一种用于千瓦级光纤激光器的泵浦耦合器

摘要

本发明公开了一种用于千瓦级光纤激光器的泵浦耦合器，包括：泵浦光纤，主光纤和封装外壳；泵浦光纤连接在主光纤上，在泵浦光纤与主光纤的接入点处设置封装外壳；封装外壳包括外部铜管，导热铜管和导光玻璃层；外部铜管同轴设于导热铜管的外侧；外部铜管和导热铜管构成的腔体内穿有水管；导热铜管内壁上设有导光玻璃层；在导热铜管的端口处，导光玻璃层与主光纤之间设有光学胶层，将接入点密封在导热铜管的空腔内。本发明公开的泵浦耦合器可用于千瓦级光纤激光器中，其制作难度小，生产成本低；同时能够在千瓦级光纤激光器中长时间稳定地工作，尤其适用于工厂全天不间断生产的环境。

说明书

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种用于千瓦级光纤激光器的泵浦 耦合器。

背景技术

光纤激光器以其光束质量好、转换效率高、泵浦阈值低、散热性能好、 体积小重量轻等显著优势，受到各国研究学者的广泛关注，近年来得到了飞 速的发展。特别是高功率光纤激光器以其卓越的光束质量、超高的稳定性、 简便的使用方法以及真正的免维护等优点，成为了第三代激光技术的代表， 被人们广泛应用在汽车、飞机、船舶制造等领域，如蒙皮切割、钢板焊接、 零件修复。泵浦耦合器是光纤激光器的关键无源光器件，它将多路由半导体 激光器产生的泵浦光耦合进主光纤中，为光纤激光器提供所需的泵浦光功率。 其工作原理是光在光纤中传输时，大部分能量集中在纤芯中，只有一少部分 在包层中传输。当两根光纤之间的距离足够近时，由于倏逝波的作用，两根 光纤中的光场发生耦合，从而影响到光纤中原光场的分布。

由于泵浦耦合器在光纤激光器中处于重要的地位，近年来泵浦耦合器的 研制已经成为世界各国高功率光纤激光器领域研究人员的研究热点，并已经 有了成熟的泵浦耦合器和高功率光纤激光器产品，IPG公司已经有了2kW、 4kW和10kW光纤激光器的报道，其公开的耦合器只能用于IPG公司特定的光 纤激光器，由于适用于高功率光纤激光器的泵浦耦合器技术参数指标都很高， 这就对生产工艺的精度要求高，制作难度大，生产成本高；

国内目前成熟产品还很少见，大多依赖进口，其需要进口全套的光纤激 光器，不能单独更换泵浦耦合器；同时，现有的泵浦耦合器在光纤耦合区设 置一个金属外壳，在工作时由于在耦合区泵浦光的泄露容易造成泵浦耦合器 温度的升高，当温度升高到一定程度时容易造成泵浦源损坏；不能保证长时 间的恒温工作，在工厂不间断的生产中容易出现故障，降低了生产效率；因 此，研究一种能单独更换泵浦耦合器，可用于千瓦级光纤激光器同时能保证 长时间恒温工作的泵浦耦合器变得十分重要。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种用于千瓦级光纤激光 器的泵浦耦合器。

为实现上述目的，本发明提供一种用于千瓦级光纤激光器的泵浦耦合器， 包括：泵浦光纤，主光纤和封装外壳；

所述泵浦光纤连接在所述主光纤上，在泵浦光纤与主光纤的接入点处设 置封装外壳；

所述封装外壳包括外部铜管，导热铜管和导光玻璃层；所述外部铜管同 轴设于所述导热铜管的外侧；所述外部铜管和导热铜管构成的腔体内穿有水 管；所述导热铜管内壁上设有导光玻璃层；

所述主光纤贯穿于所述导热铜管的空腔，所述接入点位于所述导热铜管 的空腔内；

在所述导热铜管的端口处，所述导光玻璃层与所述主光纤之间设有光学 胶层，将接入点密封在导热铜管的空腔内。

作为本发明的进一步改进，所述导热铜管内嵌有温度传感器，所述温度 传感器与温度控制器相连，所述温度控制器与电源控制器相连，所述电源控 制器与泵浦源相连。

作为本发明的进一步改进，所述泵浦光纤包括泵浦光纤纤芯，泵浦光纤 纤芯外侧依次包覆有包层和涂覆层；所述泵浦光纤纤芯的折射率大于泵浦光 纤包层的折射率。

作为本发明的进一步改进，所述主光纤包括主光纤纤芯，主光纤纤芯外 侧依次包覆有内包层和外包层；所述主光纤纤芯的折射率大于主光纤内包层 的折射率，主光纤内包层的折射率大于主光纤外包层的折射率。

作为本发明的进一步改进，所述导光玻璃层的折射率不小于光学胶层的 折射率，所述光学胶层的折射率大于主光纤外包层的折射率。

作为本发明的进一步改进，所述导热铜管与所述导光玻璃层之间设有导 热胶层。

作为本发明的进一步改进，所述导光玻璃层上与导热胶层相接触的一面 做磨砂处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明公开的一种用于千瓦级光纤激光器的泵浦耦合器，通过在泵浦光 纤与主光纤的接入点处设置封装外壳，封装外壳可以将泄漏的泵浦光导入到 导光玻璃层中，并将热量传递到导热铜管中，导热铜管与外部铜管之间的水 管中通入冷却水，冷却水可以带走导热铜管的热量，加快热量散失，保证泵 浦耦合器在长时间工作时依然处于恒温工作状态；采用冷却水进行传导导热 铜管热量，冷却效果更好，本发明所述的泵浦耦合器可用于千瓦级光纤激光 器中，其制作难度小，生产成本低；同时能够在千瓦级光纤激光器中长时间 稳定地工作，尤其适用于工厂全天不间断生产的环境；

温度传感器、温度控制器和电源控制器构成了温度控制系统，嵌入在导 热铜管中的温度传感器可以实时监测泵浦耦合器的温度，当工作温度超过阈 值时，温度传感器向温度控制器发出信号，使得电源控制器关闭工作温度过 高泵浦耦合器的泵浦源，从而保证该泵浦耦合器免受损坏，使整个光纤激光 器能继续工作；

导热铜管与导光玻璃层之间设有导热胶层，导热胶层一方面可以吸收导 光玻璃层中的泵浦光，另一方面可以将吸收的热量传递给导热铜管；

导光玻璃层上与导热胶层相接触的一面经过磨砂处理，一方面可以对剥 除的泵浦光进行漫反射，加快其消耗速度；另一方面增大了与导热胶层的接 触面积，能将更多的热量传递给导热铜管。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的用于千瓦级光纤激光器的泵浦耦合器的 结构图；

图2为本发明一种实施例公开的用于千瓦级光纤激光器的泵浦耦合器的 耦合区泄露泵浦光路图；

图3为本发明一种实施例公开的光纤激光器温度监测系统的结构图。

图中：1、泵浦光纤；2、主光纤；3、主光纤外包层；4、主光纤内包层； 5、主光纤纤芯；6、光学胶层；7、导光玻璃层；8、导热胶层；9、导热铜管； 10、外部铜管；11、水管；12、温度传感器；13、温度控制器；14、电源控 制器；15、泵浦源。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发 明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基 于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下 所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

IPG公司公开的泵浦耦合器由于适用于高功率光纤激光器的泵浦耦合器 技术参数指标都很高，这就对生产工艺的精度要求高，制作难度大，国内成 熟产品还很少见，大多依赖进口，价格昂贵，国外能够掌握这项技术的也不 多，制造者多拥有自己的专利，工艺严格保密，虽然IPG研制的泵浦耦合器 耦合效率已经达到了较高的水平，而且可用于千瓦级光纤激光器，但并没有 报道泵浦耦合器的封装结构。

本发明提供一种用于千瓦级光纤激光器的泵浦耦合器，包括：泵浦光纤， 主光纤和封装外壳；泵浦光纤连接在主光纤上，在泵浦光纤与主光纤的接入 点处设置封装外壳；封装外壳包括外部铜管，导热铜管和导光玻璃层；外部 铜管同轴设于导热铜管的外侧；外部铜管和导热铜管构成的腔体内穿有水管； 导热铜管内壁上设有导光玻璃层；连接有泵浦光纤的主光纤贯穿于导热铜管 的空腔，主光纤上的接入点位于导热铜管的空腔内；在导热铜管的端口处， 导光玻璃层与主光纤之间设有光学胶层，将接入点密封在导热铜管的空腔内。 导热铜管内嵌有温度传感器，温度传感器与温度控制器相连，温度控制器与 电源控制器相连，电源控制器与泵浦源相连。

下面结合附图1-3对本发明做进一步的详细描述：

如图1～3所示：本发明所述的一种用于千瓦级光纤激光器的泵浦耦合器， 包括：泵浦光纤1，主光纤2和封装外壳；

封装外壳包括外部铜管10，导热铜管9和导光玻璃层7；外部铜管10同 轴设于导热铜管9的外侧；外部铜管10和导热铜管9构成的腔体内穿有水管 11，水管11中通入冷却水，水管11的结构可以根据散热效果选择合适的结构； 导热铜管9内壁上通过导热胶层8固定有导光玻璃层7；泵浦光纤1连接在主 光纤2上，连有泵浦光纤1的主光纤2贯穿于导热铜管9的空腔，其中使泵 浦光纤1与主光纤2的接入点位于导热铜管9的空腔内；在导热铜管9的端 口处，导光玻璃层7与主光纤1之间设有光学胶层6，通过光学胶将接入点密 封在导热铜管9的空腔内。

泵浦光纤1包括泵浦光纤纤芯，泵浦光纤纤芯外侧依次包覆有包层和涂 覆层；泵浦光纤纤芯的折射率大于泵浦光纤包层的折射率；泵浦光在泵浦光 纤纤芯中按照全反射原理传输；泵浦光纤涂覆层起到保护包层、免受外界损 伤的作用。主光纤2包括主光纤纤芯5，主光纤纤芯5外侧依次包覆有主光纤 内包层4和主光纤外包层3；主光纤纤芯5的折射率大于主光纤内包层的折射 率4，主光纤内包层4的折射率大于主光纤外包层3的折射率。将主光纤2外 包层3剥除并清理干净，泵浦光纤1从侧面熔接到主光纤2的内包层4上， 在接入点处形成耦合区；当泵浦光在泵浦光纤1中传输到耦合区时，由于倏 逝波的作用，泵浦光纤1和主光纤2中的光场发生耦合，泵浦光耦合进主光 纤1中传输。由于泵浦光纤1与主光纤2的直径不同，是非对称波导，泵浦 光不能完全耦合进主光纤2中；泄露的泵浦光A会在空间中传播进入到导光 玻璃层7中，泄露的泵浦光B在空间中传播进入到光学胶层6中，泄露的泵 浦光C在空间中传播进入到主光纤的外包层3中，即使耦合进主光纤2中的 泵浦光，也会有泄部分露的泵浦光D会因不符合主光纤2的全反射条件而再 次进入到外包层3中。

光学胶层6将主光纤外包层3和导光玻璃层7黏结为一体，由于导光玻 璃层7的折射率不小于光学胶层6的折射率，光学胶层6的折射率大于主光 纤外包层3的折射率；主光纤外包层3和光学胶层6中的泵浦光B、C、D最 终会进入到导光玻璃层7中，所以光学胶层6可以剥除在主光纤外包层3中 传输的泵浦光并最终穿到导光玻璃层7中。导光玻璃层7面积大，受热能力 高于光学胶层6，可以承受功率很高的泄露泵浦光。

导热胶层8将导光玻璃层7和导热铜管9黏结为一体，导热胶层8一方 面可以吸收导光玻璃层7中的泵浦光，另一方面可以将吸收的热量传递给导 热铜管9。导光玻璃层7的外表面经过磨砂处理，一方面可以对剥除的泵浦光 进行漫反射，加快其耗散速度，另一方面增加与导热胶层8的接触面积，将 更多的热量传递给导热铜管9。导热铜管9与外部铜管10构成内腔中的水管 内通入冷却水，流动的冷却水可以带走导热铜管9的热量，在光纤激光器封 闭环境下依然可以保持泵浦耦合器在长时间工作时处于恒温工作状态。

导热铜管9中嵌有温度传感器12，可以实时监测泵浦耦合器的工作温度。 当工作温度超过阈值时，温度传感器12向温度控制器13发出信号；温度控 制器13向电源控制器14中发出指令，使得电源控制器14关闭工作温度过高 泵浦耦合器的泵浦源15，从而保护该泵浦耦合器免受损坏，使整个光纤激光 器能够继续工作。

本发明的一种用于千瓦级光纤激光器的泵浦耦合器，通过导热铜管、冷 却水散热和温度控制系统，使其能够在千瓦级光纤激光器中长时间稳定地工 作，尤其适用于工厂全天不间断生产的环境；同时，制作难度小，生产成本 低，能直接更换在光纤激光器中。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域 的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围 之内。