一种混合器件和激光器的制作方法

1.本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种混合器件和激光器。


背景技术：

2.随着激光器的蓬勃发展，降低成本成了每一个激光器制造商的必备功课。常规的高功率光纤激光器通常包括多种功能器件，每个功能器件均包含多个元器件，比如输入端准直器、输出端准直器和至少一个对应的功能元器件等多个元器件。如此，现有激光器存在元器件众多、占用空间大、成本高等问题，且由于功能器件与功能器件之间需用熔接机熔接在一起，会存在一个熔接点，而每个熔接点会引入一定的熔接损耗和光束质量劣化，影响激光器最终传输出的光束的质量。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，本技术提供一种混合器件和激光器，能够解决现有激光器中光学元器件众多、占用空间大和成本较高的问题。
4.第一方面，本技术提供一种混合器件，混合器件包括输入端准直器、输出端准直器、泵浦光准直器、隔离器芯、滤波片和合束模块。输入端准直器用于接收信号光，隔离器芯用于将来自输入端准直器方向的信号光传输给滤波片，滤波片用于对信号光进行滤波处理得到第一光线，泵浦光准直器用于接收泵浦光，合束模块用于将第一光线和泵浦光准直器输出的泵浦光进行合束处理，得到第一合束光，输出端准直器用于将第一合束光输出。
5.基于本技术提供的混合器件，将输入端准直器、输出端准直器、泵浦光准直器、隔离器芯、滤波片和合束模块集成等元器件集成在一起，其中，隔离器芯用于混合器件实现信号光的隔离的功能；滤波片用于混合器件实现对信号光进行滤波的功能；合束模块用于混合器件实现对信号光和泵浦光的耦合，因此，一方面，本技术提供的混合器件可以实现光纤隔离器、模场匹配器、合束器等多个独立功能器件的多种功能，实现了元器件的集成化和小型化，且相比于采用多种独立功能器件，该混合器在整体上减少了元器件的使用数量，因此，节约了制作成本。另一方面，本技术提供的混合器件中各个元器件之间不需通过熔接机熔接在一起，如此，减少了由于熔接产生的对光束质量的影响。
6.在一种可能的设计方式中，混合器件还包括泵浦光源，泵浦光源用于向泵浦光准直器传输泵浦光。
7.基于上述可选方式，本技术将泵浦光源也集成在混合器件内，泵浦光源无需使用熔接机和其余元器件进行熔接，进一步减小了由于熔接产生的对光束质量的影响。
8.在一种可能的设计方式中，混合器件还包括分光片和分光端准直器，分光片位于输入端准直器和隔离器芯之间，分光片用于将信号光分为两路，一路信号光输出给隔离器芯，另一路所述信号光传输给监控器，监控器用于监测信号光的强度。
9.基于上述可选方式，混合器件可以直接输出一路信号光用于监控器监测，无需在单独使用分光器进行信号光分束，进一步实现了元器件的集成化和小型化，也避免了单独
使用分光器时由于熔接产生的对光束质量的影响。
10.在一种可能的设计方式中，混合器件还包括监控器。
11.基于上述可选方式，将监控器也集成在混合器件内，监控器无需使用熔接机和其余元器件进行熔接，进一步减小了由于熔接产生的对光束质量的影响。
12.在一种可能的设计方式中，混合器件还包括指示光准直器，指示光准直器用于接收指示光，合束模块具体用于将信号光、泵浦光和指示光进行合束处理，得到第一合束光。
13.基于上述可选方式，通过将指示光准直器设置在该混合器件内，该混合器件可实现对信号光、泵浦光和指示光的耦合，无需再单独使用合束器，即可对几种不同的光进行合束进而实心合束器的合束功能。
14.在一种可能的设计方式中，混合器件还包括红光激光器，红光激光器用于将指示光输出给指示光准直器。
15.基于上述可选方式，将红光激光器也集成在混合器件内，红光激光器无需使用熔接机和其余元器件进行熔接，进一步减小了由于熔接产生的对光束质量的影响。
16.在一种可能的设计方式中，合束模块包括第一波分复用器和第二波分复用器，第一波分复用器用于将第一光线和指示光进行合束处理得到第二合束光，第二波分复用器用于将第二合束光和泵浦光进行合束处理得到第一合束光。
17.在一种可能的设计方式中，混合器件中的每个光纤准直器的光束直径在0.20mm～0.50mm之间。
18.基于上述可选方式，本技术提供的混合器件通过对每个准直器的光束直径进行设计，从而保证各个准直器之间的匹配偏差更小，实现光纤的过渡功能，避免了模式变差、光束质量劣化等问题。
19.在一种可能的设计方式中，混合器件还包括封装壳体，输入端准直器、输出端准直器、泵浦光准直器、隔离器、滤波片和合束模块封装在封装壳体内。
20.基于上述可选方式，在混合器件中设置有壳体，壳体对各个元器件起到保护作用，从而增加了各个元器件的使用寿命。
21.第二方面，本技术提供一种激光器，包括第一方面的任一可选方式所述的混合器件，混合器件位于所述激光器的二级放大器和三级放大器之间。
22.本技术的构造以及它的其他目的及有益效果将会通过结合附图进行详细说明，以保证对优选实施例的描述更加明显易懂。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1是本技术实施例一提供的混合器件结构示意图一；
25.图2是本技术实施例一提供的光纤准直器结构示意图；
26.图3是本技术实施例一提供的光纤准直器输出光束示意图；
27.图4是本技术实施例一提供的隔离器芯结构示意图一；
28.图5是本技术实施例一提供的隔离器芯结构示意图二；
29.图6是本技术实施例一提供的混合器件结构示意图二；
30.图7是本技术实施例一提供的混合器件结构示意图三；
31.图8是本技术实施例一提供的混合器件结构示意图四；
32.图9是本技术实施例一提供的混合器件结构示意图五；
33.图10是本技术实施例一提供的混合器件结构示意图六；
34.图11是本技术实施例一提供的混合器件结构示意图七；
35.图12是本技术实施例一提供的混合器件结构示意图八。
36.其中，图中各附图标记：
37.1-准直器；101-输入端准直器；1011-光纤；1012-封装玻璃管；1013-毛细管；1014-透镜；102-输出端准直器；103-泵浦光准直器；104-分光端准直器；105-指示光准直器；
38.2-隔离器芯；201-第一钒酸钇晶体；202-石英旋光晶体；203-磁旋光晶体；204-第二钒酸钇晶体；
39.3-滤波片；
40.4-合束模块；401-第一波分复用器；402-第二波分复用器；
41.5-泵浦激光器；
42.6-分光片；
43.7-监控器；
44.8-红光激光器；
45.9-封装壳体。
具体实施方式
46.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
47.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，除非另有明确的限定。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技术中的具体含义。
48.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，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”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
49.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”、“上”、“底”、“前”、“后”等指示的方位或者位置关系(若有的话)，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者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
为对本技术的限制。
50.随着激光器的蓬勃发展，降低成本成了每一个激光器制造商的必备功课，目前市面上常规的高功率光纤激光器通常包括多种功能器件，每个功能器件均包含多个元器件，比如输入端准直器、输出端准直器和至少一个对应的功能元器件等多个元器件。如此，现有激光器存在元器件众多、占用空间大、成本高等问题，且由于功能器件与功能器件之间需用熔接机熔接在一起，会存在一个熔接点，而每个熔接点会引入一定的熔接损耗和光束质量劣化，影响激光器最终传输出的光束的质量。为此，本技术提供一种混合器件和激光器，能够解决现有激光器中光学元器件众多、占用空间大和成本较高的问题。
51.结合下面附图对本技术提供的混合器件和激光器进行示例性的介绍。
52.实施例一
53.如图1所示为本技术提供混合器件的整体结构示意图，包括输入端准直器101、输出端准直器102、泵浦光准直器103、隔离器2、滤波片3和合束模块4。输入端准直器101用于接收信号光，隔离器2用于将来自输入端准直器101方向的信号光传输给滤波片3，滤波片3用于对信号光进行滤波处理得到第一光线，泵浦光准直器103用于接收泵浦光，合束模块4用于将第一光线和泵浦光准直器103输出的泵浦光进行合束处理，得到第一合束光，输出端准直器102用于将第一合束光输出。
54.其中，输入端准直器101和泵浦光准直器103的作用是使接收到的光以最大效率的耦合进混合器件。本技术实施例中，输入端准直器101用于接收上一级光路或功能器件传递的信号光，并将信号光耦合进入混合器件中。泵浦光准直器103用于接收泵浦光源发射的泵浦光，并将泵浦光耦合进入混合器件，以实现对信号光的调制。
55.输出端准直器102用于接收合束模块4处理后的第一合束光，并将第一合束光传递给下一级光路或元器件。
56.泵浦光准直器103用于接收元器件传递的泵浦光。
57.示例性的，如图2所示，光纤准直器通常由光纤1011、封装玻璃管1012、毛细管1013和透镜1014构成，光纤1011固定在毛细管1013内，制作组成光纤头，为了加强回波损耗，光纤头端面可以加工成倾斜度为8
°
的斜面，透镜1014平面端也加工成倾斜度为8
°
的斜面，准直器在进行组装时，光纤头和透镜1014皆放置在封装玻璃管1012内，且让光纤头和透镜1014调节至互相平行。
58.在一个示例中，本方案设计的混合器件包含有三个光纤准直器，由于输入端准直器101接收的信号光、输出端准直器102接收到的第一合束光，以及泵浦光准直器103接收到的泵浦光的波长不同，因此混合器件所采用的这三个光纤准直器的尾纤型号不同，工作波长不同。
59.在一个示例中，为了减少不同尾纤型号的光纤准直器相互之间的耦合损耗，本技术还提供一种光纤准直器的设计方案，通过调整光纤准直器内光纤头和透镜1014的参数以及设置位置，来使得光纤准直器输出光束直径基本在0.20mm～0.50mm之间，从而减少光纤准直器相互之间的耦合损耗，示例性的，如图3所示，为光纤准直器输出不同距离光束直径的仿真图。
60.示例性的，针对输入端准直器101，根据图3的要求，输入端准直器101光纤设置透镜1014曲率半径可以是2.2mm，透镜1014长为4.85mm，根据仿真结果，在光纤头离透镜1014
平面0.2mm时，输入端准直器101输出光束的束腰直径为0.358mm，束腰距离为18mm，满足了光纤准直器输出光束直径基本在0.20mm～0.50mm之间的设计方案。
61.示例性的，针对输出端准直器102，由于光纤准直器之间的匹配偏差越小，光纤准直器的工作效率越高，两个光纤准直器之间的耦合磨损越小，因此，输出端准直器102在设计时可以根据输入端准直器101的模场直径来设计，例如，假设设定输入端准直器101和输出端准直器102之间的匹配偏差为0.28％，输出端准直器102设计透镜1014曲率半径可以是4.45mm，透镜1014长为10.2mm，根据仿真结果，该输出端准直器102模拟纤芯输出的光束直径为0.357mm，如此，既满足了输入端准直器101和输出端准直器102之间的匹配偏差较小，又满足了光纤准直器输出光束直径基本在0.20mm～0.50mm之间的设计方案。
62.示例性的，针对泵浦光准直器103，泵浦光准直器103在设计时可以根据输出端准直器102的模场直径来设计，例如，泵浦光准直器103设计透镜1014可以是曲率半径为5mm，透镜1014长为10.68mm，根据仿真计算得出泵浦光准直器103的光纤包层接收光孔径直径为2.82mm，理论上耦合到输出端准直器102的能量为100％。
63.本技术通过对输入端准直器101、输出端准直器102和泵浦光准直器103的光纤头和透镜1014的参数以及设置位置进行设计，使得各个光纤准直器之间的匹配偏差较低，保证了各个光纤准直器之间光的耦合效率，避免了光纤准直器之间传输的光束质量劣化，实现了模场匹配器对光纤的过渡功能，同时由于本技术只需对各个光纤准直器进行设计，即可实现模场匹配器的功能，因此，不需在混合器件中额外设置一个模场匹配器，进一步减小了混合器件的占用空间和制作成本。
64.一般情况下，隔离器芯2是一种只允许光向一个方向通过，且阻止光向相反方向通过的无源器件，避免光向相反方向传输激光器前级元器件造成损伤，例如，光源所发出的信号光，经过光纤端面会有4％的反射光向着光源传输，这类反向光的存在，会导致光路系统产生自耦合效应，使混合器件存在工作效率不稳定且产生反射噪声等问题，为此，在混合器件中加入隔离器2就可以避免这些问题。在本技术实施例中，隔离器芯2可以设置在输入端准直器101后，用于接收输入端准直器101输出的信号光。
65.在本技术的一个实施例中，如图4所示，隔离器芯2可以包括第一钒酸钇晶体201、石英旋光晶体202、磁旋光晶体203、第二钒酸钇晶体204。其中，为了使得混合器件整体空间紧凑和节约制作成本，第一钒酸钇晶体201和第二钒酸钇晶体204的尺寸可以基于混合器件的尺寸设置，以保证混合器件的小型化。例如，在一种可能的设计中，如图5所示，第一钒酸钇晶体201和第二钒酸钇晶体204的长度为可以设计为12mm，宽度为1.5mm，高度为3mm，且为了使输入端准直器101和输出端准直器102均处在混合器件的中心轴上，第一钒酸钇晶体201和第二钒酸钇晶体204的端面设置为斜面95.70
°
。
66.滤波片3是一种波长过滤装置，可以使信号中特定的波长成分通过，而极大地衰减其他波长成分。在本技术实施例中，滤波片3对隔离器芯2输出的信号光进行滤波处理，将上一光路中残余的泵浦光和多余波段的光进行滤除得到第一光线，再将该滤波处理后的第一光线进行输出。
67.在一个示例中，滤波片3可以是窄带滤波片。
68.合束模块4可以采用光波分复用(wavelength division multiplexing，wdm)技术，即在同一根光纤中同时让两个或两个以上的光波长信号通过不同光信道各自传输信息
的技术，在本技术实施例中，合束模块4可以设置在滤波片3和输出端准直器102之间，合束模块4用于将滤波片3滤波处理后的第一光线和泵浦光进行合束处理，得到第一合束光，再将第一合束光输出给输出端准直器102。
69.在一个示例中，合束模块4可以是一个波分复用器，波分复用器用于将泵浦光和第一光线进行合束处理，得到第一合束光。
70.本技术提供的混合器件，将输入端准直器101、输出端准直器102、泵浦光准直器103、隔离器2、滤波片3和合束模块4集成在一起，使得一个混合器件可实现多种功能，实现了元器件的集成化和小型化，由于减少了准直器等元器件的使用，因此，节约了混合器件的制作成本，且本技术提供的混合器件中各个元器件之间不需通过熔接机熔接在一起，如此，避免了熔接后产生的熔接损耗和光束质量劣化等问题，且节约了制作成本。
71.可选的，如图6所示，混合器件还可以包括泵浦光源5，泵浦光源5用于向泵浦光准直器传输泵浦光，如此，将泵浦光源5也集成在混合器件内，泵浦光源5尾纤无需使用熔接机和其余元器件进行熔接，进一步减小了由于熔接产生的对光束质量的影响。
72.在一个示例中，泵浦光源5可以是976nm或915nm泵浦激光器。
73.可选的，如图7所示，混合器件还可以包括分光片6和分光端准直器104，分光片6位于输入端准直器101和隔离器芯2之间，分光片6用于将信号光分为两路，一路信号光输出给隔离器芯2，另一路信号光传输给监控器7，监控器7用于监测信号光的强度。
74.其中，分光片6设置在混合器件内，使得监控器7不需要设置独立的分光器对信号光进行分光处理，如此，节约了制作成本，且由于分光片6可以直接将一部分信号光传输给监控器7，监控器7可对信号光进行实时监测，避免信号光强度较弱或信号光消失时激光器受到损伤。
75.分光端准直器104用于接收分光片6分光处理后的一部分信号光，并将该信号光输出给监控器7。
76.示例性的，针对分光端准直器104，由于光纤准直器之间的匹配偏差越小，光纤准直器的工作效率越高，两个光纤准直器之间的耦合磨损越小，因此，分光端准直器104在设计时可以根据输入端准直器101的模场直径来设计，例如，假设设定分光端准直器104和输入端准直器101之间的匹配偏差为1.4％，分光端准直器104设计透镜1014曲率半径可以是1.47mm，透镜1014长为3.12mm，根据仿真结果，该分光端准直器104模拟纤芯输出的光束直径为0.353mm，如此，既满足了输入端准直器101和分光端准直器104之间的匹配偏差较小，又满足了光纤准直器输出光束直径基本在0.20mm～0.50mm之间的设计方案。
77.可选的，如图8所示，混合器件还包括监控器7，将监控器7也集成在混合器件内，监控器7无需使用熔接机和其余元器件进行熔接，进一步减小了由于熔接产生的对光束质量的影响。
78.可选的，如图9所示，混合器件还包括指示光准直器105，指示光准直器105用于接收指示光，合束模块4具体用于将信号光、泵浦光和指示光进行合束处理，得到所述第一合束光。
79.其中，指示光准直器105用于接收上一级光路或元器件传递的指示光，并将指示光传递给下一级光路或元器件。示例性的，针对指示光准直器105，由于光纤准直器之间的匹配偏差越小，光纤准直器的工作效率越高，两个光纤准直器之间的耦合磨损越小，因此，指
示光准直器105在设计时可以根据输出端准直器102的模场直径来设计，例如，假设设定指示光准直器105和输出端准直器102之间的匹配偏差为0.42％，指示光准直器105设计透镜1014曲率半径为1.15mm，透镜1014长为2.365mm，根据仿真结果，该指示光准直器105模拟纤芯输出的光束直径为0.237mm，如此，既满足了输入端准直器101和分光端准直器104之间的匹配偏差较小，又满足了光纤准直器输出光束直径基本在0.20mm～0.50mm之间的设计方案。
80.可选的，如图9所示，合束模块4可以包括第一波分复用器401和第二波分复用器402，第一波分复用器401用于将第一光线和指示光进行合束处理得到第二合束光，第二波分复用器402用于将第二合束光和泵浦光进行合束处理得到第一合束光。
81.在一个示例中，如图10所示，混合器件还包括红光激光器8，红光激光器8用于将指示光输出给指示光准直器105，将红光激光器8也集成在混合器件内，红光激光器8无需使用熔接机和其余元器件进行熔接，进一步减小了由于熔接产生的对光束质量的影响。
82.在一个示例中，混合器件还包括封装壳体9，所有元器件都设置在封装壳体9内。基于图1所示的混合器件，如图11所示，输入端准直器101、输出端准直器102、泵浦光准直器103、隔离器2、滤波片3和合束模块4封装在封装壳体9内，封装壳体9对各个元器件起到保护作用且增加了各个元器件的使用寿命。
83.在一个示例中，假设混合器件中集成有输入端准直器101、输出端准直器102、泵浦光准直器103、分光端准直器104、指示光准直器105、隔离器2、滤波片3、第一波分复用器401、第二波分复用器402和分光片6，则混合器件的结构可以如图12所示，输入端准直器101、输出端准直器102、泵浦光准直器103、分光端准直器104、指示光准直器105、隔离器2、滤波片3、第一波分复用器401、第二波分复用器402和分光片6皆封装在封装壳体9内，封装壳体9对各个元器件起到保护作用且增加了各个元器件的使用寿命。
84.在一个实施例中，本技术提供的混合器件将所有功能元器件集成在一起，输入端准直器101接收到信号光后并输出，输出的信号光由分光片6进行分光处理，一部分信号光被传输至分光端准直器104中，分光端准直器104再将这部分信号光输出给监控器7，监控器7通过对这部分信号光进行监测从而避免信号光较弱或消失时对激光器造成损伤；另一部分信号光被传输至隔离器芯2，隔离器芯3将输入的信号光输出给滤波片3，滤波片3对输入的这部分信号光进行滤波处理，得到第一光线。第一波分复用器401再将该第一光线和指示光进行复用合束为第二合束光，第二波分复用器402再将该第二合束光和泵浦光复用合束得到第一合束光，并将第一合束光输出给输出端准直器102，输出端准直器102将该第一合束光接收并输出。本技术提供的混合器件将众多功能元器件集成化，不仅减小了混合器件的占用空间达到了小型化的目的，且由于各个元器件之间不需通过熔接机熔接在一起，因此，避免了熔接后产生的熔接损耗和光束质量劣化等问题。
85.实施例二
86.基于实施例一提供的一种混合器件，本技术还提供一种激光器，包括二级放大器、混合器件和三级放大器。
87.本技术提供的激光器，由于应用了实施例一中提供的混合器件，因此，在一定程度上减小了该激光器的占用空间，且节约了制作成本。
88.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽
管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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技术各实施例技术方案的范围。