集成高功率全光纖雷射器的製作方法
2023-09-17 22:20:45
本發明是集成高功率全光纖雷射器，屬於雷射領域，尤其屬於高功率全光纖雷射器領域。
背景技術：
高功率全光纖雷射器由於光束質量好、轉換效率高，散熱性好等諸多的優異特性，近年來在工業加工、國防軍事、醫療等領域的受到廣泛應用。隨著高功率光纖雷射器應用領域的不斷拓展，對光纖雷射器的輸出功率和光束質量的要求越來越高。如汽車、飛機、大型船舶的製造業中，對厚金屬板的雷射成型、焊接和切割等加工，需要光纖雷射器的輸出功率達到千瓦級乃至萬瓦級。
但是在高功率光纖雷射器的製造中，受高功率光纖器件承受能力、熔接點的處理工藝、高亮度泵浦源功率水平、整體集成度等因素制約，目前商業化單纖光纖雷射器的功率水平在千瓦量級。目前只有少數公司可以的生產2kw及以上的商業化光纖雷射器，只有少數國外公司掌握著高功率全光纖器件的製備技術，如加拿大itf公司。也只有少數國外公司掌握這高功率高性能光纖的製備技術，如nufern，coractive公司。
而高功率全光纖雷射器的製備都是由增益光纖和各全光纖器件熔接而成整體結構，其中全光纖器件種類較多，包括光纖光柵，合束器，包層光濾除器，高功率端帽等。而目前商業化的高功率全光纖器件都是相對分立製作和出售，在製作高功率光纖雷射器時各個器件之間需要熔接連接，這樣在一個高功率光纖系統中，包含諧振腔和多個放大級，那麼包含的熔點就很多，在千瓦級以上的高功率光纖雷射器中，各個熔點的發熱都需要進行冷卻裝置保護。並且各全光纖器件的尾纖都在1～2m的長度，且在選擇器件的時候需要考慮各器件尾纖數值孔徑和纖徑的匹配性。這樣既增加了光纖雷射器的傳輸光纖的長度，又降低非線性效應的閾值，又使得光纖雷射器的集成度降低，同時熔點熔接需要比較高的工藝水平，完成纖芯和纖徑精細對齊。並且各個全光纖器件在高功率光纖 雷射器都要設計相對應的冷卻保護裝置，增加高功率全光纖雷射器的體積。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種集成高功率全光纖雷射器，以解決技術背景中存在的問題以及目前高功率全光纖器件存在的技術缺陷。
一種集成高功率全光纖雷射器，其特徵在於，
第一全光纖器件1的左端與第一增益光纖51的上端通過第一熔點61相連接；
第一增益光纖51的下端與第二全光纖器件2的左端通過第二熔點62相連接；
第二全光纖器件2的右端與第二增益光纖52的上端通過第三熔點63相連接；
第二增益光纖52的下端與第三全光纖器件3的右端通過第四熔點64相連接；
第三全光纖器件3的左端與第三增益光纖53的右端通過第五熔點65相連接；
第三增益光纖53的左端與第四全光纖器件4的右端通過第六熔點66相連接。
所述的第一全光纖器件1，包括第一光纖光柵11和第一泵浦合束器12，以及第一泵浦合束器12的多個泵浦臂；
所述的第二全光纖器件2，包括第二光纖光柵21和第二泵浦合束器22，以及第二泵浦合束器22的多個泵浦臂；還包括第一包層光濾除器24、第三泵浦合束器23，以及第三泵浦合束器23的多個泵浦臂。
所述的第三全光纖器件3，包括第四泵浦合束器31，以及第四泵浦合束器31的多個泵浦臂；還包括第二包層光濾除器32。
所述的第四全光纖器件4，包括第三包層光濾除器41和端帽42。
所述的第一增益光纖51、第二增益光纖52、第三增益光纖53均為稀土摻雜雙包層光纖。
所述的第一全光纖器件1為一集成全光纖器件，總信號光纖長度小於0.5m；所述的第一光纖光柵11為高功率高反射光柵，對雷射中心波長的反射率大於97％，承受2kw以上的雷射功率；所述的第一泵浦合束器12為n×1型正向泵 浦合束器，對泵浦光的功率透過率大於92％；所述的第一泵浦合束器12的多個泵浦臂都為封裝好的可直接對半導體雷射器進行插拔式連接，每個泵浦臂承受高於400w的泵浦光功率，其中4≤n≤20；
第一光纖光柵11和第一泵浦合束器12的信號纖為同一光纖製作而成，並且纖徑、數值孔徑參數與第一增益光纖51一致。
總信號光纖長度小於1m；所述的第二光纖光柵21為高功率低反射率光纖，對雷射中心波長的反射率為5－20％，能承受2kw以上雷射功率；所述的第二泵浦合束器22，為(n+1)×1型反向泵浦合束器，對泵浦光的功率透過率大於90％；所述的第二泵浦合束器22的多個泵浦臂都為封裝好的可直接對半導體雷射器進行插拔式連接，每個泵浦臂能承受高於200w的泵浦光功率；所述的泵浦合束器23為(n+1)×1型正向泵浦合束器，對泵浦光的功率透過率大於92％；所述的泵浦合束器23的多個泵浦臂都為封裝好的可直接對半導體雷射器進行插拔式連接，每個泵浦臂能承受高於400w的泵浦光功率，其中4≤n≤10。
濾除諧振腔輸出的包層內泵浦光的能力大於400w；第二光纖光柵21、第二泵浦合束器22的信號纖、第三泵浦合束器23的信號纖和第一包層光濾除器24信號纖為同一光纖製作而成，並且纖徑參數與第二增益光纖52纖芯差異不超過15μm，數值孔徑參數一致。
從本發明的技術方案看，本發明的有益效果是：
該集成高功率全光纖雷射器具有結構緊湊比傳統全光纖雷射器更緊湊，可靠性高，易於集成，熔接點少，使用光纖長度短，非線性閾值高等優點。
該集成高功率全光纖器件可以實現模塊化拼裝，便於維護和組裝，與半導體雷射器通過插拔式連接，縮減商業化生產的時間成本。
附圖說明
圖1、本發明結構示意圖。
具體實施方式
一種集成高功率全光纖雷射器，其特徵在於，
第一全光纖器件1的左端與第一增益光纖51的上端通過第一熔點61相連接；
第一增益光纖51的下端與第二全光纖器件2的左端通過第二熔點62相連接；
第二全光纖器件2的右端與第二增益光纖52的上端通過第三熔點63相連接；
第二增益光纖52的下端與第三全光纖器件3的右端通過第四熔點64相連接；
第三全光纖器件3的左端與第三增益光纖53的右端通過第五熔點65相連接；
第三增益光纖53的左端與第四全光纖器件4的右端通過第六熔點66相連接。
所述的第一全光纖器件1，包括第一光纖光柵11和第一泵浦合束器12，以及第一泵浦合束器12的多個泵浦臂；
所述的第二全光纖器件2，包括第二光纖光柵21和第二泵浦合束器22，以及第二泵浦合束器22的多個泵浦臂；還包括第一包層光濾除器24、第三泵浦合束器23，以及第三泵浦合束器23的多個泵浦臂。
所述的第三全光纖器件3，包括第四泵浦合束器31，以及第四泵浦合束器31的多個泵浦臂；還包括第二包層光濾除器32。
所述的第四全光纖器件4，包括第三包層光濾除器41和端帽42。
所述的第一增益光纖51、第二增益光纖52、第三增益光纖53均為稀土摻雜雙包層光纖。
所述的第一全光纖器件1為一集成全光纖器件，總信號光纖長度小於0.5m；所述的第一光纖光柵11為高功率高反射光柵，對雷射中心波長的反射率大於97％，承受2kw以上的雷射功率；所述的第一泵浦合束器12為n×1型正向泵浦合束器，對泵浦光的功率透過率大於92％；所述的第一泵浦合束器12的多個泵浦臂都為封裝好的可直接對半導體雷射器進行插拔式連接，每個泵浦臂承受高於400w的泵浦光功率，其中4≤n≤20；
第一光纖光柵11和第一泵浦合束器12的信號纖為同一光纖製作而成，並且纖徑、數值孔徑參數與第一增益光纖51一致。
總信號光纖長度小於1m；所述的第二光纖光柵21為高功率低反射率光纖，對雷射中心波長的反射率為5－20％，能承受2kw以上雷射功率；所述的第二泵浦合束器22，為(n+1)×1型反向泵浦合束器，對泵浦光的功率透過率大於90％； 所述的第二泵浦合束器22的多個泵浦臂都為封裝好的可直接對半導體雷射器進行插拔式連接，每個泵浦臂能承受高於200w的泵浦光功率；所述的泵浦合束器23為(n+1)×1型正向泵浦合束器，對泵浦光的功率透過率大於92％；所述的泵浦合束器23的多個泵浦臂都為封裝好的可直接對半導體雷射器進行插拔式連接，每個泵浦臂能承受高於400w的泵浦光功率，其中4≤n≤10。
濾除諧振腔輸出的包層內泵浦光的能力大於400w；第二光纖光柵21、第二泵浦合束器22的信號纖、第三泵浦合束器23的信號纖和第一包層光濾除器24信號纖為同一光纖製作而成，並且纖徑參數與第二增益光纖52纖芯差異不超過15μm，數值孔徑參數一致。
結合附圖對本發明做如下詳細說明。本發明的集成全光纖雷射器的結構示意圖如圖1所示。其特徵在於採用高度集成的全光纖器件，使得整個光纖雷射系統中僅含有4個全光纖器件，3段增益光纖，熔點個數僅有6個，即可實現3kw以上雷射功率輸出。該集成高功率全光纖雷射器包括：全光纖器件1，增益光纖51，全光纖器件2，增益光纖52，全光纖器件3，增益光纖53，全光纖器件4，其中各全光纖器件與增益光纖之間通過熔點相互連接。
全光纖器件1，與增益光纖51一端通過熔點61相連接。全光纖器件1為一集成器件，其包括光纖光柵11；泵浦合束器12，以及泵浦合束器12的泵浦臂101，泵浦臂102，…泵浦臂10n。全光纖器件1總信號光纖長度小於0.5m。其中光纖光柵11為高功率高反射光柵，對雷射中心波長的反射率大於97％，可以承受2kw以上的雷射功率；泵浦合束器12為n×1型正向泵浦合束器，對泵浦光的功率透過率大於92％；泵浦合束器12的泵浦臂101，泵浦臂102，…泵浦臂10n都為封裝好的可直接對半導體雷射器進行插拔式連接，每個泵浦臂可以承受高於400w的泵浦光功率，總的承受功率大於8000w，n大於4小於20。光纖光柵11和泵浦合束器12的信號纖為同一光纖製作而成，並且纖徑，數值孔徑參數與增益光纖51一致。器件整體信號纖的纖徑可以為10/130μm，30/250μm，20/400μm，為無源傳能光纖，光柵光柵11的柵區，泵浦合束器12的合束拉錐區域都採用金屬封裝保護。
一增益光纖51，其另一端通過熔點62與全光纖器件2一端相連接，其為稀土摻雜雙包層光纖，纖徑參數與全光纖器件1的信號纖參數一致，纖徑可以為10/130μm，30/250μm，20/400μm等。增益光纖51的纖芯可以為摻鐿，銩等 雷射激活離子，高功率光纖雷射器中最常見的為摻鐿離子。
全光纖器件2，其另一端通過熔點63與增益光纖52一端相連接。其為集成的全光纖器件，包括光纖光柵21；泵浦合束器22，以及泵浦合束器21的泵浦臂201，泵浦臂202，…泵浦臂20n；包層光濾除器24；泵浦合束器23，以及泵浦合束器23的泵浦臂211，泵浦臂212，…泵浦臂21n。總信號光纖長度小於1m。所述的光纖光柵21為高功率低反射率光纖，對雷射中心波長的反射率為5－20％，可以承受2kw以上雷射功率；泵浦合束器22，為(n+1)×1型反向泵浦合束器，對泵浦光的功率透過率大於90％；泵浦合束器21的泵浦臂201，泵浦臂202，…泵浦臂20n都為封裝好的可直接對半導體雷射器進行插拔式連接，每個泵浦臂可以承受高於200w的泵浦光功率，總的承受功率大於4000w，n大於4小於10；所述的泵浦合束器23為(n+1)×1型正向泵浦合束器，對泵浦光的功率透過率大於92％；所述的泵浦合束器23的泵浦臂211，泵浦臂212，…泵浦臂21n都為封裝好的可直接對半導體雷射器進行插拔式連接，每個泵浦臂可以承受高於400w的泵浦光功率，總的承受功率大於4000w，n大於4小於10。所述的包層光濾除器24，可以濾除諧振腔輸出的包層內泵浦光，濾除能力大於400w；光纖光柵21，泵浦合束器22的信號纖，泵浦合束器23的信號纖和包層光濾除器24信號纖為同一光纖製作而成，並且纖徑參數與增益光纖52纖芯差異不超過15μm，數值孔徑參數一致。
增益光纖52，其另一端通過熔點64與全光纖器件3一端相連接。其為稀土摻雜雙包層摻雜光纖，纖徑參數與全光纖器件2的信號纖纖芯直徑可以有不超過15μm的差異，纖徑可以為，30/250μm，20/400μm，25/400μm，30/400μm等。增益光纖52的纖芯可以為摻鐿，銩等雷射激活離子。
全光纖器件3，其另一端與增益光纖53通過熔點65相連接。其為集成全光纖器件包括泵浦合束器31，以及泵浦合束器31的泵浦臂301，泵浦臂302，…泵浦臂30n；包層光濾除器32。其中泵浦合束器31為(n+1)×1型正向泵浦合束器，對泵浦光的功率透過率大於92％；泵浦合束器31的泵浦臂301，泵浦臂302，…泵浦臂30n；包層光濾除器32都為封裝好的可直接對半導體雷射器進行插拔式連接，每個泵浦臂可以承受高於400w的泵浦光功率，n大於4小於10。包層光濾除器32為濾除第一級放大器輸出的包層內傳輸的光，濾除能力大於600w。
一增益光纖53，其另一端與全光纖器件4的一端通過熔點66相連接。其為 稀土摻雜雙包層增益光纖。與光纖器件3的信號纖纖芯直徑可以有不超過15μm的差異，纖徑可以為，30/250μm，20/400μm，25/400μm，30/400μm等。增益光纖53的纖芯可以為摻鐿，銩等雷射激活離子。
全光纖器件4，通過熔點66與增益光纖53相連接，其另一端為雷射輸出端。為一集成輸出裝置，總光纖長度小於0.5m。所述的包層光濾除器41為濾除第二級放大器的包層光，濾除能力大於800w；端帽42為雷射的輸出端，輸出端面鍍有雷射波長的高增透膜，同時也是雷射光束的擴束裝置，其可以承受的雷射功率大於10kw。
本發明提供一種集成度高，熔點少的高功率全光纖雷射器。採用集成度高的全光纖器件，可以省去各分立全光纖器件之間熔點，縮減光纖雷射器的整體光纖長度，提高高功率光纖雷射器的非線性閾值以及光纖雷射器的整體集成度。與半導體雷射器之間實現插拔式連接，將高功率光纖雷射器實現模塊化組裝。
一種集成高功率全光纖雷射器，其特徵在於採用高度集成的全光纖器件，整個高功率全光纖雷射器系統中僅含有4個全光纖器件，3段增益光纖，熔點個數僅有6個，可以實現3kw以上雷射功率輸出。全光纖雷射器的示意圖如圖1所示，其結構包括：
一全光纖器件1，與增益光纖51一端通過熔點61相連接；
一增益光纖51，其另一端通過熔點62與全光纖器件2一端相連接；
一全光纖器件2，其另一端通過熔點63與增益光纖52一端相連接；
一增益光纖52，其另一端通過熔點64與全光纖器件3一端相連接；
一全光纖器件3，其另一端與增益光纖53通過熔點65相連接；
一增益光纖53，其另一端與全光纖器件4的一端通過熔點66相連接；
一全光纖器件4，其另一端為雷射輸出端。
所述的全光纖器件1，包括光纖光柵11；泵浦合束器12，以及泵浦合束器12的泵浦臂101，泵浦臂102，…泵浦臂10n。
所述的增益光纖51，為稀土摻雜雙包層光纖。
所述的全光纖器件2為集成的全光纖器件，包括光纖光柵21；泵浦合束器22，以及泵浦合束器21的泵浦臂201，泵浦臂202，…泵浦臂20n；包層光濾除器24；泵浦合束器23，以及泵浦合束器23的泵浦臂211，泵浦臂212，…泵浦 臂21n。
所述的增益光纖52，為稀土摻雜雙包層光纖。
所述的全光纖器件3包括泵浦合束器31，以及泵浦合束器31的泵浦臂301，泵浦臂302，…泵浦臂30n；包層光濾除器32。
所述的增益光纖53，為稀土摻雜雙包層光纖。
所述的全光纖器件4包括包層光濾除器41，端帽42。
所述的全光纖器件1為一集成全光纖器件，總信號光纖長度小於0.5m。所述的光纖光柵11為高功率高反射光柵，對雷射中心波長的反射率大於97％，可以承受2kw以上的雷射功率；所述的泵浦合束器12為n×1型正向泵浦合束器，對泵浦光的功率透過率大於92％；所述的泵浦合束器12的泵浦臂101，泵浦臂102，…泵浦臂10n都為封裝好的可直接對半導體雷射器進行插拔式連接，每個泵浦臂可以承受高於400w的泵浦光功率，其中4≤n≤20。光纖光柵11和泵浦合束器12的信號纖為同一光纖製作而成，並且纖徑，數值孔徑參數與增益光纖51一致。
所述的全光纖器件2為一集成器件，總信號光纖長度小於1m。所述的光纖光柵21為高功率低反射率光纖，對雷射中心波長的反射率為5－20％，可以承受2kw以上雷射功率；所述的泵浦合束器22，為(n+1)×1型反向泵浦合束器，對泵浦光的功率透過率大於90％；所述的泵浦合束器22的泵浦臂201，泵浦臂202，…泵浦臂20n都為封裝好的可直接對半導體雷射器進行插拔式連接，每個泵浦臂可以承受高於200w的泵浦光功率；所述的泵浦合束器23為(n+1)×1型正向泵浦合束器，對泵浦光的功率透過率大於92％；所述的泵浦合束器23的泵浦臂211，泵浦臂212，…泵浦臂21n都為封裝好的可直接對半導體雷射器進行插拔式連接，每個泵浦臂可以承受高於400w的泵浦光功率，其中4≤n≤10。所述的包層光濾除器24，可以濾除諧振腔輸出的包層內泵浦光，濾除能力大於400w；光纖光柵21，泵浦合束器22的信號纖，泵浦合束器23的信號纖和包層光濾除器24信號纖為同一光纖製作而成，並且纖徑參數與增益光纖52纖芯差異不超過15μm，數值孔徑參數一致。
所述的全光纖器件3為集成器件。所述的泵浦合束器31為(n+1)×1型正向泵浦合束器，對泵浦光的功率透過率大於92％；泵浦合束器31的泵浦臂301，泵浦臂302，…泵浦臂30n；包層光濾除器32都為封裝好的可直接對半導體雷射器進行插拔式連接，每個泵浦臂可以承受高於400w的泵浦光功率，其中4≤n ≤10。包層光濾除器32為濾除第一級放大器輸出的包層內傳輸的光，濾除能力大於600w。
所述的全光纖器件4為一集成輸出裝置，總光纖長度小於0.5m。所述的包層光濾除器41為濾除第二級放大器的包層光，濾除能力大於800w；端帽42為雷射的輸出端，輸出端面鍍有雷射波長的高增透膜，同時也是雷射光束的擴束裝置，其可以承受的雷射功率大於10kw。
本發明公開一種集成高功率全光纖雷射器，熔點個數少，集成度高，可以實現模塊化連接。並提高了非線性效應的閾值，一定程度上降低了千瓦級全光纖雷射器的非線性效應。採用一體化全光纖器件，從整體上保證了光纖器件的一致性，可以提高高功率光纖雷射器的穩定性。
採用高度集成一致的各種全光纖器件，其功能與分立的全光纖器件一致，但是集成度高，在同一根光纖上製備，一致性好，而且省去了中間熔點，縮減了光纖長度，同時也提高了全光纖器件的損傷閾值，減少了各全光纖器件之間的熔接損耗。並且一個集成的全光纖器件可以使用一個冷卻保護裝置，使得整個系統的冷卻裝置高效率集成，縮減高功率光纖雷射器的體積。
本發明的主要核心器件是集成度高的全光纖器件，其中全光纖器件1集諧振腔的高反光纖光柵11和諧振腔的正向泵浦合束器12兩者功能於一體，同時泵浦合束器12的各個泵浦臂(101－10n)都採用封裝好的接頭，可與高功率半導體雷射器直接插拔式連接，省去泵浦臂與半導體雷射器輸出尾纖之間的多個熔點；全光纖器件2實現諧振腔與第一級放大級之間所需的所有分立器件的功能，集諧振腔的低反光纖光柵21，諧振腔的反向泵浦合束器22，諧振腔輸出雷射的包層光濾除器24以及第一級放大器的正向泵浦合束器23的功能於一體，可省去三個熔點，可縮減光纖長度大於5米；全光纖器件3集第一級放大輸出光的包層光濾除器32和第二級放大器的正向泵浦合束器31功能於一體；全光纖器件4集第二級放大輸出光的包層光濾除器41和輸出端帽42。各核心器件之間通過三段增益光纖連接即可實現本發明的集成高功率全光纖雷射器。
以上所述的具體實施方法，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。此外，上述對各元件和方法 的定義並不僅限於實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換，例如：將本發明中的集成全光纖器件的位置簡單更替，都在本發明的保護範圍之內。