CN113448106A

CN113448106A - 一种用于飞秒脉冲激光的合束器

Info

Publication number: CN113448106A
Application number: CN202110614988.0A
Authority: CN
Inventors: 何飞; 陈抗抗
Original assignee: Wuhan Yangtze Soton Laser Co ltd
Current assignee: Wuhan Yangtze Soton Laser Co ltd
Priority date: 2021-06-02
Filing date: 2021-06-02
Publication date: 2021-09-28

Abstract

本发明提供一种用于飞秒脉冲激光的合束器，涉及激光器技术领域；合束器包括：多根空芯光子晶体光纤、合束器壳体、排列组合器和微透镜组；合束器壳体为两端开口的中空结构；排列组合器设置在合束器壳体内的输入端，用于将多根空芯光子晶体光纤的一端固定在合束器壳体内的输入端；多根空芯光子晶体光纤的另一端沿伸至合束器壳体的外部，分别用于与多个飞秒脉冲激光器输出的飞秒脉冲激光耦合；微透镜组设置在合束器壳体内的输出端，用于将多根空芯光子晶体光纤传输的飞秒脉冲激光聚焦或者准直后从合束器壳体的输出端输出；本发明中的合束器结构简单，不需调节空间光路，成本低，体积小，适用于实际使用要求。

Description

一种用于飞秒脉冲激光的合束器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种用于飞秒脉冲激光的合束器。

背景技术

飞秒脉冲激光在微加工、物理学、生物学、化学控制反应和光通讯等领域都具有广泛应用。受限于材料损伤阈值，单台激光器的功率和能量不能满足某些对激光器有较高要求的应用。因此，激光合束技术被用来突破单台激光器功率、能量及峰值功率的极限。

光纤合束器的输入端通常由多根多模光纤组成，输出端为尺寸更大的多模光纤。器件内对光纤进行拉椎或熔接处理，结构简单，稳定性强。然而，现有的光纤合束器通常用在连续激光器的合束中，不适用于飞秒脉冲。

发明内容

本发明旨在解决现有的光纤合束器无法用于飞秒脉冲激光合束的技术问题。

本发明提供一种用于飞秒脉冲激光的合束器，包括：多根空芯光子晶体光纤、合束器壳体、排列组合器和微透镜组；

所述合束器壳体为两端开口的中空结构；

所述排列组合器设置在所述合束器壳体内的输入端，用于将多根所述空芯光子晶体光纤的一端固定在所述合束器壳体内的输入端；

多根所述空芯光子晶体光纤的另一端沿伸至所述合束器壳体的外部，分别用于与多个飞秒脉冲激光器输出的飞秒脉冲激光耦合；多根所述空芯光子晶体光纤分别用于将多个所述飞秒脉冲激光器输出的飞秒脉冲激光传输至所述微透镜组；

所述微透镜组设置在所述合束器壳体内的输出端，用于将多根所述空芯光子晶体光纤传输的飞秒脉冲激光聚焦或者准直后从所述合束器壳体的输出端输出。

本申请的发明人在飞秒脉冲激光的合束试验中发现采用现有的光纤合束方式对飞秒脉冲激光进行合束时，存在如下问题：(1)飞秒脉冲激光在多模光纤中传输会产生模式变化，脉冲变形；(2)飞秒脉冲激光在单模实芯光纤中传输也存在两个问题：一是材料色散，耦合进入单模实芯光纤的飞秒脉冲激光会改变脉冲宽度，实际输出的脉冲就不再是原来的脉冲宽度；例如，一个100飞秒的激光器，经过5米单模实芯光纤，脉冲宽度可能会增加超过100倍；二是材料损伤阈值，玻璃材料通常不能承受较高的脉冲峰值功率，限制了飞秒脉冲激光传导的功率。如果采用空间合束方式对飞秒脉冲激光进行合束，也存在如下问题：为了保证空间光路输出的飞秒脉冲激光的光斑位置准确、大小及方向一致，需要非常精密的调节，每路飞秒脉冲激光光束都需要经过延时器、相位调节器、偏振调节器、偏振分束器等器件，导致合束器存在体积庞大、结构复杂、调节困难、且不易维护的问题；另外，空间光路对环境也会极其敏感，不适用于飞秒脉冲激光传输。本申请的发明人创造性的将多根所述空芯光子晶体光纤的一端通过排列组合器固定封装在所述合束器壳体内的输入端，并将所述微透镜组固定封装在所述合束器壳体内的输出端，能够有效地解决飞秒脉冲激光采用光纤合束方式和空间合束方式进行合束而存在的上述问题，结构简单，易于维护，对使用环境的要求较低，且通过调整所述空芯光子晶体光纤的长度，能够实现飞秒脉冲激光器与合束器壳体输出端工作位置的分离，对拓宽飞秒脉冲激光的应用场景具有重要意义。

在一些优选地实施例中，所述飞秒脉冲激光器为光纤飞秒脉冲激光器或者固体飞秒脉冲激光器；所述飞秒脉冲激光器输出的飞秒脉冲激光的脉冲宽度为100～1000飞秒。

在一些优选地实施例中，所述空芯光子晶体光纤的截面结构为反谐振结构或者Kagome结构。

在一些优选地实施例中，所述空芯光子晶体光纤的纤芯内为真空、空气或者惰性气体。

在一些优选地实施例中，所述空芯光子晶体光纤的排列方式为线形、矩形、三角形、环形或者圆形。

在一些优选地实施例中，所述排列组合器通过胶水固定在所述合束器壳体的内部。

在一些优选地实施例中，所述微透镜组通过胶水固定在所述合束器壳体的内部。

在一些优选地实施例中，所述排列组合器为两端开口的中空结构；所述空芯光子晶体光纤的一端插设在所述排列组合器内；所述空芯光子晶体光纤与所述排列组合器的内侧壁通过胶水固定连接。

在一些优选地实施例中，所述合束器壳体的材质为金属。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

利用空芯光子晶体光纤，将多路飞秒脉冲激光器的输出激光光束耦合入柔性的光纤中传输，并在合束器内进行排列集成，再经过微透镜组进行光束整形，整形后的高功率飞秒脉冲激光光束作为合束器的输出，能够满足工业微加工，波长变换，非线性科研研究等使用目的。

相比较于传统的空间合束结构中对激光器以及合束光路的移动性限制，本发明通过空芯光子晶体光纤实现飞秒脉冲激光的传输，可以实现飞秒脉冲激光器与合束器输出端工作位置的分离，使得飞秒脉冲激光器可以工作在相对稳定的环境中，并有利于飞秒脉冲激光器的维护与更换，且结构简单，不需调节空间光路，成本低，体积小，能够满足实际使用要求。

附图说明

图1为本发明某一实施例中用于飞秒脉冲激光的合束器的结构示意图；

图2为图1中排列组合器3的断面结构示意图；

图3为图1中空芯光子晶体光纤2的断面结构示意图；

图4为本发明另一实施例中排列组合器3的断面结构示意图；

图5为本发明再一实施例中排列组合器3的断面结构示意图；

其中，1、飞秒脉冲激光器；2、空芯光子晶体光纤；201、空气纤芯；202、包层；203、涂覆层；3、排列组合器；4、合束器壳体；5、微透镜组；6、输出光束。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

请参考图1和图2，本发明的实施例提供了一种用于飞秒脉冲激光的合束器，包括：多根空芯光子晶体光纤2、合束器壳体4、排列组合器3和微透镜组5；

合束器壳体4为两端开口的中空结构；合束器壳体4的材质为金属；示例性地，在本实施例中，合束器壳体4的材质为铜；

排列组合器3设置在合束器壳体4内的输入端，用于将多根空芯光子晶体光纤2的一端固定在合束器壳体4内的输入端；排列组合器3通过胶水固定在合束器壳体4的内部；排列组合器3为两端开口的中空结构；空芯光子晶体光纤2的一端插设在排列组合器3内；空芯光子晶体光纤2与排列组合器3的内侧壁通过胶水固定连接；

多根空芯光子晶体光纤2的另一端沿伸至合束器壳体4的外部，分别用于与多个飞秒脉冲激光器1输出的飞秒脉冲激光耦合；多根空芯光子晶体光纤2分别用于将多个飞秒脉冲激光器1输出的飞秒脉冲激光传输至微透镜组5；

微透镜组5设置在合束器壳体4内的输出端，用于将多根空芯光子晶体光纤2传输的飞秒脉冲激光聚焦或者准直后从合束器壳体4的输出端输出，形成输出光束6；微透镜组5通过胶水固定在合束器壳体4的内部。

具体地，飞秒脉冲激光器1为光纤飞秒脉冲激光器1或者固体飞秒脉冲激光器1；飞秒脉冲激光器1输出的飞秒脉冲激光的脉冲宽度为100～1000飞秒；飞秒脉冲激光器1的输出脉冲通过触发时序控制和空芯光子晶体光纤2的长度控制，在同一时间到达合束器壳体4的输出端。

示例性地，在本实施例中，空芯光子晶体光纤2的数量为三根；相应地，飞秒脉冲激光器1为三台同型号的红外飞秒激光器；所述红外飞秒激光器的具体指标如下：输出脉冲平均功率为100瓦，脉冲重复频率为100kHz，脉冲宽度为400飞秒，中心波长为1030nm，脉冲能量1mJ；使用时，将所述红外飞秒激光器放置于恒温、恒湿、洁净等适用于激光器工作的环境中，其输出光经过透镜耦合进入空芯光子晶体光纤2的纤芯中，耦合效率大于95％。

具体地，空芯光子晶体光纤2的截面结构为反谐振结构或者Kagome结构；空芯光子晶体光纤2的纤芯内为真空、空气或者惰性气体；参考图2、图4和图5，空芯光子晶体光纤2的排列方式可以为线形、三角形、矩形、环形或者圆形。

示例性地，在本实施例中，空芯光子晶体光纤2的长度为5m，其截面如图3所示，空气纤芯201直径为40微米，包层202直径为250微米，涂覆层203直径为400微米；空芯光子晶体光纤2在1030nm波长的色散为零或接近为零，损耗小于0.05dB/m；100瓦、400飞秒的脉冲在5米空芯光子晶体光纤2中传输后，功率大于89瓦，脉冲宽度约400飞秒。

合束器壳体4为长100mm，宽25mm，高25mm的金属零件；合束器壳体4与红外飞秒激光器之间的距离大于3米；空芯光子晶体光纤2的尾纤进入合束器壳体4的输入端，并成三角形排列固定在排列组合器3内。

排列组合器3为圆柱形，内径为1mm，外径为5mm，材质为金属；空芯光子晶体光纤2通过胶水固定在排列组合器3的内侧壁上；排列组合器3通过胶水固定在合束器壳体4内的输入端。

微透镜组5由三个微透镜组5成，所述微透镜的排列形式与排列组合器3内的光纤排列形式匹配，并通过胶水固定在合束器壳体4的内部；所述微透镜的形状为圆形，直径为10mm；微透镜组5将空芯光子晶体光纤2的输出光聚焦到合束器的输出端，形成输出光束6。

本实施例中用于飞秒脉冲激光的合束器具有以下优点：

(1)结构简单：传统的空间合束无法在合束器壳体的输入端实现与本实施例中空芯光子晶体光纤合束方案相同的光束排列；例如，三束飞秒脉冲激光，每束飞秒脉冲激光光斑的直径为40微米，光斑间距为5微米，成三角形排列，且传输方向一致；由于空间光路合束需要使用反射镜将光束进行排列，而40微米的高斯光束的发散角大约为17mrad，瑞利长度约为1mm，以现有的反射镜形式的空间光路是不能直接实现空间排列的；另外，这里设想另一种可能实现空间光路合束的方式，先将三路空间光束准直(通常需要大于2毫米)，使光束可以传输所需要的距离用反射镜进行分布排列，然后再使用微透镜合束；这种空间合束方案结构复杂，每路光至少需要一对反射镜来调节光束的位置和方向，且需要保证空间光路输出的光斑位置准确，大小一致，方向一致，需要非常精密的调节。

(2)降低对使用环境的要求：飞秒脉冲激光器和空间合束器对使用环境有较高的要求；比如，激光器距离样品5米，加工精度要求1微米，需要空间光路的精度在0.2urad以下，而精密光学调整架随温度变化可达25urad左右，远远不能满足要求，，需要控制在恒温恒湿的环境中才能工作；本实施例中的合束器通过将多根所述空芯光子晶体光纤的一端通过所述排列组合器和胶水封装在所述合束器壳体内的输入端，并将所述微透镜组通过胶水封装在所述合束器壳体内的输出端，使得所述用于飞秒脉冲激光的合束器对外部环境的变化不敏感，因此对使用环境的要求较低。

(3)易于维护：当激光器发生故障，比如光路变化或需要更换时，空间光合束器需要重新调节，而对于本实施例中的所述用于飞秒脉冲激光的合束器，只需要调节有问题的所述飞秒脉冲激光器与对应的空芯光子晶体光纤的耦合部分即可，因此易于维护。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于飞秒脉冲激光的合束器，其特征在于，包括：多根空芯光子晶体光纤、合束器壳体、排列组合器和微透镜组；

所述合束器壳体为两端开口的中空结构；

2.根据权利要求1所述的用于飞秒脉冲激光的合束器，其特征在于，所述飞秒脉冲激光器为光纤飞秒脉冲激光器或者固体飞秒脉冲激光器；所述飞秒脉冲激光器输出的飞秒脉冲激光的脉冲宽度为100～1000飞秒。

3.根据权利要求1所述的用于飞秒脉冲激光的合束器，其特征在于，所述空芯光子晶体光纤的截面结构为反谐振结构或者Kagome结构。

4.根据权利要求1所述的用于飞秒脉冲激光的合束器，其特征在于，所述空芯光子晶体光纤的纤芯内为真空、空气或者惰性气体。

5.根据权利要求1所述的用于飞秒脉冲激光的合束器，其特征在于，所述空芯光子晶体光纤的排列方式为线形、三角形、矩形、环形或者圆形。

6.根据权利要求1所述的用于飞秒脉冲激光的合束器，其特征在于，所述排列组合器通过胶水固定在所述合束器壳体的内部。

7.根据权利要求1所述的用于飞秒脉冲激光的合束器，其特征在于，所述微透镜组通过胶水固定在所述合束器壳体的内部。

8.根据权利要求1所述的用于飞秒脉冲激光的合束器，其特征在于，所述排列组合器为两端开口的中空结构；所述空芯光子晶体光纤的一端插设在所述排列组合器内；所述空芯光子晶体光纤与所述排列组合器的内侧壁通过胶水固定连接。

9.根据权利要求1所述的用于飞秒脉冲激光的合束器，其特征在于，所述合束器壳体的材质为金属。