[发明专利]一种高功率光纤激光泵浦光耦合与信号光扩束输出装置

说明书

本发明涉及一种高功率光纤激光泵浦光耦合与信号光扩束输出装置。该装置由具有凹面镜成像特性的石英晶体和与石英晶体熔接的泵浦光纤、信号光纤组成。其中，石英晶体具有两个光学面，一个输入平面与泵浦光纤和信号光纤熔接，一个输出凹面镀对泵浦光高反、对信号光增透的光学薄膜。泵浦光纤输出的泵浦光经过石英晶体的凹面反射后，全部入射到信号光纤中。同时，由于信号光在石英晶体中以数值孔径所决定的发散角传输，在石英晶体凹面处光斑增大，并通过增透膜高效率输出，即实现了信号光的扩束输出。本发明在实现高功率泵浦光耦合的同时兼有信号光扩束输出的功能，有益于高功率光纤激光系统的简易化、集约化、小型化，提升系统的安全性和稳定性。

技术领域

本发明属于光纤激光领域，涉及一种高功率光纤激光系统泵浦光耦合手段，尤其是一种利用特殊结构设计并镀膜的石英块同时对泵浦光进行耦合和信号光进行扩束的泵浦光耦合装置。

背景技术

二十世纪八十年代后期，随着光纤制作工艺的成熟和固体激光器的发展，光纤激光器开始成为了人们所关注的热点，而随着双包层光纤和包层泵浦技术的日渐成熟，高功率光纤激光器开始取得了突破性的进展。由于光纤激光器具有体积小、紧凑性好、热管理方便、光束质量好等优点，近几年来，光纤输出的高功率光纤激光器已经在光通信、材料加工、医学诊疗、信息存储、激光印刷、激光测控、激光光谱学以及非线性频率转换等领域得到了广泛的应用。

在高功率光纤激光系统中，包层泵浦技术已经成为了常用的关键技术，目前采用的双包层泵浦耦合技术手段主要有以下三种：（1）空间光路耦合；（2）泵浦合束器；（3）GTWave光纤。其中，空间光路耦合的其中一种方法是使用空间的光学器件（如透镜）来实现泵浦光向增益光纤耦合的，另一种是在双包层光纤的内包层、外包层和涂敷层开设的V形槽，并利用光胶合一个镀有高反射膜的V形棱镜，泵浦光经过透镜组聚焦于V形棱镜的镀膜面上耦合进双包层光纤的内包层，并通过内包层传输。而空间光路使用有两点不足，第一是在耦合的过程中需要对光路进行精确的现场调节承受高功率的光纤和光学镜面暴露在空气中，增加了整个激光系统的危险性，降低了系统的稳定性，系统结构复杂；第二是要对增益光纤的耦合端切斜角并进行抛磨，增加了整个系统的工艺难度。相对空间光路耦合，使用泵浦合束器是一个更好的选择，目前关于泵浦功率合束器已经有CN201656240U《光纤泵浦合束器》、CN101794955A《一种全光纤激光合成器件及其制备方法》等专利。泵浦合束器为全光纤结构，采用泵浦光纤和信号光纤之间的熔接替代了空间光的耦合，增加了整个系统的稳定性、安全性和集成化程度。但是目前高功率光纤泵浦合束器受到制作工艺的限制，能够承受最高功率大约在10kW，这限制了激光功率的进一步提高。GTWave光纤利用倏逝波耦合的方式对增益光纤进行侧向泵浦，其相关专利有CN102298173A《侧向泵浦光纤结构及其制造方法》等。其不足在于工艺复杂并且需要比较长的光纤长度，在高功率时，较长的光纤会导致较强的非线性效应，限制了激光功率的进一步提高。因此，提供一种改进的紧凑稳定的，可以承受更高功率泵浦激光的泵浦功率耦合手段是非常必要的。

在高功率激光系统中的另外一个关键技术是输出端面激光扩束。在高光束质量的光纤激光器中，传输激光器的光纤纤芯直径在100μm以下，对应的面积较小，输出光纤端面功率密度较高，这容易导致端面损伤并进一步引起更多器件的损伤。在高功率光纤器中，通常在信号光纤上熔接输出面积较大的光纤端帽，通过对输出光束的扩束来降低输出端的光功率密度，从而实现稳定的高功率激光输出。

发明内容

本发明提供了一种能够在进行高功率的泵浦光耦合的同时对信号光进行扩束输出的装置。通过对石英晶体的结构进行合理的设计，在石英晶体的泵浦光注入面熔接满足一定几何位置关系的泵浦光纤和信号光纤，在石英晶体的信号光输出表面镀对泵浦光波长高反、对信号光波长增透的光学薄膜，当信号光纤和泵浦光纤相对于石英晶体的信号光输出面满足几何光学中的物像关系时，该装置能够同时实现泵浦光从泵浦光纤到信号光纤的耦合以及信号光从光纤到石英晶体输出端面的扩束。

本发明的基本原理如下：