可扩展的大功率光纤激光器的制造方法
【技术领域】
[0001]概括来讲，本发明的领域是大功率光纤激光器(high power fiber laser)。更确切地说，本发明涉及可扩展的大功率连续波和准连续波光纤激光器。
【背景技术】
[0002]常规多千瓦工业光纤激光器系统通常使用由多个组件光纤激光器组成的非可扩展架构，所述多个组件光纤激光器的输出端与恪融光纤信号合并器(signal combiner)合并。总光纤激光器系统的输出功率通常在2到6kW的范围中，且个体组件光纤激光器通常具有在0.4到1.0kW的范围中的功率。因此，为了达到超过IkW的总功率，必须合并来自多个光纤激光器(通常2到10个)的输出端。
[0003]用于达成大功率光纤激光器输出的这些常规方法具有根据本公开内容而变得显而易见的几个缺点。举例来说，由于合并多个个体光纤激光器系统，在光学、电学和机械组件中需要大量冗余，由此增加了系统成本、尺寸和复杂度。另外，光纤激光器组件系统一般来讲具有有限的现场可维护性，从而在光纤激光器组件系统的光学组件出故障的情况下往往需要替换全部光纤激光器组件系统。即使当光学组件故障仅局限于光纤组件系统的例如破损光纤等一部分，仍发生此类全部替换。要求替换全部光纤激光器组件系统会增加用于维修完整多千瓦系统的成本。现场替换光纤激光器组件系统通常需要极为专用的设备和干净的房间条件，这些条件在工厂环境中不容易得到，从而使维护变得昂贵且具破坏性。
[0004]熔融光纤信号合并器引起光学损耗且减低所接收的个体光纤激光器输出端的光束品质。此损耗不利地影响效率，所述效率确定功率消耗和废热产生，且光束品质降级可减小金属切割应用中的速度。此外，信号合并器是昂贵的，其需要昂贵的设备和大量过程开发以及对制造过程的控制，且其可经历不可预测的变化从而影响再现性和可靠性。熔融光纤信号合并器还遭受操作损害(包含来自工件的光学反馈)，由此降低了系统可靠性。
[0005]利用信号合并器来达成高达几千瓦的功率也限制了光纤激光器系统的激光功率在现场升级的能力。举例来说，熔融信号合并器可包含用于接收额外组件光纤激光器的空端口。但是，输出光束的光束品质被降级，而不管额外端口是否充填有额外组件光纤激光器系统输出端。并且，如果信号合并器已完全充填输入端口，那么升级系统输出功率需要用更大功率的组件光纤激光器来替换所述组件光纤激光器中的一个或多个。替换组件光纤激光器是昂贵的，确切地说，因为随之而来的是所被替换的组件光纤激光器、子系统或组件的使用受到限制或不能重复使用所被替换的组件光纤激光器、子系统或组件。
[0006]常规系统设计在可如何适应或并入工艺进步方面同样受限制，因为许多关键组件被集成到每个组件光纤激光器中。举例来说，栗浦二极管技术快速取得进步，从而提供增加的功率、亮度和效率以及降低的成本。近年来，有源光纤同样经历了显著的工艺增进。如果栗浦二极管、光纤和电子设备全部集成到单个激光器模块中，那么将这些进步并入到现有光纤激光器中可能是困难的或是不可能的。举例来说，在单个激光器模块内的组件之间的互连将很可能不能达到或不容易改变，且对关键组件的改变将必然伴有大量设计纹波(design ripple)，从而需要其它组件中相应的改变。类似地，机械或热设计可因改变关键组件而受到影响。因此，常规大功率光纤激光器架构常常必须要么放弃基于工艺进步的升级，要么全力以赴于昂贵且耗时的再设计。
[0007]因此，需要这样一种多千瓦光纤激光器架构，其通过去除组件冗余来最小化成本、最小化或去除信号合并器的缺点、在现场维护是容易的且具有成本效益、实现现场可升级性、且充分灵活以适应于工艺进步而无显著成本或设计纹波。
【发明内容】
[0008]根据本发明的一个方面，可配置以产生IkW或IkW以上的激光器输出的模块化和可扩展的大功率光纤激光器系统包含:彼此分离地安置的一或多个可分离栗浦模块(seperable pump module)，每一栗浦模块包含通过一或多个基于光纤的栗浦模块栗浦合并器(fiber-based pump module pump combiner)而以光学方式合并的多个光纤親合组件栗浦源，每一栗浦模块提供一或多个栗浦模块光纤输出端；以及增益模块，其与所述一或多个可分离栗浦模块分离地安置，且包含以光学方式耦合到所述栗浦模块光纤输出端中的相应的栗浦模块光纤输出端的一或多个增益模块栗浦光纤输入端，并且包含以光学方式耦合到所述一或多个增益模块栗浦光纤输入端的增益光纤，所述增益光纤经配置以产生与耦合到所述增益光纤的所述栗浦模块光纤输出端的数目和功率有关的可扩展的增益模块光纤输出功率。
[0009]根据本发明的另一个方面，大功率光纤激光器系统包含:增益模块，其经配置成以一个输出光束波长产生IkW或IkW以上的输出光束；以及一或多个栗浦模块，其以光学方式耦合到所述增益模块，且经配置成以一个栗浦波长产生光从而用于以光学方式栗浦所述增益模块，其中所述增益模块经配置以从所述一或多个栗浦模块接收栗浦光，使得所述输出光束的所述功率根据耦合到所述增益模块的栗浦模块的数目和功率而可扩展。
[0010]前述和其它目标、特征以及优点将从以下详细描述变得显而易见，所述详细描述是参考未必按比例绘制的附图而进行的。
【附图说明】
[0011]图1A是根据本发明的一个方面的光纤激光器系统的透视图。
[0012]图1B是根据本发明的一个方面的图1A中所描绘的光纤激光器系统的连接性图。
[0013]图2是根据本发明的一个方面的光纤激光器系统的示意性平面图示意图。
[0014]图3A是根据本发明的一个方面的光纤激光器系统的栗浦模块的示意图。
[0015]图3B是根据本发明的一个方面的光纤激光器系统的栗浦模块的示意图。
[0016]图4是根据本发明的一个方面的光纤激光器系统的另一栗浦模块的示意图。
[0017]图5是根据本发明的一个方面的光纤激光器系统的另一栗浦模块的示意图。
[0018]图6是根据本发明的一个方面的光纤激光器系统的增益模块的示意图。
[0019]图7是根据本发明的一个方面的光纤激光器系统的另一增益模块的示意图。
[0020]图8是根据本发明的一个方面的光纤激光器系统的另一增益模块的示意图。
[0021]图9是根据本发明的一个方面的光纤激光器系统的另一增益模块的示意图。
[0022]图10是根据本发明的一个方面的光纤激光器系统的另一增益模块的示意图。
[0023]图11是根据本发明的一个方面的光纤激光器系统的增益模块合并器的后视图。
[0024]图12是根据本发明的一个方面的光纤激光器系统的另一增益模块合并器的后视图。
[0025]图13是根据本发明的一个方面的光纤激光器系统的另一增益模块的示意图。
[0026]图14是根据本发明的一个方面的合并器级的示意图。
[0027]图15是根据本发明的一个方面的光纤激光器系统的另一增益模块的示意图。
【具体实施方式】
[0028]图1A中示出高度可配置、模块化和可扩展的连续波或准连续波大功率光纤激光器系统1000的第一实施方案的透视图。光纤激光器系统1000包含模块化地接收不同系统模块的几个分隔间(bay) 1001，所述系统模块包含系统栗浦模块1002和系统增益模块1003，每一模块可经配置成可与光纤激光器系统1000分离。例如控制模块1004或电力供应器模块等额外模块也可相对于系统1000的其它系统模块而模块化地安置。可扩展的多千瓦光纤激光器系统1000被描绘为呈可选的移动配置，其中多个系统模块安置成安装于多个脚轮1005顶上的竖直机架布置，以方便于在工业环境中移动。栗浦模块1002提供以光学方式耦合到一或多个增益模块1003的一或多个栗浦模块光纤输出端1006。光纤激光器系统1000包含系统输出端1007，所述系统输出端提供大约IkW或IkW以上的输出功率以用于各种工业应用，且其可由一或多个增益模块1003提供。可通过在可用系统分隔间1001中添加额外栗浦模块1002或通过用新模块调换旧模块升级所安装的栗浦模块1002来扩展系统的输出功率。
[0029]本文中的实施方案的模块性和可扩展性呈现大量的制造优点。举例来说，可选择许多不同的功率电平而不需要在所选功率电平配置之间进行显著的再设计。具有单个栗浦模块1002和单个增益模块1003的配置可提供特定系统输出功率，可通过安装额外栗浦模块1002(见图1中以短划线示出的栗浦模块1002)并将栗浦模块输出端1006拼接到增益模块1003来升级所述特定系统输出功率。归因于模块性，可在栗浦模块与增益模块之间分担尺寸和重量，使得单人在现场或在工厂可搬运、实施或维护系统的每个栗浦模块和增益模块。这个优点在来自单个光纤激光器的功率增加时(这已是业界中一个不变的趋势)可能特别重要；这种功率扩展趋势可持续下去而不产生过大或过重的模块，因为栗浦模块和增益模块不必收容在单个模块中。激光器系统的外观尺寸还可经配置以支持不同部署场景。举例来说，系统模块可以如图1示出的竖直方式、水平方式或以另一定向或其组合方式而安装在机架中。模块可彼此物理地分离以有助于集成到期望空间中。
[0030]在图1B中，示出了系统1010的