大功率高效率光纤激光器和用于优化其墙插效率的方法技术

本发明专利技术激光器在所述激光器壳体内配置有多个带有尾纤的多模(MM)二极管激光器，其中每个二极管激光器在被保持在20℃‑25℃的室温下接收直流输入电流。二极管激光器均被配置为在优化工作范围内操作于期望波长下操作，在所述优化工作范围内所述二极管激光器在63％到75％之间的WPE范围操作。将在每个二极管激光器中输入的直流电流选择为低于所述二极管激光器的效率曲线上的阈值，在所述阈值之后在二极管激光器的输出功率继续增加时二极管激光器的效率开始降低。激光器还配置有包括有源光纤介质的光纤增益块，其中用累计泵浦输出来对所述有源光纤介质进行泵浦，所述有源光纤介质用于在优化工作范围内发射波长是期望波长并且功率范围在几百瓦至几十千瓦甚至几百千瓦之间的激光输出。相应的MM二极管激光器和光纤增益块的优化工作范围相互匹配，以便实现相应效率最大值的叠加，提供高至55％的整体最大系统效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及一种具有增强型墙插效率(“WPE”:WALLPLUGEFFICIENCY)的大功率光纤激光器以及配置具有增强型WPE的大功率光纤激光器的方法，其中所述增强型WPE超过45％。
技术介绍
由于大功率光纤激光器相较于传统激光源具有可靠性高、维护成本低、占用空间小和成本低的优点，已成为许多工业应用的首选激光器。光纤激光器和光纤耦合激光器市场的基本要求是减少成本。因此，尤其重要的是增加激光器的墙插效率，即总的电-光功率效率。通常，通过三个关键参数来确定固态激光器的效率：泵浦半导体激光二极管电-光转换效率、泵浦光到有源介质的耦合或传输效率以及有源增益介质的光-光转换效率和激光器本身的以下功率损耗。当然，还可以将这些参数拆分为子参数。泵浦半导体激光二极管的效率较高，大约是电-光效率的50％。实验室结果甚至更好，大约是电泵浦能量的70％或甚至更多转换为光。当这种输出的波长与光纤激光器的吸收谱线周密地相匹配时，将得到泵浦光纤激光器的增强型墙插效率(“WPE”)。光-光转换效率依赖于较小的量子缺陷、较大的激发和提取效率以及背景损耗。它可以大约是60％到90％。当然，光纤激光器系统的其他组件(诸如，激光器组件和电子元件的热量控制、用于监控二极管、AC-DC功率转换效率等的辅助控制电子元件)引入了附加损耗。然而，它们对系统总效率低下的累积影响是较不明显的。激光器领域的技术人员公知的是，除半导体激光器之外，所有已知其他类型的激光器(包括由受让人的制造并被指定为YLS-xxx-Y13的光纤激光器)的WPE也均操作在25％到35％的范围内。应提升该范围的上限，且应将所述上限大幅提升以满足市场的需要。因此，需要一种大功率光纤激光器，其中所述大功率光纤激光器的总WPE高于现有技术的WPE。优选地，Yb大功率光纤激光器在大约45％到55％之间的有效范围内操作。回到光纤激光器系统的特定组件，每个激光器组件具有自身的对不同参数的依赖关系。例如，电源的WPE依赖于输出电压和工作电流；泵浦激光二极管(“PLD”)的WPE依赖于LD电流等。具体地，激光二极管是效率低的。在激光二极管开始发光之前，所消耗的功率完全是被浪费的。光纤块(fiberblock)也存在相同问题，但是其损耗基本上低于激光二极管的损耗。电子组件(诸如，监控器、控制电路、驱动器和其他组件)对总损耗有所贡献，但是相较于激光二极管，在大输出功率的情况下它们的贡献微不足道。因此，还需要一种配置为使得每个组件在相应的最大效率范围下进行操作的大功率光纤激光器系统，其中所述最大效率范围将光纤激光器系统的总效率提升至高于55％的效率。参考使总体墙插效率低下的主要因素——PLD，在工作时存在一些损耗机制。一个是所谓的低于阈值(BelowThreshold)，在所述低于阈值的状态下包括一定量的驱动电流，其中仅将所述一定量的驱动电流消耗用于实现激光器内的粒子数反转。此外，存在一些消耗载流子的非辐射机制。第二种机制包括能带对准：激光二极管必须克服由于各种异质结界面的能带结构的未对准而导致的电压逆差(voltagedeficit)。在克服逆差之前，无法产生有用的光功率。另一种机制是载流子泄漏，载流子泄漏是指无法使之成为量子阱以高效地产生光子的双极性载流子。再一种公知机制是对所产生的光子的散射和吸收，所产生的光子由于在量子阱、波导或不完美的镜面内发生的散射而不会停留在波导中。附加地，可以通过自由载流子来吸收波导内的光子。最终，焦耳加热机制是由于二极管的有效串联电阻而引起的，包括接触电阻以及异质结本身的体电阻。在列出的所有损耗机制中，低于阈值机制对于PLD的WPE是最有害的。因此，还需要一种配置有一个或更多个PLD的大功率光纤激光器系统，其中每个PLD操作在高于LD操作效率降低的电流阈值处。
技术实现思路
通过所公开的大功率光纤激光器和用于配置这种系统的方法来解决上述需要。所公开的大功率光纤激光器系统配置有一个或更多个PLD，所述PLD发射耦合到增益介质内的多模光。在大功率光纤激光器系统(即，可操作用于输出信号光的系统，其中所述信号光的输出功率可以达到几十和几百kW)的任何设计下的前提之一是非常简单的且易于由激光领域的普通技术人员理解：增加每个激光二极管的功率。出于对大功率的不变追求，激光二极管领域中已实现相当高等级的功率。激光器领域的普通技术人员应易于认识到，可以在一些最大等级的二极管电流下实现达到最大可用功率。本公开的专利技术构思是基于相对与正常预期相反的方法。代替将PLD操作在高输入电流下以便引起最大功率，本专利技术使用低于某个预定阈值的电流电平，即在大于所述电流电平时尽管输出功率增加但PLD效率开始减小。优化的激光二极管增加的WPE与大功率光纤激光器系统的各个组件的其他优选参数相结合使得整个系统的总效率能够达到约55％。应注意，出于本专利技术的目的，WPE不包括操作任何水冷机来向激光器提供水冷冷却流体(例如，水)所需的功率。最大可达55％的WPE是首创的数字。申请人(均是在光纤激光器产业方面具有多年经验并在激光物理方面的高学历者)不知晓WPE接近甚至40％的单个可用光纤激光器(特别是大功率Yb光纤激光器)。此外，使用在低于阈值的电流电平下操作的激光二极管明显增加了二极管的使用寿命。减小单个PLD的功率导致缓解与高温相关的热动力过程的有害结果，其中所述高温低于与典型PLD相关联的高温。因此，操作所公开的光纤激光器系统的成本明显减小。尽管PLD引入的损耗是最大的，然而所公开的大功率光纤激光器的其他组件均配置为进行操作以便对增加的WPE有所贡献。基于上述内容，本专利技术的激光器在所述激光器壳体内配置有多个带有尾纤的多模(MM)二极管激光器，其中每个二极管激光器在被保持在20℃-25℃的室温下接收直流输入电流。二极管激光器均被配置为在优化工作范围内操作于期望波长下，在所述优化工作范围内所述二极管激光器在63％到75％之间的WPE范围操作。将输入每个二极管激光器中的直流电流选择为低于所述激光二极管的效率曲线上的阈值，在所述阈值之后在二极管激光器的输出功率继续增加时二极管激光器的效率开始降低。激光器还配置有包括有源光纤介质的光纤增益块，其中用累计泵浦输出来对所述有源光纤介质进行泵浦，所述有源光纤介质用于在优化工作范围内发射波长为期望波长并且输出功率的范围...

【技术保护点】
一种高墙插效率WPE光纤激光器，包括：多个带有尾纤的多模MM二极管激光器，其中每个二极管激光器在室温下接收直流输入电流并用于发出被共同耦接在累计泵浦输出中的相应输出，所述二极管激光器均被配置为在优化工作范围内操作于期望波长下，在所述优化工作范围内所述二极管激光器在63％到75％之间的WPE范围操作，其中所述直流输入电流低于所述二极管激光器的效率曲线上的阈值，在所述阈值之后在二极管激光器的输出功率继续增加时二极管激光器的效率开始降低；以及光纤增益块，包括增益介质，其中用累计泵浦输出来对所述增益介质进行泵浦，所述增益介质用于在优化工作范围内发射波长为期望波长并且功率在几百瓦至几十千瓦的范围之间的激光输出，其中所述光纤增益块操作在优化工作范围内，在所述优化工作范围内光‑光转换效率范围在80％至90％之间，其中各MM二极管激光器和光纤增益块的优化工作范围匹配，以便实现相应效率最大值的叠加，提供高至55％的整体最大系统效率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.02 US 61/910,798;2013.12.03 US 61/911,2971.一种高墙插效率WPE光纤激光器，包括：
多个带有尾纤的多模MM二极管激光器，其中每个二极管激光器
在室温下接收直流输入电流并用于发出被共同耦接在累计泵浦输出中
的相应输出，所述二极管激光器均被配置为在优化工作范围内操作于
期望波长下，在所述优化工作范围内所述二极管激光器在63％到75％
之间的WPE范围操作，其中所述直流输入电流低于所述二极管激光器
的效率曲线上的阈值，在所述阈值之后在二极管激光器的输出功率继
续增加时二极管激光器的效率开始降低；以及
光纤增益块，包括增益介质，其中用累计泵浦输出来对所述增益
介质进行泵浦，所述增益介质用于在优化工作范围内发射波长为期望
波长并且功率在几百瓦至几十千瓦的范围之间的激光输出，其中所述
光纤增益块操作在优化工作范围内，在所述优化工作范围内光-光转换
效率范围在80％至90％之间，
其中各MM二极管激光器和光纤增益块的优化工作范围匹配，以
便实现相应效率最大值的叠加，提供高至55％的整体最大系统效率。
2.根据权利要求1所述的高WPE光纤激光器，其中所述增益介
质掺杂有镱Yb离子，具有Yb增益块的光纤激光器的最大系统效率范
围在45％到55％之间。
3.根据权利要求1所述的高WPE光纤激光器，其中所述激光二
极管每个均在20℃至25℃之间变化的室温范围下操作在63％-75％的效
率范围内。
4.根据权利要求1所述的高WPE光纤激光器，还包括含有多个
数字组件的驱动单元，所述多个数字组件彼此相连以便输出耦接至相
应二极管激光器的输入的电流信号，所述驱动单元配置为操作在具有
98％效率最大值的优化效率范围内，其中该效率最大值与二极管激光器
和光纤增益块的对应最大效率相叠加以便提供在期望波长下的最大系
统效率。
5.根据权利要求4所述的高WPE光纤激光器，还包括电源块，

\t所述电源块对驱动单元提供能量并包括多个数字组件，所述数字组件
配置为在具有约95％效率最大值的优化效率范围内提供所述电源块的
操作，其中该效率最大值与二极管激光器、电源块和驱动器的相应最<...

【专利技术属性】
技术研发人员：瓦伦丁·盖庞特瑟夫，瓦伦丁·弗明，尤金·谢尔巴科夫，亚历克斯·奥夫契尼可夫，安东·费林，安德雷·阿布拉莫夫，
申请(专利权)人：IPG光子公司，
类型：发明
国别省市：美国;US