CN107621672A - 一种集成高功率包层光滤除器 - Google Patents

Abstract

一种集成高功率包层光滤除器，包括滤除器底板(1)、两固定压条(10)、光纤(2)，其特征在于，其中滤除器底板(1)有多个光纤槽，光纤(2)蛇形回转安装在滤除器底板(1)上的多个的光纤槽内，两固定压条(10)将光纤(2)固定在多个光纤槽内，有滤除器盖板固定安装在滤除器底板(1)上，使光纤(2)和两固定压条(10夹在滤除器底板(1)和滤除器盖板之间，在滤除器底板(1)内与光纤槽相应的位置有冷却水道(101)，冷却水道(101)的进水口水嘴(14)和出水口水嘴(15)分别在滤除器底板(1)的两侧，将光纤槽内的光纤(2)除却涂敷层，并在除却了涂敷层的光纤(2)周围涂有导光导热胶。本发明的滤除器制作简单，免维护，可靠性高，可用于商业化生产。

Description

一种集成高功率包层光滤除器

技术领域

本发明是一种集成高功率包层光滤除器，属于激光领域，尤其属于高功率全光纤激光器领域。

技术背景

随着工业市场和军事领域的需求增加，高功率光纤激光器的应用需求越来越多。主要源自于其光束质量好、集成度高、转换效率高、免维护等诸多的优异特性。增材制造、工业加工、军事防御和毁伤的光源需求使得高功率光纤激光器占有的市场份额越来越多。

高功率光纤激光器应用领域不断拓展。工业市场主要应用在汽车、飞机、大型船舶的制造业中，对厚金属板的激光成型、焊接和切割等加工，以及金属材料的激光增材制造；军事领域主要青睐于其优质的高功率激光光源。目前这些应用对光纤激光器的输出功要求达到千瓦级乃至万瓦级。同时对光束质量也提出了较高的要求，而包层光滤除是保证高功率光纤激光器高光束质量的有效方式之一，也是目前应用最广泛的保持光束质量的措施。

高功率光纤激光器一般采用双包层结构的光纤作为增益和传输介质，激光主要约束在其几十微米的纤芯内传输，具备高光束质量的优异特性。但是受未被吸收的包层内残余泵浦光，增益光纤在光纤盘中缠绕弯曲导致的纤芯内高阶模式激光泄露到包层中，熔点损耗导致纤芯激光泄露等因素的影响，使得高功率光纤激光器的传能光纤包层内存在一部分包层光。这些包层光的存在会恶化输出激光的光束质量，以及给下一级放大器的(N+1)×1型泵浦光合束器带来发热压力。包层光滤除器在滤除包层光时激光会产生大量的热，如果光纤表面的热量不及时排出，严重时会导致光纤材料烧毁。对包层光的处理最常用的采取对包层光滤除措施，保持激光约束在纤芯内高光束质量传输。在高功率全光纤脉冲光激光器中，一般谐振腔、预放大级、主放大级都需要滤除包层光，采用滤除器一般至少需三个，并且每个滤除器所需滤除的光纤纤径参数不一致，因此需采用三个不同类型的滤除器。

目前涉及包层光滤除器的发明专利现已有很多，但大多数是单个器件实现单一位置的滤除，只能实现光纤激光器一个位置的包层光滤除功能，单一滤除器件解决单一位置滤除。一个高功率光纤激光器中需要多个包层光滤除器，各器件都是相互独立，分立使用。一台高功率全光纤激光器包含谐振腔、第一级放大器、第二级放大器等，需要多个位置滤除，使用分立的滤除器件会降低高功率光纤激光器的集成度。

发明内容

本发明的目的是为了解决技术背景中存在的问题和现有技术中存在的不足，提出一种集成高功率包层光滤除器。

一种集成高功率包层光滤除器，包括滤除器底板1、两固定压条10、光纤2，其特征在于，其中滤除器底板1有多个光纤槽，光纤2蛇形回转安装在滤除器底板1上的多个的光纤槽内，两固定压条10将光纤2固定在多个光纤槽内，有滤除器盖板固定安装在滤除器底板1上，使光纤2和两固定压条10夹在滤除器底板1和滤除器盖板之间，在滤除器底板1内与光纤槽相应的位置有冷却水道101，冷却水道101的进水口水嘴14和出水口水嘴15分别在滤除器底板1的两侧，将光纤槽内的光纤2除却涂敷层，并在除却了涂敷层的光纤2周围涂有导光导热胶，左端导光导热固化胶160、右端导光导热固化胶170将除却了涂敷层的光纤2的两端固定在光纤槽内。

在光纤2的输入端是谐振腔，在每两个光纤槽之间的光纤2上安装有放大器；每个放大器在光纤2上依次有半导体激光器、合束器和增益光纤；

谐振腔从光纤2的输入端依次有半导体激光器、合束器、光栅、增益光纤和光栅；

在输出端安装有输出端帽。

所述的滤除器底板1为导热系数大于100W/mK的金属或金属合金材料。

所述的光纤2为双包层、多包层传能光纤或单包层光纤。

在多个的光纤槽内的光纤2分别为不同参数的光纤。

在多个的光纤槽内的光纤2为相同型号的光纤。

所述除却了涂敷层的光纤2周围涂有的导光导热胶的折射率大于等于1.45。

所述除却了涂敷层的光纤2周围涂有的导光导热胶同时填满光纤槽。

本发明的有益效果是：

1)在一个底板上采用多个光纤槽，每个光纤槽内都可以实现滤除功能，一个滤除器实现多个分立滤除器件的包层光滤除功能；

2)滤除槽的个数和形状大小参数可以根据实际所需滤除位置的个数和各滤除位置的光纤纤径参数设计，本集成高功率包层光滤除器的适用范围广；

3)每个滤除槽位置下都对应有冷却水道，可以高效的散热，提高滤除器的可靠性和安全性；

4)本发明的滤除器制作简单，免维护，可靠性高，可用于商业化生产。

附图说明

图1.本发明实施例一之滤除器底板1示意图；

图2.本发明实施例一之两固定压条10之一的示意图；

图3.本发明实施例一之滤除器底板1的水道示意图；

图4.本发明实施例一之滤除器底板1固定光纤方式示意图；

图5.本发明实施例一之率滤除器底板1之结构示意图；

图6.本发明实施例一在一个MOPA结构高功率光纤激光器中使用示意图结构示意图；

图7.本发明实施例二对多个高功率光纤激光器包层光滤除使用示意图。

具体实施方法

一种集成高功率包层光滤除器，包括滤除器底板1、两固定压条10、光纤2，其特征在于，其中滤除器底板1有多个光纤槽，光纤2蛇形回转安装在滤除器底板1上的多个的光纤槽内，两固定压条10将光纤2固定在多个光纤槽内，有滤除器盖板固定安装在滤除器底板1上，使光纤2和两固定压条10夹在滤除器底板1和滤除器盖板之间，在滤除器底板1内与光纤槽相应的位置有冷却水道101，冷却水道101的进水口水嘴14和出水口水嘴15分别在滤除器底板1的两侧，将光纤槽内的光纤2除却涂敷层，并在除却了涂敷层的光纤2周围涂有导光导热胶，左端导光导热固化胶160、右端导光导热固化胶170将除却了涂敷层的光纤2的两端固定在光纤槽内。

在光纤2的输入端是谐振腔，在每两个光纤槽之间的光纤2上安装有放大器；每个放大器在光纤2上依次有半导体激光器、合束器和增益光纤；

谐振腔从光纤2的输入端依次有半导体激光器、合束器、光栅、增益光纤和光栅；

在输出端安装有输出端帽。

所述的滤除器底板1为导热系数大于100W/mK的金属或金属合金材料。

所述的光纤2为双包层、多包层传能光纤或单包层光纤。

在多个的光纤槽内的光纤2分别为不同参数的光纤。

在多个的光纤槽内的光纤2为相同型号的光纤。

所述除却了涂敷层的光纤2周围涂有的导光导热胶的折射率大于等于1.45。

所述除却了涂敷层的光纤2周围涂有的导光导热胶同时填满光纤槽。

结合附图对本发明做如下详细说明，本发明涉及的集成高功率包层光滤除器，其特征在于一个滤除器可以对多根不同或相同的光纤进行包层光进行滤除，这些光纤可以来至于一个MOPA结构的光纤激光器或者多个光纤激光器。本发明所采取的滤除部分可以滤除百瓦量级的包层光。在此需要说明的是三个光纤槽用于滤除用于说明理解本发明，为了使本发明方案具体明了，并不构成对本发明的限定，本发明的光纤槽和滤除光纤数可以大于三个。

结合附图对本发明做如下详细说明：

本发明的一种集成高功率包层光滤除器，其结构由一滤除器底板1(如图1、图3所示)、两固定压条10(如图2所示)、光纤21(如图4所示)、光纤22(如图4所示)、光纤23(如图4所示)，导光导热固化胶160(如图4所示)、导光导热固化胶170(如图4所示)、n1导光导热胶(如图5所示)、n2导光导热胶(如图5所示)、n3导光导热胶(如图5所示)组成。其特征在于滤除器底板1上有多个光纤槽，每个光纤槽内都使用导热导光胶，可以分别对光纤21、光纤22、光纤23内的包层光进行滤除，一个滤除器件具备多个滤除功能。

滤除器底板1为集成高功率包层光滤除器的滤除部位，制作材料为导热系数大于100W/mK的金属或金属合金材料。其上有等间距分布的光纤槽11、光纤槽12、光纤槽13，光纤槽可以为V型、U型、圆型，光纤槽大小参数稍大于光纤21、光纤22、光纤23直径，每个光纤槽底下都有独立水道。在沿光纤槽11、光纤槽12、光纤槽13的方向两端分别有方形凹槽16、方形凹槽17，凹槽深度略大于光纤槽，具***置如图1所示。在沿光纤槽11、光纤槽12、光纤槽13的方向两端边缘部分有螺纹孔19四个，具***置如图1所示。螺纹孔19在方形凹槽16、方形凹槽17的外侧。在沿光纤槽11、光纤槽12、光纤槽13的方向两侧有分别有水嘴14、水嘴15，水嘴14和水嘴15连通水道101，水道101用于滤除器的制冷，一般用去离子水作为冷却介质。

光纤21、光纤22、光纤23为不同参数的光纤或相同型号的光纤，可为双包层/多包层传能光纤，常见纤径有10/130μm、15/10μm，25/250μm、30/250μm、20/400μm、25/400μm、30/400μm、30/600μm、50/70/360μm、100/120/360μm、400/440/660μm、600/660/720μm等。也可以为单包层光纤光纤，如6/125μm单模光纤，200/220μm、220/242μm传能光纤。21放置在光纤槽11中，光纤22放置在光纤槽12中，光纤23放置在光纤槽13中。光纤21、光纤22、光纤23可以为同一种光纤，对应的光纤槽11、光纤槽12、光纤槽13尺寸参数也对应一致。如果光纤21、光纤22、光纤23为不同种光纤，对应的光纤槽11、光纤槽12、光纤槽13也需相应的不同。光纤21、光纤22、光纤23内包层光是需要被滤除的对象，通过导光导热胶将其内的包层光引导出来并耗散掉，其中光纤21所在光纤槽11内的部分是去涂覆层的，光纤22所在光纤槽12内的部分是去涂覆层的，光纤23所在光纤槽13内的部分是去涂覆层的。两固定压条10用于在滤除器底板1上压住光纤21、光纤22、光纤23的涂覆层，固定光纤21、光纤22、光纤23。

导光导热固化胶160、导光导热固化胶170分别放置于方形凹槽16、方形凹槽17。其分别淹没光纤21、光纤22、光纤23，将光纤21、光纤22、光纤23分别固定在光纤槽11、光纤槽12、光纤槽13中。加有导光导热固化胶160、导光导热固化胶170的装置图如图4、图5所示。均匀分布在方形凹槽16、方形凹槽17中。导光导热固化胶160、导光导热固化胶170的折射率都低于1.45，基本没有滤除功率，与光纤的涂覆层折射率接近。但是其透光率大于90％，导热系数不低于2W/mK，主要是导光导热介质以及固定光纤用。

n1导光导热胶的折射率为n1，n1的值大于或等于1.45。均匀涂覆在光纤槽11中21光纤上无涂覆层部分，并与光纤槽11表面金属接触散热，其用于滤除光纤槽11中光纤21的包层光。

n2导光导热胶的折射率为n2，n2的值大于或等于1.45。均匀涂覆在光纤槽12中22光纤上无涂覆层部分，并与光纤槽12表面金属接触散热，其用于滤除光纤槽12中光纤22的包层光。

n3导光导热胶的折射率为n3，n3的值大于或等于1.45。均匀涂覆在光纤槽13中23光纤上无涂覆层部分，并与光纤槽13表面金属接触散热，其用于滤除光纤槽13中光纤23的包层光。

本发明装置在MOPA结构的高功率光纤激光器中的应用如图6所示，光纤谐振腔由合束器将半导体激光器的泵浦光导入到由两个光栅和增益光纤组成的振荡器中，径光栅对往返振荡增益形成激光输出。谐振腔的输出端是光纤21，去涂覆层部分经过光纤槽11，被其中均匀涂覆的n1导光导热胶滤除包层中的光。被滤除的21光纤输出端接第一级放大器，第一级放大器由合束器将半导体激光器的泵浦光导入到增益光纤的包层中，再由包层吸收在纤芯增益介质中放大。第一级放大器的输出端是光纤22，经过光纤槽12，被其中均匀涂覆的n2导光导热胶滤除包层中的光。第一级放大器的输出光纤22，其去涂覆层的部分放置在光纤槽12中，被其中均匀涂覆的n2导光导热胶滤除包层中的光。光纤22的最终输出端链接第二级放大器，第二级放大器由合束器将半导体激光器的不光导入到增益光纤的包层中，再由包层吸收在纤芯增益介质中放大，一般第二级放大器为主要的功率放大，光纤的纤径大小不低于第一级放大器所采用的增益光纤纤径，其放大功率也比第一级放大器高。第二级放大器的输出端是光纤23，经过光纤槽13，被其中均匀涂覆的n3导光导热胶滤除包层中的光。三个阶段的滤除都使用同一个滤除器，减少滤除器使用个数，降低光纤激光器的成本的同时提高光纤激光器的集成度。

本发明除了可以应用于MOPA结构的单纤激光器外，也可以用于多个独立的光纤激光器中，尤其适用于高功率光谱合成，相干合成的高功率光纤激光器阵列中。其应用方式如图7所示，三个独立的高功率光纤激光器可以分别将输出尾纤经过集成高功率包层光滤除器的多个光纤槽中，经导光导热胶分立滤除掉各个光纤激光器的包层光。其中光纤激光器31的输出光纤21的去涂覆层部分放置在光纤槽11中，被其中均匀涂覆的n1导光导热胶滤除包层中的光，再由输出端帽输出激光；光纤激光器32的输出光纤22的去涂覆层部分放置在光纤槽12中，被其中均匀涂覆的n2导光导热胶滤除包层中的光，再由输出端帽输出激光；光纤激光器33的输出光纤23的去涂覆层部分放置在光纤槽13中，被其中均匀涂覆的n3导光导热胶滤除包层中的光，再由输出端帽输出激光。各光纤激光器的输出光纤可以为相同参数的光纤，也可以为不同参数的光纤，都可以使用本发明的集成高功率包层光滤除器。

本发明的集成高功率全光纤器件既可以应用于高功率连续波光纤激光器的包层光滤除，也适用于高功率脉冲光纤激光器的包层光滤除。

本领域的普通技术人员应当认识到，以上实施方法仅是用来说明本发明，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实例的变化、变型都将落在本发明的保护范围。例如将权利要求1的光纤槽的数量和形状大小简单变型，冷却水道的形状以及方向简单变型，简单改变光纤槽的排布顺序等都在本发明的保护范围之内。

一种集成高功率包层光滤除器，其结构由一滤除器底板1、两固定压条10、光纤21、光纤22、光纤23，导光导热固化胶160、导光导热固化胶170、n1导光导热胶、n2导光导热胶、n3导光导热胶组成。其特征在于滤除器底板1上有多个光纤槽，每个光纤槽内都使用导热导光胶，可以分别对光纤21、光纤22、光纤23进行包层光滤除，具备多个滤除功能。

所述的滤除器底板1为为导热系数大于100W/mK的金属或金属合金材料。其上有等间距分布的光纤槽11、光纤槽12、光纤槽13，在沿光纤槽11、光纤槽12、光纤槽13的方向两端分别有方形凹槽16、方形凹槽17。在沿光纤槽11、光纤槽12、光纤槽13的方向两端边缘部分有螺纹孔19。螺纹孔19在方形凹槽16、方形凹槽17的外侧。在沿光纤槽11、光纤槽12、光纤槽13的方向两侧有分别有水嘴14、水嘴15，水嘴14和水嘴15连通水道101。

所述的光纤21、光纤22、光纤23为不同参数的光纤或相同型号的光纤，可为双包层/多包层传能光纤，也可以为单包层光纤。其是被滤除的对象，光纤21放置在光纤槽11中，光纤22放置在光纤槽12中，光纤23放置在光纤槽13中。

所述的两固定压条10用于在滤除器底板1上压住光纤21、光纤22、光纤23的涂覆层，固定光纤21、光纤22、光纤23。

所述导光导热固化胶160、导光导热固化胶170分别放置于方形凹槽16、方形凹槽17。其分别淹没光纤21、光纤22、光纤23，将光纤21、光纤22、光纤23分别固定在光纤槽11、光纤槽12、光纤槽13中。

所述n1导光导热胶的折射率为n1，n1的值大于等于1.45，其用于滤除光纤槽11中光纤21的包层光。

所述的n2导光导热胶的折射率为n2，n2的值大于等于1.45，其用于滤除光纤槽12中光纤22的包层光。

所述的n3导光导热胶的折射率为n3，n3的值大于等于1.45，其用于滤除光纤槽13中光纤23的包层光。

本发明公开一种集成高功率包层光滤除器，解决在高功率光纤激光器中滤除器件分立使用的问题，提高全光纤激光器的集成度，一个集成高功率包层光滤除器，可以应用于谐振腔包层光滤除、第一级放大器的包层光滤除、第二级放大器的包层光滤除等。本发明的滤除器制作简单、成本低、对包层光滤除能力在百瓦量级、可广泛应用于高功率光纤激光器中，同时本发明的高功率包层光滤除器可实现商业化生产。

本发明的集成高功率包层光滤除器主要应用于MOPA(主振荡功率放大)结构的千瓦量级及以上连续光全光纤激光器和MOPA结构的脉冲全光纤激光器。

本发明公开一种集成高功率包层光滤除器，既能解决在高功率光纤激光器中包层光滤除，又解决滤除器件分立使用的问题，提高全光纤激光器的集成度。一个集成高功率包层光滤除器，可以应用于谐振腔包层光滤除、第一级放大器的包层光滤除、第二级放大器的包层光滤除等。

在一个滤除器底板上加工多个光纤槽，根据谐振腔、第一级放大器、第二级放大器等输出传能光纤纤径参数而加工相应的光纤槽。并将这些需要进行包层光滤除的传能光纤位置放置于同一个滤除器底板上。根据各个位置包层光的含量而在除去涂覆层的传能光纤外均匀涂覆导光导热胶，既能将包层光滤除又可以将其产生的热量的传递走。每个滤除槽位置下都有对应的水道散热制冷，避免热量过高将光纤烧毁。一个集成滤除器可以将多个位置的包层光滤除，滤除器上的光纤槽数量和形状大小参数可以根据光纤激光器需滤除位置个数和各滤除位置纤径参数加工决定。使用本发明的集成高功率包层光滤除器会提高光纤激光器的整体集成度。

Claims (7)

1.一种集成高功率包层光滤除器，包括滤除器底板(1)、两固定压条(10)、光纤(2)，其特征在于，其中滤除器底板(1)有多个光纤槽，光纤(2)蛇形回转安装在滤除器底板(1)上的多个的光纤槽内，两固定压条(10)将光纤(2)固定在多个光纤槽内，有滤除器盖板固定安装在滤除器底板(1)上，使光纤(2)和两固定压条(10夹在滤除器底板(1)和滤除器盖板之间，在滤除器底板(1)内与光纤槽相应的位置有冷却水道(101)，冷却水道(101)的进水口水嘴(14)和出水口水嘴(15)分别在滤除器底板(1)的两侧，将光纤槽内的光纤(2)除却涂敷层，并在除却了涂敷层的光纤(2)周围涂有导光导热胶，左端导光导热固化胶(160)、右端导光导热固化胶(170)将除却了涂敷层的光纤(2)的两端固定在光纤槽内。

在光纤(2)的输入端是谐振腔，在每两个光纤槽之间的光纤(2)上安装有放大器；每个放大器在光纤(2)上依次有半导体激光器、合束器和增益光纤；

谐振腔从光纤(2)的输入端依次有半导体激光器、合束器、光栅、增益光纤和光栅；

在输出端安装有输出端帽。

2.根据权利要求1所述的一种集成高功率包层光滤除器，其特征在于，所述的滤除器底板1为导热系数大于100W/mK的金属或金属合金材料。

3.根据权利要求1或2所述的一种集成高功率包层光滤除器，其特征在于，所述的光纤(2)为双包层、多包层传能光纤或单包层光纤。

4.根据权利要求3所述的一种集成高功率包层光滤除器，其特征在于，在多个的光纤槽内的光纤(2)分别为不同参数的光纤。

5.根据权利要求3所述的一种集成高功率包层光滤除器，其特征在于，在多个的光纤槽内的光纤(2)为相同型号的光纤。

6.根据权利要求4或5所述的一种集成高功率包层光滤除器，其特征在于，所述除却了涂敷层的光纤(2)周围涂有的导光导热胶的折射率大于等于1.45。

7.根据权利要求4或5所述的一种集成高功率包层光滤除器，其特征在于，所述除却了涂敷层的光纤(2)周围涂有的导光导热胶同时填满光纤槽。