一种光纤激光器的制作方法

1.本实用新型涉及光学设备领域，具体而言，涉及一种光纤激光器。


背景技术：

2.光纤激光器具备具有良好的光束质量、单色性与稳定性，并且还有转化效率高、结构简单、体积小、柔性传输等优点，广泛应用在工业加工、通讯、医疗、国防等领域，随着光纤激光器技术的发展，激光的功率越来越高，但是伴随激光的功率不断提升，当激光功率达到模式不稳定阈值，激光就会出现模式不稳定效应，大大限制了激光的输出功率。
3.针对相关技术中，光纤激光器无法有效抑制模式不稳定阈值等问题，尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

4.本实用新型实施例提供了一种光纤激光器，以至少解决光纤激光器无法有效抑制模式不稳定阈值的技术问题。
5.根据本实用新型实施例的一个实施例，提供了一种光纤激光器，包括：增益光纤，其中，
6.所述增益光纤盘绕成多个光纤线圈，所述多个光纤线圈盘绕成柱形结构，所述多个光纤线圈中每个光纤线圈的直径小于或者等于目标直径。
7.可选的，所述光纤激光器，包括：谐振腔结构，第一模式剥除器和第一输出头，其中，
8.所述谐振腔结构的输出端与所述第一模式剥除器的输入端连接，所述第一模式剥除器的输出端与所述第一输出头连接，所述增益光纤设置在所述谐振腔结构内。
9.可选的，所述谐振腔结构，包括：第一合束器、多个第一半导体激光器、第一光纤光栅、所述增益光纤、第二光纤光栅、第二合束器、多个第二半导体激光器，其中，
10.所述多个第一半导体激光器分别连接所述第一合束器的一端，所述第一合束器的另一端与所述第一光纤光栅连接，所述增益光纤连接在所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅之间，所述第二光纤光栅与所述第二合束器的一端连接，所述多个第二半导体激光器和所述第一模式剥除器分别与所述第二合束器的另一端连接。
11.可选的，所述第一光纤光栅包括第一反射率的光纤光栅，其中，所述第一反射率高于第一阈值；所述第二光纤光栅包括第二反射率的反光纤光栅，其中，所述第二反射率低于第二阈值。
12.可选的，所述光纤激光器，包括：种子源，放大器，第二模式剥除器和第二输出头，其中，
13.所述种子源的输出端与所述放大器的输入端连接，所述放大器的输出端与所述第二模式剥除器的输入端连接，所述第二模式剥除器的输出端与所述第二输出头连接，所述增益光纤设置在所述放大器内。
14.可选的，所述放大器，包括：第三合束器、多个第三半导体激光器、所述增益光纤、第四合束器、多个第四半导体激光器，其中，
15.所述多个第三半导体激光器分别连接所述第三合束器的一端，所述第三合束器的另一端与所述增益光纤的一端连接，所述增益光纤的另一端与所述第四合束器的一端连接，所述多个第四半导体激光器和所述第二模式剥除器分别与所述第四合束器的另一端连接。
16.可选的，所述光纤激光器还包括：光纤盘绕柱，其中，所述增益光纤盘绕在所述光纤盘绕柱上，所述光纤盘绕柱内部设置有第一冷却液腔，所述第一冷却液腔中填充有第一冷却液，所述第一冷却液腔与所述增益光纤接触。
17.可选的，所述光纤激光器还包括：光纤冷却装置，其中，所述光纤冷却装置中设有增益光纤安装腔和第二冷却液腔，所述光纤盘绕柱安装在所述增益光纤安装腔内，所述第二冷却液腔中填充有第二冷却液，所述第二冷却液腔与所述增益光纤接触。
18.根据本实用新型实施例的一个实施例，所述第一冷却液腔与所述第二冷却液腔连通。
19.可选的，所述增益光纤包括数值孔径为目标数值孔径的增益光纤，其中，所述目标数值孔径低于数值孔径阈值。
20.在本实用新型实施例中，光纤激光器包括增益光纤，该增益光纤盘绕成多个光纤线圈，多个光纤线圈盘绕成柱形结构，多个光纤线圈中每个光纤线圈的直径小于或者等于目标直径，即，通过柱形盘绕的方式将增益光纤盘绕成多个光纤线圈，为了有效地抑制模式不稳定阈值，将每一个光纤线圈的直径小于或者等于目标直径，使得增益光纤输出的激光对应的模式不稳定阈值被抑制在尽可能大的目标范围内。采用上述技术方案，解决了相关技术中，光纤激光器无法有效抑制模式不稳定阈值等问题，实现了光纤激光器有效抑制模式不稳定阈值的技术效果。
附图说明
21.此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本技术的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
22.图1是根据本实用新型实施例的一种光纤激光器的增益光纤盘绕的示意图；
23.图2是根据本实用新型实施例的一种抑制模式不稳定的谐振腔光纤激光器的结构框图；
24.图3是根据本实用新型实施例的一种抑制模式不稳定的谐振腔光纤激光器的示意图；
25.图4是根据本实用新型实施例的一种抑制模式不稳定的光纤激光器的谐振腔结构图的示意图；
26.图5是根据本实用新型实施例的一种抑制模式不稳定的放大器光纤激光器的示意图；
27.图6是根据本实用新型实施例的一种抑制模式不稳定的放大器光纤激光器的结构框图；
28.图7是根据本实用新型实施例的一种抑制模式不稳定的光纤激光器的放大器结构图的示意图；
29.图8根据本实用新型实施例的一种光纤盘绕柱结构示意图；
30.图9根据本实用新型实施例的一种光纤冷却装置结构示意图。
具体实施方式
31.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
32.需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
33.在本实施例中提供了一种光纤激光器，图1是根据本实用新型实施例的一种光纤激光器的增益光纤盘绕的示意图，如图1所示，包括：增益光纤102，其中，所述增益光纤102盘绕成多个光纤线圈(102-1至102-n)，所述多个光纤线圈(102-1至102-n)盘绕成柱形结构，所述多个光纤线圈(102-1至102-n)中每个光纤线圈的直径小于或者等于目标直径；所述目标直径用于将所述增益光纤输出的激光所对应的模式不稳定阈值抑制在目标范围内，其中，所述模式不稳定阈值为使所述增益光纤输出的激光产生模式不稳定效应的最小激光功率。
34.通过上述实施例，通过柱形盘绕的方式将增益光纤盘绕成多个光纤线圈，为了有效地抑制模式不稳定阈值，将每一个光纤线圈的直径小于或者等于目标直径，使得增益光纤输出的激光对应的模式不稳定阈值被抑制在尽可能大的目标范围内。采用上述技术方案，解决了相关技术中，光纤激光器无法有效抑制模式不稳定阈值等问题，实现了光纤激光器有效抑制模式不稳定阈值的技术效果。
35.可选地，在本实施例中，增益光纤可以但不限于为低数值孔径的增益光纤，其中，低数值孔径的增益光纤具备良好的光束约束性能，可以有效地抑制模式不稳定效应。
36.可选地，在本实施例中，多个光纤线圈盘绕成柱形结构中柱形结构可以但不限于为圆柱形，其中，多个光纤线圈盘可以但不限于为同心圆。
37.可选地，在本实施例中，模式不稳定效应可以但不限于指激光在达到某一特定阈值后，纤芯中的基模开始与高阶模式发生非线性耦合，输出激光功率在基模与高阶模式之间来回跳变，光束质量急剧退化的现象。
38.可选地，在本实施例中，模式不稳定阈值可以但不限于为使所述增益光纤输出的激光产生模式不稳定效应的最小激光功率，也就是说，提升造成模式不稳定效应的最小激
光功率，就是抑制模式不稳定阈值。
39.在一个示例性实施例中，图2是根据本实用新型实施例的一种抑制模式不稳定的谐振腔光纤激光器的结构框图；如图2所示，包括：谐振腔结构202，第一模式剥除器204和第一输出头206，其中，所述谐振腔结构的输出端与所述第一模式剥除器的输入端连接，所述第一模式剥除器的输出端与所述第一输出头连接，所述增益光纤设置在所述谐振腔结构内；所述谐振腔结构，用于通过所述增益光纤产生功率高于第一功率阈值的第一激光；所述第一模式剥除器，用于对所述第一激光进行模式剥除，得到第二激光；所述第一输出头，用于输出所述第二激光。
40.可选地，在本实施例中，图3是根据本实用新型实施例的一种抑制模式不稳定的光纤激光器的示意图；如图3所示，光纤激光器可以但不限于由包括泵浦/信号合束器1、半导体激光器2、高反光纤光栅3、低数值孔径的增益光纤4、圆柱形冷却板5、冷却液6、装冷却液的密封壳体7、低反光纤光栅8、泵浦/信号合束器9、半导体激光器10、模式剥除器11和输出头(qbh)12组成，其中，高低反光纤光栅组成激光器的谐振腔，低数值孔径的增益光纤在谐振腔内作为增益介质，将低数值孔径的增益光纤，盘绕在刻有一定直径的同心圆槽的圆柱形冷却板上，将盘绕低数值孔径的增益光纤的圆柱形冷却板放入装有冷却液的壳体中。其中，泵浦/信号合束器1的泵浦尾纤和半导体激光器2的尾纤相熔接，信号/泵浦合束器1的输出尾纤熔接于使用与低数值孔径增益光纤相同数值孔径光纤制作的高反光纤光栅3的入射端，高反光纤光栅3的出射端和低数值孔径增益光纤4相熔接，低数值增益光纤的长度根据该光纤对半导体激光器的吸收效率而定。然后增低数值孔径益光纤4的另一端熔接于使用与低数值孔径增益光纤相同数值孔径光纤制作的低反光纤光栅8的入射端。低反光纤光栅8的输出端熔接于泵浦/信号合束器9，泵浦/信号合束器9的泵浦尾纤和半导体激光器10的尾纤相熔接。高反光纤光栅3和低反光纤光栅8构成激光器的谐振腔。低反光纤光栅的反射部分作为反馈信号，在谐振腔内形成振荡，其透射部分作为激光器的输出。低反光栅输出端与模式剥除器(cps)11熔接，通过输出头(qbh)12，实现激光输出。
41.可选地，在本实施例中，谐振腔结构可以但不限于为任何可以产生特定波长的驻波的结构或者结构，比如：光纤光栅或者金属壁面，光束在反射单元之间来回震荡，产生并加强特定频率的光束，上述反射单元构成谐振腔，通过控制谐振腔线度条件来产生特定波长的驻波，其余的波长则被抑制减弱，比如，可以但不限于在增益光纤介质上直接用紫外刻写相移光栅以构成谐振腔，只需在增益光纤上刻写一个光栅即可实现对激光波长的选择。
42.可选地，在本实施例中，第一模式剥除器可以但不限于是具备除去光纤的包层光，包括透明涂覆、套塑材料的漏光功能的装置。其可以但不限于是表面刻有一条弯曲的槽的一块平板，槽内放有高折射率的液体，使包层光可以从包层中折射而出。
43.可选地，在本实施例中，第一输出头可以但不限于是在激光输出的过程中，负责数据的读取工作的装置，激光头可以但不限于包括：激光发生器(又称激光二极管)，半反光棱镜，物镜，透镜以及光电二极管这几部分。
44.在一个示例性实施例中，图4是根据本实用新型实施例的一种抑制模式不稳定的光纤激光器的谐振腔结构图的示意图，如图4所示，所述谐振腔结构，包括：第一合束器402、多个第一半导体激光器(404-1至404-m)、第一光纤光栅406、所述增益光纤408、第二光纤光栅410、第二合束器412、多个第二半导体激光器(414-1至414-p)，其中，所述多个第一半导
体激光器分别连接所述第一合束器的一端，所述第一合束器的另一端与所述第一光纤光栅连接，所述增益光纤连接在所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅之间，所述第二光纤光栅与所述第二合束器的一端连接，所述多个第二半导体激光器和所述第一模式剥除器分别与所述第二合束器的另一端连接。
45.可选地，在本实施例中，光纤光栅可以但不限于是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，可以是一种无源滤波器件。
46.可选地，在本实施例中，合束器可以但不限于是将多路光束合束到一根光纤中输出，主要用来提高光束的功率的装置。
47.在一个示例性实施例中，所述第一光纤光栅包括第一反射率的光纤光栅，其中，所述第一反射率高于第一阈值；所述第二光纤光栅包括第二反射率的反光纤光栅，其中，所述第二反射率低于第二阈值。
48.可选地，在本实施例中，第一光纤光栅可以但不限于是高反光纤光栅，第二光纤光栅可以但不限于是低反光纤光栅，也就是说，光纤光栅一方面可以将信号光束缚在谐振腔内进行正反馈，另一方面通过低反光栅端输出有效的信号激光。其中，高反光纤光栅，典型光栅峰值反射率在99.5％以上；另外一种是低反光纤光栅，也称输出光栅，典型光栅峰值反射率在10％左右。
49.在一个示例性实施例中，图5是根据本实用新型实施例的一种抑制模式不稳定的放大器光纤激光器的示意图，如图5所示，所述光纤激光器，包括：种子源52，放大器54，第二模式剥除器56和第二输出头58，其中，所述种子源的输出端与所述放大器的输入端连接，所述放大器的输出端与所述第二模式剥除器的输入端连接，所述第二模式剥除器的输出端与所述第二输出头连接，所述增益光纤设置在所述放大器内；所述种子源，用于发射第三激光；所述放大器，用于通过所述增益光纤将所述第三激光转换为功率高于第二功率阈值的第四激光；所述第二模式剥除器，用于对所述第四激光进行模式剥除，得到第五激光；所述第二输出头，用于输出所述第五激光。
50.可选地，在本实施例中，可以但不限于采用mopa结构，将种子光进行功率放大。图6是根据本实用新型实施例的一种抑制模式不稳定的放大器光纤激光器的结构框图；如图6所示，可以但不限于包括种子源1、泵浦/信号合束器2、半导体激光器3、低数值孔径的增益光纤4、圆柱形冷却板5、冷却液6、装冷却液的密封壳体7、泵浦/信号合束器8、半导体激光器9、模式剥除器10和输出头(qbh)11。两个泵浦/信号合束器组成激光器的放大器腔，低数值孔径的增益光纤在腔内作为增益介质，将低数值孔径的增益光纤，盘绕在刻有一定直径的同心圆槽的圆柱形冷却板上，将盘绕低数值孔径的增益光纤的圆柱形冷却板放入装有冷却液的壳体中。具体实施如下：种子光1输出尾纤熔接于使用与低数值孔径增益光纤相同数值孔径光纤制作的泵浦/信号合束器2的信号纤，该合束器的输出端和低数值增益光纤4相熔接，半导体激光器3的输出尾纤和合束器的泵浦纤熔接，低数值增益光纤4另一端和使用与低数值孔径增益光纤相同数值孔径光纤制作的泵浦/信号合束器8的输出端相连接，半导体激光器9的输出尾纤和合束器的泵浦纤熔接。最后经过模式剥除器(cps)10，通过输出头(qbh)11，实现放大激光输出。将种子光进行了功率放大，满足了百瓦级中高功率和千瓦级高功率等方面的应用。
51.可选地，在本实施例中，种子源可以但不限于是具备具产生高光束质量的种子信
号光和泵浦光的装置，其中，种子源输出功率可大可小，因而输出光较易做到所需的时域、频域特性和保持良好的光束质量。
52.可选地，在本实施例中，放大器可以但不限于是将具有高光束质量的种子信号光和泵浦光，通过一定的方式耦合进双包层光纤进行放大，从而实现对种子光源的高功率放大。在保证了输出光的高光束质量的同时又实现了高功率、高能量输出。
53.在一个示例性实施例中，图7是根据本实用新型实施例的一种抑制模式不稳定的光纤激光器的放大器结构图的示意图，如图7所示，所述放大器，包括：第三合束器702、多个第三半导体激光器(704-1至704-r)、所述增益光纤706、第四合束器708、多个第四半导体激光器(710-1至710-s)，其中，所述多个第三半导体激光器分别连接所述第三合束器的一端，所述第三合束器的另一端与所述增益光纤的一端连接，所述增益光纤的另一端与所述第四合束器的一端连接，所述多个第四半导体激光器和所述第二模式剥除器分别与所述第四合束器的另一端连接。
54.可选地，在本实施例中，合束器可以但不限于是将多路光束合束到一根光纤中输出，主要用来提高光束的功率的装置。
55.在一个示例性实施例中，图8根据本实用新型实施例的一种光纤盘绕柱结构示意图，如图8所示，所述光纤激光器还包括：光纤盘绕柱82，其中，所述增益光纤盘绕在所述光纤盘绕柱上，所述光纤盘绕柱内部设置有第一冷却液腔84，所述第一冷却液腔中填充有第一冷却液86，所述第一冷却液腔与所述增益光纤接触。
56.可选地，在本实施例中，将低数值孔径增益光纤按照一定直径盘绕在圆柱形冷却板刻的槽内。
57.在一个示例性实施例中，所述光纤激光器还包括：光纤冷却装置，其中，所述光纤冷却装置中设有增益光纤安装腔和第二冷却液腔，所述光纤盘绕柱安装在所述增益光纤安装腔内，所述第二冷却液腔中填充有第二冷却液，所述第二冷却液腔与所述增益光纤接触。
58.可选地，在本实施例中，图9根据本实用新型实施例的一种光纤冷却装置结构示意图，如图9所示，包括：5圆柱形冷却板、6冷却液和7装冷却液的密封壳体。在圆柱形冷却板上采用同心圆盘绕方式，不仅可以从反方向抑制模式不稳定，还可以从正方向的方式同时抑制。将盘绕光纤的圆柱形冷却板整体放入冷却液中，可以增加散热，提升模式不稳定阈值，还可以节省空间，减小体积。此外，谐振腔和放大器结构通过同心圆的盘绕方式，消除了正反向泵浦一端从大圈进入的问题；谐振腔和放大器结构将圆柱整体放入冷却液中，增加散热和空间利用率，避免了使用硅胶或者树脂胶进行散热胶水固化带来的应力。在高低反光纤光栅组成激光器的谐振腔中，将低数值孔径增益光纤按照一定直径盘绕在圆柱形冷5却板刻的槽内，并将盘绕好的圆柱形冷却板5放入装有冷却液的壳体7中，进行散热。在激光放大器中，同样地，将低数值孔径增益光纤按照一定直径盘绕在圆柱形冷却板5刻的槽内，并将盘绕好的圆柱形冷却板5放入装有冷却液的壳体7中，进行散热。
59.在一个示例性实施例中，所述第一冷却液腔与所述第二冷却液腔连通。
60.可选地，在本实施例中，第一冷却液腔和第二冷却液腔中的冷却液可以相同，此种结构，增大了散热效果。
61.在一个示例性实施例中，所述增益光纤包括数值孔径为目标数值孔径的增益光纤，其中，所述目标数值孔径低于数值孔径阈值。
62.可选地，在本实施例中，增益光纤可以为为低数值孔径的增益光纤，其中，低数值孔径的增益光纤具备良好的光束约束性能，可以有效地抑制模式不稳定效应。其中，使用低数值孔径的增益光纤，通过弯曲的方式，将高阶模损耗，增加模式不稳定阈值，并且，激光器谐振腔和放大器结构是由低数值孔径增益光纤和与之数值孔径相匹配的光纤制作的其他器件组成的，增加模式不稳定阈值，提升激光输出功率。
63.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。