CN102332679B - 环形腔相干输出光纤激光器 - Google Patents

环形腔相干输出光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了环形腔相干输出光纤激光器，适用于工业加工及国防领域。为了克服目前被动相位锁定激光器中能够完成相位锁定的光路数量较少，输出激光功率低，相干性差，整个激光器的结构复杂，损耗高的缺点，由有源单模光纤构成的N个圆环用耦合器连接起来，泵浦源和单模光纤通过耦合器与圆环连接，单模光纤将圆环内激光信号导出相干以增大激光的输出功率，由于各个圆环之间由耦合器相连，输出激光的频率一致，相干性很强，输出的光束质量高，功率大。该光纤激光器用于工业加工中切割器的激光能量源或是高功率激光炮的激光源。

Description

环形腔相干输出光纤激光器
技术领域
本发明涉及一种光纤激光器，适用于工业切割、军事等要求激光输出功率高且光束质量好的领域。
背景技术
激光器从问世之日起就广受关注，近年来高功率激光器的研究进展迅猛。目前，大功率的光纤激光器被广泛应用于精密焊接和切割等工业领域中，并在军事领域呈现出广阔的应用前景。近年来，光纤激光器的输出功率快速提升，多种提高激光输出功率的方法已经被提出。
首先，基于包层抽运技术的光纤激光器以其光束质量好、转换效率高以及结构紧凑等特点吸引了人们的广泛关注。2004年光纤激光器的单纤输出功率达到千瓦量级，2009年IPG公司报道已实现了单纤万瓦的单模激光输出。但随着功率的增加，SBS、SRS和FWM等各种非线性效应使得光束质量严重降低，并且成为进一步增加激光功率的巨大障碍。大模场面积(LMA)光纤的提出成为一种可行的方法，在保持光功率密度不变的情况下，增大光纤半径可以有效增加光纤所能承载的光功率，为大功率光纤激光器的制备提供了必要的前提。但由于光纤半径增加幅度有限，过大的光纤半径使得模场变的复杂，光束质量得不到保证，因此该方法能够解决的问题受到光纤尺寸的限制。
另一种方法为主控振荡器的功率放大器(MOPA)，这种方法可以有效增加激光器功率，而且输出激光的质量很高，但同样受到单根光纤光功率承载能力的限制。
相比之下，多路光纤激光的合束成为一种实现大功率激光输出的更为有效的方法。为了增加输出功率的同时在一定程度上保证输出激光的光束质量，相干组束技术成为首选，相干组束又分为主动相位锁定和被动相位锁定。主动相位锁定需要较为复杂的外部调相器件，而且稳定性较差，相比之下，被动相位锁定不需要复杂的调相设备，完全依靠激光器自身的设备被动调整各路激光相位，达到各路激光同相位的目的，效率和稳定性都较高。
但就目前已有被动相位锁定的实现方法而言，所能够完成相位锁定的光路数量较少，输出激光功率低，相干性差；要求有多到多的光纤耦合器，而这样的光纤耦合器制作难度很大，结构复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：
目前被动相位锁定激光器中能够完成相位锁定的光路数量较少，输出激光功率低，相干性差，整个激光器的结构复杂，损耗高。
本发明的技术方案：
环形腔相干输出光纤激光器，该激光器包括：第一至第N圆环，第一至第N耦合器，第一至第N泵浦源，第一至第N单模光纤。
第一有源单模光纤的首尾相接构成第一圆环，第一泵浦源通过第一耦合器与第一圆环相接，第一单模光纤通过第二耦合器与第一圆环相接。
第二有源单模光纤的首尾相接构成第二圆环，第二泵浦源通过第三耦合器与第二圆环相接，第二单模光纤通过第四耦合器与第二圆环相接。
第三有源单模光纤的首尾相接构成第三圆环，第三泵浦源通过第五耦合器与第三圆环相接，第三单模光纤通过第六耦合器与第三圆环相接。
……
第N-1有源单模光纤的首尾相接成第N-1圆环，第N-1泵浦源通过第2*N-3耦合器与第N-1圆环相接，第N-1单模光纤通过第2*N-2耦合器与第N-1圆环相接。
第N有源单模光纤的首尾相接成第N圆环，第N泵浦源通过第2*N-1耦合器与第N圆环相接，第N单模光纤通过第2*N耦合器与第N圆环相接。
第一圆环和第二圆环通过第2*N+1耦合器相接。
第二圆环和第三圆环通过第2*N+2耦合器相接。
……
第N-1圆环和第N圆环通过第3*N-1耦合器相接。
N＝2～50的整数。
所述的构成第一至第N圆环的第一至第N有源单模光纤的纤芯中均掺杂稀土离子，包括铒离子、钕离子或镱离子。
所述的N＝3时，在第一至第三圆环上分别接入第一至第三隔离器。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果：
本发明能够实现被动相位锁定的光路数量更多，输出功率高，相干性强；只需要普通的光纤耦合器将多个有源光纤构成的圆环连接起来，结构简单，效率高。
附图说明
图1为N个圆环的环形腔相干输出光纤激光器。
图2为两个圆环的环形腔相干输出光纤激光器。
图3为五个圆环的环形腔相干输出光纤激光器。
图4为五十个圆环的环形腔相干输出光纤激光器。
图5为带有隔离器的三个圆环的环形腔相干输出光纤激光器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施方式一
环形腔相干输出光纤激光器，如图1所示，该激光器包括：第一至第N圆环11、12、13、……、1(N-1)、1N，第一至第N耦合器21、22、23、24、25、26、……、2(2*N-3)、2(2*N-2)、2(2*N-1)、2(2*N)、2(2*N+1)、2(2*N+2)、……、2(3*N-1)，第一至第N泵浦源31、32、33、……、3(N-1)、3N，第一至第N单模光纤41、42、43、……、4(N-1)、4N。
第一有源单模光纤的首尾相接构成第一圆环11，第一泵浦源31通过第一耦合器21与第一圆环11相接，第一单模光纤41通过第二耦合器22与第一圆环11相接。
第二有源单模光纤的首尾相接构成第二圆环12，第二泵浦源32通过第三耦合器23与第二圆环12相接，第二单模光纤42通过第四耦合器24与第二圆环12相接。
第三有源单模光纤的首尾相接构成第三圆环13，第三泵浦源33通过第五耦合器25与第三圆环13相接，第三单模光纤43通过第六耦合器26与第三圆环13相接。
……
第N-1有源单模光纤的首尾相接成第N-1圆环1(N-1)，第N-1泵浦源3(N-1)通过第2*N-3耦合器2(2*N-3)与第N-1圆环1(N-1)相接，第N-1单模光纤4(N-1)通过第2*N-2耦合器2(2*N-2)与第N-1圆环1(N-1)相接。
第N有源单模光纤的首尾相接成第N圆环1N，第N泵浦源3N通过第2*N-1耦合器2(2*N-1)与第N圆环1N相接，第N单模光纤4N通过第2*N耦合器2(2*N)与第N圆环1N相接。
第一圆环11和第二圆环12通过第2*N+1耦合器2(2*N+1)相接。
第二圆环12和第三圆环13通过第2*N+2耦合器2(2*N+2)相接。
……
第N-1圆环1(N-1)和第N圆环1N通过第3*N-1耦合器2(3*N-1)相接。
N＝2～50的整数。
所述的构成第一至第N圆环11、12、13、……、1(N-1)、1N的第一至第N有源单模光纤的纤芯中均掺杂稀土离子，包括铒离子、钕离子或镱离子。
实施方式二
环形腔相干输出光纤激光器，如图2所示，该激光器包括：第一和第二圆环11、12，第一至第五耦合器21、22、23、24、25，第一和第二泵浦源31、32，第一和第二单模光纤41、42。
第一有源单模光纤的首尾相接构成第一圆环11，第一泵浦源31通过第一耦合器21与第一圆环11相接，第一单模光纤41通过第二耦合器22与第一圆环11相接。
第二有源单模光纤的首尾相接构成第二圆环12，第二泵浦源32通过第三耦合器23与第二圆环12相接，第二单模光纤42通过第四耦合器24与第二圆环12相接。
第一圆环11和第二圆环12通过第五耦合器25相接。
构成第一圆环11和第二圆环12的第一和第二有源单模光纤的纤芯中掺杂铒离子。
实施方式三
环形腔相干输出光纤激光器，如图3所示，该激光器包括：第一至第五圆环11、12、13、14、15，第一至第十四耦合器21、22、23、24、25、26、27、28、29、210、211、212、213、214，第一至第五泵浦源31、32、33、34、35，第一至第五单模光纤41、42、43、44、45。
第一有源单模光纤的首尾相接构成第一圆环11，第一泵浦源31通过第一耦合器21与第一圆环11相接，第一单模光纤41通过第二耦合器22与第一圆环11相接。
第二有源单模光纤的首尾相接构成第二圆环12，第二泵浦源32通过第三耦合器23与第二圆环12相接，第二单模光纤42通过第四耦合器24与第二圆环12相接。
第三有源单模光纤的首尾相接构成第三圆环13，第三泵浦源33通过第五耦合器25与第三圆环13相接，第三单模光纤43通过第六耦合器26与第三圆环13相接。
第四有源单模光纤的首尾相接构成第四圆环14，第四泵浦源34通过第七耦合器27与第四圆环14相接，第四单模光纤44通过第八耦合器28与第四圆环14相接。
第五有源单模光纤的首尾相接构成第五圆环15，第五泵浦源35通过第九耦合器29与第五圆环15相接，第五单模光纤45通过第十耦合器210与第五圆环15相接。
第一圆环11和第二圆环12通过第十一耦合器211相接。
第二圆环12和第三圆环13通过第十二耦合器212相接。
第三圆环13和第四圆环14通过第十三耦合器213相接。
第四圆环14和第五圆环15通过第十四耦合器214相接。
构成第一至第五圆环11、12、13、14、15的第一至第五有源单模光纤的纤芯中掺杂钕离子。
实施方式四
环形腔相干输出光纤激光器，如图4所示，该激光器包括：第一至第五十圆环11、12、13、……、150，第一至第一百四十九耦合器21、22、23、24、25、26、……、297、298、299、2100、2101、2102、……、2149，第一至第五十泵浦源31、32、33、……、349、350，第一至第五十单模光纤41、42、43、……、449、450。
第一有源单模光纤的首尾相接构成第一圆环11，第一泵浦源31通过第一耦合器21与第一圆环11相接，第一单模光纤41通过第二耦合器22与第一圆环11相接。
第二有源单模光纤的首尾相接构成第二圆环12，第二泵浦源32通过第三耦合器23与第二圆环12相接，第二单模光纤42通过第四耦合器24与第二圆环12相接。
第三有源单模光纤的首尾相接构成第三圆环13，第三泵浦源33通过第五耦合器25与第三圆环13相接，第三单模光纤43通过第六耦合器26与第三圆环13相接。
……
第四十九有源单模光纤的首尾相接构成第四十九圆环149，第四十九泵浦源349通过第九十七耦合器297与第四十九圆环149相接，第四十九单模光纤449通过第九十八耦合器298与第四十九圆环149相接。
第五十有源单模光纤的首尾相接构成第五十圆环150，第五十泵浦源350通过第九十九耦合器299与第五十圆环150相接，第五十单模光纤450通过第一百耦合器2100与第五十圆环150相接。
第一圆环11和第二圆环12通过第一百零一耦合器2101相接。
第二圆环12和第三圆环13通过第一百零二耦合器2102相接。
……
第四十九圆环149和第五十圆环150通过第一百四十九耦合器2149相接。
构成第一至第五十圆环11、12、13、……、149、150的第一至第五十有源单模光纤的纤芯中掺杂镱离子。
实施方式五
环形腔相干输出光纤激光器，如图5所示，该激光器包括：第一至第三圆环11、12、13，第一至第八耦合器21、22、23、24、25、26、27、28，第一至第三泵浦源31、32、33，第一至第三单模光纤41、42、43，第一至第三隔离器51、52、53。
第一有源单模光纤的首尾相接构成第一圆环11，第一泵浦源31通过第一耦合器21与第一圆环11相接，第一单模光纤41通过第二耦合器22与第一圆环11相接，第一隔离器51与第一圆环11相接。
第二有源单模光纤的首尾相接构成第二圆环12，第二泵浦源32通过第三耦合器23与第二圆环12相接，第二单模光纤42通过第四耦合器24与第二圆环12相接，第二隔离器52与第二圆环12相接。
第三有源单模光纤的首尾相接构成第三圆环13，第三泵浦源33通过第五耦合器25与第三圆环13相接，第三单模光纤43通过第六耦合器26与第三圆环13相接，第三隔离器53与第三圆环13相接。
第一圆环11和第二圆环12通过第七耦合器27相接。
第二圆环12和第三圆环13通过第八耦合器28相接。
构成第一至第三圆环11、12、13的第一至第三有源单模光纤的纤芯中掺杂铒离子。

Claims (2)

1.环形腔相干输出光纤激光器，其特征在于：
该激光器包括第一至第N圆环（11、12、13、……、1（N-1）、1N），第一至第N耦合器（21、22、23、24、25、26、……、2（2*N-3）、2（2*N-2）、2（2*N-1）、2(2*N)、2（2*N+1）、2(2*N+2)、……、2（3*N-1）），第一至第N泵浦源(31、32、33、……、3（N-1）、3N)，第一至第N单模光纤（41、42、43、……、4（N-1）、4N）；
第一有源单模光纤的首尾相接构成第一圆环（11），第一泵浦源（31）通过第一耦合器（21）与第一圆环（11）相接，第一单模光纤（41）通过第二耦合器（22）与第一圆环（11）相接；
第二有源单模光纤的首尾相接构成第二圆环（12），第二泵浦源（32）通过第三耦合器（23）与第二圆环（12）相接，第二单模光纤（42）通过第四耦合器（24）与第二圆环（12）相接；
第三有源单模光纤的首尾相接构成第三圆环（13），第三泵浦源（33）通过第五耦合器（25）与第三圆环（13）相接，第三单模光纤（43）通过第六耦合器（26）与第三圆环（13）相接；
……
第N-1有源单模光纤的首尾相接成第N-1圆环（1（N-1）），第N-1泵浦源（3（N-1））通过第2*N-3耦合器（2（2*N-3））与第N-1圆环（1（N-1））相接，第N-1单模光纤（4（N-1））通过第2*N-2耦合器（2（2*N-2））与第N-1圆环（1（N-1））相接；
第N有源单模光纤的首尾相接成第N圆环（1N），第N泵浦源（3N）通过第2*N-1耦合器（2（2*N-1））与第N圆环（1N）相接，第N单模光纤（4N）通过第2*N耦合器（2（2*N））与第N圆环（1N）相接；
第一圆环（11）和第二圆环（12）通过第2*N+1耦合器（2（2*N+1））相接；
第二圆环（12）和第三圆环（13）通过第2*N+2耦合器（2（2*N+2））相接；
……
第N-1圆环（1（N-1））和第N圆环（1N）通过第3*N-1耦合器（2（3*N-1））相接；
N=2～50的整数；
所述的构成第一至第N圆环（11、12、13、……、1（N-1）、1N）的第一至第N有源单模光纤的纤芯中均掺杂稀土离子，包括铒离子、钕离子或镱离子。
2.根据权利要求1所述的环形腔相干输出光纤激光器，其特征在于：
所述的N=3时，在第一至第三圆环（11、12、13）上分别接入第一至第三隔离器（51、52、53）。
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