一種高功率光纖激光泵浦光耦合與信號光擴束輸出裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光纖激光領(lǐng)域，設(shè)及一種高功率光纖激光系統(tǒng)累浦光禪合手段，尤其 是一種利用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計并鍛膜的石英塊同時對累浦光進行禪合和信號光進行擴束的累 浦光禪合裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 二十世紀(jì)八十年代后期，隨著光纖制作工藝的成熟和固體激光器的發(fā)展，光纖激 光器開始成為了人們所關(guān)注的熱點，而隨著雙包層光纖和包層累浦技術(shù)的日漸成熟，高功 率光纖激光器開始取得了突破性的進展。由于光纖激光器具有體積小、緊湊性好、熱管理方 便、光束質(zhì)量好等優(yōu)點，近幾年來，光纖輸出的高功率光纖激光器已經(jīng)在光通信、材料加工、 醫(yī)學(xué)診療、信息存儲、激光印刷、激光測控、激光光譜學(xué)W及非線性頻率轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域得到了 廣泛的應(yīng)用。
[0003] 在高功率光纖激光系統(tǒng)中，包層累浦技術(shù)已經(jīng)成為了常用的關(guān)鍵技術(shù)，目前采用 的雙包層累浦禪合技術(shù)手段主要有W下=種；（1)空間光路禪合；（2)累浦合束器；（3) GTWave光纖。其中，空間光路禪合的其中一種方法是使用空間的光學(xué)器件巧日透鏡)來實現(xiàn) 累浦光向增益光纖禪合的，另一種是在雙包層光纖的內(nèi)包層、外包層和涂敷層開設(shè)的V形 槽，并利用光膠合一個鍛有高反射膜的V形棱鏡，累浦光經(jīng)過透鏡組聚焦于V形棱鏡的鍛膜 面上禪合進雙包層光纖的內(nèi)包層，并通過內(nèi)包層傳輸。而空間光路使用有兩點不足，第一是 在禪合的過程中需要對光路進行精確的現(xiàn)場調(diào)節(jié)承受高功率的光纖和光學(xué)鏡面暴露在空 氣中，增加了整個激光系統(tǒng)的危險性，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；第二是要對增 益光纖的禪合端切斜角并進行拋磨，增加了整個系統(tǒng)的工藝難度。相對空間光路禪合，使用 累浦合束器是一個更好的選擇，目前關(guān)于累浦功率合束器已經(jīng)有CN201656240U《光纖累浦 合束器》、CN101794955A《一種全光纖激光合成器件及其制備方法》等專利。累浦合束器為 全光纖結(jié)構(gòu)，采用累浦光纖和信號光纖之間的烙接替代了空間光的禪合，增加了整個系統(tǒng) 的穩(wěn)定性、安全性和集成化程度。但是目前高功率光纖累浦合束器受到制作工藝的限制，能 夠承受最高功率大約在lOkW，該限制了激光功率的進一步提高。GTWave光纖利用倏逝波禪 合的方式對增益光纖進行側(cè)向累浦，其相關(guān)專利有CN102298173A《側(cè)向累浦光纖結(jié)構(gòu)及其 制造方法》等。其不足在于工藝復(fù)雜并且需要比較長的光纖長度，在高功率時，較長的光纖 會導(dǎo)致較強的非線性效應(yīng)，限制了激光功率的進一步提高。因此，提供一種改進的緊湊穩(wěn)定 的，可W承受更高功率累浦激光的累浦功率禪合手段是非常必要的。
[0004] 在高功率激光系統(tǒng)中的另外一個關(guān)鍵技術(shù)是輸出端面激光擴束。在高光束質(zhì)量的 光纖激光器中，傳輸激光器的光纖纖巧直徑在100ymW下，對應(yīng)的面積較小，輸出光纖端 面功率密度較高，該容易導(dǎo)致端面損傷并進一步引起更多器件的損傷。在高功率光纖器中， 通常在信號光纖上烙接輸出面積較大的光纖端帽，通過對輸出光束的擴束來降低輸出端的 光功率密度，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的高功率激光輸出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種能夠在進行高功率的累浦光禪合的同時對信號光進行擴束輸 出的裝置。通過對石英晶體的結(jié)構(gòu)進行合理的設(shè)計，在石英晶體的累浦光注入面烙接滿足 一定幾何位置關(guān)系的累浦光纖和信號光纖，在石英晶體的信號光輸出表面鍛對累浦光波長 高反、對信號光波長增透的光學(xué)薄膜，當(dāng)信號光纖和累浦光纖相對于石英晶體的信號光輸 出面滿足幾何光學(xué)中的物像關(guān)系時，該裝置能夠同時實現(xiàn)累浦光從累浦光纖到信號光纖的 禪合W及信號光從光纖到石英晶體輸出端面的擴束。
[0006] 本發(fā)明的基本原理如下： 在光學(xué)系統(tǒng)中，對于曲率半徑為鋪勺凹面反射鏡的成像，物像關(guān)系滿足高斯公式： 112 /、 -二一（1) X' X r W凹面鏡中屯、頂點為坐標(biāo)原點時，X為物的橫坐標(biāo)，X'為像的橫坐標(biāo)，r為凹面反射鏡 的曲率半徑。為了使物和像處在與光軸垂直的同一平面上，那么設(shè)X=x'，又r=-巧，可 W解得： X=X'=-巧 (2) 利用（2)式，根據(jù)高斯光學(xué)系統(tǒng)垂軸放大率和角放大革V公式，有： 盧 X, p=主二-1 X i1 。） 該里，垂軸放大率與=-1，說明像與物等大且倒置，即物像關(guān)于光軸是軸對稱的。角放 大率7 =1說明物體發(fā)射光的張角與像收光的張角是相等的。在光纖中，該里分析的張角就 相當(dāng)于光纖的數(shù)值孔徑所決定的光束發(fā)散角。綜合W上分析，可W看出為了實現(xiàn)累浦 光到信號光的禪合，累浦光纖和信號光纖應(yīng)該與光軸對稱放置，即i' =片/ =a' = 7a =a。為了滿足近軸近似條件，/應(yīng)取得較小。為方便起見，設(shè)累浦光纖涂覆層直徑為d\，增 益光纖涂覆層直徑為^3?2，那么光纖軸屯、與石英晶體光纖接續(xù)面的圓屯、距離^可?。?i=rfj+d-2 (4) 對于實際應(yīng)用中，要求盡量高效地將累浦光纖中的累浦激光禪合到信號光纖的內(nèi)包層 中，那么累浦光纖和信號光纖的光束需要滿足亮度守恒，即； !琴口 運 (5) 其中，J\M^、rfp分別為累浦光纖纖巧數(shù)值孔徑和直徑，站4。、為信號光纖的內(nèi)包層 數(shù)值孔徑和直徑。
[0007] 根據(jù)上述原理，本發(fā)明的技術(shù)方案如下： 提供一種能夠在進行高功率的累浦光禪合的同時對信號光進行擴束輸出的累浦光禪 合裝置。該裝置由具有凹面鏡成像特性的石英晶體和與石英晶體烙接的累浦光纖、信號光 纖組成。其特點為石英晶體正反兩面為兩個光學(xué)面，一個光學(xué)面為光纖接續(xù)面，與累浦光纖 和信號光纖烙接；另一個光學(xué)面為凹面，鍛對累浦光高反、對信號光增透的光學(xué)薄膜；累浦 光纖與信號光纖的位置相對于凹面鍛的光軸對稱滿足幾何光學(xué)的物像關(guān)系，累浦光纖和信 號光纖的光學(xué)參數(shù)滿足亮度守恒的要求。
[0008] 下面結(jié)合附圖1對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)W此限制本發(fā)明的保護范圍。特 殊設(shè)計石英晶體1-1具有兩個光學(xué)面、兩個固定夾持/冷卻面，其中一個光學(xué)面是被加工拋 磨成曲面、曲率半徑為R的凹面1-2,曲面外接口徑大小在5mm-50mm之間；另外一個光學(xué)面 是與累浦光纖1-3和信號光纖1-4烙接的光纖接續(xù)面1-5 ; 在凹面1-2上，鍛上對累浦光高反（比如反射率大于99. 9%)、對信號光增透（比如透過 率大于99. 9%)光學(xué)膜系；在光纖烙接的光纖接續(xù)面1-5上，累浦光纖1-3和信號光纖1-4 關(guān)于凹面1-2的光軸對稱烙接，且距離凹面1-2頂點的距離等于凹面的曲率半徑R。該樣， 累浦光纖1-3和信號光纖1-4關(guān)于凹面1-2滿足幾何光學(xué)的物像關(guān)系。
[0009] 所述累浦光纖1-3和信號光纖1-4可W通過氨氧焰烙接的方法與光纖接續(xù)面1-5 進行烙接。累浦光纖包層尺寸在125ym到2000ym之間。
[0010] 為了方便石英晶體的固定和夾持，石英晶體的兩側(cè)面還具有呈圓柱狀夾持面1-6， 使得該石英晶體可通過管狀固定裝置進行固定；在夾持面1-6和光纖接續(xù)面1-5之間，石英 晶體被打磨成一個錐面1-7,便于在實際應(yīng)用的光纖激光系統(tǒng)中實施水冷或其他制冷保護 措施。夾持面1-6在凹面1-2與錐面1-7之間。
[0011] 按上述方案，當(dāng)累浦光纖1-3和信號光纖1-4滿足亮度守恒口<AM,d,)時， 累浦光纖1-3輸出的累浦光經(jīng)過凹面1-2反射后，能夠全部入射到信號光纖1-4中。同時， 由于信號光在石英晶體中W數(shù)值孔徑所決定的發(fā)散角傳輸，在輸出凹面1-2處光斑增 大，并通過增透膜高