基于全反射和部分反射的双向光纤端帽的全光纤振荡器制造技术

一种基于全反射和部分反射的双向光纤端帽的全光纤振荡器，包括全反射双向光纤端帽(21)、部分反射双向光纤端帽(22)、掺稀土粒子增益光纤(23)、信号传能光纤(26)、泵浦传能光纤(27)、光纤耦合半导体激光器(25)、泵浦信号合束器(24)；反射中心波长匹配的全反射光纤端帽(21)和部分反射光纤端帽(22)构成激光器谐振腔；光纤耦合半导体激光器(25)的泵浦光通过泵浦/信号合束器(24)的泵浦臂注入到激光器谐振腔中、被掺稀土离子增益光纤(23)吸收后产生上能级粒子翻转，满足全反射双向光纤端帽和部分反射双向光纤端帽中心波长的激光在谐振腔中起振，获得对应波段的激光输出。

All-Fiber Oscillator Based on Total Reflection and Partial Reflection Bidirectional Fiber Endcap

An all-fiber oscillator based on total reflection and partial reflection bi-directional fiber end cap is proposed, which includes total reflection bi-directional fiber end cap (21), partial reflection bi-directional fiber end cap (22), rare earth doped particle gain fiber (23), signal energy transfer fiber (26), pumped energy transfer fiber (27), fiber-coupled semiconductor laser (25), pumped signal combiner (24) and wavelength-matched total reflection fiber. The end cap (21) and the partially reflective fiber end cap (22) constitute the laser resonator; the pump light of the fiber-coupled semiconductor laser (25) is injected into the laser resonator through the pump arm of the pump/signal combiner (24), and is absorbed by the rare earth ion-doped gain fiber (23) to produce the upper-level particle flip, which satisfies the excitation of the central wavelength of the end cap and the partially reflective bi-directional fiber end cap. Light is oscillated in the resonator and laser output in the corresponding band is obtained.

【技术实现步骤摘要】
基于全反射和部分反射的双向光纤端帽的全光纤振荡器
本技术总体地涉及光纤激光领域，具体涉及一种全光纤的振荡器。
技术介绍
高功率光纤激光器在激光切割、激光熔覆、3D打印等领域有着广泛的应用。光纤激光振荡器具有结构简单、稳定性好、使用方便等特性，是目前工业应用中使用较多的一类激光源。21世纪初，高功率光纤振荡器大多采用空间结构，利用空间的双色镜进行泵浦注入，利用空间的反射镜搭建谐振腔，由于空间机械结构稳定性较差，难以应用于实际工业生产中。随着光纤耦合半导体激光器、双包层增益光纤、双包层光纤光栅工艺成熟和功率的提升，基于光纤光栅作为谐振腔的全光纤振荡器得到了广泛的应用。随着应用领域的扩展，对激光输出功率要求不断提升，然而由于受到光纤光栅承受功率的限制，全光纤振荡器的输出功率提升遭遇了较大的技术瓶颈。目前一种提高激光器输出功率的方法就是采用主振荡功率放大结构的放大器。放大器结构复杂，在使用过程中，如果遭遇高反射金属，反射回光会影响激光功率稳定性，严重时会导致激光器烧毁。
技术实现思路
针对上述已有技术的不足，本技术提供了基于全反射和部分反射双向光纤端帽的全光纤振荡器，能够克服现有基于光纤光栅的全光纤激光振荡器功率提升的技术瓶颈，进一步提升全光纤激光振荡器的输出功率。本技术的技术方案是：一种基于全反射和部分反射的双向光纤端帽的全光纤振荡器，它包括全反射双向光纤端帽、部分反射双向光纤端帽、掺稀土离子增益光纤、泵浦信号合束器、光纤耦合半导体激光器、信号传能光纤、泵浦传能光纤；所述信号传能光纤将全反射双向光纤端帽、泵浦信号合束器、掺稀土离子增益光纤和部分反射双向光纤端帽依次连接；所述泵浦信号合束器有单个或多个泵浦臂以及一个信号输入臂、一个信号输出臂；一组光纤耦合半导体激光器通过泵浦传能光纤连接至泵浦信号合束器的泵浦臂，以使光纤耦合半导体激光器发出的泵浦光通过泵浦臂耦合到泵浦信号合束器输出臂的光纤内包层中，最终实现泵浦光在泵浦信号合束器的中传输；所述全反射双向光纤端帽和部分反射双向光纤端帽均包括光纤和与光纤连接的石英块；所述石英块为连接端面尺寸相同的圆台、柱体和输出曲面体依次连接而成的一体结构；所述光纤的一个端面与石英块的圆台的较小端面熔接，形成界面；所述全反射双向光纤端帽和部分反射双向光纤端帽中石英块的输出曲面体的曲面以光纤的纤芯中心延长线与界面的交点为球心，以石英块中心线在圆台和柱体和输出曲面体内的长度之和为曲率半径，以保证曲面反射的光束能够有效进入光纤纤芯中；所述全反射双向光纤端帽的输出曲面体的曲面上镀有对激光波段的全反射膜；所述部分反射双向光纤端帽的输出曲面体的曲面上镀有对激光波段的半透射半反射膜；所述全反射双向光纤端帽和部分反射双向光纤端帽组成部件的尺寸相同，通过镀膜实现反射中心波长的匹配，以构成谐振腔。进一步的，本技术的基于全反射和部分反射的双向光纤端帽的全光纤振荡器还包括后向泵浦信号合束器，所述后向泵浦信号合束器设置在掺稀土离子增益光纤和部分反射双向光纤端帽之间，通过信号传能光纤分别与掺稀土离子增益光纤和部分反射双向光纤端帽连接，后向泵浦信号合束器有一个或多个泵浦臂、一个信号输入臂、一个信号输出臂，另一组光纤耦合半导体激光器通过泵浦传能光纤连接至后向泵浦合束器的泵浦臂；泵浦信号合束器将与之连接的光纤耦合半导体激光器的功率注入掺稀土离子增益光纤中，后向泵浦信号合束器将与之连接的另一部分光纤耦合半导体激光器的功率注入掺稀土离子增益光纤中，实现双向泵浦方式提高注入至掺稀土离子增益光纤中的总泵浦功率，最终提高激光器的输出功率。进一步的，上述掺稀土离子增益光纤用于产生激光增益，其横截面结构为双包层或三包层结构；其纤芯直径在10～1000微米，内包层直径在100～2000微米之间；外包层直径在250～3000微米之间。进一步的，上述信号传能光纤为用于信号激光传输的非掺稀土离子光纤，其横截面结构为双包层或三包层结构；其纤芯直径在10-1000微米，内包层直径在100～2000微米之间；外包层直径在250～3000微米之间。进一步的，上述泵浦传能光纤为用于泵浦光传输的非掺稀土离子光纤，其横截面结构为单包层结构；其纤芯直径在10～1000微米，包层直径在100～000微米之间。进一步的，上述光纤耦合半导体激光器是激发掺稀土离子增益光纤产生上能级粒子的激励源，它包括与掺稀土离子增益光纤吸收峰匹配的各个波段的半导体激光器。更进一步的，上述半导体激光器的波段为808纳米、915纳米、940纳米、976纳米、1550纳米中的一个或多个的组合。进一步的，上述光纤是用于激光产生和传输的光纤，为掺稀土离子的增益光纤或不掺稀土离子的传能光纤；且光纤的横截面结构选自单包层、双包层和三包层结构的光纤横截面结构中的一种；光纤的纤芯直径在10～200微米范围内，当光纤的横截面结构为双包层结构时，纤芯直径在10～200微米范围内，内包层直径在100～1000微米之间；外包层直径在250～2000微米之间。进一步的，上述石英块的圆台的较小端面尺寸是光纤最外包层的直径的2-5倍；所述光纤与石英块熔接的界面为光滑平面，该光滑平面与光纤、石英块的长度方向和激光传输方向垂直。进一步的，上述石英块的柱体用于光纤端帽的机械加持和固定，其长度在10～100毫米之间，其直径在3～500毫米之间；所述柱体为圆柱体。本技术利用镀有全反射膜的全反射双向光纤端帽替代传统全光纤振荡器的全反射光纤光栅，利用镀有部分反射膜的部分反射双向光纤端帽替代传统全光纤振荡器中的低反射光纤光栅可以达到以下技术效果：1、能够克服光纤光栅承受功率较低的缺点，提高光纤振荡器的输出功率：传统全光纤激光器中使用的光纤光栅，其纤芯直径必须与增益光纤差别不大，激光反射面直径较小(一般为20～50微米)的纤芯中实现，其承受总功率较低；全反射双向光纤端帽和部分反射双向光纤端帽的激光反射面在端帽的大端，此处光束在光纤端帽的石英块传输过程中得到扩束，光束反射面直径(1～500毫米)远大于光纤光栅中光束反射直径(20～50微米)，可以承受更高的功率；利用双向光纤端帽，可以提高光纤振荡器的输出功率。2、同时实现激光的扩束输出：利用具有激光输出和反射功能的双向光纤端帽作为激光输出和反馈器件，不仅能够替代传统全光纤振荡器中的光纤光栅实现光束反馈，还能够实现激光光束的扩束输出。3、通过对部分反射双向光纤端帽输出端面镀不同反射率的膜层，可以实现不同输出功率和反射功率比例(0～100％)的激光输出和反射，能够适应不同激光波段对不同反馈的要求。附图说明从下面结合附图对本技术实施例的详细描述中，本技术的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：图1是本技术实施例的基于全反射和部分反射双向光纤端帽的全光纤振荡器结构示意图；图2是本技术实施例中使用的具有全反射功能的双向光纤端帽结构示意图；图3是本技术实施例中使用的具有部分反射功能的双向光纤端帽结构示意图；其中，图2和图3中，d1为光纤11纤芯的直径；R为输出曲面体14曲面镀膜的反射率；T为输出曲面体14曲面镀膜的透射率；LL是圆台18的长度；LR是柱体19的长度；LA为输出曲面体14的曲率半径。图4是本技术实施例的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于全反射和部分反射的双向光纤端帽的全光纤振荡器，其特征在于，它包括全反射双向光纤端帽(21)、部分反射双向光纤端帽(22)、掺稀土离子增益光纤(23)、泵浦信号合束器(24)、光纤耦合半导体激光器(25)、信号传能光纤(26)、泵浦传能光纤(27)；所述信号传能光纤(26)将全反射双向光纤端帽(21)、泵浦信号合束器(24)、掺稀土离子增益光纤(23)和部分反射双向光纤端帽(22)依次连接；所述泵浦信号合束器(24)有一个或多个泵浦臂、一个信号输入臂、一个信号输出臂；光纤耦合半导体激光器(25)中的一组通过泵浦传能光纤(27)连接至泵浦信号合束器(24)的泵浦臂；所述全反射双向光纤端帽(21)和部分反射双向光纤端帽(22)均包括光纤(11)和与光纤(11)连接的石英块(12)；所述石英块(12)为连接端面尺寸相同的圆台(18)、柱体(19)和输出曲面体(14)依次连接而成的一体结构；所述光纤(11)的一个端面与石英块(12)的圆台(18)的较小端面熔接，形成界面(13)；所述光纤(11)的纤芯中心线延长线为石英块(12)的圆台(18)和柱体(19)和输出曲面体(14)中心线；石英块(12)的输出曲面体(14)的表面以光纤(11)的纤芯中心延长线与界面(13)的交点为球心，以石英块(12)中心线在圆台(18)和柱体(19)和输出曲面体(14)内的长度之和为曲率半径的球冠；所述全反射双向光纤端帽(21)的输出曲面体(14)的曲面上有对激光波段的全反射膜；所述部分反射双向光纤端帽(22)的输出曲面体(14)的曲面上有对激光波段的半透射半反射膜；所述全反射双向光纤端帽(21)和部分反射双向光纤端帽(22)组成部件的尺寸相同，双向光纤端帽(21)的输出曲面体(14)的曲面上的全反射膜和部分反射双向光纤端帽(22)的输出曲面体(14)的曲面上的半透射半反射膜对激光的反射中心波长匹配，以构成激光器反馈谐振腔。...

【技术特征摘要】
1.一种基于全反射和部分反射的双向光纤端帽的全光纤振荡器，其特征在于，它包括全反射双向光纤端帽(21)、部分反射双向光纤端帽(22)、掺稀土离子增益光纤(23)、泵浦信号合束器(24)、光纤耦合半导体激光器(25)、信号传能光纤(26)、泵浦传能光纤(27)；所述信号传能光纤(26)将全反射双向光纤端帽(21)、泵浦信号合束器(24)、掺稀土离子增益光纤(23)和部分反射双向光纤端帽(22)依次连接；所述泵浦信号合束器(24)有一个或多个泵浦臂、一个信号输入臂、一个信号输出臂；光纤耦合半导体激光器(25)中的一组通过泵浦传能光纤(27)连接至泵浦信号合束器(24)的泵浦臂；所述全反射双向光纤端帽(21)和部分反射双向光纤端帽(22)均包括光纤(11)和与光纤(11)连接的石英块(12)；所述石英块(12)为连接端面尺寸相同的圆台(18)、柱体(19)和输出曲面体(14)依次连接而成的一体结构；所述光纤(11)的一个端面与石英块(12)的圆台(18)的较小端面熔接，形成界面(13)；所述光纤(11)的纤芯中心线延长线为石英块(12)的圆台(18)和柱体(19)和输出曲面体(14)中心线；石英块(12)的输出曲面体(14)的表面以光纤(11)的纤芯中心延长线与界面(13)的交点为球心，以石英块(12)中心线在圆台(18)和柱体(19)和输出曲面体(14)内的长度之和为曲率半径的球冠；所述全反射双向光纤端帽(21)的输出曲面体(14)的曲面上有对激光波段的全反射膜；所述部分反射双向光纤端帽(22)的输出曲面体(14)的曲面上有对激光波段的半透射半反射膜；所述全反射双向光纤端帽(21)和部分反射双向光纤端帽(22)组成部件的尺寸相同，双向光纤端帽(21)的输出曲面体(14)的曲面上的全反射膜和部分反射双向光纤端帽(22)的输出曲面体(14)的曲面上的半透射半反射膜对激光的反射中心波长匹配，以构成激光器反馈谐振腔。2.根据权利要求1所述的基于全反射和部分反射的双向光纤端帽的全光纤振荡器，其特征在于，还包括后向泵浦信号合束器(28)，所述后向泵浦信号合束器(28)设置在掺稀土离子增益光纤(23)和部分反射双向光纤端帽(22)之间，通过传能光纤(26)分别与掺稀土离子增益光纤(23)和部分反射双向光纤端帽(22)连接，后向泵浦信号合束器(28)有一个或多个泵浦臂、一个信号输入臂、一个信号输出臂；光纤耦合半导体激光器(25)中的另一组通过泵浦传能光纤(27)连接至后向泵浦信号合束器(28)的泵浦臂；泵浦信号合束器(24)将与之连接的光纤耦合...

【专利技术属性】
技术研发人员：王小林，曾令筏，张汉伟，杨宝来，王泽锋，许晓军，奚小明，史尘，周朴，司磊，陈金宝，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：新型
国别省市：湖南,43