紧凑型激光头制造技术

一种用于高功率光纤激光系统的激光头具有设置有底部的5mm至10mm高的壳体。所述壳体包围输入准直器组件，所述输入准直器组件以基频和2kW的最大功率对单模泵浦光进行准直。所述壳体还包住接收经准直的泵浦光的多级联非线性频率转换器，以便将基频转换成其较高阶谐波，其中，较高频率的经转换的光具有1kW的最大功率。封装在所述壳体中的是安装在所述壳体中的电子和导光光学部件。所述壳体的所述底部是电光印刷电路板(EO PCB)，所述电光印刷电路板在相应的指定位置处直接支撑所述输入准直器组件、多级联非线性频率转换器、电子和光学部件。件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】紧凑型激光头
[0001]公开背景


[0002]本专利技术涉及在可见光谱中操作的高功率激光器。特别地，本专利技术涉及一种用于上述类型的激光器的微型且成本有效的激光头。

技术介绍

[0003]可见光通常被定义为具有在近红外(具有较长波长)和紫外(具有较短波长)之间的范围内的波长。传统上，利用可见光的工业激光应用包括但不限于医药、材料加工、科学和消费品。随着激光行业随着变频(即，频率转换)方案中使用的新型非线性晶体的可用性不断成熟，产生可见光的激光器不断找到新的应用，诸如红绿蓝(RGB)光引擎。
[0004]存在数种激光器类型来输出可见的发射。一种类型包括短波长半导体激光二极管。另一种类型的已知装置以各种气体激光器为代表。另一种类型的固态激光器基于非线性频率转换，其涉及产生基频的二阶和更高阶谐波，或者利用和频以及参数振荡来获得期望的频率。在本专利技术的范围内，特别关注利用非线性频率转换方案的固态激光器，诸如光纤激光器。然而，正如激光领域的普通技术人员所了解的，本专利技术的主要方面适用于需要频率转换的其它固态激光器。
[0005]图1示出了利用非线性转换技术的一组光纤激光器10。每个激光器10包括连续波(CW)、准连续波(QCW)、或输出红外(IR)泵浦光的脉冲泵浦源12，例如，输出介于约1030nm与1120nm之间的1μm基波波长范围内的红外泵浦光。所产生的IR泵浦光还通过耦合到激光头16的传输光纤14传播。所述激光头配置有产生可见激光输出的频率转换器。
[0006]整体并入本文的美国专利10,008,819公开了一种示例性QCW激光器，其通过利用拉曼转换器和频率转换方案的组合来产生615nm、635nm和更长波长的红光。拉曼转换器包括拉曼光纤，所述拉曼光纤设置有由一对或几对(级联)光纤布拉格光栅组成的腔。如普通技术人员已知的，拉曼转换器提供从光纤的拉曼增益光谱内的泵浦光的基频的波长偏移。当经拉曼偏移的基频的泵浦光被频率转换器(诸如安装在激光头上的二阶谐波发生器(SHG))转换成红色输出光时。
[0007]与在可见光谱范围内操作的光纤激光器相关联的激光头16是本公开的主题。紧凑性、自动化、成本效益、清洁度、光学效率以及相对于机械和热载荷的稳定性都是激光头的基本特征。每个单独的特性由一个或更多个特定的部件来限定。通常，改善其中一个特性可能会对其它特性产生不利影响。因此，激光头的操作的改进需要一种集成方法，该方法需要对多个激光头部件进行修改，如激光头16的以下发展历史所例示的。
[0008]图2示出配置成输出红光的示例性激光头16，但是激光领域的普通技术人员容易认识到，在有或没有微不足道的变化的情况下，所示出的配置将与在可见光谱的任何区域中操作的任何光纤激光器相关。例如，可以省略拉曼转换器，因为除了SHG之外，频率发生器还可以利用各种非线性效应。例如，非线性光学过程可以包括和频率以及确定相应的光学
原理图的其它技术，如激光领域的普通技术人员所熟知的。
[0009]激光头16的结构包括光学、光纤相关和电气/电子部件的组合，所有部件都安装在激光头的壳体的底部18上。传输光纤14延伸穿过光纤连接器30进入激光头16的内部，在该内部，光纤的远端由输入准直器组件或物镜32接收。
[0010]根据图2并转向图3，输入准直器组件32设置有多个元件，其中一个元件是由石英制成并熔合到远侧光纤端的端块34。端块34使对远侧光纤端的损坏最小化，并在一定程度上降低了束的功率密度。然后，经扩展的泵浦束在自由空间上传播，并在准直器36中被准直。
[0011]经准直的泵浦束与包括上游和下游非线性光学晶体(NLO)38(诸如三硼酸锂(LBO))的频率转换方案40(图2)相互作用。随着泵浦光传播通过上游NLO 38，拉曼位移的基频被加倍。在倍频下产生的光和泵浦光的未转换部分首先入射在1/2波片41上，所述1/2波片41调节入射的红色和IR光的偏振。束被进一步引导通过下游NLO 38，通过与剩余的泵浦光相互作用，以双倍的频率产生额外的经转换的光。分色镜(即，二向色镜)42在光谱上分离经转换的和剩余的IR泵射束，所述经转换的和剩余的IR泵射束通过相应的输出端口44、46与头部16进一步分离。
[0012]基于前述内容，输入准直器组件或物镜32，如图3中示出的，除了端块34之外，还包括保持器45和准直器36。准直器组件32的配置庞大，并且因此有助于激光头16的大占地面积。激光头16的整体大占地面积的另一个主要原因是包括非线性晶体38、相应的晶体保持器组件和引导光学器件的频率转换方案。
[0013]激光头16的小型化始于用具有较小芯部直径的光纤替换输入光纤14，这导致单模(SM)泵浦光的束直径减小。减小的束直径为使用小型化光学部件提供了可能性。然而，减小的束直径增加了IR泵浦光功率密度或强度(I)，所述IR泵浦光功率密度或强度是功率(P)(以瓦特(W)为单位)与束截面积的比率(I＝W/cm2)。光的功率密度越高，NLO 36的光学效率越高。因此，减小的束直径提高了紧凑性和频率转换效率。然而，在1μm波长范围内期望的波长下SM IR泵浦光的功率密度增加也会在达到约2kW或更高的高IR最大泵浦光功率时产生问题。
[0014]在低于例如100W的相对低的IR功率下，当泵浦光从端块34背反射时，它没有或几乎没有环境危害。然而，只要SM泵在上述IR功率范围内操作，所有这些都以高功率密度变化。实际上，高密度光引起了相当多的不可预见的结构问题，如下文所描述的。
[0015]例如，当经拉曼偏移的波长的高功率IR泵浦光从端块34背反射时，它被耦合到光纤14的包层中。在二氧化硅包层中引导，背反射的光倾向于从其分离并损坏包层周围的聚合物保护涂层，这使光纤容易受到环境危害的影响。由于激光源继续工作，升高的温度即高温可能会对暴露的光纤造成特别危险的影响。最终，光纤会被烧毁并被完全破坏。处理包层模并且被称为包层模剥离器或模滤波器的典型机构由折射率高于或类似于二氧化硅的硅制成。然而，当单独使用时，模滤波器的有效性在期望的高功率密度下值得怀疑。
[0016]此外，随着激光操作期间温度的升高，包层的折射率最终等于模滤波器的折射率。结果，背反射光不是从包层解耦到模滤波器中，而是在包层中朝向壳体的输入端口传播通过滤波器，光纤连接器30通过所述输入端口延伸到激光头16中。典型地，存在于光纤连接器30周围的输入端口中的间隙通过环氧树脂密封，使得壳体的内部接近密封。当高功率背反
射光入射到环氧树脂上时，由于其对高温的抵抗力较低，因此会受到损害并可能燃烧。结果，经封装的光纤可能容易损坏，并且激光头的内部被暴露于周围环境，这通常导致非常不期望的后果。此外，实验激光头中的高光功率密度及其相关的高温导致胶水排出化学物质逐渐变脏并最终破坏光学部件。显然，与现有的准直器组件相关联的所有上文论述的问题，所述准直器组件位于已知的激光头的输入处，并且需要对相应的准直器组件在激光头的输出处进行校正。
[0017]与基于拉曼转换器的红色激本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于高功率光纤激光系统的激光头，包括：5mm至10mm高的壳体，所述壳体具有底部；输入准直器组件，所述输入准直器组件安装到所述壳体，并且能够操作以在基频且2kW的最大功率下对单模泵浦光进行准直；多级联非线性频率转换器，所述多级联非线性频率转换器位于所述壳体中并接收经准直的泵浦光，以将所述基频转换成其较高阶谐波，其中，较高频率的经转换的光具有1kW的最大功率；安装在所述壳体中的多个电子和导光光学部件，其中，所述壳体的所述底部是电光印刷电路板(EO PCB)，所述电光印刷电路板在相应的指定位置处直接支撑所述输入准直器组件、多级联非线性频率转换器、电子和光学部件。2.如权利要求1所述的激光头，其中，所述多级联非线性频率转换器包括两个或更多个顺序定位的二阶谐波发生器组件，每个二阶谐波发生器组件均能够操作以产生所述基频的二阶谐波。3.如权利要求1所述的激光头，其中，所述泵浦光以1μm光谱范围内的期望的基波波长耦合到所述输入准直器组件中，所述二阶谐波的经转换的光是在期望的波长下具有1kW的最大功率的绿光或在期望的波长下具有750kW的最大功率的红光。4.如权利要求1所述的激光头，其中，所述输入准直器组件配置有：沿纵向轴线延伸的保持器；准直器，所述准直器安装在所述保持器的远端上并与所述保持器同轴；石英端块，所述石英端块在所述准直器与所述保持器的近端之间安装在所述保持器上并沿块轴线延伸；以及套圈，所述套圈在所述石英端块与所述保持器的近端之间被安装在所述保持器上，所述套圈具有与所述石英端块及准直器同轴并且由单模(SM)传输光纤穿过的通路，所述单模传输光纤的远端直接耦接到所述石英端块的近端，其中，所述传输光纤引导所述基频下的所述泵浦光，所述泵浦光入射到所述石英端块上并且从所述石英端块部分地背反射，所述套圈的尺寸被设计成使朝向所述支撑件的近端的背反射的光的传播最小化。5.如权利要求4所述的激光头，其中，所述输入准直器组件包括在所述套圈与所述端块之间安装在所述保持器上的挡光器，所述挡光器具有远侧，所述远侧面对所述石英端块并且配置成反射所述背反射的光。6.如权利要求5所述的激光头，其中，所述挡光器包括两个板，所述两个板安装到所述保持器并且能够垂直于所述保持器的纵向轴线朝向彼此移位到安装位置，所述板被配置成在所述安装位置限定介于彼此相对的相应侧面之间的凹部，所述凹部被所述传输光纤穿过并且与所述准直器、端块和所述套圈的所述通路同轴。7.如权利要求5所述的激光头，其中，所述挡光器配置有两个块，所述两个块安装到彼此上，使得在安装位置彼此相对的相应侧面限定与所述准直器、端块及套圈同轴并由所述传输光纤穿过的纵向通路。8.如权利要求5所述的激光头，还包括光纤连接器，所述光纤连接器与相应的套圈和挡光器的所述通路同轴地安装到所述壳体的输入端口，其中，所述传输光纤延伸达所述光纤
连接器与石英端块之间的间隙长度，所述输入端口具有密封件，所述密封件被所述挡光器和套圈遮蔽所述背反射的光并维持所述壳体的接近密封的内部。9.如权利要求4所述的激光头，其中，所述石英端块的近端具有设置有多个随机排列的抗反射纳米尖峰的表面，所述多个随机排列的抗反射纳米尖峰中的每一个的尺寸均小于所述泵浦光的基波波长。10.如权利要求4所述的激光头，其中，所述石英端块具有圆柱形横截面，...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿列克谢，
申请(专利权)人：IPG光子公司，
类型：发明
国别省市：