[发明专利]可扩展的大功率光纤激光器

说明书

一种模块化和可扩展的大功率光纤激光器系统，可配置以产生1kW或1kW以上的激光输出，且包含：彼此分离地安置的一或多个可分离泵浦模块，每一泵浦模块包含通过一或多个基于光纤的泵浦模块泵浦合并器而以光学方式合并的多个光纤耦合组件泵浦源，每一泵浦模块提供一或多个泵浦模块光纤输出端；以及增益模块，其与所述一或多个可分离泵浦模块分离地安置，且包含以光学方式耦合到所述泵浦模块光纤输出端中的相应泵浦模块光纤输出端的一或多个增益模块泵浦光纤输入端，并且包含以光学方式耦合到所述一或多个增益模块泵浦光纤输入端的增益光纤，所述增益光纤经配置以产生与耦合到所述增益光纤的所述泵浦模块光纤输出端的数目和功率有关的可扩展的增益模块光纤输出功率。

本申请是申请日为2015年6月2日，名称为“可扩展的大功率光纤激光器”，申请号为201510295923.9的发明专利申请的分案申请。

技术领域

概括来讲，本发明的领域是大功率光纤激光器(high power fiber laser)。更确切地说，本发明涉及可扩展的大功率连续波和准连续波光纤激光器。

背景技术

常规多千瓦工业光纤激光器系统通常使用由多个组件光纤激光器组成的非可扩展架构，所述多个组件光纤激光器的输出端与熔融光纤信号合并器(signal combiner)合并。总光纤激光器系统的输出功率通常在2到6kW的范围中，且个体组件光纤激光器通常具有在0.4到1.0kW的范围中的功率。因此，为了达到超过1kW的总功率，必须合并来自多个光纤激光器(通常2到10个)的输出端。

用于达成大功率光纤激光器输出的这些常规方法具有根据本公开内容而变得显而易见的几个缺点。举例来说，由于合并多个个体光纤激光器系统，在光学、电学和机械组件中需要大量冗余，由此增加了系统成本、尺寸和复杂度。另外，光纤激光器组件系统一般来讲具有有限的现场可维护性，从而在光纤激光器组件系统的光学组件出故障的情况下往往需要替换全部光纤激光器组件系统。即使当光学组件故障仅局限于光纤组件系统的例如破损光纤等一部分，仍发生此类全部替换。要求替换全部光纤激光器组件系统会增加用于维修完整多千瓦系统的成本。现场替换光纤激光器组件系统通常需要极为专用的设备和干净的房间条件，这些条件在工厂环境中不容易得到，从而使维护变得昂贵且具破坏性。

熔融光纤信号合并器引起光学损耗且减低所接收的个体光纤激光器输出端的光束品质。此损耗不利地影响效率，所述效率确定功率消耗和废热产生，且光束品质降级可减小金属切割应用中的速度。此外，信号合并器是昂贵的，其需要昂贵的设备和大量过程开发以及对制造过程的控制，且其可经历不可预测的变化从而影响再现性和可靠性。熔融光纤信号合并器还遭受操作损害(包含来自工件的光学反馈)，由此降低了系统可靠性。

利用信号合并器来达成高达几千瓦的功率也限制了光纤激光器系统的激光功率在现场升级的能力。举例来说，熔融信号合并器可包含用于接收额外组件光纤激光器的空端口。但是，输出光束的光束品质被降级，而不管额外端口是否充填有额外组件光纤激光器系统输出端。并且，如果信号合并器已完全充填输入端口，那么升级系统输出功率需要用更大功率的组件光纤激光器来替换所述组件光纤激光器中的一个或多个。替换组件光纤激光器是昂贵的，确切地说，因为随之而来的是所被替换的组件光纤激光器、子系统或组件的使用受到限制或不能重复使用所被替换的组件光纤激光器、子系统或组件。

常规系统设计在可如何适应或并入工艺进步方面同样受限制，因为许多关键组件被集成到每个组件光纤激光器中。举例来说，泵浦二极管技术快速取得进步，从而提供增加的功率、亮度和效率以及降低的成本。近年来，有源光纤同样经历了显著的工艺增进。如果泵浦二极管、光纤和电子设备全部集成到单个激光器模块中，那么将这些进步并入到现有光纤激光器中可能是困难的或是不可能的。举例来说，在单个激光器模块内的组件之间的互连将很可能不能达到或不容易改变，且对关键组件的改变将必然伴有大量设计纹波(design ripple)，从而需要其它组件中相应的改变。类似地，机械或热设计可因改变关键组件而受到影响。因此，常规大功率光纤激光器架构常常必须要么放弃基于工艺进步的升级，要么全力以赴于昂贵且耗时的再设计。