一种具有抗纤芯反射光功能的光纤激光器的制作方法

本发明属于激光技术领域，涉及一种具有抗纤芯反射光功能的光纤激光器，尤其涉及一种用于工业加工的具有抗纤芯反射光功能的全光纤结构高功率单模掺镱连续光纤激光器。

背景技术：

光纤激光具有高效率、高光束质量、高紧凑度等优点，被广泛应用于现代高科技工业加工技术中。目前，工业材料加工主要采用高功率多模激光。相比于多模光纤激光，高功率单模光纤激光具有更高的光束质量，在一些需要极高亮度的材料加工应用中，如远程加工、精细加工以及加工高反射率材料（铜，铝等）时具有更大的优势。

然而将高功率单模光纤激光用于材料加工依旧面临挑战。在加工过程中，材料表面产生的反射光将从输出端帽进入单模光纤激光器的输出光纤中。这些反射光可以进一步被分为两种成分：（1）进入光纤激光器输出光纤包层中的反射光（以下简称包层回光）；（2）进入输出光纤纤芯中的反射光（以下简称纤芯回光，包括信号光波段纤芯回光以及拉曼纤芯回光）。包层回光可以采用传统的包层光滤除器滤除，因此包层回光对单模光纤激光器的影响较小。纤芯回光由于在纤芯中传输，不能用包层光滤除器滤除，将返回光纤激光器中，导致光纤激光器内部器件（如指示光源，泵浦信号合束器）损坏。

申请号为cn201110164672.2的中国专利文献给出了一种带有防反射光功能的光纤激光加工装置，其原理是在输出端和加工材料表面之间加入偏光分束镜和四分之一波片，使得在加工表面产生的反射光经过四分之一波片后的偏振方向与原偏振方向垂直，被偏振分束镜反射至与光轴垂直的方向，通过防止反射光进入光纤激光器从而保护激光器的安全运行。然而，该专利文献的方案只适用于输出激光是线偏振激光的情况，对于非保偏光纤激光器而言并不适用。而目前，用于工业加工的大功率光纤振荡器或放大器均属于非保偏光纤激光器，因此上述专利文献的方案不能用于基于高功率非保偏光纤激光的工业加工装置中。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种抗纤芯反射光能力强、可用于高反射率材料工业加工的具有抗纤芯反射光功能的光纤激光器，该光纤激光器通过包层光滤除器之间的失配熔接以及低反向插损的泵浦信号合束器防止指示光源和泵浦信号合束器被纤芯回光损坏，通过采用反向泵浦降低拉曼光输出功率从而进一步减少拉曼纤芯回光的功率。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

一种具有抗纤芯反射光功能的光纤激光器，所述光纤激光器包括依次连接的指示光源1，高功率波分复用器，第一包层光滤除器，第二包层光滤除器，高反光栅，双包层掺镱光纤，低反光栅，泵浦信号合束器，第三包层光滤除器和输出端帽；所述第一包层光滤除器与第二包层光滤除器的熔接方式为失配熔接，所述泵浦信号合束器的正向传输插损和反向传输插损均小于0.2db，所述光纤激光器采用反向泵浦的泵浦方式。

上述的具有抗纤芯反射光功能的光纤激光器中，优选的，所述第一包层光滤除器与第二包层光滤除器进行失配熔接时，第一包层光滤除器的输出光纤与第二包层光滤除器的输入光纤仅纤芯轴线对准即可，第一包层光滤除器进入第二包层光滤除器的插入损耗≤0.45db，纤芯回光从第二包层光滤除器进入第一包层光滤除器的插入损耗≥9.8db。

上述的具有抗纤芯反射光功能的光纤激光器中，优选的，所述高功率波分复用器设有第一输入光纤、第二输入光纤和输出光纤，所述高功率波分复用器的输出光纤至第二输入光纤的插入损耗小于1db，输出光纤至第一输入光纤的插入损耗大于30db。

上述的具有抗纤芯反射光功能的光纤激光器中，优选的，所述高功率波分复用器的第二输入光纤的端面切斜角。

上述的具有抗纤芯反射光功能的光纤激光器中，优选的，所述高反光栅的中心波长在1060nm～1090nm之间，所述高反光栅在中心波长反射率不低于99%，3db带宽不低于2nm；所述低反光栅的中心波长与所述高反光栅一致，所述低反光栅在中心波长的反射率在5%～10%之间，3db带宽不超过1nm。

上述的具有抗纤芯反射光功能的光纤激光器中，优选的，所述光纤激光器还包括泵浦光源，所述泵浦光源与泵浦信号合束器的泵浦光纤熔接。

上述的具有抗纤芯反射光功能的光纤激光器中，优选的，所述指示光源的输出光纤与高功率波分复用器的第一输入光纤熔接，所述高功率波分复用器的输出光纤与第一包层光滤除器的输入光纤熔接，第一包层光滤除器的输出光纤与第二包层光滤除器的输入光纤熔接，第二包层光滤除器的输出光纤与高反光栅的输入光纤熔接，高反光栅的输出光纤与双包层掺镱光纤的输入端熔接，双包层掺镱光纤的输出端与低反光栅的输入光纤熔接，低反光栅的输出光纤与泵浦信号合束器的输出光纤熔接，泵浦信号合束器的信号光纤与第三包层光滤除器的输入光纤熔接，第三包层光滤除器的输出光纤与输出端帽的输入光纤熔接。

上述的具有抗纤芯反射光功能的光纤激光器中，优选的，所述指示光源的输入光纤和输出光纤均为单包层光纤，所述高功率波分复用器的第一输入光纤、第二输入光纤和输出光纤均为单包层光纤，所述第一包层光滤除器的输入光纤和输出光纤均为双包层光纤；

所述指示光源的输出光纤为单模光纤，所述指示光源输出光纤的纤芯直径为4μm～6μm，纤芯数值孔径为0.1～0.13，包层外径为125μm，指示光中心波长为635nm；

所述高功率波分复用器设置的第一输入光纤、第二输入光纤和输出光纤各自的纤芯直径、包层外径、纤芯数值孔径均与所述指示光源输出光纤的纤芯直径、包层外径、纤芯数值孔径对应相同；

所述第一包层光滤除器的输入光纤和输出光纤各自的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径均与所述指示光源输出光纤的纤芯直径、包层外径、纤芯数值孔径对应相同，所述第一包层光滤除器的输入光纤和输出光纤的内包层数值孔径为0.46～0.48。

上述的具有抗纤芯反射光功能的光纤激光器中，优选的，所述第二包层光滤除器、高反光栅、双包层掺镱光纤、泵浦信号合束器、低反光栅、第三包层光滤除器和输出端帽的输出光纤和输入光纤均为双包层光纤；

所述双包层掺镱光纤的输入光纤和输出光纤的纤芯直径为20μm～30μm，内包层外径为400μm，纤芯数值孔径为0.06～0.08，内包层数值孔径为0.46～0.48；

所述第二包层光滤除器的输入光纤和输出光纤各自的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径均与双包层掺镱光纤的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径对应相同；

所述第三包层光滤除器的输入光纤和输出光纤各自的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径均与双包层掺镱光纤的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径对应相同；

所述高反光栅的输入光纤和输出光纤各自的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径均与双包层掺镱光纤的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径对应相同；

所述低反光栅的输入光纤和输出光纤各自的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径均与双包层掺镱光纤的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径对应相同；

所述泵浦信号合束器的信号光纤和输出光纤各自的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径均与双包层掺镱光纤的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径对应相同；

所述输出端帽的输入光纤的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径均与双包层掺镱光纤的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径对应相同。

上述的具有抗纤芯反射光功能的光纤激光器中，优选的，所述光纤激光器为全光纤结构高功率单模连续光纤激光器。

本发明中，泵浦光源产生的泵浦光通过泵浦信号合束器的泵浦光纤反向进入低反光栅输出光纤的内包层中，接着进入由高反光栅、双包层掺镱光纤和低反光栅构成的谐振腔。泵浦光对掺杂光纤纤芯中的镱离子进行泵浦，并在光栅对的选模作用下产生激光。产生的激光沿纤芯依次通过低反光栅、泵浦信号合束器、第三包层光滤除器以及输出端帽，最终由输出端帽输出。未被吸收的泵浦光沿内包层从掺镱光纤的输入端通过高反光栅最终进入第二包层光滤除器并被滤除。

本发明中，高反光栅和低反光栅构成双包层光纤光栅对。

本发明中，第一包层光滤除器的输出光纤与第二包层光滤除器的输入光纤进行失配熔接，优选在熔接过程中仅考虑纤芯对准，以保证指示光从第一包层光滤除器进入第二包层光滤除器的插入损耗≤0.45db（透过率≥90%），纤芯回光从第二包层光滤除器进入第一包层光滤除器的插入损耗≥9.8db（透过率≤13%）。

本发明中，泵浦信号合束器的正向传输插损（从信号光纤纤芯至输出光纤纤芯）和反向传输插损（从输出光纤纤芯至信号光纤纤芯）均小于0.2db，以保证输出的激光和纤芯回光低损耗通过泵浦信号合束器。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明所用的泵浦信号合束器的反向插入损耗小于0.2db，可以确保大于95%以上的纤芯回光可以顺利通过泵浦信号合束器，进而实现即使在加工高反材料时，产生的纤芯回光不会烧毁泵浦信号合束器。

（2）本发明的第二包层光滤除器和第一包层光滤除器的熔点采用失配熔接，其前向传输插损≤0.45db，反向传输插损≥9.8db，可以实现在指示光低损耗通过失配熔点的同时，将87%以上的纤芯回光耦合进入第一包层光滤除器的内包层并被其滤除，结合高功率波分复用器，进一步保证指示光源的安全运行。

（3）本发明的光纤激光器采用反向泵浦的方式，可以降低输出激光中的拉曼光的功率，进而进一步减小拉曼纤芯回光的功率。

综上，通过本发明设计的光纤激光器，可以确保在加工高反材料时，所有包层的回光和绝大部分的纤芯回光会被包层光滤除器滤除或者从高功率波分复用器的第二输入光纤导出，从而保证泵浦信号合束器和指示光源的安全运行。

附图说明

图1为本发明实施例中具有抗纤芯反射光功能的光纤激光器的结构示意图（也是原理图）。

图2为本发明实施例中从高反光栅输入光纤输出的纤芯回光光谱。

图3为本发明实施例中失配熔点的正向传输特性。

图4为本发明实施例中失配熔点的反向传输特性。

图例说明：

1、指示光源；2、高功率波分复用器；3、第一包层光滤除器；4、失配熔点；5、第二包层光滤除器；6、高反光栅；7、双包层掺镱光纤；8、泵浦信号合束器；9、泵浦光源；10、低反光栅；11、第三包层光滤除器；12、输出端帽。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。

实施例1：

一种本发明的具有抗纤芯反射光功能的光纤激光器，如图1所示，该光纤激光器包括依次连接的指示光源1，高功率波分复用器2，第一包层光滤除器3，第二包层光滤除器5，高反光栅6，双包层掺镱光纤7，低反光栅10，泵浦信号合束器8，第三包层光滤除器11和输出端帽12，该光纤激光器还包括与泵浦信号合束器8连接的泵浦光源9。具体地，指示光源1的输出光纤与高功率波分复用器2的第一输入端熔接，高功率波分复用器2的输出光纤与第一包层光滤除器3的输入光纤熔接，第一包层光滤除器3的输出光纤与第二包层光滤除器5的输入光纤失配熔接，第二包层光滤除器5的输出光纤与高反光栅6的输入光纤熔接，高反光栅6的输出光纤与双包层掺镱光纤7的输入端熔接，双包层掺镱光纤7的输出端与低反光栅10的输入光纤熔接，低反光栅10的输出光纤与泵浦信号合束器8的输出光纤熔接，泵浦光源9与泵浦信号合束器8的泵浦光纤熔接，泵浦信号合束器8的信号光纤与第三包层光滤除器11的输入光纤熔接，第三包层光滤除器11的输出光纤与输出端帽12的输入光纤熔接。其中，高反光栅6和低反光栅10构成双包层光纤光栅对。一般来说泵浦光源9有很多个，泵浦信号合束器8的泵浦光纤也有很多根，每一个泵浦光源9与一根泵浦光纤熔接。

本实施例中，第一包层光滤除器3与第二包层光滤除器5的熔接方式为失配熔接，二者在进行失配熔接时，第一包层光滤除器3的输出光纤与第二包层光滤除器5的输入光纤仅考虑纤芯轴线对准，第一包层光滤除器3进入第二包层光滤除器5的插入损耗≤0.45db（透过率≥90%），纤芯回光从第二包层光滤除器5进入第一包层光滤除器3的插入损耗≥9.8db（透过率≤13%）。

本实施例中，泵浦信号合束器8的正向传输插损（从信号光纤纤芯至输出光纤纤芯）和反向传输插损（从输出光纤纤芯至信号光纤纤芯）均小于0.2db，以保证输出的激光和纤芯回光低损耗通过泵浦信号合束器。

本实施例中，光纤激光器采用反向泵浦的方式，以降低输出激光中的拉曼光功率，减小拉曼纤芯回光的功率。

本实施例中，高功率波分复用器2设有第一输入光纤、第二输入光纤和输出光纤，高功率波分复用器2的输出光纤至第二输入光纤的插入损耗小于1db，输出光纤至第一输入光纤的插入损耗大于30db。高功率波分复用器2的第二输入光纤的端面切斜角。

本实施例中，高反光栅6的中心波长为1080nm，高反光栅6在中心波长反射率不低于99%，3db带宽不低于2nm；低反光栅10的中心波长与高反光栅6一致，低反光栅10在中心波长的反射率在5%～10%之间，3db带宽不超过1nm。

本实施例中，指示光源1的输入光纤和输出光纤均为单包层光纤，高功率波分复用器2的第一输入光纤、第二输入光纤和输出光纤均为单包层光纤，第一包层光滤除器3的输入光纤和输出光纤均为双包层光纤；指示光源1的输出光纤为单模光纤，指示光源1输出光纤的纤芯直径为4μm，纤芯数值孔径为0.13，包层外径为125μm，指示光中心波长为635nm；高功率波分复用器2的第一输入光纤、第二输入光纤和输出光纤各自的纤芯直径、包层外径、纤芯数值孔径均与指示光源1输出光纤的纤芯直径、包层外径、纤芯数值孔径对应相同；第一包层光滤除器3的输入光纤和输出光纤为双包层光纤，各自的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径均与指示光源1输出光纤的纤芯直径、包层外径、纤芯数值孔径对应相同，第一包层光滤除器3的输入光纤和输出光纤的内包层数值孔径在0.46～0.48之间均可。

本实施例中，第二包层光滤除器5、高反光栅6、双包层掺镱光纤7、泵浦信号合束器8、低反光栅10、第三包层光滤除器11和输出端帽12的输出光纤和输入光纤均为双包层光纤；双包层掺镱光纤7的输入光纤和输出光纤纤芯直径在20μm～30μm之间均可，内包层外径为400μm，纤芯数值孔径为0.06，内包层数值孔径为0.46；第二包层光滤除器5的输入光纤和输出光纤各自的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径均与双包层掺镱光纤7的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径对应相同；第三包层光滤除器11的输入光纤和输出光纤各自的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径均与双包层掺镱光纤7的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径对应相同；高反光栅6的输入光纤和输出光纤各自的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径均与双包层掺镱光纤7的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径对应相同；低反光栅10的输入光纤和输出光纤各自的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径均与双包层掺镱光纤7的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径对应相同；泵浦信号合束器8的信号光纤和输出光纤各自的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径均与双包层掺镱光纤7的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径对应相同；输出端帽12的输入光纤的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径均与双包层掺镱光纤7的纤芯直径、内包层外径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径对应相同。

本实施例中，光纤激光器为全光纤结构高功率单模连续光纤激光器。

在本实施例的光纤激光器中，泵浦光通过泵浦信号合束器8的泵浦光纤反向进入低反光栅10的输出光纤内包层中，接着进入由高反光栅6、双包层掺镱光纤7和低反光栅10构成的谐振腔。泵浦光对掺杂光纤纤芯中的镱离子进行泵浦，并在光栅对的选模作用下产生激光。产生的激光沿纤芯依次通过低反光栅10、泵浦信号合束器8、第三包层光滤除器11以及输出端帽12，最终由输出端帽12输出。未被吸收的泵浦光沿内包层从双包层掺镱光纤7的输入端通过高反光栅6最终进入第二包层光滤除器5并被滤除。

本实施例的光纤激光器在加工高反材料时，产生的纤芯回光和包层回光将从输出端帽12反向耦合进入光纤激光器。包层回光被第三包层光滤除器11滤除，纤芯回光通过第三包层光滤除器11的纤芯进入泵浦信号合束器8的信号光纤。由于泵浦信号合束器8的反向插入损耗小于0.2db，大于95%以上的纤芯回光可以顺利通过泵浦信号合束器8，这确保了即使在加工高反材料时，产生的纤芯回光不会烧毁泵浦信号合束器8。透过泵浦信号合束器8的纤芯回光将继续进入谐振腔，其中，波长位于高反光栅6反射带宽之内的纤芯回光将被高反光栅6反射，并沿激光器输出方向传输，依次经过增益光纤、低反光栅10、泵浦信号合束器8、第三包层光滤除器11，最终从输出端帽12输出，因此其不会对激光器造成损伤。波长位于高反光栅6反射带宽之外的纤芯回光，如图2所示，包括信号光波段纤芯回光（1075nm～1085nm）和拉曼纤芯回光（1135nm附近），将沿高反光栅6输入光纤，反向进入第二包层光滤除器5，并通过第二包层光滤除器5和第一包层光滤除器3的熔点。由于第二包层光滤除器5和第一包层光滤除器3的熔点采用失配熔接，其反向传输插损≥9.8db，这使得87%以上的纤芯回光将耦合进入第一包层光滤除器3的包层，剩余的纤芯回光将进入第一包层光滤除器3的纤芯，这一部分回光将反向进入高功率波分复用器2并从其第二输入光纤输出，这保证了纤芯回光不会进入指示光源1而导致指示光源1烧毁。

以下提供第二包层光滤除器5的输入光纤纤芯直径为20μm时，失配熔点4的传输特性，其中前向传输特性如图3所示，其插入损耗为0.45db（透过率90%），这保证了指示光可以低损耗通过失配熔点4。图4展示了失配熔点4的反向传输特性，其反向传输插入损耗为9.8db，即87%的纤芯回光将在失配熔点4处耦合进入第一包层光滤除器3的输出光纤的内包层并进一步被第一包层光滤除器3滤除。

综上，本发明的具有抗纤芯反射光功能的光纤激光器通过采用失配熔接以及低反向插损的泵浦信号合束器，可以防止指示光源和泵浦信号合束器被由于加工高反射率材料产生的纤芯反射光损坏；通过采用反向泵浦，可以进一步减少拉曼纤芯反射光的功率；采用本发明设计的高功率光纤激光器，具有很强的抗纤芯反射光的能力，可以用于高反射率材料的工业加工。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。