本實用新型涉及光纖激光器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高光電轉(zhuǎn)換效率的光纖激光器。

背景技術(shù)：

目前千瓦級工業(yè)激光器基本都會選用非保偏大場模(LMA)光纖作為其增益介質(zhì)，大規(guī)模光纖的特點是纖芯直徑以及模場直徑(MFD)相對更大，因此其非線性效應(yīng)的閾值也相應(yīng)更高，耦合高功率泵浦能力也更強。同時，為了在各種激光材料的加工時有更好的抗強反射能力，目前基本上所有的高功率工業(yè)用光纖激光器均會采用單腔模塊(如圖1所示)而不會使用主震蕩功率放大器的結(jié)構(gòu)。圖1中的高功率工業(yè)用光纖激光模塊由泵浦光源1、合束器2、高反光柵3、增益光纖4、低反光柵5和輸出接頭6構(gòu)成。

由于在金屬片加工應(yīng)用中需要提供足夠的能量，大部分工業(yè)光纖激光器需要至少500w以上的輸出功率?；诂F(xiàn)在的泵浦二極管技術(shù)，這種能夠提供500W以上功率的單腔工業(yè)激光模塊主要使用250μm或者400μm包層直徑的摻鐿大模場(Yb LMA)光纖。為了能夠保證單空間模式模輸出，Yb LMA光纖的纖芯直接一般會在10μm到20μm之間。就算市面上有更大纖芯(25μm,30μm和50μm)的摻鐿大模場光纖，為了提供可靠的單空間模式輸出，纖芯直徑在10μm到20μm之間的Yb LMA光纖仍然是工業(yè)用光纖激光器的首選。對于高功率CW光纖激光器，根據(jù)不同的泵浦波長以及有效泵浦吸收系數(shù)，為了保證足夠的泵浦功率吸收增益光纖的長度一般都在15m到50m之間。

如上所述，工業(yè)用的高功率光纖激光器中的增益光纖是相當長的。為了能夠合理有效的使用這些增益光纖，需要考慮以下幾點:

1、有效冷卻

Yb光纖和冷卻介質(zhì)之間需要有足夠有效的熱接觸可以安全的將光纖產(chǎn)生的熱量散掉。

2、適當?shù)睦@圈直徑

太小的光纖繞圈直徑會導致額外的宏彎曲損耗，這不僅會降低光纖激光器的效率，同時也會產(chǎn)生更多的熱量。另一方面，光纖繞圈直徑也不能過大，否則會降低泵浦吸收效率以及降低輸出光束質(zhì)量。因此為了有效的輸出單模激光，合適的繞圈直徑是非常重要的。

以下是幾種常見的光纖繞圈方式：

1.金屬芯棒光纖繞圈方式

如圖2所示，增益光纖7通常從下至上繞在圓柱形金屬芯棒8上。這種方式的優(yōu)點是所有的繞圈光纖直徑可以保值一致。

2.金屬繞線盤光纖繞圈方式

如圖3和圖4所示，金屬繞線盤分為光面繞線盤9(圖3)和刻槽繞線盤10(圖4)兩種?？滩劾@線盤10上設(shè)置有繞線刻槽11。通常的，增益光纖都是從外圈向內(nèi)圈盤繞，繞圈直徑逐漸遞減。

3.金屬繞線盤光纖繞圈方式和金屬芯棒光纖繞圈方式同時使用

參見圖5和圖6。金屬芯棒12采用垂直方式座放在繞線盤13，增益光纖14先由下至上繞在金屬芯棒12上，然后由金屬芯棒12的上端出來后，再由外向內(nèi)盤繞在繞線盤13上，繞圈直徑逐漸遞減。當然繞線方式也可以反過來。

金屬芯棒光纖繞圈方式最顯而易見的優(yōu)勢就是繞圈直徑一致，但是也有其自身的缺點：

1.其冷卻效果是通過金屬芯棒與底盤散熱裝置的接觸達到的。為了獲得好的熱傳導能力，一般會選用銅或者鋁作為導熱材料，并且芯棒會得做的足夠厚。

2.金屬芯棒的高度是由繞線光纖的長度決定。在高功率激光器中，繞30到40米的Yb增益光纖會導致金屬芯棒高度過高而非常笨重。

金屬繞線盤光纖繞圈方式的優(yōu)點是光纖可以緊貼繞線盤水平放置，因此繞線盤通常都不會太過于厚重。為了減少光纖繞線損耗，20/400μm光纖的繞線最小繞線直徑大概為80mm左右。但是問題在于，為了使光纖獲得更好的冷卻效果，通常會使用刻槽繞線盤讓光纖緊貼槽面。這種設(shè)計會導致光纖盤尺寸過大。如圖7所示，如果需要將30米的Yb光纖以最小80mm的繞圈直接繞在刻槽寬度為650um，槽壁厚度為1mm的光纖繞線盤上，整個金屬盤的直徑將會至少需要29.7cm。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有光纖繞圈方式給光纖激光器所帶來的上述技術(shù)問題而提供一種高光電轉(zhuǎn)換效率的光纖激光器。高光電轉(zhuǎn)換效率的光纖激光器為了獲取最佳的泵浦吸收效率并且同時保持單空間耦合模式輸出，除了通過創(chuàng)新的光纖繞圈方式，也采用了雙向976nm泵浦這種新型的泵浦結(jié)構(gòu)。

本實用新型所要解決的技術(shù)問題可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種高光電轉(zhuǎn)換效率的光纖激光器，包含雙向泵浦單腔激光模塊，所述雙向泵浦單腔激光模塊由若干正向泵浦光源、正向合束器、高反光柵、增益光纖、低反光柵、反向合束器、若干反向泵浦光源和輸出接頭，其中正向合束器、高反光柵、增益光纖、低反光柵、反向合束器和輸出接頭依次通過光路連接，每一正向泵浦光源與正向合束器之間通過光路連接，每一反向泵浦光源與反向合束器之間通過光路連接；其特征在于，所述增益光纖分三塊區(qū)域盤繞在一繞線盤上，其中第一區(qū)域、第二區(qū)域、第三區(qū)域采用圓圈繞制，其中所述第二區(qū)域位于所述第一區(qū)域的外圍，第三區(qū)域位于第二區(qū)域的外圍。

在本實用新型的一個優(yōu)選實施例中，所述繞線盤對應(yīng)于所述增益光纖的三個區(qū)域也分為三個區(qū)域，所述繞線盤的第一區(qū)域、第三區(qū)域為刻槽區(qū)域，繞線盤的第二區(qū)域為光面區(qū)域，所述增益光纖的第一區(qū)域、第三區(qū)域的增益光纖盤繞在繞線盤的第一區(qū)域、第三區(qū)域的刻槽內(nèi)。

在本實用新型的一個優(yōu)選實施例中，所述正向泵浦光源和反向泵浦光源均采用976nm泵浦光源。

由于采用了如上的技術(shù)方案，本實用新型在改進增益光纖的繞線結(jié)構(gòu)的同時其正向泵浦光源和反向泵浦光源均采用976nm泵浦光源同時，具有如下優(yōu)點：

1.雙向泵浦使光纖熱負荷平衡，因此其工業(yè)應(yīng)用也更加可靠。

2.使用976nm泵浦源可以為1070nm工業(yè)激光器提供最大化的量子效率。其電光轉(zhuǎn)換效率可以高達39.3％，而一般的工業(yè)激光器的電光轉(zhuǎn)換效率僅為35％。

3.雙向976nm泵浦同是也極大的提高了反向非線性效應(yīng)的閾值，例如受激拉曼散射還有受激布里淵散射。因此這種新型的設(shè)計在工業(yè)上可以提供大于2KW的單模激光輸出。

4.增益光纖兩端分別盤繞在繞線盤的刻槽區(qū)域，中間部分盤繞在繞線盤的光面區(qū)域。這種設(shè)計的考慮是，由于雙向泵浦結(jié)構(gòu)，增益光纖兩端為熱負載最大區(qū)域，將兩端光纖盤繞在刻槽區(qū)域可以更有效的冷卻光纖提高泵浦吸收效率。中間區(qū)域為光面，可以根據(jù)需要增加或減少增益光纖長度，這個比全刻槽繞盤更具靈活性。而且本創(chuàng)新繞線盤結(jié)合刻槽和光面繞線盤的優(yōu)點，不僅可以有效冷卻光纖，也由于中間光面區(qū)域的加入，使得繞線盤整體結(jié)構(gòu)更加靈活以及緊湊。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有單腔激光模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為增益光纖采用金屬芯棒繞線的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為光面繞線盤的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為刻槽繞線盤的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為金屬繞線盤光纖繞圈方式和金屬芯棒光纖繞圈方式同時使用的俯視圖。

圖6為金屬繞線盤光纖繞圈方式和金屬芯棒光纖繞圈方式同時使用的側(cè)視圖。

圖7為一種金屬繞線盤光纖繞圈方式的示意圖。

圖8為本實用新型的高光電轉(zhuǎn)換效率的光纖激光器的單腔激光模塊結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9為本實用新型的高光電轉(zhuǎn)換效率的光纖激光器的增益光纖的繞制示意圖。

具體實施方式

參見圖8，一種高光電轉(zhuǎn)換效率的光纖激光器，包含雙向泵浦單腔激光模塊，該雙向泵浦單腔激光模塊由若干正向泵浦光源100、正向合束器200、高反光柵300、增益光纖400、低反光柵500、反向合束器600、若干反向泵浦光源700和輸出接頭800，其中正向合束器200、高反光柵300、增益光纖400、低反光柵500、反向合束器600和輸出接頭800依次通過光路連接，每一正向泵浦光源100與正向合束器200之間通過光路連接，每一反向泵浦光源700與反向合束器600之間通過光路連接。

增益光纖400分三塊區(qū)域盤繞在一繞線盤上，其中第一區(qū)域420、第二區(qū)域430、第三區(qū)域440采用圓圈繞制，其中第二區(qū)域430位于第一區(qū)域420的外圍，第三區(qū)域440位于第二區(qū)域430的外圍。

繞線盤700對應(yīng)于增益光纖400的三個區(qū)域420、430、440也分為三個區(qū)域710、720、730，繞線盤700的第一區(qū)域710、第三區(qū)域730為刻槽區(qū)域，繞線盤700的第二區(qū)域720為光面區(qū)域，增益光纖400的第一區(qū)域420、第三區(qū)域440的增益光纖盤繞在繞線盤700的第一區(qū)域710、第三區(qū)域730的刻槽內(nèi)，增益光纖400的第二區(qū)域430在繞線盤700的第二區(qū)域720的光面盤內(nèi)。