[发明专利]一种避免激光芯片因反向光损伤的大功率激光器

说明书

技术领域

    本发明涉及激光器，特别涉及一种拥有特殊设计的光纤激光器，实现避免因反向光损坏泵浦源中的半导体激光器芯片。

背景技术

在工业激光加工，医疗医药制作等一些应用中，需要大功率的激光器。光纤激光器以其高能量转化效率、高光束质量、体积紧凑、高可靠性能、超长使用寿命、免维护的优点，可以取代第一代的气体激光器，在大功率激光器的应用中获得广泛的推广。

光纤激光器的运行中存在相当强度的反向光，如果沿着泵浦源的输出光纤返回，投射到半导体激光芯片上，将造成致命性的损伤，如 Catastrophic Optical Damage（COD）。这是光纤激光器的一个主要失效模式。在光纤激光器中，被反射的信号光（反向光）必须尽量小地返回到泵浦源中，否则反向光的功率很容易超过半导体芯片的损伤阈值，造成损坏。对于单管芯的半导体激光器，其COD的损伤域值约为250mW（连续光）和0.2μJ。对于输出功率10W的单管芯泵浦源，输出光纤中的反射率必须控制在2.5%以下。

目前常用的光纤激光器的结构如图1所示，主要由泵浦源1、光纤合束器2、增益光纤3和输出端4等构成。在上述结构的光纤激光器中，可能回返到泵浦源中的反向光可能来自以下几个部分：

1.光纤熔接点B。

    这个熔接点在光纤合束器和增益光纤之间。由于光纤合束器使用的一般为圆形双包层光纤，而有源光纤使用的为不规则双包层光纤（八边形、六边形、D形），两边光纤的不完全匹配（包括形状的不匹配和NA的不匹配）导致在熔接处产生相对较大的泄漏和反射--信号光（如1064纳米）从纤芯泄漏到包层，泄漏的信号光和包层中传输的泵浦光（如976纳米）一起从包层被反射。反向光主要是泵浦光和小部分泄漏后反射的信号光，经过合束器，最终返回到泵浦源。在高质量光纤熔接的情况下，反射率应该在1％以下，而反向光通过合束器后被均匀分配到多个泵浦源的入射端。如果使用10W的泵浦源，每个接收到100mW以下的反向光（10W × 1% = 100mW），低于250mW的损伤阈值。因此，在正常的光纤熔接情况下，产生于熔接点B的反向光主要是泵浦光其强度比较小。

2.光纤熔接点C。

在熔接点C处，大多数泵浦光已经被吸收，残余泵浦光约为5 %以下，而在纤芯中的信号光占绝大部分。在此反射的泵浦光，通过增益光纤并没有被放大，（因为包层中没有掺杂），然后通过合束器，达到增益激光器。这部分能量非常低，只有 10W×5 %×1 %（C处反射率）= 5mW。而在熔接点C处反射回纤芯的信号光（反射比较低 < 0.01%），在增益光纤中被放大（假设增益20dB，100倍），通过合束器时，其中一部分耦合到多模泵浦源（估计为10％），然后平均分配到多个泵浦源。因此，如果是2000瓦输出的光纤激光器(30个10W的泵浦源)，到达泵浦源的信号光功率约为：

2000W×0.01％×100（增益）×10％×(1/30)= 66mW

该数值仍然低于250mW的损伤阈值。但是如果光纤激光器的功率（或峰值功率）超过2千瓦，就有可能损伤泵浦源。

3.加工工件D表面处信号光的反射。

在光纤激光器的工业应用中，比较普遍的应用是金属材料的表面加工和处理，金属对1064微米有较大的反射率（30%～90% 甚至更高）。如图2中的激光加工设备的输出光路系统所示。根据光路可逆原理，金属工件表面反射的信号光（假设为30%）可以沿完全按照原光路返回，并耦合回泵浦源中。估计耦合回纤芯中的信号光为1％（180度反射），通过增益光纤放大为100倍，同样耦合后分配到各个泵浦源中：

2000W×30％×1％×100（增益）×10％×（1/30)= 2W  。

从上面分析可以看出，来自加工工件表面的高反射是主要的反向光来源，其是个非常严重的问题。由于加工件表面的180度反射光是最强的反向光，一般激光加工设备都会在输出光路中采用10dB以上的空间隔离器来减少反向光。然而大功率的空间隔离器技术上比较难以实现，而且成本较高，不容易实现产业化。 另一个通常采用的降低反向光强度的方法是：在输出光纤的末端面制作8°的倾角（APC设计），通过光纤连接头与另一个8°倾角的光纤实现连接。 这个方法可以有效地抑制在光纤端面的反射光。但在激光加工设备中，在光纤的最后输出端采用8°倾角的效果有限，这是因为反向光的主要部分是来自于加工工件表面的180度反射光，根据光路可逆原理，即使采用各种类似的改变光纤端面几何形状的方法也不能有效地减少这种反向光。

发明内容