用于光学隔离的装置和方法制造方法及图纸

用于光学隔离的装置，该装置包括：激光器(1)、波束递送系统(91)、以及输出端口(92)，其中：波束递送系统(91)包括光学隔离器(8)和光纤(2)；激光器(1)由峰值功率(21)定义；激光器(1)发射处于信号波长(19)的激光辐射(13)；激光辐射(13)经由波束递送系统(91)从激光器(1)耦合到输出端口(92)；并且光纤(2)包括由芯(101)、包覆层(102)、信号波长(19)处的模场面积(104)、长度(86)、以及拉曼(Raman)波长(25)定义的光学波导(100)；并且该装置的特征在于：拉曼波长(25)长于信号波长(19)；波束递送系统(91)使信号波长(19)处的激光辐射(13)衰减，以使得由激光器(1)发射的激光辐射(13)的功率大于输出端口(92)处的激光辐射(13)的功率；该装置不包括用于在激光辐射(13)沿光纤(2)传播时泵浦信号波长(19)处的激光辐射(13)的泵；光学隔离器(8)在信号波长(19)处与拉曼波长(25)相比具有更大的后向光学隔离(33)和更大的前向传输(28)；并且光纤(2)包括用于抑制受激拉曼散射的抑制装置(94)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于光学隔离的装置和方法专利
本专利技术涉及用于光学隔离的装置和方法。本专利技术尤其应用于光纤激光器中的激光束递送以及用于工业材料的激光处理的装备。专利技术背景高功率激光器在工业材料的激光处理中具有重要应用。功率超过10kW的脉冲式激光器被用于标记、雕刻、切割、焊接、以及钻探应用。功率超过1kW的连续波激光器被用于切割和焊接应用。这些高功率激光器有利地具有用于将激光辐射从激光器地送到工件的光纤波束递送系统。不幸的是，非线性效应(诸如拉曼散射和刺激拉曼散射)会限制光纤波束递送系统的最大输出功率以及长度以及影响激光器对来自工件的后向反射的忍耐能力。一些系统的最大长度可能只有1m到2m那么小。这对激光处理机器(诸如平板切割器)的设计、或制造商场地板的设计、以及激光源本身的架构造成了严重的限制。存在对避免上述问题的用于光学隔离的装置和方法的需要。本专利技术根据本专利技术的一个非限制性实施例，提供了用于光学隔离的装置，该装置包括激光器、波束递送系统以及输出端口，其中：■该波束递送系统包括光学隔离器和光纤；■该激光器由峰值功率来定义；■该激光器发射处于信号波长的激光辐射；■该激光辐射经由波束递送系统从激光器被耦合到输出端口；以及■该光纤包括由芯、包覆层、处于信号波长处的模场面积、长度以及拉曼波长定义的光学波导；并且该装置的特征在于：■拉曼波长长于信号波长；■该波束递送系统使信号波长处的激光辐射衰减，以使得由激光器发射的激光辐射的功率大于输出端口处激光辐射的功率；■该装置不包括用于在激光辐射沿光纤传播时泵浦处于信号波长处的激光辐射的泵；■该光学隔离器在信号波长处与拉曼波长相比具有更大的后向光学隔离和更大的前向传输；以及■该光纤包括用于抑制受激拉曼散射的抑制装置。本专利技术尤其有用于抑制脉冲式激光器中的受激拉曼散射效应。这是因为脉冲形状常常是非常重要的，并且如果在拉曼波长处后向反射的光学辐射在时间上或空间上与在波束递送系统或激光器中前向行进的脉冲交叠，则脉冲形状可能在实质上受到影响。受激拉曼散射还可能导致在拉曼波长处已经被散射并且接着朝向激光器被后向反射的辐射。该辐射可以被进一步放大并且可能破坏激光器。“前向”指的是光学辐射远离激光器的传播，而“后向”指的是光学辐射朝向激光器的传播。本专利技术与已知系统不同，已知系统使用拉曼放大，藉此沿光纤传播的光学辐射被具有短于光学辐射的信号波长的波长的泵辐射泵浦。在此类系统中，由泵浦辐射生成的拉曼波长近似等于信号波长，并且所得的拉曼增益放大了光学辐射，从而随着其沿光纤的传播而增加其功率。然而，在本专利技术中，激光器是如此，使得处于信号波长处的光学辐射的峰值功率如此之高以至于光学辐射在拉曼波长处生成不期望的自发发射，其波长长于信号波长。光学辐射可以经由收集拉曼散射来泵浦该自发发射。此类过程消耗了沿光纤传播的光学辐射，并且可得到如下强度的后向传播光，使得它能够破坏装置中的光学组件，诸如隔离器、泵二极管以及种子激光器。在本专利技术中，不存在泵，并且光纤传播除了能够经由受激拉曼散射放大信号波长处的激光辐射的光学辐射之外的光学辐射。光纤在峰值功率处与具有相同模场直径但不具有抑制装置的光纤相比可具有显著较小的受激拉曼散射增益。抑制装置可以是相比于处于信号波长处的光学辐射有偏好地吸收、散射、耦合或以其他方式从光纤的芯中移除处于拉曼波长处的光学辐射的滤波器。抑制装置可以跨光纤的长度来分布。抑制装置可包括芯周围的高折射率特征，且高折射率特征被配置成相比于将信号波长的光耦合进入漏泄模增加将拉曼波长的光耦合进入漏泄模。抑制装置可包括至少一个闪耀光栅。闪耀光栅优选地是光纤布拉格光栅，其中光栅线相对于光纤的轴处于一角度。闪耀光栅将不想要的光反射或耦合出光纤的芯。抑制装置可包括至少一个长周期光栅。抑制装置可包括芯周围的凹陷折射率包覆层。光学隔离器可以被定位在激光器与光纤之间。这是本专利技术的一个尤其有利的方面，因为它使得光学隔离器能够被容纳在激光器底座内或激光器底座附近而非靠近激光处理机内的激光扫描头。因此更易于提供冷却，并且输出光学元件设计可以更小并且不那么麻烦。光纤可以被定位在激光器与光学隔离器之间。光纤的长度可以大于临界长度，该临界长度等于16倍的模场面积与光纤的拉曼增益系数和峰值功率的乘积的商。该长度可大于1.5倍的临界长度。该长度可大于2倍的临界长度。该长度可大于5倍的临界长度。该长度可大于10倍的临界长度。峰值功率可以大于10kW，并且该长度可大于10米。有利的是，本专利技术准许长于临界长度的光纤被用于激光系统而不会受到受激拉曼散射的影响。该装置可以被配置成使得光纤的输出端与工件相距距离d。激光器可以如此使得它发射在真空中具有大于2d的空间脉冲长度的脉冲。有利的是，抑制装置准许被反射光学辐射与前向行进的辐射交叠，而没有由受激拉曼散射引起的失真或失稳效应。脉冲宽度可以为至少100ps。脉冲宽度可以为至少1ns。激光器可以被配置成发射在光纤中具有光纤长度两倍到十倍之间的空间长度的脉冲。空间长度可以小于光纤长度的五倍。具有至少2L的空间长度的脉冲将在来自光纤端部的反射期间至少一次完整地沿光纤的长度交叠。实际上，由交叠脉冲引起的脉冲失真效应对于具有最大约10L的空间脉冲长度的脉冲来说变得重要。激光器可以发射具有小于10L的空间脉冲长度的脉冲，优选地小于5L，并且更优选地小于2L的空间脉冲长度的脉冲。有利的是，抑制装置准许被反射光学辐射与前向行进的辐射交叠，而没有由受激拉曼散射引起的失真或失稳效应。激光器可以能够发射具有小于或等于2μs的脉冲宽度的脉冲。脉冲宽度可以小于或等于500ns。脉冲宽度可以小于或等于100ns。脉冲宽度可以小于或等于25ns。激光器可以被配置成发射多个脉冲，并且光纤中毗邻脉冲之间的空间间隔可以小于或等于光纤长度的两倍。有利的是，抑制装置准许此类脉冲交叠，而不会有由受激拉曼散射引起的失真或失稳效应。激光器可具有至少1MHz、优选地至少5MHz、并且更优选地至少20MHz的脉冲重复频率。激光器可以是由小于2的波束质量M2因子以及大于10kW的峰值功率定义的掺镱光纤激光器。激光器优选地被配置为主振荡器功率放大器。该装置可包括物镜，该物镜被配置成将光学辐射聚焦到工件上，该装置采用用于材料的工业处理的装置的形式。此类工业处理可包括切割、焊接、标记、雕刻、划线、清洁、钻探、包覆、或加性制造。在此类装置中，由激光器提供的前向行进的光学辐射通常被工件部分地反射。如果前向行进的光学辐射还包括处于拉曼波长处的分量，则在信号波长或拉曼波长处被反射的辐射的效果将是从前向行进的激光辐射中移除信号辐射，从而得到在工件处具有失真的脉冲形状。被反射的辐射还会导致对激光器或波束递送系统的破坏。本专利技术还提供了一种用于光学隔离的方法，该方法包括提供激光器、波束递送系统以及输出端口，其中：■该波束递送系统包括光学隔离器和光纤；■该激光器由峰值功率来定义；■该激光器发射处于一信号波长的激光辐射；■将激光辐射从激光器耦合到输出端口是经由波束递送系统的；以及■该光纤包括由芯、包覆层、处于信号波长处的模场面积、长度以及拉曼波长定义的光学波导；该方法的特征在于：■拉曼波长长于信号波长；■该波束递送系统使信号波长处的激光辐射衰减，以使得由激光器发射的激光辐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于光学隔离的装置，所述装置包括：激光器、波束递送系统、以及输出端口，其中：·所述波束递送系统包括光学隔离器和光纤；·所述激光器由峰值功率来定义；·所述激光器发射处于信号波长的激光辐射；·所述激光辐射经由所述波束递送系统从所述激光器被耦合到所述输出端口；以及·所述光纤包括由芯、包覆层、处于所述信号波长处的模场面积、长度以及拉曼波长定义的光学波导；并且所述装置的特征在于：·所述拉曼波长长于所述信号波长；·所述波束递送系统使所述信号波长处的所述激光辐射衰减，以使得由所述激光器发射的激光辐射的功率大于所述输出端口处的激光辐射的功率；·所述装置不包括用于在所述激光辐射沿所述光纤传播时泵浦处于所述信号波长处的激光辐射的泵；·所述光学隔离器在所述信号波长处与所述拉曼波长相比具有更大的后向光学隔离和更大的前向传输；以及·所述光纤包括用于抑制受激拉曼散射的抑制装置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.01.29 GB 1601815.21.用于光学隔离的装置，所述装置包括：激光器、波束递送系统、以及输出端口，其中：·所述波束递送系统包括光学隔离器和光纤；·所述激光器由峰值功率来定义；·所述激光器发射处于信号波长的激光辐射；·所述激光辐射经由所述波束递送系统从所述激光器被耦合到所述输出端口；以及·所述光纤包括由芯、包覆层、处于所述信号波长处的模场面积、长度以及拉曼波长定义的光学波导；并且所述装置的特征在于：·所述拉曼波长长于所述信号波长；·所述波束递送系统使所述信号波长处的所述激光辐射衰减，以使得由所述激光器发射的激光辐射的功率大于所述输出端口处的激光辐射的功率；·所述装置不包括用于在所述激光辐射沿所述光纤传播时泵浦处于所述信号波长处的激光辐射的泵；·所述光学隔离器在所述信号波长处与所述拉曼波长相比具有更大的后向光学隔离和更大的前向传输；以及·所述光纤包括用于抑制受激拉曼散射的抑制装置。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述抑制装置被分布在所述光纤的长度上。3.如权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述抑制装置包括所述芯周围的高折射率特征，且所述高折射率特征被配置成与将所述信号波长处的光耦合进入漏泄模相比增加将所述拉曼波长处的光耦合进入漏泄模。4.如权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于，所述抑制装置包括至少一个闪耀光栅。5.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述抑制装置包括至少一个长周期光栅。6.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述抑制装置包括所述芯周围的凹陷折射率区域。7.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述光学隔离器被定位在所述激光器与所述光纤之间。8.如权利要求1-6中任一项所述的装置，其特征在于，所述光纤被定位在所述激光器与所述光学隔离器之间。9.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述光纤的长度大于临界长度，所述临界长度等于16倍的模场面积与所述光纤的拉曼增益系数和所述峰值功率的乘积的商。10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述长度大于所述临界长度的1.5倍。11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述长度大于所述临界长度的2倍。12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述长度大于所述临界长度的5倍。13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述长度大于所述临界长度的10倍。14.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置被配置成使得所述光纤的输出端与工件相距距离d，并且所述激光器使得它发射在真空中具有大于2d的空间脉冲长度的脉冲。15.如前述权利要求的任一项所述的装置，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·K·杜尔金，
申请(专利权)人：司浦爱激光技术英国有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB