CN101847818B - 一种级联式的光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种级联式的光纤激光器，包括光学谐振腔、多根泵浦输入光纤、泵浦输出光纤、多根泵浦输入光纤与泵浦输出光纤耦合形成的n×1光纤合束器，一有源双包层光纤与泵浦输出光纤侧面耦合相接形成(1+1)×1光纤合束器，光学谐振腔是由该(1+1)×1光纤合束器的有源双包层光纤、光隔离器、光耦合器和窄带光滤波器依次连接起来的环形结构光学谐振腔，光耦合器分出小输出端和大输出端，小输出端与窄带光滤波器的输入端熔接相连，大输出端与泵浦输出光纤上的级联光纤合束器组熔接。多个串连在一起的光纤合束器组能够逐级均匀充分地吸收泵浦光能量，减小高功率泵浦中泵浦光功率的瞬间过高或功率漂动对激光输出功率造成的不稳定影响。

Description

一种级联式的光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器，尤其涉及一种大功率输出级联式结构的光纤激光器。

背景技术

光纤激光器被称为激光领域的一门新兴技术，在很多领域有着广泛的应用前景，近年来成为国际上争相研究的热点，其发展迅猛和应用广泛，受到了高度重视。其中大功率双包层光纤激光器更是异军突起，其以双包层光纤为基础，以多模包层泵浦技术为代表，使得光纤激光器的转换效率和输出功率大幅度提高，其光束质量基本接近于衍射极限。

要实现双包层光纤激光器的大功率输出，有效的泵浦技术成为关键。现有技术一般是通过不断地增加注入到有源光纤里的泵浦光能量来实现，但是增益有源光纤一旦拉制成纤，其掺杂离子浓度水平、内包层与纤芯尺寸及形状就已经确定，其对泵浦光的吸收能力就是一个常值。对于大功率双包层光纤激光器而言，为了获得大功率输出，相应就要使用很强的泵浦功率去进行抽运，这会带来一些棘手的问题。一是如何使有源光纤对泵浦光能量的吸收最大化，达到其饱和吸收状态，有效地提高泵浦耦合效率与利用效率。常见的泵浦方式主要有侧面泵浦和端面泵浦两种。侧面泵浦技术包括V型槽侧面泵浦、微棱镜侧面耦合泵浦、光纤侧面胶合泵浦等，其耦合效率都小于90％，且加工处理工艺很复杂，成本高。端面泵浦技术包括透镜直接端面耦合、光纤端面熔接耦合泵浦等，透镜端面耦合技术受到光纤光学参数、透镜组件技术参数等的限制，导致泵浦效率低下，系统不稳定，且成本昂贵。光纤端面熔接耦合泵浦技术是ITF的专利，该技术对光纤熔融拉制工艺要求很高，国内有些研究机构对其进行工艺研究，但仍没有掌握。二是泵浦光在完成抽运过程后，相对的泵浦残余能量会较为可观，如何带走光纤中的残留光使其不会烧毁光纤和光器件？一般残留包层泵浦光对光路中光纤和光器件极易造成光损伤，引起输出功率不稳定。当前有些研究机构通过引入独立的包层泵浦光剥离器，对光纤微加工处理和热沉主动散热，这种方式会降低光纤的机械性能，且工艺很难控制，对光纤激光器的小型化、集成化也极为不利。三是如何对光纤激光器中的光纤进行散热。光纤的细长结构本身具有较大的单位比表面积，有助于光纤激光器的散热。但是光纤作为高功率激光的载体，发热量很高，即使使用水冷、风冷等方式，热耗散也会限制其性能，且这些方式实施起来很困难。

目前的大功率光纤激光器或放大器的光学结构，一般都采用种子源主振荡放大(MOPA)技术方案，即后级都设计成一个功率放大式的光学结构，其等同于一个独立的大功率光纤放大器，而通常一定长度的光纤有一个最佳的增益状态，即光-光系统转换效率有一个最高点。泵浦注入量过低，则增益放大不足，激光输出功率低；若泵浦注入量过高，双包层光纤对泵浦的吸收过于饱和，残余泵浦光会瞬间泄露，极易烧毁光纤的涂覆层或某些光器件，使其损伤。

此外，目前要实现光纤激光器的大功率输出，必须大规模注入泵浦能量进入光纤的内包层，必须研制多泵浦端口、大外径的(n+1)×1泵浦合束器或n×1泵浦合束器，n大于6以上。这对熔锥型的合束器的拉制工艺提出了极大挑战。这类多端口的合束器的制作工艺尤其复杂，拉制非常困难，即使成品其泵浦耦合效率也较低，信号损耗也较大。虽然国内外有不少科研机构和公司对其进行了研制，也取得了一些进展，但仍未能拉制出理想的、实用化的产品。

因此，如何使光纤激光器有效地提高泵浦耦合效率与利用效率，并带走残留光使其不会烧毁光纤和光器件，以及如何使光纤进行有效地散热是业内亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明为解决上述的技术问题，提出一种级联式结构、高输出功率的光纤激光器。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案来实现的：一种级联式的光纤激光器，包括光学谐振腔、多根泵浦输入光纤、泵浦输出光纤、该多根泵浦输入光纤与泵浦输出光纤耦合形成的n×1光纤合束器，其中：还包括一根有源双包层光纤，该有源双包层光纤与所述泵浦输出光纤侧面耦合相接形成(1+1)×1光纤合束器，所述光学谐振腔是由该(1+1)×1光纤合束器的有源双包层光纤、一光隔离器、一光耦合器和一窄带光滤波器依次连接起来的环形结构光学谐振腔，所述光耦合器分出小输出端和大输出端，该小输出端与所述窄带光滤波器的输入端熔接相连，该大输出端与所述泵浦输出光纤上的级联光纤合束器组熔接，该级联光纤合束器组是由多个设置在所述泵浦输出光纤上的(2+1)×1光纤合束器通过一根有源双包层光纤依次串接起来构成。

其中，所述(2+1)×1光纤合束器是由有源双包层光纤与所述泵浦输出光纤上相对应的两侧通过侧面耦合相接构成。

其中，所述有源双包层光纤的输出末端侧面拉制一个反向工作状态的(2+1)×1侧面泵浦合束器。

其中，在所述有源双包层光纤输出末端熔接一段单包层光纤，并将该段单包层光纤弯曲成一定曲率半径的光纤圈。

其中，所述多根泵浦输入光纤紧密堆积后耦合区的直径小于所述泵浦输出光纤耦合区的直径。

其中，所述窄带光滤波器通过一段单包层光纤与所述有源双包层光纤熔接相连。

其中，所述多根泵浦输入光纤紧密堆积熔融耦合再与所述泵浦输出光纤熔接制成一体化。

其中，所述n×1光纤合束器、(1+1)×1光纤合束器、(2+1)×1侧面光纤合束器均由高温熔融拉锥而成。

其中，所述泵浦输出光纤为大芯径多模光纤、普通多模光纤、双包层光纤、无源双包层光纤。

与现有技术相比，本发明环形光学谐振腔实现信号种子激光的选频、反馈、初步放大功能，输出小功率的信号种子激光，最终进入级联式的合束器中完成后续的功率放大，多个串连在一起的合束器能够逐步均匀地、多点方式耦合吸收泵浦光能量，初次泵浦时不能直接进入光纤的泵浦光将继续向前传导，接下来的下一级的光纤合束器组通过同样的方式耦合剩余的泵浦光，这样分批次提取剩余的泵浦光，通过这些级联的光纤合束器逐级完成对泵浦光的均匀、充分地耦合吸收，减小高功率泵浦过程中泵浦光功率的瞬间过高或功率漂动对激光输出功率造成的不稳定影响，反向工作状态的(2+1)×1泵浦合束器能进一步滤除残余的包层泵浦光能量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作出详细的说明，其中：

图1是本发明较佳实例7×1泵浦合束器的示意图；

图2是本发明较佳实例(1+1)×1光纤合束器示意图；

图3是本发明较佳实例的环形光学谐振腔光路结构示意图；

图4是本发明较佳实例级联光纤合束器组的结构示意图；

图5是本发明较佳实例(2+1)×1泵浦合束器的示意图。

具体实施方式

本发明较佳实例，如图3、图4所示，一种级联式的光纤激光器，包括光学谐振腔、7根(还可以其它数量的)泵浦输入光纤1、泵浦输出光纤2、该7根泵浦输入光纤1与一根泵浦输出光纤(本较佳实例选用大芯径的多模光纤)2耦合形成的7×1光纤合束器(如图1所示)，还包括一根有源双包层光纤3，该有源双包层光纤3与泵浦输出光纤2侧面耦合相接形成(1+1)×1光纤合束器5(如图2所示)，所述光学谐振腔是由该(1+1)×1光纤合束器5的有源双包层光纤3、一光隔离器8、一光耦合器9和一窄带光滤波器12依次连接起来的环形结构光学谐振腔(如图3所示)，光耦合器9分出小输出端11和大输出端10，该小输出端11与所述窄带光滤波器12的输入端熔接相连，该大输出端10与所述泵浦输出光纤2上的级联光纤合束器组熔接，该级联光纤合束器组是由多个设置在所述泵浦输出光纤2上的(2+1)×1光纤合束器通过一根有源双包层光纤4依次串接起来构成。所述窄带光滤波器12通过一段单包层光纤18与所述有源双包层光纤3熔接相连，这样便于生产和安装。上述的(2+1)×1光纤合束器是由有源双包层光纤与所述泵浦输出光纤2上相对应的两侧通过侧面耦合相接构成。

如图5所示，有源双包层光纤4的输出末端17(大功率激光输出端)的侧面再拉制一个反向工作状态的(2+1)×1侧面泵浦合束器6，并还在该有源双包层光纤4的输出末端17再熔接一段单包层光纤7，并将该段单包层光纤弯曲成一定曲率半径的光纤圈。这样有助于过滤掉剩余的泵浦输入光，而得到较纯的激光。

其中，多根泵浦输入光纤1(本例采用7根)紧密堆积后耦合区的直径小于所述泵浦输出光纤2耦合区的直径。多根泵浦输入光纤1紧密堆积熔融耦合，经熔融拉锥耦合后切割，再与所述泵浦输出光纤2熔接制成一体化。所述n×1光纤合束器、(1+1)×1光纤合束器5、(2+1)×1侧面光纤合束器6均由高温熔融拉锥而成。所述泵浦输出光纤2可以为大芯径多模光纤、普通多模光纤、双包层光纤、无源双包层光纤等光纤。

环形光学谐振腔实现了信号种子激光的选频、反馈、初步放大功能，输出小功率的信号种子激光，最终进入级联式的光纤合束器组中完成后续的功率放大。采用熔融拉锥工艺，拉制级联光纤合束器组，直接将有源双包层光纤4剥除掉一段涂覆层，将其紧贴在事先预拉后的泵浦输出光纤400/440的耦合区表面进行高温熔融拉锥操作，在上述两根光纤形成锥区和耦合区的部位，与光纤轴接近平行的方向，泵浦光可以耦合进入有源双包层光纤4的内包层中传导，当其反复穿越有源双包层光纤的纤芯时被吸收，从而实现高效泵浦。上述拉制合束器的工艺方法，与一般传统的泵浦合束器制作方式，即泵浦多模光纤紧贴双包层光纤进行熔拉操作工序不同，其为反向紧贴的方式拉制，本发明级联式的是通过多个串连在一起的光纤合束器组能够逐步均匀的、多点方式耦合吸收泵浦光能量，初次泵浦时不能直接进入光纤的泵浦光将继续向前传导，接下来的下一级的合束器通过同样的方式耦合剩余的泵浦光，这样分批次提取剩余的泵浦光，通过这些级联的合束器逐级完成对泵浦光的均匀、充分的耦合吸收，减小高功率泵浦过程中泵浦光功率的瞬间过高或功率漂动对激光输出功率造成的不稳定影响。

在有源双包层光纤4的末端17拉制一只反向工作状态的(2+1)×1侧面泵浦合束器6，泵浦光纤使用105/125多模光纤，利用两根泵浦光纤能够反向耦合出有源双包层光纤中的大部分残余泵浦光，确保了光路的安全性和可靠性。此外，在光纤末端熔接一段匹配的无源单包层光纤，并弯曲成一定曲率半径的光纤圈，进一步滤除残余的包层泵浦光能量。这些全光纤结构的设计处理，解决了大功率光纤激光器中残留包层泵浦光的滤除问题。

本发明的工作原理是：将多个泵浦源LD的尾纤与泵浦输入光纤105/125光纤熔接在一起，泵浦光通过n×1泵浦合束器传导光能量，即n根泵浦输入光纤105/125拉锥成光纤束，与大芯径多模的输出光纤400/440光纤熔接并封装，制成n×1泵浦合束器。由(1+1)×1合束器、光隔离器、滤波器等一系列光器件，设计成一个环形光学谐振腔。首先，当泵浦光经过环形谐振腔内的合束器时，一定比例的泵浦光耦合进入有源双包层光纤的内包层，穿越光纤纤芯时，被掺杂稀土离子吸收，在无外来种子光的前提下，会产生自发辐射光(ASE)，ASE光没有方向性，其光谱很宽，3dB带宽约有几十纳米宽，当其通过光隔离器时，保证了光路的单向传输和抑制了反向ASE光，ASE光再通过窄带光滤波器，会选频出一个单波长，即产生了弱种子源信号激光，再经一只分光比10/90的光耦合器分光，该光耦合器的光小输出端口与窄带光滤波器的输入端相连，完成谐振腔的反馈、初步放大功能。光耦合器的大输出端口的激光种子传输进入级联光纤合束器组的每一个(2+1)×1光纤合束器，接下来第2个、第3个……(2+1)×1光纤合束器，同样完成对一定比例泵浦光能量(可以通过控制拉制工艺来实现不同的泵浦吸收比例)的耦合采集，耦合进入有源双包层光纤内包层的泵浦光以折射方式反复穿越其纤芯，泵浦光被纤芯中的掺杂稀土离子吸收，形成粒子数反转，当种子源激光通过时，对其增益放大，实现大功率的激光输出。通过上述级联的多个合束器逐级提取泵浦光，这样泵浦光可以获得充分的吸收利用，从而有效地提高泵浦耦合效率，且避免一次性单点注入高功率泵浦能量带来的热效应和输出功率的不稳定，改善光纤的散热问题。

本发明较佳实例选用的器材、标准和制作具体为：

所使用的有源双包层光纤都是由纤芯、内包层、外包层、涂覆层组成，所用的双包层光纤的光学参数分别为：纤芯直径20±2μm；内包层直径128±3μm，内包层形状为八边形；涂覆层直径260±20μm；纤芯数值孔径：0.09±0.01；包层数值孔径：＞0.45。

泵浦输入光纤为105/1250.22NA，其纤芯为105±3μm，包层为125±2μm，数值孔径为0.22±0.02。使用的大芯径多模光纤(即泵浦输出光纤)为400/4400.22NA，其纤芯为400±9μm，包层为440±8μm，涂覆层为625±25μm，数值孔径为0.22±0.02。拉制7×1泵浦合束器时，首先将7根泵浦输入光纤1剥除一定长度的涂覆层，然后放置在熔融拉锥设备的专用夹具中，作最紧密堆积状态，并在中间沿光纤轴向打几个光纤结，使其各个光纤裸纤表面能够紧密接触在一起，便于高温下熔融耦合。通过控制熔融拉锥工艺参数值，将由7根泵浦输入光纤1组成的光纤束拉锥到耦合区最细直径接近于230μm左右，接着将其耦合区沿径向平整的切断。将一根泵浦输出光纤400/440剥离去掉一段涂覆层，并预拉到耦合区最细直径接近于250μm左右，也将耦合区沿径向平整的切断，将其与前面的光纤束放置于大芯径光纤熔接机中，熔接在一起制作7×1泵浦合束器。作为输入的光纤束的耦合区直径230μm要略小于输出光纤耦合区直径250μm，这样保证泵浦光导光时，泵浦输入光纤的光能量往大口径的输出光纤包层里直接过渡，避免泵浦光的泄露，提高合束器的耦合效率。

大芯径多模光纤2(即泵浦输出光纤)与一根有源双包层光纤3侧面耦合相接形成(1+1)×1光纤合束器5，有源双包层光纤3选取上述规格的有源双包层光纤约5米，剥离光纤的部分涂覆层，并熔接一段与其匹配的无源单包层光纤18，该无源单包层光纤18的纤芯为20±2μm，包层为125±2μm。然后剥离泵浦输出光纤400/440的部分涂覆层，并将其单独预拉至耦合区直径约250μm。紧接着在有源双包层光纤3的一端，离有源双包层光纤3与无源单包层光纤18接头处约20mm的位置13剥纤少量至内包层，将光纤的裸纤位置13扭绞几圈并贴紧在预拉后的泵浦输出光纤400/440的锥区部位，调节拉锥参数对该部位进行熔融拉锥操作，制作得到(1+1)×1合束器。

拉制完毕(1+1)×1合束器后，将上述支有源双包层光纤3末端与其匹配的无源单包层光纤进行熔接，并将此熔接接头清洁，用低折射率胶固定裸纤部位并封装起来。再依次和光隔离器、分光比10/90的光耦合器、窄带光滤波器连接起来制成环形结构的光学谐振腔，光隔离器8与光耦合器9之间通过一根无源单包层光纤连接，光耦合器的10％光从小输出端输出至窄带光滤波器，光耦合器的90％光从大输出端口输出信号种子激光通过级联光纤合束器组进入到有源双包层光纤4中传输并放大，窄带光滤波器通过无源单包层光纤18与(1+1)×1合束器的输入端相连。

光耦合器的大输出端10与级联光纤合束器组的第一个(2+1)×1合束器熔接，熔接处形成接头14，用点胶固定裸纤部位并封装起来。在距离该接头14约20mm有源双包层光纤4上的位置15剥纤，在该位置15相对应的位置16也剥纤，将泵浦输出光纤400/440预拉至耦合区直径约250μm，再在有源双包层光纤4上并与泵浦输出光纤上位置15、16两处相对应的位置上剥纤，贴紧在预拉后的泵浦输出光纤400/440的耦合区部位拉制(2+1)×1光纤合束器，接下来使用与上述同样的方式，拉制第2个、第3个……(2+1)×1光纤合束器，就形成了级联光纤合束器组，级联光纤合束器组直至光纤的大功率激光最终输出端口为止。本发明中可以根据光纤的泵浦吸收系数大小、光纤的总长度、泵浦合束器的耦合效率合理选择需要拉制的级联合束器数目和所需有源双包层光纤的长度。

在有源双包层光纤4的输出末端17熔接一段匹配的无源单包层光纤，在离接头约20mm有源双包层光纤4上的位置剥纤，再将两段泵浦输入光纤19的涂覆层剥掉处理后，单独预拉至耦合区直径约40μm，然后将预拉后的两根泵浦输入光纤的耦合区紧贴在有源双包层光纤4的剥纤位置的裸纤部位，拉制出一只反向工作状态的(2+1)×1侧面泵浦合束器6，其能够反向耦合出大部分残余在有源双包层光纤内包层中的包层泵浦光。而且，在光纤末端再熔接一段无源单包层光纤7，用于进一步滤除残余泵浦光，完成对输出激光光束的整形处理，获得高质量的激光输出。

本发明的五大优势：

1、泵浦输入光纤与泵浦输出光纤耦合不必要拉制n大于等于6的(n+1)×1合束器，只需要拉制常见的工艺简单的(1+1)×1、(2+1)×1等光纤合束器，工艺简单、操作可控。

2、采用多点分步骤拉锥，直接将泵浦输入光纤与泵浦输出光纤一起拉制成型，不需要熔接。而一般传统的泵浦合束器的拉制方法是：先将信号光和泵浦光合束到一根输出用的无源双包层光纤中，然后通过熔接方式完成其与光纤的熔融对接，该方式在两光纤的接头处会引起泵浦光的泄露浪费，且需要对接头进行重新涂覆处理，对熔接机和涂覆机设备的性能要求高，且工艺繁琐，不易控制。

3、采用级联的合束器组能够逐渐分批次从泵浦输出光纤中提取泵浦光能量，防止泵浦功率注入太大时的破坏作用和对光纤的光损伤。而且，当前面的信号完成放大时，紧接着传输的是经放大后的大功率信号激光，再进入下一级的合束器中完成下一步的更高功率的放大，避免了一些情况下输入信号种子激光功率弱，引起的激光输出功率振荡不稳，以及自激射效应的破坏作用。

4、级联式结构的光纤激光器，采取的多端口多点泵浦光注入方式，从光纤的多个部位注入，可以使入射的泵浦光能量逐渐耦合到光纤中，使热点分布更加均匀，散热能力更好。而一般传统的单点注入高功率泵浦时，由于光纤局部热量累积极易造成系统的不稳定和破坏作用，其热效应会严重限制其性能。

5、泵浦功率剥离器，解决了大功率泵浦时残留泵浦光的分散消耗问题。利用反向工作状态的泵浦合束器的泵浦端口，能够反向耦合除掉有源双包层光纤中大部分的残余泵浦光。在本发明的实施例中，通过反向工作的(2+1)×1合束器滤出包层泵浦光，达到一次性滤除残留泵浦功率约60％的结果。另外，光纤末端接续的匹配无源单包层光纤圈能够再进一步滤除包层中的残余泵浦光能量，保障了其余光器件和光纤的安全和系统的稳定。

以上结合较佳实施方式对本发明进行了具体描述，但是本技术领域内的技术人员可以对这些实施方式做出多种变更或变化，这些变更和变化应落入本发明保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种级联式的光纤激光器，包括光学谐振腔、多根泵浦输入光纤(1)、泵浦输出光纤(2)、该多根泵浦输入光纤(1)与泵浦输出光纤(2)耦合形成的n×1光纤合束器，其特征在于：还包括第一根有源双包层光纤(3)，该第一根有源双包层光纤(3)与所述泵浦输出光纤(2)侧面耦合相接形成(1+1)×1光纤合束器(5)，所述光学谐振腔是由该(1+1)×1光纤合束器(5)的第一根有源双包层光纤(3)、一光隔离器(8)、一光耦合器(9)和一窄带光滤波器(12)依次连接起来的环形结构光学谐振腔，所述光耦合器(9)分出小输出端(11)和大输出端(10)，该小输出端(11)与所述窄带光滤波器(12)的输入端熔接相连，该大输出端(10)与所述泵浦输出光纤(2)上的级联光纤合束器组熔接，该级联光纤合束器组是由多个设置在所述泵浦输出光纤(2)上的(2+1)×1光纤合束器通过第二根有源双包层光纤(4)依次串接起来构成。

2.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于：所述(2+1)×1光纤合束器是由第二根有源双包层光纤(4)与所述泵浦输出光纤(2)上相对应的两侧通过侧面耦合相接构成。

3.根据权利要求2所述的光纤激光器，其特征在于：所述第二根有源双包层光纤(4)的输出末端(17)侧面拉制一个反向工作状态的(2+1)×1侧面泵浦合束器(6)。

4.根据权利要求3所述的光纤激光器，其特征在于：在所述第二根有源双包层光纤(4)的输出末端(17)熔接一段单包层光纤(7)，并将该段单包层光纤弯曲成一定曲率半径的光纤圈。

5.根据权利要求3或4所述的光纤激光器，其特征在于：所述多根泵浦输入光纤(1)紧密堆积后耦合区的直径小于所述泵浦输出光纤(2)耦合区的直径。

6.根据权利要求5所述的光纤激光器，其特征在于：所述窄带光滤波器(12)通过一段单包层光纤(18)与所述第一根有源双包层光纤(3)熔接相连。

7.根据权利要求6所述的光纤激光器，其特征在于：所述多根泵浦输入光纤(1)紧密堆积熔融耦合再与所述泵浦输出光纤(2)熔接制成一体化。

8.根据权利要求7所述的光纤激光器，其特征在于：所述n×1光纤合束器、(1+1)×1光纤合束器(5)、(2+1)×1侧面泵浦合束器(6)均由高温熔融拉锥而成。

9.根据权利要求5所述的光纤激光器，其特征在于：所述泵浦输出光纤(2)为大芯径多模光纤、普通多模光纤、双包层光纤。

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