[發明專利]一種密集光纖陣列光譜合束裝置及方法

有效

• 申請號: 201810586999.0
• 申請日: 2018-06-06
• 公開（公告）號: CN108803065B
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發明（設計）人: 李驍軍
• 申請（專利權）人: 上海飛博激光科技有限公司
• 主分類號: G02B27/30
• 分類號: G02B27/30;G02B27/09
• 代理公司: 上海一平知識產權代理有限公司 31266
• 代理人: 姜龍;唐雪嬌

本發明提出了一種密集光纖陣列光譜合束裝置及方法，采用縮束準直光學系統實現光纖陣列的密集排布，可以縮短合束裝置的光程，實現緊湊化光譜合束，并且可以同時實現激光的快慢軸準直，其中縮束準直光學系統由第一光學元件和第二光學元件組成，第一光學元件為慢軸準直鏡，所述的第二光學元件為快軸準直鏡。

技術領域

本發明涉及一種密集光纖陣列光譜合束裝置及方法，屬于光纖激光技術領域，特別涉及高亮度光纖激光合束、工業加工等應用領域。

背景技術

高亮度光纖激光器在工業、醫療、國防等領域具有廣泛應用前景。受非線性效應、模式不穩定效應等物理因素和材料損傷特性的限制，單路單模激光器的輸出功率始終有限。而利用光譜合束技術可在獲得更高功率輸出的同時可以保持良好的光束質量。近年來，光譜合束技術的發展使光纖激光的輸出功率得到了迅速提升。2016年美國洛克希德馬丁公司報道了96路窄線寬光纖激光進行光譜合束，實現了功率30kW近衍射極限的高光束質量激光輸出(在先技術Honea,Eric,et al.Advances in fiber laser spectral beamcombining for power scaling.SPIE LASE 2016:97300Y)。2017年，該公司將光譜合束功率拓展至58kW。所以，密集光纖陣列光譜合束技術代表了當前高亮度光纖激光的重要發展趨勢。

對于高亮度光纖激光在車載和艦載等機動平臺上的應用，需要合束裝置緊湊化和輕量化，這就要求相鄰光纖間距Δx越小越好。然而單路光纖輸出頭需進行機械夾持和水冷，占用一定空間(個別情況還需考慮機械結構對光纖進行位置和角度調整)，所以相鄰光纖間距Δx不能無限制縮小。

光譜合束技術主要分為單光柵和雙光柵方案。對于單光柵方案，光纖陣列和光柵分別位于轉換透鏡的前后焦點處，組成2F光學系統。該方案的一個缺點是轉換透鏡的焦距很長，不利于光譜合束裝置的緊湊化。在光柵參數和相鄰光纖波長間隔確定的情況下，轉換透鏡焦距值f與光纖陣列中相鄰光纖的間距Δx成正比，如下式所示：(Madasamy,et al.Comparison of Spectral Beam Combining Approaches for HighPower Fiber Laser Systems.SPIE Defense and Security Symposium InternationalSociety for Optics and Photonics,2008:695207-695207-10)。其中f為透鏡焦距，Δx為相鄰光纖間距，d和θ分別為光柵常數和衍射角，Δλ為相鄰光纖波長間隔。所以相鄰光纖間距Δx縮小可以有效縮短轉換透鏡的焦距f，從而實現裝置的緊湊化。

在雙光柵技術方案中，光纖陣列光束經過準直后打在光柵上，所以不需要轉換透鏡進行聚焦。合束裝置的光程主要取決于兩個光柵的間距L。如下式所示：(Madasamy,Pratheepan,et al.Comparison of Spectral Beam Combining Approachesfor High Power Fiber Laser Systems.SPIE Defense and Security SymposiumInternational Society for Optics and Photonics,2008:695207-695207-10，其中β為陣列光束到第一塊光柵的入射角)。據上式可知L值正比于相鄰光纖間距Δx。所以，無論對于單光柵和雙光柵的緊湊化光譜合束，都需要盡量縮小相鄰光纖間距Δx。

CN204103247U采用多個反射鏡，多次折返光程的方案實現緊湊型的光譜合束。然而從根本上說，實現光源陣列緊密排列從而壓縮系統光程是更加直接的緊湊化方案。如何有效實現光纖激光陣列的高占空比緊密排列，縮短合束裝置的光程，成為發展緊湊化高功率光纖激光的一個技術難題。