓度沿光信号传输方向逐段增大。
2.如权利要求1所述的基于熔接多段增益光纤结构的光纤激光器，其特征在于，多段所述增益光纤的几何尺寸保持一致，都包括纤芯、内包层、外包层，所述内包层包裹所述纤芯，所述外包层包裹所述内包层，所述纤芯和所述外包层横截面为圆形，所述内包层横截面为正八边形。
3.如权利要求1所述的基于熔接多段增益光纤结构的光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤的数量为三个，分别为低浓度掺杂增益光纤、中浓度掺杂增益光纤、高浓度掺杂增益光纤，所述低浓度掺杂增益光纤一端与所述泵浦信号合束器连接，所述低浓度掺杂增益光纤另一端与所述中浓度掺杂增益光纤一端连接，所述中浓度掺杂增益光纤另一端与所述高浓度掺杂增益光纤一端连接，所述高浓度掺杂增益光纤另一端与所述包层光滤除器连接。
4.如权利要求3所述的基于熔接多段增益光纤结构的光纤激光器，其特征在于，所述低浓度掺杂增益光纤中增益离子的掺杂浓度为1×1025～6×1025m-3，所述中浓度掺杂增益光纤中增益离子的掺杂浓度为6×1025～8×1025m-3，所述低浓度掺杂增益光纤中增益离子的掺杂浓度为8×1025～1.3×1026m-3，所述低浓度掺杂增益光纤、所述中浓度掺杂增益光纤、所述高浓度掺杂增益光纤的长度为1～20m。
5.如权利要求1所述的基于熔接多段增益光纤结构的光纤激光器，其特征在于，所述种子信号源注入进所述泵浦信号合束器的种子信号功率设置100W，种子信号波长设置为1080nm。
6.如权利要求1所述的基于熔接多段增益光纤结构的光纤激光器，其特征在于，所述光纤耦合半导体激光器包括多个与增益光纤吸收峰匹配的各个波段的半导体激光器，所述半导体激光器匹配的波段包括915nm、940nm、975nm、981nm。
7.如权利要求6所述的基于熔接多段增益光纤结构的光纤激光器，其特征在于，所述光纤耦合半导体激光器注入所述泵浦信号合束器的泵浦功率设置5000W，泵浦波长设置为975nm。
8.如权利要求1所述的基于熔接多段增益光纤结构的光纤激光器，其特征在于，所述泵浦信号合束器包括信号输入臂、信号输出臂以及多个泵浦输入臂，所述信号输入臂与所述种子信号源连接，所述泵浦输入臂与所述光纤耦合半导体激光器连接，所述信号输出臂与所述光纤模组连接。
9.如权利要求8所述的基于熔接多段增益光纤结构的光纤激光器，其特征在于，还包括信号传能光纤，所述信号输入臂与所述种子信号源之间通过所述信号传能光纤连接，所述包层光滤除器与所述光纤端帽之间通过所述信号传能光纤连接。
10.如权利要求8所述的基于熔接多段增益光纤结构的光纤激光器，其特征在于，还包括泵浦传能光纤，所述泵浦输入臂与所述光纤耦合半导体激光器通过所述泵浦传能光纤连接。
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| CN202222036366.7U Active CN217934561U (zh) | 2022-08-03 | 2022-08-03 | 一种基于熔接多段增益光纤结构的光纤激光器 |
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