CN102055127B - 带防反射装置的保偏光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及带防反射装置的保偏光纤激光器，由线偏振光纤激光器单元(1)、保偏光纤合束器(2)、大芯径保偏匹配光纤(3)、光纤端帽(4)、光学准直系统(5)、偏振分光镜(6)、λ/4波片(7)、光学准直聚焦系统(8)、光吸收体(9)组成，线偏振光纤激光器单元(1)输出高功率线偏振激光，经准直系统和偏振分光镜(6)及λ/4波片(7)组成的防反射装置对材料进行加工。λ/4波片改变工件反射光束的偏振特性，再偏振分光镜将反射光从光纤激光器的出射光束中分离，使反射光无法照射到激光器内部。本发明可获得高功率线偏振激光输出，防止反射光对激光器的损伤，保证激光器在激光加工过程中具有较高的系统稳定性。
Description
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，特别涉及带防反射装置的保偏光纤激光器。
背景技术
激光加工是一门发展极快的高新技术，目前其应用范围已遍及各行各业，不仅广泛用于打孔、打标、切割、焊接和热处理等方面，而且广泛用于各种精细加工。特别在有色金属材料加工方面，激光加工更表现出了独特的优势。激光器作为激光加工系统的核心元件，其技术水平很大程度上决定了激光加工的质量。目前应用于激光加工的激光器主要是CO2激光器和Nd:YAG固体激光器。两种激光器中，CO2激光器维持费用高，柔性差，广泛应用受到很大限制；由于材料对激光吸收具有波长选择性，一般金属材料对波长较短的激光更易吸收，短波长的Nd:YAG固体激光器激光波长为1μm在金属材料加工方面比CO2激光激光波长为10.6μm更有优势。而固体Nd:YAG激光器虽然吸收率较高，但Nd:YAG激光器体积庞大，而且输出功率有限。作为第三代激光器的光纤激光器，不仅输出波长与YAG激光器波长相同，而且体积小，寿命长，效率高，光束质量好，维护简单，可用光纤传输，在高温高压、高震动、高冲击的恶劣环境中可正常运转。
由于光纤激光器的应用范围广，人们希望得到更高功率、更高光束质量激光输出的光纤激光器来满足激光工业加工领域的需要。近年来，人们对于高功率光纤激光器的研究主要集中在高功率激光输出及高光束质量方面。目前美国的IPG公司研制的光纤激光器已实现9.6KW激光单模输出，其他公司及研究院所也竞相研制出千瓦级高功率光纤激光器。然而在工业加工应用中，高功率光纤激光器极易受到反射光的影响，大大限制了光纤激光器在工业加工领域的应用。当激光辐射到材料表面时，材料表面会对激光进行反射，特别是金属材料，反射率很高，反射的激光会通过光学系统聚焦在出射光纤端面，将光纤烧毁，甚至通过光纤传输到光纤激光器，形成调Q，造成光纤激光器输出巨脉冲，一方面影响材料加工的稳定性，或损伤光纤激光器，有效防止激光反射是困扰光纤激光材料加工的主要问题，必需要进行防止。
目前，防止激光的反射大多采用带法拉第旋光器的光隔离器，但是这种光隔离器不能承受大功率激光辐射，在千瓦级的激光材料加工中不适用。有的是在加工中使得加工表面与光纤激光器输出端面具有一定的倾斜角度约10度，这样做虽然能够防止反射光的损伤，但是同时也限制了某些工艺的应用，且加工过程中，若激光焊接过程中熔池的流动是随机的，形成的反射面也是随机的，因此反射光也有可能反射到光纤出射口，将光纤甚至光纤激光器烧损。对反射光进行实时测量的方法虽然能够测量到反射光但是不能真正防止反射光的对激光器的损伤。
发明内容
本发明的目的是克服现有高功率光纤激光器的不足，提供可有效防止反射光对激光器造成损伤的带防反射装置的保偏光纤激光器。
本发明采用的技术方案是，按照本发明所述的带防反射装置的保偏光纤激光器，包括：线偏振光纤激光器单元1、保偏光纤合束器2、大芯径匹配保偏光纤3、光纤端帽4、光学准直系统5、偏振分光镜6、λ/4波片7、光学准直聚焦系统8、光吸收体9，其特征在于：线偏振光纤激光器单元1经保偏光纤合束器2合束后与带有光纤端帽4的大芯径匹配保偏光纤3相熔接；输出的线偏振激光出射光束L经光学准直系统5后进入偏振分光镜6，再经过λ/4波片7得到圆偏振激光光束L1，圆偏振激光光束L1经置于λ/4波片7之后的光学聚焦系统8聚焦照射到工件10上，经工件反射的反射光束L2沿原出射光路返回，再次经过λ/4波片7后变为与线偏振激光出射光束L偏振方向垂直的线偏振反射光束L3，线偏振反射光束L3经过偏振分光镜5后，偏离线偏振激光出射光束L的方向，照射到光吸收体9上。
所述的线偏振光纤激光器单元1包括带尾纤的半导体泵浦源11、信号光反射保偏光纤光栅12、保偏掺杂光纤13、输出耦合保偏光纤光栅14、泵浦光剥离器15，保偏掺杂光纤13两端分别与信号光反射保偏光纤光栅12及输出耦合保偏光纤光栅14相熔接；带尾纤的半导体泵浦源11与信号光反射保偏光纤光栅12另一端相熔接，输出耦合保偏光纤光栅14输出端与泵浦光剥离器15相熔接。
上述的线偏振光纤激光器单元1为两个以上。
上述的偏振分光镜6为P线偏振光透射S线偏振光反射式分光镜或S线偏振光透射P线偏振光反射式分光镜。
上述的λ/4波片7为透射式波片或反射式波片。
上述的带防反射装置的保偏光纤激光器包括两个或多个线偏振光纤激光器单元，且每个线偏振光纤激光器单元都是独立的，单个线偏振光纤激光器单元的损坏只会影响最终输出激光的总功率，而不会对整个光纤激光器输出激光产生决定性的影响，因此，本发明具有较高的系统稳定性。
另外一种带防反射装置的保偏光纤激光器，包括：线偏振光纤激光器单元1、光纤端帽4、光学准直系统5、偏振分光镜6、λ/4波片7、光学准直聚焦系统8、光吸收体9，线偏振光纤激光器单元1输出的线偏振激光出射光束L经光学准直系统5后进入偏振分光镜6，再经过λ/4波片7得到圆偏振激光光束L1，圆偏振激光光束L1经置于λ/4波片7之后的光学准直聚焦系统8聚焦后照射到工件10上，工件反射的反射光束L2沿原出射光路返回，再次经过λ/4波片7后变为与线偏振激光出射光束L偏振方向垂直的线偏振反射光束L3，线偏振反射光束L3经过偏振分光镜5后，偏线偏振激光出射光束L的方向，照射到光吸收体9上。
所述的线偏振光纤激光器单元1包括带尾纤的半导体泵浦源11、信号光反射保偏光纤光栅12、保偏掺杂光纤13、输出耦合保偏光纤光栅14、泵浦光剥离器15，保偏掺杂光纤13两端分别与信号光反射保偏光纤光栅12及输出耦合保偏光纤光栅14相熔接；带尾纤的半导体泵浦源11与信号光反射保偏光纤光栅12另一端相熔接，输出耦合保偏光纤光栅14输出端与泵浦光剥离器15相熔接。
所述的偏振分光镜6为P线偏振光透射S线偏振光反射式分光镜或S线偏振光透射P线偏振光反射式分光镜。
带防反射装置的保偏光纤激光器，其特征在于：所述的λ/4波片7为透射式波片或反射式波片。
保偏光纤合束器2为将与各个线偏振光纤激光器单元1输出保偏光纤相匹配的保偏光纤17经熔融拉锥后与大芯径匹配保偏光纤3对准后相熔接。
采用上述技术方案，本发明具有下列优点：
本发明所述高功率线偏振光纤激光器具有独立的线偏振光纤激光器单元，可通过合束方式获得高功率线偏振光激光输出，其防反射光装置可以有效防止反射光对激光器的损伤，因此适合于制作系统稳定性较高的工业加工用高功率偏振光纤激光器。
附图说明
图1是本发明所述带防反射装置的保偏光纤激光器结构示意图1；
图2是本发明所述带防反射装置的保偏光纤激光器结构示意图2；
图3是本发明所述带防反射装置的保偏光纤激光器结构示意图3；
图4是本发明所述带防反射装置的保偏光纤激光器结构示意图4；
图5是本发明所述带防反射装置的保偏光纤激光器结构示意图5；
图6是本发明所述带防反射装置的保偏光纤激光器结构示意图6；
图7是本发明所述带防反射装置的保偏光纤激光器结构示意图7；
图8是本发明所述带防反射装置的保偏光纤激光器结构示意图8
图9是本发明所述保偏合束器结构示意图
图中：1、线偏振光纤激光器单元，2、保偏光纤合束器，3、大芯径匹配光纤，4、光纤端帽，5、光学准直系统，6、偏振分光镜，7、λ/4波片，8、光学准直聚焦系统，9、光吸收体，10、工件，11、带尾纤的半导体泵浦源，12、信号光反射保偏光纤光栅，13、保偏掺杂光纤，14、输出耦合保偏光纤光栅，15、泵浦光剥离器，16、单元线偏振激光器输出尾纤；
L、线偏振激光出射光束，L1、圆偏振激光光束，L2、反射光束，L3、线偏振反射光束。
具体实施方式
为进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例，对本发明提出的，进行详细说明如下。
实施例1：
本发明带防反射装置的保偏光纤激光器结构如图1-4所示，包括：线偏振光纤激光器单元1、保偏光纤合束器2、大芯径匹配保偏光纤3、光纤端帽4、光学准直系统5、偏振分光镜6、λ/4波片7、光学准直聚焦系统8、光吸收体9、加工件10。
将各线偏振光纤激光器单元1经保偏光纤合束器2合束后与带有光纤端帽4的大芯径匹配保偏光纤3相熔接；输出的线偏阵激光出射光束L经光学准直系统5后进入偏振分光镜6，再经过λ/4波片7得到圆偏振激光光束L1，光学准直聚焦系统8置于λ/4波片7之后的激光光路中，圆偏振激光光束L1经聚焦后照射到工件上后，工件反射的部分反射光束L2沿原出射光路返回，再次经过λ/47波片后变为与线偏阵激光出射光束L偏振方向垂直的线偏振反射光束L3，偏振反射光束光束L3经过偏振分光镜后，会偏离线偏振激光出射光束L的方向，照射到吸收体上。导致偏振反射光束光束L3无法沿线偏阵激光出射光束L的方向反射到光纤激光器内部，实现了光纤激光器在激光材料加工过程中防止反射光损伤的目的。当偏振分光镜6与λ/4波片7为线偏阵激光出射光束L透射式时，带防反射装置的保偏光纤激光器结构如图1所示。当偏振分光镜6为线偏阵激光出射光束L透射式，λ/4波片7为反射式时，带防反射装置的保偏光纤激光器结构如图2所示。当偏振分光镜6为线偏阵激光出射光束L反射式，λ/4波片7为透射式时，带防反射装置的保偏光纤激光器结构如图3所示。当偏振分光镜6为线偏阵激光出射光束L反射式，λ/4波片7为反射式时，带防反射装置的保偏光纤激光器结构如图4所示。
实施例2：
本发明带防反射装置的保偏光纤激光器结构如图5-8所示，包括：线偏振光纤激光器单元1、光纤端帽4、光学准直系统5、偏振分光镜6、λ/4波片7、光学准直聚焦系统8、光吸收体9，线偏振光纤激光器单元1输出的线偏振激光出射光束L经光学准直系统5后进入偏振分光镜6，再经过λ/4波片7得到圆偏振激光光束L1，光学准直聚焦系统8置于λ/4波片7之后的激光光路中，圆偏振激光光束L1经聚焦后照射到工件上后，工件反射的部分反射光束L2沿原出射光路返回，再次经过λ/47波片后变为与线偏振激光出射光束L偏振方向垂直的线偏振反射光束L3，线偏振反射光束L3经过偏振分光镜后，会偏离线偏振激光出射光束L的方向，照射到吸收体上。导致偏振反射光束光束L3无法沿线偏阵激光出射光束L的方向反射到光纤激光器内部，实现了光纤激光器在激光材料加工过程中防止反射光损伤的目的。当偏振分光镜6与λ/4波片7为线偏阵激光出射光束L透射式时，带防反射装置的保偏光纤激光器结构如图5所示。当偏振分光镜6为线偏阵激光出射光束L透射式，λ/4波片7为反射式时，带防反射装置的保偏光纤激光器结构如图6所示。当偏振分光镜6为线偏阵激光出射光束L反射式，λ/4波片7为透射式时，带防反射装置的保偏光纤激光器结构如图7所示。当偏振分光镜6为线偏阵激光出射光束L反射式，λ/4波片7为反射式时，带防反射装置的保偏光纤激光器结构如图8所示。
保偏光纤合束器2为将与各个线偏振光纤激光器单元1输出保偏光纤相匹配的保偏光纤17经熔融拉锥后与大芯径匹配保偏光纤3对准后相熔接。其结构如图9所示。
根据以上描述和附图，可以更充分的理解本发明，给出这些附图仅仅是为了说明的目的，而不是对本发明的限制。
根据以上描述可以进一步清楚本发明的应用范围。然而应当明白，虽然给出了本发明的优选实施例，但仅仅为了说明的目的。偏振分光镜6及λ/4波片7可有不同形式及规格参数，根据这些详细的描述，本领域专业人员显然知道，在本发明的精神和范围内可以将偏振分光器件、延迟器件参数作各种变化和改动。
Claims (7)
1.带防反射装置的保偏光纤激光器，包括：线偏振光纤激光器单元(1)、保偏光纤合束器(2)、大芯径匹配保偏光纤(3)、光纤端帽(4)、光学准直系统(5)、偏振分光镜(6)、λ/4波片(7)、光学准直聚焦系统(8)、光吸收体(9)，其特征在于：线偏振光纤激光器单元(1)经保偏光纤合束器(2)合束后与带有光纤端帽(4)的大芯径匹配保偏光纤(3)相熔接；输出的线偏振激光出射光束L经光学准直系统(5)后进入偏振分光镜(6)，再经过λ/4波片(7)得到圆偏振激光光束L1，圆偏振激光光束L1经置于λ/4波片(7)之后的光学聚焦系统(8)聚焦照射到工件(10)上，经工件反射的反射光束L2沿原出射光路返回，再次经过λ/4波片(7)后变为与线偏振激光出射光束L偏振方向垂直的线偏振反射光束L3，线偏振反射光束L3经过偏振分光镜(5)后，偏离线偏振激光出射光束L的方向，照射到光吸收体(9)上；
所述的线偏振光纤激光器单元(1)包括带尾纤的半导体泵浦源(11)、信号光反射保偏光纤光栅(12)、保偏掺杂光纤(13)、输出耦合保偏光纤光栅(14)、泵浦光剥离器(15)，保偏掺杂光纤(13)两端分别与信号光反射保偏光纤光栅(12)及输出耦合保偏光纤光栅(14)相熔接；带尾纤的半导体泵浦源(11)与信号光反射保偏光纤光栅(12)另一端相熔接，输出耦合保偏光纤光栅(14)输出端与泵浦光剥离器(15)相熔接。
2.根据权利要求1所述的带防反射装置的保偏光纤激光器，其特征在于：所述线偏振光纤激光器单元(1)为两个以上。
3.根据权利要求1或2所述的带防反射装置的保偏光纤激光器，其特征在于：所述的偏振分光镜(6)为P线偏振光透射S线偏振光反射式分光镜或S线偏振光透射P线偏振光反射式分光镜。
4.根据权利要求1或2所述的带防反射装置的保偏光纤激光器，其特征在于：所述的λ/4波片(7)为透射式波片或反射式波片。
5.带防反射装置的保偏光纤激光器，包括：线偏振光纤激光器单元(1)、光纤端帽(4)、光学准直系统(5)、偏振分光镜(6)、λ/4波片(7)、光学准直聚焦系统(8)、光吸收体(9)，其特征在于：线偏振光纤激光器单元(1)输出的线偏振激光出射光束L经光学准直系统(5)后进入偏振分光镜(6)，再经过λ/4波片(7)得到圆偏振激光光束L1，圆偏振激光光束L1经置于λ/4波片(7)之后的光学准直聚焦系统(8)聚焦后照射到工件(10)上，工件反射的反射光束L2沿原出射光路返回，再次经过λ/4波片(7)后变为与线偏振激光出射光束L偏振方向垂直的线偏振反射光束L3，线偏振反射光束L3经过偏振分光镜(5)后，偏离线偏振激光出射光束L的方向，照射到光吸收体(9)上；
所述的线偏振光纤激光器单元(1)包括带尾纤的半导体泵浦源(11)、信号光反射保偏光纤光栅(12)、保偏掺杂光纤(13)、输出耦合保偏光纤光栅(14)、泵浦光剥离器(15)，保偏掺杂光纤(13)两端分别与信号光反射保偏光纤光栅(12)及输出耦合保偏光纤光栅(14)相熔接；带尾纤的半导体泵浦源(11)与信号光反射保偏光纤光栅(12)另一端相熔接，输出耦合保偏光纤光栅(14)输出端与泵浦光剥离器(15)相熔接。
6.根据权利要求5所述的带防反射装置的保偏光纤激光器，其特征在于：所述的偏振分光镜(6)为P线偏振光透射S线偏振光反射式分光镜或S线偏振光透射P线偏振光反射式分光镜。
7.根据权利要求5所述的带防反射装置的保偏光纤激光器，其特征在于：所述的λ/4波片(7)为透射式波片或反射式波片。
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