具有抗纤芯拉曼回光功能的光纤激光器的制作方法

本发明属于激光技术领域，涉及一种光纤激光器，尤其涉及一种具有抗纤芯拉曼回光功能的光纤激光器。

背景技术：

光纤激光具有高效率、高光束质量、高紧凑度等优点，被广泛应用于现代高科技工业加工技术中。目前，工业材料加工主要采用高功率多模激光。相比于多模光纤激光，高功率单模光纤激光具有更高的光束质量，在一些需要极高亮度的材料加工应用中，如远程加工、精细加工以及加工高反射率材料(铜，铝等)时具有更大的优势，因此，申请人致力于在该新的领域进行开发研究。

申请人在研究高功率单模光纤激光加工过程中发现，将高功率单模光纤激光用于材料加工面临着新的挑战，即材料表面产生的反射光将从输出端帽进入单模光纤激光器的输出光纤中。这些反射光可以进一步被分为两种成分：(1)进入光纤激光器输出光纤包层中的反射光(以下简称包层回光)；(2)进入输出光纤纤芯中的反射光(以下简称纤芯回光，包括信号光波段纤芯回光以及纤芯拉曼回光)。包层回光可以采用传统的包层光滤除器滤除，因此包层回光对单模光纤激光器的影响较小。信号光波段纤芯回光由于功率远低于输出激光功率，不会影响谐振腔内的激光增益竞争过程，对激光器的影响可以忽略。纤芯拉曼回光在经过qbh输出光纤(即带激光输出端帽的光纤，常规器件，qbh全称quartzbulkhead，即激光输出端帽)和光纤激光器谐振腔时，qbh输出光纤和谐振腔内的激光功率会因为受激拉曼散射效应转换为纤芯拉曼回光，导致输出激光功率降低，纤芯拉曼回光功率提升，而过强的纤芯拉曼回光则会导致激光器内部器件损坏。因此，如何避免高功率单模光纤激光器被纤芯拉曼回光损坏，是高功率单模光纤激光用于材料加工的重要挑战。

纤芯拉曼回光由输出激光中的拉曼光经加工材料反射后形成，因此降低输出激光中的拉曼光功率则可以有效抑制纤芯拉曼回光。虽然在现有技术中，公开号为cn109217098a的中国专利文献给出了一种抑制高功率光纤振荡器中受激拉曼散射效应的方法，其特点是在光纤振荡器的谐振腔内部加入拉曼光倾斜光栅，滤除光纤振荡器内部产生的拉曼光，减少振荡器内产生的拉曼光，进而减少在输出激光中的拉曼光。但是，该专利文献给出的技术仅适用不需要长距离qbh输出光纤的应用场景中，如定向能武器系统(激光作用于远距离目标，回光可以忽略)，却不适用于需要长距离qbh输出光纤的高功率激光工业加工中。这是由于配备长距离qbh输出光纤的高功率单模工业激光器的输出激光中的拉曼光有两方面来源，一是来自光纤振荡器、二是来自qbh输出光纤。前者是由于高功率光纤振荡器腔内信号光功率超过受激拉曼散射效应阈值而产生的拉曼激光，后者则是高功率激光在qbh传输光纤中长距离传输而触发受激拉曼散射效应，输出激光转换为拉曼光所致。因此，专利文献cn109217098a中的技术不能减少qbh输出光纤中产生的拉曼光，而这部分拉曼光同样可以通过材料端面反射，转换为纤芯拉曼回光，返回至高功率光纤激光器内部，进而导致激光器内部器件损坏。

申请人申请的cn108054624b的中国专利文献给出了一种具有抗纤芯反射光功能的光纤激光器，其特点是通过采用后向泵浦，减少振荡器内部产生的拉曼光，进而减少输出激光中的拉曼光，达到减少纤芯拉曼回光的目的；再通过降低合束器反向传输插损和失配熔接，保证纤芯拉曼回光顺利通过泵浦信号合束器，再通过失配熔接，将纤芯拉曼回光耦合至内包层，通过包层光滤除器滤除，达到保护指示光源的目的。该方法从抑制拉曼光产生和拉曼光疏导两个方面，避免了激光器因为纤芯拉曼回光而损坏。但是纤芯拉曼回光仍然通过了光纤振荡器谐振腔内部的增益光纤，这会导致输出激光功率因受激拉曼散射效应转换为纤芯拉曼回光功率，进而引起激光器功率不稳定，使得材料加工效果出现波动。

综上可知，高功率单模光纤激光的工业加工尚属于新兴领域，还需要大量的开发探索研究。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有抗纤芯拉曼回光功能的光纤激光器，通过在光纤振荡器谐振腔外侧分别熔接拉曼隔离单元，实现将外部产生的纤芯拉曼回光在进入光纤振荡器谐振腔之前被滤除，达到保护激光器内部器件和使激光器在加工材料的过程中输出功率稳定的效果。采用本发明设计的光纤激光器，在纤芯拉曼回光功率较强的情况下，也可以实现激光器安全运行和输出功率稳定，实现稳定的材料加工效果，更适用高反射率材料的激光加工。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

一种具有抗纤芯拉曼回光功能的光纤激光器，包括依次连接的指示激光器、第一拉曼隔离单元、光纤振荡器谐振腔、第二拉曼隔离单元和qbh输出光纤，所述第一拉曼隔离单元包括第一拉曼倾斜光栅，所述第二拉曼隔离单元包括第二拉曼倾斜光栅，所述第一拉曼倾斜光栅的长周期端指向所述光纤振荡器谐振腔的输入光纤，所述第二拉曼倾斜光栅的长周期端指向所述光纤振荡器谐振腔的输出光纤。

上述的具有抗纤芯拉曼回光功能的光纤激光器，优选的，所述第一拉曼隔离单元还包括第一双包层光纤，所述第一拉曼倾斜光栅刻写于所述第一双包层光纤的纤芯中，所述第一拉曼倾斜光栅为啁啾型双包层光纤光栅；所述第二拉曼隔离单元还包括第二双包层光纤，所述第二拉曼倾斜光栅刻写在所述第二双包层光纤的纤芯中，所述第二拉曼倾斜光栅为啁啾型双包层光纤光栅。

上述的具有抗纤芯拉曼回光功能的光纤激光器，优选的，所述第一拉曼倾斜光栅将所述指示激光器向所述光纤振荡器谐振腔传输的第一纤芯拉曼回光反射至所述第一双包层光纤的内包层之中，所述第一拉曼倾斜光栅的中心波长与所述光纤振荡器谐振腔的信号光的一级受激拉曼散射光的中心波长相等，所述第一拉曼倾斜光栅的反射率大于99％，3db带宽≥5nm。

上述的具有抗纤芯拉曼回光功能的光纤激光器，优选的，所述第二拉曼倾斜光栅将所述qbh输出光纤向所述光纤振荡器谐振腔传输的第二纤芯拉曼回光反射至所述第二双包层光纤的内包层之中，所述第二拉曼倾斜光栅的中心波长与所述光纤振荡器谐振腔的信号光的一级受激拉曼散射光的中心波长相等，所述第二拉曼倾斜光栅的反射率大于99％，3db带宽≥5nm。

上述的具有抗纤芯拉曼回光功能的光纤激光器，优选的，所述光纤振荡器谐振腔的输入光纤为第三双包层光纤，所述第三双包层光纤与所述第一双包层光纤分别在纤芯直径、纤芯数值孔径、内包层外径、内包层数值孔径上对应相等，所述纤芯直径均为10μm～20μm，所述纤芯数值孔径均为0.06～0.075，所述内包层外径均为250μm～400μm，所述内包层数值孔径均为0.44～0.46。也就是说，所述第三双包层光纤与所述第一双包层光纤的纤芯直径相等，所述第三双包层光纤与所述第一双包层光纤的纤芯数值孔径相等，所述第三双包层光纤与所述第一双包层光纤的内包层外径相等，所述第三双包层光纤与所述第一双包层光纤的内包层数值孔径相等。

上述的具有抗纤芯拉曼回光功能的光纤激光器，优选的，所述光纤振荡器谐振腔的输出光纤为第四双包层光纤，所述qbh输出光纤为第五双包层光纤，所述第四双包层光纤、所述第二双包层光纤和所述第五双包层光纤分别在纤芯直径、纤芯数值孔径、内包层外径、内包层数值孔径上对应相等，所述纤芯直径均为20μm～30μm，所述纤芯数值孔径均为0.06～0.075，所述内包层外径均为250μm～400μm，所述内包层数值孔径均为0.44～0.46。也就是说，所述第四双包层光纤、第二双包层光纤和第五双包层光纤的纤芯直径相等，所述第四双包层光纤、第二双包层光纤和第五双包层光纤的纤芯数值孔径相等，所述第四双包层光纤、第二双包层光纤和第五双包层光纤的内包层外径相等，所述第四双包层光纤、第二双包层光纤和第五双包层光纤的内包层数值孔径相等。

上述的具有抗纤芯拉曼回光功能的光纤激光器，优选的，所述指示激光器的输出光纤为单模光纤，所述指示激光器的输出光纤为单模光纤，所述单模光纤中，纤芯直径为4μm～6μm，纤芯数值孔径为0.08～0.12，包层直径为125μm，所述指示激光器的输出光纤与所述第一拉曼隔离单元采用纤芯轴线对准的方式熔接。

上述的具有抗纤芯拉曼回光功能的光纤激光器，优选的，所述指示激光器输出的指示激光的中心波长为635nm，所述指示激光沿所述指示激光器输出光纤的纤芯依次通过所述第一拉曼隔离单元、所述光纤振荡器谐振腔、所述第二拉曼隔离单元和所述qbh输出光纤后输出。

上述的具有抗纤芯拉曼回光功能的光纤激光器，优选的，所述具有抗纤芯拉曼回光功能的光纤激光器的应用场景为工业激光加工，但不限于此。

上述的具有抗纤芯拉曼回光功能的光纤激光器，优选的，所述工业激光加工包括激光切割、激光焊接或激光熔覆，所述工业激光加工适用于高反射率金属材料的激光加工，所述高反射率金属材料包括紫铜、铝合金和银中的一种或多种。

本发明的拉曼隔离单元(第一拉曼隔离单元或第二拉曼隔离单元)在制备时，可以在一根双包层光纤上刻写拉曼倾斜光栅形成拉曼隔离单元，或者将多根双包层光纤与带拉曼倾斜光栅的双包层光纤进行串联熔接而成，即只要拉曼隔离单元是由双包层光纤和拉曼倾斜光栅按本发明的设计要求构成，均属于本发明的拉曼隔离单元定义的范畴，不受其制备方法的限制。

本发明中，光纤振荡器谐振腔内部产生的拉曼光包括前向传输拉曼光(向qbh输出光纤传输)和后向传输拉曼光(向指示激光器传输)，后向传输拉曼光在指示激光器内部反射后形成第一纤芯拉曼回光，前向传输拉曼光在加工工件表面反射后形成第二纤芯拉曼回光。

本发明的主要创新点在于：

高功率激光在加工材料时产生的拉曼回光会损坏光纤振荡器，主要体现在导致功率下降，恶化光束质量，损坏光栅和损坏增益光纤，如果采用现有技术，只能在振荡器腔内加入倾斜光栅，减少振荡器内部产生的拉曼光，从而减少拉曼回光，无法实现高功率激光工业加工领域的技术要求。申请人研究发现，只要拉曼回光不进入振荡器，振荡器就可以正常稳定的工作，甚至在振荡器输出光中本身存在一定比例拉曼光的情况下，只要没有拉曼回光返回振荡器，振荡器仍旧可以正常工作。因此，本发明在激光器腔外加入拉曼光倾斜光栅，将拉曼光倾斜光栅的长周期端与光纤振荡器连接，滤除外部产生的纤芯拉曼回光，保证纤芯拉曼回光不进入光纤振荡器。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明通过在光纤振荡器谐振腔外侧分别熔接第一拉曼隔离单元和第二拉曼隔离单元，且按照特定的排列顺序，即与长周期端熔接，实现将外部产生的纤芯拉曼回光在进入光纤振荡器谐振腔之前就被滤除，防止光纤振荡器谐振腔因外部产生的纤芯拉曼回光损坏，达到保护激光器内部器件和激光器在加工材料的过程中输出功率稳定的效果。采用本发明设计的光纤激光器，可以有效的避免纤芯拉曼回光对光纤激光器的损坏，输出功率稳定，更适合高反射率材料的工业加工。

本发明的应用场景与现有技术明显不同，本发明可应用于更为高端的激光工业加工，针对可能产生较强纤芯拉曼回光的应用场景，如紫铜、铝合金等高反射率金属材料，可解决过强的纤芯拉曼回光引起的激光器损坏和输出功率不稳定的问题。而现有技术(如cn109217098a)只能用于定向能武器领域，其基本思路是在振荡器谐振腔内部加入拉曼倾斜光栅，减少光纤振荡器中产生的拉曼光，实现减少输出激光中的拉曼光。

在激光加工场景中，高功率光纤振荡器通常需要配备较长的qbh输出光纤，以便将高功率激光传输至加工工件表面，实现大幅面激光加工，因此输出激光中的拉曼光可能来自高功率光纤振荡器和qbh输出光纤中。如果采用现有技术只能实现抑制高功率光纤振荡器中产生的拉曼光，但是不能抑制较长qbh输出光纤中产生的拉曼光，而这部分拉曼光在加工高反射率材料时则会被反射回qbh输出光纤中，形成纤芯拉曼回光，因此现有技术并不能解决高反射率金属材料加工过程中，过强的纤芯拉曼回光引起的激光器损坏和输出功率不稳定等问题。区别于现有技术，本发明采用在光纤振荡器谐振腔外侧加入拉曼倾斜光栅并且拉曼倾斜光栅长周期端与光纤振荡器谐振腔相接的方式，从两端滤除纤芯拉曼回光，实现将外部产生的纤芯拉曼回光在进入光纤振荡器谐振腔之前被滤除，达到保护激光器内部器件和激光器在加工材料的过程中输出功率稳定的效果。

附图说明

图1为本发明实施例1中具有抗纤芯拉曼回光功能的光纤激光器的结构示意图(也是工作原理图)。

图2为本发明实施例1中第一拉曼隔离单元的结构示意图(也是工作原理图)。

图3为本发明实施例1中第二拉曼隔离单元的结构示意图(也是工作原理图)。

图4为采用现有技术方案cn109217098a的光纤激光器在激光加工过程中输出激光和纤芯回光功率监测图。

图5为本发明实施例1的光纤激光器在激光加工过程输出激光和纤芯回光功率监测图。

图例说明：

1、指示激光器；2、第一拉曼隔离单元；21、第一拉曼倾斜光栅；22、第一纤芯；23、第一内包层；3、光纤振荡器谐振腔；31、第一输入光纤；32、第一输出光纤；4、第二拉曼隔离单元；41、第二拉曼倾斜光栅；42、第二纤芯；43、第二内包层；5、qbh输出光纤；6、输出激光；71、第一纤芯拉曼回光；72、第二纤芯拉曼回光；81、第一反射光；82、第二反射光。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。

实施例1：

一种具有抗纤芯拉曼回光功能的光纤激光器，如图1所示，包括依次连接(优选熔接)的指示激光器1、第一拉曼隔离单元2、光纤振荡器谐振腔3、第二拉曼隔离单元4和qbh输出光纤5。第一拉曼隔离单元2包括一第一拉曼倾斜光栅21，第二拉曼隔离单元4包括一第二拉曼倾斜光栅41，第一拉曼倾斜光栅21的长周期端朝向光纤振荡器谐振腔3的输入光纤，光纤振荡器谐振腔3的输入光纤即第一输入光纤31，第二拉曼倾斜光栅41的长周期端朝向光纤振荡器谐振腔3的输出光纤，光纤振荡器谐振腔3的输出光纤即第一输出光纤32。激光传输方向由指示激光器1向qbh输出光纤5的方向传输。

本实施例中，第一拉曼隔离单元2的结构示意图和工作原理如图2所示，第一拉曼隔离单元2由第一双包层光纤和第一拉曼倾斜光栅21组成，第一拉曼倾斜光栅21刻写于第一双包层光纤的纤芯中，第一拉曼倾斜光栅21是啁啾型双包层光纤光栅，第一双包层光纤的纤芯即第一纤芯22。第一拉曼倾斜光栅21的左侧为短周期端，指向指示激光器1的输出光纤，右侧为长周期端，指向光纤激光器谐振腔3的输入光纤。从指示激光器1向光纤振荡器谐振腔3传输的第一纤芯拉曼回光71从第一拉曼倾斜光栅21的短周期端方向沿第一双包层光纤的纤芯进入第一拉曼隔离单元2，被第一拉曼倾斜光栅21耦合至第一反射光81中，第一反射光81在第一双包层光纤的内包层中传输，第一双包层光纤的内包层即第一内包层23，其传输方向与第一纤芯拉曼回光71相反。本实施例中，第一拉曼倾斜光栅21的反射率大于99％，3db带宽≥5nm。

本实施例中，第二拉曼隔离单元4的结构示意图和工作基理如图3所示，第二拉曼隔离单元4由第二双包层光纤和第二拉曼倾斜光栅41组成，第二拉曼倾斜光栅41刻写在第二双包层光纤的纤芯中，第二双包层光纤的纤芯即第二纤芯42，第二拉曼倾斜光栅41是啁啾型双包层光纤光栅。第二拉曼倾斜光栅41的左侧为长周期端，指向光纤振荡器谐振腔3的输出光纤，右侧为短周期端，指向qbh输出光纤5。光纤振荡器谐振腔3产生的高功率输出激光6沿第二双包层光纤的纤芯经过第二拉曼隔离单元4，最终从qbh输出光纤5输出。从qbh输出光纤5向光纤振荡器谐振腔3传输的第二纤芯拉曼回光72从第二拉曼倾斜光栅41的短周期端方向沿第二双包层光纤的纤芯进入第二拉曼隔离单元4，被第二拉曼倾斜光栅41耦合至第二反射光82中，第二反射光82在第二双包层光纤的内包层中传输，第二双包层光纤的内包层即第二内包层43，第二反射光82的传输方向与第二纤芯拉曼回光72相反。本实施例中，第二拉曼倾斜光栅41的反射率大于99％，3db带宽≥5nm。

本实施例中，第一拉曼倾斜光栅21的中心波长和第二拉曼倾斜光栅41的中心波长均等于光纤振荡器谐振腔3的信号光的一级受激拉曼散射光的中心波长。

本实施例中，光纤振荡器谐振腔3的输入光纤、光纤振荡器谐振腔3的输出光纤、qbh输出光纤5均为双包层光纤，为了与第一双包层光纤和第二双包层光纤进行区分，分别设为第三双包层光纤、第四双包层光纤和第五双包层光纤。

本实施例中，光纤振荡器谐振腔3的输入光纤(第三双包层光纤)与第一拉曼隔离单元2的第一双包层光纤在纤芯直径、纤芯数值孔径、内包层外径、内包层数值孔径上分别对应相等，纤芯直径均为20μm，纤芯数值孔径均为0.065，内包层外径均为400μm，内包层数值孔径均为0.46。

本实施例中，光纤振荡器谐振腔3的输出光纤(第四双包层光纤)、第二拉曼隔离单元4的第二双包层光纤、qbh输出光纤5(第五双包层光纤)在纤芯直径、纤芯数值孔径、内包层外径、内包层数值孔径上分别对应相等，纤芯直径均为20μm，纤芯数值孔径均为0.065，内包层外径均为400μm，内包层数值孔径均为0.46。

本实施例中，指示激光器1的输出光纤是单模光纤(通常也是单包层光纤)，单模光纤的纤芯直径为4μm，纤芯数值孔径为0.08，包层直径为125μm，指示激光器1的输出光纤与第一拉曼隔离单元2(第一拉曼倾斜光栅21的短周期端方向)采用纤芯轴线对准的方式熔接。

本实施例中，指示激光器1产生的指示激光的中心波长为635nm，指示激光沿指示激光器1的输出光纤的纤芯依次经过第一拉曼隔离单元2、光纤振荡器谐振腔3、第二拉曼隔离单元4和qbh输出光纤5，最终从qbh输出光纤5输出。

本发明的具有抗纤芯拉曼回光功能的光纤激光器的应用场景为工业激光加工，特别适用于可能产生较强纤芯拉曼回光的情况，如紫铜、铝合金、银等高反射率金属材料加工。

本发明的光纤激光器通过在光纤振荡器谐振腔3外部加入第一拉曼隔离单元2和第二拉曼隔离单元4，其中的第一拉曼倾斜光栅21的长周期端与光纤振荡器谐振腔3的输入光纤相对，第二拉曼倾斜光栅41的长周期端与光纤振荡器谐振腔3的输出光纤相对，可以将来自光纤振荡器谐振腔3以外的第一纤芯拉曼回光71和第二纤芯拉曼回光72，分别通过第一拉曼隔离单元2、第二拉曼隔离单元4在进入光纤振荡器谐振腔3内部之前滤除，保证纤芯拉曼回光不会进入光纤振荡器谐振腔3，消除了纤芯拉曼回光对光纤振荡器谐振腔3的影响，可以在纤芯拉曼回光功率较强的情况下，保护光纤振荡器，保持激光稳定输出，实现稳定的材料加工效果。

图4给出了采用现有技术方案cn109217098a的光纤激光器在加工高反射率材料时的输出激光功率与纤芯反射光功率监测图，可以看出在加工铝合金时，输出激光产生了快速剧烈功率波动，调制深度达到90％(波谷强度占峰值强度的比例)，而在加工紫铜材料时，输出激光功率波动则更加剧烈，这是由于纤芯回光中的纤芯拉曼回光返回至光纤激光器谐振腔引起的功率不稳定导致。而采用本实施例设计的光纤激光器，在加工铝合金和紫铜材料时，即便是产生了很强的纤芯回光，光纤激光器的输出激光功率并未出现明显的波动，最大的调制深度小于25％，如图5所示。这说明采用本实施例设计的激光器，可以降低纤芯拉曼回光对光纤激光器的影响，在加工高反射率材料时的输出功率稳定，可以获得更好材料加工效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。