CN102222855B - 带有聚光层结构的光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了带有聚光层结构的光纤激光器，涉及工业加工和大功率激光领域。该光纤激光器包括光纤(4)和泵浦源(5)，其中光纤(4)由纤芯(1)、包层(2)和聚光层(3)，以及写在光纤上的第一光纤光栅(61)和第二光纤光栅(62)构成。聚光层(3)的截面是以光纤的包层外圆的内接正N边形或包层(2)内与光纤同心正N边形的边长为长轴的椭圆；N为4～8的整数。纤芯(1)的直径为5μm～8μm，光纤外半径为62.5μm～100μm。所述光纤的基质材料为塑料、纯硅或石英，采用侧面泵浦方式。解决了光纤侧面泵浦的点接入方法存在的机械加工带来的机械损伤问题和高光功率密度带来的光损伤问题。

Description

带有聚光层结构的光纤激光器

技术领域

本发明涉及一种光纤激光器。特别应用于光通信领域和大功率激光领域。

背景技术

激光器问世以来，其良好的光线特性得到了广泛的认同，随着技术的发展，激光器的功率越来越大，大功率特殊模场的激光器在零件加工、光通信、以及国防等领域的应用日益得到人们的重视，其广泛的应用领域使得人们对这种激光器的投入越来越大。虽然激光器的功率已经有了一定的提升，但是单模激光器的输出功率还不能达到实际需求。尤其是光纤激光器近年来发展最为迅速，这得利于它紧凑的设备结构以及高的转换效率，但随着技术的不断发展，研究深度的不断进步，激光器的一些限制也逐步显现出来。首先一个就是要想进一步提升激光器输出功率，泵浦的方式还有待改进，目前常用端面泵浦方式，其弊端在于进行高功率泵浦时容易对光纤端面造成损伤。于是人们采用侧面泵浦的形式，但仍为点接入方式，相比完全的端面泵浦可以有效减小对光纤的损伤，但由于机械加工的原因会对光纤的机械强度造成较大影响。

目前采用的光纤激光器侧面泵浦技术如下：

多模光纤熔锥侧面泵浦耦合方式。多模光纤熔融拉锥定向耦合是将多根裸光纤和去掉外包层的双包层光纤缠绕在一起，在高温火焰中加热使之熔化，同时在光纤两端拉伸光纤，使光纤熔融区成为锥形过渡段，能够将泵浦光由多模光纤通过双包层光纤侧面导入内包层，从而实现定向侧面耦合泵浦。这种方法实现的激光器，由于熔融拉锥的制作过程使得在泵浦光纤与多模有源光纤的耦合处光纤结构发生了变化，这对于激光功率及质量的提高不利。

V槽侧面泵浦耦合。该技术先将双包层光纤外包层去除一小段，然后在裸露的内包层刻蚀出一个V槽，槽的一个斜面用作反射面，也可将两个面都用于反射。泵浦光由半导体激光器经微透镜耦合，使泵浦光在V槽的侧面汇聚，经过侧面反射后改变方向进入双包层光纤内包层，从而沿着光纤的轴向传输。为了提高耦合效率，该方法要求V型反射槽对泵光全反射。这种泵浦方式制得的光纤激光器，V型槽对光纤的创伤使得光纤的机械强度大大下降，而且由于对V型槽的制作工艺要求过高，都不利于高功率激光器的普及和应用。

嵌入反射镜式泵浦耦合。与V型槽方法类似，嵌入反射镜式泵浦耦合也需要在光纤侧面开槽，其实这是V型槽的改进方法。这种方法实现的光纤激光器和V槽侧面耦合泵浦技术一样，嵌入反射镜式泵浦耦合技术对于内包层内泵浦光的传输也有较大损耗，同样不利于多点耦合注入泵浦功率的扩展，而且机械强度同样大大下降。

角度磨抛侧面泵浦耦合。其基本原理是在双包层光纤去一小段，剥去涂敷层和外包层，将内包层沿纵向进行磨抛，得到小段用以耦合泵浦光的平面。然后将泵浦光纤的纤芯的端面按一定角度磨抛好，与放大光纤紧密贴合固定。泵浦光经泵浦光纤对放大光纤侧面泵浦。这种方法实现的光纤激光器与光纤角度磨抛侧面耦合泵浦技术相类似的是微棱镜来进行侧面耦合，但是微棱镜宽度不能大于内包层的直径，因此给微棱镜的加工带来了技术上的困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有的光纤激光器的侧面泵浦技术对工艺要求过于复杂且对光纤有机械损伤，使得光纤的机械强度大大降低；耦合点处的光功率密度过高，极易引起光纤损伤。

本发明的技术方案：

带有聚光层结构的光纤激光器，该光纤激光器的光纤包括纤芯、包层和聚光层，以及写在光纤上的第一光纤光栅和第二光纤光栅，泵浦源输出的泵浦光直接照射于所述的光纤的侧面。

所述的聚光层的截面是以光纤的包层外圆的内接正N边形或包层内与光纤同心的正N边形的边长作为长轴的椭圆或椭圆的一半；N为4～8的整数。

所述的纤芯的折射率为1.4～1.8，所述的包层的折射率为1.3～1.7，所述的聚光层的折射率为1.5～1.9。

所述的纤芯的直径为5μm～8μm，所述的光纤的外半径为62.5μm～100μm。

所述光纤的基质材料为塑料、纯硅或石英。

所述的聚光层设在包层一半的截面内，包层另一半的外部镀全反镜。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果：

采用带有聚光层的光纤结构无需对拉制好的光纤做任何额外的机械加工，在简化工艺的同时也使光纤的机械强度不受影响。其中的聚光层的折射率高于周围包层折射率，形成凸透镜的结构，能够将光纤侧面接收到的光聚焦于纤芯，使得光能量更加集中，有利于增大光纤激光器的耦合效率和输出功率。

附图说明

图1为带有全反镜的带有聚光层结构的光纤激光器主视图。

图2为图1的带有聚光层结构的光纤端面图。

图3为N＝8的带有聚光层结构的光纤激光器主视图。

图4为图3的带有聚光层结构的光纤端面图。

图5为N＝4的带有聚光层结构的光纤激光器主视图。

图6为图5的带有聚光层结构的光纤端面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施方式一

带有聚光层结构的光纤激光器，如图1、2，该光纤激光器的光纤4包括纤芯1、包层2和聚光层3，以及写在光纤上的第一光纤光栅61和第二光纤光栅62，泵浦源5输出的泵浦光直接照射于所述的光纤4的侧面。

所述的聚光层3的截面是以光纤的包层外圆的内接正六边形的边长作为长轴的椭圆，取相邻三个椭圆；所述的聚光层3设在包层2一半的截面内，包层2另一半的外部镀全反镜7。

所述的纤芯1的折射率为1.4，所述的包层2的折射率为1.3，所述的聚光层3的折射率为1.5。

所述的纤芯1的直径为5μm，所述的光纤4的外半径为62.5μm。

所述光纤的基质材料为塑料。

实施方式二

带有聚光层结构的光纤激光器，如图3、4，该光纤激光器的光纤4包括纤芯1、包层2和聚光层3，以及写在光纤上的第一光纤光栅61和第二光纤光栅62，泵浦源5输出的泵浦光直接照射于所述的光纤4的侧面。

所述的聚光层3的截面是包层2内与光纤同心的正八边形的边长作为长轴的椭圆。

所述的纤芯1的折射率为1.8，所述的包层2的折射率为1.7，所述的聚光层3的折射率为1.9。

所述的纤芯1的直径为8μm，所述的光纤4的外半径为100μm。

所述光纤的基质材料为石英。

实施方式三

带有聚光层结构的光纤激光器，如图5、6，该光纤激光器的光纤4包括纤芯1、包层2和聚光层3，以及写在光纤上的第一光纤光栅61和第二光纤光栅62，泵浦源5输出的泵浦光直接照射于所述的光纤4的侧面。

所述的聚光层3的截面是以光纤的包层外圆的内接正四边形的边长作为长轴的椭圆。

所述的纤芯1的折射率为1.7，所述的包层2的折射率为1.6，所述的聚光层3的折射率为1.8。

所述的纤芯1的直径为6μm，所述的光纤4的外半径为80μm。

所述光纤的基质材料为纯硅。

Claims (5)

1.带有聚光层结构的光纤激光器，包括光纤(4)和泵浦源(5)、第一光纤光栅(61)和第二光纤光栅(62)，其特征在于：光纤(4)包括纤芯(1)、包层(2)和聚光层(3)；

所述的聚光层(3)的截面是以光纤的包层外圆以及由光纤的包层外圆的内接正N边形围成的或包层(2)内与光纤同心的正N边形的边长作为长轴的椭圆；N为4～8的整数；

所述的纤芯(1)的折射率、所述的包层(2)的折射率和所述的聚光层(3)的折射率为：

所述的纤芯(1)的折射率为1.4，所述的包层(2)的折射率为1.3，所述的聚光层(3)的折射率为1.5；

或所述的纤芯(1)的折射率为1.8，所述的包层(2)的折射率为1.7，所述的聚光层(3)的折射率为1.9；

或所述的纤芯(1)的折射率为1.7，所述的包层(2)的折射率为1.6，所述的聚光层(3)的折射率为1.8。

2.根据权利要求1所述的带有聚光层结构的光纤激光器，其特征在于：

所述的纤芯(1)的直径为5μm～8μm，所述的光纤(4)的外半径为62.5μm～100μm。

3.根据权利要求1所述的带有聚光层结构的光纤激光器，其特征在于：

所述的聚光层(3)设在包层(2)一半的截面内，包层(2)另一半的外部镀全反镜(7)。

4.根据权利要求1所述的带有聚光层结构的光纤激光器，其特征在于：

所述光纤基质材料为塑料、纯硅或石英。

5.根据权利要求1所述的带有聚光层结构的光纤激光器，其特征在于：

所述的泵浦源(5)输出的泵浦光直接照射于所述的光纤(4)的侧面。

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