光纤激光器的制作方法

本发明涉及激光器的技术领域，特别涉及一种光纤激光器。

背景技术：

高功率光纤激光器在光束质量、体积、重量、效率、散热等方面均具有明显优势，现已广泛应用于光纤通讯、激光空间远距离通讯、工业造船、汽车制造、激光切割、金属焊接、军事国防安全、生物医疗、大型基础建设等民用工业和军事领域，被称之为“第三代激光器”。尤其是在激光加工领域，受到越来越多的重视和研究。

然而非线性效应，高功率下模式的不稳定性限制了单模光纤激光器功率的进一步提升，尤其是当功率超过10kW后，很难保证有高光束质量，高亮度的输出。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种光纤激光器。

本发明实施方式的光纤激光器，包括：

多个激光放大器，每个所述激光放大器用于将激光源进行多级放大以输出功率经过多级放大的第一光信号；

整形装置，所述整形装置用于对多个所述第一光信号进行准直及整形变换以输出多个第二光信号；

光谱合成装置，所述光谱合成装置包括入射端透射光栅结构、波导片及出射端透射光栅结构，所述入射端透射光栅结构及出射端透射光栅结构分别设置在所述波导片相背的两侧，所述入射端透射光栅结构用于将所述多个第二光信号耦合进所述波导片，所述波导片用于传输所述多个第二光信号至所述出射端透射光栅结构，所述出射端透射光栅结构用于使经过所述波导片的所述多个第二光信号合成为一个第三光信号并使所述第三光信号垂直于所述出射端透射光栅结构输出。

本发明实施方式的光纤激光器通过对激光源进行放大、准直及整形以输入到光谱合成装置，如此，可以将功率较小的激光束放大至功率较大的激光束，并且光谱合成装置可将多个功率较大的激光束合成后输出，进而实现了光纤激光器的高亮度及高质量输出。

在某些实施方式中，每个所述激光放大器包括：

第一级预放大结构，所述第一级预放大结构包括第一后向泵浦结构，所述第一后向泵浦结构用于对所述激光源进行第一级放大以得到第一级激光源；

第二级预放大结构，所述第二级预放大结构包括第二后向泵浦结构，所述第二后向泵浦结构用于对所述第一级激光源进行第二级放大以得到第二级激光源；

第三级预放大结构，所述第三级预放大结构包括第三后向泵浦结构，所述第三后向泵浦结构用于对所述第二级激光源进行第三级放大以得到第三级激光源；

第四级主放大结构，所述第四级主放大结构包括第四后向泵浦结构，所述第四后向泵浦结构用于对所述第三级光源进行主放大以得到所述第一光信号。

在某些实施方式中，每个所述激光放大器还包括：

相位调制器，所述相位调制器用于对输入的光信号进行相位的调制。

在某些实施方式中，所述第一后向泵浦结构包括第一泵浦二极管、第一泵浦光信号反向合束器及第一增益光纤，所述第一增益光纤及所述第一泵浦光信号反向合束器沿所述第一光信号的光路设置，所述第一泵浦二极管连接所述第一泵浦光信号反向合束器；

所述第二后向泵浦结构包括第二泵浦二极管、第二泵浦光信号反向合束器及第二增益光纤，所述第二增益光纤及所述第二泵浦光信号反向合束器沿所述第一光信号的光路设置，所述第二泵浦二极管连接所述第二泵浦光信号反向合束器；

所述第三后向泵浦结构包括第三泵浦二极管、第三泵浦光信号反向合束器及第三增益光纤，所述第三增益光纤及所述第三泵浦光信号反向合束器沿所述第一光信号的光路设置，所述第三泵浦二极管连接所述第三泵浦光信号反向合束器；

所述第四后向泵浦结构包括第四泵浦二极管、第四泵浦光信号反向合束器及第四增益光纤，所述第四增益光纤及所述第四泵浦光信号反向合束器沿所述第一光信号的光路设置，所述第四泵浦二极管连接所述第四泵浦光信号反向合束器。

在某些实施方式中，所述第一级预放大结构包括设置在光路中的第一级隔离器，所述第二级预放大结构包括设置在所述光路中的第二级隔离器，所述第三级预放大结构包括设置在所述光路中的第三级隔离器。

在某些实施方式中，所述第一级预放大结构包括设置在光路中的第一级泵浦光剥离器，所述第二级预放大结构包括设置在所述光路中的第二级泵浦光剥离器，所述第三级预放大结构包括设置在所述光路中的第三级泵浦光剥离器，所述第四级主放大结构包括设置在所述光路中的第四级泵浦光剥离器。

在某些实施方式中，所述第一级预放大结构包括设置在光路中的第一级窄带滤波器，所述第二级预放大结构包括设置在所述光路中的第二级窄带滤波器，所述第三级预放大结构包括设置在所述光路中的第三级窄带滤波器。

在某些实施方式中，所述第三级预放大结构包括设置在光路中的Tap光纤耦合器，所述Tap光纤耦合器用于监测所述第四级主放大结构的反向受激布里渊散射效应功率。

在某些实施方式中，所述入射端透射光栅结构形成有入射端亚波长二元介质透射光栅，所述出射端透射光栅结构形成有出射端亚波长二元介质透射光栅。

在某些实施方式中，所述入射端透射光栅结构与所述出射端透射光栅结构错开设置。

在某些实施方式中，所述的光纤激光器包括水冷装置，所述水冷装置用于冷却所述光纤激光器。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点可以从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施方式的光纤激光器的结构原理示意图。

图2是本发明实施方式的激光放大器的结构示意图。

图3是本发明实施方式的入射端透射光栅结构的结构示意图。

图4是本发明实施方式的出射端透射光栅结构的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中，相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1，本发明实施方式的光纤激光器10包括多个激光放大器12、整形装置14及光谱合成装置16。每个激光放大器12用于将激光源进行多级放大以输出功率经过多级放大的第一光信号。整形装置14用于对多个第一光信号λ₁、…、λ_n进行准直及整形变换以输入第二光信号。光谱合成装置16包括入射端透射光栅结构162、波导片164及出射端透射光栅结构166。入射端透射光栅结构162及出射端透射光栅结构166分别设置在波导片14相背的两侧。入射端透射光栅结构162用于将多个第二光信号耦合进波导片14。波导片14用于传输多个第二光信号至出射端透射光栅结构166。出射端透射光栅结构166用于使经过波导片14的多个第二光信号合成为一个第三光信号λ_1,2,…,n并使第三光信号λ_1,2,…,n垂直于出射端透射光栅结构166输出。

本发明实施方式的光纤激光器通过对激光源进行放大、准直及整形以输入到光谱合成装置，如此，可以将功率较小的激光束放大至功率较大的激光束，并且光谱合成装置可将多个功率较大的激光束合成后输出，进而实现了光纤激光器的高亮度及高质量输出。

具体地，在每个激光放大器中，激光源可为kHz级的单频种子源,例如，kHz级的单频种子源可以是5kHz单频种子源，5kHz单频种子源通过激光放大器进行四级放大可输出千瓦级的光信号。

在一个例子中，波导片164可采用硅材料制成。

进一步地，整形装置14可以是整形透镜，也可以是衍射体光栅或其他光学整形元件。激光放大器12输出的第一光信号可能在传输及放大的过程中角度会发生偏移，整形装置14可以将角度发生偏移的第一光信号进行准直及整形变换以获取所需要的合适角度的光信号以输入到光谱合成装置16中。

请参阅图2，在某些实施方式中，激光放大器12包括第一级预放大结构122、第二级预放大结构124、第三级预放大结构126及第四级预放大结构128。

第一级预放大结构122包括第一后向泵浦结构1222，第一后向泵浦结构1222用于对激光源进行第一级放大以得到第一级激光源。第二级预放大结构124包括第二后向泵浦结构1242，第二后向泵浦结构1242用于对激光源进行第二级放大以得到第二级激光源。

第三级预放大结构126包括第三后向泵浦结构1262，第三后向泵浦结构1262用于对激光源进行第三级放大以得到第三级激光源。第四级预放大结构128包括第四后向泵浦结构1282，第四后向泵浦结构1282用于对激光源进行第四级放大以得到第四级激光源。

如此，通过对激光源的逐级放大，激光放大器12可以输出高功率的光信号，从而可以使低功率的激光源转化为高功率的光信号。

具体地，第一后向泵浦结构1222包括第一泵浦二极管12224、第一泵浦光信号反向合束器12226及第一增益光纤12228。第一增益光纤12228及第一泵浦光信号反向合束器12226沿第一光信号的光路设置，第一泵浦二极管12224连接第一泵浦光信号反向合束器12226。

例如，第一后向泵浦结构1222可以由一个2W锁波长的第一泵浦二极管12224、(1+1)×1的第一信号泵浦后向合束器12226及一段1.5米长的第一增益光纤12228组成，如此，当功率为几十毫瓦的种子源通过第一反向泵浦结构1222后功率可以放大到瓦级，从而可以实现光信号功率的第一级放大。

进一步地，第二后向泵浦结构1242包括第二泵浦二极管12424、第二泵浦光信号反向合束器12426及第二增益光纤12428。第二增益光纤12428及第二泵浦光信号反向合束器12426沿第一光信号的光路设置，第二泵浦二极管12424连接第二泵浦光信号反向合束器12426。

例如，第二后向泵浦结构1242可以由一个8W锁波长的第二泵浦二极管12424、(1+1)×1的第二信号泵浦后向合束器12426及一段5米长的第二增益光纤12428组成，如此，当功率为瓦级的光信号通过第二反向泵浦结构1242后可以放大到3-4瓦左右，从而可以实现光信号功率的第二级放大。

更进一步地，第三后向泵浦结构1226包括第三泵浦二极管12624、第三泵浦光信号反向合束器12626及第三增益光纤12628。第三增益光纤12628及第三泵浦光信号反向合束器12626沿第一光信号的光路设置，第三泵浦二极管12624连接第三泵浦光信号反向合束器12626。

例如，第三后向泵浦结构1262可以由两个30W锁波长的第三泵浦二极管12624、(2+1)×1的第三信号泵浦后向合束器12626及一段7米长的第三增益光纤12628组成，如此，第二级输出的功率为3-4瓦的光信号通过第三后向泵浦结构1262后功率可以放大到20瓦左右，从而可以实现光信号功率的第三级放大。

另外，第四后向泵浦结构1282包括第四泵浦二极管12824、第四泵浦光信号反向合束器12826及第四掺益光纤12828。第四增益光纤12828及第四泵浦光信号反向合束器12826沿第一光信号的光路设置，第四泵浦二极管12824连接第四泵浦光信号反向合束器12826。

例如，第四后向泵浦结构1282可以由六个300W锁波长的第四泵浦二极管12824、(6+1)×1的第四信号泵浦后向合束器12826及一段7.5米的第四增益光纤12828组成。如此，第三级输出的功率为20W左右的光信号通过第四后向泵浦结构1282后功率可以放大为千瓦量级，从而可以实现光信号功率的第四级放大，进而可以实现千瓦级的第一光信号的输出。

在一个例子中，上述增益光纤可采用掺镱增益光纤。

在某些实施方式中，第一级预放大结构122包括设置在光路中的第一级隔离器1224，第二级预放大结构124包括设置在光路中的第二级隔离器1244，第三级预放大结构126包括设置在光路中的第三级隔离器1264。

如此，由于功率被逐级放大的光信号在传输的过程中容易产生受激布里渊散射(SBS)效应，而隔离器可以防止由于受激布里渊散射(SBS)效应所产生的反向光击穿器件。

隔离器是一种采用线性光耦隔离原理，将输入信号进行转换输出。半导体激光器及光放大器等对于来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感，并且可能导致半导体激光器及光放大器的性能恶化，因此需要用隔离器阻止反射光。隔离器是一种只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻挡光通过的光无源器件。并且通过光纤回波反射的光能够被隔离器很好的隔离，隔离度代表了隔离器对回波隔离能力。隔离器通常被使用在光路中用来避免光路中的回波对光源、泵浦源及其他发光器件造成的干扰和损害。

在某些实施方式中，第一级预放大结构122包括设置在光路中的第一级泵浦光剥离器1226，第二级预放大结构124包括设置在光路中的第二级泵浦光剥离器1246，第三级预放大结构126包括设置在光路中的第三级泵浦光剥离器1266，第四级预放大结构128包括设置在光路中的第四级泵浦光剥离器1286。

如此，由于泵浦光在传输的过程中容易泄露至光纤的包层内而形成包层光，而泵浦光剥离器可以滤除包层光，从而可以起到剥离包层光的效果。

泵浦光剥离器具有独特的光学性能，能够吸收在双包层光纤中内包层部分传输的光。双包层光纤中大的内包层数值孔径和小的纤芯数值孔径波导传输的光都可以被剥离器“吸收”，而在纤芯中传输的信号光能够被很好的保持。

在某些实施方式中，第一级预放大结构122包括设置在光路中的第一级窄带滤波器1228，第二级预放大结构124包括设置在光路中的第二级窄带滤波器1248，第三级预放大结构126包括设置在光路中的第三级窄带滤波器1268。

如此，由于功率被逐级放大的光信号在传输过程中容易产生放大自辐射，而窄带滤波器可以滤除放大的自辐射，从而有利于第一光信号的传输。

在某些实施方式中，第三级预放大结构126包括设置在光路中的Tap光纤耦合器1269，Tap光纤耦合器1269用于监测第四级主放大结构128的反向受激布里渊散射效应(SBS)功率。

如此，Tap光纤耦合器可1269以监测第四级主放大结构的反向SBS功率，一旦反向SBS功率超过预定的阀值，可以立即发出警报信号切断光纤放大器的电源，从而可以保护光纤放大器10。

在某些实施方式中，每个激光放大器12还包括相位调制器123，相位调制器123用于对输入的光信号进行相位的调制。

如此，可以获取传输的激光源的合适相位，从而有利于激光源的传输。在本发明示例中，相位调制器123是铌酸锂电光相位调制器123。相位调制器123连接有信号波形发生器。

进一步地，本发明实施方式的光纤放大器设置有一个倾斜角6度的输出端帽。输出端帽连接第四级泵浦光剥离器1286。另外，输出端帽的输出端还可连接功率计，以测量第一光信号的功率是否达到要求。

在某些实施方式中，入射端透射光栅结构162形成有入射端亚波长二元介质透射光栅1622，出射端透射光栅结构166形成有出射端亚波长二元介质透射光栅1662。

在某些实施方式中，光栅的折射率n的取值范围为：1.9≤n≤2.3。

在某些实施方式中，光栅的周期可为976nm。

在某些实施方式中，光纤光栅的材料可为Si_yN_x。

如此，光信号在通过入射端透射光栅结构162及出射端透射光栅结构166时可以获取相应的衍射角，从而可以使入射端的衍射效率大于99％，出射端的衍射效率大于90％，进而可以满足光信号在波导片164的全反射条件以得到光谱合成的高亮度及高质量的光束合成输出。

在某些实施方式中，入射端透射光栅结构162与出射端透射光栅结构166错开设置。

如此，第二光信号通过入射端透射光栅结构162时可以充分地在波导片164内进行全反射后再从出射端透射光栅结构166输出，从而可以提高光信号传输的质量，更有利于光信号进行全反射。

在某些实施方式中，光纤激光器10包括水冷装置。水冷装置用于冷却光纤激光器10。

如此，光纤激光器10采用水冷的方式制冷，水冷装置可以将光纤激光器10的温度控制在20度左右，从而实现冷却的效果。

在本发明的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，仅是为了便于描述本发明的实施方式和简化描述，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，因此不能理解为对本发明的实施方式的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的实施方式的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的实施方式的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的实施方式中的具体含义。

在本发明的实施方式中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的实施方式的不同结构。为了简化本发明的实施方式的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明的实施方式可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明的实施方式提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理模块的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的实施方式的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明的各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施实施进行变化、修改、替换和变型。