專利名稱：一種避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器的制作方法
技術領域：
本發明涉及激光器，特別涉及一種擁有特殊設計的光纖激光器，實現避免因反向光損壞泵浦源中的半導體激光器芯片。
背景技術：
在工業激光加工，醫療醫藥制作等一些應用中，需要大功率的激光器。光纖激光器以其高能量轉化效率、高光束質量、體積緊湊、高可靠性能、超長使用壽命、免維護的優點，可以取代第一代的氣體激光器，在大功率激光器的應用中獲得廣泛的推廣。光纖激光器的運行中存在相當強度的反向光，如果沿著泵浦源的輸出光纖返回，投射到半導體激光芯片上，將造成致命性的損傷，如Catastrophic Optical Damage(COD)0這是光纖激光器的一個主要失效模式。在光纖激光器中，被反射的信號光(反向光)必須盡量小地返回到泵浦源中，否則反向光的功率很容易超過半導體芯片的損傷閾值，造成損壞。對于單管芯的半導體激光器，其COD的損傷域值約為250mW (連續光)和0.2 μ J。對于輸出功率IOW的單管芯泵浦源，輸出光纖中的反射率必須控制在2.5%以下。目前常用的光纖激光器的結構如圖1所示，主要由泵浦源1、光纖合束器2、增益光纖3和輸出端4等構成。在上述結構的光纖激光器中，可能回返到泵浦源中的反向光可能來自以下幾個部分:1.光纖熔接點B。這個熔接點在光纖合束器和增益光纖之間。由于光纖合束器使用的一般為圓形雙包層光纖，而有源光纖使用的為不規則雙包層光纖(八邊形、六邊形、D形)，兩邊光纖的不完全匹配(包括形狀的不匹配和NA的不匹配)導致在熔接處產生相對較大的泄漏和反射一信號光(如1064納米)從纖芯泄漏到包層，泄漏的信號光和包層中傳輸的泵浦光(如976納米)一起從包層被反射。反向光主要是泵浦光和小部分泄漏后反射的信號光，經過合束器，最終返回到泵浦源。在高質量光纖熔接的情況下，反射率應該在1%以下，而反向光通過合束器后被均勻分配到多個泵浦源的入射端。如果使用IOW的泵浦源，每個接收到IOOmW以下的反向光(10W X 1% = IOOmW),低于250mW的損傷閾值。因此，在正常的光纖熔接情況下，產生于熔接點B的反向光主要是泵浦光其強度比較小。2.光纖熔接點C。在熔接點C處，大多數泵浦光已經被吸收，殘余泵浦光約為5 %以下，而在纖芯中的信號光占絕大部分。在此反射的泵浦光，通過增益光纖并沒有被放大，(因為包層中沒有摻雜)，然后通過合束器，達到增益激光器。這部分能量非常低，只有10WX5 %X1 % (C處反射率)=5mW。而在熔接點C處反射回纖芯的信號光(反射比較低〈0.01%)，在增益光纖中被放大(假設增益20dB，100倍)，通過合束器時，其中一部分耦合到多模泵浦源(估計為10%)，然后平均分配到多個泵浦源。因此，如果是2000瓦輸出的光纖激光器(30個IOW的泵浦源)，到達泵浦源的信號光功率約為:
2000WX0.01% XlOO (增益)X 10% X (1/30)= 66mff 該數值仍然低于250mW的損傷閾值。但是如果光纖激光器的功率(或峰值功率)超過2千瓦，就有可能損傷泵浦源。3.加工工件D表面處信號光的反射。在光纖激光器的工業應用中，比較普遍的應用是金屬材料的表面加工和處理，金屬對1064微米有較大的反射率(30% 90%甚至更高)。如圖2中的激光加工設備的輸出光路系統所示。根據光路可逆原理，金屬工件表面反射的信號光(假設為30%)可以沿完全按照原光路返回，并耦合回泵浦源中。估計耦合回纖芯中的信號光為1% (180度反射)，通過增益光纖放大為100倍，同樣耦合后分配到各個泵浦源中:
2000WX30% Xl% XlOO (增益)X 10% X (1/30)= 2W 。從上面分析可以看出，來自加工工件表面的高反射是主要的反向光來源，其是個非常嚴重的問題。由于加工件表面的180度反射光是最強的反向光，一般激光加工設備都會在輸出光路中采用IOdB以上的空間隔離器來減少反向光。然而大功率的空間隔離器技術上比較難以實現，而且成本較高，不容易實現產業化。另一個通常采用的降低反向光強度的方法是:在輸出光纖的末端面制作8°的傾角(APC設計)，通過光纖連接頭與另一個8°傾角的光纖實現連接。這個方法可以有效地抑制在光纖端面的反射光。但在激光加工設備中，在光纖的最后輸出端采用8°傾角的效果有限，這是因為反向光的主要部分是來自于加工工件表面的180度反射光，根據光路可逆原理，即使采用各種類似的改變光纖端面幾何形狀的方法也不能有效地減少這種反向光。
發明內容
本發明的目的在于克服上述現有技術中存在的不足，提供一種新的結構類型的大功率激光器設計。本發明的大功率激光器通過減少或消除反向光來避免其對大功率激光器內泵浦源激光芯片的損傷，以提高大功率激光器的安全性和穩定性。為了達到上述發明目的，本發明提供的技術方案如下:
一種避免激光芯片因反向光損傷的大功率光纖激光器，該光纖激光器包括有依次連接的泵浦源、光纖合束器、增益光纖和輸出端，所述的泵浦源通過第一輸出光纖連接至光纖合束器中，該光纖合束器通過一根第二輸出光纖連接所述的增益光纖，該增益光纖連接輸出端，在所述的泵浦源內設置有半導體激光芯片，大功率激光器的輸出端出射激光光束至加工件上，其特征在于，在所述的第一輸出光纖和第二輸出光纖中至少一種輸出光纖上制作有用以消除加工件反射的反向光的光纖光柵。光纖光柵是通過一定的方法使得光纖纖芯的折射率發生軸向周期性調制而形成的衍射光柵，滿足衍射條件的波長經過光柵后會產生反射，而其余波長會透過光柵繼續傳播。通過設計光柵結構可以實現光學介質膜相同的功能。目前的光纖光柵主要應用于光纖通信中的濾波器、色散補償器、波分復用器、光開光、波長選擇器以及光傳感領域。而在光纖激光器應用方面，利用光纖光柵的波長選擇性可以實現模式選擇和窄帶反饋的單頻激光器。在本發明避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器中，所述的光纖光柵或者設置在第一輸出光纖上、或者設置在第二輸出光纖上、或者在第一輸出光纖和第二輸出光纖上均設有光纖光柵。
在本發明避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器中，所述大功率激光器中的泵浦源數量為I 10000個，所述第一輸出光纖的數量與泵浦源的數量相同且對應。在本發明避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器中，對由加工件反射的反向光滿足衍射條件經過所述的光纖光柵產生反射實現濾波。在本發明避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器中，所述的光纖光柵或為光纖布拉格光柵、或為長周期光纖光柵。在本發明避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器中，涉及特定的光柵結構實現或為低通、或為帶通、或為帶阻的濾波功能。在本發明避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器中，所述光纖光柵的參數與入射光波長之間的對應關系為:
As =In^-A
其中，4為需反射光纖的波長，Λ為光柵周期,為纖芯有效折射率。在本發明避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器中，所述的光纖合束器上還連接有種子源激光器。在本發明避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器中，所述大功率激光器的輸出端與加工件之間設有準直系統和掃描聚焦系統。在本發明避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器中，所述大功率激光器的輸出功率在IOW 100000W。基于上述技術方案，本發明的大功率激光器在消除反向光保護激光芯片方面取得了如下技術效果:1.本發明通過在泵浦源的輸出光纖上制作光纖光柵器件，如制作光纖布拉格光柵(FBG)或者長周期光纖光柵(LPG)，可以大大減少或消除反向光，實現保護泵浦源目的，從而極大地提高光纖激光器的安全性。2.本發明在光纖激光器中設計出光纖光柵，可以做到零插入損耗，并且成本低廉、易于操作實現、運行穩定可靠。
圖1是現有技術中大功率光纖激光器的結構組成示意圖。圖2是目前激光加工設備中的輸出光路系統不意圖。圖3是現有技術在泵浦源的耦合輸出光纖的端面上鍍光學介質薄膜消除反向光的示意圖。圖4是本發明的實施例1中制作光纖光柵作為低通濾波器的制作位置示意圖。圖5是本發明的實施例1中制作光纖光柵作為低通濾波器的波譜示意圖。圖6是本發明的實施例2中制作光纖光柵作為帶通濾波器的制作位置示意圖。圖7是本發明的實施例2制作光纖光柵作為帶通濾波器的波譜示意圖。圖8是本發明的實施例3中制作光纖光柵作為帶阻濾波器的制作位置示意圖。圖9是本發明的實施例3制作光纖光柵作為帶阻濾波器的波譜示意圖。
具體實施例方式
下面我們結合附圖和具體的實施例來對本發明的大功率激光器進一步的詳細闡述，以求更為清楚明了地理解其結構和工作過程，但不能以此來限制本發明的保護范圍。如圖1和圖2所示，本發明的大功率光纖激光器在結構上包括有依次連接的泵浦源1、光纖合束器2、增益光纖3和輸出端4。所述的泵浦源I通過第一輸出光纖5連接至光纖合束器2，所述大功率激光器中的泵浦源數量范圍為I 10000個，所述第一輸出光纖5的數量與泵浦源的數量相同且對應。若是一個泵浦源I則該泵浦源I則用一根第一輸出光纖5連接至光纖合束器2 ;若是多個泵浦源，則多個所述的泵浦源I通過多根第一輸出光纖5連接至光纖合束器2中，即每個泵浦源I通過一根第一輸出光纖5連接到光纖合束器2中。光纖合束器2的作用是將多個泵浦源的激光耦合到一根輸出光纖中輸出。光纖合束器2通過一根第二輸出光纖6連接所述的增益光纖3,該增益光纖3連接有輸出端4,輸出端4與增益光纖3熔接在一起。在每個所述的泵浦源I內均設置有半導體激光芯片9，大功率激光器的輸出端4出射激光光束至金屬材質的加工件D上。在大功率激光器的實踐應用中，一般在大功率激光器的輸出端4與加工件D之間設有準直系統和掃描聚焦系統。為了實現本發明 消除加工件D反射的反向光的目的，在所述的第一輸出光纖5和第二輸出光纖6中的至少一種輸出光纖上制作有用以消除加工件D反射的反向光的光纖光柵。也就是說分為三種情況:光纖光柵的加工制作的位置或者是單獨在所有的第一輸出光纖5上,或者是單獨在第二輸出光纖6上,或者是所有的第一輸出光纖5和第二輸出光纖6上均設置有光纖光柵。并且在每根輸出光纖上，光纖光柵的數量可以是一個，也可以根據需要設計制作多個光纖光柵。本發明就是對由加工件反射的反向光滿足衍射條件經過光纖光柵產生反射實現濾波。光纖光柵是通過一定的方法使得光纖纖芯的折射率發生軸向周期性調制而形成的衍射光柵，滿足衍射條件的波長經過光柵后會產生反射，而其余波長會透過光柵繼續傳播。在大功率激光器中，通過設計光柵結構可以實現光學介質膜相同的功能。其主要是在泵浦源的輸出光纖、或者光纖合束器的輸出光纖中，采用各種光纖光柵設計來消除和減少反向光，例如制作光纖布拉格光柵(FBG)，或者長周期光纖光柵(LPG)等。利用制作的光纖光柵來作為一種濾波器，用以反射反向的信號光，同時基本不影響正向傳輸的泵浦光。在輸出光纖上設計制作光纖光柵時，光纖光柵的參數與入射光波長之間的對應關系為:
權利要求
1.一種避免激光芯片因反向光損傷的大功率光纖激光器，該光纖激光器包括有依次連接的泵浦源、光纖合束器、增益光纖和輸出端，所述的泵浦源通過第一輸出光纖連接至光纖合束器中，該光纖合束器通過一根第二輸出光纖連接所述的增益光纖，該增益光纖連接輸出端，在所述的泵浦源內設置有半導體激光芯片，大功率激光器的輸出端出射激光光束至加工件上，其特征在于，在所述的第一輸出光纖和第二輸出光纖中至少一種輸出光纖上制作有用以消除加工件反射的反向光的光纖光柵。
2.根據權利要求1所述的一種避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器，其特征在于，所述的光纖光柵或者設置在第一輸出光纖上、或者設置在第二輸出光纖上、或者在第一輸出光纖和第二輸出光纖上均設有光纖光柵。
3.根據權利要求1所述的一種避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器，其特征在于，所述大功率激光器的泵浦源數量為I 10000，所述第一輸出光纖的數量與泵浦源的數量相同且對應。
4.根據權利要求1所述的一種避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器，其特征在于，所述的光纖光柵對加工件反射的反向光滿足衍射條件而產生反射以實現濾波。
5.根據權利要求1或4所述的一種避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器，其特征在于，所述的光纖光柵或為光纖布拉格光柵、或為長周期光纖光柵。
6.根據權利要求5所述的一種避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器，其特征在于，所述光纖光柵的參數與入射光波長之間的對應關系為:
7.根據權利要求1所述的一種避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器，其特征在于，所述的光纖合束器上還連接有種子源激光器。
8.根據權利要求1所述的一種避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器，其特征在于，所述大功率激光器的輸出端與加工件之間設有掃描聚焦系統準直系統和掃描聚焦系統。
9.根據權利要求1所述的一種避免激光芯片因反向光損傷的大功率激光器，其特征在于，所述大功率激光器的輸出功率在IOW 100000W。
全文摘要
本發明涉及到一種避免激光芯片因反向光損傷的大功率光纖激光器，該光纖激光器包括有依次連接的泵浦源、光纖合束器、增益光纖和輸出端，所述的泵浦源通過第一輸出光纖連接至光纖合束器中，該光纖合束器通過一根第二輸出光纖連接所述的增益光纖，該增益光纖連接輸出端，在所述的泵浦源內設置有半導體激光芯片，大功率激光器的輸出端出射激光光束至加工件上，其特征在于，在所述的第一輸出光纖和第二輸出光纖中至少一種輸出光纖上制作有用以消除加工件反射的反向光的光纖光柵。本發明的大功率激光器通過減少或消除反向光來避免其對大功率激光器內泵浦源激光芯片的損傷，以提高大功率激光器的安全性和穩定性。
文檔編號H01S3/067GK103078242SQ201310031539
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月28日 優先權日2013年1月28日
發明者何一平, 鐘硯超, 龔殿軍, 田剛, 呂張勇 申請人:平湖中天合波通信科技有限公司