專利名稱：一種避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光器，特別涉及一種擁有特殊設(shè)計的光纖激光器，實(shí)現(xiàn)避免因反向光損壞泵浦源中的半導(dǎo)體激光器芯片。
背景技術(shù)：
在工業(yè)激光加工，醫(yī)療醫(yī)藥制作等一些應(yīng)用中，需要大功率的激光器。光纖激光器以其高能量轉(zhuǎn)化效率、高光束質(zhì)量、體積緊湊、高可靠性能、超長使用壽命、免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，可以取代第一代的氣體激光器，在大功率激光器的應(yīng)用中獲得廣泛的推廣。光纖激光器的運(yùn)行中存在相當(dāng)強(qiáng)度的反向光，如果沿著泵浦源的輸出光纖返回，投射到半導(dǎo)體激光芯片上，將造成致命性的損傷，如Catastrophic Optical Damage(COD)0這是光纖激光器的一個主要失效模式。在光纖激光器中，被反射的信號光(反向光)必須盡量小地返回到泵浦源中，否則反向光的功率很容易超過半導(dǎo)體芯片的損傷閾值，造成損壞。對于單管芯的半導(dǎo)體激光器，其COD的損傷域值約為250mW (連續(xù)光)和0.2 μ J。對于輸出功率IOW的單管芯泵浦源，輸出光纖中的反射率必須控制在2.5%以下。目前常用的光纖激光器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由泵浦源1、光纖合束器2、增益光纖3和輸出端4等構(gòu)成。在上述結(jié)構(gòu)的光纖激光器中，可能回返到泵浦源中的反向光可能來自以下幾個部分:1.光纖熔接點(diǎn)B。這個熔接點(diǎn)在光纖合束器和增益光纖之間。由于光纖合束器使用的一般為圓形雙包層光纖，而有源光纖使用的為不規(guī)則雙包層光纖(八邊形、六邊形、D形)，兩邊光纖的不完全匹配(包括形狀的不匹配和NA的不匹配)導(dǎo)致在熔接處產(chǎn)生相對較大的泄漏和反射一信號光(如1064納米)從纖芯泄漏到包層，泄漏的信號光和包層中傳輸?shù)谋闷止?如976納米)一起從包層被反射。反向光主要是泵浦光和小部分泄漏后反射的信號光，經(jīng)過合束器，最終返回到泵浦源。在高質(zhì)量光纖熔接的情況下，反射率應(yīng)該在1%以下，而反向光通過合束器后被均勻分配到多個泵浦源的入射端。如果使用IOW的泵浦源，每個接收到IOOmW以下的反向光(10W X 1% = IOOmW),低于250mW的損傷閾值。因此，在正常的光纖熔接情況下，產(chǎn)生于熔接點(diǎn)B的反向光主要是泵浦光其強(qiáng)度比較小。2.光纖熔接點(diǎn)C。在熔接點(diǎn)C處，大多數(shù)泵浦光已經(jīng)被吸收，殘余泵浦光約為5 %以下，而在纖芯中的信號光占絕大部分。在此反射的泵浦光，通過增益光纖并沒有被放大，(因為包層中沒有摻雜)，然后通過合束器，達(dá)到增益激光器。這部分能量非常低，只有10WX5 %X1 % (C處反射率)=5mW。而在熔接點(diǎn)C處反射回纖芯的信號光(反射比較低〈0.01%)，在增益光纖中被放大(假設(shè)增益20dB，100倍)，通過合束器時，其中一部分耦合到多模泵浦源(估計為10%)，然后平均分配到多個泵浦源。因此，如果是2000瓦輸出的光纖激光器(30個IOW的泵浦源)，到達(dá)泵浦源的信號光功率約為:
2000WX0.01% XlOO (增益)X 10% X (1/30)= 66mff 該數(shù)值仍然低于250mW的損傷閾值。但是如果光纖激光器的功率(或峰值功率)超過2千瓦，就有可能損傷泵浦源。3.加工工件D表面處信號光的反射。在光纖激光器的工業(yè)應(yīng)用中，比較普遍的應(yīng)用是金屬材料的表面加工和處理，金屬對1064微米有較大的反射率(30% 90%甚至更高)。如圖2中的激光加工設(shè)備的輸出光路系統(tǒng)所示。根據(jù)光路可逆原理，金屬工件表面反射的信號光(假設(shè)為30%)可以沿完全按照原光路返回，并耦合回泵浦源中。估計耦合回纖芯中的信號光為1% (180度反射)，通過增益光纖放大為100倍，同樣耦合后分配到各個泵浦源中:
2000WX30% Xl% XlOO (增益)X 10% X (1/30)= 2W 。從上面分析可以看出，來自加工工件表面的高反射是主要的反向光來源，其是個非常嚴(yán)重的問題。由于加工件表面的180度反射光是最強(qiáng)的反向光，一般激光加工設(shè)備都會在輸出光路中采用IOdB以上的空間隔離器來減少反向光。然而大功率的空間隔離器技術(shù)上比較難以實(shí)現(xiàn)，而且成本較高，不容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。另一個通常采用的降低反向光強(qiáng)度的方法是:在輸出光纖的末端面制作8°的傾角(APC設(shè)計)，通過光纖連接頭與另一個8°傾角的光纖實(shí)現(xiàn)連接。這個方法可以有效地抑制在光纖端面的反射光。但在激光加工設(shè)備中，在光纖的最后輸出端采用8°傾角的效果有限，這是因為反向光的主要部分是來自于加工工件表面的180度反射光，根據(jù)光路可逆原理，即使采用各種類似的改變光纖端面幾何形狀的方法也不能有效地減少這種反向光。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種新的結(jié)構(gòu)類型的大功率激光器設(shè)計。本發(fā)明的大功率激光器通過減少或消除反向光來避免其對大功率激光器內(nèi)泵浦源激光芯片的損傷，以提高大功率激光器的安全性和穩(wěn)定性。為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下:
一種避免激光芯片因反向光損傷的大功率光纖激光器，該光纖激光器包括有依次連接的泵浦源、光纖合束器、增益光纖和輸出端，所述的泵浦源通過第一輸出光纖連接至光纖合束器中，該光纖合束器通過一根第二輸出光纖連接所述的增益光纖，該增益光纖連接輸出端，在所述的泵浦源內(nèi)設(shè)置有半導(dǎo)體激光芯片，大功率激光器的輸出端出射激光光束至加工件上，其特征在于，在所述的第一輸出光纖和第二輸出光纖中至少一種輸出光纖上制作有用以消除加工件反射的反向光的光纖光柵。光纖光柵是通過一定的方法使得光纖纖芯的折射率發(fā)生軸向周期性調(diào)制而形成的衍射光柵，滿足衍射條件的波長經(jīng)過光柵后會產(chǎn)生反射，而其余波長會透過光柵繼續(xù)傳播。通過設(shè)計光柵結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)介質(zhì)膜相同的功能。目前的光纖光柵主要應(yīng)用于光纖通信中的濾波器、色散補(bǔ)償器、波分復(fù)用器、光開光、波長選擇器以及光傳感領(lǐng)域。而在光纖激光器應(yīng)用方面，利用光纖光柵的波長選擇性可以實(shí)現(xiàn)模式選擇和窄帶反饋的單頻激光器。在本發(fā)明避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器中，所述的光纖光柵或者設(shè)置在第一輸出光纖上、或者設(shè)置在第二輸出光纖上、或者在第一輸出光纖和第二輸出光纖上均設(shè)有光纖光柵。
在本發(fā)明避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器中，所述大功率激光器中的泵浦源數(shù)量為I 10000個，所述第一輸出光纖的數(shù)量與泵浦源的數(shù)量相同且對應(yīng)。在本發(fā)明避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器中，對由加工件反射的反向光滿足衍射條件經(jīng)過所述的光纖光柵產(chǎn)生反射實(shí)現(xiàn)濾波。在本發(fā)明避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器中，所述的光纖光柵或為光纖布拉格光柵、或為長周期光纖光柵。在本發(fā)明避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器中，涉及特定的光柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)或為低通、或為帶通、或為帶阻的濾波功能。在本發(fā)明避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器中，所述光纖光柵的參數(shù)與入射光波長之間的對應(yīng)關(guān)系為:
As =In^-A
其中，4為需反射光纖的波長，Λ為光柵周期,為纖芯有效折射率。在本發(fā)明避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器中，所述的光纖合束器上還連接有種子源激光器。在本發(fā)明避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器中，所述大功率激光器的輸出端與加工件之間設(shè)有準(zhǔn)直系統(tǒng)和掃描聚焦系統(tǒng)。在本發(fā)明避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器中，所述大功率激光器的輸出功率在IOW 100000W?；谏鲜黾夹g(shù)方案，本發(fā)明的大功率激光器在消除反向光保護(hù)激光芯片方面取得了如下技術(shù)效果:1.本發(fā)明通過在泵浦源的輸出光纖上制作光纖光柵器件，如制作光纖布拉格光柵(FBG)或者長周期光纖光柵(LPG)，可以大大減少或消除反向光，實(shí)現(xiàn)保護(hù)泵浦源目的，從而極大地提高光纖激光器的安全性。2.本發(fā)明在光纖激光器中設(shè)計出光纖光柵，可以做到零插入損耗，并且成本低廉、易于操作實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中大功率光纖激光器的結(jié)構(gòu)組成示意圖。圖2是目前激光加工設(shè)備中的輸出光路系統(tǒng)不意圖。圖3是現(xiàn)有技術(shù)在泵浦源的耦合輸出光纖的端面上鍍光學(xué)介質(zhì)薄膜消除反向光的示意圖。圖4是本發(fā)明的實(shí)施例1中制作光纖光柵作為低通濾波器的制作位置示意圖。圖5是本發(fā)明的實(shí)施例1中制作光纖光柵作為低通濾波器的波譜示意圖。圖6是本發(fā)明的實(shí)施例2中制作光纖光柵作為帶通濾波器的制作位置示意圖。圖7是本發(fā)明的實(shí)施例2制作光纖光柵作為帶通濾波器的波譜示意圖。圖8是本發(fā)明的實(shí)施例3中制作光纖光柵作為帶阻濾波器的制作位置示意圖。圖9是本發(fā)明的實(shí)施例3制作光纖光柵作為帶阻濾波器的波譜示意圖。

具體實(shí)施例方式
下面我們結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例來對本發(fā)明的大功率激光器進(jìn)一步的詳細(xì)闡述，以求更為清楚明了地理解其結(jié)構(gòu)和工作過程，但不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。如圖1和圖2所示，本發(fā)明的大功率光纖激光器在結(jié)構(gòu)上包括有依次連接的泵浦源1、光纖合束器2、增益光纖3和輸出端4。所述的泵浦源I通過第一輸出光纖5連接至光纖合束器2，所述大功率激光器中的泵浦源數(shù)量范圍為I 10000個，所述第一輸出光纖5的數(shù)量與泵浦源的數(shù)量相同且對應(yīng)。若是一個泵浦源I則該泵浦源I則用一根第一輸出光纖5連接至光纖合束器2 ;若是多個泵浦源，則多個所述的泵浦源I通過多根第一輸出光纖5連接至光纖合束器2中，即每個泵浦源I通過一根第一輸出光纖5連接到光纖合束器2中。光纖合束器2的作用是將多個泵浦源的激光耦合到一根輸出光纖中輸出。光纖合束器2通過一根第二輸出光纖6連接所述的增益光纖3,該增益光纖3連接有輸出端4,輸出端4與增益光纖3熔接在一起。在每個所述的泵浦源I內(nèi)均設(shè)置有半導(dǎo)體激光芯片9，大功率激光器的輸出端4出射激光光束至金屬材質(zhì)的加工件D上。在大功率激光器的實(shí)踐應(yīng)用中，一般在大功率激光器的輸出端4與加工件D之間設(shè)有準(zhǔn)直系統(tǒng)和掃描聚焦系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明 消除加工件D反射的反向光的目的，在所述的第一輸出光纖5和第二輸出光纖6中的至少一種輸出光纖上制作有用以消除加工件D反射的反向光的光纖光柵。也就是說分為三種情況:光纖光柵的加工制作的位置或者是單獨(dú)在所有的第一輸出光纖5上,或者是單獨(dú)在第二輸出光纖6上,或者是所有的第一輸出光纖5和第二輸出光纖6上均設(shè)置有光纖光柵。并且在每根輸出光纖上，光纖光柵的數(shù)量可以是一個，也可以根據(jù)需要設(shè)計制作多個光纖光柵。本發(fā)明就是對由加工件反射的反向光滿足衍射條件經(jīng)過光纖光柵產(chǎn)生反射實(shí)現(xiàn)濾波。光纖光柵是通過一定的方法使得光纖纖芯的折射率發(fā)生軸向周期性調(diào)制而形成的衍射光柵，滿足衍射條件的波長經(jīng)過光柵后會產(chǎn)生反射，而其余波長會透過光柵繼續(xù)傳播。在大功率激光器中，通過設(shè)計光柵結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)介質(zhì)膜相同的功能。其主要是在泵浦源的輸出光纖、或者光纖合束器的輸出光纖中，采用各種光纖光柵設(shè)計來消除和減少反向光，例如制作光纖布拉格光柵(FBG)，或者長周期光纖光柵(LPG)等。利用制作的光纖光柵來作為一種濾波器，用以反射反向的信號光，同時基本不影響正向傳輸?shù)谋闷止?。在輸出光纖上設(shè)計制作光纖光柵時，光纖光柵的參數(shù)與入射光波長之間的對應(yīng)關(guān)系為:
權(quán)利要求
1.一種避免激光芯片因反向光損傷的大功率光纖激光器，該光纖激光器包括有依次連接的泵浦源、光纖合束器、增益光纖和輸出端，所述的泵浦源通過第一輸出光纖連接至光纖合束器中，該光纖合束器通過一根第二輸出光纖連接所述的增益光纖，該增益光纖連接輸出端，在所述的泵浦源內(nèi)設(shè)置有半導(dǎo)體激光芯片，大功率激光器的輸出端出射激光光束至加工件上，其特征在于，在所述的第一輸出光纖和第二輸出光纖中至少一種輸出光纖上制作有用以消除加工件反射的反向光的光纖光柵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器，其特征在于，所述的光纖光柵或者設(shè)置在第一輸出光纖上、或者設(shè)置在第二輸出光纖上、或者在第一輸出光纖和第二輸出光纖上均設(shè)有光纖光柵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器，其特征在于，所述大功率激光器的泵浦源數(shù)量為I 10000，所述第一輸出光纖的數(shù)量與泵浦源的數(shù)量相同且對應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器，其特征在于，所述的光纖光柵對加工件反射的反向光滿足衍射條件而產(chǎn)生反射以實(shí)現(xiàn)濾波。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器，其特征在于，所述的光纖光柵或為光纖布拉格光柵、或為長周期光纖光柵。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器，其特征在于，所述光纖光柵的參數(shù)與入射光波長之間的對應(yīng)關(guān)系為:
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器，其特征在于，所述的光纖合束器上還連接有種子源激光器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器，其特征在于，所述大功率激光器的輸出端與加工件之間設(shè)有掃描聚焦系統(tǒng)準(zhǔn)直系統(tǒng)和掃描聚焦系統(tǒng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器，其特征在于，所述大功率激光器的輸出功率在IOW 100000W。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種避免激光芯片因反向光損傷的大功率光纖激光器，該光纖激光器包括有依次連接的泵浦源、光纖合束器、增益光纖和輸出端，所述的泵浦源通過第一輸出光纖連接至光纖合束器中，該光纖合束器通過一根第二輸出光纖連接所述的增益光纖，該增益光纖連接輸出端，在所述的泵浦源內(nèi)設(shè)置有半導(dǎo)體激光芯片，大功率激光器的輸出端出射激光光束至加工件上，其特征在于，在所述的第一輸出光纖和第二輸出光纖中至少一種輸出光纖上制作有用以消除加工件反射的反向光的光纖光柵。本發(fā)明的大功率激光器通過減少或消除反向光來避免其對大功率激光器內(nèi)泵浦源激光芯片的損傷，以提高大功率激光器的安全性和穩(wěn)定性。
文檔編號H01S3/067GK103078242SQ201310031539
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月28日
發(fā)明者何一平, 鐘硯超, 龔殿軍, 田剛, 呂張勇 申請人:平湖中天合波通信科技有限公司