一种基于组束技术的大功率光纤激光器的制作方法

本实用新型属于光纤和激光技术领域，具体涉及一种基于组束技术的大功率光纤激光器。

背景技术：

光纤激光器/放大器是以掺杂稀土元素的光纤为增益介质的激光器/放大器，通过掺杂不同的稀土元素，如饵(er)、镒(yb)、铥(tm)、钬(ho)、钕(nd)等，光纤激光器/放大器的工作波段覆盖了从紫外到中红外。与其他激光器/放大器相比，光纤激光器/放大器具有能量转化率高、输出光束质量好、结构紧凑稳定、无需光路调整、散热性能好、寿命长和无需维护等鲜明特点，因此得到快速发展以及广泛地应用。

激光组束是目前国际上激光技术领域的研究热点，其目的是将多束激光组合成一束输出，是大幅提升激光输出功率和亮度的有效手段。利用组束技术对光纤激光器阵列的输出进行合成，未来可获得几十至几百kw的输出功率，将其作为激光系统的光源，可大大增加激光系统的紧凑性和灵活性，增大激光系统的实用性。

目前，如何提高光纤激光组束的输出功率和激光亮度仍是亟待解决的问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种基于组束技术的大功率光纤激光器。本实用新型要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本实用新型实施例提供了一种基于组束技术的大功率光纤激光器，包括沿光路依次设置的光纤激光器阵列、光纤头阵列、透镜、第一光栅、第二光栅、平面镜和输出耦合镜，其中，

所述光纤激光器阵列通过光纤与所述光纤头阵列一一对应连接，所述光纤头阵列由多根单模光纤排列构成，多根所述单模光纤彼此相邻且呈二维分布，且所述光纤头阵列设置在所述透镜的前焦平面上；

所述第一光栅设置在所述透镜的后焦点之前，用于接收并反射所述透镜的主光轴下半部分输出的光束，形成第一光束；

所述平面镜设置在所述第一光栅上且与所述第一光栅之间相交，用于接收并反射所述第一光束，形成第二光束；

所述第二光栅与所述第一光栅呈交叉状态且设置在所述平面镜的反射面一侧，用于接收并反射所述透镜的主光轴上半部分输出的光束，形成第三光束，所述第三光束与所述第二光束平行；

所述输出耦合镜设置在所述第二光束和所述第三光束的光路上，用于对所述第二光束和所述第三光束进行耦合，并输出耦合后的光束。

在本实用新型的一个实施例中，多根所述单模光纤呈圆盘分布并且相互紧靠。

在本实用新型的一个实施例中，所述透镜的焦距为5～20cm。

在本实用新型的一个实施例中，所述光纤激光器阵列包括若干并列排布的双向泵浦激光器，所述双向泵浦激光器包括：双包层有源光纤、第一泵浦源、第一泵浦源输入光纤、第二泵浦源、第二泵浦源输入光纤、第一光栅和第二光栅，其中，

所述双包层有源光纤由内至外依次包括掺杂纤芯、内包层和外包层，且所述内包层中设置有泵浦纤芯，所述双包层有源光纤的一端连接第一光栅，所述双包层有源光纤的另一端连接第二光栅；

所述第一泵浦源的输出端连接所述第一泵浦源输入光纤的输入端，所述第一泵浦源输入光纤的输出端连接所述泵浦纤芯的一端；

所述第二泵浦源的输出端连接所述第二泵浦源输入光纤的输入端，所述第二泵浦源输入光纤的输出端连接所述泵浦纤芯的另一端。

在本实用新型的一个实施例中，所述掺杂纤芯的折射率随着掺杂纤芯半径的增加而逐渐减小。

在本实用新型的一个实施例中，所述双向泵浦激光器还包括包层光剥离器，所述包层光剥离器设置在所述双包层有源光纤的中部。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本实用新型将单模光纤头设置为二维分布的形式，相邻单模光纤头可以在空间上发生光束叠加，从而提高光纤头阵列的输出功率，提高光纤激光组束的输出功率，提高光纤激光组束的输出亮度。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种基于组束技术的大功率光纤激光器；

图2为本实用新型实施例提供的一种多根单模光纤分布的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种双向泵浦激光器的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种双包层有源光纤的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型做进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1为本实用新型提供的一种基于组束技术的大功率光纤激光器。该基于组束技术的大功率光纤激光器包括：沿光路依次设置的光纤激光器阵列1、光纤头阵列2、透镜3、第一光栅4、第二光栅5、平面镜6和输出耦合镜7。

具体地，光纤激光器阵列1通过光纤与光纤头阵列2一一对应连接，光纤头阵列2由多根单模光纤21排列构成，多根单模光纤21彼此相邻且呈二维分布，且光纤头阵列2设置在透镜3的前焦平面上。第一光栅4设置在透镜3的后焦点之前，用于接收并反射透镜3的主光轴下半部分输出的光束，形成第一光束。平面镜6设置在第一光栅4上且与第一光栅4之间相交，用于接收并反射第一光束，形成第二光束。第二光栅5与第一光栅4呈交叉状态，用于接收并反射透镜3的主光轴上半部分输出的光束，形成第三光束，第三光束与第二光束平行。输出耦合镜7设置在第二光束和所述第三光束的光路上，用于对第二光束和第三光束进行耦合，并输出耦合后的光束。

本实施例将单模光纤头设置为二维分布的形式，相邻单模光纤头可以在空间上发生光束叠加，从而提高光纤头阵列的输出功率，提高光纤激光组束的输出功率，提高光纤激光组束的输出亮度。

在一个具体实施例中，多根单模光纤21呈圆盘分布并且相互紧靠。

具体地，请参见图2，图2为本实用新型实施例提供的一种多根单模光纤分布的结构示意图。图2中，单模光纤的数量为7根，其中一根光纤位于圆盘的中心，剩余6根光纤均匀分布在中心光纤周围，并且均与中心光纤紧密接触，这6根光纤中相邻两根光纤彼此紧靠。

本实施例中，将多根单模光纤21设置为圆盘分布且相互紧靠的形式，可以使得多根单模光纤输出的光束最大程度在空间上发生叠加，大幅度提高光纤头阵列的输出功率，进而提高光纤激光组束的输出功率，同时提高光纤激光组束的输出亮度。

在一个具体实施例中，透镜3为双凸透镜，用于将光纤头阵列2输出的激光束组进行聚焦。透镜3的焦距可以为5～20cm，优选的为5cm，此时，透镜对光束的聚焦效果较好，光纤激光器系统的耦合效率较高。

在一个具体实施例中，第一光栅4和第二光栅5可以采用相同的结构，其光栅周期均为2～5μm，光栅频率均为200mm^-1～400mm^-1，光栅厚度均为2～4mm。

本实施例中，第一光栅和第二光栅采用相同的结构，使得第一光栅和第二光栅的衍射效率相同，得到相当的激光光束，有利于输出耦合镜对光束的耦合。

在一个具体实施例中，输出耦合镜7可以为部分反射镜，其与光束入射方向垂直设置，光线垂直入射时的反射率可以为5％～30％。

上述基于组束技术的大功率光纤激光器的工作过程为：光纤激光器阵列1发射出多束发散的激光束组，激光束组经由光纤头阵列2输出，由于光纤头阵列2呈圆盘状，因此，各激光束组在空间上发生叠加，叠加后的激光束组一部分照射至透镜3主光轴的上半部分(包括主光轴)，一部分照射至透镜3主光轴的下半部分(包括主光轴)，透镜3对各个部分的光束进行聚焦后，一部分光束从透镜3主光轴上半部分输出，另一部分从透镜主光轴下半部分输出，形成若干不同角度的光束照射至第二光栅5；从透镜3主光轴下半部分输出光束照射并穿过第二光栅5到达第一光栅4，第一光栅4对其进行反射，得到第一光束，反射后的第一光束由平面镜6进行再次反射，得到第二光束；从透镜3主光轴上半部分输出光束的中心光束以布拉格角入射第二光栅5，第二光栅5对其进行反射，形成第三光束；调整第一光栅4、平面镜6、第二光栅的角度，使得第二光束与第三光束平行，并且垂直入射到输出耦合镜7，输出耦合镜4具有反馈作用，其与光纤激光器阵列1之间形成谐振腔，光束在该谐振腔之前进行再次反射振荡得以放大，从而输出激光光束。

在一个具体实施例中，光纤激光器阵列包括若干并列排布的双向泵浦激光器11。请参见图3，图3为本实用新型实施例提供的一种双向泵浦激光器的结构示意图。该双向泵浦激光器11包括：双包层有源光纤111、第一泵浦源112、第一泵浦源输入光纤113、第二泵浦源114、第二泵浦源输入光纤115、第一光栅116和第二光栅117。

具体地，双包层有源光纤111的一端连接第二光栅116，另一端连接第三光栅117，第二光栅116和第三光栅117形成了谐振腔。第二光栅116为高反射率光栅，其反射率可以大于99％，第三光栅117为低反射率光栅，其反射率可以大于95％，以获得较高的光学增益和较低的噪声增益。

第一泵浦源112的输出端连接第一泵浦源输入光纤113的输入端，第一泵浦源输入光纤113的输出端连接至第二光栅116一侧的双包层有源光纤111。第二泵浦源114的输出端连接第二泵浦源输入光纤115的输入端，第二泵浦源输入光纤115的输出端连接至第三光栅117一侧的双包层有源光纤111。上述第一泵浦源112、第一泵浦源输入光纤113依次是指正向泵浦源、正向泵浦源输入光纤，第二泵浦源114、第二泵浦源输入光纤115依次是指反向泵浦源、反向泵浦源输入光纤。

请参见图4，图4为本实用新型实施例提供的一种双包层有源光纤的结构示意图。双包层有源光纤111由内之外依次包括掺杂纤芯1111、内包层1112和外包层1113，在内包层1112的中设置有泵浦光纤1114。进一步地，第一泵浦源输入光纤113的输入端和第二泵浦源输入光纤115的输入端分别连接至双包层有源光纤111中的泵浦光纤1114，使得泵浦源直接将泵浦光泵入泵浦光纤1114中。

进一步地，掺杂纤芯1111、内包层1112和外包层1113的折射率依次减小，使得大部分能量可以在掺杂纤芯1111中传输。外包层1113可以选用高分子材料层，从而起到保护掺杂纤芯1111、提高光纤机械强度和抗微弯强度并降低衰减的作用。泵浦纤芯14的折射率小于内包层1112的折射率，使得大部分能量能够耦合进内包层1112中，从而在掺杂纤芯1111中进行传输。

本实施例在双包层有源光纤的内包层中设置泵浦纤芯，使得第一泵浦源和第二泵浦源直接通过光纤与泵浦纤芯连接，避免采用泵浦耦合器，减少了泵浦耦合器的熔接点，从而避免了光线中的泵浦光和信号光在熔接点处发生泄漏，进而提高了激光的输出功率。

上述光纤激光器的工作过程为：第一泵浦源112产生激光，通过第一泵浦源输入光纤113传输至泵浦纤芯14；进入泵浦纤芯14的激光被耦合至内包层1112中，经过内包层1112与外包层1113界面的反射进入掺杂纤芯1111；激光在掺杂纤芯1111中产生受激辐射而得到放大，放大后的激光在谐振腔中进行振荡，当放大后的光到达第三光栅117后，绝大部分被重新反射进双包层有源光纤111中，从而在双包层有源光纤111再次发生受激辐射进行放大；当再次放大的光到达第二光栅116后，光源全部被反射；光源每反射一次，激光就产生一次放大过程，直到光强度达到阈值后，放大光的一小部分通过第三光栅117输出，剩余的光继续被反射回去产生光放大。

在一个具体实施例中，掺杂纤芯1111的折射率随着掺杂纤芯1111半径的增加而逐渐减小，形成渐变光纤。

本实施例中将掺杂纤芯1111设置为渐变光纤，可以降低光在掺杂纤芯1111中的损耗，使得双包层有源光纤输出较高的脉冲，进而提高光纤激光器的输出能量。

在一个具体实施例中，泵浦纤芯1114的数量为多个，多个泵浦纤芯1114围绕掺杂纤芯1111均匀分布，避免激光光束品质降低，从而保证大功率高光束品质的加工要求。

在一个具体实施例中，双向泵浦激光器还包括包层光剥离器118。包层光剥离器118设置在双包层有源光纤111的中部；包层光剥离器的承受信号光功率大于500w，可剥除泵浦功率大于50w。包层光剥离器118用于在激光被振荡放大的过程中对在内包层1112产生的包层光进行剥离。

本实施例的光纤激光器在双包层有源光纤的中部设置包层光剥离器，并且包层光剥离器的承受信号光功率大于500w，可剥除泵浦功率大于50w，能够减少包层中的光进入第一泵浦源和第二泵浦源中，降低了包层光对第一泵浦源和第二泵浦源造成损害，进而提高了光纤激光器的使用寿命。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。