光纤隔离器及光纤激光器的制作方法

本发明实施例公开的技术方案涉及激光器技术领域，尤其涉及光纤隔离器及光纤激光器。

背景技术：

目前，光纤激光器的功率越来越大，在军事、医疗、工业制造等领域有着广泛的应用。

由磁旋光晶体和磁体组成的隔离器芯对温度比较敏感。当环境温度改变时，所述磁旋光晶体的旋光角度也会发生变化，导致所述光纤隔离器对反向光的隔离度降低，并削弱了正向光的传输效率。

发明人在研究本发明的过程中发现，现有技术中主要通过维持磁旋光晶体的旋光角度来避免光纤隔离器的隔离度降低。例如，给隔离器芯恒温加热、改变磁旋光晶体所处的磁场强度等。给隔离器芯恒温加热，光纤隔离器需要额外配置加热装置和温控装置，这会导致光纤隔离器结构复杂使用不便，而且长时间给隔离器芯恒温加热会出现高温退磁现象，使得光纤隔离器的性能降低。改变磁旋光晶体所处的磁场强度，光纤隔离器需要额外配置磁场强度控制装置，这同样会导致光纤隔离器结构复杂使用不便，而且磁场强度控制装置主要用于大幅度调节磁旋光晶体的旋光角度，对因环境温度改变引起的旋光角度的细微变化，调节的灵敏度偏低。

技术实现要素：

本发明公开的技术方案至少能够解决以下技术问题：如何对光纤隔离器进行简单的调节，使得所述光纤隔离器的隔离度不会因磁旋光晶体的旋光角度发生变化而降低。

本发明的一个或者多个实施例公开了一种光纤隔离器，包括：一个或者多个光束隔离结构、耦合准直器、传能光纤以及输出准直器；其中，所述传能光纤连接所述耦合准直器和所述输出准直器；所述光束隔离结构包括：光阑、第一分束器、磁旋光晶体、磁体、半波片、固定器以及第二分束器；其中，所述光阑的通光孔中心与所述第一分束器、磁旋光晶体、半波片以及第二分束器的中心轴处在同一条直线上；所述第一分束器的光轴方向与所述第二分束器的光轴方向互相垂直；所述磁旋光晶体位于所述磁体的磁场区域内；所述固定器带动所述半波片转动，以调节所述半波片的旋光角度。

在本发明的一个或者多个实施例中，所述光纤隔离器还包括扩束负透镜和准直正透镜；通过一个或者多个所述光束隔离结构的正向光由所述耦合准直器耦合至所述传能光纤，然后由所述输出准直器以正向准直光的形式输出至所述扩束负透镜；所述正向准直光由所述扩束负透镜进行扩束，然后由所述准直正透镜会聚后输出。

在本发明的一个或者多个实施例中，正向光从所述光阑的通光孔入射至所述第一分束器；所述第一分束器将每一束正向光分束成偏振方向互相垂直的e偏振光(extraordinarylight)和o偏振光(ordinarylight)；所述e偏振光和所述o偏振光通过所述磁旋光晶体与所述半波片后，偏振方向旋转90度；此时，相对于所述第二分束器，所述e偏振光和所述o偏振光的偏振态不改变，因而所述第二分束器将所述e偏振光和所述o偏振光合成为一束正向光。

反向光从所述耦合准直器入射至所述第二分束器；所述第二分束器将每一束反向光分束成偏振方向互相垂直的e偏振光和o偏振光；所述e偏振光和所述o偏振光通过所述半波片与所述磁旋光晶体后，偏振方向旋转0度；此时，相对于所述第一分束器，所述e偏振光和所述o偏振光的偏振态互换，因而所述第一分束器将所述e偏振光和所述o偏振光发散出去。

在本发明的一个或者多个实施例中，所述第一分束器将每一束正向光分束成偏振方向互相垂直的e偏振光和o偏振光后，所述e偏振光和所述o偏振光入射至所述磁旋光晶体；在所述磁体的磁场作用下，所述磁旋光晶体将所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向正向旋转45度；然后，所述e偏振光和所述o偏振光入射至所述半波片，所述半波片将所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向再次正向旋转45度。

所述第二分束器将每一束反向光分束成偏振方向互相垂直的e偏振光和o偏振光后，所述半波片将所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向反向旋转45度；然后，所述e偏振光和所述o偏振光入射至所述磁旋光晶体，所述磁旋光晶体将所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向正向旋转45度。

在本发明的一个或者多个实施例中，所述半波片与所述固定器同轴转动；转动所述固定器将改变所述半波片的旋光角度。

在本发明的一个或者多个实施例中，所述固定器上标有多条刻度线；不同的刻度线对应不同温度下所述半波片的旋光角度。

在本发明的一个或者多个实施例中，所述磁体环绕所述磁旋光晶体，或者所述磁体位于所述磁旋光晶体的一侧，或者所述磁体位于所述磁旋光晶体的两侧。

在本发明的一个或者多个实施例中，所述光阑上设置有反射镜，用于反射从所述第一分束器发散出来的所述e偏振光和所述o偏振光。

在本发明的一个或者多个实施例中，所述光阑的通光孔的直径大于正向光的光斑直径，小于从所述第一分束器发散出来的所述e偏振光和所述o偏振光内侧边缘的间距。

本发明的一个或者多个实施例还公开了一种光纤激光器，包括至少一个光纤隔离器。所述光纤隔离器为上述任意一种光纤隔离器。

与现有技术相比，本发明公开的技术方案主要有以下有益效果：

在本发明的实施例中，当磁旋光晶体的旋光角度发生变化时，可以通过所述固定器带动所述半波片转动，调节所述半波片的旋光角度，使得所述半波片的旋光角度与所述磁旋光晶体的旋光角度数值相等而方向相反。因而反向入射的e偏振光和o偏振光通过所述半波片和所述磁旋光晶体后，偏振方向仍然旋转0度。此时，所述光纤隔离器的隔离度不会因磁旋光晶体的旋光角度发生变化而降低。对于正向光而言，在所述磁旋光晶体的旋光角度和所述半波片的旋光角度都改变后，从所述半波片出射的e偏振光和o偏振光的偏振态将发生改变。因而从所述第二分束器出射的正向光的光斑椭圆度会有小幅度的减小。通过所述传能光纤对正向光的光斑进行整形有利于在所述磁旋光晶体的旋光角度和所述半波片的旋光角度都改变后保证正向准直光的质量。

附图说明

图1为本发明的一实施例中光纤隔离器的示意图；

图2为本发明的另一实施例中光纤隔离器的示意图；

图3为本发明的又一实施例中光纤隔离器的示意图；

图4为本发明的又一实施例中光纤隔离器的示意图；

图5为本发明的一实施例中光阑的位置示意图；

图6为本发明的一实施例中半波片和固定器的示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本申请的权利要求书、说明书以及说明书附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。“正向旋转”中的“正向”和“反向旋转”中的“反向”是相对的。当指定一个旋转方向为正向时，与之相反的旋转方向则为反向。例如，指定顺时针方向旋转为正向旋转，则逆时针方向旋转为反向旋转。

本发明的一实施例公开一种光纤隔离器，对请求保护的技术方案进行说明。具体实施方式中涉及到的光纤隔离器只是较佳的实施例，并非本发明所有可能的实施例或者最佳的实施例。

参考图1，为本发明的一实施例中光纤隔离器的示意图。图1中示意的光纤隔离器包括：一个或者多个光束隔离结构1、耦合准直器108、传能光纤109以及输出准直器110。其中，所述传能光纤109连接所述耦合准直器108和所述输出准直器110。

所述光束隔离结构1包括：光阑101、第一分束器102、磁旋光晶体103、磁体104、半波片105、固定器106以及第二分束器107。其中，所述光阑101的通光孔中心与所述第一分束器102、磁旋光晶体103、半波片105以及第二分束器107的中心轴处在同一条直线上。所述第一分束器102的光轴方向与所述第二分束器107的光轴方向互相垂直。所述磁旋光晶体103位于所述磁体104的磁场区域内。所述固定器106带动所述半波片105转动，以调节所述半波片105的旋光角度。

正向光从所述光阑101的通光孔入射至所述第一分束器102。所述第一分束器12将每一束正向光分束成偏振方向互相垂直的e偏振光和o偏振光。所述e偏振光和所述o偏振光通过所述磁旋光晶体103与所述半波片105后，偏振方向旋转90度。此时，相对于所述第二分束器107，所述e偏振光和所述o偏振光的偏振态不改变，因而所述第二分束器107将所述e偏振光和所述o偏振光合成为一束正向光。

反向光从所述耦合准直器108入射至所述第二分束器107。所述第二分束器107将每一束反向光分束成偏振方向互相垂直的e偏振光和o偏振光。所述e偏振光和所述o偏振光通过所述半波片105与所述磁旋光晶体103后，偏振方向旋转0度。此时，相对于所述第一分束器102，所述e偏振光和所述o偏振光的偏振态互换，因而所述第一分束器102将所述e偏振光和所述o偏振光发散出去。

在本发明的上述实施例中，当磁旋光晶体103的旋光角度发生变化时，可以通过所述固定器106带动所述半波片105转动，调节所述半波片105的旋光角度，使得所述半波片105的旋光角度与所述磁旋光晶体103的旋光角度数值相等而方向相反。因而反向入射的e偏振光和o偏振光通过所述半波片105和所述磁旋光晶体103后，偏振方向仍然旋转0度。此时，所述光纤隔离器的隔离度不会因磁旋光晶体103的旋光角度发生变化而降低。

参考图2，为本发明的另一实施例中光纤隔离器的示意图。图2中示意的光纤隔离器包括：第一光束隔离结构1、耦合准直器108、传能光纤109、输出准直器110、扩束负透镜111以及准直正透镜112。所述第一光束隔离结构1包括：光阑101、第一分束器102、磁旋光晶体103、磁体104、半波片105、固定器106以及第二分束器107。其中，所述传能光纤109连接所述耦合准直器108和所述输出准直器110。所述光阑101的通光孔中心与所述第一分束器102、磁旋光晶体103、半波片105以及第二分束器107的中心轴处在同一条直线上。所述第一分束器102的光轴方向与所述第二分束器107的光轴方向互相垂直。所述磁旋光晶体103位于所述磁体104的磁场区域内。具体的，所述磁体104环绕所述磁旋光晶体103，或者所述磁体104位于所述磁旋光晶体103的一侧，或者所述磁体104位于所述磁旋光晶体103的两侧。所述固定器106带动所述半波片105转动，以调节所述半波片105的旋光角度。

上述实施例中的光纤隔离器还可以进一步改进成双隔离结构的光纤隔离器。参考图3，为本发明的又一实施例中光纤隔离器的示意图。图3中示意的光纤隔离器在所述第一光束隔离结构1与所述耦合准直器108之间还设置有第二光束隔离结构2。所述第二光束隔离结构2与所述第一光束隔离结构1的构造相同。

所述第一分束器102将每一束正向光分束成偏振方向互相垂直的e偏振光和o偏振光后，所述e偏振光和所述o偏振光入射至所述磁旋光晶体103。在所述磁体104的磁场作用下，所述磁旋光晶体103将所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向正向旋转45度。然后，所述e偏振光和所述o偏振光入射至所述半波片105，所述半波片105将所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向再次正向旋转45度。所述第二光束隔离结构2将通过所述半波片105的所述e偏振光和所述o偏振光合束成一束正向光。正向光通过所述第一光束隔离结构1后，进入到所述第二光束隔离结构2。正向光在所述第二光束隔离结构2中偏振态的变化与在所述第一光束隔离结构1中相同。通过所述第一光束隔离结构1和所述第二光束隔离结构2的正向光由所述耦合准直器108耦合至所述传能光纤109，然后由所述输出准直器110以正向准直光的形式输出至所述扩束负透镜111。所述正向准直光由所述扩束负透镜111进行扩束，然后由所述准直正透镜112会聚后输出。

所述第二分束器107将每一束反向光分束成偏振方向互相垂直的e偏振光和o偏振光后，所述半波片105将所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向反向旋转45度。然后，所述e偏振光和所述o偏振光入射至所述磁旋光晶体103，所述磁旋光晶体103将所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向正向旋转45度。所述第一分束器102将通过所述磁旋光晶体103的所述e偏振光和所述o偏振光发散出去。当所述第二光束隔离结构2发散出来的反向光进入到所述第一光束隔离结构1时，所述第一光束隔离结构1将进一步发散反向光。所述第二光束隔离结构2与所述第一光束隔离结构1组成双级隔离结构，增强了所述光纤隔离器的隔离度。

在一种或多种较佳的实施方式中，还可以进一步改进上述实施例中的光纤隔离器。参考图4，为本发明的又一实施例中光纤隔离器的示意图。图4中示意的光纤隔离器在图2中示意的光纤隔离器的基础上还设置有第三光束隔离结构3和多纤准直器结构4。多束正向光从所述多纤准直器结构4入射，通过所述第三光束隔离结构3和所述第一光束隔离结构1后由所述耦合准直器108耦合至所述传能光纤109。

所述第三光束隔离结构3包括：第三分束器301、第二磁旋光晶体302、第二磁体303、第二半波片304、第二固定器305以及第四分束器306。

其中，所述第三分束器301将每一束正向光分束为偏振方向互相垂直的e偏振光和o偏振光。所述e偏振光和所述o偏振光入射至所述第二磁旋光晶体302内，在所述第二磁体303的磁场作用下，所述第二磁旋光晶体302将所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向正向旋转45度。所述e偏振光和所述o偏振光入射至所述第二半波片304，所述第二半波片304将所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向再次正向旋转45度，此时所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向正向旋转了90度。

所述e偏振光和所述o偏振光入射至所述第四分束器306，由于所述第四分束器306的光轴方向与所述第三分束器301的光轴方向互相垂直，因此对于所述第四分束器306而言所述e偏振光的偏振态和所述o偏振光的偏振态没有变化，所述第四分束器将所述e偏振光和所述o偏振光合成为一束正向光。

所述第四分束器306将由反向光扩束后得到的每一束反向准直光转化成偏振方向互相垂直的e偏振光和o偏振光。所述e偏振光和所述o偏振光入射至所述第二半波片304，所述第二半波片304将所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向反向旋转45度。所述e偏振光和所述o偏振光入射至所述第二磁旋光晶体302内，在所述第二磁体303的磁场作用下，所述第二磁旋光晶体302将所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向正向旋转45度。此时所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向旋转了0度。所述e偏振光和所述o偏振光入射至所述第三分束器301，由于所述第四分束器306的光轴方向与所述第三分束器301的光轴方向互相垂直，因此对于所述第三分束器301而言所述e偏振光的偏振态和所述o偏振光的偏振态互换，所述第三分束器301将所述e偏振光和所述o偏振光发散出去。

在一种或多种较佳的实施方式中，所述多纤准直器结构4中镀有一层或者多层用于提高所述多纤准直器结构4的损伤阈值的增透膜。通常，所述增透膜自身的损伤阈值应当大于15j/cm²。所述多纤准直器结构4包括光纤阵列和准直透镜阵列。所述光纤阵列的出射端面和/或所述准直透镜阵列的入射端面镀有一层或者多层所述增透膜。所述光纤阵列与所述准直透镜阵列以空间耦合的方式或者熔接的方式固定在一起。熔接所述光纤阵列与所述准直透镜阵列的方式包括放电熔接、激光熔接等。

在一种或多种较佳的实施方式中，所述多纤准直器结构4包括光纤阵列和准直柱透镜/非球面准直透镜。所述光纤阵列的出射端面和/或所述准直柱透镜/非球面准直透镜的入射端面镀有一层或者多层用于提高损伤阈值的增透膜。所述光纤阵列与所述准直柱透镜/非球面准直透镜以空间耦合的方式或者熔接的方式固定在一起。熔接所述光纤阵列与所述准直柱透镜/非球面准直透镜的方式包括放电熔接、激光熔接等。

在一种或多种较佳的实施方式中，所述多纤准直器结构4包括固定在一起的n个单纤准直器，n为大于等于2的整数。所述n个单纤准直器的光纤的出射端面和/或所述n个单纤准直器的准直透镜的入射端面镀有一层或者多层用于提高损伤阈值的增透膜。

上述实施例中的多纤准直器结构4中镀有一层或者多层用于提高损伤阈值的增透膜，能够大幅度提高所述光纤隔离器的损伤阈值，避免所述光纤隔离器在出光过程中烧毁。此外，所述多纤准直器结构4将激光分为多束正向光入射至所述光束隔离结构3和所述第一光束隔离结构1，因此入射至所述光束隔离结构3和所述第一光束隔离结构1的每一束正向光的能量密度降低。所述光束隔离结构3和所述第一光束隔离结构1将每一束正向光转化成偏振方向互相垂直的e偏振光和o偏振光，最后又将所述e偏振光和所述o偏振光合成为一束正向光，因而所述光束隔离结构3和所述第一光束隔离结构1平分了每一束正向光在各个光学界面上的能量密度，降低了热累积和热透镜效应。所述光束隔离结构3和所述第一光束隔离结构1将由反向光扩束后得到的每一束反向准直光转化成偏振方向互相垂直的e偏振光和o偏振光，最后将所述e偏振光和所述o偏振光发散出去。综上所述，上述实施例中的光纤隔离器通过提高损伤阈值以及对激光功率的承受阈值，有效避免了在出光过程中被激光烧毁，通过增强对反向光的隔离度有效提高了正向光的传输效率，使得所述光纤隔离器能够应用在功率更高的激光器中。

在一种或多种较佳的实施方式中，还可以进一步改进上述实施例中的光纤隔离器。参考图5，为本发明的一实施例中光阑101的位置示意图。所述光阑101的通光孔的直径x大于正向光的光斑直径y，小于从所述第一分束器102发散出来的所述e偏振光和所述o偏振光内侧边缘的间距z。因此，正向光可以全部通过所述光阑101的通光孔，而从所述第一分束器102发散出来的所述e偏振光和所述o偏振光则无法入射到所述光阑101的通光孔。所述光阑101可以起到隔离反向光的作用。

在一种或多种较佳的实施方式中，还可以进一步改进所述光阑101。例如，在所述光阑101上设置反射镜(未图示)，用于反射从所述第一分束器102发散出来的所述e偏振光和所述o偏振光。

在一种或多种较佳的实施方式中，还可以进一步改进上述实施例中的光纤隔离器。参考图6，为本发明的一实施例中半波片105和固定器106的示意图。所述半波片105与所述固定器106同轴转动。转动所述固定器106将改变所述半波片105的旋光角度。所述固定器106上标有多条刻度线。不同的刻度线对应不同温度下所述半波片105的旋光角度。如图6中示意的，所述固定器106上标有5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃以及45℃的刻度线。转动所述固定器106让某一温度的刻度线对准所述光纤隔离器上的基准线，所述半波片105的旋光角度将调整到对应的数值。为了精确调节所述半波片105的旋光角度，可以让所述固定器106转动一个较大的角度而所述半波片105转动一个较小的角度。

当所述光纤隔离器所处的环境温度改变时，所述磁旋光晶体103的旋光角度将会发生变化。通过转动所述半波片105，使得所述半波片105的旋光角度与所述磁旋光晶体103的旋光角度数值相等而旋转方向相反。因而反向入射的e偏振光和o偏振光通过所述半波片105和所述磁旋光晶体103后，偏振方向仍然旋转0度。对于所述第一分束器102而言，反向入射的e偏振光和o偏振光通过所述半波片105和所述磁旋光晶体103后偏振态将不会改变。因此，所述第一分束器102仍然可以将反向入射的e偏振光和o偏振光以最大的偏折角发散出去。也即，所述光纤隔离器仍然以最大隔离度隔离反向光。所述第二光束隔离结构2可以采用与所述第一光束隔离结构1相同的结构来调节所述第二光束隔离结构2的隔离度，起到对反向光双重隔离的作用。

对于正向光而言，在所述磁旋光晶体103的旋光角度和所述半波片105的旋光角度都改变后，从所述半波片105出射的e偏振光和o偏振光的偏振态将发生改变。因而从所述第二分束器107出射的正向光的光斑椭圆度会有小幅度的减小。例如，在25℃时，沿正向光的光路方向所述磁旋光晶体103的旋光角度为正向45度，所述半波片105的旋光角度也为正向45度。此时，所述光纤隔离器输出的正向光的光斑质量最佳。假定在某一温度时，沿正向光的光路方向所述磁旋光晶体103的旋光角度变为正向43度，为了让所述半波片105的旋光角度与所述磁旋光晶体103的旋光角度相等，可以让所述半波片105反向转动1度，使得所述半波片105的旋光角度变为正向43度。此时，通过所述第一光束隔离结构1的正向光的光斑椭圆度会少量降低，但仍然可以由所述耦合准直器108耦合至所述传能光纤109。而所述传能光纤109能够对正向光的光斑进行整形。一般而言，温度变化20℃，所述磁旋光晶体103的旋光角度变化4度±0.5度。调整所述半波片105的旋光角度，使得所述半波片105的旋光角度与所述磁旋光晶体103的旋光角度相等，所述光纤隔离器输出的激光的光斑椭圆度仍然在95％以上。因此通过转动所述半波片105调整所述半波片105的旋光角度，不仅可以保证所述第一光束隔离结构1对反向光的隔离度最大，而且所述光纤隔离器仍然能够输出较高质量的激光。

上述实施例中，所述光纤隔离器的隔离度与正向准直光的质量不会因磁旋光晶体103的旋光角度发生变化而降低。所述光纤隔离通过所述传能光纤109连接所述耦合准直器108和所述输出准直器110，而所述传能光纤109能够对正向光的光斑进行整形。因此最终从所述准直正透镜112出射的正向准直光仍然会是光斑椭圆度非常高的正向准直光。这有利于在所述磁旋光晶体103的旋光角度和所述半波片105的旋光角度都改变后保证正向准直光的质量。此外，所述光纤隔离器结构简单，使用方便。

结合上述实施例中的光纤隔离器，本发明的一实施例公开一种光纤激光器。所述光纤激光器包括至少一个光纤隔离器。所述光纤隔离器为上述实施例中的任意一种光纤隔离器。

最后应说明的是：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。