光纤激光器的制作方法

1.本技术属于光纤激光技术领域，具体涉及一种光纤激光器。


背景技术：

2.激光加工是利用激光束与物质相互作用的特性，对材料进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等加工技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金和机械制造等多个领域。
3.光纤激光器是激光加工过程中最为关键的器件，其中的光纤由于是具有波导结构的高功率有源介质，因而能够产生衍射极限光束。有源光纤中，热量沿径向分散，使得光纤激光器可以在很高的热负荷下运转，产生极高的平均功率。
4.光纤激光器中光纤温度的升高会引起光纤折射率的变化，从而产生非线性拉曼效应和横模不稳定(transverse mode instability, tmi)）效应，成为目前影响光纤激光器实现高功率、高亮度输出的两大障碍。这里tmi是指随着平均功率的增加，有源光纤的热负荷急剧上升，平均功率超过某一阈值后，光纤激光的光束质量和稳定性会突然降低。
5.为了避免对激光性能的有害影响，现有技术通常通过外部散热的方式来降低光纤温度，此方式虽然能够避免光纤的热效应发生，但是却提高了系统的复杂度和设备成本。
6.因此，如何通过简便、低成本的方式避免因光纤温度升高导致的非线性拉曼效应和tmi效应，成为亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

7.（一）要解决的技术问题鉴于现有技术的上述缺点、不足，本技术提供一种光纤激光器。
8.（二）技术方案为达到上述目的，本技术采用如下技术方案：第一方面，本技术实施例提供一种光纤激光器，包括信号源、泵浦源、增益介质和谐振腔；所述增益介质包括n段不同吸收系数的有源光纤；其中，有源光纤的长度根据所述泵浦源总功率、输出光谱中非线性光谱的强度及每段有源光纤的吸收系数确定。
9.可选地，有源光纤的长度的确定方法，包括：根据所述泵浦源总功率和输出光谱中非线性光谱的强度确定有源光纤总损耗值q；选取不同吸收系数的有源光纤，并确定每段有源光纤的长度，使有源光纤的总损耗满足以下公式:其中，kn为第n段有源光纤的长度，mn为第n段有源光纤的吸收系数。
10.可选地，所述泵浦源为单向泵浦源或双向泵浦源；
当所述泵浦源为单向泵浦源时，n段有源光纤的吸收系数逐渐增大；当所述泵浦源为双向泵浦源时，若n为偶数，则从第1段有源光纤到第n/2段有源光纤的吸收系数逐渐升高，从第n/2+1到第n段有源光纤吸收系数逐渐降低；若n为奇数，则从第1段有源光纤到第（n+1）/2段有源光纤的吸收系数逐渐升高，从第（n+1）/2+1到第n段有源光纤吸收系数逐渐降低。
11.可选地，所述增益介质还包括1段作为种子级光纤的有源光纤，n段不同吸收系数的有源光纤作为放大级光纤对所述种子级光纤的信号进行放大；可选地，所述种子级光纤和所述放大级光纤的包层直径一致，所述放大级光纤的纤芯直径大于等于所述种子级光纤的纤芯直径，且每个放大级光纤的纤芯直径相同或者逐渐变大；所述种子级光纤的吸收系数小于任一放大级光纤的吸收系数，且种子级光纤的功率占总功率的范围为8%-12%。
12.可选地，所述泵浦源为带尾纤输出的半导体激光器，输出波长为915nm和/或976nm。
13.可选地，当输出波长为915nm时，所述预设损耗值为15 db，有源光纤总长度为10米。
14.可选地，所述信号源为红光半导体激光器，所述谐振腔包括高反光栅和低反光栅。
15.可选地，所述光纤激光器还包括包层光滤除器和激光输出头。
16.（三）有益效果本技术的有益效果是：本技术提出了一种光纤激光器，包括：信号源、泵浦源、增益介质和谐振腔；所述增益介质包括n段不同吸收系数的有源光纤；其中，有源光纤的长度根据所述泵浦源总功率、输出光谱中非线性光谱的强度及每段有源光纤的吸收系数确定。本技术通过使用多段不同吸收系数的有源光纤来解决在光纤激光器中吸收不均匀从而导致的光纤发热不均匀的问题，通过降低局部光纤的温度来提升tmi效应的阈值，以简便、低成本的方式避免了因光纤温度升高导致的非线性拉曼效应和tmi效应的发生。
附图说明
17.本技术借助于以下附图进行描述：图1为本技术实施例一提供的一种光纤激光器的结构示意图；图2为本技术实施例二提供的一种光纤激光器的结构示意图；图3为本技术实施例三提供的一种光纤激光器的结构示意图；图4为本技术实施例四提供的一种光纤激光器的结构示意图；图5为本技术实施例四提供的另一种光纤激光器的结构示意图；图6为本技术实施例五提供的一种光纤激光器的结构示意图。
18.附图标记：1、信号源；2、泵浦源；3、泵浦合束器；4、高反光栅； 5、增益介质；6、低反光栅；7、包层光滤除器；8、激光输出头；9、反向泵浦合束器；10、反向泵浦源；11、种子级；12、放大级；13、种子级正向合束器；14、放大级正向合束器；15、放大级反向合束器；16、种子级反向合束器；51、第一段有源光纤；52、第二段有源光纤。
具体实施方式
19.为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。可以理解的是，以下所描述的具体的实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合；为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
20.实施例一图1为本技术实施例一提供的一种光纤激光器的结构示意图，如图1所示，包括：信号源1、泵浦源2、增益介质5和谐振腔；增益介质5包括n段不同吸收系数的有源光纤；其中，有源光纤的长度根据所述泵浦源2总功率、输出光谱中非线性光谱的强度及每段有源光纤的吸收系数确定。
21.本技术通过使用多段不同吸收系数的有源光纤来解决在光纤激光器中吸收不均匀的问题，同时也解决了光纤发热不均匀的问题，通过降低局部光纤的温度来提升tmi效应的阈值，使得激光器的输出功率更高。
22.为了更好地理解本发明，以下对本实施例中的各部分进行展开说明。
23.本实施例中，信号源1为红光半导体激光器，红光半导体激光器为红光波长范围是625~740nm之间带尾纤的半导体激光器，输出光纤为（芯/包尺寸）4/125μm或者9/125μm，输出功率范围为10mw~100mw。
24.本实施例中，泵浦源2为一个或多个。泵浦源2为光纤激光器提供高功率、高亮度的泵浦光。泵浦源2为带尾纤输出的半导体激光器，波长为915nm或者976nm或者915nm与976nm双波长输出的泵源，输出尾纤直径为105/125nm或者135/155nm或者200/220nm或者220/242nm。
25.本实施例中，光纤激光器还包括泵浦合束器3，其能够将多个泵源的激光耦合入光纤，实现更高功率的泵浦激光输出。泵浦源2与泵浦合束器3的泵浦输入端连接，并被用于通过泵浦合束器3向增益光纤提供泵浦光。泵浦合束器3为（a+1）
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1合束器，a为任意整数，合束器类型根据所需要注入的泵浦功率以及泵浦和合束器输出光纤的参数来决定的，合束器泵浦端尾纤与泵源输出尾纤保持一致，合束器输出尾纤与有源光纤的纤芯和包层保持一致。
26.谐振腔包括高反光栅4和低反光栅6。高反光栅4的尾纤与有源光纤的纤芯和包层参数保持一致，同时包层光承受能力要大于泵浦合束器3输出的泵浦光功率，栅区的信号光承受要大于输出的总功率。光纤谐振腔可用于对输入的光信号进行反馈振荡，以及将经过振荡后的光信号输出至包层光滤除器7。
27.本实施例中，光纤激光器还包括包层光滤除器7、激光输出头8。包层光滤除器7可以有效的剥除激光器中的包层光，保护相关器件。包层光滤除器7的尾纤与有源光纤保持一致，将残余的泵浦光和包层中的信号光滤除掉，包层光滤除率大于20db。激光输出头8可以是qbh，qd输出，尾纤纤芯直径大于cps的纤芯直径。
28.本实施例中，信号源1、泵浦源2、泵浦合束器3、高反光栅4、增益介质5、低反光栅6、包层光滤除器7、激光输出头8依次连接。
29.本实施例中，增益介质5包括n段不同吸收系数的有源光纤，有源光纤总长度可以选择10m，或者根据总功率大小和输出光谱中非线性光谱的强度来任意调节，对915nm波段
泵浦光总的吸收大于15db，光纤的吸收系数从高反光栅端到低反光栅端n段有源光纤的吸收可以逐渐增大，设置第一段光纤的长度为k1，吸收系数为m1；第n段长度为kn，吸收系数为mn，那么设置的条件是：在保证输出光谱raman在合理范围内的条件下功率越大有源光纤的总长度设置越长，以此来增加光纤的散热面积从而降低光纤的温度。
30.通过使用多段吸收系数不同的光纤来使得泵浦光吸收的更加均匀，从而使得整体有源光纤的温度也变得更加均匀，同时也可以通过调节光纤的吸收和长度来进一步改善光路中的拉曼效应和tmi效应。
31.在工作状态下，有源光纤通过吸收泵源提供的能量，经有源光纤和光栅组成的谐振腔激励放大后输出激光。在此过程中，有源光纤的纤芯和包层几何尺寸保持一致，有源光纤的总长度根据总吸收系数来选取，通过靠近泵浦光输入端的位置选用低吸收的，远离的位置选用高吸收系数的光纤，从而可以实现光功率被均匀吸收。光纤段数量根据吸收泵浦功率来划分，比如选用2段光纤，通过吸收系数的选取保证两端光纤的吸收50%的泵浦光。
32.实施例二图2为本技术实施例二提供的一种光纤激光器的结构示意图，如图2所示，本实施例提供了一种光纤激光器，信号源1、泵浦源2、泵浦合束器3、高反光栅4、低反光栅6、包层光滤除器7、激光输出头8与实施例一相同，因此以下仅对本实施例中的增益介质5进行具体说明。
33.第一段有源光纤51为低吸收系数的光纤，纤芯直径可以为8微米到35微米之间的任意型号，光纤第一个包层直径从100微米到800微米之间的任意型号，对915nm波段的吸收系数为0.3db/m通过设计用10米来吸收3db的泵浦光；第二段有源光纤52对915nm波段泵浦光的吸收系数为1db/m，长度为12m，总吸收12db；两段有源光纤对泵浦光的吸收达到了15db，同时使得激光的能量在有源光纤内部得到了均匀分布，以此来降低了有源光纤局部发热的情况同时也减短了光纤的长度，此方式解决了低吸收光纤使用长度过长导致光路中非线性raman效应的产生，同时也解决了高吸收光纤局部温度过高导致的tmi效应的产生。
34.实施例三图3为本技术实施例三提供的一种光纤激光器的结构示意图，如图3所示，本实施例中，在实施例一的基础上增加反向泵浦合束器9和反向泵浦源10来增加泵浦功率。正向泵浦激光器2提供泵浦光经过正向泵浦合束器3的泵浦光纤汇集传至正向泵浦合束器的输出端光纤，正向通过高反光栅4，进入有源光纤5。反向泵浦激光器10提供泵浦光经过反向泵浦合束器9的泵浦光纤汇集传输至反向泵浦合束器9的输出端光纤，反向通过低反光栅6，进入有源光纤，泵浦激光注入到有源光纤5的内包层中，最终被纤芯吸收形成粒子数翻转从而产生光放大作用，使得输出功率翻倍。
35.反向泵浦合束器9可以为（a+1）
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1合束器，a为任意自然数，合束器信号端光纤主要是根据输入光纤和输出光纤来决定的，符合合束器设计的理论基础。
36.n段有源光纤的设置成对称的结构，前面从第1段有源光纤到第n/2（n为偶数）段或者（n+1）/2（n为奇数）为吸收系数逐渐升高，后面从第n/2+1（n为偶数）段或者（n+1）/2+1（n
为奇数）到第n段有源光纤吸收系数逐渐降低，以此来使得有源光纤的温度变得均匀，从而使得激光器输出的功率得到翻倍的效果。
37.实施例四图4为本技术实施例四提供的一种光纤激光器的结构示意图，本实施例中，为了得到更高功率的激光输出还可以通过图4所示的结构来实现，本结构可以通过种子加放大级的方式来实现更高功率的激光输出，光路图如图4所示，11为种子级，12为放大级。
38.种子级11和放大级12光纤的包层直径保持一致，放大级12的纤芯直径大于等于种子级11。
39.种子级11的有源光纤吸收系数最低，可以控制吸收在0.5db左右，以此来保证种子级11的功率占总功率的10%左右，剩余泵浦光被放大级12吸收。
40.放大级12有源光纤为多段不同纤芯直接的有源光纤，并且保证从左到右的纤芯直径相同或者逐渐变大，同时多段有源光纤对915nm的吸收系数逐渐增加，以此来达到使得有源光纤温度得到均匀化的目的，进而改善光路中tmi效应的效果，同时随着有源光纤纤芯直径的增加来抑制raman效应，以此来实现更高功率的输出，在一些实施例中，光路结构还可以是图5所示的结构，图5为本技术实施例四提供的另一种光纤激光器的结构示意图，如图5所示，通过增加反向泵浦合束器9的方式来实现更高功率的输出，反向（a+1）
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1合束器，a为任意自然数，合束器信号端光纤主要是根据输入光纤和输出光纤来决定的，符合合束器设计的理论设计要求；反向合束器信号端光纤的纤芯直径大于或者等于第n端有源光纤的纤芯直径。
41.放大级有源光纤12，结构为n段有源光纤并且有源光纤从左到右的光纤纤芯直径相同或者逐渐增加，但是吸收系数从第1段有源光纤到第n/2（n为偶数）段或者（n+1）/2（n为奇数）为吸收系数逐渐升高，后面从第n/2（n为偶数）段或者（n+1）/2（n为奇数）到第n段有源光纤吸收系数逐渐降低，以此来使得有源光纤的温度变得均匀，从而改善了放大级有源光纤温度不均匀的问题，同时提高光路的tmi阈值，同时降低输出光谱的raman效应。
42.实施例五本实施例还可以采用种子加放大的结构，图6为本技术实施例五提供的一种光纤激光器的结构示意图，如图6所示，包括为种子级正向合束器13、种子级11、种子级反向合束器16、放大级正向合束器14、放大级12、放大级反向合束器15、包层光滤除器7、激光输出头8，种子级反向合束器16输出光纤的纤芯直径小于或者等于放大级正向合束器14的信号输入端纤芯直径。
43.应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。
44.此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结
构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
45.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
46.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改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，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。