一种半导体光纤激光器组件和光纤激光器

技术领域

本发明属于半导体光纤激光器技术领域，特别涉及一种半导体光纤激光器组件和光纤激光器。

背景技术

参见图1(a)所示，现有光纤激光器通常配有多个半导体激光器泵浦源，每个泵浦源的尾纤与无源光纤熔接，多个泵浦源的光通过光纤合束的方式合并到一个带有光纤光栅的无源光纤中，然后无源光纤再与有源光纤熔接，有源光纤之后再与带有光纤光栅的无源光纤熔接，有源光纤两端的无源光纤上的光纤光栅形成激光谐振腔。图1(b)示出了另一种现有的GTwave侧泵浦结构光纤激光器，通常配有多个半导体激光器泵浦源。每个泵浦源的尾纤与无源光纤熔接。多个泵浦源的无源光纤通过GTwave结构与有源光纤合束。如图1(c)所示，泵浦无源光纤的纤芯与有源光纤的纤芯共用包层，泵浦光逐渐转移到有源光纤纤芯中，有源光纤的两端与带有光纤光栅的无源光纤熔接，两端的无源光纤上的光纤光栅形成激光谐振腔。

上述的激光器光纤熔接点多，不仅工艺复杂，而且导致设备尺寸大，增加重量；每个熔接点都有可能降低效率，增加损坏的风险；有源光纤两端都熔接带有光纤光栅的无源光纤，增加了光纤总长度，可能导致非线性效应。

发明内容

针对上述问题，本发明公开了一种半导体光纤激光器组件和光纤激光器，采用半导体激光器直接泵浦有源光纤产生激光的方式(Directly Pumped Fiber laser,简称DPFL),省去了使用无源光纤进行泵浦激光合束的环节，以克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一方面提供了一种半导体光纤激光器组件，所述半导体光纤激光器组件包括泵浦模块、有源光纤和装配板；

所述有源光纤设置在所述装配板的上表面上，所述泵浦模块也设置在所述装配板上，且与所述有源光纤设置在同一面或相反面，所述泵浦模块上设置有冷却装置，所述冷却装置通过所述装配板对所述有源光纤进行冷却；

所述有源光纤的两端分别设置有输入侧光纤光栅和输出侧光纤光栅，从而在所述输入侧光纤光栅和所述输出侧光纤光栅之间形成激光谐振腔；

所述泵浦模块中包括依次设置的多个半导体激光器单管、准直镜组和反射镜组，各所述半导体激光器单管的光束通过所述反射镜组实现合束；

所述泵浦模块的半导体激光直接空间耦合进入有源光纤，从而泵浦有源光纤产生激光,省去使用无源光纤进行泵浦激光合束的环节。

可选的，所述准直镜组用于对各所述半导体激光器单管发出的光束进行校直，包括快轴准直镜和慢轴准直镜，所述快轴准直镜和所述慢轴准直镜的个数与所述半导体激光器单管的个数相同。

可选的，所述反射镜组包括多个第一转向反射镜，还包括一个第二转向反射镜和/或偏振合束镜，所述第一转向反射镜的个数与所述半导体激光器单管的个数相同，所述第二转向反射镜的面积大于所述第一转向反射镜，各所述半导体激光器单管发出的光束经所述第一转向反射镜后形成光束堆叠，所述光束堆叠经所述第二转向反射镜和/或偏振合束镜后，再由耦合透镜耦合进入所述泵浦模块的尾纤。

可选的，所述泵浦模块的尾纤为双包层光纤，所述尾纤的芯直径取值范围为250-800μm,数值孔径为0.2-0.46。

可选的，所述有源光纤为双包层光纤,掺杂Yb3+和/或Er3+,纤芯直径为14-20μm，纤芯与内包层间数值孔径为0.04-0.08，内包层的外直径为200-400μm，内包层与外包层间数值孔径为0.4-0.6。

可选的，所述有源光纤和所述泵浦模块的尾纤熔接，和/或，所述有源光纤的输出末端设置有端帽。

可选的，所述泵浦模块的壳体和/或所述装配板采用轻质合金材料制成，所述装配板上设置有光纤固定槽、光纤盘绕槽或光纤盘绕柱。

可选的，所述泵浦模块上设置有指示光光源，所述指示光光源发出的指示光耦合进所述泵浦模块的尾纤。

可选的，所述指示光光源通过如下的任一方式固定在所述泵浦模块的壳体上：

所述指示光光源固定在所述泵浦模块的壳体的内部；

所述指示光光源设置在所述泵浦模块的壳体的外部，所述壳体上设有通孔，所述指示光光源的光纤或者与所述指示光光源的光纤熔接的指示光输入光纤穿过所述通孔与所述壳体内部连通；

所述指示光光源设置在所述泵浦模块的壳体的外部，所述壳体上设有指示光适配器，所述指示光光源的端帽安装固定在所述指示光适配器上；

并且，从所述指示光光源发出的指示光经过指示光准直镜、第二转向反射镜、耦合透镜后进入所述泵浦模块的尾纤中。

本发明另一方面还提供了一种光纤激光器，所述光纤激光器包括多个根据上述任一项所述的光纤激光器组件，各所述光纤激光器组件的有源光纤输出的激光经合束后合并到多模光纤中。

通过上述技术方案，本发明的优点及有益效果是：

本发明提供一种直接泵浦的小型化、轻量化千瓦级全光纤激光器，具有集成化、模块化、轻量化的优点。

其中，采用转向反射镜结构对多个半导体激光器单管发出的光束进行空间合束，不需要阶梯板，使得泵浦模块的结构更加紧凑、重量更轻。

泵浦模块的冷却装置中的水冷底板和壳体采用轻质合金以进一步减轻重量。

泵浦模块内的光路在调节完成之后，可以加上壳体成为封闭的结构。泵浦模块的内部不再受之后的安装过程的影响，改善了系统的稳定性。

由于光纤光栅是在有源光纤上，不需要在有源光纤两端再熔接带光纤光栅的无源光纤。因此，本发明的光纤长度可以更短，以减少非线性效应。

多个有源光纤输出的激光还可以再通过光纤合束合并到多模光纤中，以进一步扩展功率。与现有技术相比，采用本发明的结构作为单元进行光纤合束，能够以更小的设备尺寸实现大功率激光输出。

由于本发明的结构可集成指示光，在进行光纤合束时不再需要额外的指示光，不需要N+1合束结合。内置式指示光结构具有较好的集成度，熔接式指示光结构具有较好的稳定性、可靠性，而插拨式指示光结构便于在维修时更换指示光光源。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1(a)是现有技术的一种通过光纤合束进行泵浦的光纤激光器的结构示意图；

图1(b)是现有技术中GTwave侧泵浦结构光纤激光器的结构示意图；

图1(c)是图1(b)中泵浦无源光纤和有源光纤的熔接结构示意图；

图2是本发明的一个实施例中模块化光纤激光器组件正面示意图；

图3是本发明的一个实施例中模块化光纤激光器组件底面示意图；

图4是本发明的一个实施例中模块化光纤激光器组件侧面示意图；

图5是本发明的一个实施例中泵浦模块光路示意图；

图6是本发明的一个实施例中泵浦模块光路顶视图；

图7是本发明的另一个实施例的模块化光纤激光器组件正面示意图；

图8是本发明的另一个实施例的模块化光纤激光器装配板背面示意图；

图9是本发明的一个实施例中光纤激光器光纤合束示意图；

图10是本发明的一个实施例中内置式指示光的结构示意图；

图11是本发明的一个实施例中熔接式指示光的结构示意图；

图12是本发明的一个实施例中插拨式指示光的结构示意图；

图中：1为泵浦模块，1.1为半导体激光器单管，1.2为泵浦光束，1.3为快轴准直镜，1.4为慢轴准直镜，1.5为第一转向反射镜，1.6为第二转向反射镜，1.7为耦合透镜，1.8为尾纤，1.9为泵浦模块的壳体，1.10为指示光光源，1.11为指示光束，1.12为指示光准直镜，1.13为带有光纤的指示光光源，1.14为指示光输入光纤，1.15为指示光熔接点，1.16为带有光纤和端帽的指示光光源，1.17为指示光适配器，2为装配板，3为驱动控制模块，4为有源光纤，4.1为输入侧光纤光栅，4.2为输出侧光纤光栅。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，术语“包括/包含”、“由……组成”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。

还需要理解，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

图2图示出了一种模块化的半导体光纤激光器组件的具体结构，该半导体光纤激光器组件包括轻量化的半导体激光器泵浦模块1、装配板2、泵浦驱动控制模块3、有源光纤4。其中,泵浦驱动控制模块3用于实现对泵浦模块1的驱动控制，设置在所述泵浦模块1的壳体内或壳体上。

上述新型结构的激光器，由于采用半导体激光器直接泵浦有源光纤产生激光的方式(DPFL),省去了使用无源光纤进行泵浦激光合束的环节。

进一步地，参见图2-4，有源光纤4固定在装配板2的上表面上，泵浦模块1和泵浦驱动控制模块3设置在同一壳体内，且该壳体设置在所述装配板2的下表面上，图7-8示出了将泵浦模块1、泵浦驱动控制模块3、有源光纤4在装配板2的同一面设置的示意图。

如图5、图6，泵浦模块1中多个半导体激光器单管1.1采用倾斜的第一转向反射镜1.5、第二转向反射镜1.6进行合束。每个半导体激光器单管1.1输出的光功率为20-50W。每个半导体激光器单管1.1发出的光束1.2由对应的快轴准直镜1.3和慢轴准直镜1.4进行准直，再由对应的第一转向反射镜1.5反射。多个半导体激光器单管1.1发出的光束1.2经第一转向反射镜1.5反射后，合束形成光束堆叠1.2.C。光束堆叠1.2.C经第二转向反射镜1.6反射转向后，由耦合透镜1.7耦合进泵浦模块1的尾纤1.8中，而尾纤1.8与有源光纤4熔融连接。

有源光纤4与泵浦模块1的尾纤1.8熔接的一端具有输入侧光纤光栅4.1，可全反射激光而透射泵浦光。有源光纤4输出的一端具有输出侧光纤光栅4.2，可部分反射激光。从而在两个光纤光栅4.1、4.2间形成激光谐振腔。由于光纤光栅4.1和4.2是在有源光纤4上，不需要在有源光纤两端再熔接带光纤光栅的无源光纤。因此，本发明的光纤长度可以更短，以减少非线性效应。

可选择地，第一转向反射镜1.5反射后合成的光束堆叠1.2.C可以再经偏振合束镜处理进一步合束后，由耦合透镜1.7耦合进尾纤1.8。

泵浦模块1的尾纤1.8为双包层光纤，所述双包层芯的直径为250-800μm，数值孔径NA为0.2-0.46。

采用转向反射镜1.5、1.6结构对多个半导体激光器单管1.1发出的光束进行空间合束，不需要阶梯板，使得泵浦模块1的结构更加紧凑、重量更轻，从而实现了光纤激光器组件制造的集成化、模块化、轻量化。

并且，泵浦模块1的冷却组件如水冷底板以及壳体的其他部分采用轻质合金如铝合金等以进一步减轻重量。优选的，装配板2与泵浦模块1的有水冷等冷却装置的一侧接触，从而使得泵浦模块1的水冷在对泵浦模块1进行冷却的同时能够通过装配板2对有源光纤4进行冷却。

泵浦模块1内的光路在调节完成之后，再加上壳体以形成为封闭的空间，泵浦模块1的内部不再受之后的安装过程的影响，进一步改善了上述组件的稳定性。

参见图2-4，装配板2上可设置光纤固定槽、光纤盘绕槽或光纤盘绕柱等结构以固定有源光纤和改善有源光纤的冷却。

优选的，有源光纤4的出口加设端帽。

如图9，光纤激光器中还可以包括多个光纤激光器组件，多个有源光纤4输出的激光通过光纤合束合并到多模光纤中，以进一步扩展功率。

与现有技术相比，采用本发明的光纤激光器作为单元进行光纤合束，能够以更小的设备尺寸实现大功率激光输出。

进一步地，上述半导体光纤激光器组件还可以集成指示光，在进行光纤合束时不再需要额外的指示光，不需要N+1合束结合。作为示例，本发明给出了三种实施方式。

参见图10，可采用内置式指示光结构，在泵浦模块1的壳体1.9内设置可见光波段的指示光光源1.10，然后将指示光1.11耦合进泵浦模块1的尾纤1.8，内置式指示光结构具有较好的集成度。

可选地，如图11，还可采用熔接式指示光结构，从泵浦模块1的壳体1.9中伸出指示光输入光纤1.14，带有光纤的指示光光源1.13的光纤与指示光输入光纤1.14熔接，然后将指示光输入光纤1.14输出端输出的指示光1.11耦合进泵浦模块1的尾纤1.8。熔接指示光结构具有较好的稳定性、可靠性。

可选地，如图12，可采用插拨式指示光结构，在泵浦模块1的壳体1.9上留出指示光适配器1.17，带有光纤和端帽的指示光光源1.16的端帽安装固定在指示光适配器1.17，然后将指示光1.11耦合进泵浦模块1的尾纤1.8。插拨式指示光结构便于在维修时更换指示光光源1.16。

从所述指示光光源发出的指示光经过指示光准直镜1.12、第二转向反射镜1.6、耦合透镜1.7后进入所述泵浦模块的尾纤中。

本发明的光纤激光器结构，具有模块化、集成化的特点，并且能够减小设备尺寸、减轻重量。

以下给出三种具体实施例对上述实施方式做进一步的说明：

实施例1

泵浦模块1中有1个阵列，包含22个半导体激光器单管1.1，每个单管输出功率为35W。波长为976nm。

如图5中插图A，从单管中出射的光束1.2沿x轴方向传播，慢轴方向沿z轴方向，快轴方向沿y轴方向。每个单管1.1的光束1.2用对应的快轴准直镜1.3和慢轴准直镜1.4准直，然后用对应的第一转向反射镜1.5反射。

经过第一转向反射镜1.5反射的光束1.2传播方向在与y-z平面平行的平面内。如图5中插图B，在与光束1.2传播方向垂直的截面上，光束1.2形成堆叠1.2.C。

光束堆叠1.2.C经第二转向反射镜1.6反射后，沿x方向传播。如图5中插图C，在与光束传播方向垂直的截面上，光束堆叠1.2.C的慢轴方向沿z方向，快轴方向沿y方向。

耦合透镜1.7将光束堆叠1.2.C耦合进尾纤1.8。

泵浦模块1可提供>750W的泵浦光功率。

有源光纤4掺杂Yb3+或Er3+，有源光纤4具有双包层，纤芯直径14μm，纤芯与内包层间NA为0.06。内包层直径200μm，内包层与外包层间NA为0.46。

光纤出口加QBH端帽，泵浦模块1的尾纤熔接的一端的光纤光栅对976nm的波长透过，而对1064nm的波长全反射。输出的一端的光纤光栅可部分反射1064nm的波长。

由此，光纤激光器可输出>500W的激光功率。

实施例2

泵浦模块1中采用与实施例1类似的半导体激光器单管1.1，并且包括2个阵列，每个阵列包含22个半导体激光器单管1.1。

每排阵列中包括10个半导体激光器单管1.1，其合束方式与实施例1相同。2个阵列的光束堆叠1.2.C进行偏振合束后，再耦合进尾纤1.8。

该泵浦模块1可提供>1500W的泵浦光功率。

有源光纤4与实施例1相似，区别为纤芯直径20μm，内包层直径400μm。

光纤激光器可输出>1000W的激光功率。

实施例3

如图7、图8所示，与实施例1的区别在于，泵浦模块1、驱动控制模块3和有源光纤4固定在装配板2的同一面。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。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、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。