一种避免激光芯片因反向光损伤的大功率激光器制造技术

本发明专利技术涉及到一种避免激光芯片因反向光损伤的大功率光纤激光器，该光纤激光器包括有依次连接的泵浦源、光纤合束器、增益光纤和输出端，所述的泵浦源通过第一输出光纤连接至光纤合束器中，该光纤合束器通过一根第二输出光纤连接所述的增益光纤，该增益光纤连接输出端，在所述的泵浦源内设置有半导体激光芯片，大功率激光器的输出端出射激光光束至加工件上，其特征在于，在所述的第一输出光纤和第二输出光纤中至少一种输出光纤上制作有用以消除加工件反射的反向光的光纤光栅。本发明专利技术的大功率激光器通过减少或消除反向光来避免其对大功率激光器内泵浦源激光芯片的损伤，以提高大功率激光器的安全性和稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光器，特别涉及一种拥有特殊设计的光纤激光器，实现避免因反向光损坏泵浦源中的半导体激光器芯片。
技术介绍
在工业激光加工，医疗医药制作等一些应用中，需要大功率的激光器。光纤激光器以其高能量转化效率、高光束质量、体积紧凑、高可靠性能、超长使用寿命、免维护的优点，可以取代第一代的气体激光器，在大功率激光器的应用中获得广泛的推广。光纤激光器的运行中存在相当强度的反向光，如果沿着泵浦源的输出光纤返回，投射到半导体激光芯片上，将造成致命性的损伤，如Catastrophic Optical Damage(COD)0这是光纤激光器的一个主要失效模式。在光纤激光器中，被反射的信号光(反向光)必须尽量小地返回到泵浦源中，否则反向光的功率很容易超过半导体芯片的损伤阈值，造成损坏。对于单管芯的半导体激光器，其COD的损伤域值约为250mW (连续光)和0.2 μ J。对于输出功率IOW的单管芯泵浦源，输出光纤中的反射率必须控制在2.5%以下。目前常用的光纤激光器的结构如图1所示，主要由泵浦源1、光纤合束器2、增益光纤3和输出端4等构成。在上述结构的光纤激光器中，可能回返到泵浦源中的反向光可能来自以下几个部分:1.光纤熔接点B。这个熔接点在光纤合束器和增益光纤之间。由于光纤合束器使用的一般为圆形双包层光纤，而有源光纤使用的为不规则双包层光纤(八边形、六边形、D形)，两边光纤的不完全匹配(包括形状的不匹配和NA的不匹配)导致在熔接处产生相对较大的泄漏和反射一信号光(如1064纳米)从纤芯泄漏到包层，泄漏的信号光和包层中传输的泵浦光(如976纳米)一起从包层被反射。反向光主要是泵浦光和小部分泄漏后反射的信号光，经过合束器，最终返回到泵浦源。在高质量光纤熔接的情况下，反射率应该在1%以下，而反向光通过合束器后被均匀分配到多个泵浦源的入射端。如果使用IOW的泵浦源，每个接收到IOOmW以下的反向光(10W X 1% = IOOmW),低于250mW的损伤阈值。因此，在正常的光纤熔接情况下，产生于熔接点B的反向光主要是泵浦光其强度比较小。2.光纤熔接点C。在熔接点C处，大多数泵浦光已经被吸收，残余泵浦光约为5 %以下，而在纤芯中的信号光占绝大部分。在此反射的泵浦光，通过增益光纤并没有被放大，(因为包层中没有掺杂)，然后通过合束器，达到增益激光器。这部分能量非常低，只有10WX5 %X1 % (C处反射率)=5mW。而在熔接点C处反射回纤芯的信号光(反射比较低〈0.01%)，在增益光纤中被放大(假设增益20dB，100倍)，通过合束器时，其中一部分耦合到多模泵浦源(估计为10%)，然后平均分配到多个泵浦源。因此，如果是2000瓦输出的光纤激光器(30个IOW的泵浦源)，到达泵浦源的信号光功率约为: 2000WX0.01% XlOO (增益)X 10% X (1/30)= 66mff 该数值仍然低于250mW的损伤阈值。但是如果光纤激光器的功率(或峰值功率)超过2千瓦，就有可能损伤泵浦源。3.加工工件D表面处信号光的反射。在光纤激光器的工业应用中，比较普遍的应用是金属材料的表面加工和处理，金属对1064微米有较大的反射率(30% 90%甚至更高)。如图2中的激光加工设备的输出光路系统所示。根据光路可逆原理，金属工件表面反射的信号光(假设为30%)可以沿完全按照原光路返回，并耦合回泵浦源中。估计耦合回纤芯中的信号光为1% (180度反射)，通过增益光纤放大为100倍，同样耦合后分配到各个泵浦源中: 2000WX30% Xl% XlOO (增益)X 10% X (1/30)= 2W 。从上面分析可以看出，来自加工工件表面的高反射是主要的反向光来源，其是个非常严重的问题。由于加工件表面的180度反射光是最强的反向光，一般激光加工设备都会在输出光路中采用IOdB以上的空间隔离器来减少反向光。然而大功率的空间隔离器技术上比较难以实现，而且成本较高，不容易实现产业化。另一个通常采用的降低反向光强度的方法是:在输出光纤的末端面制作8°的倾角(APC设计)，通过光纤连接头与另一个8°倾角的光纤实现连接。这个方法可以有效地抑制在光纤端面的反射光。但在激光加工设备中，在光纤的最后输出端采用8°倾角的效果有限，这是因为反向光的主要部分是来自于加工工件表面的180度反射光，根据光路可逆原理，即使采用各种类似的改变光纤端面几何形状的方法也不能有效地减少这种反向光。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种新的结构类型的大功率激光器设计。本专利技术的大功率激光器通过减少或消除反向光来避免其对大功率激光器内泵浦源激光芯片的损伤，以提高大功率激光器的安全性和稳定性。为了达到上述专利技术目的，本专利技术提供的技术方案如下: 一种避免激光芯片因反向光损伤的大功率光纤激光器，该光纤激光器包括有依次连接的泵浦源、光纤合束器、增益光纤和输出端，所述的泵浦源通过第一输出光纤连接至光纤合束器中，该光纤合束器通过一根第二输出光纤连接所述的增益光纤，该增益光纤连接输出端，在所述的泵浦源内设置有半导体激光芯片，大功率激光器的输出端出射激光光束至加工件上，其特征在于，在所述的第一输出光纤和第二输出光纤中至少一种输出光纤上制作有用以消除加工件反射的反向光的光纤光栅。光纤光栅是通过一定的方法使得光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，满足衍射条件的波长经过光栅后会产生反射，而其余波长会透过光栅继续传播。通过设计光栅结构可以实现光学介质膜相同的功能。目前的光纤光栅主要应用于光纤通信中的滤波器、色散补偿器、波分复用器、光开光、波长选择器以及光传感领域。而在光纤激光器应用方面，利用光纤光栅的波长选择性可以实现模式选择和窄带反馈的单频激光器。在本专利技术避免激光芯片因反向光损伤的大功率激光器中，所述的光纤光栅或者设置在第一输出光纤上、或者设置在第二输出光纤上、或者在第一输出光纤和第二输出光纤上均设有光纤光栅。在本专利技术避免激光芯片因反向光损伤的大功率激光器中，所述大功率激光器中的泵浦源数量为I 10000个，所述第一输出光纤的数量与泵浦源的数量相同且对应。在本专利技术避免激光芯片因反向光损伤的大功率激光器中，对由加工件反射的反向光满足衍射条件经过所述的光纤光栅产生反射实现滤波。在本专利技术避免激光芯片因反向光损伤的大功率激光器中，所述的光纤光栅或为光纤布拉格光栅、或为长周期光纤光栅。在本专利技术避免激光芯片因反向光损伤的大功率激光器中，涉及特定的光栅结构实现或为低通、或为带通、或为带阻的滤波功能。在本专利技术避免激光芯片因反向光损伤的大功率激光器中，所述光纤光栅的参数与入射光波长之间的对应关系为:As =In^-A 其中，4为需反射光纤的波长，Λ为光栅周期,为纤芯有效折射率。在本专利技术避免激光芯片因反向光损伤的大功率激光器中，所述的光纤合束器上还连接有种子源激光器。在本专利技术避免激光芯片因反向光损伤的大功率激光器中，所述大功率激光器的输出端与加工件之间设有准直系统和扫描聚焦系统。在本专利技术避免激光芯片因反向光损伤的大功率激光器中，所述大功率激光器的输出功率在IOW 100000W。基于上述技术方案，本专利技术的大功率激光器在消除反向光保护激光芯片方面取得了如下技术效果:1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种避免激光芯片因反向光损伤的大功率光纤激光器，该光纤激光器包括有依次连接的泵浦源、光纤合束器、增益光纤和输出端，所述的泵浦源通过第一输出光纤连接至光纤合束器中，该光纤合束器通过一根第二输出光纤连接所述的增益光纤，该增益光纤连接输出端，在所述的泵浦源内设置有半导体激光芯片，大功率激光器的输出端出射激光光束至加工件上，其特征在于，在所述的第一输出光纤和第二输出光纤中至少一种输出光纤上制作有用以消除加工件反射的反向光的光纤光栅。

【技术特征摘要】
1.一种避免激光芯片因反向光损伤的大功率光纤激光器，该光纤激光器包括有依次连接的泵浦源、光纤合束器、增益光纤和输出端，所述的泵浦源通过第一输出光纤连接至光纤合束器中，该光纤合束器通过一根第二输出光纤连接所述的增益光纤，该增益光纤连接输出端，在所述的泵浦源内设置有半导体激光芯片，大功率激光器的输出端出射激光光束至加工件上，其特征在于，在所述的第一输出光纤和第二输出光纤中至少一种输出光纤上制作有用以消除加工件反射的反向光的光纤光栅。2.根据权利要求1所述的一种避免激光芯片因反向光损伤的大功率激光器，其特征在于，所述的光纤光栅或者设置在第一输出光纤上、或者设置在第二输出光纤上、或者在第一输出光纤和第二输出光纤上均设有光纤光栅。3.根据权利要求1所述的一种避免激光芯片因反向光损伤的大功率激光器，其特征在于，所述大功率激光器的泵浦源数量为I 10000，所述第一输出光纤的数量与泵浦源的数量相同且对应。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：何一平，钟砚超，龚殿军，田刚，吕张勇，
申请(专利权)人：平湖中天合波通信科技有限公司，
类型：发明
国别省市：