一种多功能集成高功率全光纤器件的制作方法

本发明是一种多功能集成高功率全光纤器件，属于激光领域，尤其属于高功率全光纤激光器领域。

技术背景

高功率全光纤激光器由于其光束质量好、集成度高、体积小、转换效率高、易维护等诸多的优异特性，近年来在工业、国防军事、医疗等领域的应用越来越广泛。随着高功率光纤激光器应用领域的不断拓展，对光纤激光器的输出功率和光束质量的要求越来越高。如汽车、飞机、大型船舶的制造业中，对厚金属板的激光成型、焊接和切割等加工，需要光纤激光器的输出功率达到千瓦级乃至万瓦级。单模或准单模kW级全光纤激光器由于加工效果好而备受市场好评。

但是在高功率光纤激光器的制造中，受高功率光纤器件承受能力、熔接点的处理工艺、高亮度泵浦源的功率、整体集成的稳定性等因素制约，目前单纤的功率在千瓦量级。目前只有少数公司可以的生产2kW以上的高亮度的光纤激光器，也只有少数公司掌握着高功率全光纤器件的核心技术，如ITF公司制作高功率泵浦合束器和高功率光纤光栅等全光纤器件。而且商业化的高功率全光纤器件都是分立制作和出售。如高功率光纤光栅、高功率泵浦合束器、高功率包层光滤除器、输出端帽等都是分立制作，各器件的尾纤都在1～2m的长度，且在选择器件的时候需要考虑各器件尾纤数值孔径和纤径的匹配性。此外，在制作高功率光纤激光器时需要将各个器件通过熔接链接，在制作工程化或者商业化的光纤激光器需要将各个熔接点涂覆，并加以冷却或者封装保护，这样既增加了光纤激光器的传输光纤的长度，降低非线性效应的阈值，又使得光纤激光器的集成度降低，同时还有熔点损耗导致的激光泄露和散热等问题。尤其在高功率光纤激光器的输出端，通常需要对输出端另加一些包层光滤除，端面保护措施。包括输出端的高功率光纤光栅、高功率泵浦合束器在内，所需的器件一般在3～4个，各器件之间都需要相应匹配熔接。

一个集成高功率全光纤器件即可实现多个功能，且各个器件之间的集成度高。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决技术背景中存在的问题以及目前高功率全光纤器件存在的缺陷，提供一种集成高功率全光纤器件，

一种多功能集成高功率全光纤器件，包括高功率泵浦合束器50和包层光滤除器60，其特征在于，所述的高功率泵浦合束器50输出端和包层光滤除器60的输入端由一根无源双包层光纤40无熔点相连，包层光滤除器60的输出端与双包层光纤40无熔点相连接。

所述的高功率泵浦合束器50的输入端通过双包层光纤40与高功率光纤光栅30的输出端无熔点相连接，高功率光纤光栅30的输入端无熔点相连接有双包层光纤40。

所述的包层光滤除器60输出端与双包层光纤40无熔点相连接，其双包层光纤40的另一端与输出端帽70无熔相连接。

所述的高功率光纤光栅30输入端连接的双包层光纤40的，其双包层光纤40的另一端在高功率光纤激光器中与增益光纤相熔接。

所述的高功率泵浦合束器件为(N+1)×1型，N＜19。

本发明的有益效果是：该集成高功率全光纤器件具有结构紧凑，可靠性高，易于集成，免维护，该集成高功率全光纤器件可以实行商业化生产。

此外，可以根据实际需要将本集成高功率全光纤器件做删减即可实现其他功能，如去除输出端帽，适用于谐振腔与放大级之间相连接；去除光纤光栅和输出端帽，适用于放大级与放大级之间相连接。都实现高度集成，减少熔点。也有利于实际高功率光纤激光器中的热沉集中设计，使得冷却水路紧凑实现高效制冷。

附图说明

图1、本发明结构示意图；适用于放大级与放大级之间相连接的集成高功率全光纤器件结构示意图

图2、本发明实施例二结构示意图；其适用于谐振腔与放大级之间相连接的集成高功率全光纤器件结构示意图

图3、本发明实施例一结构示意图；

具体实施方式

一种多功能集成高功率全光纤器件，包括高功率泵浦合束器50和包层光滤除器60，其特征在于，所述的高功率泵浦合束器50输出端和包层光滤除器60的输入端由一根无源双包层光纤40无熔点相连，包层光滤除器60的输出端与双包层光纤40无熔点相连接。

所述的高功率泵浦合束器50的输入端通过双包层光纤40与高功率光纤光栅30的输出端无熔点相连接，高功率光纤光栅30的输入端无熔点相连接有双包层光纤40。

所述的包层光滤除器60输出端与双包层光纤40无熔点相连接，其双包层光纤40的另一端与输出端帽70无熔相连接。

所述的高功率光纤光栅30输入端连接的双包层光纤40的，其双包层光纤40的另一端在高功率光纤激光器中与增益光纤相熔接。

所述的高功率泵浦合束器件为(N+1)×1型，N＜19。

为此，本发明公开一种集成高功率全光器件，适用于高功率光纤激光器谐振腔的输出端，将高功率泵浦合束器、高功率光纤光栅、包层光滤除器、输出端帽集成到一个全光纤器件上。这样减少高功率光纤激光器内的熔点数，缩减了光纤长度，提高高功率全光纤激光器的集成度，并提高了非线性效应的阈值，一定程度上避免了非线性效应。从整体上保证了光纤器件的一致性，可以提高高功率光纤激光器的稳定性。

例如将本发明集成高功率全光纤器件的输出端帽70去除，即可作为一种适用于谐振腔与放大级之间相连接的集成高功率全光纤器件，结构如图2所示；将本发明集成高功率全光纤器件的高功率光纤光栅30和输出端帽70去除，即可作为适用于高功率光纤激光器放大级与放大级之间相连接的集成高功率全光纤器件。对本发明结构的简单形式调整或减除，都在本发明专利的保护范围之内。

实施例一：

结合附图对本发明做如下详细说明。

本发明的集成高功率全光纤器件，其结构包括高功率光纤光栅30，高功率泵浦合束器50，包层光滤除器60，输出端帽70。其中高功率泵浦合束器为(N+1) ×1型，其包括泵浦臂的尾纤20，尾纤的封装端帽1～N。除输出端帽70外，高功率光纤光栅30、高功率泵浦合束器50的锥区、包层光滤除器60都需要用金属元件封装，在高功率激光输出时封装的金属元件都需要外接水冷热沉进行散热处理，以保证各单元器件的安全运行。

本发明的集成高功率全光纤器件的结构示意图如图3所示，本发明所采用的全部单元器件通过双包层光纤40相连接，且各个单元器件之间的连接没有熔点，不破坏双包层光纤40的完整性和一致性。双包层光纤40纤径可以是10/130μm，15/130μm，20/400μm，25/400μm，30/400μm 30/250μm，30/600μm等规格的无源传能光纤。

高功率光纤光栅30的反射端为双包层光纤40，该段双包层光纤的长度为80～150cm，高功率光纤光栅的另外一端与高功率泵浦合束器50的泵浦合束端通过双包层光纤40相连接，该段双包层光纤的长度为20～40cm。高功率光纤光栅的作用是作为高功率光纤激光器的输出端，其反射率为低反，反射率一般在5～50％之间，该反射率参数可根据谐振腔设计需求来制定反射率，大部分高功率光纤激光器的低反光栅的反射率在10％左右。高功率光纤光栅30的栅区加金属元件封装，一方面是为了保护光栅栅区，一方面是为了方便与金属热沉接触冷却，金属元件的封装尺寸在长度60mm左右，宽度在15mm左右，一般采用导热性能好的铝合金材料封装。高功率泵浦合束器50的泵浦合束端通过双包层光纤40与高功率光纤光栅40相连接，其另外一端的信号纤也即双包层光纤40与包层光滤除器60相连接，该段双包层光纤的长度为20～40cm。高功率泵浦合束器50为(N+1)×1型，一般(N+1)×1常用有(2+1)×1，(4+1)×1，(6+1)×1等规格。高功率泵浦合束器50的泵浦臂尾纤20一端与高功率泵浦合束器50拉锥区域连接，泵浦臂尾纤20纤径不大于双包层光纤40，泵浦臂尾纤20的长度为150～200cm，且N个泵浦臂尾纤20都采用塑料套管封装，起到保护左右，在泵浦臂尾纤20的另一端封装好端帽1～N，端帽1～N的设计与半导体激光器的输出端相匹配，该端帽1～N可以直接插入半导体激光器的输出端，例如SMA0.5Q的尾纤和其端帽可直接插入到Dilas的半导体激光器中作为半导体激光器的输出尾纤。这种设计既避免了高功率泵浦合束器50的泵浦臂尾纤20与半导体激光器的输出尾纤之间的熔接，又实现了灵活的模块化功能，端帽1～N在不用时加套管保护好即可，下一次使用无需清洗处理。

包层光滤除器60的输入端与高功率泵浦合束器50的泵浦端信号纤也即双包 层光纤40无熔点相连接，包层光滤除器60的输出端与输出端帽70通过双包层光纤40无熔点相连接，该段双包层光纤40的长度为20～40cm。包层光滤除器60的功能是通过折射率引导将包层中传输的激光和剩余泵浦光泄露出来，也即模式滤除，将输出高功率激光中的高阶模式激光成份滤除掉，改善输出激光的光束质量，使得输出高功率激光为单模或准单模输出。器对包层中传输的光滤除的能力大于200W，基本能保证kW级的光纤激光器中包层中的高阶模式光滤除干净。输出端帽70与包层光滤除器60之间通过双包层光纤40无熔点相连接，器功能是为了保护输出作用的双包层光纤40，将细纤芯中的激光扩束以后再输出，降低激光的功率密度，以保护普通的双包层光纤的端面。在高功率激光输出时，尤其是脉冲激光输出时，纤芯中的激光功率密度很高，已经超过了纤芯的损伤阈值，普通抛光的光纤端面还具有一定的菲尼尔反射，给光纤激光器带来一定的返回光影响谐振腔的稳定性。输出端帽70的输出表面镀有激光波长的增透膜，输出面带有5～10°的倾斜角度，这样既防止了菲尼尔反射，又扩大输出光斑直径。

本发明的集成高功率全光器件，整体长度小于3m，单个分立的全光纤器件的单边尾纤长度一般在2m左右，高功率光纤光栅30、高功率泵浦合束器50，包层光滤除器60、输出端帽70的总体尾纤长度加起来超过14m，传输光纤越长，其对应的非线性效应如SRS、SBS效应的阈值就越低，给光纤激光器的稳定运行带来风险。办发明的集成高功率全光纤器件，大大缩减了整体传输光纤的长度，一定程度上避免非线性效应。

本领域的技术人员应当认识到，以上实施方法仅是用来说明本发明，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实施方法的变化、变型都将落在本发明的保护范围。

实施例二：

在高功率光纤激光技术领域，全光纤器件的集成度和承受功率水平制约着高功率光纤激光器的输出功率。目前，实验和生产中采用的全光纤器件都是分立器件，需要将各个器件通过光纤熔接机熔接实现集成，这样增加了光纤的长度，也增加了光纤激光器内熔点个数。在高功率光纤激光器的封装过程中需要将各熔点涂覆或单独封装加以保护。尤其在高功率光纤激光器的输出端，通常需要对输出端另加一些包层光滤除，端面保护措施。包括输出端的高功率光纤光栅、高功率泵浦合束器在内，所需的器件一般在3～4个，各器件之间都需要相应匹 配熔接。

本发明公开一种集成高功率全光纤器件，适用于高功率光纤激光器的输出端。将高功率泵浦合束器、高功率光纤光栅、包层光滤除器、输出端帽集成到一个全光纤器件上，同时泵浦合束器的泵浦臂采用插拔式结构，不用再与半导体激光器的尾纤熔接。本发明结构紧凑，提高高功率光纤激光器的集成度，缩短光纤的长度，提高高功率光纤激光器的非线性效应阈值，增加高功率光纤激光器的稳定性。

一种集成高功率全光纤器件，其结构包括高功率泵浦合束器、高功率光纤光栅、包层光滤除器、输出端帽。

所述的高功率泵浦合束器、高功率光纤光栅、包层光滤除器、输出端帽由一根无源双包层光纤相连。

所述的高功率光纤光栅一端是双包层光纤，该双包层光纤端在高功率光纤激光器中与增益光纤相熔接；另一端与高功率泵浦合束器通过双包层光纤无熔点相连接。

所述的高功率光纤光栅为低反光栅，一般反射率在5～50％，光栅栅区可以承受kW级以上的激光功率。

所述的高功率泵浦合束器的合束端的双包层光纤与高功率光纤光栅无熔点相连接，泵浦臂端的信号纤也即双包层光纤与包层光滤除器通过双包层光纤无熔点连接。

所述的高功率泵浦合束器由泵浦臂尾纤、端帽、信号纤也即双包层光纤组成。其中泵浦臂尾纤的纤径不大于信号纤。

所述的高功率泵浦合束器件为(N+1)×1型，N＜19。

所述的高功率泵浦合束器的泵浦纤单臂能承受200W以上的泵浦光。

所述的高功率泵浦合束器件的泵浦臂为封装好的光纤及端的光纤和端帽接头可直接插入Dilas的高功率半导体激光器。

所述的包层光滤除器一端与泵浦合束器通过双包层光纤无熔点相连接，另外一端是双包层光纤所熔接的输出端帽，

所述的包层光滤除器，其功能是滤除双包层光纤包层中传输的光，改善输出的光束质量。其对包层光滤除的能力大于200W。

所述的输出端帽其熔接双包层光纤与包层光滤除器相连接，其为纯石英材 料。

所述的高功率泵浦合束器、高功率光纤光栅、包层光滤除器、输出端帽。在高功率激光输出时，各器件都要通过水冷热沉进行冷却保护。

所述的集成高功率全光纤器件，采用的光纤都为无源低损耗光纤。

本发明将高功率光纤光栅、高功率泵浦合束器、包层光滤除器、输出端帽集成到一个全光纤器件上。各器件都由一根双包层光纤相连接，消除了光纤激光器中的各器件和光纤相连接的诸多熔点。

本发明集成高功率全光纤器件适用于高功率光纤激光器的输出端。本发明中的高功率光纤光栅为低反射光栅，反射率一般在5～50％，相对应的波长可以为500～2300nm之间的波长，波长选择取决于增益光纤的类型，以及所设计的高功率光纤激光器的所需的波长；本发明中的高功率泵浦合束器为(N+1)×1型，其功能既是将泵浦光导入到高功率光纤激光器的谐振腔，又作为高功率光纤激光器的激光功率输出器件之一，其泵浦臂的尾纤采用端帽封装结构，可以直接插入到半导体激光器的输出端，插拔式设计避免了半导体激光器的输出尾纤与泵浦臂尾纤之间的熔接；包层光滤除器是利用折射率引导将包层中传输的激光和泵浦光滤除掉，以保证输出的高功率激光为高光束质量的激光，滤除后可以近单模输出；输出端帽是为了避免纤芯中高功率密度的激光对纤芯造成损伤，将纤芯中的激光扩束后再输出。选择本发明的集成高功率全光纤器件，整个光纤激光器的谐振腔和输出部分只需两个熔点，为无源器件的尾纤和增益光纤两端的熔接点。