双端输出光纤激光器及多模合束光纤激光器的制作方法

1.本发明属于光纤激光器技术领域，特别涉及一种双端输出光纤激光器及一种多模合束光纤激光器。


背景技术：

2.光纤激光器通常由泵浦源、光纤合束器、反射光栅、增益光纤、包层光滤除器和光纤端帽组成。泵源光通过光纤合束器合束后注入到增益光纤中，在两个反射光栅组成的光学谐振腔作用下，增益光纤内形成激光，再经过包层光滤除器滤除包层光后，激光最终经过光纤端帽输出。
3.目前限制单腔结构光纤激光器冲击更高功率的原因主要为增益光纤的拉曼效应，增大增益光纤直径和减少增益光纤长度可以减低拉曼效应，然而增益光纤直径增大，会带来激光模式的增多，导致激光器稳定性下降；增益光纤长度减少又会降低激光器的光光转换效率。
4.以上因素是目前高功率光纤激光器的痛点，亟待解决。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种双端输出光纤激光器及一种多模合束光纤激光器，能够在提高激光器输出功率的同时，有效改善增益光纤的拉曼效应，提高激光器稳定性。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.第一方面，本发明实施例提供一种双端输出光纤激光器，包括第一半导体激光器和第二半导体激光器，还包括通过信号传能光纤依次连接的第一光纤端帽、第一包层光滤除器、第一光纤合束器、第一低反射光栅、第一增益光纤、第一高反射光栅、第二高反射光栅、第二增益光纤、第二低反射光栅、第二光纤合束器、第二包层光滤除器、第二光纤端帽；所述第一半导体激光器通过泵浦传能光纤连接所述第一光纤合束器，所述第二半导体激光器通过泵浦传能光纤连接所述第二光纤合束器；所述第一低反射光栅和所述第一高反射光栅构成第一光学谐振腔，所述第二低反射光栅和所述第二高反射光栅构成第二光学谐振腔。
8.在一种可能的实现方式中，所述第一低反射光栅和所述第二低反射光栅的反射率在5％-50％之间；所述第一高反射光栅和所述第二高反射光栅的反射率在50％-99％之间。
9.在一种可能的实现方式中，所述第一光学谐振腔与所述第二光学谐振腔产生的激光波长不同。
10.在一种可能的实现方式中，所述第一光学谐振腔与所述第二光学谐振腔产生的激光波长相同。
11.在一种可能的实现方式中，所述第一光学谐振腔与所述第二光学谐振腔共用同一块水冷板。
12.在一种可能的实现方式中，还包括第一功率放大组件和/或第二功率放大组件，所述第一功率放大组件设置在所述第一光纤端帽与所述第一包层光滤除器之间，所述第二功率放大组件设置在所述第二光纤端帽与所述第二包层光滤除器之间。
13.在一种可能的实现方式中，所述第一功率放大组件包括第三半导体激光器以及通过信号传能光纤依次连接的第三光纤合束器、第三增益光纤和第三包层光滤除器，所述第三半导体激光器通过泵浦传能光纤连接所述第三光纤合束器；所述第二功率放大组件包括第四半导体激光器以及通过信号传能光纤依次连接的第四光纤合束器、第四增益光纤和第四包层光滤除器，所述第四半导体激光器通过泵浦传能光纤连接所述第四光纤合束器。
14.第二方面，本发明实施例提供另一种双端输出光纤激光器，包括第一半导体激光器和第二半导体激光器，还包括通过信号传能光纤依次连接的第一光纤端帽、第一包层光滤除器、第一光纤合束器、第一低反射光栅、第一增益光纤、第三高反射光栅、第二增益光纤、第二低反射光栅、第二光纤合束器、第二包层光滤除器、第二光纤端帽；所述第一半导体激光器通过泵浦传能光纤连接所述第一光纤合束器，所述第二半导体激光器通过泵浦传能光纤连接所述第二光纤合束器；所述第一低反射光栅和所述第三高反射光栅构成第一光学谐振腔，所述第二低反射光栅和所述第三高反射光栅构成第二光学谐振腔。
15.在一种可能的实现方式中，所述第一低反射光栅和所述第二低反射光栅的反射率在5％-50％之间；所述第三高反射光栅的反射率在50％-99％之间。
16.第三方面，本发明实施例提供一种多模合束光纤激光器，包括多个合束子模块，所述合束子模块采用上述的双端输出光纤激光器。
17.本发明的优点及有益效果是：
18.本发明实施例提供的两种双端输出光纤激光器，均包括两个光学谐振腔、两个增益光纤、两套泵浦源，一方面两个光学谐振腔各自产生的激光可以经各自的低反射光栅透射出，并通过各自的光纤端帽输出，实现两路激光的同时输出，提高激光器的输出功率，这样在保证激光器输出同等功率的情况下，可以减短单个光学谐振腔的增益光纤长度，降低腔内的功率密度，改善增益光纤的拉曼效应，提高激光器稳定性；另一方面两个光学谐振腔的高反射光栅互相连接，一个光学谐振腔中被高反射光栅透射出的泵浦光，可以注入到另一个光学谐振腔中，使两个光学谐振腔互用对方透射出的泵浦光，保证泵浦光的充分吸收，提高激光器的光光转换效率。
19.本发明实施例提供的多模合束光纤激光器，合束子模块采用上述的双端输出光纤激光器，有助于实现多模合束光纤激光器系统的小型化和高效率。
20.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
21.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
22.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
23.图1为本发明实施例提供的一种双端输出光纤激光器的结构示意图；
24.图2为本发明实施例提供的一种双端设置功率放大组件的双端输出光纤激光器的结构示意图；
25.图3为本发明实施例提供的另一种双端输出光纤激光器的结构示意图。
26.附图中：1-第一光纤端帽；2-第一包层光滤除器；3-第一光纤合束器；4-第一低反射光栅；5-第一增益光纤；6-第一高反射光栅；7-第二高反射光栅；8-第二增益光纤；9-第二低反射光栅；10-第二光纤合束器；11-第二包层光滤除器；12-第二光纤端帽；13-第一半导体激光器；14-第二半导体激光器；15-第三光纤合束器；16-第三半导体激光器；17-第三增益光纤；18-第三包层光滤除器；19-第四光纤合束器；20-第四半导体激光器；21-第四增益光纤；22-第四包层光滤除器；30-第三高反射光栅。
具体实施方式
27.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
28.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
29.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.本发明公开了一种双端输出光纤激光器，包括两个光学谐振腔、两个增益光纤、两套泵浦源，每个光学谐振腔由一低反射光栅和一高反射光栅构成，两个光学谐振腔的高反射光栅相互熔接或者共用同一个高反射光栅。该双端输出光纤激光器在工作过程中，一方面两个光学谐振腔各自产生的激光经各自的低反射光栅透射出，并通过各自的光纤端帽输出，可实现两路激光的同时输出，提高激光器的输出功率；另一方面两个光学谐振腔通过高反射光栅可以互用对方透射出的泵浦光，保证泵浦光的充分吸收，提高激光器的光光转换效率。
31.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此次所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
32.实施例1
33.参见图1所示，本发明实施例1提供的双端输出光纤激光器，包括第一半导体激光器13和第二半导体激光器14，还包括通过信号传能光纤依次连接的第一光纤端帽1、第一包层光滤除器2、第一光纤合束器3、第一低反射光栅4、第一增益光纤5、第一高反射光栅6、第二高反射光栅7、第二增益光纤8、第二低反射光栅9、第二光纤合束器10、第二包层光滤除器
11、第二光纤端帽12；第一半导体激光器13通过泵浦传能光纤连接第一光纤合束器3，第二半导体激光器通过泵浦传能光纤连接第二光纤合束器10；其中，第一低反射光栅4和第一高反射光栅6构成第一光学谐振腔，第二低反射光栅9和第二高反射光栅7构成第二光学谐振腔。
34.由图1可知，本发明实施例1提供的双端输出光纤激光器，包括两个光学谐振腔、两个增益光纤、两套泵浦源，两个光学谐振腔各自的高反射光栅互相熔接。
35.一方面，该双端输出光纤激光器在工作过程中，两个光学谐振腔各自产生的激光经各自的低反射光栅透射出，并通过各自的光纤端帽输出，可实现两路激光的同时输出，提高激光器的输出功率，这样在保证激光器输出同等功率的情况下，可以减短单个光学谐振腔的增益光纤长度，降低腔内的功率密度，改善增益光纤的拉曼效应，提高激光器稳定性。
36.具体地，第一半导体激光器13产生的泵浦光经泵浦传能光纤注入第一光纤合束器3，然后经信号传能光纤从第一低反射光栅4端注入到第一光学谐振腔，第一增益光纤5在泵浦光的激励和谐振腔的作用下，产生第一激光，第一激光从第一低反射光栅4透射出，依次经过第一光纤合束器3和第一包层光滤除器2后由第一光纤端帽1输出。同样，第二半导体激光器14产生的泵浦光经泵浦传能光纤注入第二光纤合束器10，然后经信号传能光纤从第二低反射光栅9端注入到第二光学谐振腔，第二增益光纤8在泵浦光的激励和谐振腔的作用下，产生第二激光，第二激光从第二低反射光栅9透射出，依次经过第二光纤合束器10和第二包层光滤除器11后由第二光纤端帽12输出。
37.以单台激光器需要40m长的增益光纤为例，若采用本发明实施例1的双端输出光纤激光器，在保证激光器输出同等功率的情况下，两个光学谐振腔内的增益光纤长度可以均是20m，通过两个光学谐振腔共同使用40m增益光纤，使单个光学谐振腔长度大幅减小，可有效改善增益光纤的拉曼效应。
38.另一方面，该双端输出光纤激光器在工作过程中，第一光学谐振腔中被第一高反射光栅6透射出的泵浦光，可以注入到第二光学谐振腔中，第二光学谐振腔中被第二高反射光栅7透射出的泵浦光，可以注入到第一光学谐振腔中，使两个光学谐振腔互用对方透射出的泵浦光，保证泵浦光的充分吸收，提高激光器的光光转换效率。
39.可以理解的是，本发明实施例1中的两个低反射光栅既是光学谐振腔的反射器件也是输出耦合器件，它们的光纤纤芯直径均与信号传能光纤的直径匹配。两个低反射光栅将增益光纤产生的激光部分反射回光学谐振腔内、部分从光学谐振腔透射输出，可实现两路激光的同时输出，提高激光器的输出功率。本发明实施例1中的两个高反射光栅主要用作光学谐振腔的反射器件，同时也可以是输出耦合器件，它们的光纤纤芯直径相互匹配。通过将两个高反射光栅在非与增益光纤连接的一端互相熔接在一起，一个光学谐振腔吸收不了的泵浦光可以通过高反射光栅进入到另一个光学谐振腔中被再次吸收，可保证泵浦光的充分吸收，提高激光器光光转换效率。
40.光栅反射率会影响反馈回光学谐振腔内的激光功率进而影响激光输出功率。光学谐振腔内的激光功率过高会引发受激拉曼散射(srs)，srs的出现会限制激光器输出功率的提高。优选实施方式中，第一低反射光栅4和第二低反射光栅9的反射率选择在5％-50％之间，第一高反射光栅6和第二高反射光栅7的反射率选择在50％-99％之间。在选择光栅反射率时，需要综合考虑激光器的输出功率和拉曼效应，在激光器输出功率满足要求的前提下
尽量减低拉曼效应，提高激光器稳定性。
41.光学谐振腔的两侧光栅的中心波长需要匹配，才能实现激光振荡和激光输出，光学谐振腔产生的激光波长是由增益光纤和两侧光栅的中心波长共同决定。本发明实施例1的两个光学谐振腔产生的激光波长可以相同，也可以不同。例如，第一低反射光栅4和第一高反射光栅6匹配出的中心波长为l1，第二低反射光栅9和第二高反射光栅7匹配出的中心波长为l2，若l1等于l2，则第一光学谐振腔与第二光学谐振腔产生的激光波长相同，若l1不等于l2，则第一光学谐振腔与第二光学谐振腔产生的激光波长不同。
42.本发明实施例1的双端输出光纤激光器根据应用需要可以输出单波长激光也可以输出双波长激光。例如在功率合束应用中，可以控制两个光学谐振腔产生相同波长的激光。相较于同等功率只有一个光学谐振腔的光纤激光器而言，双端输出相同波长的激光在进行功率合束时，有利于减少传输光纤中的功率密度，减少高功率激光输出时的拉曼效应，进而减小拉曼效应对输出功率提升的影响，从而实现更高的激光功率输出。然而在其他一些应用中，例如光纤传感、光器件测试、光波分复用系统、太赫兹波产生等领域，可以控制两个光学谐振腔产生不同波长的激光。
43.本发明实施例1使用的增益光纤为掺稀土离子的增益光纤，可用于激光的产生和传输。增益光纤的横截面结构选自双包层或三包层结构的光纤横截面结构中的一种；纤芯中掺杂稀土离子，用于产生激光，包层中不掺稀土离子，用于传输泵浦光。增益光纤的长度根据激光器的设计决定，两个光学谐振腔中的增益光纤长度可以相同，也可以不同。而且，两个光学谐振腔中的增益光纤的型号参数可相同或不同，本发明实施例对增益光纤的长度以及型号参数不作限定。
44.本发明实施例1使用的半导体激光器是可以使增益光纤产生上能级粒子的激励源，它包括与增益光纤吸收峰匹配的多个波段的半导体激光器。信号传能光纤为用于激光传输的非掺稀土离子光纤，其横截面结构为双包层或三包层结构。泵浦传能光纤为用于泵浦激光传输的非掺稀土子光纤，其结构目前多为双包层结构，它的优点在于不需要将泵浦能量直接耦合到模场直径相对较小的光纤中去,可以更适用于采用低成本的大模场(多模)高功率的半导体激光器。
45.本发明实施例1使用的光纤合束器，信号激光能够在正反两个方向低损耗地传输，泵浦光能够在正向低损耗地传输。泵浦光注入光纤合束器的方式可以是端面泵浦、侧面泵浦以及其他的泵浦方式。其中端面泵浦是一束或多束泵浦光耦合到光纤端面中去；侧面泵浦是泵浦光耦合到光纤的一侧，通过耦合器耦合到光纤的内包层中。
46.本发明实施例1使用的包层光滤除器可滤除信号光纤中的残留泵浦光和高阶模式，其几何尺寸与信号传能光纤的几何尺寸相同。本发明实施例使用的光纤端帽可将信号传能光纤中的信号光扩束输出，降低输出端面的功率密度，提高激光器的可靠性。
47.综上所述，本发明实施例1提供的双端输出光纤激光器包括两个光学谐振腔、两个增益光纤、两套泵浦源，一方面两个光学谐振腔各自产生的激光通过各自的低反射光栅透射出，并通过各自的光纤端帽输出，可实现两路激光的同时输出，提高了激光器的输出功率，这样在保证激光器输出同等功率的情况下，可以减短单个光学谐振腔的增益光纤长度，降低腔内的功率密度，改善增益光纤的拉曼效应，提高激光器稳定性；另一方面两个光学谐振腔的高反射光栅互相连接，可以使两个光学谐振腔互用对方透射出的泵浦光，保证泵浦
光的充分吸收，提高激光器的光光转换效率。
48.此外，本发明实施例1的双端输出光纤激光器是在一套光学组件、驱动电源和控制模块构成的全光纤激光器系统中实现两台传统激光器的功率输出，能够降低激光器的体积、重量和物料成本。两个激光输出头可以同步使用在两台切割机床，有助于提高激光器的利用率，提高切割效率。盘放光纤的水冷板可以是一块也可以是多块拼接，在两个光学谐振腔共用同一块水冷板的情况下，例如两个光学谐振腔分别放置在同一块水冷板的正反两面，还可以进一步降低激光器的体积、重量和物料成本。
49.实施例2
50.为进一步提高激光器的输出功率，参见图2所示，本发明实施例2提供的双端输出光纤激光器，在上述实施例1的基础上，还可以包括第一功率放大组件和/或第二功率放大组件，其中第一功率放大组件设置在第一光纤端帽1与第一包层光滤除器2之间，第二功率放大组件设置在第二光纤端帽12与第二包层光滤除器11之间。
51.容易理解，可以根据激光器功率输出的需要，仅对其中一端输出的激光进行功率放大，例如仅在第一光纤端帽1与第一包层光滤除器2之间设置第一功率放大组件，或者仅在第二光纤端帽12与第二包层光滤除器11之间设置第二功率放大组件。当然在必要时也可以对双端输出的激光同时分别进行功率放大，此时第一功率放大组件和第二功率放大组件均需要设置。
52.进一步参见图2所示，第一功率放大组件包括第三半导体激光器16以及通过信号传能光纤依次连接的第三光纤合束器15、第三增益光纤17和第三包层光滤除器18，第三半导体激光器16通过泵浦传能光纤连接第三光纤合束器15。第二功率放大组件包括第四半导体激光器20以及通过信号传能光纤依次连接的第四光纤合束器19、第四增益光纤21和第四包层光滤除器22，第四半导体激光器20通过泵浦传能光纤连接第四光纤合束器19。
53.其中，第三光纤合束器15和第四光纤合束器19可以是正向合束器也可以是反向合束器。以第一功率放大组件为例，图2所示的第三光纤合束器15是作为反向合束器进行的设置，第三半导体激光器16产生的泵浦光经由第三光纤合束器15合束后反向传输至第三增益光纤17。第一光学谐振腔产生的激光作为种子激光，经由第三光纤合束器15输出至第三增益光纤17，进入第三增益光纤17内的种子激光在泵浦光的激励作用下，对种子激光的功率进行放大，输出功率密度更高的激光，然后经由第三包层光滤除器18滤除掉残留泵浦光和高阶模式后，由第一光纤端帽1输出。
54.本发明实施例2的第一功率放大组件和第二功率放大组件，采用的是主控振荡器的功率放大器(master oscillatorpoweramplifier，mopa)结构。本发明实施例2的一端或两端输出激光经过功率放大，可以满足千瓦级高功率方面的应用。
55.实施例3
56.参见图3所示，本发明实施例3提供的双端输出光纤激光器，包括第一半导体激光器13和第二半导体激光器14，还包括通过信号传能光纤依次连接的第一光纤端帽1、第一包层光滤除器2、第一光纤合束器3、第一低反射光栅4、第一增益光纤5、第三高反射光栅30、第二增益光纤8、第二低反射光栅9、第二光纤合束器10、第二包层光滤除器11、第二光纤端帽12；第一半导体激光器13通过泵浦传能光纤连接第一光纤合束器3，第二半导体激光器通过泵浦传能光纤连接第二光纤合束器10；其中，第一低反射光栅4和第三高反射光栅30构成第
一光学谐振腔，第二低反射光栅9和第三高反射光栅30构成第二光学谐振腔。
57.由图3可知，本发明实施例3提供的双端输出光纤激光器，包括两个光学谐振腔、两个增益光纤、两套泵浦源，两个光学谐振腔共用同一个高反射光栅。
58.在选择光栅反射率时，需要综合考虑激光器的输出功率和拉曼效应。优选实施方式中，第一低反射光栅4和第二低反射光栅9的反射率选择在5％-50％之间，第三高反射光栅30的反射率选择在50％-99％之间，能够在保证激光器输出功率满足要求的同时，减低拉曼效应，提高激光器稳定性。
59.在本发明实施例3的方案中，第一光学谐振腔与第二光学谐振腔产生的激光波长相同，双端输出的激光波长基本一致。这是因为，激光波长是由增益光纤以及高反射光栅和低反射光栅的中心波长共同决定的，本发明实施例3的方案中只有一个高反射光栅，两个低反射光栅的中心波长均需要与该高反射光栅的中心波长一致，从而使得第一光学谐振腔与第二光学谐振腔产生的激光波长相同。
60.同上述实施例1，本发明实施例3的双端输出光纤激光器在工作过程中：一方面，两个光学谐振腔各自产生的激光经各自的低反射光栅透射出，并通过各自的光纤端帽输出，可实现两路激光的同时输出，提高激光器的输出功率，这样在保证激光器输出同等功率的情况下，可以减短单个光学谐振腔的增益光纤长度，降低腔内的功率密度，改善增益光纤的拉曼效应，提高激光器稳定性。另一方面，第一光学谐振腔中被第三高反射光栅30透射出的泵浦光，可以注入到第二光学谐振腔中，第二光学谐振腔中被第三高反射光栅30透射出的泵浦光，可以注入到第一光学谐振腔中，使两个光学谐振腔互用对方透射出的泵浦光，保证泵浦光的充分吸收，提高激光器的光光转换效率。
61.相比于上述实施例1使用两个高反射光栅相熔接的方案，本发明实施例3由于只使用一个高反射光栅，相比于上述实施例1，减少了一个高反射光栅，可以节约器件成本；在光光转换效率上会比上述实施例1的不共用高反射光栅方案稍微降低3％-5％，但仍足够满足实际的激光功率输出。
62.实施例4
63.本发明实施例4提供一种多模合束光纤激光器，包括多个合束子模块，这些合束子模块采用的是上述实施例1-3的双端输出光纤激光器。
64.多模合束光纤激光器是目前提高激光输出功率的主要方式，是将多个低功率的合束子模块，经过信号合束器合束后实现高功率的激光输出。因此多模合束光纤激光器需要多个低功率的合束子模块组成，通过提高各合束子模块的功率和效率，将有利于提高多模合束光纤激光器的功率和效率。
65.如上面所阐述的，本发明实施例1-3的双端输出激光纤激光器可以提高激光器的输出功率和光光转换效率，通过将上述实施例1-3的双端输出光纤激光器作为合束子模块(需要将两个输出端帽去掉)应用到本发明实施例4中，能够提高多模合束光纤激光器的功率和效率，有助于实现多模合束光纤激光器系统的小型化和高效率。
66.一种优选实施方式，控制作为合束子模块的双端输出光纤激光器的两个光学谐振腔产生相同波长的激光，这样相较于同等功率只有一个谐振腔的光纤激光器而言，双端输出相同波长的激光在功率合束时，有利于减少传输光纤中的功率密度，减少高功率激光输出时的拉曼效应，进而减小拉曼效应对输出功率提升的影响，从而实现更高的激光功率输
出。
67.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。