CN102801090B - 长脉冲光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种长脉冲光纤激光器。该长脉冲光纤激光器包括：沿光束传输方向依次放置的泵浦源激光、耦合聚焦单元、第一光纤布拉格光栅、介质光纤和第二光纤布拉格光栅；其中，所述第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅分别光刻在所述介质光纤的纤芯两端。本发明与现有光纤激光技术相比，直接采用长脉冲灯泵固体激光器为泵浦源，实现光纤激光器长脉冲、高平均功率、高峰值功率的输出。

Description

长脉冲光纤激光器

【技术领域】

本发明涉及光纤激光技术。具体地说，本发明涉及长脉冲光纤激光器。

【背景技术】

随着科学技术的不断发展，激光技术也日益发展、且发展迅速。激光技术已深入到人们生活的方方面面，被广泛应用到科学研究、国防军工、空间光通信、医疗卫生、生物工程、工业制造和娱乐等各个领域。

按照工作物质划分，激光器大致分为气体激光器、染料激光器、半导体激光器、固体激光器和光纤激光器。光纤激光器以其紧凑性好、重量轻、寿命高、波长多样性、光束质量好、品种多样性、免维护、传输方便等优点，日益受到终端用户的青睐。作为激光领域的后起之秀，光纤激光器正在逐步取代或已经取代某些传统固体激光器和其它种类的激光器。

单模单包层光纤一般应用在光通讯行业，无法应用到大功率光纤激光器中。大功率光纤激光器一般都采用单模双包层光纤。单模双包层掺杂光纤又被称为“亮度转换器”，即，多模泵浦光被耦合聚焦进入到单模双包层掺杂光纤的内包层里，激光在单模双包层掺杂光纤的单模纤芯里振荡、放大，最后输出光束质量好的单模激光。

传统固体激光器一般采用独立的透镜单元作前后镜，需要经常清洗前后镜和调整光路。光纤激光器如果也采用独立的透镜单元为前后镜，必然会给光纤激光器在使用过程中的维护带来不便。为了实现光纤激光器“免维护”，光纤激光器一般采用一对光纤布拉格光栅作为光纤激光器的前后镜。

在现有的长脉冲光纤激光技术中，采用连续激光二极管泵浦和使用脉冲信号发生器来调制激光二极管而获得长脉冲输出。该技术的光纤激光器成本高，平均输出功率不够高，而且其峰值功率仍然不够高，仅为1-3千瓦，打孔深度浅，仅仅应用于超薄板的切割和焊接上。现有的长脉冲光纤激光仍然无法满足较厚板的切割和焊接的要求。因此有必要在现有固体激光技术和光纤激光技术的基础上，设计一种较低成本、高平均输出功率、高峰值功率的长脉冲光纤激光器。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种较低成本、高平均输出功率、高峰值功率的长脉冲光纤激光器。

为了实现上述目的，本发明的长脉冲光纤激光器包括：沿光束传输方向依次放置的泵浦源激光、耦合聚焦单元、第一光纤布拉格光栅、介质光纤和第二光纤布拉格光栅；其中，所述第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅分别光刻在所述介质光纤的纤芯两端。

进一步地，所述耦合聚焦单元为单片透镜或透镜组，所述单片透镜或透镜组的两个通光面上镀有高透过率的介质膜。

进一步地，所述泵浦源激光包括激光棒、泵浦灯、由全反镜和半反镜构成的谐振腔、聚焦腔，所述激光棒、泵浦灯相互平行且放置在所述全反镜、半反镜之间，所述激光棒、泵浦灯套设在聚焦腔内。

进一步地，所述的激光棒为掺Nd³⁺的激光棒。

进一步地，所述的激光棒工作介质为YAG晶体。

进一步地，所述的泵浦灯为氙灯。

进一步地，所述的泵浦源激光的脉冲宽度为十微秒-毫秒量级。

进一步地，所述的介质光纤还包括套设在所述纤芯外的内包层、套设在内包层外的外包层。

进一步地，所述的介质光纤为掺镱双包层单模光纤。

进一步地，所述的双包层单模光纤选自偏心结构双包层光纤、D型内包层的双包层光纤、椭圆内包层的双包层光纤或矩形内包层的双包层光纤中的一种。

进一步地，所述的D型内包层的双包层光纤，纤芯直径为5微米、数值孔径为0.15，内包层直径为74微米、数值孔径为0.22。

进一步地，所述的长脉冲光纤激光器的脉冲宽度为十微秒-毫秒量级。

本发明的长脉冲光纤激光器与现有技术相比，采用长脉冲灯泵固体激光器为泵浦源，满足了光纤激光器对长脉冲、高平均输出功率和高峰值功率的要求，同时还降低了长脉冲光纤激光器的成本。采用单模双包层光纤，输出光束质量接近衍射极限的激光。采用一对光纤布拉格光栅作为光纤激光器的前后镜，实现了光纤激光器“免维护”。

【附图说明】

图1是本发明的长脉冲光纤激光器的结构示意图。

图2是本发明一实施例中泵浦源激光的简化示意图。

图3是本发明一实施例中双包层光纤结构示意图。

图4是本发明另一实施例中双包层光纤内的光纤布拉格光栅的结构示意图。

标号说明

1：泵浦源激光

2：耦合聚焦单元

3：介质光纤

4：第一光纤布拉格光栅

5：第二光纤布拉格光栅

11：激光棒

12：泵浦灯

13：全反镜

14：半反镜

21：纤芯

22：内包层

23：外包层

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图1表示的是本发明长脉冲光纤激光器的结构示意图。本发明提供的长脉冲光纤激光器包括：沿光束传输方向依次放置的泵浦源激光1、耦合聚焦单元2、第一光纤布拉格光栅4、介质光纤3和第二光纤布拉格光栅5；其中，所述第一光纤布拉格光栅4和第二光纤布拉格光栅5分别光刻在所述介质光纤3的纤芯两端。

更详细地说，本发明的所述泵浦源激光1为灯泵固体激光器，所述灯泵固体激光器为输出脉宽十微秒-毫秒量级、峰值功率可达10千瓦的长脉冲固体激光，作为长脉冲光纤激光器的泵浦源；所述耦合聚焦单元2为单片透镜或透镜组，所述耦合聚焦单元2用于耦合聚焦泵浦源激光1的光束进入介质光纤3；所述介质光纤3为长脉冲光纤激光器的工作介质；所述第一光纤布拉格光栅4光刻在所述介质光纤3的一端(靠近耦合聚焦单元2的一端)的纤芯上；所述第二光纤布拉格光栅5光刻在所述介质光纤3的另一端(远离耦合聚焦单元2的一端)的纤芯上。

所述长脉冲的泵浦源激光1经耦合聚焦单元2被耦合聚焦进入介质光纤3，且被介质光纤3吸收；所述介质光纤3的所掺杂的稀土元素发生粒子数反转和能级跃迁，激光辐射在第一光纤布拉格光栅4和第二光纤布拉格光栅5之间往复振荡、放大；最终，长脉冲光纤激光器的激光由所述第二光纤布拉格光栅5耦合输出，且输出波长为1080-1160纳米，脉冲宽度为十微秒-毫秒量级，峰值功率可到达10千瓦左右。

所述单片透镜或透镜组的两个通光面上镀有高透过率的介质膜，所述介质膜可减少反射损耗，具体在本发明中，所述介质膜为对1064纳米高透过率的介质膜。

图2表示的是泵浦源激光的简化示意图。所述泵浦源激光1包括激光棒11、泵浦灯12、由全反镜13、半反镜14构成的谐振腔、聚焦腔(图中未示出)，所述激光棒11、泵浦灯12相互平行且放置在所述全反镜13、半反镜14之间，所述激光棒11、泵浦灯12套设在聚焦腔内；所述灯泵固体激光器，激光棒11的稀土元素吸收泵浦灯12的泵浦光能，发生粒子数反转和能级跃迁，激光辐射在全反镜13和半反镜14之间往复振荡，最后由半反镜14耦合输出。泵浦源激光1的脉冲宽度为十微秒-毫秒量级，峰值功率可到达10千瓦左右。

在本发明一实施例中，所述激光棒11采用掺Nd³⁺的激光棒。本发明的灯泵固体激光器的激光棒11采用Nd³⁺、Yb³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺等稀土元素；一方面，稀土元素Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺发射的波长相比Nd³⁺和Yb³⁺发射的波长要长，由于激光波长越长，物质对该激光的吸收系数越小，不利于对激光波长的吸收，且工业应用很少采用Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺稀土元素；另一方面，稀土元素Yb³⁺对泵浦灯12发射的长带宽发射光谱的吸收较低，导致灯泵固体激光器的光-光转换效率低下。因此，本发明的所述激光棒11优选采用掺Nd³⁺的激光棒。

在本发明一实施例中，所述灯泵固体激光器的激光棒11的工作介质采用YAG、KGW、YLF、YAP等晶体。本发明的所述激光棒11的工作介质优选采用YAG晶体。

在本发明的一实施例中，为获得长脉冲光纤激光器的长脉冲输出，本发明的泵浦灯12优选采用氙灯。

图3表示的是本发明的介质光纤的结构示意图。在本发明中，所述介质光纤3为双包层单模光纤结构；具体为，所述介质光纤3包括纤芯21、套设在纤芯21外的内包层22、套设在内包层22外的外包层23，所述内包层22的直径大于所述纤芯21的直径。本发明的双包层单模光纤结构相较于单包层单模光纤，从泵浦源激光1输出的多模激光更容易被耦合聚焦进入内包层22内。

本发明的介质光纤3的纤芯21可掺杂稀土元素Nd³⁺、Yb³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺中的一种或者进行双掺杂。

本发明的泵浦源激光1采用掺Nd³⁺的激光棒，其激光波长为1064纳米。镱离子Yb³⁺的吸收光谱在915、980纳米处具有两个大的吸收峰，可发射1080-1160纳米激光，且Yb³⁺离子具有三能级结构、无激发态吸收和低荧光淬灭效应。以1064纳米激光为泵浦源，Yb³⁺的Stokes效率比以915、980纳米激光为泵浦源高。优选地，本发明选用掺镱双包层单模光纤。

进一步，本发明的掺镱双包层单模光纤的长度在10-100米。由于Yb³⁺的吸收光谱在915、980纳米处有两个大的吸收峰，且1064纳米处在980纳米吸收峰带的的边缘上，因此Yb³⁺在1064纳米处的吸收系数和吸收截面远远低于在915、980纳米处。本发明的掺镱双包层单模光纤的长度控制在10-100米，可以弥补吸收系数和吸收截面不足，亦即，本发明的掺镱双包层单模光纤的长度在10-100米可以高效、充分地吸收泵浦源激光1。

本发明的泵浦源激光1被耦合聚焦单元2耦合聚焦进入介质光纤3中的内包层22上；所述泵浦源激光1在内包层22和外包层23的分界面发生全反射，泵浦源激光1在内包层22内曲折向前传输，在向前传输的过程中被纤芯21内的稀土元素吸收。

图3表示的是本发明的一实施例中双包层光纤结构示意图。其中，a为正心结构双包层光纤，纤芯、内包层、外包层同心；b为偏心结构双包层光纤，内包层、外包层同心，纤芯与内包层、外包层偏心设置；c为D型内包层的双包层光纤，所述内包层呈D型；d为椭圆内包层的双包层光纤，所述内包层呈椭圆形；e为矩形内包层的双包层光纤，所述内包层呈矩形。

由于稀土元素对泵浦源激光1的吸收主要取决于稀土掺杂浓度、纤芯与内包层的面积比和内包层结构。在光纤长度、稀土掺杂浓度、纤芯与内包层的面积比一样的情况下，对上述五种双包层光纤结构进行实验，结果表明，a：正心结构的双包层结构光纤对泵浦源激光1的吸收最差，激光输出功率最低；b：偏心结构双包层光纤、c：D型内包层的双包层光纤、d：椭圆内包层的双包层光纤、e：矩形内包层的双包层光纤对泵浦源激光1的吸收效果好，激光输出功率满足需要。优选地，本发明的双包层单模光纤选用偏心结构双包层光纤、D型内包层的双包层光纤、椭圆内包层的双包层光纤或或矩形内包层的双包层光纤中的一种。

本发明另一优选实施例，双包层单模光纤选用D型内包层的双包层光纤；其中，纤芯21直径为5微米、数值孔径为0.15，内包层22直径为74微米、数值孔径为0.22。

图4表示的是本发明双包层光纤内的光纤布拉格光栅的结构示意图。所述第一光纤布拉格光栅4光刻在所述介质光纤3的一端的纤芯21上，所述纤芯21外依次套设内包层22、外包层23；本发明实施例的第一光纤布拉格光栅4采用光刻腐蚀技术对光纤进行加工获得，第一光纤布拉格光栅4的光栅参数对本光纤激光器的输出光束具有高反射特性，亦即所述第一光纤布拉格光栅4具有传统固体激光器的全反镜效果。

同样的，所述第二光纤布拉格光栅5光刻在所述介质光纤3的另一端的纤芯21上；第二光纤布拉格光栅5的光栅参数对本光纤激光器的输出光束具有部分反射特性，亦即所述第二光纤布拉格光栅5具有传统固体激光器的半反镜效果。

本发明采用光纤布拉格光栅相对于传统固体激光器而言，无需经常对全反镜和半反镜进行清洗以及调整光路，实现光纤激光器的“免清洗”、“免维护”。

本发明实施例的长脉冲光纤激光器的激光在所述第一光纤布拉格光栅4和所述第二光纤布拉格光栅5之间往复振荡、放大，所形成的激光入射到光纤布拉格光栅上，当满足布拉格条件(公式1)时，激光被光纤布拉格光栅反射。

$\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}=2\×\frac{2{\mathrm{\πn}}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{\λ}},$ 即，λ＝2n_effΛ    (1)

其中，Λ为光栅周期，λ为激光波长，n_eff为双包层光纤纤芯对该激光波长的有效折射率。

在本发明中，采用准分子紫外激光对双包层单模光纤的纤芯21进行光刻腐蚀，通过光刻腐蚀工艺改变纤芯21的折射率的周期或非周期变化，进而控制光纤布拉格光栅的光栅周期，从而获得光纤布拉格光栅对某一波长的激光具有特定的反射率。

本发明的长脉冲光纤激光器与现有技术相比，采用灯泵长脉冲固体激光器为泵浦源，实现了光纤激光器对长脉冲、高平均输出功率和高峰值功率的输出，满足了较厚板切割和焊接的要求，同时还降低了长脉冲光纤激光器的成本。采用单模双包层光纤，输出光束质量接近衍射极限的激光。采用一对光纤布拉格光栅作为光纤激光器的前后镜，实现了光纤激光器“免维护”的优点。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种长脉冲光纤激光器，其特征在于，所述长脉冲光纤激光器包括：沿光束传输方向依次放置的泵浦源激光、耦合聚焦单元、第一光纤布拉格光栅、介质光纤和第二光纤布拉格光栅；其中，所述第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅分别光刻在所述介质光纤的纤芯两端；

所述长脉冲光纤激光器采用长脉冲灯泵固体激光器为泵浦源，所述泵浦源激光包括激光棒、泵浦灯、由全反镜和半反镜构成的谐振腔、聚焦腔，所述激光棒、泵浦灯相互平行且放置在所述全反镜、半反镜之间，所述激光棒、泵浦灯套设在聚焦腔内；

所述的激光棒为掺Nd3+的激光棒；

所述的介质光纤还包括套设在所述纤芯外的内包层、套设在内包层外的外包层；

所述的介质光纤为掺镱双包层单模光纤；

所述的双包层单模光纤选自偏心结构双包层光纤、D型内包层的双包层光纤、椭圆内包层的双包层光纤或矩形内包层的双包层光纤中的一种；

所述的D型内包层的双包层光纤中，纤芯直径为5微米、数值孔径为0.15，内包层直径为74微米、数值孔径为0.22。

2.根据权利要求1所述的长脉冲光纤激光器，其特征在于，所述耦合聚焦单元为单片透镜或透镜组，所述单片透镜或透镜组的通光面上镀有高透过率的介质膜。

3.根据权利要求1所述的长脉冲光纤激光器，其特征在于，所述的激光棒的工作介质为YAG晶体。

4.根据权利要求1所述的长脉冲光纤激光器，其特征在于，所述的泵浦灯为氙灯。

5.根据权利要求1所述的长脉冲光纤激光器，其特征在于，所述的泵浦源激光的脉冲宽度为十微秒-毫秒量级。

6.根据权利要求1所述的长脉冲光纤激光器，其特征在于，所述的长脉冲光纤激光器的脉冲宽度为十微秒-毫秒量级。