[發明專利]可擴展的大功率光纖激光器

在審

• 申請號: 201911126909.0
• 申請日: 2015-06-02
• 公開（公告）號: CN110854655A
• 公開（公告）日: 2020-02-28
• 發明（設計）人: D·A·V·克萊爾
• 申請（專利權）人: 恩耐公司
• 主分類號: H01S3/067
• 分類號: H01S3/067;H01S3/094;H01S3/0941;H01S5/40
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 舒雄文

一種模塊化和可擴展的大功率光纖激光器系統，可配置以產生1kW或1kW以上的激光輸出，且包含：彼此分離地安置的一或多個可分離泵浦模塊，每一泵浦模塊包含通過一或多個基于光纖的泵浦模塊泵浦合并器而以光學方式合并的多個光纖耦合組件泵浦源，每一泵浦模塊提供一或多個泵浦模塊光纖輸出端；以及增益模塊，其與所述一或多個可分離泵浦模塊分離地安置，且包含以光學方式耦合到所述泵浦模塊光纖輸出端中的相應泵浦模塊光纖輸出端的一或多個增益模塊泵浦光纖輸入端，并且包含以光學方式耦合到所述一或多個增益模塊泵浦光纖輸入端的增益光纖，所述增益光纖經配置以產生與耦合到所述增益光纖的所述泵浦模塊光纖輸出端的數目和功率有關的可擴展的增益模塊光纖輸出功率。

本申請是申請日為2015年6月2日，名稱為“可擴展的大功率光纖激光器”，申請號為201510295923.9的發明專利申請的分案申請。

技術領域

概括來講，本發明的領域是大功率光纖激光器(high power fiber laser)。更確切地說，本發明涉及可擴展的大功率連續波和準連續波光纖激光器。

背景技術

常規多千瓦工業光纖激光器系統通常使用由多個組件光纖激光器組成的非可擴展架構，所述多個組件光纖激光器的輸出端與熔融光纖信號合并器(signal combiner)合并。總光纖激光器系統的輸出功率通常在2到6kW的范圍中，且個體組件光纖激光器通常具有在0.4到1.0kW的范圍中的功率。因此，為了達到超過1kW的總功率，必須合并來自多個光纖激光器(通常2到10個)的輸出端。

用于達成大功率光纖激光器輸出的這些常規方法具有根據本公開內容而變得顯而易見的幾個缺點。舉例來說，由于合并多個個體光纖激光器系統，在光學、電學和機械組件中需要大量冗余，由此增加了系統成本、尺寸和復雜度。另外，光纖激光器組件系統一般來講具有有限的現場可維護性，從而在光纖激光器組件系統的光學組件出故障的情況下往往需要替換全部光纖激光器組件系統。即使當光學組件故障僅局限于光纖組件系統的例如破損光纖等一部分，仍發生此類全部替換。要求替換全部光纖激光器組件系統會增加用于維修完整多千瓦系統的成本。現場替換光纖激光器組件系統通常需要極為專用的設備和干凈的房間條件，這些條件在工廠環境中不容易得到，從而使維護變得昂貴且具破壞性。

熔融光纖信號合并器引起光學損耗且減低所接收的個體光纖激光器輸出端的光束品質。此損耗不利地影響效率，所述效率確定功率消耗和廢熱產生，且光束品質降級可減小金屬切割應用中的速度。此外，信號合并器是昂貴的，其需要昂貴的設備和大量過程開發以及對制造過程的控制，且其可經歷不可預測的變化從而影響再現性和可靠性。熔融光纖信號合并器還遭受操作損害(包含來自工件的光學反饋)，由此降低了系統可靠性。

利用信號合并器來達成高達幾千瓦的功率也限制了光纖激光器系統的激光功率在現場升級的能力。舉例來說，熔融信號合并器可包含用于接收額外組件光纖激光器的空端口。但是，輸出光束的光束品質被降級，而不管額外端口是否充填有額外組件光纖激光器系統輸出端。并且，如果信號合并器已完全充填輸入端口，那么升級系統輸出功率需要用更大功率的組件光纖激光器來替換所述組件光纖激光器中的一個或多個。替換組件光纖激光器是昂貴的，確切地說，因為隨之而來的是所被替換的組件光纖激光器、子系統或組件的使用受到限制或不能重復使用所被替換的組件光纖激光器、子系統或組件。

常規系統設計在可如何適應或并入工藝進步方面同樣受限制，因為許多關鍵組件被集成到每個組件光纖激光器中。舉例來說，泵浦二極管技術快速取得進步，從而提供增加的功率、亮度和效率以及降低的成本。近年來，有源光纖同樣經歷了顯著的工藝增進。如果泵浦二極管、光纖和電子設備全部集成到單個激光器模塊中，那么將這些進步并入到現有光纖激光器中可能是困難的或是不可能的。舉例來說，在單個激光器模塊內的組件之間的互連將很可能不能達到或不容易改變，且對關鍵組件的改變將必然伴有大量設計紋波(design ripple)，從而需要其它組件中相應的改變。類似地，機械或熱設計可因改變關鍵組件而受到影響。因此，常規大功率光纖激光器架構常常必須要么放棄基于工藝進步的升級，要么全力以赴于昂貴且耗時的再設計。