CN101969172A - 基于增益调制技术脉冲激光种子的掺Yb光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于增益调制技术脉冲激光种子的掺Yb光纤激光器。它由脉冲调制的激光泵浦源、多模光纤合束器、光纤光栅对、Yb掺杂双包层光纤、放大级泵浦源、高功率合束器和激光功率放大用双包层掺Yb光纤组成；通过增益调制技术，将脉冲调制的激光泵浦源通过多模光纤合束器耦合到Yb掺杂双包层增益光纤中，产生由光纤光栅对限定波长的脉冲激光。所产生的脉冲激光作为种子源，由一级或多级光纤放大器放大。激光放大器泵浦源通过高功率合束器耦合到大模场直径的双包层掺Yb光纤中。经过功率级放大，获得重复频率可调的高功率脉冲激光输出。本发明可获得一种结构简单、成本较低又具有很好长期稳定性的新型高功率光纤激光脉冲种子。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲型掺Yb光纤激光器，尤其涉及一种基于增益调制技术脉冲激光种子的掺Yb光纤激光器。
背景技术
脉冲型掺Yb光纤激光器是目前实现大功率激光加工等应用的具有高峰值功率激光输出的一种重要稀土离子掺杂激光器。由于Yb离子具有较简单的二能级结构和较长的上能级荧光寿命(接近1ms)，不存在荧光上转换效应，因此利于实现很高功率激光的输出；其较长的上能级寿命有利于实现高功率的脉冲激光输出。光纤激光器与固体、气体激光器相比较有许多优点：具有更小的体积；具有大的表面积和体积比，散热性更好，不需要庞大的水冷系统；具有更好的光束质量，能得到接近衍射极限的高功率激光输出；较高的能量转换效率；以及很高的长期工作稳定性。因此，当前掺Yb的双包层光纤激光器已经较大规模地取代固体、气体等传统激光器应用于光纤通信、工业加工、国防军事等领域。
脉冲型掺Yb光纤激光器一般采用两种结构：法布里-珀罗腔(F-P腔)结构和MOPA结构。F-P腔结构的脉冲激光器，通过在腔内插入损耗调制的Q开关，可以实现脉冲激光输出；但受器件性能限制，不利于大功率的激光输出。MOPA结构利用高性能种子激光的功率放大，可以实现高性能的脉冲激光输出，是当前实现高功率脉冲光纤激光器的主要技术。当前，通常所采用的MOPA结构脉冲型掺Yb光纤激光器的种子源主要包括全光纤化的声光调Q光纤激光器和多级预放大的脉冲调制单模半导体激光器。全光纤化的声光调Q光纤激光器虽然结构比较简单，但是需采用带尾纤的声光调制器，生产成本以及价格相对较高，声光调制器的长期稳定性也存在一定问题；多级预放大的脉冲调制单模半导体激光器需采用价格较为昂贵的可高速调制的单模半导体激光器，由于输出功率过小，需经过一级或多级的预放大才能达到种子源功率要求，结构相对复杂，成本比前者更高。
发明内容
本发明的目的是克服其他脉冲型光纤激光器在成本和长期稳定性方面的不足，提供一种基于增益调制技术脉冲激光种子的掺Yb光纤激光器。
一种基于增益调制技术脉冲激光种子的掺Yb光纤激光器由脉冲调制的泵浦源、多模光纤合束器、高反射率光纤光栅、Yb掺杂双包层光纤、低反射率光纤光栅、放大级泵浦源、多模光纤合束器、双包层掺Yb光纤组成；脉冲调制的泵浦源通过光纤与多模光纤合束器、高反射率光纤光栅、Yb掺杂双包层光纤、低反射率光纤光栅、光纤放大器泵浦源、多模光纤合束器、双包层掺Yb光纤依次相连；将脉冲调制的泵浦源激光通过合束器耦合到Yb掺杂的双包层增益光纤中，产生由高反射率光纤光栅、低反射率光纤光栅限定波长的脉冲激光，输出的脉冲激光作为种子源，与放大级泵浦源通过多模光纤合束器耦合到双包层掺Yb光纤中，经过功率放大后，获得重复频率可调的脉冲激光输出。
另一种基于增益调制技术脉冲激光种子的掺Yb光纤激光器由脉冲调制的泵浦源、多模光纤合束器、高反射率光纤光栅、Yb掺杂双包层光纤、低反射率光纤光栅、放大级泵浦源、多模光纤合束器、双包层掺Yb光纤组成；脉冲调制的泵浦源通过光纤与多模光纤合束器、高反射率光纤光栅、Yb掺杂双包层光纤、低反射率光纤光栅、双包层掺Yb光纤、多模光纤合束器、放大级泵浦源依次相连；将脉冲调制的泵浦源激光通过合束器耦合到Yb掺杂的双包层增益光纤中，产生由高反射率光纤光栅、低反射率光纤光栅限定波长的脉冲激光。输出的脉冲激光作为激光种子源，耦合到双包层掺Yb光纤中，多模光纤合束器将放大级泵浦源反向耦合到大模场直径的双包层掺Yb光纤，获得重复频率可调的脉冲激光输出。
在所述的低反射率光纤光栅与光纤放大器泵浦源之间设有隔离器。所述的脉冲调制的泵浦源是一种重复频率、脉冲宽度可控的高功率多模半导体激光器，工作波长在900～985nm、输出功率为1～100W的带尾纤多模半导体激光器。所述的高反射率光纤光栅和低反射率光纤光栅是一种在1020～1085nm波段具有反射率的光纤光栅，作为种子激光器的谐振腔。所述的双包层掺Yb光纤是随机偏振的Yb光纤或偏振保持的Yb光纤。
本发明为了解决脉冲型高功率光纤激光器目前种子结构复杂、成本高、长期稳定性低的问题，获得一种成本较低又具有很好长期稳定性的新型脉冲光纤激光种子，我们提出了一种基于增益调制技术激光种子的MOPA结构全光纤型脉冲掺Yb光纤激光器，其种子源结构仍为典型的F-P腔结构，但不包含昂贵的带尾纤声光调制器。其脉冲激光的产生通过采用不同脉冲宽度和重复频率的高功率多模泵浦激光直接泵浦高浓度掺杂Yb离子的双包层光纤而实现。基于增益调制技术，可以获得较短脉冲宽度(数十到数百纳秒脉宽)的激光输出。该输出激光的重复频率与泵浦光的重复频率一致。作为种子源，经过一级(或者多级，视放大器目标功率而定)功率放大，可以获得高功率的高质量脉冲激光输出。
附图说明
图1是一种基于增益调制技术脉冲激光种子的掺Yb光纤激光器结构示意图；
图2是另一种基于增益调制技术脉冲激光种子的掺Yb光纤激光器结构示意图；
图3是电脉冲调制泵浦激光与种子激光输出的时序关系图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，基于增益调制技术脉冲激光种子的掺Yb光纤激光器由脉冲调制的高功率多模半导体泵浦源1、多模光纤合束器2、高反射率光纤光栅3、Yb掺杂双包层光纤4、低反射率光纤光栅5、高功率的放大级泵浦源7、多模光纤合束器8、双包层掺Yb光纤9组成；脉冲调制的泵浦源1通过光纤与多模光纤合束器2、高反射率光纤光栅3、Yb掺杂双包层光纤4、低反射率光纤光栅5、光纤放大器泵浦源7、多模光纤合束器8、双包层掺Yb光纤9依次相连；将脉冲调制的泵浦源激光1通过合束器2耦合到Yb掺杂的双包层增益光纤4中，产生由高反射率光纤光栅3、低反射率光纤光栅5限定波长的脉冲激光。输出的脉冲激光作为种子源，与放大级泵浦源7通过多模光纤合束器8耦合到双包层掺Yb光纤9中，经过功率放大后，获得重复频率可调的脉冲激光输出。
在所述的低反射率光纤光栅5与光纤放大器泵浦源7之间设有隔离器6，主要用于抑制后端放大级激光反馈损害种子激光。该隔离器可以是偏振无关的。当后端放大激光是线性偏振时，该隔离器需采用偏振相关的。当种子激光功率较大时，可以省略该隔离器。所述的脉冲调制的泵浦源1是一种重复频率、脉冲宽度可控的高功率多模半导体激光器，工作波长在900～985nm、输出功率为1～100W的带尾纤多模半导体激光器。该脉冲调制激光器可以是单个半导体激光器，也可以由多个半导体激光器共同组成。所述的高反射率光纤光栅3和低反射率光纤光栅5是一种在1020～1085nm波段具有反射率的光纤光栅，用于作为种子激光器的谐振腔。根据光纤激光器的脉冲输出特性要求，所述的双包层掺Yb光纤9可以是随机偏振的Yb光纤或偏振保持的Yb光纤。
如图2所示，基于增益调制技术脉冲激光种子的掺Yb光纤激光器由脉冲调制的泵浦源1、多模光纤合束器2、高反射率光纤光栅3、Yb掺杂双包层光纤4、低反射率光纤光栅5、放大级泵浦源7、多模光纤合束器8、双包层掺Yb光纤9组成；脉冲调制的泵浦源1通过光纤与多模光纤合束器2、高反射率光纤光栅3、Yb掺杂双包层光纤4、低反射率光纤光栅5、双包层掺Yb光纤9、多模光纤合束器8、放大级泵浦源7依次相连；将脉冲调制的泵浦源激光1通过合束器2耦合到Yb掺杂的双包层增益光纤4中，产生由高反射率光纤光栅3、低反射率光纤光栅5限定波长的脉冲激光。输出的脉冲激光作为激光种子源，耦合到大模场直径的双包层掺Yb光纤7中，高功率多模光纤合束器8将高功率泵浦源9反向耦合到大模场直径的双包层掺Yb光纤7，获得重复频率可调的脉冲激光输出。
在所述的低反射率光纤光栅5与光纤放大器泵浦源7之间设有隔离器6。所述的脉冲调制的泵浦源1是一种重复频率、脉冲宽度可控的高功率多模半导体激光器，工作波长在900～985nm、输出功率为1～100W的带尾纤多模半导体激光器。所述的高反射率光纤光栅3和低反射率光纤光栅5是一种在1020～1085nm波段具有反射率的光纤光栅，作为种子激光器的谐振腔。所述的双包层掺Yb光纤9是随机偏振的Yb光纤或偏振保持的Yb光纤。
如图3所示，给出了基于增益调制技术下，电脉冲调制泵浦激光与种子激光输出的时序关系图，在泵浦激光功率以及脉冲宽度适当时，可以获得稳定的单个脉冲输出的种子激光，激光重复频率与泵浦激光一致，脉冲宽度一般远小于泵浦激光的脉冲宽度。种子激光输出有一定的建立时间。
本发明为了解决脉冲型高功率光纤激光器目前种子结构复杂、成本高、长期稳定性低的问题，获得一种成本较低又具有很好长期稳定性的新型脉冲光纤激光种子，提出了一种基于增益调制技术激光种子的MOPA结构全光纤型脉冲掺Yb光纤激光器，其种子源结构仍为典型的F-P腔结构，但不包含昂贵的带尾纤声光调制器，因此成为典型的全光纤结构，没有空间耦合成份。其脉冲激光的产生通过采用不同脉冲宽度和重复频率的高功率多模泵浦激光直接泵浦高浓度掺杂Yb离子的双包层光纤而实现。基于增益调制技术，可以获得较短脉冲宽度(数十到数百纳秒脉宽)的激光输出。该输出激光的重复频率与泵浦光的重复频率一致。其输出功率较高，作为种子源，经过一级(或者多级，视放大器目标功率而定)功率放大，可以获得高功率的高质量脉冲激光输出。
Claims (6)
1.一种基于增益调制技术脉冲激光种子的掺Yb光纤激光器，其特征在于它由脉冲调制的泵浦源(1)、多模光纤合束器(2)、高反射率光纤光栅(3)、Yb掺杂双包层光纤(4)、低反射率光纤光栅(5)、放大级泵浦源(7)、多模光纤合束器(8)、双包层掺Yb光纤(9)组成；脉冲调制的泵浦源(1)通过光纤与多模光纤合束器(2)、高反射率光纤光栅(3)、Yb掺杂双包层光纤(4)、低反射率光纤光栅(5)、放大级泵浦源(7)、多模光纤合束器(8)、双包层掺Yb光纤(9)依次相连；将脉冲调制的泵浦源激光(1)通过合束器(2)耦合到Yb掺杂的双包层增益光纤(4)中，产生由高反射率光纤光栅(3)、低反射率光纤光栅(5)限定波长的脉冲激光，输出的脉冲激光作为种子源，与放大级泵浦源(7)通过多模光纤合束器(8)耦合到双包层掺Yb光纤(9)中，经过功率放大后，获得重复频率可调的脉冲激光输出。
2.一种基于增益调制技术脉冲激光种子的掺Yb光纤激光器，其特征在于它由脉冲调制的泵浦源(1)、多模光纤合束器(2)、高反射率光纤光栅(3)、Yb掺杂双包层光纤(4)、低反射率光纤光栅(5)、放大级泵浦源(7)、多模光纤合束器(8)、双包层掺Yb光纤(9)组成；脉冲调制的泵浦源(1)通过光纤与多模光纤合束器(2、高反射率光纤光栅(3、Yb掺杂双包层光纤(4、低反射率光纤光栅(5)、双包层掺Yb光纤(9)、多模光纤合束器(8)、放大级泵浦源(7)依次相连；将脉冲调制的泵浦源激光(1)通过合束器(2)耦合到Yb掺杂的双包层增益光纤(4)中，产生由高反射率光纤光栅(3)、低反射率光纤光栅(5)限定波长的脉冲激光，输出的脉冲激光作为激光种子源，耦合到大模场直径的双包层掺Yb光纤(7)中，多模光纤合束器(8)将放大级泵浦源(9)反向耦合到双包层掺Yb光纤(7)，获得重复频率可调的放大脉冲激光输出。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于增益调制技术脉冲激光种子的掺Yb光纤激光器，其特征在于在所述的低反射率光纤光栅(5)与放大级泵浦源(7)之间设有隔离器(6)。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于增益调制技术脉冲激光种子的掺Yb光纤激光器，其特征在于所述的脉冲调制的泵浦源(1)是一种重复频率、脉冲宽度可控的高功率多模半导体激光器，工作波长在900～985nm、输出功率为1～100W的带尾纤多模半导体激光器。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于增益调制技术脉冲激光种子的掺Yb光纤激光器，其特征在于所述的高反射率光纤光栅(3)和低反射率光纤光栅(5)是一种在1020～1085nm波段具有反射率的光纤光栅，作为种子激光器的谐振腔。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于增益调制技术脉冲激光种子的掺Yb光纤激光器，其特征在于所述的双包层掺Yb光纤(9)是随机偏振的Yb光纤或偏振保持的Yb光纤。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110209 |