多波长泵浦源组件、光纤激光器及多波长泵浦光合束方法

摘要

本发明涉及多波长泵浦源技术领域，公开了一种多波长泵浦源组件及光纤激光器。一种多波长泵浦源组件，包括：至少两个发射不同波长泵浦光的泵浦源以及一波长合束器；所述波长合束器内部具有至少两组输入组件、多波长合束组件和输出组件；每个所述泵浦源发射的泵浦光分别通过对应所述输入组件准直后形成准直泵浦光，再经过所述多波长合束组件后，使得至少两个波长所述准直泵浦光在空间上重叠合束形成多波长泵浦光，最后通过所述输出组件耦合输出；至少两个发射不同波长泵浦光的泵浦源和波长合束器单独模组化制成，可以解决大功率多波长泵源结构复杂、工艺操作难度大、返工复杂等缺点。

说明书

【技术领域】

本发明实施例涉及泵浦源技术领域，尤其涉及一种多波长泵浦源组件。

【背景技术】

随着高功率激光器在工业制造领域的不断开括，光纤激光器作为高功率激光器的重要主体，运用市场也得到不断增加。光纤激光器具备成本低、高效节能、可靠性高，结构紧凑、运用方便等诸多优点。近年来，光纤激光器在超高功率、高亮度方面得到快速发展，大大提升了激光加工效率。作为光纤激光器最核心的器件，泵浦源设计上朝着更大功率、细光纤高亮度方面不断探索和突破。

目前泵源设计普遍还是采用多路芯片光路叠加，通过光斑整形、合束、聚焦的方式。为同时满足高功率高亮度输出，有部分激光厂商采用双波长或双波长合束的方式。在光束不变的情况下，将多波长泵浦光通过空间耦合到一起，实现多波长光束叠加，达到能量提高的目的。设计原理：设置2个或多个光发射模组，每个光发射模组波长一致；每个光发射模组在不同台阶上焊接了芯片，芯片输出光通过快慢轴压束整形后形成准直光；再通过不同高度的反射镜来调整激光传输方向，使多路光束进行高低整列叠加；不同波长的光束，可以通过波长合束模组，将不同波长光束重叠；最后通过透镜聚焦耦合进入光纤中，光束质量不变的情况下，大大提升了整体功率。多波长高功率泵源方便了光纤激光器的封装运用，随着功率越来越大，泵源结构越做越复杂，制作工艺难度大，耦合精度要求高，可靠性难控制，返修难等缺陷。

因此，需要设计一种单独模组化制成的多波长泵浦源组件。

【发明内容】

本发明实施例旨在提供一种多波长泵浦源组件，通过单独模组化制成，可以解决大功率多波长泵源结构复杂、工艺操作难度大、返工复杂等缺点。

本发明实施例解决其技术问题采用以下技术方案：

本发明的有益效果是：

一种多波长泵浦源组件，应用于光纤激光器中，包括：至少两个发射不同波长泵浦光的泵浦源以及一波长合束器；所述波长合束器具有至少两组输入组件、多波长合束组件和输出组件；每个所述泵浦源发射的泵浦光分别通过对应所述输入组件准直后形成准直泵浦光，再经过所述多波长合束组件后，使得至少两个波长所述准直泵浦光在空间上重叠合束形成多波长泵浦光，最后通过所述输出组件耦合输出。

进一步，每组所述输入组件均包括输入光纤和准直透镜，每个所述泵浦源发射的泵浦光经过对应所述输入光纤传输并通过对应所述准直透镜准直形成所述准直泵浦光；所述输入光纤和所述准直透镜为分体结构或者封装成一体形成准直光纤接头。

进一步，所述输出组件包括输出光纤和第一聚焦透镜，所述多波长泵浦光经过所述第一聚焦透镜聚焦后通过所述输出光纤输出；所述输出光纤和所述第一聚焦透镜为分体结构或者封装成一体形成耦合光纤接头。

进一步，所述输入光纤和所述输出光纤均为单芯光纤，所述输入光纤和所述输出光纤具有相同直径的纤芯和相同直径的包层。

进一步，所述多波长合束组件包括至少两个第一镀膜镜片，所述第一镀膜镜片用于反射和/或透射所述准直泵浦光，至少两个波长所述准直泵浦光通过所述至少两个第一镀膜镜片重叠合束形成所述多波长泵浦光。

进一步，所述多波长合束组件包括至少两个第一棱镜和一个第二棱镜，每一所述第一棱镜用于透射对应波长所述准直泵浦光，所述第二棱镜用于透射至少两个波长所述准直泵浦光并重叠合束形成所述多波长泵浦光。

进一步，所述波长合束器内部还具有指示光准直模组，所述指示光准直模组输出准直指示光，所述准直指示光通过所述多波长合束组件并与至少两个波长所述准直泵浦光合束，然后经过所述输出组件耦合输出；所述指示光准直模组包括指示光源和指示光准直镜，所述指示光源和所述指示光准直镜可为分体结构或封装成一体。

进一步，所述波长合束器内部具有回返光接收模组，所述光纤激光器返回的光纤激光通过所述输出组件准直后形成准直光纤激光，经过所述多波长合束组件后进入所述回返光接收模组。

进一步，所述回返光接收模组包括第二聚焦透镜、衰减片以及光电探测器，经所述多波长合束组件反射后的所述准直光纤激光依次通过所述第二聚焦透镜、所述衰减片和所述光电探测器。

进一步，所述波长合束器还包括一外壳，所述多波长合束组件位于所述外壳内；所述外壳的两侧分别设有多个第一开口和一第二开口，所述第一开口用于供对应波长的所述泵浦光通过，所述第二开口用于供所述多波长泵浦光通过。

一种光纤激光器，包括如上所述的多波长泵浦源组件。

一种多波长泵浦光合束方法，包括：输入至少两个不同波长泵浦光；分别将不同波长泵浦光准直形成准直泵浦光；将至少两个不同波长所述准直泵浦光重叠合束形成多波长泵浦光并耦合输出。

进一步，包括：输入准直指示光，将所述准直指示光、至少两个不同波长所述准直泵浦光进行合束并耦合输出。

与目前市场上的多波长泵浦源相比，本发明实施例提供的多波长泵浦源组件，将低功率第一泵浦源、第二泵浦源以及波长合束器分别单独模块化设置；可以很方便实现多波长集成，有利于泵浦源垂直整合，封装拆解容易；并且加入指示光输入功能，可以减少光纤激光器额外增加红光，加入回返光监测功能，可以减少光纤激光器额外增加回返光模组，有利于光纤激光器内部器件的整合。

【附图说明】

一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为本发明提供的多波长泵浦源的结构框图；

图2为本发明提供的多波长泵浦源的结构示意图；

图3为图2中光纤合束器的立体结构示意图；

图4为图3中光纤合束器内部光学组件的光路示意图；

图5为本发明实施例中多波长泵浦光合束方法的流程图。

【具体实施方式】

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”/“固接于”/“安装于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“内”、“外”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

此外，下面所描述的本发明不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

多波长高功率泵浦源方便了光纤激光器的封装运用，然而随着功率越来越大，泵浦源结构越做越复杂，制作工艺难度大，耦合精度要求高，可靠性难控制，返修较难。因此，需要设计一种单独模组化制成的多波长泵浦源组件。

请先参阅图1，其示出了本发明其中一实施例提供的多波长泵浦源组件100的结构示意图，该多波长泵浦源组件100应用于光纤激光器中，包括：至少一第一泵浦源200和一第二泵浦源300以及一波长合束器900；波长合束器900具有至少两组输入组件910、多波长合束组件920、输出组件930；所述至少两组输入组件包括一组第一输入组件和一组第二输入组件，第一泵浦源200发射的第一波长泵浦光L1经过第一输入组件准直形成第一准直泵浦光L1，第二泵浦源300发射的第二波长泵浦光L2经过所述第二输入组件准直形成第二准直泵浦光L2；第一准直泵浦光L1和第二准直泵浦光L2通过多波长合束组件920重叠合束形成多波长泵浦光Ln，多波长泵浦光Ln通过输出组件930耦合输出。

在本实施例中，多波长泵浦源组件100包括第一泵浦源200，第二泵浦源300，在其他实施例中，多波长泵浦源组件100还包括第三泵浦源，第四泵浦源等等，不限于此，其中单一集成的泵浦源(第一泵浦源200、第二泵浦源300、第三泵浦源、第四泵浦源)均为单波长泵浦源，并且每一单波长泵浦源的波长不同。

图2为一个优选的实施的多波长泵浦源组件100，包括一第一泵浦源200和一第二泵浦源300、一第三泵浦源400以及一波长合束器900。第一泵浦源200，第二泵浦源300、第三泵浦源400均通过传输光纤503与波长合束器900相互连接。

第一泵浦源200包括第一壳体201、以及收容于第一壳体201内的第一半导体芯片组202和设于第一壳体201上的第一输出光纤203，第一半导体芯片组202产生的第一泵浦光L1通过所述第一输出光纤203输出；第二泵浦源300包括第二壳体301、以及收容于第二壳体301内的第二半导体芯片组302和设于第二壳体301上的第二输出光纤303，第三泵浦源400包括第二壳体401、以及收容于第二壳体401内的第二半导体芯片组402和设于第二壳体401上的第二输出光纤403。

在本实施例中，第一泵浦源200、第二泵浦源300、第三泵浦源400的功率均为50-500w之间，多波长泵浦源组件100的功率为100-1500W。

波长合束器900包括外壳940和固定于外壳940上的盖板(未图示)，外壳940具有第一侧以及与第一侧相邻的第二侧，第一侧上具有多个第一开口941，第二侧具有一个第二开口942，第一开口941用于供对应波长的泵浦光(L1、L2、L3)通过，第二开口942用于供多波长泵浦光通过。

波长合束器900包括输入组件910、多波长合束组件920和输出组件930。多波长合束组件920位于外壳940内部。输入组件910包括第一输入组件、第二输入组件和第三输入组件，第一泵浦源200发射的第一波长泵浦光经过第一输入组件准直形成所述第一准直泵浦光，第二泵浦源300发射的第二波长泵浦光经过第二输入组件准直形成所述第二准直泵浦光，第三泵浦源400发射的第三波长泵浦光经过第三输入组件准直形成第三准直泵浦光。

第一输入组件包括第一输入光纤911和第一准直透镜912，第二输入组件包括第二输入光纤913和第二准直透镜914，第三输入组件包括第三输入光纤915和第三准直透镜916。在本实施例中，第一输入光纤911和第一准直透镜912为分体结构，第二输入光纤913和第二准直透镜914为分体结构，第三输入光纤915和第三准直透镜916为分体结构；所述第一准直透镜912位于所述第一输入光纤911的出光方向上，第二准直透镜914位于第二输入光纤913的出光方向上，第三准直透镜916位于第二输入光纤915的出光方向上。第一输入光纤911、第二输入光纤913和第三输入光纤915分别插接于多个第一开口941，多个第一开口941作为第一泵浦光、第二泵浦光、第三泵浦光的输入通道，第一准直透镜912、第二准直透镜914、第三准直透镜916位于外壳940内部且相互平行设置。第一波长泵浦光经过第一输入光纤911传输并通过第一准直透镜912准直形成第一准直泵浦光；第二波长泵浦光通过第二输入光纤913传输并经过所述第二准直透镜914准直形成第二准直泵浦光；第三波长泵浦光通过第三输入光纤915传输并经过第三准直透镜916准直形成第三准直泵浦光。

在其他实施例中，第一输入光纤911和第一准直透镜912封装成一体形成第一准直光纤接头，第二输入光纤913和第二准直透镜914封装成一体形成第二准直光纤接头，第三输入光纤915和第三准直透镜916封装成一体形成第三准直光纤接头，第一准直输入接头、第二准直输入接头、第三准直输入接头分别插接于多个第一开口941。第一波长泵浦光经过第一准直光纤接头传输并准直形成第一准直泵浦光，第二波长泵浦光经过第二准直光纤接头传输并准直形成所述第二准直泵浦光，第三波长泵浦光经过第三准直光纤接头传输并准直形成所述第三准直泵浦光。

如图2所示，第一泵浦源200的第一输出光纤203与波长合束器900的第一输入组件中的第一输入光纤911相连接，第一泵浦源200产生的第一泵浦光通过第一输出光纤203输出并传输至第一输入光纤911从而输送到外壳940内部；第二泵浦源300的第二输出光纤303与波长合束器900的第二输入组件中的第二输入光纤913相连接，第二泵浦源300产生的第二泵浦光通过第二输出光纤303输出并传输至第二输入光纤913从而输送到外壳940内部；第三泵浦源400的第三输出光纤403与波长合束器900的第三输入组件中的第三输入光纤915相连接，第三泵浦源400产生的第三泵浦光通过第三输出光纤403输出并传输至第三输入光纤915从而输送到外壳940内部。

第一准直泵浦光L1、第二准直泵浦光L2和第三准直泵浦光L3通过多波长合束组件920重叠合束形成多波长泵浦光Ln。第一波长泵浦光L1、第二波长泵浦光L2、第三波长泵浦光L3为不同波长的泵浦光。作为例子，第一波长泵浦光L1、第二波长泵浦光L2、第三波长泵浦光L3的波段分别为915nm、945nm、976nm。

波长合束器900具有指示光准直模组950，在本实施例中，指示光准直模组950为红光准直模组，红光波段为620-760nm。在其他实施例中，可为其他颜色的指示光准直模组950。指示光准直模组950包括指示光源951和指示光准直透镜952，在本实施中指示光源951和指示光准直透镜952封装成一体形成TO封装结构，插接于外壳940的一侧的第三开口943内，指示光准直模组950将发出的准直指示光输入至波长合束器900的外壳940内部，准直指示光经过多波长合束组件920与第一准直泵浦光L1、第二准直泵浦光L2、第三准直泵浦光L3合束，达到激光指示作用。在其他实施例中指示光源951和指示光准直透镜952可为分体结构，指示光源951插接于外壳940的一侧的第三开口943内，指示光准直透镜952位于外壳940内，指示光源951发出的指示光束经过指示光准直透镜952形成准直指示光束并输入至多波长合束组件920。

输出组件930包括输出光纤931和第一聚焦透镜932，输出光纤931与第一输入光纤911、第二输入光纤913、第三输入光纤915均为单芯光纤，第一输入光纤911、第二输入光纤913、第三输入光纤915和输出光纤931具有相同直径的纤芯和相同直径的包层，能保证整体通过的多波长泵浦光的光束质量不变。在本实施例中，输出光纤931和第一聚焦透镜932为分体结构，输出光纤931位于第二开口942内，第一聚焦透镜932位于外壳940内，输出光纤931插接于第一聚焦透镜932的出光方向上。多波长泵浦光和准直指示光通过第一聚焦透镜932耦合后，通过单一输出光纤931输出到外壳940外部。在其他实施例中，输出光纤931和第一聚焦透镜932可以封装成一体形成耦合光纤接头，耦合光纤接头插接于第二开口942内，多波长泵浦光和准直指示光直接通过耦合光纤接头输出到外壳940外部。

波长合束器900的外壳940具有回返光接收模组960，光纤激光器返回的光纤激光输入至输出光纤931并通过所述第一聚焦透镜932准直后形成准直光纤激光，经过多波长合束组件920后进入回返光接收模组960，回返光接收模组960用于检测外部的回返光，防止对光纤激光器的内部损伤，放入波长合束器900的外壳940内可以避免在光纤激光器内部再额外增加回返光接收模组960，便于模块化管理。

回返光接收模组960包括沿回返光方向依次设置的第二聚焦透镜961、衰减片962和光电探测器(PD)963，第二聚焦透镜961、衰减片962位于外壳940内，光电探测器(PD)963位于外壳940内或外壳940一侧的第四开口944。经过多波长合束组件920后的准直光纤激光经过第二聚焦透镜961聚焦后，再透过衰减片962进行衰减后再进入光电探测器(PD)963内。衰减片962对回返光进行衰减后可保护光电探测器(PD)963，避免被光纤激光损伤。光电探测器(PD)963用于探测返回的光纤激光强度。

如图4所示，在本实施例中，多波长合束组件950包括多个镀膜镜片，多个镀膜镜片包括三个相互平行设置的第一镀膜镜片(921、922、923)，第一镀膜镜片(921、922、923)具有第一反射面和/或第一透射面，第一反射面用于反射射入的准直泵浦光，第一透射面用于透射射入的准直泵浦光。

多个第一镀膜镜片(921、922、923)分别对应位于第一输入组件、第二输入组件、第三输入组件的出光方向上，第一准直泵浦光L1、第二准直泵浦光L2、第三准直泵浦光L3通过多个第一镀膜镜片(921、922、923)反射和/或透射后重叠合束形成多波长泵浦光。

多个镀膜镜片包括一第二镀膜镜片924，第二镀膜镜片924与多个第一镀膜镜片(921、922、923)平行设置。第二镀膜镜片924具有第二反射面和/或第二透射面，第二镀膜镜片924设于指示光准直模组950出光方向上，指示光准直模组950将发出的准直指示光经过所述第二镀膜镜片924反射或透射后通过多个第一镀膜镜片(921、922、923)与第一准直泵浦光L1、第二准直泵浦光L2、第三准直泵浦光L3重叠合束，然后经过所述第一聚焦透镜932聚焦后通过所述输出光纤931输出。

多个镀膜镜片包括一第三镀膜镜片925，第三镀膜镜片925与多个第一镀膜镜片(921、922、923)平行设置。第三镀膜镜片925具有第三反射面和/或第三透射面，准直光纤激光经过第三镀膜镜片925反射或透射后依次通过第二聚焦透镜961、衰减片962和光电探测器963。多波长泵浦光Ln经过第三镀膜镜片925反射或透射后，再经过所述第一聚焦透镜932耦合并通过输出光纤931输出到外壳940的外部。

在其他实施例中，多波长合束组件包括至少两个第一棱镜和一个第二棱镜，每一第一棱镜用于透射对应波长准直泵浦光，第二棱镜用于透射至少两个波长准直泵浦光并重叠合束形成多波长泵浦光。

如图1所示，波长合束器900的外壳940还安装有接入水管接头971、输出水管接头972，接入水管接头971用于将外部冷却水接入外壳940对波长合束器900的光学器件进行冷却并通过输出水管接头输出。输出光纤931外部套设有松套管933，松套管933用于保护光纤免受内部应力与外部侧压力影响。在第二开口942外安装有光纤固定扣934，用于固定松套管933并保护输出光纤931。

一种光纤激光器，包括如上述的多波长泵浦源组件100。

如图5，一种多波长泵浦光合束方法，包括：输入至少两个不同波长泵浦光；分别将不同波长泵浦光准直形成准直泵浦光；将至少两个不同波长准直泵浦光重叠合束形成多波长泵浦光并耦合输出。

输入准直指示光，将准直指示光、第一准直光束、第二准直光束进行合束并耦合输出。

本实施例中波长合束器的制作方法如下：1、结构件安装，在外壳内将陶瓷垫片进行粘结固定，在外壳外部将接入水管接头、输出水管接头粘结固定；2、将输出光纤、第一聚焦透镜固定于外壳内，输出光纤和第一聚焦透镜为分体结构或者封装成一体形成耦合光纤接头；3、将指示光准直模组、输入组件、回返光接收模组固定于外壳内，其中指示光准直模组包括指示光源和指示光准直镜、指示光源和指示光准直镜可为分体结构或封装成一体，输入组件包括输入光纤和准直透镜、指示光源和指示光准直镜可为分体结构或封装成一体，回返光接收模组安装过程中，先安装光电探测器(PD)和衰减片，再固定第二聚焦透镜。4、耦合光电探测器(PD)，将输出光纤反向通光，固定第五镀膜镜片925并调整其角度，将光电探测器(PD)耦合接收效率调到最高。5、耦合泵浦光，固定第一镀膜镜片921、第二镀膜镜片922、第三镀膜镜片923并调试第一镀膜镜片921、第二镀膜镜片922、第三镀膜镜片923角度，对不同波长进行反射，使多路泵浦光传输方向一致，光束叠加，在将多波长泵浦光一起通过耦合至光纤。6、固定第四镀膜镜片924并调试第四镀膜镜片角度，对指示光进行反射，透过第一镀膜镜片921、第二镀膜镜片922、第三镀膜镜片924，使得指示光与多波长泵浦光传输方向一致，并通过耦合至光纤。

波长合束器的泵浦输入端可以设置2路或多路；红光输入和PD探测功能可以取消也可以增加。整体结构也可以根据使用用途，功率大小、散热要求等，来调整结构尺寸。以上是本方案的常用功能设置，并非对其进行限制。本方案适合波长通道不同数量、以及红光和PD探测的取消和增加。

本发明提供的一种独立的波长合束器件，不同波长泵源可以单独模组化制作，可以很方便实现多波长集成；同时可以将指示光耦合至光路中，也可以通过光探测器(PD)来监控回返光情况。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。