一种密集光纤阵列光谱合束装置的制作方法

文档序号：16726097发布日期：2019-01-25 16:59阅读：250来源：国知局

本实用新型涉及一种密集光纤阵列光谱合束装置，属于光纤激光技术领域，特别涉及高亮度光纤激光合束、工业加工等应用领域。

背景技术：

高亮度光纤激光器在工业、医疗、国防等领域具有广泛应用前景。受非线性效应、模式不稳定效应等物理因素和材料损伤特性的限制，单路单模激光器的输出功率始终有限。而利用光谱合束技术可在获得更高功率输出的同时可以保持良好的光束质量。近年来，光谱合束技术的发展使光纤激光的输出功率得到了迅速提升。2016年美国洛克希德马丁公司报道了96 路窄线宽光纤激光进行光谱合束，实现了功率30kW近衍射极限的高光束质量激光输出(在先技术Honea,Eric,et al."Advances in fiber laser spectral beam combining for power scaling." SPIE LASE 2016:97300Y)。2017年，该公司将光谱合束功率拓展至58kW。所以，密集光纤阵列光谱合束技术代表了当前高亮度光纤激光的重要发展趋势。

对于高亮度光纤激光在车载和舰载等机动平台上的应用，需要合束装置紧凑化和轻量化，这就要求相邻光纤间距Δx越小越好。然而单路光纤输出头需进行机械夹持和水冷，占用一定空间(个别情况还需考虑机械结构对光纤进行位置和角度调整)，所以相邻光纤间距Δx不能无限制缩小。

光谱合束技术主要分为单光栅和双光栅方案。对于单光栅方案，光纤阵列和光栅分别位于转换透镜的前后焦点处，组成2F光学系统。该方案的一个缺点是转换透镜的焦距很长，不利于光谱合束装置的紧凑化。在光栅参数和相邻光纤波长间隔确定的情况下，转换透镜焦距值f与光纤阵列中相邻光纤的间距Δx成正比，如下式所示：(Madasamy,et al. "Comparison of Spectral Beam Combining Approaches for High Power Fiber Laser Systems."SPIE Defense and Security Symposium International Society for Optics and Photonics, 2008:695207-695207-10)。其中f为透镜焦距，Δx为相邻光纤间距，d和θ分别为光栅常数和衍射角，Δλ为相邻光纤波长间隔。所以相邻光纤间距Δx缩小可以有效缩短转换透镜的焦距 f，从而实现装置的紧凑化。

在双光栅技术方案中，光纤阵列光束经过准直后打在光栅上，所以不需要转换透镜进行聚焦。合束装置的光程主要取决于两个光栅的间距L。如下式所示： (Madasamy,Pratheepan,et al."Comparison of Spectral Beam Combining Approaches for High Power Fiber Laser Systems."SPIE Defense and Security Symposium International Society for Optics and Photonics,2008:695207-695207-10，其中β为阵列光束到第一块光栅的入射角)。据上式可知L值正比于相邻光纤间距Δx。所以，无论对于单光栅和双光栅的紧凑化光谱合束，都需要尽量缩小相邻光纤间距Δx。

CN204103247U采用多个反射镜，多次折返光程的方案实现紧凑型的光谱合束。然而从根本上说，实现光源阵列紧密排列从而压缩系统光程是更加直接的紧凑化方案。如何有效实现光纤激光阵列的高占空比紧密排列，缩短合束装置的光程，成为发展紧凑化高功率光纤激光的一个技术难题。

半导体激光器的出射光束在快轴方向(垂直方向)和慢轴方向(水平方向)上，都具有发散角并且两个方向的发散角大小也不一样，所以为了使光束能尽可能成功地耦合进光纤中，就需要在光束的传播过程中，首先要恰当地减小出射光束的发散角，使出射光束变为近似的平行光束，以方便之后的光纤耦合，这就是所谓的准直，经过的透镜即为准直透镜。

由于大功率半导体激光器采用量子阱波导，输出光束快慢轴光场不对称是其最大弱点，并且由于波导结构的衍射效应，大功率半导体激光器出射光束的发散角大，在垂直于结平面的快轴方向为30°～40°(FwHM)，在平行于结平面的慢轴方向一般为8°～10°(FWHM)，这样大的发散角，限制了其在许多场合的应用，必须进行快慢轴的准直减小发散角，才能改善光束质量，目前常用的方法是对半导体激光束整形，将光束分割、旋转后重排可以通过选择光束分割数目使快慢轴光参积近似相等，聚焦后的光束比较容易耦合进光纤，但整形器结构复杂，功率损失较大，将半导体激光器应用于材料表面熔覆、相变硬化等场合，可以使用矩形焦斑，基于半导体激光堆栈的物理结构，将光束快、慢轴准直后聚焦于同一焦平面，即可得到矩形焦斑，这种方法结构简单、可靠性高、功率损失小，

由于两轴方向的发散角分布和光斑尺寸差别大，为了实现有效准直，快慢轴方向一般分别准直，如在快轴准直时，慢轴方向不受影响，因此所采取的准直透镜均为单向弯曲的柱透镜，分为快轴准直镜和慢轴准直镜。

半导体激光快轴方向发散角大，出光尺寸小，快轴准直镜一般为短焦距、高数值孔径的高阶非球面柱透镜，可将快轴方向发散角压缩到mrad量级。半导体激光器慢轴方向的光斑尺寸和发散角分布正好与快轴方向相反，该方向激光单元尺寸为数百微米，发散角小，采用普通球面柱透镜即可实现准直。

然而，在激光光谱合束系统中再增加快慢轴准直镜，会使得系统变得更加臃肿、庞大，限制了其应用。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于设计一种密集光纤光谱合束装置，该装置采用缩束准直光学系统实现光纤阵列的密集排布，可以缩短合束装置的光程，实现紧凑化光谱合束，并且可以同时实现激光的快慢轴准直。

一种密集光纤阵列光谱合束装置，所述装置包括光纤阵列、缩束光学系统、转换透镜和光栅。

所述的缩束光学系统由第一光学元件和第二光学元件组成，所述的第一光学元件为慢轴准直镜，所述的第二光学元件为快轴准直镜。

所述第一光学元件焦距为f1，第二光学元件焦距为f2，转换透镜的焦距为f，且f>f1>f2，且满足其中θ为光栅衍射角，Δx为光栅间距，d为光栅常数，Δλ为光栅间隔。

所述第一光学元件位于所述的光纤阵列后f1处，所述的第二光学元件位于所述的第一光学元件后f1+f2处，所述的转换透镜位于所述第二光学元件后f2+f处，所述的光栅位于所述转换透镜后f处。

所述的光纤阵列由2根以上数量的光纤组成，所述的光纤阵列中所有光纤平行排列，间距相等。

所述的光纤阵列的每根光纤输出头部位均熔接石英端帽。

所述第一光学元件(21)和第二光学元件(22)都为平-凸非球面透镜，所述的第一光学元件 (21)的焦距为f1>20mm，所述的第二光学元件(22)的焦距f2<5000mm。

所述的缩束光学系统中的第一光学元件、第二光学元件以及所述的转换透镜都对所用光纤激光透过率>90％。

所述的缩束光学系统中的第一光学元件、第二光学元件以及所述的转换透镜双面镀有针对所用光纤激光对应波段的增透膜。

所述的光栅为一个光栅。

所述的光栅为多层介质膜光栅，对所用激光衍射效率>90％。

所述第一光学元件和第二光学元件也可以都为棱镜，所述第一光学元件和所述第二光学元件呈消色散结构，即所述第一光学元件和所述第二光学元件的顶角上下颠倒放置，所述的转换透镜位于所述第二光学元件后f处，所述的光栅位于所述转换透镜后f处

所述的光纤阵列发出的光纤激光，依次通过所述的缩束光学系统和所述的转换透镜，在所述的光栅上进行光谱合束。

所述的光纤阵列发出的光纤激光，依次通过所述第一光学元件和第二光学元件，在所述的光栅上进行光谱合束。

所述的缩束准直光学系统的作用是把所述光纤阵列的间距及整体尺寸按比例缩小，同时进行激光的快慢轴准直。

附图说明

图1示出了本实用新型的双透镜缩束单光栅光谱合束系统示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。

实施例一

图1示出了根据本实用新型的一个实施例的光路示意图。1为光纤阵列，2为缩束光学系统，3为转换透镜，4为光栅。

缩束光学系统(2)由第一光学元件(21)和第二光学元件(22)组成。

光纤阵列(1)发出光纤激光，依次通过所述的缩束光学系统(2)和转换透镜(3)，在所述的光栅(4)上进行光谱合束。光纤激光依次通过第一光学元件(21)和第二光学元件(22)。

缩束光学系统(2)把光纤阵列的间距及整体尺寸按比例缩小。

第一光学元件(21)和第二光学元件(22)均为透镜，第一光学元件(21)为长焦距慢轴准直镜，焦距为f1，第二光学元件(22)为短焦距快轴准直镜，焦距为f2，转换透镜(3)的焦距为f，满足f>f1>f2。

第一光学元件(21)位于光纤阵列(1)后f1处，第二光学元件(22)位于第一光学元件(21)后 f1+f2处。转换透镜(3)位于第二光学元件(22)后f2+f处，光栅(4)位于转换透镜(3)后f处。

光纤阵列(1)由2根以上数量的光纤组成，每根光纤输出头部位均熔接石英端帽。光纤阵列中所有光纤平行排列，间距相等。

光栅(4)是一个光栅，为多层介质膜光栅对所用激光衍射效率>90％。

实施例二

实施例二为本实用新型的一种具体应用，各元件位置按照实施例一放置。

采用光栅(4)的衍射角θ＝30.8°，光栅常数d＝1.04μm，光栅间距为Δx＝5mm，波长间隔 Δλ＝2nm。

采用第一光学元件(21)为长焦距慢轴准直镜，第二光学元件(22)为短焦距快轴准直镜，均为平-凸非球面透镜，焦距分别为f1＝100mm和f2＝10mm。

采用本实用新型的技术方案，其第一光学元件(21)和第二光学元件(22)组成10倍缩束，则转换透镜(3)焦距装置的总光程为 L＝2f1+2f2+2f＝756.8mm。

作为对比，我们计算采用在先技术，即不采用缩束光学系统(2)的情况。

不采用缩束光学系统(2)的情况下，光纤阵列(1)和光栅(4)分别位于转换透镜的前后焦点处，组成2F光学系统。这时转换透镜(3)焦距装置的总光程 L'＝2f'＝5368mm。采用本实用新型的技术方案，添加缩束光学系统，同时还能对激光进行快慢轴准直，可以使装置的总光程缩减为在先技术总光程的14％。

实施例三

本实施例中，各元件位置按照实施例一放置，各元件参数如实施例二。即光栅(4)的衍射角θ＝30.8°，光栅常数d＝1.04μm，光栅间距为5mm，波长间隔λ＝2nm；第一光学元件(21) 为长焦距慢轴准直镜，第二光学元件(22)为短焦距快轴准直镜，均为平-凸非球面透镜，焦距分别为f1＝100mm和f2＝10mm，转换透镜(3)的焦距为

第一光学元件(21)位于光纤阵列(1)后f1＝100mm处，第二光学元件(22)位于第一光学元件(21)后f1+f2＝110mm处；转换透镜(3)位于第二光学元件(22)后f2+f＝278.4mm处，光栅(4)位于转换透镜(3)后f＝268.4mm处。