专利名称：一种多光纤被动相位锁定激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种被动相位锁定激光器，适用于工业切割、军事等要求激光输出功率高且光束质量好的领域。
背景技术：
激光器从问世之日起就广受关注，近年来高功率激光器的研究进展迅猛。目前，大功率的光纤激光器被广泛应用于精密焊接和切割等工业领域中，并在军事领域呈现出广阔的应用前景。近年来，光纤激光器的输出功率快速提升，多种提高激光输出功率的方法已经被提出。首先，基于包层抽运技术的光纤激光器以其光束质量好、转换效率高以及结构紧凑等特点吸引了人们的广泛关注。2004年光纤激光器的单纤输出功率达到千瓦量级，2009 年IPG公司报道已实现了单纤万瓦的单模激光输出。但随着功率的增加，SBS、SRS和FWM 等各种非线性效应使得光束质量严重降低，并且成为进一步增加激光功率的巨大障碍。大模场面积(LMA)光纤的提出成为一种可行的方法，在保持光功率密度不变的情况下，增大光纤半径可以有效增加光纤所能承载的光功率，为大功率光纤激光器的制备提供了必要的前提。但由于光纤半径增加幅度有限，过大的光纤半径使得模场变的复杂，光束质量得不到保证，因此该方法能够解决的问题受到光纤尺寸的限制。另一种方法为主控振荡器的功率放大器(MOPA)，这种方法可以有效增加激光器功率，而且输出激光的质量很高，但同样受到单根光纤光功率承载能力的限制。相比之下，多路光纤激光的合束成为一种实现大功率激光输出的更为有效的方法。为了增加输出功率的同时在一定程度上保证输出激光的光束质量，相干组束技术成为首选，相干组束又分为主动相位锁定和被动相位锁定。主动相位锁定需要较为复杂的外部调相器件，而且稳定性较差，相比之下，被动相位锁定不需要复杂的调相设备，完全依靠激光器自身的设备被动调整各路激光相位，达到各路激光同相位的目的，效率和稳定性都较尚ο但就目前已有被动相位锁定的实现方法而言，所能够完成相位锁定的光路数量较少；对光纤结构要求过高，其中很多实现方法要求光纤为保偏光纤；要求有多到多的光纤耦合器，而这样的光纤耦合器制作难度很大，若使用2X2光纤耦合器级联的方法，整个系统的损耗会随着光路数量的增加而增加。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是目前被动相位锁定激光器中能够完成相位锁定的光路数量较少，对光纤结构要求高，所需光纤耦合器制作难度大，损耗高。本发明的技术方案为一种多光纤被动相位锁定激光器，该激光器包括透射耦合器、第一至第N有源单模光纤、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、反射耦合器和第一至第N泵浦源；所述透射耦合器为一旋转体，其透射面垂直于轴线，透射耦合器的熔接环面与透射耦合器的透射面成45°，透射耦合器的透射面镀全反膜，然后，在透射面上刻截面为等腰直角三角形的第一至第M环形透射凹槽；所述反射耦合器为一旋转体，其反射面垂直于轴线，反射耦合器的熔接环面与反射耦合器的反射面成45°，反射耦合器的反射面上刻截面为等腰直角三角形的第一至第M 环形反射凹槽，然后在反射面上镀全反膜；第一至第M环形反射凹槽均为全反面，深度均相同，相邻环形反射凹槽的间距与环形反射凹槽的宽度相同；第一至第M环形透射凹槽深度均相同，相邻环形透射凹槽的间距与环形透射凹槽的宽度相同；第一至第N有源单模光纤的一端熔接在透射耦合器熔接环面上，沿透射耦合器轴线轴线对称分布于过轴线的N/4M个截面内，每个截面内的4M根光纤关于轴线对称分布，熔接位置在过截面与透射耦合器熔接环面相交的两条直线上；第一至第N有源单模光纤的另一端熔接在反射耦合器熔接环面上，沿反射耦合器轴线轴线对称分布于过轴线的N/4M个截面内，每个截面内的4M根光纤关于轴线对称分布， 熔接位置在过截面与反射耦合器熔接环面相交的两条直线上；所述第一至第N有源单模光纤的一端均与透射耦合器熔接环面熔接，熔接位置与透射耦合器的透射面上环形透射凹槽的对应关系为第一有源单模光纤一端的纤芯对准第一环形透射凹槽的侧面，与透射耦合器的熔接环面上的第一熔接位置熔接，第二有源单模光纤一端的纤芯对准第一环形透射凹槽的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第二熔接位置熔接，第三有源单模光纤一端的纤芯对准第二环形透射凹槽的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第三熔接位置熔接，第四有源单模光纤一端的纤芯对准第二环形透射凹槽的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第四熔接位置熔接，……，第4M有源单模光纤一端的纤芯对准第一环形透射凹槽的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第4M熔接位置熔接，第4M+1有源单模光纤一端的纤芯对准第一环形透射凹槽的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第4M+1熔接位置熔接，……，第8M有源单模光纤一端的纤芯对准第一环形透射凹槽的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第8M熔接位置熔接，……， 第N-4M+1有源单模光纤一端的纤芯对准第一环形透射凹槽的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第N-4M+1熔接位置熔接，……，第N有源单模光纤一端的纤芯对准第一环形透射凹槽的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第N熔接位置熔接；所述第一至第N有源单模光纤的另一端均与反射耦合器熔接环面熔接，熔接位置与反射耦合器的反射面上环形反射凹槽的对应关系为第二有源单模光纤另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽的侧面，与反射耦合器的熔接环面上的第二熔接位置熔接，第三有源单模光纤另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第三熔接位置熔接，第四有源单模光纤另一端的纤芯对准第二环形反射凹槽的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第四熔接位置熔接，第五有源单模光纤另一端的纤芯对准第二环形反射凹槽的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第五熔接位置熔接，……，第4M+1有源单模光纤另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第4M+1熔接位置熔接，第4M+2有源单模光纤另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第4M+2熔接位置熔接，……，第8M+1 有源单模光纤另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第 8M+1熔接位置熔接，……，第N-4M+2有源单模光纤另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第N-4M+2熔接位置熔接，……，第N有源单模光纤另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第N熔接位置熔接， 第一有源单模光纤另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第一熔接位置熔接；N = 2 1008的偶数，M是整数，M是N/4的约数；所述第一至第三反射镜均为全反镜，并与透射耦合器的轴线共线，所述第一反射镜紧贴透射耦合器的透射面、所述第二反射镜置于第三反射镜的焦距上；第一反射镜为一圆台，圆台锥角为46°，圆台侧面镀全反膜，第二反射镜为凸面镜，凸面镀全反膜，第三反射镜为中心带孔的凹面镜，凹面镀全反膜，第一至第三反射镜均由纯石英材料制成。本发明和已有技术相比所具有的有益效果本发明对所用光纤无偏振态的要求，普通有源单模光纤即可；能够实现相位锁定的光路数量更多，无理论上的限制；无需普通的光纤耦合器，采用新设计的耦合器结构，该耦合器分为透射耦合器和反射耦合器，通过在其透射面或是反射面上设置截面为等腰直角三角形的环形凹槽，能够精确控制激光的透射与反射，从而将每一路光纤中的激光与其它路光纤中的激光相耦合，达到控制相位锁定的目的，使得整个激光器的输出激光功率为各路光纤激光功率的和且相位一致，该耦合器的引入令激光耦合效率更高，损耗更小。
图1为两根有源单模光纤的被动相位锁定激光器主视图。图2为两根有源单模光纤的反射耦合器主视图。图3为两根有源单模光纤的反射耦合器左视图。图4为两根有源单模光纤的反射耦合器右视图。图5为两根有源单模光纤的透射耦合器的主视图。图6为两根有源单模光纤的透射耦合器右视图。图7为两根有源单模光纤的透射耦合器左视图。图8为第一至第三反射镜中的光路图。图9为四根有源单模光纤的被动相位锁定激光器主视图。图10为四根有源单模光纤的反射耦合器主视图。图11为四根有源单模光纤的反射耦合器右视图。图12为四根有源单模光纤的反射耦合器左视图。图13为四根有源单模光纤的透射耦合器主视图。图14为四根有源单模光纤的透射耦合器右视图。图15为四根有源单模光纤的透射耦合器左视图。图16为一千零八根有源单模光纤的被动相位锁定激光器一个截面内的主视图。
图17为一千零八根有源单模光纤的透射耦合器右视图。图18为一千零八根有源单模光纤的透射耦合器左视图。图19为一千零八根有源单模光纤的反射耦合器左视图。图20为一千零八根有源单模光纤的反射耦合器右视图。图21为圆锥石英透镜的主视图。图22为N根有源单模光纤的被动相位锁定激光器一个截面内的主视图。图23为N根有源单模光纤的透射耦合器右视图。图M为N根有源单模光纤的透射耦合器左视图。图25为N根有源单模光纤的反射耦合器左视图。图沈为N根有源单模光纤的反射耦合器右视图。图27为三根有源单模光纤的被动相位锁定激光器主视图。图观为三根有源单模光纤的透射耦合器右视图。图四为三根有源单模光纤的透射耦合器左视图。图30为级联的被动相位锁定激光器主视图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。实施方式一一种多光纤被动相位锁定激光器，如图1，该激光器包括透射耦合器1，第一、第二有源单模光纤21、22，第一反射镜31，第二反射镜32，第三反射镜33，反射耦合器4和第一、 第二泵浦源51、52。所述透射耦合器1为一旋转体，如图5、6、7，由纯石英材料制成，其透射面12垂直于轴线，透射耦合器的熔接环面11与透射面12成45°角，透射面12镀全反膜，然后在透射面12上刻一个截面为等腰直角三角形的环形透射凹槽121。所述反射耦合器4为一旋转体，如图2、3、4，由纯石英材料制成，其反射面42垂直于轴线，反射耦合器的熔接环面41与反射面42成45°角，反射面42上刻一个截面为等腰直角三角形的环形反射凹槽421，然后在反射面42上镀全反膜。所述第一、第二有源单模光纤21、22的一端均与透射耦合器的熔接环面11熔接， 熔接位置与透射耦合器的透射面12上环形透射凹槽的对应关系为第一有源单模光纤21 —端的纤芯对准环形透射凹槽121的侧面，与透射耦合器的熔接环面上的第一熔接位置1121熔接；第二有源单模光纤22 —端的纤芯对准环形透射凹槽121的侧面，与透射耦合器的熔接环面上的第二熔接位置1122熔接；透射耦合器的熔接环面11上的第一、第二熔接位置1121、1122分别位于透射耦合器1的轴线两侧的过轴线的同一平面内，如图7。所述第一、第二有源单模光纤21、22的另一端均与反射耦合器的熔接环面41熔接，熔接位置与反射耦合器的反射面42上环形反射凹槽的对应关系为第一有源单模光纤21另一端的纤芯对准环形反射凹槽421的侧面，与反射耦合器的熔接环面上的第一熔接位置4121熔接，第二有源单模光纤22另一端的纤芯对准环形反射凹槽421的侧面，与反射耦合器熔的熔接环面上的第二熔接位置4122熔接，反射耦合器的熔接环面41上的第一、第二熔接位置4121、4122分别位于反射耦合器4的轴线两侧的过轴线的同一平面内，如图4。第一泵浦源51对第一有源单模光纤21侧面泵浦，第二泵浦源52对第二有源单模光纤22侧面泵浦。所述第一至第三反射镜31、32、33均为全反镜，其轴线与透射耦合器1的轴线共线，所述第一反射镜31紧贴透射耦合器的透射面11、所述第二反射镜32置于第三反射镜 33的焦距上，如图8;第一反射镜31为一圆台，圆台锥角为46°，圆台侧面镀全反膜，第二反射镜32为凸面镜，凸面镀全反膜，第三反射镜33为中心带孔的凹面镜，凹面镀全反膜，第一至第三反射镜31、32、33均由纯石英材料制成，如图9、10、11。该激光器中激光传输路径为第一有源单模光纤21中的光束，分为dl光束和d2光束，d2光束传输至环形透射凹槽121，分成d3光束和el光束，d3光束沿原路返回至第一有源单模光纤21，el光束透过环形透射凹槽121，进入第一反射镜31 ；dl光束传输至透射面12，变为cl光束全反射至第二有源单模光纤22，如图5。第二有源单模光纤22中的光束，分为a2光束和a3光束，a2光束传输至环形反射凹槽421，变成al光束沿原路返回至第二有源单模光纤22 ；a3光束传输至反射面42，变为 bl光束全反射至第一有源单模光纤21，如图2。进入第一反射镜31的el光束经过第一反射镜31的侧面反射变为e2光束传输到第三反射镜33的反射面全反射为e3光束到达第二反射镜32的反射面全反射为e4光束成为输出激光，如图8。实施方式二—种多光纤被动相位锁定激光器，如图9，该激光器包括透射耦合器1、第一至第四有源单模光纤21、22、23、24，第一反射镜31，第二反射镜32，第三反射镜33，反射耦合器 4和第一至第四泵浦源51、52、53、54。所述透射耦合器1为一旋转体，如图13、14、15，由纯石英材料制成，其透射面12垂直于轴线，透射耦合器的熔接环面11与透射面12成45°角，透射面12镀全反膜，然后在透射面12上刻一个截面为等腰直角三角形的环形透射凹槽121。所述反射耦合器4为一旋转体，如图10、11、12，由纯石英材料制成，其反射面42垂直于轴线，反射耦合器的熔接环面41与反射面42成45°角，反射面42上刻一个截面为等腰直角三角形的环形反射凹槽421，然后在反射面42上镀全反膜。所述第一至第四有源单模光纤21、22、23、24的一端均与透射耦合器的熔接环面 11熔接，熔接位置与透射耦合器1的透射面12上环形透射凹槽的对应关系为第一有源单模光纤21 —端的纤芯对准环形透射凹槽121的侧面，与透射耦合器的熔接环面上的第一熔接位置1121熔接，第二有源单模光纤22 —端的纤芯对准环形透射凹槽121的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第二熔接位置1122熔接，第三有源单模光纤 23 一端的纤芯对准环形透射凹槽121的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第三熔接位置 1123熔接，第四有源单模光纤M —端的纤芯对准环形透射凹槽121的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第四熔接位置IlM熔接，透射耦合器的熔接环面11上的第一、第二熔接位置1121、1122分别位于透射耦合器1的轴线两侧的过轴线的同一平面内，透射耦合器的熔接环面上的第三、第四熔接位置1123、11M分别位于透射耦合器1的轴线两侧的过轴线的同一平面内，如图15。所述第一至第二有源单模光纤21、22、23、24的另一端均与反射耦合器的熔接环面41熔接，熔接位置与反射耦合器4的反射面42上环形反射凹槽的对应关系为第一有源单模光纤21另一端的纤芯对准环形反射凹槽421的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第一熔接位置4121熔接，第二有源单模光纤22另一端的纤芯对准环形反射凹槽421的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第二熔接位置4122熔接，第三有源单模光纤 23另一端的纤芯对准环形反射凹槽421的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第三熔接位置 4123熔接，第四有源单模光纤M另一端的纤芯对准环形反射凹槽421的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第四熔接位置41M熔接，反射耦合器的熔接环面41上的第一、第四熔接位置4121、41M分别位于反射耦合器4的轴线两侧的过轴线的同一平面内，反射耦合器的熔接环面41上的第二、第三熔接位置4122、4123分别位于反射耦合器4的轴线两侧的过轴线的同一平面内，如图11。第一泵浦源51对第一有源单模光纤21侧面泵浦，第二泵浦源52对第二有源单模光纤22侧面泵浦，第三泵浦源53对第三有源单模光纤23侧面泵浦，第四泵浦源M对第四有源单模光纤M侧面泵浦。所述第一至第三反射镜31、32、33均为全反镜，其轴线与透射耦合器1的轴线共线，所述第一反射镜31紧贴透射耦合器1的透射面11、所述第二反射镜32置于第三反射镜 33的焦距上。第一反射镜31为一圆台，圆台锥角为46°，圆台侧面镀全反膜，第二反射镜32为凸面镜，凸面镀全反膜，第三反射镜33为中心带孔的凹面镜，凹面镀全反膜，第一至第三反射镜31、32、33均由纯石英材料制成。在反射耦合器4端的激光传输路径为第一有源单模光纤21中的光束，分为Cl光束和c2光束，c2光束传输至环形反射凹槽421，变为c3光束被全反射回第一有源光纤21，cl光束传输至反射面42，变为dl光束被反射面42全反射至第二有源单模光纤22，如图10。第三有源单模光纤23中的光束，分为a2光束和a3光束，a2光束传输至环形反射凹槽421，变为al光束被全反射回第三有源光纤23，a3光束传输至反射面42，变为bl光束被反射面42全反射至第四有源单模光纤对，如图10。在透射射耦合器1端的激光传输路径为第三有源单模光纤23中的光束，分为e2光束和e3光束，e2光束传输至环形透射凹槽121，分成el光束和f2光束，el光束被全反射回第三有源单模光纤23，f2透过透射面 12传输至第一反射镜31 ；e3光束传输至透射面12，变为Π光束被全反射至第二有源单模光纤22，如图13。第四有源单模光纤M中的光束，分为gl光束和g2光束，g2光束传输至环形透射凹槽121，分成g3光束和h2光束，g3光束被全反射回第四有源单模光纤24，h2透过透射面12传输至第一反射镜31 ；gl光束传输至透射射面12变为hi光束被全反射至第一有源单模光纤21，如图13。
实施方式三一种多光纤被动相位锁定激光器，如图16，该激光器包括透射耦合器1、第一至第一千零八有源单模光纤21、22、……、21008，圆锥石英透镜3，反射耦合器4和第一至第一千零八泵浦源51、52、……、51008。所述透射耦合器1为一旋转体，如图16、17、18，由纯石英材料制成，其透射面12垂直于轴线，透射耦合器的熔接环面11与透射面12成45°角，透射面12镀全反膜，然后在透射面12上刻截面为等腰直角三角形的第一、第二环形透射凹槽121、122。所述反射耦合器4为一旋转体，如图16、19、20，由纯石英材料制成，其反射面42垂直于轴线，反射耦合器的熔接环面41与反射面42成45°角，反射面42上刻截面为等腰直角三角形的第一、第二环形反射凹槽421、422，然后在反射面42上镀全反膜。所述第一至第一千零八有源单模光纤21、22、……、21008的一端均与透射耦合器的熔接环面11熔接，熔接位置与透射耦合器1的透射面12上环形透射凹槽的对应关系为第一有源单模光纤21 —端的纤芯对准第一环形透射凹槽121的侧面，与透射耦合器的熔接环面上的第一熔接位置1121熔接，第二有源单模光纤22 —端的纤芯对准第一环形透射凹槽121的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第二熔接位置1122熔接，第三有源单模光纤23 —端的纤芯对准第二环形透射凹槽122的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第三熔接位置1123熔接，第四有源单模光纤M —端的纤芯对准第二环形透射凹槽122的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第四熔接位置IlM熔接，……，第八有源单模光纤观一端的纤芯对准第一环形透射凹槽121的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第八熔接位置 1128熔接，第九有源单模光纤四一端的纤芯对准第一环形透射凹槽121的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第九熔接位置11 熔接，……，第十六有源单模光纤216—端的纤芯对准第一环形透射凹槽121的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第十六熔接位置11216熔接，……，第一千零一有源单模光纤21001 —端的纤芯对准第一环形透射凹槽121的侧面， 与透射耦合器熔接环面上的第一千零一熔接位置1121001熔接，……，第一千零八有源单模光纤21008 —端的纤芯对准第一环形透射凹槽121的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第一千零八熔接位置1121008熔接，透射耦合器的熔接环面11上的第一、第二熔接位置1121、 1122分别位于透射耦合器1的轴线两侧的过轴线的同一平面内，透射耦合器的熔接环面上的第三、第四熔接位置1123、11M分别位于透射耦合器1的轴线两侧的过轴线的同一平面内，……，透射耦合器的熔接环面上的第一千零七、第一千零八熔接位置1121007、1121008 分别位于透射耦合器1的轴线两侧的过轴线的同一平面内，如图18。所述第一至第一千零八有源单模光纤21、22、……、21008的另一端均与反射耦合器的熔接环面41熔接，熔接位置与反射耦合器4的反射面42上环形反射凹槽的对应关系为第二有源单模光纤22另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽121的侧面，与反射耦合器的熔接环面上的第二熔接位置1122熔接，第三有源单模光纤23另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽121的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第三熔接位置1123熔接，第四有源单模光纤M另一端的纤芯对准第二环形反射凹槽122的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第四熔接位置IlM熔接，第五有源单模光纤25另一端的纤芯对准第二环形反射凹槽122 的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第五熔接位置1125熔接，……，第九有源单模光纤四另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽121的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第九熔接位置11 熔接，第十有源单模光纤210另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽121的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第十熔接位置11210熔接，……，第十七有源单模光纤217另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽121的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第十七熔接位置 11217熔接，……，第一千零二有源单模光纤21002另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽 121的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第一千零二熔接位置1121002熔接，……，第一千零八有源单模光纤21008另一端的纤芯对准第二环形反射凹槽122的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第一千零八熔接位置1121008熔接，第一有源单模光纤21另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽121的侧面，与反射耦合器的熔接环面上的第一熔接位置1121熔接，反射耦合器的熔接环面41上的第二、第三熔接位置1122、1123分别位于反射耦合器4的轴线两侧的过轴线的同一平面内，反射耦合器的熔接环面上的第四、第五熔接位置1124、1125 分别位于反射耦合器4的轴线两侧的过轴线的同一平面内，……，反射耦合器的熔接环面上的第一千零八、第一熔接位置1121008、1121分别位于反射耦合器1的轴线两侧的过轴线的同一平面内，如图20。第一泵浦源51对第一有源单模光纤21侧面泵浦，第二泵浦源52对第二有源单模光纤22侧面泵浦，……，第一千零八泵浦源51008对第一千零八有源单模光纤21008侧面泵浦。所述圆锥石英透镜3为石英材料制成，使得透射耦合器1输出的激光整形为平行光输出，光路图如图21。实施方式四一种多光纤被动相位锁定激光器，如图22，该激光器包括透射耦合器1、第一至第 N有源单模光纤21、22、……、2N，第一反射镜31，第二反射镜32，第三反射镜33，反射耦合器4和第一至第N泵浦源51、52、……、5N。所述透射耦合器1为一旋转体，如图22、23、对，由纯石英材料制成，其透射面12垂直于轴线，透射耦合器的熔接环面11与透射面12成45°角，透射面12镀全反膜，然后在透射面12上刻截面为等腰直角三角形的第一至第M环形透射凹槽121、122、……、12M。所述反射耦合器4为一旋转体，如图22、25J6，由纯石英材料制成，其反射面42垂直于轴线，反射耦合器的熔接环面41与反射面42成45°角，反射面42上刻截面为等腰直角三角形的第一至第M环形反射凹槽421、422、……、42M，然后在反射面42上镀全反膜。所述第一至第N有源单模光纤21、22、……、2N的一端均与透射耦合器的熔接环面11熔接，熔接位置与透射耦合器1的透射面12上环形透射凹槽的对应关系为第一有源单模光纤21 —端的纤芯对准第一环形透射凹槽121的侧面，与透射耦合器的熔接环面上的第一熔接位置1121熔接，第二有源单模光纤22 —端的纤芯对准第一环形透射凹槽121的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第二熔接位置1122熔接，第三有源单模光纤23 —端的纤芯对准第二环形透射凹槽122的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第三熔接位置1123熔接，第四有源单模光纤M —端的纤芯对准第二环形透射凹槽122的侧面， 与透射耦合器熔接环面上的第四熔接位置IlM熔接，……，第4M有源单模光纤24M—端的纤芯对准第一环形透射凹槽121的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第4M熔接位置1124M 熔接，第4M+1有源单模光纤24M+1 —端的纤芯对准第一环形透射凹槽121的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第4M+1熔接位置1124M+1熔接，……，第8M有源单模光纤28M—端的纤芯对准第一环形透射凹槽121的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第8M熔接位置1128M 熔接，……，第N-4M+1有源单模光纤2N-4M+1 —端的纤芯对准第一环形透射凹槽121的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第N-4M+1熔接位置112N-4M+1熔接，……，第N有源单模光纤2N —端的纤芯对准第一环形透射凹槽121的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第N熔接位置112N熔接，透射耦合器的熔接环面11上的第一、第二熔接位置1121、1122分别位于透射耦合器1的轴线两侧的过轴线的同一平面内，透射耦合器的熔接环面上的第三、第四熔接位置1123、11M分别位于透射耦合器1的轴线两侧的过轴线的同一平面内，……，透射耦合器的熔接环面上的第N-1、第N熔接位置112N-1、112N分别位于透射耦合器1的轴线两侧的过轴线的同一平面内，如图对。所述第一至第N有源单模光纤21、22、……、2N的另一端均与反射耦合器的熔接环面41熔接，熔接位置与反射耦合器4的反射面42上环形反射凹槽的对应关系为第二有源单模光纤22另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽121的侧面，与反射耦合器的熔接环面上的第二熔接位置1122熔接，第三有源单模光纤23另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽121的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第三熔接位置1123熔接，第四有源单模光纤M另一端的纤芯对准第二环形反射凹槽122的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第四熔接位置IlM熔接，第五有源单模光纤25另一端的纤芯对准第二环形反射凹槽 122的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第五熔接位置1125熔接，……，第4M+1有源单模光纤24M+1另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽121的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第4M+1熔接位置1124M+1熔接，第4M+2有源单模光纤24M+2另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽121的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第4M+2熔接位置1124M+2熔接，……， 第8M+1有源单模光纤^M+l另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽121的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第8M+1熔接位置1U8M+1熔接，……，第N-4M+2有源单模光纤2N-4M+2 另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽121的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第N-4M+2熔接位置112N-4M+2熔接，……，第N有源单模光纤2N另一端的纤芯对准第二环形反射凹槽 122的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第N熔接位置112N熔接，第一有源单模光纤21另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽121的侧面，与反射耦合器的熔接环面上的第一熔接位置1121熔接，反射耦合器的熔接环面41上的第二、第三熔接位置1122、1123分别位于反射耦合器4的轴线两侧的过轴线的同一平面内，反射耦合器的熔接环面上的第四、第五熔接位置1124、1125分别位于反射耦合器4的轴线两侧的过轴线的同一平面内，……，反射耦合器的熔接环面上的第N、第一熔接位置112N、1121分别位于反射耦合器1的轴线两侧的过轴线的同一平面内，如图26。第一泵浦源51对第一有源单模光纤21侧面泵浦，第二泵浦源52对第二有源单模光纤22侧面泵浦，……，第N泵浦源5N对第N有源单模光纤2N侧面泵浦。实施方式五一种多光纤被动相位锁定激光器，如图27，该实施方式与实施方式一的不同之处在于去掉实施方式一中的反射耦合器4，将第一、第二、第三有源单模光纤21、22、23的两端都接在透射耦合器的熔接环面11上；透射耦合器透射面12上刻截面为等腰直角三角形的第一、第二环形透射凹槽121、122;用面泵浦光源5代替实施方式一中的第一、第二泵浦源51、52，对第一、第二、第三有源单模光纤21、22、23侧面分布式泵浦。所谓面泵浦光源5为区别于实施方式一中的第一泵浦源51的点泵浦方式而得，面泵浦光源5的光斑大至能够将第一至第三有源单模光纤21、22、23的侧面全部覆盖；用面泵浦光源5对第一至第三有源单模光纤侧面分布式泵浦即为用面泵浦光源5的光斑将第一至第三有源单模光纤21、22、23全部覆盖，使泵浦光通过光纤侧面进入纤芯。由于该实施方式只用至透射耦合器1而去掉了实施方式1中的反射耦合器4，因而对光纤数量的奇偶性无限制。所述第一至第三有源单模光纤21、22、23与透射耦合器的熔接环面11熔接，熔接位置与透射耦合器1的反射面12上环形反射凹槽的对应关系为第一有源单模光纤21 —端的纤芯对准第一环形透射凹槽121的侧面，与透射耦合器的熔接环面上的第一熔接位置1121熔接；第二有源单模光纤22 —端的纤芯对准第二环形透射凹槽122的侧面，与透射耦合器的熔接环面上的第二熔接位置1122熔接；第三有源单模光纤23 —端的纤芯对准第一环形透射凹槽121的侧面，与透射耦合器的熔接环面上的第三熔接位置1123熔接；第三有源单模光纤23另一端的纤芯对准第一环形透射凹槽121的侧面，与透射耦合器的熔接环面上的第四熔接位置11 熔接；第一有源单模光纤21另一端的纤芯对准第二环形透射凹槽122的侧面，与透射耦合器的熔接环面上的第五熔接位置1125熔接；第二有源单模光纤22另一端的纤芯对准第一环形透射凹槽121的侧面，与透射耦合器的熔接环面上的第六熔接位置1126熔接；透射耦合器的熔接环面11上的第一、第四熔接位置1121、11M分别位于透射耦合器1的轴线两侧的过轴线的同一平面内，透射耦合器的熔接环面11上的第二、第五熔接位置1122、1125分别位于透射耦合器1的轴线两侧的过轴线的同一平面内，透射耦合器的熔接环面11上的第三、第六熔接位置1123、11沈分别位于透射耦合器1的轴线两侧的过轴线的同一平面内，如图四。实施方式六一种多光纤被动相位锁定激光器，该激光器所述第一至第N有源单模光纤01、 22、……、2N)的一端均与透射耦合器熔接环面(11)熔接，所述第一至第N有源单模光纤 (21,22,……、2N)的另一端均与反射耦合器熔接环面Gl)熔接，上述连接方式构成的结构级联使用；在最后一级的透射耦合器的透射面处连接反射镜，每一级采用侧面泵浦，如图 30。
权利要求
1. 一种多光纤被动相位锁定激光器，其特征在于该激光器包括透射耦合器(1)、第一至第N有源单模光纤(21、22、……、2N)、第一反射镜(31)、第二反射镜(32)、第三反射镜 (33)、反射耦合器(4)和第一至第N泵浦源(51、52、……、5N)；所述透射耦合器(1)为一旋转体，其透射面垂直于轴线，透射耦合器的熔接环面(11) 与透射耦合器的透射面(1 成45°，透射耦合器的透射面(1 镀全反膜，然后，在透射面 (12)上刻截面为等腰直角三角形的第一至第M环形透射凹槽(121、122、……12M)；所述反射耦合器(4)为一旋转体，其反射面垂直于轴线，反射耦合器的熔接环面Gl) 与反射耦合器的反射面G2)成45°，反射耦合器的反射面G2)上刻截面为等腰直角三角形的第一至第M环形反射凹槽021、422、……42M)，然后在反射面02)上镀全反膜；第一至第M环形反射凹槽(421、422、……42M)均为全反面，深度均相同，相邻环形反射凹槽的间距与环形反射凹槽的宽度相同；第一至第M环形透射凹槽(121、122、……12M)深度均相同，相邻环形透射凹槽的间距与环形透射凹槽的宽度相同；第一至第N有源单模光纤01、22、……、2N)的一端熔接在透射耦合器熔接环面(11) 上，沿透射耦合器轴线轴线对称分布于过轴线的N/4M个截面内，每个截面内的4M根光纤关于轴线对称分布，熔接位置在过截面与透射耦合器熔接环面(11)相交的两条直线上；第一至第N有源单模光纤(21、22、……、2N)的另一端熔接在反射耦合器熔接环面Gl) 上，沿反射耦合器轴线轴线对称分布于过轴线的N/4M个截面内，每个截面内的4M根光纤关于轴线对称分布，熔接位置在过截面与反射耦合器熔接环面Gl)相交的两条直线上；所述第一至第N有源单模光纤(21、22、……、2N)的一端均与透射耦合器熔接环面(11) 熔接，熔接位置与透射耦合器的透射面(1 上环形透射凹槽的对应关系为第一有源单模光纤—端的纤芯对准第一环形透射凹槽(121)的侧面，与透射耦合器的熔接环面上的第一熔接位置(1121)熔接，第二有源单模光纤0 —端的纤芯对准第一环形透射凹槽(121)的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第二熔接位置(112 熔接， 第三有源单模光纤^幻一端的纤芯对准第二环形透射凹槽(12 的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第三熔接位置(112 熔接，第四有源单模光纤04) —端的纤芯对准第二环形透射凹槽(122)的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第四熔接位置(1124)熔接，……，第 4M有源单模光纤Q4M) —端的纤芯对准第一环形透射凹槽(121)的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第4M熔接位置(1124M)熔接，第4M+1有源单模光纤Q4M+1) —端的纤芯对准第一环形透射凹槽(121)的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第4M+1熔接位置(1124M+1) 熔接，……，第8M有源单模光纤Q8M) —端的纤芯对准第一环形透射凹槽(121)的侧面， 与透射耦合器熔接环面上的第8M熔接位置(1U8M)熔接，……，第N-4M+1有源单模光纤 (2N-4M+1) 一端的纤芯对准第一环形透射凹槽(121)的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第N-4M+1熔接位置(112N-4M+1)熔接，……，第N有源单模光纤QN) —端的纤芯对准第一环形透射凹槽(121)的侧面，与透射耦合器熔接环面上的第N熔接位置(112N)熔接；所述第一至第N有源单模光纤01、22、……、2N)的另一端均与反射耦合器熔接环面 (41)熔接，熔接位置与反射耦合器的反射面G2)上环形反射凹槽的对应关系为第二有源单模光纤02)另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽G21)的侧面，与反射耦合器的熔接环面上的第二熔接位置(41 熔接，第三有源单模光纤另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽G21)的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第三熔接位置熔接， 第四有源单模光纤04)另一端的纤芯对准第二环形反射凹槽(42 的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第四熔接位置G124)熔接，第五有源单模光纤0 另一端的纤芯对准第二环形反射凹槽(42 的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第五熔接位置012 熔接，……， 第4M+1有源单模光纤Q4M+1)另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽G21)的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第4M+1熔接位置G124M+1)熔接，第4M+2有源单模光纤Q4M+2)另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽G21)的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第4M+2熔接位置G124M+2)熔接，……，第8M+1有源单模光纤Q8M+1)另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽021)的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第8M+1熔接位置G128M+1)熔接，……， 第N-4M+2有源单模光纤QN-4M+2)另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽021)的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第N-4M+2熔接位置G12N-4M+》熔接，……，第N有源单模光纤 (2N)另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽G21)的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第N 熔接位置G12N)熔接，第一有源单模光纤另一端的纤芯对准第一环形反射凹槽(421) 的侧面，与反射耦合器熔接环面上的第一熔接位置G121)熔接；N = 2 1008的偶数，M是整数，M是N/4的约数；所述第一至第三反射镜(31、32、33)均为全反镜，并与透射耦合器(1)的轴线共线，所述第一反射镜(31)紧贴透射耦合器(1)的透射面(11)、所述第二反射镜(32)置于第三反射镜(33)的焦距上；第一反射镜(31)为一圆台，圆台锥角为46°，圆台侧面镀全反膜，第二反射镜(32)为凸面镜，凸面镀全反膜，第三反射镜(3 为中心带孔的凹面镜，凹面镀全反膜，第一至第三反射镜(31、32、3 均由纯石英材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种多光纤被动相位锁定激光器，其特征在于所述第一至第三反射镜(31、32、3；3)用圆锥石英透镜C3)代替实现光束整形。
3.根据权利要求1所述的一种多光纤被动相位锁定激光器，其特征在于将相邻编号的两根有源单模光纤熔接为一根，其两端均连接在透射耦合器的熔接环面 (11)上。
4.根据权利要求1所述的一种多光纤被动相位锁定激光器，其特征在于用面泵浦光源( 代替所述第一至第N泵浦源(51、52、……、5N)对所述第一至第N 有源单模光纤01、22、……、2N)进行布式侧面泵浦。
5.根据权利要求1所述的一种多光纤被动相位锁定激光器，其特征在于所述第一至第N有源单模光纤(21、22、……、2N)的一端均与透射耦合器熔接环面(11) 熔接，所述第一至第N有源单模光纤01、22、……、2N)的另一端均与反射耦合器熔接环面 (41)熔接，上述连接方式构成的结构级联使用；在最后一级的透射耦合器的透射面处连接反射镜，每一级采用侧面泵浦。
全文摘要
本发明公开了一种多光纤被动相位锁定激光器，适用于工业加工及国防领域。为了克服目前被动相位锁定光纤激光器的光路数量少、对光纤要求高、多到多耦合器制作难度大的问题，通过设计新型耦合器实现多路光纤的被动相位锁定，从而获得高功率、高光束质量的激光输出。
具体实施方式
为用反射耦合器(4)和透射耦合器(1)将多路有源单模光纤相连接，实现相位的锁定，用第一至第N泵浦源(51、52、……、5N)对第一至第N有源单模光纤(21、22、……、2N)侧面泵浦，第一、第二、第三反射镜(31、32、33)对透射耦合器(1)输出的光束进行整形，输出光束质量高的激光束。该激光器用于工业加工中切割器的激光能量源或是高功率激光炮的激光源。
文档编号H01S3/00GK102263368SQ20111017708
公开日2011年11月30日 申请日期2011年6月28日 优先权日2011年6月28日
发明者周倩, 宁提纲, 李晶, 油海东, 温晓东, 裴丽, 顔玲玲 申请人:北京交通大学