光纖激光器、增益光纖及其制作方法、光束整形系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及激光領(lǐng)域，公開了一種光纖激光器、增益光纖及其制作方法，還有用于耦合的光束整形系統(tǒng)。該光纖激光器，包括泵浦LD、泵浦耦合系統(tǒng)和增益光纖，所述增益光纖的一端鍍有對泵浦光和振蕩光均高反的第一膜層，另一端鍍有對泵浦光高反、對振蕩光增透的第二膜層；其中一端面設(shè)有對泵浦光增透的微孔，或者在增益光纖側(cè)面設(shè)置用于輸入泵浦光的微透鏡；所述泵浦LD發(fā)出的泵浦光通過泵浦耦合系統(tǒng)經(jīng)過所述微孔或微透鏡進入增益光纖，并在增益光纖內(nèi)反復(fù)全內(nèi)反射進行多次泵浦。該光纖激光器具有短增益光纖、低成本的多模LD泵浦，提高泵浦微孔的耦合效率和增益光纖對泵浦的吸收率，降低了成本，實現(xiàn)了低成本的高功率光纖激光器結(jié)構(gòu)。
【專利說明】光纖激光器、增益光纖及其制作方法、光束整形系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光和光纖領(lǐng)域，尤其涉及一種光纖激光器、增益光纖及其制作方法，還有用于耦合的光束整形系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖激光器作為激光器的一種，在激光光纖通訊、激光空間遠距通訊、工業(yè)造船、汽車制造、激光雕刻激光打標(biāo)激光切割等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。目前的光纖激光器，一般需要較長的增益光纖來達到充分吸收泵浦光的目的，以實現(xiàn)高功率光纖激光器，而且對大功率泵浦LD的要求也比較高，成本難以降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對上述問題，本發(fā)明提出一種光纖激光器及其增益光纖，還有用于將大功率低成本多模LD泵浦光耦合進該增益光纖的光束整形系統(tǒng)，以及增益光纖的制作方法?？蓪崿F(xiàn)短光纖增益介質(zhì)高吸收泵浦、低成本的高功率光纖激光器。
[0004]為達到上述目的，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為:一種光纖激光器，包括泵浦LD、泵浦耦合系統(tǒng)和增益光纖，所述增益光纖的一端鍍有對泵浦光和振蕩光均高反的第一膜層，另一端鍍有對泵浦光高反、對振蕩光增透的第二膜層；其中一端面設(shè)有對泵浦光增透的微孔，或者在增益光纖側(cè)面設(shè)置用于輸入泵浦光的微透鏡；所述泵浦LD發(fā)出的泵浦光通過泵浦耦合系統(tǒng)經(jīng)過所述微孔或微透鏡進入增益光纖，并在增益光纖內(nèi)反復(fù)全內(nèi)反射進行多次泵浦。
[0005]進一步的，所述增益光纖包括纖芯、套于纖芯外的光纖棒和光纖棒外面的外包層；或者所述增益光纖包括纖芯和套于纖芯外的毛細管，纖芯與毛細管通過SiO2氣溶膠相溶為一體。
[0006]進一步的，所述微孔偏離增益光纖的軸心。
[0007]進一步的，所述微孔為圓形、橢圓形、三角形或多邊形；所述微孔與增益光纖端面的面積比在l/10(Tl/5之間。
[0008]進一步的，所述泵浦耦合系統(tǒng)包括沿泵浦光路依次設(shè)置的第一透鏡、半波片或90°旋光元件、雙折射晶體和第二透鏡；所述泵浦LD發(fā)出的泵浦光經(jīng)第一透鏡準(zhǔn)直之后成為光斑為橢圓形的平行光，所述半波片置于橢圓形光斑長軸的一半的光路上。
[0009]本發(fā)明的另一技術(shù)方案為用于上述光纖激光器的具有泵浦微孔的增益光纖，一端鍍有對泵浦光和振蕩光均高反的第一膜層，另一端鍍有對泵浦光高反、對振蕩光增透的第二膜層；其中一端面設(shè)有對泵浦光增透的微孔，或者在增益光纖側(cè)面設(shè)置用于輸入泵浦光的微透鏡；泵浦光通過所述微孔或微透鏡進入增益光纖，并在增益光纖內(nèi)反復(fù)全內(nèi)反射進行多次泵浦。
[0010]進一步的，所述增益光纖包括纖芯、套于纖芯外的光纖棒和光纖棒外面的外包層；或者所述增益光纖包括纖芯和套于纖芯外的毛細管，纖芯與毛細管通過SiO2氣溶膠相溶為一體；所述微孔偏離增益光纖的軸心位置。
[0011]本發(fā)明提供的制作具有泵浦微孔增益光纖的方法，包括如下步驟:1)在增益光纖端面用紫外膠固化一微小區(qū)域；2)對整個增益光纖端面進行鍍膜；3)去除紫外膠上面的膜層；4)去除紫外膠。
[0012]本發(fā)明的又一技術(shù)方案，一種光束整形系統(tǒng)，用于將泵浦光整形耦合到具有泵浦微孔的增益光纖，包括沿光路依次設(shè)置的第一透鏡、半波片或90°旋光元件、雙折射晶體和第二透鏡；所述泵浦LD發(fā)出的泵浦光經(jīng)第一透鏡準(zhǔn)直之后成為光斑為橢圓形的平行光，所述半波片置于橢圓形光斑長軸的一半的光路上。
[0013]進一步的，所述第一透鏡的焦距大于第二透鏡的焦距。
[0014]本發(fā)明的有益效果為:通過在雙包層增益光纖上設(shè)置偏離軸心的泵浦微孔或微透鏡，使得耦合的泵浦光在較短的光纖增益介質(zhì)內(nèi)反復(fù)全內(nèi)反射進行多次泵浦，實現(xiàn)短增益光纖的高吸收泵浦；并通過光束整形系統(tǒng)將橢圓光斑的泵浦光整形并縮小成小圓光斑，以提高泵浦微孔的耦合效率，便于利用大功率低成本的多模LD進行泵浦。該光纖激光器具有短增益光纖、低成本的多模LD泵浦，提高了增益光纖對泵浦的吸收率，降低了成本，實現(xiàn)了低成本的高功率光纖激光器結(jié)構(gòu)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明增益光纖實施例一結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為圖2所示增益光纖左端面示意圖；
圖4為本發(fā)明增益光纖實施例二結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為本發(fā)明增益光纖制作過程示意圖；
圖6為本發(fā)明光束整形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)意圖。
[0016]附圖標(biāo)記:1、泵浦LD ;2、泵浦耦合系統(tǒng)；21、第一透鏡；22、雙折射晶體；23、半波片；24、第二透鏡；3、增益光纖；31、第一膜層；32、第二膜層；33、微孔；34、纖芯；35、光纖棒；36、外包層；37、毛細管；4、紫外膠。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】，對本發(fā)明做進一步說明。
[0018]本發(fā)明通過在雙包層增益光纖端面鍍上對泵浦光高反的膜層，同時在高反膜層上制作可透射泵浦光的微孔，或在增益光纖側(cè)面制作微透鏡以輸入泵浦光，使得耦合的泵浦光在較短的光纖增益介質(zhì)內(nèi)反復(fù)全內(nèi)反射進行多次泵浦，從而實現(xiàn)短光纖增益介質(zhì)高吸收泵浦的增益光纖；并通過光束整形系統(tǒng)將橢圓光斑的泵浦光整形并縮小成小圓光斑，以提高泵浦微孔的耦合效率，便于利用大功率低成本的多模LD進行泵浦。該光纖激光器具有短增益光纖、低成本的多模LD泵浦，提高了增益光纖對泵浦的吸收率，降低了成本，實現(xiàn)了低成本的高功率光纖激光器結(jié)構(gòu)。
[0019]具體的如圖1所示的光纖激光器實施例，包括泵浦LD1、泵浦耦合系統(tǒng)2和增益光纖3,該增益光纖3為一雙包層光纖,其一端鍍有對泵浦光和振蕩光均高反的第一膜層31,另一端鍍有對泵浦光高反、對振蕩光增透的第二膜層32 ;其中一端面設(shè)有對泵浦光增透的微孔33，該微孔33偏離增益光纖3的軸心，泵浦LDl發(fā)出的泵浦光通過泵浦耦合系統(tǒng)2經(jīng)過該微孔33進入增益光纖3，并在增益光纖3內(nèi)反復(fù)全內(nèi)反射，被纖芯34吸收，實現(xiàn)多次泵浦。具體的如圖2和3所示的增益光纖3及其端面示意圖，該增益光纖3端面的區(qū)域A為微孔33，除區(qū)域A之外的其他區(qū)域B鍍有對泵浦光和振蕩光均高反的第一膜層31，區(qū)域A則鍍有對泵浦光增透的膜層，且位置偏離光纖軸心。如此，當(dāng)泵浦光經(jīng)過微孔33 (區(qū)域A)進入增益光纖3后，泵浦光將在增益光纖3內(nèi)反復(fù)發(fā)生全內(nèi)反射，最終完全被纖芯34吸收。假設(shè)微孔33的直徑為Φ1，面積為SI，增益光纖3端面的直徑為Φ 2，面積為S2，則泵浦光可在光纖內(nèi)全內(nèi)反射的次數(shù)為S2/Sl=(cj52/(M)2，如Φ2=200μπι，Φ 1=20 μ m，則可反射的次數(shù)為S2/S1=100次，如此泵浦光可反復(fù)被纖芯吸收，從而大大提高其對泵浦光的吸收效率，故采用較短的光纖即可實現(xiàn)激光輸出。也可以在增益光纖3側(cè)面設(shè)置用于輸入泵浦光的微透鏡，通過側(cè)面將泵浦光耦合到增益光纖3內(nèi)使泵浦光在光纖內(nèi)反復(fù)全內(nèi)反射，以進行多次泵浦，提高增益光纖3對泵浦光的吸收效率。
[0020]其中，增益光纖3可以采用如圖2所示的結(jié)構(gòu)，包括纖芯34、套于纖芯34外的光纖棒35和光纖棒外面的外包層36。也可以如圖4所不的結(jié)構(gòu),包括纖芯34和套于纖芯外34的毛細管37。例如，可以采用SiO2氣溶膠將直徑為125 μ m的光纖纖芯34與直徑Imm的毛細管37相溶制作成一段短的諧振腔。在增益光纖3的前端面除區(qū)域A外，其他區(qū)域(區(qū)域B)鍍對泵浦光及振蕩光均高反的第一膜層31，區(qū)域A則鍍有對泵浦光增透的膜層，形成微孔33 ;增益光纖3的后端面鍍有對泵浦光高反、對振蕩光增透的第二膜層32。采用毛細管37與纖芯34結(jié)合的結(jié)構(gòu)，可獲得更大的S2/S1比，如毛細管37直徑Φ 2=1000 μ m，微孔33直徑Φ 1=30 μ m,則理論上可獲得上千次的反射吸收，且增大了微孔33直徑，從而更方便LD泵浦光的耦合。
[0021]為獲得較低成本的高功率光纖激光器，一般采用大功率低成本多模LD進行泵浦，但一般多模LD光斑尺寸較大,且在一個方向的發(fā)散角大,另一方向的發(fā)散角較小,光斑呈橢圓形狀，本發(fā)明采用一光束整形系統(tǒng)作為該光纖激光器的泵浦耦合系統(tǒng)2，對泵浦LDl的泵浦光進行整形之后耦合到增益光纖3內(nèi)。如圖6所示，該泵浦耦合系統(tǒng)2(光束整形系統(tǒng))包括沿光路依次設(shè)置的第一透鏡21、半波片23、雙折射晶體22和第二透鏡24 ;泵浦LDl發(fā)出的泵浦光經(jīng)第一透鏡21準(zhǔn)直之后成為光斑為橢圓形的平行光，半波片23置于橢圓形光斑長軸的一半的光路上。其中，第一透鏡21的焦距LI大于第二透鏡24的焦距L2，雙折射晶體22的光軸與其入射面成45°夾角。泵浦LDl發(fā)出的泵浦光一個方向發(fā)散角較大，與其相垂直的方向發(fā)散角較小，光斑呈橢圓形狀，在光束發(fā)射角較大的方向上一部分光先經(jīng)過半波片23后再進入雙折射晶體22，此時其偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，而另一部分光直接進入雙折射晶體22,此時兩部分的光偏振方向相互垂直,經(jīng)過雙折射晶體22后合為一束光輸出，光斑在原本發(fā)散角較大的方向上被壓縮，使得輸出光束的光斑為近似圓形，再經(jīng)過第二透鏡24聚焦得到光斑被縮小的光束。光斑縮小的倍數(shù)為第一透鏡21的焦距LI與第二透鏡24的焦距L2之比L1/L2，一般情況下，可將光斑縮小4_8倍，即對100 μ m-200 μ m的泵浦光斑，可縮小到12μπι-25μπι，便可方便的由增益光纖3的微孔33耦合進入光纖內(nèi)進行泵浦?？蓪?W-10W的多模LD整形之后通過微孔注入增益光纖，實現(xiàn)較高的泵浦耦合效率，降低成本。其中，半波片23也可以由一 90°旋光元件替代。
[0022]上述增益光纖3的一種制作方法如圖5所示，包括如下步驟:1)在增益光纖3端面合適的位置(偏離光纖軸心)用紫外膠4固化一微小區(qū)域；2)對整個增益光纖3端面進行鍍膜；3)去除紫外膠4上面的膜層；4)去除紫外膠4，即可形成具有泵浦微孔33的增益光纖3。其中步驟I可在高倍顯微鏡下完成。
[0023]上述增益光纖3的微孔33可以是圓形、橢圓形、三角形或多邊形等幾何形狀；優(yōu)選的，微孔33與增益光纖3端面的面積比在l/10(Tl/5之間。
[0024]盡管結(jié)合優(yōu)選實施方案具體展示和介紹了本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，在不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，在形式上和細節(jié)上對本發(fā)明做出的各種變化，均為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種光纖激光器，包括泵浦LD、泵浦耦合系統(tǒng)和增益光纖，其特征在于:所述增益光纖的一端鍍有對泵浦光和振蕩光均高反的第一膜層，另一端鍍有對泵浦光高反、對振蕩光增透的第二膜層；其中一端面設(shè)有對泵浦光增透的微孔，或者在增益光纖側(cè)面設(shè)置用于輸入泵浦光的微透鏡；所述泵浦LD發(fā)出的泵浦光通過泵浦耦合系統(tǒng)經(jīng)過所述微孔或微透鏡進入增益光纖，并在增益光纖內(nèi)反復(fù)全內(nèi)反射進行多次泵浦。
2.如權(quán)利要求1所述一種光纖激光器，其特征在于:所述增益光纖包括纖芯、套于纖芯外的光纖棒和光纖棒外面的外包層；或者所述增益光纖包括纖芯和套于纖芯外的毛細管，纖芯與毛細管通過SiO2氣溶膠相溶為一體。
3.如權(quán)利要求1或2所述一種光纖激光器，其特征在于:所述微孔偏離增益光纖的軸心。
4.如權(quán)利要求3所述一種光纖激光器，其特征在于:所述微孔為圓形、橢圓形、三角形或多邊形；所述微孔與增益光纖端面的面積比在l/10(Tl/5之間。
5.如權(quán)利要求1所述一種光纖激光器，其特征在于:所述泵浦耦合系統(tǒng)包括沿泵浦光路依次設(shè)置的第一透鏡、半波片或90°旋光元件、雙折射晶體和第二透鏡；所述泵浦LD發(fā)出的泵浦光經(jīng)第一透鏡準(zhǔn)直之后成為光斑為橢圓形的平行光，所述半波片置于橢圓形光斑長軸的一半的光路上。
6.一種具有泵浦微孔的增益光纖，其特征在于:一端鍍有對泵浦光和振蕩光均高反的第一膜層，另一端鍍有對泵浦光高反、對振蕩光增透的第二膜層；其中一端面設(shè)有對泵浦光增透的微孔，或者在增益光纖側(cè)面設(shè)置用于輸入泵浦光的微透鏡；泵浦光通過所述微孔或微透鏡進入增益光纖，并在增益光纖內(nèi)反復(fù)全內(nèi)反射進行多次泵浦。
7.如權(quán)利要求6所述一種具有泵浦微孔的增益光纖，其特征在于:所述增益光纖包括纖芯、套于纖芯外的光纖棒和光纖棒外面的外包層；或者所述增益光纖包括纖芯和套于纖芯外的毛細管，纖芯與毛細管通過SiO2氣溶膠相溶為一體；所述微孔偏離增益光纖的軸心位置。
8.一種制作具有泵浦微孔增益光纖的方法，其特征在于:包括如下步驟:1)在增益光纖端面用紫外膠固化一微小區(qū)域；2)對整個增益光纖端面進行鍍膜；3)去除紫外膠上面的膜層；4)去除紫外膠。
9.一種光束整形系統(tǒng)，用于將泵浦光整形耦合到具有泵浦微孔的增益光纖，其特征在于:包括沿光路依次設(shè)置的第一透鏡、半波片或90°旋光元件、雙折射晶體和第二透鏡；所述泵浦LD發(fā)出的泵浦光經(jīng)第一透鏡準(zhǔn)直之后成為光斑為橢圓形的平行光，所述半波片置于橢圓形光斑長軸的一半的光路上。
10.如權(quán)利要求9所述一種光束整形系統(tǒng)，其特征在于:所述第一透鏡的焦距大于第二透鏡的焦距。
【文檔編號】H01S3/067GK103794973SQ201210423552
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月30日
【發(fā)明者】吳礪, 賀坤, 陳燕平 申請人:福州高意通訊有限公司