功率放大设备及光纤激光器的制作方法

1.本技术涉及激光放大技术领域，特别涉及一种功率放大设备及光纤激光器。


背景技术：

2.随着激光器的蓬勃发展，集成化、小型化是一个发展方向。常规高功率光纤激光器一般要经过多级放大，每一放大级都需要有模场适配器(mfa)、包层功率剥离器(cps)、隔离器、扩束器、合束器等多个器件。所以高功率激光器内光学元器件众多、光路繁杂，存在空间占用大、装调工序多、效率低、成本高等诸多问题。众多器件在组装、盘纤等各个环节也会对光束质量产生劣化，影响激光器的加工能力。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本技术提供了一种功率放大设备及光纤激光器，至少解决了在先技术中的激光器需要众多器件导致的空间占用大、装调工序多、效率低、影响激光质量的问题。
4.本技术实施例提出一种功率放大设备，与信号光纤和泵浦光纤相连接，所述功率放大设备包括：
5.设备盒和设于所述设备盒内的第一集成器件、有源光纤和第二集成器件；
6.所述信号光纤连接于所述第一集成器件的一端，所述第一集成器件用于允许所述信号光纤导入的前级信号光通过；
7.所述有源光纤的一端连接于所述第一集成器件的另一端，所述有源光纤的另一端连接于所述第二集成器件；
8.所述泵浦光纤连接于所述第二集成器件与所述有源光纤相连的一端，用于向所述第二集成器件输送泵浦光；
9.所述泵浦光进入所述第二集成器件后沿反向进入所述有源光纤，部分所述泵浦光进入所述第一集成器件后被过滤；所述前级信号光沿正向经所述信号光纤、所述第一集成器件进入所述有源光纤，所述前级信号光在所述有源光纤内经所述泵浦光放大后传输至所述第二集成器件，并经所述第二集成器件准直扩束后输出。
10.在一实施例中，所述第一集成器件包括封装盒以及容纳于所述封装盒内的高折射率封装胶、固定部、拉锥部；
11.所述高折射率封装胶用于过滤所述泵浦光；
12.所述固定部的一端与所述信号光纤相连且另一端穿过所述高折射率封装胶并与所述拉锥部相连；
13.所述拉锥部与所述固定部相对的另一端与所述有源光纤相连。
14.在一实施例中，所述拉锥部的锥区长度为5mm，且末端包层直径为83.3mm。
15.在一实施例中，所述第二集成器件包括依次设置的c透镜、滤波片、隔离器芯、放大透镜组；
16.自所述有源光纤射出的放大后的信号光依次透过所述c透镜、所述滤波片、所述隔离器芯后，经所述放大透镜组放大光束直径并准直输出；
17.自所述泵浦光纤射出的所述泵浦信号透过所述c透镜后，经所述滤波片反射，再次透过所述c透镜后射入所述有源光纤。
18.在一实施例中，所述第二集成器件还包括玻璃管，所述c透镜设于所述玻璃管内，所述滤波片设于所述玻璃管远离所述有源光纤的一端。
19.在一实施例中，所述放大透镜组包括双凹透镜与平凸透镜，穿过所述隔离器芯的放大后的信号光穿过射入所述双凹透镜并透过所述平凸透镜后输出。
20.在一实施例中，所述c透镜的材料为石英、曲率半径为r2.2mm、长度为7.1mm，所述c透镜的输出光束直径为0.3mm；
21.所述放大透镜组的放大倍数为20倍。
22.在一实施例中，所述信号光纤为10/125光纤，所述有源光纤为30/250光纤，所述泵浦光纤为105/125光纤。
23.在一实施例中，所述功率放大设备还包括设备盒，所述信号光纤、所述泵浦光纤、所述有源光纤、所述第一集成器件、所述第二集成器件均容置于所述设备盒；
24.所述设备盒内还设有水冷件，所述有源光纤设于所述水冷件旁侧，所述水冷件用于为所述有源光纤散热。
25.本技术实施例还提供一种光纤激光器，包括所述的功率放大设备。
26.本技术针对在先技术中的激光放大器需要众多器件导致的空间占用大、装调工序多、效率低、影响激光质量的问题作出改进设计：
27.1、将mfa与cps的功能集成于第一集成器件，并将合束器、隔离器与扩束器的功能集成于第二集成器件，以降低整个功率放大设备的体积，且减少了器件的数量，减少了装调工序，降低了成本；
28.2、利用反向泵浦光对前级信号光进行放大，提高了激光器输出功率；
29.本技术结构简洁，器件少，能够高效的进行信号光的放大，同时还能够有效的减小设备的空间占用，减少装调工序，降低成本，实用性强。
附图说明
30.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本技术实施例提供的功率放大设备的结构原理示意图。
32.图2为图1所示的功率放大设备中第一集成器件的结构原理示意图。
33.图3为图1所示的功率放大设备中第二集成器件的结构原理示意图。
34.图中标记的含义为：
35.1、信号光纤；2、泵浦光纤；
36.3、第一集成器件；31、封装盒；32、高折射率封装胶；33、固定部；34、拉锥部；35、固定胶。
37.4、有源光纤；
38.5、第二集成器件；51、c透镜；52、滤波片；53、隔离器芯；54、放大透镜组；541、双凹透镜；542、平凸透镜；55、玻璃管；
39.6、设备盒。
具体实施方式
40.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图即实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
41.需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以是直接或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对专利的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
42.还需说明的是，本技术实施例中以同一附图标记表示同一组成部分或同一零部件，对于本技术实施例中相同的零部件，图中可能仅以其中一个零件或部件为例标注了附图标记，应理解的是，对于其他相同的零件或部件，附图标记同样适用。
43.为了说明本技术所述的技术方案，下面结合具体附图及实施例来进行说明。
44.本技术提供一种功率放大设备，用于光纤激光器中，采用集成化、小型化的器件替换数量众多且空间占用大的器件，降低空间占用的同时，也优化了光路，降低了光束在众多器件中传播造成的质量劣化，提高了激光放大的效率和质量。
45.实施例一
46.参考图1，本技术实施例提供的功率放大设备与信号光纤1和泵浦光纤2相连接，功率放大设备包括设备盒6以及设于设备盒6内的第一集成器件3、有源光纤4及第二集成器件5。
47.设备盒6用于提供固定基础，信号光纤1的一端、泵浦光纤2的一端、有源光纤4、第一集成器件3、第二集成器件5均容置于设备盒6。
48.信号光纤1用于输送前级信号光。
49.泵浦光纤2用于输送泵浦光。
50.第一集成器件3用于过滤泵浦光并使前级信号光低损耗的通过，其中，过滤泵浦光的效果与cps的效果相同；光纤纤芯直径渐变过度、使前级信号光通过并降低通过损耗的效果与mfa相同，第一集成器件3同时实现了mfa与cps的技术效果。
51.第二集成器件5用于实现泵浦光的导入，即用于将泵浦光导入有源光纤4；第二集成器件5还用于信号光的反向隔离，防止信号光的反射以及其他信号光的反向输入；第二集成器件5还用于对前级信号光进行准直扩束输出。
52.第二集成器件5同时实现了合束器、隔离器和扩束器的效果。
53.信号光纤1、泵浦光纤2、有源光纤4、第一集成器件3、第二集成器件5的连接关系
为：
54.信号光纤1连接于第一集成器件3的一端，用于向第一集成器件3传输前级信号光；有源光纤4的一端连接于第一集成器件3的另一端，且有源光纤4的另一端连接于第二集成器件5的一端，有源光纤4用于将第一集成器件3输出的信号光传输至第二集成器件5；泵浦光纤2的一端连接于第二集成器件5，泵浦光纤2将泵浦光传输至第二集成器件5。
55.前级信号光在功率放大设备中的光路为：前级信号光依次经信号光纤1、第一集成器件3、有源光纤4、第二集成器件5后输出，该方向为正向，与前级信号光相反的传输方向称为反向。
56.泵浦光在功率放大设备中的光路为：泵浦光经泵浦光纤2传输至第二集成器件5内，之后在第二集成器件5内反向并进入有源光纤4传输，且部分残余的泵浦光进入第一集成器件3内并被过滤。
57.本实施例的动作过程为：前级信号光经信号光纤1正向传输至第一集成器件3；同时泵浦光进入第二集成器件5后，在第二集成器件5的作用下反向进入有源光纤4，并在有源光纤4内与前级信号光合束，部分残余的泵浦光进入第一集成器件3后被过滤；前级信号光在有源光纤4内受泵浦光放大功率，放大后的信号光进入第二集成器件5，经第二集成器件5的合束、隔离、准直扩束后输出。
58.本实施例的有益效果在于：将mfa与cps的功能集成于第一集成器件3，并将合束器、隔离器与扩束器的功能集成于第二集成器件5，降低了整个功率放大设备的体积，且减少了器件的数量，减少了装调工序，降低了成本；利用反向泵浦光对前级信号光进行放大，提高了放大效率。
59.可选的，设备盒6内还设有水冷件，水冷件用于为有源光纤4散热；有源光纤4设于水冷件旁侧，功率放大设备在制造时，有源光纤4紧贴底板设置并靠近水冷件，有源光纤4产生的热量被水流带走，以避免热量堆积。
60.进一步的，水冷件为开设于设备盒6底板内的水冷槽，水冷槽内流通有冷却水。，将有源光纤4贴设于底板上，从而进一步提高水冷件对有源光纤4的散热效果。
61.参考图2，在一实施例中，第一集成器件3包括封装盒31、高折射率封装胶32、固定部33与拉锥部34。
62.封装盒31用于为高折射率封装胶32、固定部33与拉锥部34提供固定基础。
63.固定部33设于封装盒31内，固定部33的一端与信号光纤1一体相连，即固定部33为信号光纤1的一部分；固定部33的另一端与拉锥部34相连。
64.拉锥部34设于封装盒31内，拉锥部34为一端为尖端的柱状结构，拉锥部34的尖端与固定部33相连；拉锥部34的另一端与有源光纤4一体相连，即拉锥部34为有源光纤4的一部分。
65.拉锥部34与固定部33通过熔接相连，前级信号光在通过熔接处时会出现较大的损耗，拉锥部34用于使前级信号光在熔接处能够获得较大的通过率，降低前级信号光自固定部33与拉锥部34熔接处通过的损耗。
66.高折射率封装胶32设于封装盒31内，固定部33的一端穿过高折射率封装胶32与拉锥部34相连，即高折射率封装胶32包裹于部分固定部33外，高折射率封装胶32用于滤除残余的泵浦光。
67.本实施例的有益效果在于：利用小体积的拉锥部34实现了cps的技术效果，利用小体积的高折射率封装胶32实现了mfa的技术效果，而拉锥部34与高折射率封装胶32均设于封装盒31内并集成为第一集成器件3，有效的降低了功率放大设备的空间占用。
68.可选的，拉锥部34的锥区长度为5mm，末端包层直径为83.3mm，其中锥区即为拉锥部34的尖端部分的长度，末端即为拉锥部34与有源光纤4相连的一端。
69.拉锥部34由单根光纤拉锥形成，拉锥完成后的拉锥部34经割刀处理平整后与信号光纤1通过熔接机熔接，并置于封装盒31内。
70.可选的，第一集成器件3还包括固定胶35，固定部33与拉锥部34均通过固定胶35固定于封装盒31。
71.参考图3，在一实施例中，第二集成器件5包括依次设置的c透镜51、滤波片52、隔离器芯53、放大透镜组54，c透镜51、滤波片52、隔离器芯53、放大透镜组54的光轴均同轴。
72.c透镜51的水平面朝向有源光纤4且凸面背离有源光纤4，c透镜51用于对经有源光纤4射入的放大后的信号光聚焦，也用于对自泵浦光纤2射入的泵浦光聚焦。
73.滤波片52用于过滤并折射泵浦光，具体的，经c透镜51聚焦的放大后的信号光与泵浦光均射入滤波片52，其中放大后的信号光直接透过滤波片52，而泵浦光则经滤波片52反射后向c透镜51入射，并经c透镜51还原后经有源光纤4射入第一集成器件3。
74.隔离器芯53用于将放大后的信号光传输至放大透镜组54，同时还用于隔离反向光。
75.放大透镜组54用于对射入的放大后的信号光进行扩束、准直处理。
76.本实施例中前级信号光的传输光路为：放大后的信号光自有源光纤4射出后射入c透镜51，经c透镜51合束后穿过滤波片52和隔离器芯53，后经放大透镜组54放大扩束并输出。
77.本实施例中泵浦光的传输光路为：泵浦光自泵浦光纤2射出后射入c透镜51，经c透镜51合束后射向滤波片52，经滤波片52反射后经c投机还原，并经有源光纤4射入第一集成器件3。
78.本实施例的有益效果在于：利用小体积的c透镜51实现了合束器的技术效果，利用小体积的滤波片52与隔离器芯53实现了隔离器的技术效果，利用小体积的放大透镜组54实现了扩束器的技术效果，并将c透镜51、滤波片52、隔离器芯53、放大透镜组54集成于一体，有效的降低了功率放大时设备的空间占用。
79.本实施所述光路方案采用反泵方式，有源光纤4后面直接c透镜51后空间传输，无须再接其余无源光纤，整体光路最短，有效减少非线性，达到优化光束质量的效果。
80.可选的，第二集成器件5还包括玻璃管55，玻璃管55用于为c透镜51与滤波片52提供固定基础，玻璃管55为空心管，c透镜51容置于玻璃管55内，滤波片52连接于玻璃管55背离有源光纤4的一端。
81.可选的，c透镜51的材质为石英。
82.可选的，有源光纤4、泵浦光纤2与第二集成器件5相连的一端均直接熔接于c透镜51的水平面上。
83.可选的，放大透镜组54包括双凹透镜541与平凸透镜542。
84.经隔离器芯53射出的放大后的信号光从双凹透镜541的一侧射入，并经双凹透镜
541转化后沿离轴方向扩散射出。
85.经双凹透镜541射出的光线射入平凸透镜542，平凸透镜542用于将射入的光线转化为平行光，从而完成对信号光的扩束。
86.实施例二
87.在实施例一的基础上，信号光纤1为10/125光纤；泵浦光纤2为200/220光纤，976nm的泵浦光自泵浦光纤2射入第二集成器件5；有源光纤4为30/250光纤，且长度为4m；其中，10/125光纤的芯径为10微米且包层外径为125微米，200/220光纤的芯径为200微米且包层外径为220微米，30/250光纤的芯径为30微米且包层外径为250微米。
88.滤波片52为t1064/r976的滤光片；c透镜51的曲率半径为2.2mm，且长度为7.1mm，c透镜51输出的光束直径为0.3mm；放大透镜组54的放大倍数为20倍。
89.此时，在285w泵浦功率、1w信号光输入的情况下，功率放大设备输出功率为200w，实现了200倍放大；输出光束质量m2＜1.2，而常规机器m2＝1.4，输出光束质量得到明显改善；其中m2为激光光束质量参数，m2的值越小光束质量越高。
90.实施例三
91.在实施例一或实施例二的基础上，本实施例提供一种光纤激光器，应用实施例一或实施例二中的功率放大设备，其体积更小，且放大倍数更大，输出的光束质量也更高。
92.本技术的有益效果在于：
93.1、将mfa与cps的功能集成与第一集成器件3，并将合束器、隔离器与扩束器的功能集成于第二集成器件5，光路无熔接断点，有效减短了光纤长度，抑制非线性效应；降低了整个功率放大设备的体积，且减少了器件的数量，减少了装调工序，降低了成本；
94.2、利用反向泵浦光对前级信号光进行放大，提高了激光器输出功率；
95.3、信号光在光纤传输链路最短，减少非线性，提高了激光器输出的光束质量。
96.以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。