本发明专利技术涉及一种高功率光纤激光泵浦光耦合与信号光扩束输出装置。该装置由具有凹面镜成像特性的石英晶体和与石英晶体熔接的泵浦光纤、信号光纤组成。其中，石英晶体具有两个光学面，一个输入平面与泵浦光纤和信号光纤熔接，一个输出凹面镀对泵浦光高反、对信号光增透的光学薄膜。泵浦光纤输出的泵浦光经过石英晶体的凹面反射后，全部入射到信号光纤中。同时，由于信号光在石英晶体中以数值孔径所决定的发散角传输，在石英晶体凹面处光斑增大，并通过增透膜高效率输出，即实现了信号光的扩束输出。本发明专利技术在实现高功率泵浦光耦合的同时兼有信号光扩束输出的功能，有益于高功率光纤激光系统的简易化、集约化、小型化，提升系统的安全性和稳定性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光纤激光领域，设及一种高功率光纤激光系统累浦光禪合手段，尤其 是一种利用特殊结构设计并锻膜的石英块同时对累浦光进行禪合和信号光进行扩束的累 浦光禪合装置。
技术介绍
二十世纪八十年代后期，随着光纤制作工艺的成熟和固体激光器的发展，光纤激 光器开始成为了人们所关注的热点，而随着双包层光纤和包层累浦技术的日渐成熟，高功 率光纤激光器开始取得了突破性的进展。由于光纤激光器具有体积小、紧凑性好、热管理方 便、光束质量好等优点，近几年来，光纤输出的高功率光纤激光器已经在光通信、材料加工、 医学诊疗、信息存储、激光印刷、激光测控、激光光谱学W及非线性频率转换等领域得到了 广泛的应用。 在高功率光纤激光系统中，包层累浦技术已经成为了常用的关键技术，目前采用 的双包层累浦禪合技术手段主要有W下=种；（1)空间光路禪合；（2)累浦合束器；（3) GTWave光纤。其中，空间光路禪合的其中一种方法是使用空间的光学器件巧日透镜)来实现 累浦光向增益光纤禪合的，另一种是在双包层光纤的内包层、外包层和涂敷层开设的V形 槽，并利用光胶合一个锻有高反射膜的V形棱镜，累浦光经过透镜组聚焦于V形棱镜的锻膜 面上禪合进双包层光纤的内包层，并通过内包层传输。而空间光路使用有两点不足，第一是 在禪合的过程中需要对光路进行精确的现场调节承受高功率的光纤和光学镜面暴露在空 气中，增加了整个激光系统的危险性，降低了系统的稳定性，系统结构复杂；第二是要对增 益光纤的禪合端切斜角并进行抛磨，增加了整个系统的工艺难度。相对空间光路禪合，使用 累浦合束器是一个更好的选择，目前关于累浦功率合束器已经有CN201656240U《光纤累浦 合束器》、CN101794955A《一种全光纤激光合成器件及其制备方法》等专利。累浦合束器为 全光纤结构，采用累浦光纤和信号光纤之间的烙接替代了空间光的禪合，增加了整个系统 的稳定性、安全性和集成化程度。但是目前高功率光纤累浦合束器受到制作工艺的限制，能 够承受最高功率大约在lOkW，该限制了激光功率的进一步提高。GTWave光纤利用倏逝波禪 合的方式对增益光纤进行侧向累浦，其相关专利有CN102298173A《侧向累浦光纤结构及其 制造方法》等。其不足在于工艺复杂并且需要比较长的光纤长度，在高功率时，较长的光纤 会导致较强的非线性效应，限制了激光功率的进一步提高。因此，提供一种改进的紧凑稳定 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。 在高功率激光系统中的另外一个关键技术是输出端面激光扩束。在高光束质量的 光纤激光器中，传输激光器的光纤纤巧直径在100ymW下，对应的面积较小，输出光纤端 面功率密度较高，该容易导致端面损伤并进一步引起更多器件的损伤。在高功率光纤器中， 通常在信号光纤上烙接输出面积较大的光纤端帽，通过对输出光束的扩束来降低输出端的 光功率密度，从而实现稳定的高功率激光输出。
技术实现思路
本专利技术提供了一种能够在进行高功率的累浦光禪合的同时对信号光进行扩束输 出的装置。通过对石英晶体的结构进行合理的设计，在石英晶体的累浦光注入面烙接满足 一定几何位置关系的累浦光纤和信号光纤，在石英晶体的信号光输出表面锻对累浦光波长 高反、对信号光波长增透的光学薄膜，当信号光纤和累浦光纤相对于石英晶体的信号光输 出面满足几何光学中的物像关系时，该装置能够同时实现累浦光从累浦光纤到信号光纤的 禪合W及信号光从光纤到石英晶体输出端面的扩束。 本专利技术的基本原理如下： 在光学系统中，对于曲率半径为铺勺凹面反射镜的成像，物像关系满足高斯公式： 112 /、 -二一（1) X' X r W凹面镜中屯、顶点为坐标原点时，X为物的横坐标，X'为像的横坐标，r为凹面反射镜 的曲率半径。为了使物和像处在与光轴垂直的同一平面上，那么设X=x'，又r=-巧，可 W解得： X=X'=-巧 (2) 利用（2)式，根据高斯光学系统垂轴放大率和角放大革V公式，有： 卢 X, p=主二-1 X i1 。） 该里，垂轴放大率與=-1，说明像与物等大且倒置，即物像关于光轴是轴对称的。角放 大率7 =1说明物体发射光的张角与像收光的张角是相等的。在光纤中，该里分析的张角就 相当于光纤的数值孔径所决定的光束发散角。综合W上分析，可W看出为了实现累浦 光到信号光的禪合，累浦光纤和信号光纤应该与光轴对称放置，即i' =片/ =a' = 7a =a。为了满足近轴近似条件，/应取得较小。为方便起见，设累浦光纤涂覆层直径为d\，增 益光纤涂覆层直径为^3?2，那么光纤轴屯、与石英晶体光纤接续面的圆屯、距离^可取： i=rfj+d-2 (4) 对于实际应用中，要求尽量高效地将累浦光纤中的累浦激光禪合到信号光纤的内包层 中，那么累浦光纤和信号光纤的光束需要满足亮度守恒，即； !琴口 运 (5) 其中，J\M^、rfp分别为累浦光纤纤巧数值孔径和直径，站4。、为信号光纤的内包层 数值孔径和直径。 根据上述原理，本专利技术的技术方案如下： 提供一种能够在进行高功率的累浦光禪合的同时对信号光进行扩束输出的累浦光禪 合装置。该装置由具有凹面镜成像特性的石英晶体和与石英晶体烙接的累浦光纤、信号光 纤组成。其特点为石英晶体正反两面为两个光学面，一个光学面为光纤接续面，与累浦光纤 和信号光纤烙接；另一个光学面为凹面，锻对累浦光高反、对信号光增透的光学薄膜；累浦 光纤与信号光纤的位置相对于凹面锻的光轴对称满足几何光学的物像关系，累浦光纤和信 号光纤的光学参数满足亮度守恒的要求。 下面结合附图1对本专利技术作进一步说明，但不应W此限制本专利技术的保护范围。特 殊设计石英晶体1-1具有两个光学面、两个固定夹持/冷却面，其中一个光学面是被加工抛 磨成曲面、曲率半径为R的凹面1-2,曲面外接口径大小在5mm-50mm之间；另外一个光学面 是与累浦光纤1-3和信号光纤1-4烙接的光纤接续面1-5 ; 在凹面1-2上，锻上对累浦光高反（比如反射率大于99. 9%)、对信号光增透（比如透过 率大于99. 9%)光学膜系；在光纤烙接的光纤接续面1-5上，累浦光纤1-3和信号光纤1-4 关于凹面1-2的光轴对称烙接，且距离凹面1-2顶点的距离等于凹面的曲率半径R。该样， 累浦光纤1-3和信号光纤1-4关于凹面1-2满足几何光学的物像关系。 所述累浦光纤1-3和信号光纤1-4可W通过氨氧焰烙接的方法与光纤接续面1-5 进行烙接。累浦光纤包层尺寸在125ym到2000ym之间。 为了方便石英晶体的固定和夹持，石英晶体的两侧面还具有呈圆柱状夹持面1-6， 使得该石英晶体可通过管状固定装置进行固定；在夹持面1-6和光纤接续面1-5之间，石英 晶体被打磨成一个锥面1-7,便于在实际应用的光纤激光系统中实施水冷或其他制冷保护 措施。夹持面1-6在凹面1-2与锥面1-7之间。 按上述方案，当累浦光纤1-3和信号光纤1-4满足亮度守恒口<AM,d,)时， 累浦光纤1-3输出的累浦光经过凹面1-2反射后，能够全部入射到信号光纤1-4中。同时， 由于信号光在石英晶体中W数值孔径所决定的发散角传输，在输出凹面1-2处光斑增 大，并通过增透膜高当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高功率光纤激光泵浦光耦合与信号光扩束输出装置，包括石英晶体和与石英晶体熔接的泵浦光纤、信号光纤，其特征在于，石英晶体(1‑1) 正反两面为两个光学面，一个光学面为光纤接续面（1‑5），与泵浦光纤和信号光纤熔接；另一个光学面为凹面(1‑2)，镀对泵浦光高反、对信号光增透的光学薄膜；泵浦光纤与信号光纤的位置相对于凹面镀的光轴对称满足几何光学的物像关系；所述凹面(1‑2)为曲面；所述光纤接续面（1‑5）上，泵浦光纤（1‑3）和信号光纤（1‑4）关于凹面（1‑2）的光轴对称熔接，且距离凹面（1‑2）顶点的距离等于凹面的曲率半径。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王小林，史尘，周朴，粟荣涛，陈子伦，郭少锋，许晓军，陈金宝，刘泽金，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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