一種大功率激光器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開一種大功率激光器，包括兩塊銅金屬平板，一光纖盤，夾設(shè)在所述兩塊銅金屬平板之間，光纖盤是由只在首尾兩端留有涂覆層、其余部分全部剝?nèi)ネ扛矊拥穆愎饫w一圈一圈盤繞而成，所述裸光纖是一種摻雜稀土的光纖，多個LD泵浦組成陣列設(shè)置在所述光纖盤的側(cè)面，泵浦光出口以光能夠發(fā)生全反射的角度朝著所述兩塊銅金屬平板中的一塊板的內(nèi)側(cè)面。與普通光纖激光器不同，由大功率的激光二極管陣列LD泵浦與裸光纖組成的側(cè)面注入方式的激光器，無需經(jīng)過復(fù)雜的整形、準(zhǔn)直與光纖耦合光學(xué)系統(tǒng)，即可直接從四周對增益光纖的纖芯進(jìn)行高密度泵浦，光通過光纖導(dǎo)出，具有幾千瓦的高輸出功率，適合于航天通信衛(wèi)星通訊及激光切割領(lǐng)域。
【專利說明】一種大功率激光器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于激光器領(lǐng)域，具體涉及一種大功率激光器。

【背景技術(shù)】
[0002] 高功率光纖激光器是以摻雜光纖作為激光介質(zhì)的一種新型固體激光器，它巧妙地 把光纖技術(shù)與激光原理有機的融為一體。與傳統(tǒng)固體激光器相比，光纖激光器的體積更為 小巧，電耗降低10倍，光束質(zhì)量優(yōu)異，使用壽命長。
[0003] 不管是國內(nèi)還是國外，目前大多數(shù)高功率光纖激光器通常采用端面泵浦方式，如 圖1所示，包括端部的D泵浦101，位于泵浦之后的聚焦透鏡組102,位于透鏡組之后光路上 的雙色片103,以及位于雙色片之后的雙包層光纖104。端面泵浦體制的光纖激光器輸出功 率的進(jìn)一步提高主要受以下兩方面限制：
[0004] 1)采用這種泵浦方式使得增益光纖的兩個端面所聚集的熱量最多，很容易導(dǎo)致光 纖纖芯炸裂；
[0005] 2)如果泵浦光從光纖端面注入，那么泵浦光在增益光纖中傳輸一定距離后就會被 利用完。就目前現(xiàn)狀，通過理論計算以及試驗數(shù)據(jù)的驗證，端泵光纖激光器的增益光纖長度 一般在十幾米，不會超過20米，如果繼續(xù)增加增益光纖的長度，輸出功率會隨著長度的增 加而迅速下降，所產(chǎn)生的熱量會相應(yīng)的增加，因此增益光纖的長度受到了限制。 實用新型內(nèi)容
[0006] 鑒于目前端泵光纖激光器的現(xiàn)狀，為突破光纖激光器功率提升受限的瓶頸，本實 用新型提供一種大功率激光器。本實用新型采用獨特的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和增益光纖結(jié)構(gòu)形式，通 過側(cè)面注入方式，使得激光高功率輸出。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取以下技術(shù)方案：一種大功率激光器，包括兩塊銅 金屬平板；一光纖盤，夾設(shè)在所述兩塊銅金屬平板之間，所述光纖盤是由只在首尾兩端留有 涂覆層、其余部分全部剝?nèi)ネ扛矊拥穆愎饫w一圈一圈盤繞而成，所述裸光纖是一種摻雜稀 土的光纖；多個LD泵浦，設(shè)置在所述光纖盤的側(cè)面，所述LD泵浦的光出口以光能夠發(fā)生全 反射的角度朝著所述兩塊銅金屬平板中的一塊板的內(nèi)側(cè)面。
[0008] 進(jìn)一步講，所述兩塊銅金屬平板之間用一固定軸連接，所述固定軸與兩塊銅金屬 平板采用統(tǒng)一材料一體制作而成；所述光纖盤從里到外盤繞在所述固定軸上。
[0009] 所述兩塊銅金屬平板朝向光纖盤的一面鍍有金屬反射膜。
[0010] 所述光纖盤的一個端頭為平面接口形式，在平面端口附近設(shè)置一光學(xué)反射鏡片； 所述光纖盤的另一個端頭為斜面接口形式，作為激光輸出端。
[0011] 所述兩塊銅金屬平板的側(cè)面設(shè)置有側(cè)擋板，將所述光纖盤擋住，所述LD泵浦的光 入口和所述光纖盤的光纖出入端口都設(shè)置在所述側(cè)擋板上。
[0012] 多個所述LD泵浦形成陣列，均布在所述光纖盤的不同側(cè)面，設(shè)置的間隔以LD泵浦 光在兩塊金屬平板之間發(fā)生的反射歷程為依據(jù)，在上一個LD泵浦的光反射歷程的終止處 設(shè)置下一個LD泵浦。
[0013] 所述LD泵浦采用大功率半導(dǎo)體激光二極管。
[0014] 所述激光器還包括一冷卻系統(tǒng)，所述冷卻系統(tǒng)采用水冷或風(fēng)冷方式之一，與所述 LD泵浦和金屬平板相連。
[0015] 本實用新型技術(shù)方案所帶來的有益效果是：1)本實用新型采用在兩個金屬板中 間支撐一個固定軸制作成金屬波導(dǎo)盤，將裸光纖纏繞在這個波導(dǎo)盤中形成一環(huán)繞光纖盤， 并且讓LD泵浦從波導(dǎo)盤的側(cè)面以一定的角度注入。這種環(huán)繞式側(cè)面泵浦注入，泵浦耦合效 率更高（即泵浦光利用率，理論估算可達(dá)95%以上）。2)泵浦光在上下兩個金屬板之間不 斷發(fā)生反射，并且反射過程中不斷穿設(shè)裸光纖，使激光高密度注入到摻雜光纖中；采用多路 泵浦光從盤子不同的側(cè)面位置同時注入，不僅增加了泵浦光的功率，而且因為光纖是環(huán)繞 形的，泵浦光從光纖盤側(cè)面注入時，相當(dāng)于是從光纖的不同長度處注入，延遲了激光在光纖 中的傳輸路程。3)在金屬波導(dǎo)的內(nèi)表面鍍高反射性金屬，增加了泵浦光的反射能力。4)雖 然增益介質(zhì)也是摻雜稀土光纖，但本波導(dǎo)激光器與常規(guī)光纖激光器在概念上有很大區(qū)別， 在帶有涂覆層的光纖激光器中，涂覆層起到限制泵浦光傳輸?shù)淖饔?，泵浦光只能從光纖的 一端注入，從另一端輸出，而在本波導(dǎo)激光器中，泵浦光在整個波導(dǎo)陣列諧振腔中傳輸，波 導(dǎo)的容積遠(yuǎn)大于普通波導(dǎo)激光器，因此可實現(xiàn)比光纖激光器高得多的泵浦耦合效率，且泵 浦光幾乎被完全吸收。5)與普通光纖激光器不同，大功率的激光二極管陣列LD泵浦無需經(jīng) 過復(fù)雜的整形、準(zhǔn)直與光纖耦合光學(xué)系統(tǒng)，即可直接從四周對增益光纖的纖芯進(jìn)行高密度 泵浦。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)的激光器組成圖；
[0017] 圖2是本實用新型系統(tǒng)的外觀圖；
[0018] 圖3是金屬波導(dǎo)的縱斷面圖；
[0019] 圖4是LD泵浦光在金屬平板間反射及穿越光纖的光路圖。

【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0021] 本實用新型設(shè)計的這種激光器的結(jié)構(gòu)是：主要由LD泵浦陣列1、金屬波導(dǎo)2、增益 光纖3幾部分組成，如圖2所示。
[0022] LD泵浦本身屬于現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品，高功率、高穩(wěn)定性、高光束質(zhì)量，具有體積小、重量 輕、結(jié)構(gòu)牢固、壽命長等諸多優(yōu)點，在工業(yè)、通訊、軍事、醫(yī)療等各領(lǐng)域。所謂泵浦陣列就是將 多個泵浦以一定的方式組合到激光器中，實現(xiàn)高功率的激光輸出。LD泵浦陣列1主要由LD、 電源驅(qū)動、溫度控制等部分組成。考慮到要實現(xiàn)高功率的激光輸出，泵浦源采用大功率半導(dǎo) 體激光二極管陣列。泵浦陣列在激光器中的布置方式在后面完其他結(jié)構(gòu)后詳細(xì)介紹。
[0023] 金屬波導(dǎo)2是構(gòu)成激光諧振腔的重要組成部分，它是由兩塊金屬平板21、22,中間 用固定軸23連接構(gòu)成（如圖3所示），形成一個纏繞盤（類似于電纜盤的樣子），在盤子上 圍繞固定軸纏繞一定長度的增益光纖3。結(jié)合實際加工條件，金屬波導(dǎo)的材質(zhì)可選為銅，兩 塊板的相對面（下文稱為內(nèi)表面）拋光，并且鍍有鎳或金以提高反射率。
[0024] 金屬波導(dǎo)2的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵性在于構(gòu)造激光諧振腔。諧振腔在盤狀光纖激光器中有三 個主要作用，一是限制泵浦光的傳輸，泵浦光在上、下兩個金屬表面多次反射，最終被光纖 纖芯吸收，因而平板波導(dǎo)內(nèi)部需鍍對泵浦光波段高反射的膜；二是需要在兩金屬平板波導(dǎo) 之間布設(shè)光纖，又要使光纖盡可能在有限空間內(nèi)盡可能的長，因此采用纏繞式；三是金屬波 導(dǎo)與纏繞的光纖緊密接觸，光纖產(chǎn)生的熱量得有由平板波導(dǎo)散出，因而要求金屬波導(dǎo)的導(dǎo) 熱性能好，高功率運轉(zhuǎn)時應(yīng)在圓盤外表面適當(dāng)制冷。
[0025] 綜合以上兩方面的要求，平板的材質(zhì)可選為銅，內(nèi)表面拋光，鍍金以提高反射效 果。此外，由于光纖的彎曲角度不可太大，因而可在兩平板金屬之間應(yīng)支撐一具有一定半徑 的固定軸，一方面將兩金屬板支撐起來，騰出一定纏繞空間，另一方面可用作光纖的纏繞中 心。
[0026] 本實用新型中采用的增益光纖3,是一種除了兩頭外，中間除去了涂覆層的裸光 纖，它按照一定的半徑（就是指金屬波導(dǎo)中間的軸）纏繞而成光纖盤（注意，在增益光纖3 的兩個端頭部位，光纖的涂覆層不能剝除，否則會導(dǎo)致激光大量泄露出去）。采用裸光纖的 原因是，本實用新型采用的是從光纖側(cè)面泵浦的方式，如果光纖帶有涂覆層，泵浦光將被阻 擋，無法注入到光纖內(nèi)部。
[0027] 光纖去除涂覆層的方法是，因為光纖涂覆層材料是聚丙酸樹脂，所以可以采用能 夠使其發(fā)生化學(xué)性溶解的溶液進(jìn)行浸泡，使涂覆層發(fā)生一定程度的破裂，然后就可以從纖 芯上剝落下來了。這種方法可方便地將增益光纖的涂覆層去除，且不損傷增益光纖的石英 光纖纖芯。
[0028] 在增益光纖3的選擇上，應(yīng)遵循以下規(guī)則：首先，在光纖纖芯尺寸的選擇上，為承 受高功率的激光運轉(zhuǎn)，在拉制工藝具備的條件下，應(yīng)盡可能選擇大尺寸的纖芯；其次，為保 證輸出激光的光束質(zhì)量，采用彎曲光纖的方式增加光纖纖芯內(nèi)高階模損耗的方式來保證單 模輸出，在這個實施例中就是將光纖纏繞成盤狀；再次，在光纖長度的選擇上，應(yīng)從兩方面 來考慮：一是盡量避免泵浦光在波導(dǎo)中多次反射后返回照射到泵浦源上，否則輕則會造成 泵浦源壽命的降低，嚴(yán)重時則會直接損壞泵浦源；二是盡量增加光纖纖芯對泵浦光的吸收 效率，即增大纖芯的摻雜濃度，應(yīng)綜合考慮以上兩種情況，確定最佳光纖長度，從而使得泵 浦源發(fā)出的泵浦光在前進(jìn)的過程中即被完全吸收掉。增益光纖的介質(zhì)也是稀土，是一種摻 雜稀土的光纖。
[0029] 上述這幾部分，增益光纖3纏繞在金屬波導(dǎo)2上以固定軸為中心，從里到外層層纏 繞，形成光纖波導(dǎo)盤；LD泵浦陣列1以等角度、均布的方式從光纖波導(dǎo)盤的側(cè)面注入，泵浦 的個數(shù)可以為4?10個不等，如圖2所示，視波導(dǎo)盤的大小和需要的功率高低自行調(diào)整即 可。在光纖波導(dǎo)盤的側(cè)面，除去泵浦的輸入口和光纖的端頭出入口預(yù)留外，其余部位可以采 用側(cè)擋板4遮擋，以保護裸露的光纖，從而形成環(huán)繞式高密度注入波導(dǎo)激光器。
[0030] 所以從理論上講，只要泵浦足夠多，功率足夠高，散熱措施足夠好，光纖足夠長，就 可以實現(xiàn)很高的光-光轉(zhuǎn)換效率和電光轉(zhuǎn)換效率。將去除涂覆層和包層的裸光纖按照一定 的半徑環(huán)繞起來，置于兩平板金屬波導(dǎo)之間，環(huán)繞半徑的大小應(yīng)依據(jù)光纖激光器的宏彎損 耗理論確定，以保證獲得高光束質(zhì)量的激光輸出為準(zhǔn)。分布在圓環(huán)形光纖波導(dǎo)盤周圍的大 功率LD泵浦陣列1，設(shè)置的間隔以LD泵浦光在兩塊金屬平板之間發(fā)生的反射歷程為依據(jù)， 在上一個LD泵浦的光反射歷程的終止處設(shè)置下一個LD泵浦。輸出的泵浦光從兩平面波導(dǎo) 的間隙以一定的角度高密度注入到環(huán)形光纖波導(dǎo)中，如圖4所示，角度的選擇應(yīng)滿足入射 激光全反射條件，使得泵浦光在上下兩金屬板之間不斷發(fā)生全反射，光被限制在波導(dǎo)內(nèi)傳 輸，并在折射過程過中不斷穿越摻雜光纖纖芯，導(dǎo)致大量的上能級粒子數(shù)產(chǎn)生受激輻射不 斷躍遷到低能級，從而在纖芯中產(chǎn)生高功率的激光輸出?？紤]到不使泵浦光從平板波導(dǎo)側(cè) 面的縫隙透出造成浪費，圓環(huán)側(cè)面應(yīng)封閉（預(yù)留幾個LD泵浦陣列的輸入端口和光纖的首尾 出口），而且面向光纖一側(cè)的金屬板應(yīng)鍍高反射膜（鍍金或鎳）。
[0031] 對于增益光纖的兩個端頭，在一個端頭處貼近放置一個高反射率光學(xué)鏡片（反射 率99. 9% )，該端頭的端面采用平面接口形式；光纖的另一個端頭作為激光輸出端，該端面 采用斜面接口形式，以輸出高功率、高效率的光纖激光。
[0032] 對于這種激光器的制作，先是分別加工出裸光纖、金屬波導(dǎo)；組裝時，先將將金屬 波導(dǎo)的側(cè)面擋板拆卸下，將制作好的增益裸光纖（50m)小心翼翼地按照一定的纏繞半徑， 盤繞進(jìn)入金屬波導(dǎo)的槽內(nèi)，橫截面如圖3所示，注意：增益光纖的兩個輸出端要伸出金屬波 導(dǎo)各10cm左右，且不能剝?nèi)ネ扛矊?，否則振蕩產(chǎn)生的激光將會全部泄露出去；固定好增益 光纖之后，再將拆下的金屬波導(dǎo)的側(cè)面擋板安裝上并用螺釘固定露出泵浦入口和光纖出入 口；然后將幾個（如10個）同等規(guī)格的LD泵浦（連續(xù)輸出功率50W)等間隔地放置于金屬 波導(dǎo)的圓周（間隔36° )，同時連接冷卻系統(tǒng)到LD泵浦和波導(dǎo)盤，對這LD泵浦陣列進(jìn)行冷 卻，以保證半導(dǎo)體激光器工作在適宜的溫度；在增益光纖的兩個輸出端口，在靠近一個光纖 輸出端面處，貼近放置一高反射率光學(xué)鏡片（反射率99. 9% )，另一個端口是激光器的激光 輸出端；最后連接電源，組裝調(diào)試。
[0033] 通過這種激光器，本實用新型實質(zhì)也提出了一種大功率激光器的激光生成方法， 通過以下方面實現(xiàn)：1)制作一環(huán)繞式的光纖盤，所述光纖只留兩個端頭不被剝裸，其余部 分全部剝?nèi)ネ扛矊樱?)布設(shè)一 LD泵浦陣列，形成多路泵浦光，從光纖盤的不同側(cè)面注入，使 泵浦光從光纖中穿越，在光纖中產(chǎn)生大功率的、傳輸里程足夠長的激光。
[0034] 進(jìn)一步講，在光纖盤的上、下兩面各遮蓋一金屬波導(dǎo)板，在側(cè)面由側(cè)擋板遮擋只留 LD泵浦的注入口和光纖端頭的出入口，LD泵浦光在兩個金屬波導(dǎo)板之間不斷發(fā)生反射并 不斷穿越裸光纖。
[0035] 再進(jìn)一步講，在金屬波導(dǎo)板與光纖盤相對的一面，鍍有高反射金屬層，為鎳或金都 可以，使LD泵浦光增加反射效率。
[0036] 再進(jìn)一步講，所述LD泵浦陣列以同角度、均布的方式布設(shè)在光纖盤的側(cè)面，注入 角度以在兩金屬板之間產(chǎn)生全反射為最佳。
[0037] 為了防工作溫升，在金屬波導(dǎo)板上和LD泵浦陣列上設(shè)置冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)主要 采用循環(huán)水冷或風(fēng)冷方式為LD泵浦陣列1和金屬波導(dǎo)2制冷，它可以高效、及時帶走LD泵 浦陣列及金屬波導(dǎo)產(chǎn)生的熱量。冷卻系統(tǒng)本身可以采用現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)技術(shù)手段實現(xiàn)。具 體地講，可以在金屬波導(dǎo)2的底部設(shè)置水冷槽5,通入循環(huán)水（如圖3所示）。
【權(quán)利要求】
1. 一種大功率激光器，其特征在于： 包括兩塊銅金屬平板， 一光纖盤，夾設(shè)在所述兩塊銅金屬平板之間，所述光纖盤是由只在首尾兩端留有涂覆 層、其余部分全部剝?nèi)ネ扛矊拥穆愎饫w盤繞而成， 多個LD泵浦，設(shè)置在所述光纖盤和兩塊銅金屬平板的側(cè)面，所述LD泵浦的光出口以光 能夠發(fā)生全反射的角度朝著所述兩塊銅金屬平板中的一塊板的內(nèi)側(cè)面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率激光器，其特征在于：所述兩塊銅金屬平板之間用一 固定軸連接，所述固定軸與兩塊銅金屬平板采用統(tǒng)一材料一體制作而成；所述光纖盤從里 到外盤繞在所述固定軸上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大功率激光器，其特征在于：所述兩塊銅金屬平板朝向 光纖盤的一面鍍有金屬反射膜。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率激光器，其特征在于：所述光纖盤的一個端頭為平面 接口形式，在平面端口附近設(shè)置一光學(xué)反射鏡片；所述光纖盤的另一個端頭為斜面接口形 式，作為激光輸出端。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大功率激光器，其特征在于：所述兩塊銅金屬平板的側(cè) 面設(shè)置有側(cè)擋板，將所述光纖盤擋住，所述LD泵浦的光入口和所述光纖盤的光纖出入端口 都設(shè)置在所述側(cè)擋板上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率激光器，其特征在于：多個所述LD泵浦形成陣列，均 布在所述光纖盤的不同側(cè)面，設(shè)置的間隔以LD泵浦光在兩塊金屬平板之間發(fā)生的反射歷 程為依據(jù)，在上一個LD泵浦的光反射歷程的終止處設(shè)置下一個LD泵浦。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的大功率激光器，其特征在于：所述LD泵浦采用大功率半 導(dǎo)體激光二極管。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率激光器，其特征在于：所述激光器還包括一冷卻系統(tǒng)， 所述冷卻系統(tǒng)采用水冷或風(fēng)冷方式之一，與所述LD泵浦和金屬平板相連。
【文檔編號】H01S3/0933GK203911221SQ201420256539
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年5月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月19日
【發(fā)明者】張芳沛, 薛海中, 王富章, 王常策, 刑宇華, 董潮涌, 杜麗梅, 康朝陽, 章宇兵 申請人:中國電子科技集團公司第二十七研究所