一種泵浦源裝置、激光源裝置及其設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種泵浦源裝置、激光源裝置及其設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 長(zhǎng)期以來(lái)，實(shí)心激光光束在傳統(tǒng)激光加工行業(yè)如切割、熔覆、焊接和打標(biāo)等上有著 廣泛的應(yīng)用，隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來(lái)，各種中心強(qiáng)度較低的激光束一一空心激光 光束相繼產(chǎn)生，空心激光光束在光信息處理、微電子學(xué)、材料科學(xué)、生物技術(shù)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中 有著廣泛的應(yīng)用前景，這也促進(jìn)了很多傳統(tǒng)激光應(yīng)用領(lǐng)域反思光束形式的進(jìn)一步優(yōu)化。例 如對(duì)于激光沖擊成形這樣的傳統(tǒng)激光加工應(yīng)用，空心光束也具有一定的優(yōu)勢(shì)。
[0003] 空心激光光束的產(chǎn)生分為兩種，一種是變換已有光束，該方法要么對(duì)已有光束的 特性有一定要求，要么需要輔助光學(xué)元件；另一種是由激光器直接產(chǎn)生，直接輸出空心光 束，該方法可將入射到固體激光器（例如薄片激光器）的激光晶體上的泵浦光從通常的實(shí) 心形式改變成為空心形式，由于激光振蕩的軸心部分沒(méi)有增益，因此通常率先振蕩的較低 階橫模的增益低于高階橫模而被壓制，空心的高階橫模則率先振蕩輸出，得到空心激光光 束。
[0004] 然而在現(xiàn)有技術(shù)中，要產(chǎn)生空心的泵浦光往往需要將泵浦光從實(shí)心形式變換為空 心形式，需要額外的光束變換元件，導(dǎo)致輸出空心泵浦光的泵浦光學(xué)系統(tǒng)具有光路復(fù)雜、搭 建難度高、光路穩(wěn)定性差、成本高、可實(shí)施性差等缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種泵浦源裝置、激光源裝置及其設(shè)計(jì)方法，以解決 上述問(wèn)題或者至少部分地解決上述問(wèn)題。
[0006] 依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種泵浦源裝置，該泵浦源裝置輸出空心泵浦光， 該泵浦源裝置包括：環(huán)形激光器陣列、聚焦透鏡和光纖；
[0007] 所述環(huán)形激光器陣列包括環(huán)形分布的多個(gè)激光器，用于輸出多束激光；
[0008] 所述聚焦透鏡包括一個(gè)或多個(gè)透鏡，用于將多束激光會(huì)聚耦合進(jìn)所述光纖中；
[0009] 所述光纖用于輸出光斑強(qiáng)度呈空心分布的泵浦光。
[0010] 可選地，該泵浦源裝置進(jìn)一步包括：與所述多個(gè)激光器一一對(duì)應(yīng)的多個(gè)光束整形 元件；
[0011] 所述多個(gè)光束整形元件設(shè)置于所述多個(gè)激光器與所述聚焦透鏡之間，用于分別對(duì) 多束激光進(jìn)行準(zhǔn)直，并將準(zhǔn)直后的多束激光入射到聚焦透鏡上。
[0012] 可選地，所述多個(gè)激光器為半導(dǎo)體激光器。
[0013] 可選地，所述光纖的輸入端面上鍍有增透膜。
[0014] 依據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種激光源裝置，該激光源裝置輸出空心激光， 該激光源裝置是由如上任一項(xiàng)所述的泵浦源裝置輸出的泵浦光進(jìn)行泵浦的。
[0015] 依據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供了一種泵浦源裝置的設(shè)計(jì)方法，該泵浦源裝置輸 出空心泵浦光，該方法包括：
[0016] 將環(huán)形分布的多個(gè)激光器組成環(huán)形激光器陣列，利用所述環(huán)形激光器陣列輸出多 束激光；
[0017] 利用聚焦透鏡將多束激光會(huì)聚耦合進(jìn)光纖中，其中，所述聚焦透鏡包括一個(gè)或多 個(gè)透鏡；
[0018] 利用所述光纖輸出光斑強(qiáng)度呈空心分布的泵浦光。
[0019] 可選地，該方法進(jìn)一步包括：
[0020] 將多個(gè)光束整形元件設(shè)置于所述多個(gè)激光器與所述聚焦透鏡之間，所述多個(gè)光束 整形元件與所述多個(gè)激光器一一對(duì)應(yīng)，利用所述多個(gè)光束整形元件分別對(duì)多束激光進(jìn)行準(zhǔn) 直，并將準(zhǔn)直后的多束激光入射到聚焦透鏡上。
[0021] 可選地，所述多個(gè)激光器為半導(dǎo)體激光器。
[0022] 可選地，該方法進(jìn)一步包括：
[0023] 在所述光纖的輸入端面上鍍有增透膜。
[0024] 依據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，提供了一種激光源裝置的設(shè)計(jì)方法，該激光源裝置輸 出空心激光，該方法包括：
[0025] 利用如上任一項(xiàng)方法所設(shè)計(jì)的泵浦源裝置輸出的泵浦光對(duì)所述激光源裝置進(jìn)行 泵浦。
[0026] 由上述可知，本發(fā)明提供的技術(shù)方案通過(guò)環(huán)形激光器陣列、聚焦透鏡和光纖的配 合，使得環(huán)形激光器陣列輸出的環(huán)形分布的多束激光經(jīng)過(guò)聚焦透鏡的會(huì)聚耦合進(jìn)入光纖 中，得到光纖輸出的光斑強(qiáng)度呈空心分布的泵浦光。該方案所搭建的泵浦源裝置的原理簡(jiǎn) 單、配置合理，與現(xiàn)有技術(shù)相比，無(wú)需增加額外的光束變換元件，具有光路簡(jiǎn)單、搭建難度 低、光路穩(wěn)定性高、成本低、可實(shí)施性高等顯著優(yōu)勢(shì)；再利用該泵浦源裝置輸出的空心泵浦 光泵浦激光源裝置，得到空心激光，對(duì)于當(dāng)前利用空心激光進(jìn)行科研、生產(chǎn)的各領(lǐng)域來(lái)說(shuō)都 具有重要的意義。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一種輸出空心泵浦光的泵浦源裝置的光路 圖；
[0028] 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的多束激光在出光面上的光斑示意圖；
[0029] 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的多束激光在聚焦透鏡上的光強(qiáng)分布圖；
[0030] 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的多束激光會(huì)聚到光纖端面上的光強(qiáng)分布圖；
[0031] 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的多束激光在出光面上的光斑示意圖；
[0032] 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的多束激光在聚焦透鏡上的光強(qiáng)分布圖；
[0033] 圖7示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的多束激光會(huì)聚到光纖端面上的光強(qiáng)分布圖；
[0034] 圖8示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一種輸出空心泵浦光的泵浦源裝置的設(shè)計(jì) 方法。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方 式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0036] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一種輸出空心泵浦光的泵浦源裝置的光路 圖。如圖1所示，該泵浦源裝置包括：環(huán)形激光器陣列1、聚焦透鏡2和光纖3。
[0037] 在本實(shí)施例中，環(huán)形激光器陣列1包括環(huán)形分布的多個(gè)激光器，用于輸出多束激 光；聚焦透鏡2包括一個(gè)或多個(gè)透鏡，用于將多束激光會(huì)聚親合進(jìn)光纖3中；光纖3用于輸 出光斑強(qiáng)度呈空心分布的泵浦光。
[0038] 可見，圖1所示的泵浦源裝置通過(guò)環(huán)形激光器陣列1、聚焦透鏡2和光纖3的配合， 使得環(huán)形激光器陣列1輸出的環(huán)形分布的多束激光經(jīng)過(guò)聚焦透鏡2的會(huì)聚耦合進(jìn)入光纖3 中，得到光纖3輸出的光斑強(qiáng)度呈空心分布的泵浦光。該方案原理簡(jiǎn)單、配置合理，與現(xiàn)有 技術(shù)相比，無(wú)需增加額外的光束變換元件，具有光路簡(jiǎn)單、搭建難度低、光路穩(wěn)定性高、成本 低、可實(shí)施性高等顯著優(yōu)勢(shì)。
[0039] 由于環(huán)形激光器陣列1中輸出各束激光在傳輸過(guò)程中所產(chǎn)生的發(fā)散會(huì)影響其最 終耦合進(jìn)光纖3的效率，為了降低激光發(fā)散所帶來(lái)的影響，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，圖1 所示的泵浦源裝置進(jìn)一步包括：與多個(gè)激光器一一對(duì)應(yīng)的多個(gè)光束整形元件；該多個(gè)光束 整形元件設(shè)置于環(huán)形激光器陣列1中各激光器的光輸出側(cè)，位于多個(gè)激光器與聚焦透鏡2 之間，用于分別對(duì)多束激光進(jìn)行準(zhǔn)直，并將準(zhǔn)直后的多束激光入射到聚焦透鏡上。具體實(shí)施 過(guò)程中，可以根據(jù)環(huán)形激光器陣列1輸出的多束激光在快軸和慢軸上的發(fā)散情況，選擇合 適的快軸準(zhǔn)直透鏡或慢軸準(zhǔn)直透鏡作為光束整形元件。
[0040] 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的多束激光在出光面上的光斑示意圖，在本實(shí) 施例中，環(huán)形激光器陣列1包括環(huán)形分布的八個(gè)半導(dǎo)體激光器單管，該八個(gè)半導(dǎo)體激光器 單管輸出的八束激光經(jīng)過(guò)快軸準(zhǔn)直和慢軸準(zhǔn)直后，得到如圖2所示的光斑示意圖。如圖2 所示，各光斑在快軸方向上的大小為2mm，發(fā)散半角為4. 86mrad，在慢軸方向上的大小為 2mm，發(fā)散半角為6. 08mrad。八束激光在出光面上的環(huán)形分布的八個(gè)光斑的內(nèi)切圓半徑應(yīng)為 2. 414mm，外接圓半徑應(yīng)為4. 526mm。
[0041] 基于以上設(shè)置，為了實(shí)現(xiàn)將八束激光順利會(huì)聚耦合進(jìn)光纖，需要滿足以下條件：八 束激光的全部入射到聚焦透鏡2上；八束激光會(huì)聚后數(shù)值孔徑小于光纖3的數(shù)值孔徑且焦 斑小于光纖3的纖芯。
[0042] 則在本實(shí)施例中，上述八束激光由一個(gè)直徑為10mm，焦距為25mm的聚焦透鏡2會(huì) 聚到一個(gè)數(shù)值孔徑NA = 0. 2,芯徑為0. 400mm的光纖3的輸入端面上。
[0043] 一方面，上述八束激光的八個(gè)光斑形成的環(huán)形的外接圓半徑小于聚焦透鏡2的半 徑，即八束激光全部入射到聚焦透鏡2上；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的多束激光在 聚焦透鏡上的光強(qiáng)分布圖，如圖3所示，八束激光的光斑總體上分布于直徑IOmm的聚焦透 鏡2之內(nèi)，圖中的圓表示直徑為IOmm的聚焦透鏡2的在垂直于光軸的方向上的大小。
滿足光纖3的數(shù)值孔徑，由于各激光在快軸方向上的發(fā)散半角小于其在慢軸方向上的 發(fā)散半角，以各激光在慢軸方向上的發(fā)散半角為依據(jù)估算八束激光會(huì)聚到光纖3的輸 入端面上的最大焦斑半徑，即八束激光會(huì)聚到光纖3的輸入端面上的最大