光纤激光不敏感的瞄准激光器的制作方法

1.本公开涉及用于在光纤激光器组件中向后传播辐射保护的方法和装置。


背景技术：

2.高功率工业光纤激光器用户习惯于根据需要发射可见“瞄准光束”以用于使用肉眼进行工具对准的光纤激光器。此类可见光束的监管要求通常将其输出功率限制为《1mw。期望地是这种功率通过用户选择的材料加工光学器件传输具有较少衰减。低衰减要求鼓励将对准光束并入光纤激光器的芯。
3.在示例性光纤激光器组件中，可见光束通过组合器射入到输出光束中。例如，如图1所示，激光器组件100产生与可见光束134同轴的激光输出光束124。
4.在该实施例中，组件100包括分别产生光束111、113的泵浦激光束源110、112。光束111、113在相应的光纤114、116中传播。光纤114、116接合到组合器输入光纤120、122。组合器102接收并组合光束111和113以形成耦合到组合器输出光纤126的包层中的组合输出光束124。可见光源132产生可见光束134，该可见光束经由波分复用器(wdm)136耦合到附加输入光纤140和组合器102。组合器102将可见光束134耦合到包括激光器154的输出光纤126的芯中，激光器154包括介于高反射光纤布拉格光栅(hr fbg)152和部分反射光纤布拉格光栅(pr fbg)150之间的有源光纤。光纤126将激光输出光束124传送到激光头128，激光头128将光束124引导到工件130以执行加工操作，诸如切割、焊接、钎焊、增材制造等。可见光束134与光束124同轴并可用于在工件130上导向和对准光束124。
5.在主动操作期间，激光输出光束124可能从工件130的表面反射或响应于入射光束124使工件130发射辐射。发射的和反射的辐射都可以向后耦合到激光光纤的芯中。这种向后传播的辐射140可以通过输入光纤和组合器102返回以到达并可能损坏上游部件。向后传播的辐射造成的损坏会造成灾难性的故障。例如，向后传播的辐射可能损坏或禁用可见瞄准光束134的源132。保护可见光源132的一种方式是通过wdm 136射入可见光束134，wdm 136被设计成用于将瞄准光束134传输到光纤激光器的芯中，并且将向后传播的辐射140从光纤激光器传输到未使用的端口，诸如wdm拒绝端口138，在这里其可以被安全地消散。然而，此类装置昂贵并且会给光纤激光器增加不期望的成本。
6.问题是找到一种成本有效的方法，该方法将可见瞄准光束射入高功率工业光纤激光器的输出中，该激光器在预期的向后传播的辐射下是可靠的。


技术实现要素：

7.本文公开了用于减少光纤激光器中向后传播的辐射的有害影响的组件、设备和方法。此类组件、设备和方法包括激光器组件，该激光器组件包括：多包层光纤，其被光学耦合至被配置为发射第一波长(例如，在可见光谱内)的光辐射的光源(例如，激光二极管)；和保护元件，其被设置在光源和多包层光纤之间，以防止第二波长的向后传播的光辐射的一部分耦合到光源中。
8.在一个示例中，多包层光纤可以是双包层光纤，其包括芯、包层和缓冲层，其中芯具有比包层更高的折射率，并且包层具有比缓冲层更高的折射率。在不同的示例中，多包层光纤可以是三包层光纤，其包括芯、第一包层、第二包层和缓冲层，其中芯具有比第一包层更高的折射率，第一包层具有比第二包层更高的折射率，并且第二包层具有比缓冲层更高的折射率。
9.保护元件可以是反射器或吸收器或其组合。在示例中，保护元件可以是二向色滤光器，其被配置为传输第一波长的光辐射并且反射第二波长的光辐射。进一步地，保护元件可以以将向后传播的光辐射的一部分耦合到多包层光纤的一个或多个包层的方式反射第二波长的光辐射和/或以引导光辐射远离多包层光纤的芯的方式反射第二波长的光辐射。
10.在一个示例中，保护元件可以是二向色滤光器。二向色滤光器可以被施加至多包层光纤的输出端。在一些情况下，多包层光纤的输出端可以是成角度的、弧形的或球形的。附加地或替代地，二向色滤光器可以被施加在形成包封光源的封装件的一部分的窗体的表面上，或者被施加在邻近多包层光纤的输出端设置的保护元件的表面上。
11.激光器组件还可以包括聚焦光学器件，该聚焦光学器件被配置为将第一波长的光辐射聚焦到多包层光纤中。在此种情况下，二向色滤光器可以包括被施加到聚焦光学器件的表面的涂层。在示例中，多包层光纤可以是被配置为光学耦合到光纤激光器的输入光纤的光纤尾纤。此种尾纤可以被进一步配置为将来自光源的第一波长的光辐射耦合到输入光纤，其中第一波长在可见光谱内并且光纤激光器被配置为将光辐射传播通过输出光纤到达工件。在示例中，光纤激光器可以是二极管泵浦光纤激光器或反泵浦光纤激光器。
12.根据以下详细描述，上述和其他目的、特征和优点将变得更加明显，该详细描述参照可能未按比例绘制的附图进行。
附图说明
13.附图(其中相同的附图标记表示相同的元件)并入本说明书并构成本说明书的一部分，并且与描述一起解释本公开的技术的优点和原理。在附图中，
14.图1示出了用于引导与输出高功率激光束同轴的可见光束的示例性激光器组件，其包括用于背向反射保护的wdm；
15.图2a示出了用于生成和引导具有同轴的可见光束的高功率输出激光束的示例性激光器组件，其包括可见光源保护元件；
16.图2b示出了用于保护可见光源免受向后传播的辐射损坏的示例性可见光源保护组件；
17.图2c示出了被配置成用于保护可见光源免受向后传播的辐射的损坏的双包层光纤的示例性折射率分布；
18.图2d-2h示出了用于保护可见光源免受向后传播的辐射损坏的多个示例性可见光源保护组件；
19.图3a示出了用于保护可见光源免受向后传播的辐射损坏的示例性可见光源保护组件；
20.图3b示出了被配置成用于保护可见光源免受向后传播的辐射损坏的三包层光纤的示例性折射率分布；和
21.图4示出了用于生成和引导具有同轴的可见光束的高功率输出激光束的示例性反泵浦激光器组件，其包括可见光源保护元件。
具体实施方式
22.如在本技术和权利要求中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包含复数形式，除非上下文另有明确规定。此外，术语“包含”意味着“包括”。此外，术语“耦合”不排除耦合的项之间存在中间元件。
23.本文描述的系统、设备和方法不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本公开单独地和以各种组合和相互之间的子组合的方式涉及各种公开的实施例的所有新颖和非显而易见的特征和方面，。本公开的系统、方法和设备不限于任何特定方面或特征或其组合，本公开的系统、方法和设备也不要求存在任何一个或多个特定优点或待解决的问题。任何操作理论都是为了便于解释，但本公开的系统、方法和设备不限于此类操作理论。
24.虽然为了方便呈现以特定的、相继顺序描述了一些本公开的方法的操作，但是应当理解地是这种描述方式包含重新排列，除非下面阐述的特定语言要求特定的顺序。例如，相继描述的操作在一些情况下可以被重新排列或同时执行。此外，为了简单起见，附图可能未示出本公开系统、方法和设备可以与其他系统、方法和设备结合使用的各种方式。此外，描述有时使用“生产”和“提供”等术语来描述所公开的方法。这些术语是所执行的实际操作的高级抽象。对应于这些术语的实际操作将根据特定实现方式而变化，并且本领域普通技术人员很容易辨别。
25.在一些示例中，值、过程或设备被称为“最低”、“最佳”、“最小”等。应当理解，此类描述旨在表明可以在许多使用的功能替代方案中进行选择，并且此类选择不需要比其他选择更好、更小或以其他方式更可取。参考指示为“上方”、“下方”、“上”、“下”等的方向来描述示例。这些术语用于方便描述，但并不暗示任何特定的空间取向。此外，在以下示例中，激光器部件和组件是在高度抽象的情况下描述的，并不包括操作所需的所有机械、电子和光学元件的完整描述。
26.如上所述，将可见瞄准光束射入高功率工业光纤激光器的输出的可靠且具有成本效益的方法是使用昂贵的wdm装置来处理可见光源处的向后传播的辐射的理想替代方案。本文提出的方法是使用可见光源将足够的向后传播的辐射反射回光纤激光器，以将入射到光源本身的辐射功率降低到安全水平，而不会破坏光纤激光器的操作。
27.图2a示出了用于生成和引导具有同轴的可见光束234的高功率输出激光束224的光纤激光器组件200的示例，其中组件200并入了可见光源保护组件204以保护可见光源232免受向后传播的辐射240的影响。在一个示例中，组件200包括分别产生光束211、213的泵浦激光束源210、212。光束211、213在相应的光纤214、216中传播。光纤214、216被接合到组合器输入光纤220、222。组合器202接收并组合光束211和213以形成被耦合到组合器输出光纤226的包层中的组合输出光束224。组合器202在输出光纤226的芯中耦合可见光束234，该输出光纤包括激光器274，该激光器274包括位于hr fbg 272和pr fbg 270之间的有源光纤。
28.可见光源232产生可见光束234，其被耦合到附加输入光纤240和组合器202。组合器输出光纤226将激光输出光束224传送到工件230以执行期望的加工操作。可见光束234与光束224同轴并可被用于在工件230上导向和对准光束224。
29.在一个示例中，组合器202是泵浦/信号组合器，其被布置成将来自外部源(即，可见光源232)的光耦合到光纤激光器的芯中。组合器202还可将来自光纤激光器的芯的光耦合回外部源。在操作期间，工件230在被光束224照射时可以反射入射光并且可以响应于入射激光而发射光；反射的光和发射的光都可以向后耦合到输出光纤226的芯中。此种向后传播的辐射240通过组合器202传播回并进入上游部件，诸如可见光源232。在一个示例中，可见光源保护组件204被配置为保护可见光源232免受向后传播的辐射240的影响，这将在下面更详细地解释。
30.可见光源232可以是通过可见光源尾纤244耦合到组合器202的可见光激光二极管，该可见光源尾纤244经由接头260耦合到光纤245。激光二极管通常以这种方式与单包层光纤耦合，意味着光纤将光限定在被低折射率玻璃包层包围的玻璃芯中，该低折射率玻璃包层本身被高折射率保护缓冲材料形成的包层包围，该保护缓冲材料不传播玻璃包层中的光。此种结构不适于光纤激光器可见光源，因为向后的光纤激光辐射将不会仅被限于芯，而是将在包层中传播。如果可见光源尾纤244是单包层，则耦合到尾纤244的向后传播的辐射240将被耦合到缓冲部中，导致光纤故障。为了避免此种故障模式，可见光源尾纤244包括双包层或三包层光纤。
31.图2b示出了用于保护可见光源232免受向后传播的辐射240损坏的示例性可见光源保护组件204。在该示例中，可见光源尾纤244是双包层光纤，其包括折射率比中间折射率玻璃包层254更低的低损耗缓冲部256。包层254被配置成以低损耗传播包层耦合光，因此对缓冲部256的完整性的风险最小。芯252是包括折射率比包层254更高的材料的高折射率玻璃。
32.在一示例中，芯252、包层254和缓冲部256可以包括本领域技术人员已知的多种材料，以实现所期望的光纤结构和折射率分布。作为非限制性示例，芯252和包层254可以包括sio2、掺杂有geo2的sio2、锗硅酸盐、五氧化二磷、磷硅酸盐、al2o3、铝硅酸盐等或其任何组合。缓冲部256可包括玻璃和/或聚合物材料，诸如含氟聚合物，诸如聚偏二氟乙烯(kynar)、聚四氟乙烯(teflon)和聚氨酯等或其任何组合。
33.尾纤244可以传输足以损坏可见光源232的向后传播的辐射240。在一些情况下，即使在芯252中导向的向后传播的光240也可能损坏可见光源232。在示例中，包括被配置为防止向后传播的辐射240耦合到可见光源232中的二向色涂层248的保护元件可以被施加到光纤244的端面246。此种保护元件可以将入射的向后传播的辐射240反射回光纤激光器274。二向色滤光器涂层248可被设计成充分传输待要射入芯252的可见光234，同时反射后向传播的辐射240的潜在损坏性的波长，后向传播的辐射240的波长不同于可见光源的波长。可见光谱内的任何波长都将是合适的。通常，潜在损坏性的波长将是主高功率激光波长(例如，作为非限制性示例，对于yb来说为1000至1100nm，对于tm来说为1900至2100nm)，可能由于诸如自相位调制的非线性效应而变宽，以及通过诸如受激拉曼散射(srs)的非线性效应从主高功率激光波长生成的其他波长。
34.从光纤激光器向后传播的光不应通过可见激光源的反射而被耦合到光纤激光器的芯中，否则存在播种(seeding)如srs的不稳定非线性过程或改变激光器或放大器的具有出人意料的宽的播种带宽的输出的风险。从其光纤尾纤244测量的可见激光器的芯耦合光回波损耗(orl)应该是低的。通过使与可见激光源232界接的具有二向色涂层248的光纤244
的端面246成角度可以实现低orl，这样离开端面246的向后传播的辐射240的反射被耦合出芯252并被耦合至光纤包层254中。
35.在该示例中，返回辐射241代表从被设置在组件204中的一个或多个反射部件反射回光纤244的光。返回辐射241从光纤244的具有二向色涂层248的端面246反射。其主要在光纤尾纤244的包层254中朝向泵浦/信号组合器202传播回。返回辐射241将通过双包层光纤(或三包层光纤，参见图3a)的包层被安全地传播回到泵浦/信号组合器202。泵浦/信号组合器202将返回辐射241与光纤激光器274中的任何泵浦光一起主要耦合到光纤226的包层中。该包层耦合的返回辐射241将传播通过光纤激光器部分274并且可以在光纤激光器的输出端发射，或者可以被剥离出并安全消散于用于去除不想要的光纤激光器包层发射的包层光剥离器(cls)中。
36.图2c示出了芯252、包层254和缓冲部256的相对折射率。折射率分布257与组件204的反射元件一起工作以将包层中的返回辐射241安全地导回光纤激光器。本领域技术人员已知的其他折射率分布也是可能的，并且要求保护的主题不受该示例或任何其他示例的限制。
37.图2d-2h示出了用于保护可见光源免受向后传播的辐射损坏的可见光源保护组件280-288的各种示例。以下实施例是例示说明性的，并非旨在穷举或限制要求保护的主题。在示例中，相同的附图标记代表上面关于图2a和图2b描述的相同元件。此外，在图2d-图2h中的每个图中，涂层258包括滤光器或吸收器，诸如例如二向色反射器。涂层258被配置为吸收或反射或以其他方式过滤向后传播的辐射240。通常，如果涂层258是反射器，它会将进入的向后传播的辐射240返回到光纤244。如以下示例示出的，此种返回的辐射241可被基本上耦合到光纤244的包层部分254中，从而保护可见光源232免受向后传播的辐射240的影响。将返回的辐射241耦合到包层254中也使损坏光纤激光器组件200的其他部件的风险最小化。
38.图2d示出了示例性可见光源保护组件280，其中用于将来自可见光源232的光耦合到光纤244中的聚焦透镜242包括表面259上的涂层258，该涂层是诸如二向色滤光器的滤光器。涂层258被描绘为面向光纤表面246。在另一个示例中，涂层258可以被施加到面向可见光源232的表面259的部分。组件280的光纤表面246可以成角度也可以不成角度并且也可以任选地包括滤光器涂层248。成角度的表面246可以抑制返回辐射耦合到芯252中。
39.图2e示出了示例性可见光源保护组件282，其中滤光器涂层258被施加到诸如封装262中的窗体261的保护元件的表面，以保护可见光源232免受周围环境的影响。
40.图2f示出了示例性可见光源保护组件284，其中滤光器涂层258(诸如二向色滤光器)被施加到专用于滤除向后传播的辐射240的保护元件264的表面265。保护元件264可被定位在组件284内的各种位置处以保护可见激光源232、其光纤尾纤244和任何介入光学器件242。
41.在另一个示例中，涂层258可以是被配置为吸收辐射240而不是反射辐射240的一部分的光吸收器。这种方法可能比本文描述的其他方法具有更有限的功率处理能力。
42.另外或替代地，其他反射表面可被设置在光纤尾纤244的端面246和可见光源232之间，以便使反射回光纤的芯中的返回辐射241最小。
43.图2g示出了示例性可见光源保护组件286，其中保护元件264可以是倾斜的和/或
被成形以帮助使反射的向后传播的辐射240耦合至芯252中最小。该表面可以是弧形的或球形的(参见图2h)。倾斜角θ必须足够小(例如，3-12度)以将光耦合回至光纤包层，并且足够靠近光纤(例如，75-125um)以耦合到包层254中。如果距离太远，光将被扩散出去并且其不会很好地耦合到包层254中。被保护元件264反射回光纤244的返回辐射241可以耦合到包层254中，以被安全地朝向光纤激光器274传送回。
44.图2h示出了示例性可见光源保护组件288，其中光纤244的端面268可以被成形为使得芯导向的光的反射被较弱地耦合回到光纤的芯252中。对本领域技术人员而言已知的是该表面可以是弧形的或球形的或其他已知的形状，以有助于控制向后传播的辐射240上的反射角。此外，滤光器涂层248可以施加至弧形的端面268并且可以允许可见光234耦合至光纤的芯252中并反射向后传播的辐射240的一部分，从而将返回辐射241发送到光纤激光器274。在一些示例中，可以选择端面268的表面形状以促进可见光束234的耦合，因此消除对透镜242的需要。
45.在一些示例中，包括图2a-图2h中描绘的那些，可见光光纤尾纤可以包括三包层光纤。图3a示出了用于保护可见光源332免受向后传播的辐射340损坏的示例性可见光源保护组件304，其中可见光源尾纤344是三包层光纤。
46.在一示例中，向后传播的辐射340被成角度的端面346上的二向色涂层348反射，并优先被耦合回至光纤344的包层中作为返回辐射341。
47.可见光源尾纤344包括具有低于第一玻璃包层354和第二玻璃包层358的折射率的低损耗缓冲部356。在一示例中，包层354的折射率低于包层358的折射率，以将一部分包层光限定在第二(内)包层358以防止其与缓冲部356充分地相互作用。芯352包括比第一包层358和第二包层354更高的折射率的材料。三包层光纤还使用具有比第一(外)包层354低的折射率的缓冲部356，以促进被限定在外包层354中的部分的光的低损耗传播，从而进一步降低对光纤缓冲部356加热损坏的可能性。
48.在一示例中，芯352、第一包层358、第二包层354和缓冲部356可以包括本领域技术人员已知的多种材料，以实现所需的折射率分布。作为非限制性示例，芯352、第一包层358和第二包层354可以包括sio2、掺杂有geo2的sio2、锗硅酸盐、五氧化二磷、磷硅酸盐、al2o3、铝硅酸盐等或其任何组合。缓冲部356可包括玻璃和/或聚合物材料，诸如含氟聚合物，例如聚偏二氟乙烯(kynar)、聚四氟乙烯(teflon)和聚氨酯等或其任何组合。
49.图3b描绘了示例性折射率分布360，其示出了芯352、第一包层358、第二包层354和缓冲部356的相对折射率。折射率分布360与组件304的反射元件一起工作以将包层中的返回辐射341安全地导回光纤激光器。本领域技术人员已知的其他折射率分布也是可能的，并且要求保护的主题不受该示例或任何其他示例的限制。
50.反泵浦架构将在光纤激光器的输出端使用泵浦/信号组合器，以耦合相对于预期的光纤激光器输出方向向后传播到光纤激光器中的泵浦光。在这样的架构中，可见光源尾纤仍可在形成光纤激光振荡器后端的高反射光纤布拉格光栅后面被接合到光纤激光器中。
51.图4示出了用于生成和引导具有同轴的可见光束434的高功率输出激光束424的示例性反泵浦光纤激光器组件400，其中组件400并入可见光源保护组件404以保护可见光源432免受向后传播的辐射440影响。在示例中，组件400包含分别产生光束411、413的泵浦激光束源410、412。光束411、413在相应的光纤414、416中传播。光纤414、416被接合到组合器
输入光纤420、422。组合器402接收并组合光束411和413以形成耦合到组合器增益光纤426中的组合输出光束424。组合器增益光纤426包含激光器474，该激光器包括在hr fbg 452和pr fbg 450之间的有源光纤。
52.可见光源432产生可见光束434，其经由附加输入光纤445被耦合到增益光纤426的芯，并从那里通过组合器402被耦合到输出光纤427。组合器输出光纤426将具有同轴的可见光瞄准光束434的激光输出光束424传送到工件430，以执行期望的加工操作。向后传播的辐射440被从工件430反射和发射，并经由光纤427、组合器402、增益光纤426和光纤445传播回可见光源尾纤444。
53.在该示例中，可见光源尾纤444是如关于图2b或3a所述的双包层或三包层光纤。根据上述方法，可见光源保护组件404通过反射和/或吸收辐射440的全部或一部分来保护可见光源432免受向后传播的辐射440的损坏。具体地，成角度的光纤端面446包括滤光器材料，涂层448被配置为反射向后传播的辐射440。离开端面446的向后传播的辐射440的反射被耦合出芯452并进入可见光源尾纤444的包层。可见光源保护组件404可以包括不同的或附加的反射元件，其被配置为将辐射440反射回尾纤444中。在图4中，返回辐射441代表此类反射辐射。返回辐射441将通过光纤尾纤444的包层安全地传播回来通过激光器474到组合器402。该包层耦合的返回辐射441可以传播通过光纤激光器部分474并且可以在输出端发射或者可以被剥离并且安全消散于cls中。
54.已经描述和示出了当前公开的技术的示例的一般和特定原理，显然在不脱离此类原理的情况下可以在布置和细节上修改这些示例。我们要求属于随附权利要求的精神和范围内的所有修改和变化。