一种异波长的多模合束光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，特别是涉及一种异波长的多模合束光纤激光器。

背景技术

近年来，随着光纤及光纤器件的工艺进步和发展，光纤激光器取得了极大的发展，在激光切割、焊接等工业应用方面都有着极为广泛的应用。当前，工业应用中常用的光纤激光器一般输出激光光束都是高斯光束，再经准直聚焦系统后会聚于所加工材料上，其作用面积小，加工速度很快。然而，高斯光束在加工中容易使得加工面粗糙和产生飞溅颗粒，这是激光加工领域急迫需要解决的问题。

此外，光纤热负载和拉曼效应也会严重影响激光器的输出光束的质量。减少拉曼效应影响常见的解决途径有两种，一种方法是增大增益光纤的直径，然而纤芯直径增大的同时也会导致光纤中所传输的激光模式大幅增加，引起输出激光的光束质量恶化；第二种方法是减少增益光纤的长度，然而为了追求高功率，减少增益光纤的长度就需要使用高吸收吸收的增益光纤，吸收系数较高的增益光纤在强泵浦光下会存在严重的热负载问题。因此，因而，如何有效解决或减缓这些问题，一直是光纤激光器行业的痛点。

发明内容

为克服现有技术存在的技术缺陷，本发明提供一种异波长的多模合束光纤激光器，在提升拉曼阈值的同时减小增益光纤的热负载。

本发明采用的技术解决方案是：1一种异波长的多模合束光纤激光器，包括合束模块和至少一个光路母模块，所述光路母模块包括第一光学谐振腔和第二光学谐振腔，所述第一光学谐振腔和第二光学谐振腔部分重叠设置且重叠处设有至少一段共享增益光纤，所述第一光学谐振腔连接有第一泵浦光输入组件，所述第二光学谐振腔连接有第二泵浦光输入组件，所述第一光学谐振腔和第二光学谐振腔的输出端均与合束模块连接。

进一步的，所述第一光学谐振腔包括通过光纤依次连接的第一低反射光栅、第一增益光纤、共享增益光纤和第一高反射光栅，所述第二光学谐振腔包括通过光纤依次连接的第二低反射光栅、第二增益光纤、共享增益光纤和第二高反射光栅，所述第一低反射光栅与第一泵浦光输入组件连接，所述第二低反射光栅和第二泵浦光输入组件连接，所述第二高反射光栅位于第一光学谐振腔内，所述第一高反射光栅位于第二光学谐振腔内，所述共享增益光纤位于第一高反射光栅和第二高反射光栅之间，所述第一增益光纤和第二增益光纤的吸收系数均小于共享增益光纤的吸收系数。

进一步的，所述第一增益光纤和/或第二增益光纤的数量至少为一段，当所述第一增益光纤的数量为两段以上时，离所述第一泵浦光输入组件越近的第一增益光纤吸收系数越小，当所述第二增益光纤的数量为两段以上时，离所述第二泵浦光输入组件越近的第二增益光纤吸收系数越小。

进一步的，所述第一光学谐振腔和第二光学谐振腔产生的激光波长不同。

进一步的，所述合束模块包括单光束能量合束器，所述第一光学谐振腔和第二光学谐振腔均与单光束能量合束器连接，所述单光束能量合束器连接有输出端帽。

进一步的，还包括至少一个光路子模块，所述光路子模块的输出端与单光束能量合束器连接。

进一步的，所述合束模块包括双光束能量合束器，所述双光束能量合束器包括中芯光纤和环芯光纤，所述双光束能量合束器的输出端连接有输出端帽，所述第一光学谐振腔的输出端与中芯光纤连接时，所述第二光学谐振腔的输出端与环芯光纤与连接；

所述第一光学谐振腔的输出端与环芯光纤连接时，所述第二光学谐振腔的输出端与中芯光纤与连接。

进一步的，还包括至少一个光路子模块，所述第一光学谐振腔、第二光学谐振腔或光路子模块的任一输出端与双光束能量合束器的中芯光纤连接，剩余二者的输出端与双光束能量合束器的环芯光纤连接。

进一步的，所述光路子模块包括通过光纤依次连接的第三低反射光栅、第三增益光纤和第三高反射光栅，所述第三低反射光栅与合束模块连接，所述第三低反射光栅或第三高反射光栅连接有第三泵浦光输入组件。

进一步的，所述光路子模块连接有红光指示模块，所述红光指示模块包括第一包层光滤除器和红光激光器，所述第一包层光滤除器的一端与光路子模块连接，所述第一包层光滤除器的另一端与红光激光器连接。

进一步的，所述光路母模块的输出端与双光束能量合束器之间和/或光路子模块的输出端与双光束能量合束器之间设有第二包层光滤除器。

综上所述，本发明的有益效果是：1、采用双谐振腔结构，更加利于结构、电路以及整个激光器系统的小型化发展；2、设置光路子模块，可根据需要设置多个，进一步提升了光纤激光器的功率；3、采用双谐振腔结构，一个谐振腔内残余的泵浦光会进入另一个谐振腔，光转换率更高；4、第一光学谐振腔和第二光学谐振腔共用共享增益光纤，极大程度上提升激光系统的拉曼阈值，减小了拉曼效应对激光器的影响，使激光器系统可实现更高的激光输出功率；5、谐振腔内设置多段吸收系数不同的增益光纤，大大减少了增益光纤的热负载，提升了激光器的稳定性；6、双腔结构的增益光纤长度大幅缩短，光纤热负载更为合理，拉曼等效应影响较小，使得其输出光束质量更佳，进而通过双光束能量合束器后激光系统输出的中芯及环形光束的光束质量也更佳；7、当合束模块使用双光束能量合束器时，两个谐振腔产生的两路激光经双光束能量合束器合束后输出，输出的激光为互不干扰的中芯和环形光斑结构，可大幅降低激光焊接过程中产生的飞溅颗粒；当合束模块使用单光束能量合束器时，两个谐振腔产生的两路激光经单光束能量合束器合束后输出，提升了激光器的功率，激光亮度更高。

附图说明

图1为实施例1提供的一种异波长的多模合束光纤激光器的结构示意图。

图2为实施例2提供的一种异波长的多模合束光纤激光器的结构示意图。

图3为实施例3提供的一种异波长的多模合束光纤激光器的结构示意图。

图4为实施例4提供的一种异波长的多模合束光纤激光器的结构示意图。

图5为实施例5提供的一种异波长的多模合束光纤激光器的结构示意图。

图6为实施例6提供的一种异波长的多模合束光纤激光器的结构示意图。

附图标记说明：

1、第一光学谐振腔；11、第一泵浦光输入组件；111、第一泵浦源；112、第一光纤合束器；12、第一低反射光栅；13、第一增益光纤；14、第一高反射光栅；2、第二光学谐振腔；21、第二泵浦光输入组件；211、第二泵浦源；212、第二光纤合束器；22、第二低反射光栅；23、第二增益光纤；24、第二高反射光栅；3、共享增益光纤；4、合束模块；41、单光束能量合束器；42、双光束能量合束器；43、中芯光纤；44、环芯光纤；45、输出端帽；5、光路子模块；61、第三泵浦光输入组件；611、第三泵浦源；612、第三光纤合束器；62、第三低反射光栅；63、第三增益光纤；64、第三高反射光栅；7、红光指示模块；71、红光激光器；72、第一包层光滤除器；8、第二包层光滤除器。

实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

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，或一体地连接；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。对于本领域的技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种异波长的多模合束光纤激光器，包括合束模块4和一个光路母模块，所述光路母模块包括第一光学谐振腔1和第二光学谐振腔2。

在本实施例中，所述光路母模块的输出端与合束模块4之间设有第二包层光滤除器8，第二包层光滤除器8可过滤激光器中残留的包层光，减少干扰。

在本实施例中，采用第一光学谐振腔1和第二光学谐振腔2的双谐振腔结构，可以产生两路光束，使用时，一个谐振腔残余的泵浦光会进入另一个谐振腔，提升了泵浦光的利用率；其次，第一光学谐振腔1和第二光学谐振腔2产生的两路激光经合束模块4合束后输出，提升了光纤激光器的输出功率。

在本实施例中，所述第一光学谐振腔1和第二光学谐振腔2部分重叠设置且重叠处设有一段共享增益光纤3。在其他一些实施例中，所述共享增益光纤3可根据需要设置为多段，当共享增益光纤3设置为多段时，多段共享增益光纤3的吸收系数可以相同，多段共享增益光纤3的吸收系数也可以从两侧到中间依次升高。

在本实施例中，所述第一光学谐振腔1包括通过光纤依次连接的第一低反射光栅12、第一增益光纤13、共享增益光纤3和第一高反射光栅14，所述第二光学谐振腔2包括通过光纤依次连接的第二低反射光栅22、第二增益光纤23、共享增益光纤3和第二高反射光栅24，所述第一低反射光栅12与第一泵浦光输入组件11连接，所述第二低反射光栅22和第二泵浦光输入组件21连接，所述第二高反射光栅24位于第一光学谐振腔1内，所述第一高反射光栅14位于第二光学谐振腔2内，所述共享增益光纤3位于第一高反射光栅14和第二高反射光栅24之间，所述第一增益光纤13和第二增益光纤23的吸收系数均小于共享增益光纤3的吸收系数。第一光学谐振腔1和第二光学谐振腔2部分重叠设置，并且共用一条共享增益光纤3，缩短了整个激光器使用的总增益光纤的长度，同时，在单个谐振腔内设置两段不同吸收系数的增益光纤，强泵浦光先经过低吸收系数的第一增益光纤13和第二增益光纤23，第一增益光纤13和第二增益光纤23本身在一定长度上吸收泵浦光较少，因此量子亏损所产生的热效应也就低一些，从而处于合理的热负载范围内；而后泵浦光在有一定吸收后再经过高吸收系数的共享增益光纤3，由于泵浦光本身强度变低，因此在共享增益光纤3所产生的热效应要更低一些，使其合理的热负载范围内；这样，使整个激光系统的增益光纤部分都处于合理的热负载范围内，使光纤激光器系统更稳定、更安全；同时，由于减少了谐振腔内增益光纤的总长度，可在一定程度上提升激光器系统的拉曼阈值，减小拉曼效应对激光器的影响。

在本实施例中，所述第一增益光纤13和/或第二增益光纤23的数量为一段，在其他一些实施例中，所述第一增益光纤13和/或第二增益光纤23的数量可以设置多段，当所述第一增益光纤13的数量为两段以上时，离所述第一泵浦光输入组件11越近的第一增益光纤13吸收系数越小，当所述第二增益光纤23的数量为两段以上时，离所述第二泵浦光输入组件21越近的第二增益光纤23吸收系数越小。设置多段不同吸收系数的增益光纤，减小了增益光纤的热负载，而且大大提升激光器系统的拉曼阈值，减小了拉曼效应对激光器的影响，使光纤激光器可以实现更高功率的输出。

在本实施例中，所述第一增益光纤13、共享增益光纤3和第二增益光纤23是纤芯掺杂稀土离子的单包层、双包层、三包层或预制有特定层叠结构的多包层增益光纤；所述第一增益光纤13、共享增益光纤3和第二增益光纤23为包层尺寸相互匹配的常规均匀尺寸光纤、以锥形光纤为代表的纵向尺寸渐变光纤或以限制掺杂光纤为代表的横向结构优化的光纤。

在本实施例中，所述第一增益光纤13、共享增益光纤3和第二增益光纤23的纤芯直径在10um-100um之间，内包层直径在100um-1000um之间，外包层直径为250um-3000um；具体的，第一增益光纤13、共享增益光纤3和第二增益光纤23的光纤纤芯直径均为50um，内包层直径均为400um，外包层直径均为550um，在其他一些实施例中，第一增益光纤13、共享增益光纤3和第二增益光纤23的光纤纤芯直径、内包层直径和外包层直径可根据需要选择。

在本实施例中，所述第一光学谐振腔1连接有第一泵浦光输入组件11，所述第一泵浦光输入组件11包括第一泵浦源111，所述第一泵浦源111通过泵浦光纤连接有第一光纤合束器112，所述第一光纤合束器112的一端与第一光学谐振腔1的第一低反射光栅12连接，所述第一光纤合束器112的另一端与第二包层光滤除器8连接。

在本实施例中，所述第二光学谐振腔2连接有第二泵浦光输入组件21，所述第二泵浦光输入组件21包括第二泵浦源211，所述第二泵浦源211通过泵浦光纤连接有第二光纤合束器212，所述第二光纤合束器212的一端与第二光学谐振腔2的第二低反射光栅22连接，所述第二光纤合束器212的另一端与第三包层光滤除器83连接；第一泵浦源111和第二泵浦源211产生的泵浦光分别进入第一光学谐振腔1和第二光学谐振腔2，经过振荡后产生激光，激光分别从第一低反射光栅12和第二低反射光栅22输出，接着被第二包层光滤除器8和第三包层光滤除器83滤除包层光，滤除包层光的激光经合束模块4合束后输出。

在本实施例中，第一泵浦源111和第二泵浦源211的数量至少为一个，第一泵浦源111和第二泵浦源211均采用半导体激光器，第一泵浦源111和/或第二泵浦源211的输出波长在900nm-1000nm之间，具体的，本实施例的第一泵浦源111和/或第二泵浦源211输出波长为915nm。

在本实施例中，所述第一低反射光栅12、第一高反射光栅14、第二低反射光栅22和第二高反射光栅24的光纤纤芯直径为10um-100um，内包层直径为100um-1000um，外包层直径为250um-3000um，具体的，本实施例的四个反射光栅的光纤纤芯直径均为20um，内包层直径均为400um，外包层直径均为550um，在其他一些实施例中，四个反射光栅的中心波长、光纤纤芯直径、内包层直径和外包层直径可根据需要选择。

在本实施例中，所述第一光学谐振腔1和第二光学谐振腔2产生的激光波长不同。所述第一低反射光栅12、第一高反射光栅14、第二低反射光栅22和第二高反射光栅24的中心波长在1000nm-1100nm之间，所述第一低反射光栅12和第一高反射光栅14的中心波长一致，所述第二低反射光栅22和第二高反射光栅24的中心波长一致，这里的“一致”指的是二者中心波长的差值不超过±2nm；具体的，第一低反射光栅12和第一高反射光栅14的中心波长均为1080nm，第二低反射光栅22和第二高反射光栅24的中心波长为1010nm，两套发射光栅可控制两路激光的波长不同，防止两第一光学谐振腔1和第二光学谐振腔2之间产生干扰，同时也可以满足不同的使用场景，实用性更强。

在本实施例中，所述合束模块4包括单光束能量合束器41，所述第一光学谐振腔1和第二光学谐振腔2与单光束能量合束器41连接，所述单光束能量合束器41连接有输出端帽45；第一光学谐振腔1和第二光学谐振腔2产生的两路激光经单光束能量合束器41合束，从单光束能量合束器41的纤芯输出为单束激光，提升了光纤激光器的功率，激光亮度更高。

实施例2

如图2所示，本实施例提供一种异波长的多模合束光纤激光器，与实施例1不同的是，本实施例的光路母模块设置为两个，两个光路母模块产生的激光经过单光束能量合束器41合束后从输出端帽45输出，输出的激光为单束激光，相较于普通的单束激光功率更高、激光亮度更高，在其他一些实施例中，光路母模块的数量可根据需要设置。

实施例3

如图3所示，本实施例提供一种异波长的多模合束光纤激光器，与实施例1不同的是，本实施例还包括至少一个光路子模块5，在其他一些实施例中，光路子模块5可根据需要设置为多个；所述光路子模块5的输出端与单光束能量合束器41连接；所述光路子模块5的输出端与合束模块4之间设有第二包层光滤除器8。

在本实施例中，所述光路子模块5包括通过光纤依次连接的第三低反射光栅62、第三增益光纤63和第三高反射光栅64，所述第三低反射光栅62与合束模块4连接，所述第三低反射光栅62或第三高反射光栅64连接有第三泵浦光输入组件61。具体的，所述第三泵浦光输入组件61包括第三泵浦源611，所述第三泵浦源611通过泵浦光纤连接有第三光纤合束器612，所述第三光纤合束器612的一端与第三低反射光栅62连接，所述第三光纤合束器612的另一端与第二包层光滤除器8连接，所述第二包层光滤除器8与合束模块4连接。

在本实施例中，所述光路子模块5连接有红光指示模块7，所述红光指示模块7包括第一包层光滤除器72和红光激光器71，所述第一包层光滤除器72的一端与光路子模块5连接，所述第一包层光滤除器72的另一端与红光激光器71连接。红光激光器71产生的红光激光起指示检测作用，第一包层光滤除器72保护红光激光器71，防止其受干扰。

实施例4

如图4所示，本实施例提供一种异波长的多模合束光纤激光器，与实施例1-3不同的是，本实施例中，所述合束模块4包括双光束能量合束器42，所述双光束能量合束器42包括中芯光纤43和环芯光纤44，所述双光束能量合束器42的输出端连接有输出端帽45，所述第一光学谐振腔1的输出端与双光束能量合束器42的中芯光纤43连接，所述第二光学谐振腔2的输出端与双光束能量合束器42的环芯光纤44与连接；在其他一些实施例中，所述第一光学谐振腔1的输出端与双光束能量合束器42的环芯光纤44连接，所述第二光学谐振腔2的输出端与双光束能量合束器42的中芯光纤43与连接。

本实施例的合束模块4采用双光束能量合束器42，两个谐振腔产生的激光一路沿环芯光纤44传输，另一路沿中芯光纤43传输，最终输出的激光为互不干扰的中芯和环形光斑结构。

实施例5

如图5所示，本实施例提供一种异波长的多模合束光纤激光器，与实施例4不同的是，本实施例的光路母模块设置为两个，共四个谐振腔，在其他一些实施例中，光路母模块的数量可根据需要设置。两个光路母模块产生的激光经双光束能量合束器42合束后从输出端帽45输出，最终输出的激光为互不干扰的中芯和环形光斑结构。具体的，四个谐振腔中一个谐振腔的输出端与双光束能量合束器42的中芯光纤43连接，剩余的谐振腔的输出端与双光束能量合束器42的环芯光纤44连接。

实施例6

如图6所示，本实施例提供一种异波长的多模合束光纤激光器，与实施例4、5不同的是，本实施例还包括一个光路子模块5，在其他一些实施例中，光路子模块5可根据需要设置为多个。所述光路子模块5的输出端与双光束能量合束器42连接；所述光路子模块5的输出端与双光束能量合束器42之间设有第二包层光滤除器8。

在本实施例中，所述第一光学谐振腔1、第二光学谐振腔2或光路子模块5的任一输出端与双光束能量合束器42的中芯光纤43连接，剩余二者的输出端与双光束能量合束器42的环芯光纤44连接。

第一光学谐振腔1、第二光学谐振腔2和光路子模块5产生的激光均产生激光，其中一路沿中芯光纤43传输，其余的激光束沿环芯光纤44传输，最终输出的激光为互不干扰的双光束环形光斑结构。

工作原理：本发明包括合束模块4和若干光路母模块，光路母模块产生的激光经双光束能量合束器42合束后从输出端帽45输出，同时，光路母模块采用部分重叠的双谐振腔结构，工作时，第一泵浦源111产生的泵浦源进入第一光学谐振腔1，在振荡后产生激光，激光从第一低反射光栅12输出，第二泵浦源211产生的泵浦源进入第一光学谐振腔1，在振荡后产生激光，激光从第二低反射光栅22输出，两路激光经合束模块4合束后输出，当合束模块4使用单光束能量合束器41时，输出的激光为单束异波长的激光，当合束模块4使用双光束能量合束器42时，输出的激光为互不干扰的中芯和环形光斑结构。

在上述结构的基础上，增加若干光路子模块5，光路子模块5产生的激光经合束模块4合束后输出，进一步提升了激光器的功率。

在光路子模块5上设置红光指示模块7，起指示检测的作用，其中红光激光器71产生的红光激光起指示检测作用，第一包层光滤除器72保护红光激光器71，防止其受干扰。

以上实施例显示和描述了本发明创造的基本原理和主要特征及本发明创造的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明创造精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。