專利名稱：多泵浦合束發(fā)散控制的大功率多芯摻雜雙包層光纖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及多芯摻雜雙包層光纖制作的大功率光纖激光器，利用多路輸出光相干合成獲得大功率激光，屬于大功率光纖激光器、光纖激光器組束領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
同常規(guī)體積龐大的化學(xué)激光器和氣體激光器相比，光纖激光器以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，對(duì)傳統(tǒng)的激光行業(yè)產(chǎn)生巨大而積極的影響。近年來(lái)，隨著雙包層光纖及半導(dǎo)體激光器泵浦技術(shù)的發(fā)展，單根光纖的輸出功率可達(dá)到千瓦量級(jí)。但是由于受到摻雜光纖的非線性效應(yīng)、光學(xué)損傷及熱損傷等物理機(jī)制的限制，單根光纖的激光輸出功率提高受到了限制。欲獲得上百千瓦和兆瓦級(jí)的輸出功率，必須借助合束技術(shù)。相干組束技術(shù)利用多路激光束進(jìn)行相干疊加，使輸出功率得以大幅提高的同時(shí)保證好的合束質(zhì)量，這種技術(shù)受到研究者的廣泛關(guān)注，多種相干合束方案被陸續(xù)提出。2003年美國(guó)的NGST (Northrop Grumman Space ^Technology)研究人員公開(kāi)了 Μ0ΡΑ(主控振蕩器的功率放大)方案。1993年，Jacques Morel等人公開(kāi)了外腔相干合束方案。2001年Cheo等人首次公開(kāi)了多芯自組織相干組束技術(shù)。主控振蕩器的功率放大方案裝置復(fù)雜且需要外接干預(yù)調(diào)相，校準(zhǔn)難度大。外腔相干合束方案對(duì)元件精密度要求很高，較難實(shí)現(xiàn)。多芯自組織相干合束法以其實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、自組織相干不需外界調(diào)制，泵浦光高耦合效率，纖芯陣列排列靈活等特點(diǎn)成為相干組束技術(shù)中一種比較有前途的方案。目前在大功率光纖激光器中存在輸出的功率低、光束質(zhì)量差的問(wèn)題，成為獲得高功率高質(zhì)量輸出激光亟待解決的問(wèn)題，制約輸出光束質(zhì)量的問(wèn)題包括熱效應(yīng)，非線性效應(yīng)，發(fā)散角等問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是普通光纖激光器單根纖芯輸出的功率低、光束質(zhì)量差，提供了一種多泵浦合束發(fā)散控制的大功率多芯摻雜雙包層光纖激光器。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案多泵浦合束發(fā)散控制的大功率多芯摻雜雙包層光纖激光器，該光纖激光器包括泵浦光合路透鏡、泵浦光注入透鏡、第一、二、三段耐熱單芯光纖、耦合器、第一、二段多芯摻雜雙包層光纖、隔離器、第一布拉格光纖光柵、第二布拉格光纖光柵、光纖末端固定部件、聚焦透鏡、觀察校準(zhǔn)板和激光器底座。上述各器件之間的連接泵浦光合路透鏡、泵浦光注入透鏡、光纖末端固定部件通過(guò)支架順序放置，且固定在激光器底座上；泵浦光合路透鏡與泵浦光注入透鏡同軸； 聚焦透鏡通過(guò)其支架安裝在激光器底座的第一個(gè)T型槽內(nèi)，聚焦透鏡與光纖末端固定部件同軸； 觀察校準(zhǔn)板通過(guò)其支架安裝在激光器底座的第二個(gè)T型槽內(nèi)，且與聚焦透鏡的光軸平行但不重合；第一段耐熱單芯光纖的一端通過(guò)其支架固定在泵浦光注入透鏡的焦點(diǎn)處，另一端與耦合器的輸入端連接，第二段耐熱單芯光纖的一端與耦合器的輸入端連接，另一端接輸入種子光；第三段耐熱單芯光纖的一端與耦合器的輸出端連接，另一端與第一段多芯摻雜雙包層光纖一端熔接，第一段多芯摻雜雙包層光纖另一端與隔離器的一端連接，隔離器的另一端與第二段多芯摻雜雙包層光纖的一端連接，第二段多芯摻雜雙包層光纖的另一端固定在光纖末端固定部件上；第二段多芯摻雜雙包層光纖與光纖末端固定部件連接處的前段寫(xiě)入第一布拉格光纖光柵、第二布拉格光纖光柵；所述的聚焦透鏡的位置由輸出激光的發(fā)散角確定移動(dòng)聚焦透鏡和觀察校準(zhǔn)板的位置，使通過(guò)聚焦透鏡的激光光束與觀察校準(zhǔn)板上的平行刻線平行。采用3 5個(gè)泵浦光注入泵浦光合路透鏡，并保證各束泵浦光與泵浦光合路透鏡的光軸距離相等。所述的泵浦光注入透鏡為一個(gè)折射率均勻分布的錐形透鏡，其內(nèi)部為一個(gè)與其同軸，同錐頂角的錐形空洞。所述的第一、二、三段耐熱單芯光纖的數(shù)值孔徑和泵浦光注入透鏡的會(huì)聚角度相一致，第一、二、三段耐熱單芯光纖的纖芯半徑數(shù)值介于第一段多芯摻雜雙包層光纖、第二段多芯摻雜雙包層光纖的纖芯半徑和內(nèi)包層半徑之間。所述的第一段多芯摻雜雙包層光纖和第二段多芯摻雜雙包層光纖中各個(gè)纖芯距離光纖軸距離相等，各個(gè)纖芯軸間距離相等，各個(gè)纖芯的參數(shù)完全完全一致，摻雜情況也完全相同。所述的聚焦透鏡和觀察校準(zhǔn)板分別通過(guò)其支架在第一、二個(gè)T型槽內(nèi)的移動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)其位置。所述的光纖末端固定部件打開(kāi)放入光纖，閉合以后將光纖都固定在其中心。所述的觀察校準(zhǔn)板上刻有肉眼能識(shí)別的致密的水平的平行刻線，且刻線與光纖末端固定部件和聚焦透鏡的軸平行。本實(shí)用新型與已有技術(shù)相比所具有的有益效果本實(shí)用新型采用多芯摻雜雙包層光纖進(jìn)行合束使得輸出功率得到了大幅度的提高，解決了目前單芯輸出功率過(guò)低的問(wèn)題。采用了三段耐熱單芯光纖避免了溫度過(guò)高引起的光纖損壞。通過(guò)對(duì)光纖末端固定部件，聚焦透鏡，觀察校準(zhǔn)板位置的調(diào)節(jié)，可以減小或者完全消除輸出激光的發(fā)散角。采用泵浦光合路透鏡將多路同波長(zhǎng)泵浦光合束，避免了采用單個(gè)泵浦光功率有限的問(wèn)題。在本新型中泵浦光經(jīng)泵浦光合路透鏡、泵浦光注入透鏡注入第一段耐熱單芯光纖經(jīng)耦合器和第三段耐熱單芯光纖后，耦合入第一段多芯摻雜雙包層光纖內(nèi)包層中，提高了泵浦光的注入率。采用第一布拉格光纖光柵、第二布拉格光纖光柵和耦合器組成激光諧振腔提高了泵浦光利用率。

圖1是多泵浦合束發(fā)散控制的大功率多芯摻雜雙包層光纖激光器的結(jié)構(gòu)圖。[0027]圖中泵浦光合路透鏡1，泵浦光注入透鏡2，第一、二、三段耐熱單芯光纖3-1、 3-2、3-3，耦合器4，第一、二段多芯摻雜雙包層光纖5-1、5-2，隔離器6，第一布拉格光纖光柵7，第二布拉格光纖光柵8，光纖末端固定部件9，聚焦透鏡10，觀察校準(zhǔn)板11和激光器底座12。
具體實(shí)施方式
多泵浦合束發(fā)散控制的大功率多芯摻雜雙包層光纖激光器，該光纖激光器包括泵浦光合路透鏡1，泵浦光注入透鏡2，第一、二、三段耐熱單芯光纖3-1、3-2、3-3，耦合器4，第一、二段多芯摻雜雙包層光纖5-1、5-2，隔離器6，第一布拉格光纖光柵7，第二布拉格光纖光柵8，光纖末端固定部件9，聚焦透鏡10，觀察校準(zhǔn)板11和激光器底座12。上述各器件之間的連接泵浦光合路透鏡1、泵浦光注入透鏡2、光纖末端固定部件9通過(guò)支架順序放置，且固定在激光器底座12上；泵浦光合路透鏡1與泵浦光注入透鏡2同軸；聚焦透鏡10通過(guò)其支架安裝在激光器底座12的第一個(gè)T型槽內(nèi)，聚焦透鏡10與光纖末端固定部件9同軸；觀察校準(zhǔn)板11通過(guò)其支架安裝在激光器底座12的第二個(gè)T型槽內(nèi)，且與聚焦透鏡10的光軸平行但不重合；第一段耐熱單芯光纖3-1的一端通過(guò)其支架固定在泵浦光注入透鏡2的焦點(diǎn)處， 另一端與耦合器的輸入端4-1連接，第二段耐熱單芯光纖3-2的一端與耦合器的輸入端4-2 連接，另一端接輸入種子光；第三段耐熱單芯光纖3-3的一端與耦合器的輸出端4-3連接，另一端與第一段多芯摻雜雙包層光纖5-1 —端熔接，第一段多芯摻雜雙包層光纖5-1另一端與隔離器6的一端連接，隔離器6的另一端與第二段多芯摻雜雙包層光纖5-2的一端連接，第二段多芯摻雜雙包層光纖5-2的另一端固定在光纖末端固定部件9上；第二段多芯摻雜雙包層光纖5-2與光纖末端固定部件9連接處的前段寫(xiě)入第一布拉格光纖光柵7、第二布拉格光纖光柵8 ；所述的聚焦透鏡10的位置由輸出激光的發(fā)散角確定移動(dòng)聚焦透鏡10和觀察校準(zhǔn)板11的位置，使通過(guò)聚焦透鏡10的激光光束與觀察校準(zhǔn)板11上的平行刻線平行。采用3 5個(gè)泵浦光注入泵浦光合路透鏡1，并保證各束泵浦光與泵浦光合路透鏡 1的光軸距離相等。所述的泵浦光注入透鏡2為一個(gè)折射率均勻分布的錐形透鏡，其內(nèi)部為一個(gè)與其同軸，同錐頂角的錐形空洞。所述的第一、二、三段耐熱單芯光纖3-1、3-2、3_3的數(shù)值孔徑和泵浦光注入透鏡2 的會(huì)聚角度相一致，第一、二、三段耐熱單芯光纖3-1、3-2、3-3的纖芯半徑數(shù)值介于第一段多芯摻雜雙包層光纖5-1、第二段多芯摻雜雙包層光纖5-2的纖芯半徑和內(nèi)包層半徑之間。所述的第一段多芯摻雜雙包層光纖5-1和第二段多芯摻雜雙包層光纖5-2中各個(gè)纖芯距離光纖軸距離相等，各個(gè)纖芯軸間距離相等，各個(gè)纖芯的參數(shù)完全完全一致，摻雜情況也完全相同。所述的聚焦透鏡10和觀察校準(zhǔn)板11分別通過(guò)其支架在第一、二個(gè)T型槽內(nèi)的移動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)其位置。所述的光纖末端固定部件9打開(kāi)放入光纖，閉合以后將光纖都固定在其中心。所述的觀察校準(zhǔn)板11上刻有肉眼能識(shí)別的致密的水平的平行刻線，且刻線與光纖末端固定部件9和聚焦透鏡10的軸平行。上述方案中其一采用的泵浦光合路透鏡1的折射率為1. 8，頂角為45°，厚度為10cm。采用三束波長(zhǎng)為1480nm的泵浦光，調(diào)整三束泵浦光方向，使得泵浦光入射方向平行于泵浦光合路透鏡1的軸，繼續(xù)調(diào)整三路泵浦光和這個(gè)軸距離到4cm左右，使得三路泵浦光合為一束。合為一束的泵浦光通過(guò)泵浦光注入透鏡2耦合進(jìn)入第一段耐熱單芯光纖3-1 中，第一段耐熱單芯光纖3-1的一端位于泵浦光注入透鏡2的焦點(diǎn)，焦距為1cm。第一、二、三段耐熱單芯光纖3-1、3-2、3_3的纖芯直徑為60 μ m，數(shù)值孔徑為1. 3， 長(zhǎng)度為5cm。種子光波長(zhǎng)為1. 55 μ m。第一、二段多芯摻雜雙包層光纖5-1、5-2摻Er3+離子，外包層直徑為125m，內(nèi)包層為正方形，方形邊長(zhǎng)為60 μ m,纖芯直徑為7 μ m,纖芯數(shù)目為5，纖芯間距相等，纖芯中軸與多芯摻雜雙包層光纖的軸距離為13 μ m，纖芯折射率為1.45，內(nèi)包層折射率為1.4，外包層折射率為1.37。第一布拉格光纖光柵7的布拉格波長(zhǎng)為1. 55 μ m,第二布拉格光纖光柵8的布拉格波長(zhǎng)為1480nm。上述方案中其二 采用的泵浦光合路透鏡1的折射率為1. 7，頂角為60°，厚度為10cm。采用五束波長(zhǎng)為1210nm的泵浦光，調(diào)整五束泵浦光方向，使得泵浦光入射方向平行于泵浦光合路透鏡1的軸，繼續(xù)調(diào)整三路泵浦光和這個(gè)軸距離到3. 5cm左右，使得五路泵浦光合為一束。合為一束的泵浦光通過(guò)泵浦光注入透鏡2耦合進(jìn)入第一段耐熱單芯光纖 3-1中，第一段耐熱單芯光纖3-1的一端位于泵浦光注入透鏡2的焦點(diǎn)，焦距為0. Scm0第一、二、三段耐熱單芯光纖3-1、3-2、3_3的纖芯直徑為62 μ m，數(shù)值孔徑為1.4， 長(zhǎng)度為8cm。種子光波長(zhǎng)為1.8 μ m。第一、二段多芯摻雜雙包層光纖5-1、5_2摻 ιι3+離子，外包層直徑為125 μ m，內(nèi)包層為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)邊為80 μ m,短邊為70 μ m,纖芯直徑為8 μ m,纖芯數(shù)目為8，纖芯間距相等， 纖芯中軸與多芯摻雜雙包層光纖的軸距離為15 μ m，纖芯折射率為1.46，內(nèi)包層折射率為 1.44，外包層折射率為1.2。第一布拉格光纖光柵7的布拉格波長(zhǎng)為1. 8 μ m，第二布拉格光纖光柵8的布拉格波長(zhǎng)為1210nm。
權(quán)利要求1.多泵浦合束發(fā)散控制的大功率多芯摻雜雙包層光纖激光器，其特征在于 該光纖激光器包括泵浦光合路透鏡(1)、泵浦光注入透鏡O)、第一、二、三段耐熱單芯光纖(3-1、3-2、3-3)、耦合器G)、第一、二段多芯摻雜雙包層光纖(5-1、5-2)、隔離器 (6)、第一布拉格光纖光柵(7)、第二布拉格光纖光柵(8)、光纖末端固定部件(9)、聚焦透鏡 (10)、觀察校準(zhǔn)板(11)和激光器底座(12)； 上述各器件之間的連接泵浦光合路透鏡(1)、泵浦光注入透鏡O)、光纖末端固定部件(9)通過(guò)支架順序放置， 且固定在激光器底座(1 上；泵浦光合路透鏡(1)與泵浦光注入透鏡O)同軸；聚焦透鏡(10)通過(guò)其支架安裝在激光器底座(1 的第一個(gè)T型槽內(nèi)，聚焦透鏡(10) 與光纖末端固定部件(9)同軸；觀察校準(zhǔn)板(11)通過(guò)其支架安裝在激光器底座(1 的第二個(gè)T型槽內(nèi)，且與聚焦透鏡(10)的光軸平行但不重合；第一段耐熱單芯光纖(3-1)的一端通過(guò)其支架固定在泵浦光注入透鏡O)的焦點(diǎn)處， 另一端與耦合器的輸入端(4-1)連接，第二段耐熱單芯光纖(3-2)的一端與耦合器的輸入端(4- 連接，另一端接輸入種子光；第三段耐熱單芯光纖(3-3)的一端與耦合器的輸出端(4- 連接，另一端與第一段多芯摻雜雙包層光纖(5-1) —端熔接，第一段多芯摻雜雙包層光纖(5-1)另一端與隔離器(6) 的一端連接，隔離器(6)的另一端與第二段多芯摻雜雙包層光纖(5- 的一端連接，第二段多芯摻雜雙包層光纖(5-2)的另一端固定在光纖末端固定部件(9)上；第二段多芯摻雜雙包層光纖(5- 與光纖末端固定部件(9)連接處的前段寫(xiě)入第一布拉格光纖光柵(7)、第二布拉格光纖光柵(8)；所述的聚焦透鏡(10)的位置由輸出激光的發(fā)散角確定移動(dòng)聚焦透鏡(10)和觀察校準(zhǔn)板(11)的位置，使通過(guò)聚焦透鏡(10)的激光光束與觀察校準(zhǔn)板(11)上的平行刻線平行；采用3 5個(gè)泵浦光注入泵浦光合路透鏡(1)，并保證各束泵浦光與泵浦光合路透鏡 (1)的光軸距離相等。
2.如權(quán)利要求1所述的大功率多芯摻雜雙包層光纖激光器，其特征在于所述的泵浦光注入透鏡( 為一個(gè)折射率均勻分布的錐形透鏡，其內(nèi)部為一個(gè)與其同軸，同錐頂角的錐形空洞。
3.如權(quán)利要求1所述的大功率多芯摻雜雙包層光纖激光器，其特征在于所述的第一、二、三段耐熱單芯光纖(3-1、3-2、3-3)的數(shù)值孔徑和泵浦光注入透鏡O) 的會(huì)聚角度相一致，第一、二、三段耐熱單芯光纖(3-1、3-2、3-3)的纖芯半徑數(shù)值介于第一段多芯摻雜雙包層光纖(5-1)、第二段多芯摻雜雙包層光纖(5-2)的纖芯半徑和內(nèi)包層半徑之間。
4.如權(quán)利要求1所述的大功率多芯摻雜雙包層光纖激光器，其特征在于所述的第一段多芯摻雜雙包層光纖(5-1)和第二段多芯摻雜雙包層光纖(5- 中各個(gè)纖芯距離光纖軸距離相等，各個(gè)纖芯軸間距離相等，各個(gè)纖芯的參數(shù)完全完全一致，摻雜情況也完全相同。
5.如權(quán)利要求1所述的大功率多芯摻雜雙包層光纖激光器，其特征在于所述的聚焦透鏡(10)和觀察校準(zhǔn)板(11)分別通過(guò)其支架在第一、二個(gè)T型槽內(nèi)的移動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)其位置。
6.如權(quán)利要求1所述的大功率多芯摻雜雙包層光纖激光器，其特征在于 所述的光纖末端固定部件(9)打開(kāi)放入光纖，閉合以后將光纖都固定在其中心。
7.如權(quán)利要求1所述的大功率多芯摻雜雙包層光纖激光器，其特征在于所述的觀察校準(zhǔn)板(11)上刻有肉眼能識(shí)別的致密的水平的平行刻線，且刻線與光纖末端固定部件(9)和聚焦透鏡(10)的軸平行。
專利摘要多泵浦合束發(fā)散控制的大功率多芯摻雜雙包層光纖激光器，屬于大功率光纖激光器、光纖激光器組束領(lǐng)域。解決了普通光纖激光器單根纖芯的輸出的功率低、光束質(zhì)量差的問(wèn)題。它包括多芯摻雜雙包層光纖，多束纖芯產(chǎn)生多路激光，多芯摻雜雙包層光纖內(nèi)部瞬逝波對(duì)各個(gè)纖芯中產(chǎn)生的激光進(jìn)行鎖相，各路輸出激光相干放大，得到大功率激光。本實(shí)用新型對(duì)泵浦光進(jìn)行了合束，通過(guò)使用泵浦光合路透鏡，可以將多路泵浦光合束；耐熱光纖保證了能有效利用盡可能大的泵浦光；兩級(jí)光柵構(gòu)成激光諧振腔，提高了泵浦光利用率；多路激光輸出通過(guò)發(fā)散角調(diào)節(jié)裝置經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)以后匯聚，用以減小發(fā)散角，提高光束質(zhì)量。
文檔編號(hào)H01S3/00GK202260111SQ20112037820
公開(kāi)日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月29日
發(fā)明者婁淑琴, 張曉路 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)