一种高功率光纤声光调制器及光纤激光器

摘要

本发明属于光学领域，提供了一种光纤声光调制器，包括声光晶体及位于其两侧的第一、第二光纤准直器，第二光纤准直器包括透镜、双孔毛细管及外封玻璃管；透镜靠近声光晶体的一端为球面，另一端为8°斜面，双孔毛细管的一端为8°斜面，透镜与双孔毛细管通过8°斜面对接；双孔毛细管中容有平行贴靠的第一、第二光纤，第一、第二光纤的直径为0.125mm，透镜的材质为N-SF11，长度为10.49～10.5mm，球面的曲率半径为4.94mm。本发明采用双纤准直器作为0级光和1级光的接收部件，使0级光和1级光精确耦合至第一、第二光纤。本发明缩短了产品长度，提高功率承受能力并解决了声光调制器过热的问题，提高了产品可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，特别涉及一种光纤声光调制器及光纤激光器。

背景技术

光纤激光器被称为激光领域的一门新兴技术，因其体积小、输出功率高、 光斑质量好等诸多优点而在很多领域逐渐替代其他传统激光器，近年来成为国 际上争相研究的热点，因其发展迅猛和应用广泛，受到了高度重视。光纤声光 调制器是光纤激光器的主要部件之一，相当于一个高速光开关，用于控制脉冲 激光输出。

常规光纤声光调制器的基本结构如附图1所示，包括声光晶体103和位于 其两端的第一光纤准直器101和第二光纤准直器102，第一、第二光纤准直器 是由光纤头和透镜组成，起到光束准直和扩束的作用，从第一光纤准直器101 出来的光经过声光晶体103后高效率地耦合到第二光纤准直器102中。高频电 压通过压电晶体104产生频率相同的超声波，作用于声光晶体103上，在其内 产生周期性弹性形变，从而使声光晶体103的折射率产生周期性变化，相当于 一个移动的相位光栅，光束通过声光晶体103后发生布拉格衍射分成两束光输 出。当驱动打开高频电压时，80%以上的布拉格衍射光束方向偏转一定的角度， 即布拉格衍射角，为了便于区分，将这束衍射输出的光称为“1级光”S1，当 驱动关闭时输出光没有产生方向变化，称为“0级光”S2。通常用第二光纤准 直器102接收1级光作为光输出。因为0级光耦合进入第二光纤准直器102中 不仅造成信号干扰，而且在高功率工作下会烧毁第二光纤准直器102，所以必 须对0级光进行有效处理，现有技术采用挡光板105将0级光挡掉。

0级光和1级光之间的夹角很小，空气介质中0级光和1级光之间的夹角 为：

$\theta =\frac{\lambda f_s}{{\nu }_s}---\left(1\right)$

其中，λ是光的波长；f_s是电驱动频率，也是超声波频率；ν_s是超声波在 声光晶体中的传播速度。

以常规声光调制器为例，其驱动频率是80MHz，声光晶体TeO2内超声波 速度ν_s=4464m/s，常规工业用途光纤激光器的工作波长λ=1.064um，根据上述 公式（1），计算出θ=1.093°。

因为夹角θ很小，为了使0级光和1级光全部分开便于挡光板105完全档 掉0级光且不对1级光造成干扰，第二光纤准直器102和挡光板105要放置在 距离声光晶体103的中心比较远的地方。

因为0级光和1级光之间角度θ很小，所以只考虑水平方向偏移的因素影 响下，0级光进入第二光纤准直器102的耦合效率，计算公式为：

$\eta =\exp (-\frac{{\mathrm{dx}}^2}{{{\omega }_0}^2})---\left(2\right)$

根据上式（2）逆推导计算，要想高斯光束腰斑直径ω₀=0.5mm的光斑小于 0.1%的能量进入第二光纤准直器102，两者之间的距离dx≥1.3mm。

挡光板105到声光晶体103的中心距离为：

$L_1\approx \frac{\mathrm{dx}}{\tan \left(\theta \right)}---\left(3\right)$

根据上式（3）计算出挡光板105到声光晶体103中心距离L₁=68.1mm。因 此两光纤准直器之间的距离为2*L1=136.2mm，第一、第二光纤准直器本身的 长度为10mm，光纤弯曲需要的半径为50mm，因此，整个声光调制器的总长 度为：136.2+2*10+2*50=256.2mm。对于要求结构紧凑的光纤激光器来说，该 部件占据了较大空间，不利于激光器的小型化，这是现有技术的缺陷之一。

另外，在实际工作中，为了获得尽量窄带宽的脉冲激光，调制开关开的时 间很短，占空比＜4%，即超过96%的时间里光是沿0级光光路输出的。所以常 规方案所用的挡光板承受绝大部分激光能量，导致产品尾部局部温度很高，导 致产品的功率承受能力很低，现有声光调制器的承受功率只有3～5W，可靠性 不高，且会对某些高功率激光器的输出功率造成影响，这是现有技术的另一个 重要缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑的光纤声光调制器，旨在缩小体积并 避免产品尾部温度过高，提高产品的功率承受能力，以提高其可靠性。

本发明是这样实现的，一种光纤声光调制器，包括声光晶体及分别位于所 述声光晶体两侧的第一光纤准直器和第二光纤准直器，所述第二光纤准直器包 括透镜、双孔毛细管及包封于所述透镜和双孔毛细管外周的外封玻璃管；所述 透镜靠近所述声光晶体的一端为球面，另一端为8°斜面，所述双孔毛细管的 一端为8°斜面，所述透镜与所述双孔毛细管通过各自的8°斜面对接；所述双 孔毛细管中容纳有相互平行且贴靠在一起的第一光纤和第二光纤，所述第一光 纤和第二光纤分别用于接收所述声光晶体输出的0级光和1级光；所述第一光 纤和第二光纤的直径均为0.125mm，所述透镜的材质为N-SF11，所述球面的曲 率半径为4.94mm，所述透镜的长度为10.49～10.5mm。

本发明的另一目的在于提供一种光纤激光器，包括所述的光纤声光调制器。

本发明提供的声光调制器采用双纤准直器作为声光晶体的0级光和1级光 的接收和传输部件，一方面，将0级光通过第一光纤传输出去进行处理，另一 方面通过第二光纤传输1级光作为激光输出，通过采用专门设计的透镜，使0 级光和1级光精确耦合至第一光纤和第二光纤中。由于采用了该双纤准直器， 不需使用挡光板，使第二光纤准直器与声光晶体之间的距离大大缩短，使声光 调制器的总长度大大减小，按照上述声光晶体的匹配设计，本发明实施例的声 光调制器比传统声光调制器的长度缩短近1/2，节省了产品占用的空间，将其应 用于光纤激光器中十分利于激光器的小型化。

并且，由于不采用挡光板，也避免了声光调制器尾端过热，进而提高了声 光调制器的功率承受能力，传统声光调制器只能承受3～5W功率，在3W的工 作功率下挡光板处温度达到85℃以上，少量耦合进输出端准直器的光被粘接胶 吸收后产生热量，温度超过75℃，严重影响其可靠性。而本实施例的声光调制 器，通过第二光纤准直器的第一光纤将0级光输出并进行适当的散热设计，可 承受10W以上功率，在10W工作功率下，第二光纤准直器尾部的温度不超过 40℃，极大的提高了产品的可靠性。

并且，对于某些高功率激光器和一些高端光纤激光器而言，声光调制器的 功率承受能力是制约激光器高功率输出的因素之一，本发明的声光调制器无疑 会消除对激光器高功率输出的影响，这对激光器的开发设计具有非常重要的价 值。

附图说明

图1是现有技术中光纤声光调制器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的光纤声光调制器的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的光纤声光调制器的第二光纤准直器的结构示意 图；

图4是本发明实施例提供的光纤激光器的部分结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

图2示出了本发明实施例提供的光纤声光调制器的结构示意图，图3示出 了第二光纤准直器的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的 部分。

参考图2，本发明实施例提供的光纤声光调制器1包括声光晶体11及分别 位于声光晶体11两端的第一光纤准直器12和第二光纤准直器13，第一光纤准 直器12用于将激光传输至声光晶体12，声光晶体12在高频电压的驱动下产生 周期性弹性形变，使声光晶体的折射率产生周期性变化，相当于一个移动的相 位光栅，光束通过声光晶体11后发生布拉格衍射分成两束光输出。当驱动打开 高频电压时，80%以上的布拉格衍射光束方向偏转一定的角度，即布拉格衍射 角，当驱动电压关闭时输出光没有产生方向变化，本实施例将布拉格衍射输出 的光称为“1级光”，驱动电压关闭时输出的光称为“0级光”。第二光纤准直 器13则用于接收经声光晶体11出射的光。本实施例中的第二光纤准直器13 是一种双纤准直器，负责接收0级光和1级光，将1级光作为激光输出，将0 级光导出以进行有效处理，0级光的处理不需采用传统的挡光板。

进一步参考图3，该第二光纤准直器13包括透镜131、双孔毛细管132及 外封玻璃管133，其中，双孔毛细管132由一柱状玻璃棒于其内部沿轴向开通 两个通孔而形成，这两个通孔用于容纳第一光纤14和第二光纤15。透镜131 的一端为球面，另一端为8°斜面（该另一端的端面与垂直于透镜中心轴的面 之间的夹角为8°），双孔毛细管132的一端也为8°斜面，透镜131的8°斜 面端与双孔毛细管132的8°斜面端配合对接。透镜131的球面端则与声光晶 体1相对，外封管133包封于透镜131和双孔毛细管132的外周。声光晶体11 输出的0级光和1级光经过透镜131分别耦合进入第一光纤14和第二光纤15 中，第一光纤14将0级光导入其他部件当中进行处理，第二光纤15将1级光 作为激光输出。

为了使光能够准确的耦合至第一光纤14和第二光纤15中，本实施例对透 镜131及双孔毛细管132的结构进行了特殊设计。具体的，透镜131的像方焦 距f′、物方焦距f、曲率半径r，以及构成双纤准直器两路入射光束的夹角φ分 别为：

$f^{\prime }=\frac{n_{0}r}{|n_0-n_1|}---\left(4\right)$

$f=\frac{n_{1}r}{|n_0-n_1|}---\left(5\right)$

$r=\frac{d*|n_0-n_1|}{n_0*\tan \left(\phi \right)})---\left(6\right)$

$\phi =a\tan \left(\frac{d}{f^{\prime }}\right)=a\tan \left(\frac{d*|n_0-n_1|}{n_{0}r}\right)---\left(7\right)$

根据公式（6）确定曲率半径r：

上式中，n₀和n₁分别是空气和透镜131的折射率，d是第一光纤14和第二 光纤15的纤芯之间的距离。为了使声光晶体11出射的0级光和1级光能够无 损耗的耦合入第二光纤准直器13，要使两路入射光束的夹角φ等于0级光和1 级光之间的夹角θ=1.093°；为了减少公差带来的影响，使第一光纤14与第二 光纤15并行且紧贴在一起，因此，d为光纤的直径，本实施例采用的光纤直径 为0.125mm；透镜131的材质选择N-SF11（无铅肖特玻璃的一种，是一种现有 材料），对1064nm激光的折射率n₁为1.754，根据公式（6），可计算出透镜 131的曲率半径r=4.94mm。

根据公式（5）确定透镜131的物方焦距f：

将曲率半径r=4.94mm及空气和透镜的折射率带入公式（5），得到透镜131 的物方焦距f=11.49mm。

根据物方焦距确定透镜131的长度L_c：

在理论上，透镜131的长度（透镜两端面的中心之间的距离）应当与其物 方焦距相同，以使光束可以恰好耦合进第一和第二光纤内部，在实际中，为了 降低第一光纤14和第二光纤15端面的功率密度，提高功率承受能力，在第一 光纤14和第二光纤15的端面熔接一段长度约0.8mm的石英端帽，另外，考虑 透镜131的各项加工公差，容许第一光纤14和第二光纤15的端面与透镜131 之间预留调试间隙约0.2mm。这样，端帽与调试间隙占用1mm长度，因此， 透镜131的长度L_c应当为L_c=11.49-1=10.49mm，也可设计为10.5mm或二者之 间。

进一步的，根据公式（4）计算透镜的像方焦距f′=6.565mm。

根据上述计算结果，得出该透镜的相关参数如下：

材质为N-SF11，曲率半径r=4.94mm，长度L_c=10.49～10.5mm，透镜的直 径D=1.8mm。物方焦距f=11.49mm，像方焦距f′=6.565mm，该像方焦距与声 光晶体11的中心O到透镜031的球面中心之间的距离相等。

进一步的，根据上述参数确定该声光调制器的总长度：

按照声光晶体11的匹配设计，80MHz驱动频率的声光晶体（材料为二氧 化碲，对1064nm的折射率n₂为2.3），长度为20mm，透镜131的球面中心O 到声光晶体11的端面的中心之间的距离

第一光纤准直器12和第二光纤准直器13的长度均为10mm，声光晶体11 的长度为20mm，第一光纤14和第二光纤15弯曲需要的半径为50mm，

该声光调制器的总长度为：

L₃=2*10+20+2*2.2+2*50=144.4mm，与传统声光调制器的长度256.2mm 之差为256.2-144.4=111.8mm。

本发明实施例提供的声光调制器采用双纤准直器作为声光晶体11的1级光 和0级光的接收和传输部件，一方面，将0级光通过第一光纤14传输出去进行 处理，另一方面通过第二光纤15传输1级光作为激光输出，通过采用专门设计 的透镜131，使0级光和1级光精确耦合至第一光纤14和第二光纤15中。由 于采用了该双纤准直器—第二光纤准直器13，不需使用挡光板，使第二光纤准 直器13与声光晶体11之间的距离大大缩短，使声光调制器的总长度大大减小， 按照上述声光晶体的匹配设计，本发明实施例的声光调制器比传统声光调制器 的长度缩短近1/2，节省了产品占用的空间，将其应用于光纤激光器中十分利于 激光器的小型化。

并且，由于不采用挡光板，也避免了声光调制器尾端过热，进而提高了声 光调制器的功率承受能力，传统声光调制器只能承受3～5W功率，在3W的工 作功率下挡光板处温度达到85℃以上，少量耦合进输出端准直器的光被粘接胶 吸收后产生热量，温度超过75℃，严重影响其可靠性。而本实施例的声光调制 器，通过第二光纤准直器的第一光纤将0级光输出并进行适当的散热设计，可 承受10W以上功率，在10W工作功率下，第二光纤准直器尾部的温度不超过 40℃，极大的提高了产品的功率承受能力和可靠性。

并且，对于某些高功率激光器和一些高端光纤激光器而言，声光调制器的 功率承受能力是制约激光器高功率输出的因素之一，本发明的声光调制器无疑 会消除对激光器高功率输出的影响，这对激光器的开发设计具有非常重要的价 值。

本发明进一步提供一种光纤激光器，包括上述的声光调制器1，通过该声 光调制器控制脉冲激光输出。

进一步参考图4，该光纤激光器还包括与声光调制器1的第一光纤14连接 的陶瓷块2，该陶瓷块2中具有一空腔21，第一光纤14的尾端设有一连接头 141，该连接头141的尾端具有一8°斜面，连接头141的尾端穿入陶瓷块2的 空腔21中，将0级光导入空腔21中，0级光进入空腔21中，能量分散到空腔 21的四周内壁，使陶瓷块2快速吸收热量并向外导出。

进一步的，该陶瓷块2设于激光器的机箱板3的内壁，机箱板3的外壁对 应设有散热铝片4，用于将陶瓷块2导出的热量散发到空气中。

通过上述设计，使0级光产生的热量有效散发到外界，0级光不会在第二 光纤准直器13内淤积，不会导致局部温度过高而引起产品功率承受能力差和稳 定性差，极大的提高了激光器的可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。