一种自适应热补偿高功率光隔离器的制作方法

本发明涉及激光应用领域，尤其是一种自适应热补偿高功率光隔离器。

背景技术：

由于高功率激光加工系统对异常进入的光非常敏感，如果返回到激光器的光较强，就会影响激光器的稳定运转，更严重的将会损坏整个激光系统，所以要在激光系统中加入光隔离器，使光只能正向通过，并把反向的回返光进行滤除。

光隔离器是一种只允许正向光通过而阻挡反向光通过的光无源器件，用以抑制高功率激光加工系统中回返光对激光器所造成的不利影响。通常光隔离器的磁光晶体对1um的激光有0.25%的吸收，在较低激光功率情况下这种吸收发热现象可以忽略不计，但在很高激光功率的情况下，吸收发热会在晶体中产生热致双折射效应和热透镜效应，严重影响了输出光束的消光比和光斑质量，造成激光加工时的焦点偏移，降低工作焦点的精细度，进而影响激光加工的质量。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种结构可靠、隔离度高的自适应热补偿高功率光隔离器。

为了实现上述的技术目的，本发明的技术方案为：

一种自适应热补偿高功率光隔离器，其包括依序设置的光纤准直器、入光光阑、第一分束器、第一旋光片、第一磁光晶体、第一补偿器、第二旋光片、第二磁光晶体、第二补偿器、第二分束器、出光光阑，所述的第一补偿器和第二补偿器均为负折射率温度系数材料制成，其分别置于第一磁光晶体和第二磁光晶体之后且用于让通过第一磁光晶体和第二磁光晶体的光斑参数保持一致，所述第一磁光晶体和第二磁光晶体的性能参数相同。

进一步，作为本发明第一分束器和第二分束器的其中一种结构实施方式，所述的第一分束器和第二分束器均为双折射棱镜对结构。

优选的，所述第一分束器和第二分束器的双折射棱镜对结构中的两个棱镜位置可互换。

进一步，作为本发明第一分束器和第二分束器的另外两种结构实施方式，所述的第一分束器和第二分束器均为偏振分光棱镜或块状双折射晶体。

进一步，所述的第一磁光晶体和第二磁光晶体均为tgg晶体或tgg陶瓷或tgg玻璃。

进一步，所述的第一旋光片和第二旋光片均为石英旋光片或二分之一波片。

进一步，所述第一磁光晶体的外周侧环设有第一磁环，所述的第二磁光晶体的外周侧环设有第二磁环。

作为本发明一种自适应热补偿高功率光隔离器的另外一种实施方式，可以将上述的自适应热补偿高功率隔离器的第一补偿器置于第一磁光晶体之前，将所述的第二补偿器置于第二磁光晶体之前。

采用上述的技术方案，本发明相较于现有技术，其所取得的有益效果为：通过使用负折射率温度系数材料制成的补偿器，使其对磁光晶体上的热透镜进行了补偿的同时，还使得通过两块性能参数相同的磁光晶体的光斑参数保持一致，从而对磁光晶体上的热致双折射进行了最佳补偿，采用此结构，在不同工作功率下热致双折射与热透镜效应都能得到最佳补偿消除，分束器使用双折射棱镜对结构，减少了o光与e光在分束器材料中的传输距离，从而减小了分束器材料对光束的吸收，降低了分束器的热透镜效应，通过本发明方案，还能对高激光功率所导致的热透镜和热致双折射进行最佳补偿，提高了高功率光隔离器的隔离度、光束质量和耐高功率性能，同时能对较低激光功率自适应热补偿。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述：

图1是本发明自适应热补偿高功率光隔离器实施例一的结构简要示意图；

图2是本发明自适应热补偿高功率光隔离器实施例一的正向通光示意图；

图3是本发明自适应热补偿高功率光隔离器实施例一的反向通光示意图；

图4是本发明自适应热补偿高功率光隔离器实施例二的结构简要示意图；

图5是本发明自适应热补偿高功率光隔离器实施例二的正向通光示意图；

图6是本发明自适应热补偿高功率光隔离器实施例二的反向通光示意图；

图7是本发明自适应热补偿高功率光隔离器实施例三的结构简要示意图；

图8是本发明自适应热补偿高功率光隔离器实施例三的正向通光示意图；

图9是本发明自适应热补偿高功率光隔离器实施例三的反向通光示意图。

具体实施方式

一种自适应热补偿高功率光隔离器，其包括依序设置的光纤准直器、入光光阑、第一分束器、第一旋光片、第一磁光晶体、第一补偿器、第二旋光片、第二磁光晶体、第二补偿器、第二分束器、出光光阑，所述的第一补偿器和第二补偿器均为负折射率温度系数材料制成，其分别置于第一磁光晶体和第二磁光晶体之后且用于让通过第一磁光晶体和第二磁光晶体的光斑参数保持一致，所述第一磁光晶体和第二磁光晶体的性能参数相同。

进一步，作为本发明第一分束器和第二分束器的其中一种结构实施方式，所述的第一分束器和第二分束器均为双折射棱镜对结构。

优选的，所述第一分束器和第二分束器的双折射棱镜对结构中的两个棱镜位置可互换。

进一步，作为本发明第一分束器和第二分束器的另外两种结构实施方式，所述的第一分束器和第二分束器均为偏振分光棱镜或块状双折射晶体。

进一步，所述的第一磁光晶体和第二磁光晶体均为tgg晶体或tgg陶瓷或tgg玻璃。

进一步，所述的第一旋光片和第二旋光片均为石英旋光片或二分之一波片。

进一步，所述第一磁光晶体的外周侧环设有第一磁环，所述的第二磁光晶体的外周侧环设有第二磁环。

作为本发明一种自适应热补偿高功率光隔离器的另外一种实施方式，可以将上述的自适应热补偿高功率隔离器的第一补偿器置于第一磁光晶体之前，将所述的第二补偿器置于第二磁光晶体之前。

实施例一

如图1所示，本发明自适应热补偿高功率光隔离器包括依序设置光纤准直器111、入光光阑112、第一分束器、第一旋光片114、第一磁光晶体115、第一补偿器116、第二旋光片117、第二磁光晶体118、第二补偿器119、第二分束器、出光光阑121，所述的第一磁光晶体115的外周侧环设有第一磁环122，所述的第二磁光晶体118的外周侧环设有第二磁环123。

第一分束器和第二分束器采用双折射棱镜对的结构方式，其中第一分束器的棱镜113a和棱镜113b的位置可互换，第二分束器的棱镜120a和棱镜120b的位置可互换，第一旋光片114可对正向传输光的偏振方向实现22.5度偏转，并与第一磁光晶体115和第二磁光晶体118对正向传输光偏振方向的偏转方向相反，第一旋光片114可对反向传输光的偏振方向实现22.5度偏转，并与第一磁光晶体115和第二磁光晶118体对反向传输光偏振方向的偏转方向一致。

第二旋光片117可对正向传输光的偏振方向实现67.5度偏转，并与第一磁光晶体115和第二磁光晶体118对正向传输光偏振方向的偏转方向相同，第二旋光片117可对反向传输光的偏振方向实现67.5度偏转，并与第一磁光晶体115和第二磁光晶体118对反向传输光偏振方向的偏转方向相反。

激光器的输出光经过光纤准直器111后变为准直光束，准直光束从入光光阑112的通光孔径通过，其通光孔径略大于准直光束直径。

本发明装置正向通光时的示意图如图2所示，准直光束入射到第一分束器的棱镜213a、213b上，会被分成偏振方向垂直的且传播方向一致的两束线偏光。

两束线偏光垂直入射进入第一旋光片214，偏振方向同时往顺时针方向（也可逆时针，根据设计需求）旋转了22.5度。

然后两束线偏光垂直入射进入第一磁光晶体215，偏振方向同时往逆时针方向（也可顺时针，根据设计需求）旋转了22.5度。然后两束线偏光进入了第一补偿器216，由于第一磁光晶体215对高功率的入射光有吸收，产生了热透镜效应，光束产生了变形，经过第一补偿器216后，光束恢复到了原来的状态。

两束线偏光经过第二旋光片217后，偏振方向往逆时针方向（也可逆时针，根据设计需求）旋转了67.5度。

然后两束线偏光垂直入射进入第二磁光晶体218，偏振方向同时往逆时针方向（也可顺时针，根据设计需求）旋转了22.5度。然后两束线偏光进入了第二补偿器219，由于第二磁光晶体218对高功率的入射光有吸收，产生了热透镜效应，光束产生了变形，经过第二补偿器219后，光束恢复到了原来的状态。

经过第一补偿器216的补偿，入射到第一磁光晶体215和第二磁光晶体218的光班参数一致，再加上光束进入第一磁光晶体215和第二磁光晶体218的线偏光的偏振方向垂直，从而对热致双折射进行了最佳补偿。

此时，两束线偏光的偏振方向相对第一分束器213后的线偏光而言总共往逆时针方向（也可顺时针，根据设计需求）旋转了90度，两束线偏光经过第二分束器的棱镜220a、220b后，重新耦合成一束准直光。

准直光从出光光阑的通光孔径通过，其通光孔径略大于此处的准直光束直径。实现了正向光传输的功能。

本发明自适应热补偿高功率光隔离器反向通光时的示意图如图3所示，回返光从出光光阑321的通光孔径通过，被第二分束器的棱镜320a、320b分为偏振方向垂直的两束线偏光，并按正向光光路通过了第二补偿器319和第二磁光晶体318，由于磁光晶体为非互易性器件，两束线偏光的偏振方向仍然同时往逆时针方向（也可顺时针，根据设计需求）旋转了22.5度。

然后两束线偏光经过第二旋光片317后，偏振方向往顺时针方向旋转了67.5度。

两束线偏光经过第一补偿器316后进入第一磁光晶体315，由于磁光晶体为非互易性器件，这两束线偏光经过第一磁光晶体315后，其偏振方向仍然同时往逆时针旋转了22.5度。

然后两束线偏光经过第一旋光片314后，偏振方向往逆时针方向旋转了22.5度。

此时，两束线偏光的偏振方向恢复到了经过第二分束器的棱镜320a、320b后的状态。

当这两束线偏光经过第一分束器的棱镜313a、313b后，没法再合成一束光，都被入光光阑312挡住，无法再进入光纤准直器311中，实现了隔离反向光的功能。

实施例二

如图4所示，本发明自适应热补偿高功率光隔离器包括依序设置的光纤准直器411、入光光阑412、第一分束器413、第一旋光片414、第一磁光晶体415、第一补偿器416、第二旋光片417、第二磁光晶体418、第二补偿器419、第二分束器420、出光光阑421，所述的第一磁光晶体415的外周侧环设有第一磁环422，所述的第二磁光晶体418的外周侧环设有第二磁环423。

本实施例的光隔离器结构与实施例一所述结构大致相同，区别在于第一分束器413和第二分束器420是采用偏振分光棱镜（pbs），反向的两束线偏光分别从偏振分光棱镜的侧面和正面透过，无法再进入光纤准直器411，其它结构和光路都与实施例一所述相同，便不再赘述。

本实施例的自适应热补偿高功率光隔离器的正向通光示意图如图5所示，其中示出的光纤准直器511、入光光阑512、第一分束器513、第一旋光片514、第一磁光晶体515、第一补偿器516、第二旋光片517、第二磁光晶体518、第二补偿器519、第二分束器520、出光光阑421、第一磁光晶体415的外周侧环设的第一磁环522、第二磁光晶体518的外周侧环设的第二磁环523均与图4所示的结构相同。

本实施例的自适应热补偿高功率光隔离器的反向通光示意图如图6所示，其中示出的光纤准直器611、入光光阑612、第一分束器613、第一旋光片614、第一磁光晶体615、第一补偿器616、第二旋光片617、第二磁光晶体618、第二补偿器619、第二分束器620、出光光阑621、第一磁光晶体615的外周侧环设的第一磁环622、第二磁光晶体618的外周侧环设的第二磁环623均与图4所示的结构相同。

实施例三

如图7所示，本发明自适应热补偿高功率光隔离器包括依序设置的光纤准直器711、入光光阑712、第一分束器713、第一旋光片714、第一磁光晶体715、第一补偿器716、第二旋光片717、第二磁光晶体718、第二补偿器719、第二分束器720、出光光阑721,所述的第一磁光晶体715的外周侧环设有第一磁环722，所述的第二磁光晶体718的外周侧环设有第二磁环723。

本实施例的光隔离器结构与实施例一所述结构大致，区别在于第一分束器713和第二分束器720是采用块状双折射晶体，其它结构和光路都与实施例一所述相同，便不再赘述。

本实施例的自适应热补偿高功率光隔离器的正向通光示意图如图8所示，其中示出的光纤准直器811、入光光阑812、第一分束器813、第一旋光片814、第一磁光晶体815、第一补偿器816、第二旋光片817、第二磁光晶体818、第二补偿器819、第二分束器820、出光光阑821、第一磁光晶体815的外周侧环设的第一磁环822、第二磁光晶体818的外周侧环设的第二磁环823均与图7所示的结构相同。

本实施例的自适应热补偿高功率光隔离器的反向通光示意图如图9所示，其中示出的光纤准直器911、入光光阑912、第一分束器913、第一旋光片914、第一磁光晶体915、第一补偿器916、第二旋光片917、第二磁光晶体918、第二补偿器919、第二分束器920、出光光阑921、第一磁光晶体915的外周侧环设的第一磁环922、第二磁光晶体918的外周侧环设的第二磁环823均与图7所示的结构相同。

综合上述实施例所述，由于第一补偿器和第二补偿器采用负折射率温度系数材料制成，其作用是让通过第一磁光晶体和第二磁光晶体的光斑参数保持一致，因此本发明自适应热补偿高功率光隔离器的实施结构也可以将第一补偿器置于第一磁光晶体之前，将所述的第二补偿器置于第二磁光晶体之前进行使用，其余结构均与上述各实施例的实施结构相同，便不再赘述。

虽然以上结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员在依照本发明的精神和范围的情况下所做出的等效修饰及变化，均落入所附权利要求所限定的范围之内。