光纤隔离器和光纤激光器的制作方法

本发明实施例公开的技术方案涉及激光器技术领域，尤其涉及光纤隔离器和光纤激光器。

背景技术：

目前，光纤激光器的功率越来越大，光束质量也明显提高，在军事、医疗、工业制造等领域有着广泛的应用。

光纤激光器对反向光的隔离度影响输出功率的稳定性。因此，技术人员常常在光纤激光器中设置光纤隔离器来隔离反向光。光纤隔离器只允许正向光通过，对反向光进行隔离，是一种非互易光器件。

发明人在研究本发明的过程中发现，现有技术中光纤隔离器的损伤阈值达不到高功率光纤激光器(功率达到500瓦到2000瓦的光纤激光器通常被认为是高功率光纤激光器)的要求，造成光纤隔离器在出光过程中烧毁。此外，现有技术中光纤隔离器对反向光的隔离度也达不到高功率光纤激光器的要求，抑制了正向光的传输效率。

技术实现要素：

本发明公开的技术方案至少能够解决以下技术问题：一是光纤隔离器的损伤阈值达不到高功率光纤激光器的要求，造成光纤隔离器在出光过程中烧毁；二是光纤隔离器对反向光的隔离度达不到高功率光纤激光器的要求，抑制了正向光的传输效率。

本发明的一个或者多个实施例公开了一种光纤隔离器，包括：多纤准直器结构、一个或者多个光束隔离结构、激光合束结构以及单纤准直器结构；所述多纤准直器结构用于向所述一个或者多个光束隔离结构入射多束正向光；所述单纤准直器结构用于将多束正向准直光耦合输出；所述一个或者多个光束隔离结构用于将多束正向光传导至所述激光合束结构，阻隔所述多纤准直器结构与所述单纤准直器结构之间的反向光；所述激光合束结构用于将通过所述一个或者多个光束隔离结构后的多束正向光合束为多束正向准直光，将所述单纤准直器结构入射的反向光扩束为反向准直光；多束正向光从所述多纤准直器结构入射，通过所述一个或者多个光束隔离结构后由所述激光合束结构合束为多束正向准直光，然后由所述单纤准直器结构耦合输出；反向光从所述单纤准直器结构入射，由所述激光合束结构扩束为反向准直光，然后由所述一个或者多个光束隔离结构发散出去。

在本发明的一个或者多个实施例中，所述一个或者多个光束隔离结构将多束正向光传导至所述激光合束结构包括：将每一束正向光转化成偏振方向互相垂直的e偏振光(extraordinarylight)和o偏振光(ordinarylight)；将所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向进行旋转，使得所述一个或者多个光束隔离结构将所述e偏振光和所述o偏振光合成为一束正向光；所述一个或者多个光束隔离结构阻隔所述多纤准直器结构与所述单纤准直器结构之间的反向光包括：将由反向光扩束后得到的每一束反向准直光转化成偏振方向互相垂直的e偏振光和o偏振光；将所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向进行旋转，使得所述一个或者多个光束隔离结构将所述e偏振光和所述o偏振光发散出去。

在本发明的一个或者多个实施例中，所述光束隔离结构包括：第一分束器、磁体、磁旋光晶体、半波片以及第二分束器；所述第二分束器的光轴方向与所述第一分束器的光轴方向互相垂直；所述磁体环绕所述磁旋光晶体；所述第一分束器、所述磁旋光晶体、所述半波片以及所述第二分束器依次设置在所述多纤准直器结构与所述单纤准直器结构之间。

在本发明的一个或者多个实施例中，所述多纤准直器结构中镀有一层或者多层用于提高所述多纤准直器结构的损伤阈值的增透膜。

在本发明的一个或者多个实施例中，所述多纤准直器结构包括光纤阵列和准直透镜阵列；所述光纤阵列的出射端面和/或所述准直透镜阵列的入射端面镀有一层或者多层所述增透膜；所述光纤阵列与所述准直透镜阵列以空间耦合的方式或者熔接的方式固定在一起。

在本发明的一个或者多个实施例中，所述多纤准直器结构包括光纤阵列和准直柱透镜/非球面准直透镜；所述光纤阵列的出射端面和/或所述准直柱透镜/非球面准直透镜的入射端面镀有一层或者多层所述增透膜；所述光纤阵列与所述准直柱透镜/非球面准直透镜以空间耦合的方式或者熔接的方式固定在一起。

在本发明的一个或者多个实施例中，所述多纤准直器结构包括固定在一起的n个单纤准直器，n为大于等于2的整数；所述n个单纤准直器的光纤的出射端面和/或所述n个单纤准直器的准直透镜的入射端面镀有一层或者多层所述增透膜。

在本发明的一个或者多个实施例中，所述第一分束器将每一束正向光分束为偏振方向互相垂直的e偏振光和o偏振光；所述e偏振光和所述o偏振光入射至所述磁旋光晶体内，在所述磁体的磁场作用下，所述磁旋光晶体将所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向正向旋转45度；所述e偏振光和所述o偏振光入射至所述半波片，所述半波片将所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向再次正向旋转45度，此时所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向正向旋转了90度；所述e偏振光和所述o偏振光入射至所述第二分束器，由于所述第二分束器的光轴方向与所述第一分束器的光轴方向互相垂直，因此对于所述第二分束器而言所述e偏振光的偏振态和所述o偏振光的偏振态没有变化，所述第二分束器将所述e偏振光和所述o偏振光合成为一束正向光。

所述第二分束器将由反向光扩束后得到的每一束反向准直光转化成偏振方向互相垂直的e偏振光和o偏振光；所述e偏振光和所述o偏振光入射至所述半波片，所述半波片将所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向反向旋转45度；所述e偏振光和所述o偏振光入射至所述磁旋光晶体内，在所述磁体的磁场作用下，所述磁旋光晶体将所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向正向旋转45度；此时所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向旋转了0度；所述e偏振光和所述o偏振光入射至所述第一分束器，由于所述第二分束器的光轴方向与所述第一分束器的光轴方向互相垂直，因此对于所述第一分束器而言所述e偏振光的偏振态和所述o偏振光的偏振态互换，所述第一分束器将所述e偏振光和所述o偏振光发散出去。

每一束反向准直光的光斑面积为每一束正向光的光斑面积的两倍。

在本发明的一个或者多个实施例中，所述第一分束器和所述第二分束器具体为双折射晶体或者沃拉斯顿棱镜。

本发明的一个或者多个实施例公开了一种光纤激光器，所述光纤激光器包括上述任意一种光纤隔离器。

与现有技术相比，本发明公开的技术方案主要有以下有益效果：

在本发明的实施例中，所述多纤准直器结构将激光分为多束正向光入射至所述光束隔离结构。因此在激光功率一定的情况下，入射至所述光束隔离结构的每一束正向光的能量密度降低，有利于降低所述光纤隔离器的热累积和热透镜效应，使得所述光纤隔离器能够应用在功率更高的光纤激光器中。所述光纤隔离器通过一个或者多个光束隔离结构将多束正向光传导至所述激光合束结构，并阻隔所述多纤准直器结构与所述单纤准直器结构之间的反向光。所述光纤隔离器可以采用多个所述光束隔离结构对反向光进行多重阻隔，有利于提高所述光纤隔离器对反向光的隔离度。

附图说明

图1为本发明的一实施例中光纤隔离器的示意图；

图2为本发明的另一实施例中光纤隔离器的示意图；

图3为本发明的另一实施例中光纤隔离器传输正向光的示意图；

图4为本发明的另一实施例中磁旋光晶体将e偏振光和o偏振光的偏振方向正向旋转45度的示意图；

图5为本发明的另一实施例中半波片将e偏振光和o偏振光的偏振方向正向旋转45度的示意图；

图6为本发明的另一实施例中光纤隔离器阻隔反向光的示意图；

图7为本发明的另一实施例中半波片将由反向准直光转化成的e偏振光和o偏振光的偏振方向反向旋转45度的示意图；

图8为本发明的另一实施例中磁旋光晶体将由反向准直光转化成的e偏振光和o偏振光的偏振方向正向旋转45度的示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文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。本文中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，不是旨在于限制本发明。本申请的权利要求书、说明书以及说明书附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

本发明的一实施例公开一种光纤隔离器，对请求保护的技术方案进行说明。具体实施方式中涉及到的光纤隔离器只是较佳的实施例，并非本发明所有可能的实施例或者最佳的实施例。

参考图1，为本发明的一实施例中光纤隔离器的示意图。图1中示意的光纤隔离器包括：多纤准直器结构1、一个或者多个光束隔离结构2、激光合束结构3以及单纤准直器结构4。

所述多纤准直器结构1用于向所述一个或者多个光束隔离结构2入射多束正向光。所述单纤准直器结构4用于将多束正向准直光耦合输出。

所述一个或者多个光束隔离结构2用于将多束正向光传导至所述激光合束结构3，阻隔所述多纤准直器结构1与所述单纤准直器结构4之间的反向光。

所述激光合束结构3用于将通过所述一个或者多个光束隔离结构2后的多束正向光合束为多束正向准直光，将所述单纤准直器结构4入射的反向光扩束为反向准直光。

所述激光合束结构3由单个聚焦透镜构成，或者由单个正透镜与单个负透镜构成，或者由多个正透镜与多个负透镜构成。正透镜和负透镜可以是球面透镜或者非球面透镜。所述激光合束结构3可以是一个单独的结构，还可以是与所述单纤准直器结构4结合在一起。当所述激光合束结构3与所述单纤准直器结构4结合在一起时，所述单纤准直器结构4以至少两种形式实现所述激光合束结构3的功能，一种形式是将多束正向光合束为多束正向准直光然后耦合进与所述单纤准直器结构4相连的光纤内，另一种形式是直接将多束正向光耦合进与所述单纤准直器结构4相连的光纤内。

多束正向光从所述多纤准直器结构1入射，通过所述一个或者多个光束隔离结构2后由所述激光合束结构3合束为多束正向准直光，然后由所述单纤准直器结构4耦合输出。反向光从所述单纤准直器结构4入射，由所述激光合束结构3扩束为反向准直光，然后由所述一个或者多个光束隔离结构2发散出去。

当所述光纤隔离器包括多个所述光束隔离结构2时，可以对反向光进行多重阻隔，进一步提高所述光纤隔离器的隔离度。以两个所述光束隔离结构2为例，具备两个所述光束隔离结构2的光纤隔离器为双级隔离器结构，对反向光进行双重隔离，可以更有效地避免反向光入射到所述多纤准直器结构1内。

上述实施例中的光纤隔离器通过所述多纤准直器结构1将激光分为多束正向光入射至所述光束隔离结构2。因此在激光功率一定的情况下，入射至所述光束隔离结构2的每一束正向光的能量密度降低，有利于降低所述光纤隔离器的热累积和热透镜效应，使得所述光纤隔离器能够应用在功率更高的光纤激光器中。上述实施例中的光纤隔离器通过一个或者多个光束隔离结构2将多束正向光传导至所述激光合束结构3，并阻隔所述多纤准直器结构1与所述单纤准直器结构4之间的反向光。所述光纤隔离器可以采用多个所述光束隔离结构2对反向光进行多重阻隔，有利于提高所述光纤隔离器对反向光的隔离度。

参考图2，为本发明的另一实施例中光纤隔离器的示意图。图2中示意的光纤隔离器包括：多纤准直器结构10、光束隔离结构20、激光合束结构30以及单纤准直器结构40。其中，所述多纤准直器结构10用于向所述光束隔离结构20入射多束正向光。所述单纤准直器结构40用于将多束正向准直光耦合输出。所述激光合束结构30包括正透镜31和负透镜32，用于将通过所述光束隔离结构20后的多束正向光合束为多束正向准直光，将所述单纤准直器结构40入射的反向光扩束为反向准直光。

所述光束隔离结构20用于：将每一束正向光转化成偏振方向互相垂直的e偏振光和o偏振光；将所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向进行旋转，使得所述一个或者多个光束隔离结构将所述e偏振光和所述o偏振光合成为一束正向光。

所述光束隔离结构20还用于：将由反向光扩束后得到的每一束反向准直光转化成偏振方向互相垂直的e偏振光和o偏振光；将所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向进行旋转，使得所述一个或者多个光束隔离结构将所述e偏振光和所述o偏振光发散出去。

所述光束隔离结构20包括：第一分束器21、磁体22、磁旋光晶体23、半波片24以及第二分束器25；所述第二分束器24的光轴方向与所述第一分束器21的光轴方向互相垂直；所述磁体22环绕所述磁旋光晶体23；所述第一分束器21、所述磁旋光晶体23、所述半波片24以及所述第二分束器25依次设置在所述多纤准直器结构10与所述单纤准直器结构40之间。

在一种或多种较佳的实施方式中，所述第一分束器21和所述第二分束器25具体为双折射晶体或者沃拉斯顿棱镜。

在一种或多种较佳的实施方式中，所述多纤准直器结构10中镀有一层或者多层用于提高所述多纤准直器结构10的损伤阈值的增透膜。通常，所述增透膜自身的损伤阈值应当大于15j/cm²。所述多纤准直器结构10包括光纤阵列和准直透镜阵列。所述光纤阵列的出射端面和/或所述准直透镜阵列的入射端面镀有一层或者多层所述增透膜。所述光纤阵列与所述准直透镜阵列以空间耦合的方式或者熔接的方式固定在一起。熔接所述光纤阵列与所述准直透镜阵列的方式包括放电熔接、激光熔接等。

在一种或多种较佳的实施方式中，所述多纤准直器结构10包括光纤阵列和准直柱透镜/非球面准直透镜。所述光纤阵列的出射端面和/或所述准直柱透镜/非球面准直透镜的入射端面镀有一层或者多层用于提高损伤阈值的增透膜。所述光纤阵列与所述准直柱透镜/非球面准直透镜以空间耦合的方式或者熔接的方式固定在一起。熔接所述光纤阵列与所述准直柱透镜/非球面准直透镜的方式包括放电熔接、激光熔接等。

在一种或多种较佳的实施方式中，所述多纤准直器结构10包括固定在一起的n个单纤准直器，n为大于等于2的整数。所述n个单纤准直器的光纤的出射端面和/或所述n个单纤准直器的准直透镜的入射端面镀有一层或者多层用于提高损伤阈值的增透膜。

在一种或多种较佳的实施方式中，上述用于提高损伤阈值的增透膜还可以镀在构成所述第一分束器21和所述第二分束器25的双折射晶体或者沃拉斯顿棱镜上。

在一种或多种较佳的实施方式中，每一束反向准直光的光斑面积为每一束正向光的光斑面积的两倍。

上述实施例中的多纤准直器结构10中镀有一层或者多层用于提高损伤阈值的增透膜，能够大幅度提高所述光纤隔离器的损伤阈值，避免所述光纤隔离器在出光过程中烧毁。此外，所述多纤准直器结构10将激光分为多束正向光入射至所述光束隔离结构20，因此入射至所述光束隔离结构20的每一束正向光的能量密度降低。所述光束隔离结构20将每一束正向光转化成偏振方向互相垂直的e偏振光和o偏振光，最后又将所述e偏振光和所述o偏振光合成为一束正向光，因而所述光束隔离结构20平分了每一束正向光在各个光学界面上的能量密度，降低了热累积和热透镜效应。所述光束隔离结构20将由反向光扩束后得到的每一束反向准直光转化成偏振方向互相垂直的e偏振光和o偏振光，最后将所述e偏振光和所述o偏振光发散出去，因此所述光纤隔离器对反向光具有较高的隔离度，并且还可以通过设置多个所述光束隔离结构20进一步提高所述光纤隔离器对反向光的隔离度。综上所述，上述实施例中的光纤隔离器通过提高损伤阈值以及对激光功率的承受阈值，有效避免了在出光过程中被激光烧毁，通过增强对反向光的隔离度有效提高了正向光的传输效率，使得所述光纤隔离器能够应用在功率更高的激光器中。

下面将进一步说明上述实施例中的光纤隔离器。

参考图3，为本发明的另一实施例中光纤隔离器传输正向光的示意图。在图3示意的光路中，所述第一分束器21将由所述多纤准直器结构10入射的2束正向光分束为4束偏振光(包括2束e偏振光和2束o偏振光)。所述4束偏振光通过所述磁旋光晶体23和所述半波片24后，由所述第二分束器25合束为2束正向光，然后由所述正透镜31和所述负透镜32以2束正向准直光的形式耦合进所述单纤准直器结构40。

由于所述多纤准直器结构10将激光以2束正向光入射至所述第一分束器21，因此在激光功率一定的情况下，每一束正向光的能量密度为单束正向光入射时的一半。又由于所述第一分束器21将入射的2束正向光分束为4束偏振光，因此每一束偏振光的能量密度也相应的减少一半。这有利于提高所述光纤隔离器对激光功率的承受阈值。

参考图4和图5，其中图4为本发明的另一实施例中磁旋光晶体23将e偏振光和o偏振光的偏振方向正向旋转45度的示意图，图5为本发明的另一实施例中半波片24将e偏振光和o偏振光的偏振方向正向旋转45度的示意图。图4和图5中示意的“正向”和“反向”是相对的，当指定一个旋转方向为正向时，与之相反的旋转方向则为反向。例如，指定顺时针方向旋转为正向旋转，则逆时针方向旋转为反向旋转。

所述第一分束器21将每一束正向光分束为偏振方向互相垂直的e偏振光和o偏振光。所述e偏振光和所述o偏振光入射至所述磁旋光晶体23内，在所述磁体22的磁场作用下，所述磁旋光晶体23将所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向正向旋转45度。

所述e偏振光和所述o偏振光入射至所述半波片24，所述半波片24将所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向再次正向旋转45度，此时所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向正向旋转了90度。

所述e偏振光和所述o偏振光入射至所述第二分束器25，由于所述第二分束器25的光轴方向与所述第一分束器21的光轴方向互相垂直，因此对于所述第二分束器25而言所述e偏振光的偏振态和所述o偏振光的偏振态没有变化，所述第二分束器25将所述e偏振光和所述o偏振光合成为一束正向光。

参考图6，为本发明的另一实施例中光纤隔离器阻隔反向光的示意图。在图6示意的光路中，所述正透镜31和所述负透镜32将1束反向光扩束为2束反向准直光，使得入射至所述第二分束器25的每一束反向准直光的能量密度降低。然后所述第二分束器25将所述2束反向准直光分束为4束偏振光(包括2束e偏振光和2束o偏振光)。所述4束偏振光通过所述半波片24和所述磁旋光晶体23后，由所述第一分束器21发散出去。

参考图7和图8，其中图7为本发明的另一实施例中半波片24将由反向准直光转化成的e偏振光和o偏振光的偏振方向反向旋转45度的示意图，图8为本发明的另一实施例中磁旋光晶体23将由反向准直光转化成的e偏振光和o偏振光的偏振方向正向旋转45度的示意图。图7和图8中示意的“正向”和“反向”也是相对的。

所述第二分束器25将由反向光扩束后得到的每一束反向准直光转化成偏振方向互相垂直的e偏振光和o偏振光。

所述e偏振光和所述o偏振光入射至所述半波片24，所述半波片24将所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向反向旋转45度。

所述e偏振光和所述o偏振光入射至所述磁旋光晶体23内，在所述磁体22的磁场作用下，所述磁旋光晶体23将所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向正向旋转45度。此时所述e偏振光和所述o偏振光的偏振方向旋转了0度。

所述e偏振光和所述o偏振光入射至所述第一分束器21，由于所述第二分束器25的光轴方向与所述第一分束器21的光轴方向互相垂直，因此对于所述第一分束器21而言所述e偏振光的偏振态和所述o偏振光的偏振态互换，所述第一分束器21将所述e偏振光和所述o偏振光发散出去。

所述e偏振光的偏振态和所述o偏振光的偏振态互换后，所述e偏振光的偏振态变为o偏振光，而所述o偏振光的偏振态则变为e偏振光。所述e偏振光和所述o偏振光发散时，以一定的偏折角从所述第一分束器21的光学界面出射，因此所述e偏振光和所述o偏振光将发散出去，而不是入射到所述多纤准直器结构10。

在一种或多种较佳的实施方式中，可以通过合理匹配每一束反向准直光的光斑面积和每一束正向光的光斑面积之间的比例，合理设置所述e偏振光和所述o偏振光之间的光束距离，选用扩束长度合适的所述第一分束器21和所述第二分束器25，可以大幅度提高所述光纤隔离器承受激光功率的阈值。

本发明的一实施例公开一种光纤激光器，所述光纤激光器包括上述任意一种光纤隔离器。当所述光纤激光器中采用上述任意一种光纤隔离器时，所述光纤激光器的损伤阈值和对反向光的隔离度也相应提高，所述光纤激光器可以采用纤径更小的光纤(例如纤径更小的参镱光纤)，因此单根光纤的功率密度将降低，这有利于提高激光光束的质量，降低拉曼效应以及其他的光线非线性效应。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围。