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1、(10)申请公布号 CN 102240846 A (43)申请公布日 2011.11.16 CN 102240846 A *CN102240846A* (21)申请号 201110164672.2 (22)申请日 2011.06.17 B23K 26/00(2006.01) G02B 6/27(2006.01) (71)申请人 山西飞虹激光科技有限公司 地址 041600 山西省临汾市洪洞县甘亭镇燕 壁村 申请人 北京工业大学 (72)发明人 王智勇 史元魁 于峰 陈玉士 葛廷武 王有顺 代京京 (74)专利代理机构 北京鸿元知识产权代理有限 公司 11327 代理人 陈英俊 (54) 发明名。
2、称 全光纤结构线偏振脉冲光纤激光加工装置 (57) 摘要 提供一种全光纤结构线偏振脉冲光纤激光 加工装置， 其包括 ： 光纤激光器， 用于产生脉冲激 光 ； 多个放大级单元， 分别包括偏振相关隔离器、 泵浦源、 偏振相关合束器以及双包层保偏光纤 ； 以及依次配置在所述多个放大级单元的最终输 出端一侧的偏振相关准直隔离器、 偏振分光器和 /4 波片， 使得从所述多个放大级单元输出的经 放大的激光经过所述偏振相关准直隔离器、 偏振 分光器和 /4 波片之后照射在被加工件上， 而 且， 由所述被加工物件反射而沿光轴返回的激光 经过所述 /4 波片之后， 其偏振方向变成与原偏 振方向垂直， 从而被所述。
3、偏振分光器向与光轴垂 直的方向反射。 根据本发明的线偏振脉冲激光器， 其稳定性高、 成本低且带有防反射光功能。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 CN 102240850 A1/1 页 2 1. 一种全光纤结构线偏振脉冲光纤激光加工装置， 包括 ： 光纤激光器， 用于产生脉冲激光 ； 多个放大级单元， 分别包括偏振相关隔离器、 泵浦源、 偏振相关合束器以及双包层保偏 光纤， 对由所述光纤激光器输出的脉冲激光进行放大 ； 以及依次配置在所述多个放大级单元的最终输出端一侧的偏振相关准直隔离器、 偏振。
4、 分光器和 /4 波片， 使得从所述多个放大级单元输出的经放大的激光经过所述偏振相关 准直隔离器、 偏振分光器和 /4 波片之后照射在被加工件上， 而且， 由所述被加工物件反 射而沿光轴返回的激光经过所述 /4 波片之后， 其偏振方向变成与原偏振方向垂直， 从而 被所述偏振分光器向与光轴垂直的方向反射。 2. 根据权利要求 1 所述的全光纤结构线偏振脉冲光纤激光加工装置， 其中， 所述光纤激光器包括依次配置的泵浦源、 高反射率光纤光栅、 双包层光纤、 光纤声光 Q 开关、 透射式光纤光栅。 3. 根据权利要求 2 所述的全光纤结构线偏振脉冲光纤激光加工装置， 其中， 所述光纤激光器的耦合输出光。
5、纤和所述多个放大级单元中的第一级放大单元的偏振 相关隔离器的入纤通过拉锥法熔接以实现模场匹配。 4. 根据权利要求 1 所述的全光纤结构线偏振脉冲光纤激光加工装置， 其中， 所述多个放大级单元之间采用模场匹配的光纤端面熔接。 5. 根据权利要求 1 所述的全光纤结构线偏振脉冲光纤激光加工装置， 其中， 所述多个 放大级单元中的前一个放大级单元的偏振相关合束器和后一个放大级单元的偏振相关合 束器的泵浦输入端， 根据所需要的泵浦总功率增加入纤数量或者提高单臂泵浦功率。 权 利 要 求 书 CN 102240846 A CN 102240850 A1/4 页 3 全光纤结构线偏振脉冲光纤激光加工装置。
6、 技术领域 0001 本发明涉及一种用于工业加工的全光纤结构线偏振脉冲光纤激光加工装置， 属于 激光技术领域。 背景技术 0002 随着相关技术的发展， 激光加工技术作为现代工业高科技加工技术的代表， 已经 被广泛地应用于标记、 切割、 焊接、 打孔、 涂覆等工业领域。发展于上世纪 90 年代的光纤激 光器， 与传统的 CO2激光器和固体激光器相比， 具有体积小、 能耗低、 光束质量高好、 效率高、 稳定性高、 免维护等特点， 正在逐步取代传统激光器在工业加工中的地位。其中， 具有高重 复频率、 高峰值功率、 高单脉冲能量的脉冲光纤激光器在激光微加工、 激光标记、 激光切割、 激光焊接等方面备。
7、受关注。 0003 然而， 不稳定的种子源经过增益光纤放大会产生非信号光的高能量脉冲， 不仅不 利于加工应用， 相反还会严重威胁包括种子源、 泵浦源在内的甚至整个激光加工系统的安 全。 其次， 在加工过程中， 被工件表面反射的光的一部分会进入激光器， 可能会损坏器件， 甚 至烧毁光纤。 再者， 目前受关键器件造价较高的限制， 市场上的工业用脉冲光纤激光器的成 本也很高， 也限制了其应用的普及性。所以， 需要具有高稳定性、 高光束质量、 结构紧凑、 加 工中可防止反射光且造价成本低的脉冲光纤激光器。 发明内容 0004 本发明鉴于上述问题点而做出， 其目的在于提供一种稳定性高、 成本低且具有防 。
8、反射光功能的用于工业加工的、 全光纤结构的线偏振脉冲光纤激光加工装置。 0005 为了达到上述目的， 本发明提供一种全光纤结构线偏振脉冲光纤激光加工装置， 包括 ： 光纤激光器， 用于产生脉冲激光 ； 多个放大级单元， 分别包括偏振相关隔离器、 泵浦 源、 偏振相关合束器以及双包层保偏光纤， 对由所述线偏振固体激光器输出的线偏振脉冲 激光进行放大 ； 以及依次配置在所述多个放大级单元的最终输出端一侧的偏振相关准直隔 离器、 偏振分光器和 /4 波片， 使得从所述多个放大级单元输出的经放大的激光经过所述 偏振相关准直隔离器、 偏振分光器和 /4 波片之后照射在被加工件上， 而且， 由所述被加 工。
9、物件反射而沿光轴返回的激光经过所述 /4 波片之后， 其偏振方向变成与原偏振方向 垂直， 从而被所述偏振分光器向与光轴垂直的方向反射。 0006 此外， 优选的是， 所述光纤激光器包括依次配置的泵浦源、 高反射率光纤光栅、 双 包层光纤、 光纤声光 Q 开关、 透射式光纤光栅。 0007 另外， 优选的是， 所述光纤激光器的耦合输出光纤和所述多个放大级单元中的第 一级放大单元的偏振相关隔离器的入纤通过拉锥法熔接以实现模场匹配。 0008 再者， 优选的是， 所述多个放大级单元之间采用模场匹配的光纤端面熔接。 0009 另外， 优选的是， 所述多个放大级单元中的前一个放大级单元的偏振相关合束器 。
10、和后一个放大级单元的偏振相关合束器的泵浦输入端， 根据所需要的泵浦总功率增加入纤 说 明 书 CN 102240846 A CN 102240850 A2/4 页 4 数量或者提高单臂泵浦功率。 0010 根据如上所述的本发明， 可实现稳定性高、 成本低且带有防反射功能的用于工业 加工的线偏振脉冲光纤激光加工装置。 附图说明 0011 图 1 是表示本发明涉及的用于工业加工的全光纤结构的线偏振脉冲光纤激光加 工装置整体结构的图。 0012 图2是表示上述全光纤结构的光纤激光加工装置中的光纤激光器1的内部结构的 图。 0013 附图标记说明 ： 0014 1、 光纤激光器， 2、 预放大级偏振相。
11、关隔离器， 0015 3、 预放大级泵浦源， 4、 预放大级偏振相关合束器， 0016 5、 预放大级双包层保偏光纤， 6、 主放大级偏振相关隔离器， 0017 7、 主放大级泵浦源， 8、 主放大级偏振相关合束器， 0018 9、 主放大级双包层保偏光纤， 10、 偏振相关准直隔离器， 0019 11、 偏振分光器， 12、 /4 波片， 0020 13、 光吸收体， 14、 被加工件， 0021 15、 泵浦源 16、 高反射率光纤光栅， 0022 17、 双包层光纤， 18、 光纤声光 Q 开关 0023 19、 透射式光纤光栅。 具体实施方式 0024 下面， 结合图 1、 图 2 详。
12、细说明本发明的具体实施方式。 0025 图 1 是表示本发明涉及的用于工业加工的全光纤结构的线偏振脉冲光纤激光加 工装置的整体结构的图， 图 2 是表示上述全光纤结构的线偏振脉冲光纤激光加工装置中的 光纤激光器 1 的内部结构的图。 0026 如图 1 所示， 本实施方式涉及的线偏振脉冲光纤激光加工装置包括 ： 光纤激光器 1 ； 由预放大级偏振相关隔离器 2、 预放大级泵浦源 3、 预放大级偏振相关合束器 4 以及预放 大级双包层保偏光纤 5 等构成的预放大级单元 ； 由主放大级偏振相关隔离器 6、 主放大级泵 浦源7、 主放大级偏振相关合束器8、 主放大级双包层保偏光纤9等构成的主放大级单。
13、元 ； 以 及依次连接在上述主放大级单元的加工件一侧的偏振相关准直隔离器 10、 偏振分光器 11、 /4 波片 12 以及光吸收体 13 等。 0027 由光纤激光器 1 产生的脉冲激光进入到预放大级单元。 0028 在该预放大级单元中， 上述线偏振激光经过预放大级偏振相关隔离器 2 之后， 进 入预放大级泵浦源 3 进行泵浦。该预放大级偏振相关隔离器 2 是允许光向一个方向通过而 阻止向相反方向通过的无源器件， 其作用是对光的行进方向进行限制， 使光只能单方向传 输， 通过光纤回波反射回来的光能够被隔离器很好地隔离， 从而提高光波的传输效率， 防止 光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源。
14、以及光路系统产生的不良影响。 0029 之后， 从预放大级泵浦源3出射的泵浦光进入预放大级偏振相关合束器4。 该预放 说 明 书 CN 102240846 A CN 102240850 A3/4 页 5 大级偏振相关合束器 4 是一种端面泵浦器件， 它具有高耦合效率， 便于和其它光纤器件构 成无缝连接， 用于将泵浦光耦合进预放大级双包层保偏光纤 5。然后， 经过预放大级偏振相 关合束器 4 的泵浦光在预放大级双包层保偏光纤 5 中传播， 同时被预放大级双包层保偏光 纤 5 中的激光工作物质吸收而产生一级放大脉冲激光。 0030 然后， 由上述预放大级单元产生的激光进入主放大级单元。 0031 。
15、主放大级单元的构成与上述预放大级单元的构成基本相同， 也是由偏振相关隔离 器、 泵浦源、 偏振相关合束器、 双包层保偏光纤等构成。 在主放大级单元中， 激光经过主放大 级偏振相关隔离器6后进入主放大级泵浦源7进行泵浦。 其中， 主放大级偏振相关隔离器6 是允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的无源器件， 其作用是对光的方向进行限 制， 使光只能单方向传输， 从而使通过光纤回波反射回来的光能够被隔离器很好地隔离， 提 高光波的传输效率， 由此防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路系统 产生的不良影响。 0032 之后， 从主放大级泵浦源 7 出射的泵浦光进入主放大级偏振相关合束。
16、器 8， 该主放 大级偏振相关合束器 8 是一种端面泵浦器件， 它具有高耦合效率， 便于和其它光纤器件构 成无缝连接， 用于将泵浦光耦合进主放大级双包层保偏光纤 9。然后， 经过该主放大级偏振 相关合束器 8 的泵浦光在主放大级双包层保偏光纤 9 中传播， 同时该泵浦光被主放大级双 包层保偏光纤 9 中的激光工作物质吸收而产生次级放大脉冲激光。 0033 接着， 所产生的激光进入偏振相关准直隔离器10后， 从偏振相关准直隔离器10的 输出端得到的依旧是线偏振脉冲激光。该偏振相关准直隔离器 10 用于防止经过增益光纤 放大后可能产生的高能量脉冲等后向传输光损坏光源以及光路系统。 0034 之后，。
17、 经由偏振相关准直隔离器10的线偏振脉冲激光， 依次通过偏振分光器11和 /4 波片 12 而变成圆偏振光之后， 照射在被加工件 14 的表面上进行激光加工。在加工过 程中， 一部分光被加工件 14 的表面反射后沿原路返回， 依次进入 /4 波片 12 变为线偏振 光。在此， 其偏振方向变为与原偏振方向垂直的方向， 因此， 当其进入偏振分光器 11 时， 被 偏振分光器 11 分离到朝向光吸收体 13 的方向， 并且被光吸收体 13 吸收， 从而达到防反射 光的效果。 0035 在上述预放大级单元和主放大级单元中， 各偏振相关隔离器 2、 6 的输出端分别与 各偏振相关合束器4、 8的信号输入。
18、端相熔接， 并且， 各泵浦源3、 7的尾纤与各偏振相关合束 器 4、 8 的泵浦入纤相熔接。此外， 各偏振相关合束器 4、 8 的输出端与各双包层保偏光纤 5、 9 的一端相熔接。而且， 预放大级双包层保偏光纤 6 的另一端与主放大级偏振相关隔离器 6 的入纤相熔接 ； 主放大级双包层保偏光纤9的另一端与偏振相关准直隔离器10的入纤相熔 接， 由此， 在偏振相关准直隔离器 10 的输出端可获得线偏振脉冲激光。 0036 另外， 以上所有熔接处两端的光纤均优选为芯径匹配光纤。 0037 再者， 在本实施方式中例举了对激光进行二级放大的线偏振脉冲光纤激光加工装 置， 但本发明并不限定激光放大的级数。
19、， 可根据所需激光功率选择多级的放大结构， 其中， 每一级均可由偏振相关隔离器、 偏振相关合束器、 泵浦源和双包层保偏光纤构成。 0038 进一步， 参照图 2 举例说明上述线偏振脉冲光纤激光加工装置中的线偏光纤激光 器 1 的内部结构。 0039 如图 2 所示， 作为整体脉冲光纤激光器的种子源单元的光纤激光器 1 包括依次配 说 明 书 CN 102240846 A CN 102240850 A4/4 页 6 置的泵浦源 15、 高反射率光纤光栅 16、 双包层光纤 17、 光纤声光 Q 开关 18 以及透射式光纤 光栅 19。高反射率光纤光栅 16 和透射式光纤光栅 19 构成谐振腔， 。
20、泵浦源 15 为其提供泵 浦能量， 双包层光纤 17 为增益介质， 光纤声光 Q 开关 18 调节腔内 Q 值以产生脉冲激光。此 外， 光纤激光器 1 其输出端光纤与预放大级隔离器 (2) 的输入端熔接， 光纤激光器 1 不限定 于上述结构， 只要能够输出脉冲光的光纤激光器即可。 0040 另外， 上述的预放大级泵浦源3和主放大级泵浦源7可以是光纤耦合输出方式。 此 外， 上述预放大级偏振相关合束器4和主放大级偏振相关合束器8的泵浦输入端， 可根据需 要的泵浦总功率来增加入纤的数量或者提高单臂泵浦功率。 0041 如上所述， 根据本发明的线偏振脉冲光纤激光加工装置， 可以产生高稳定性、 高光 束质量的激光， 并且具有防反射光功能， 且制造成本低。 0042 在本发明的上述教导下， 本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改 进和变形， 而这些改进和变形， 都落在本发明的保护范围内， 本领域技术人员应该明白， 上 述的具体描述只是更好的解释本发明的目的， 本发明的保护范围由权利要求及其等同物限 定， 任何在此范围内变更及变形， 都落在本发明的保护范围之内。 说 明 书 CN 102240846 A CN 102240850 A1/1 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102240846 A 。