CN102520474A - 侧面泵浦全光纤及基于该全光纤的激光器及放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种侧面泵浦全光纤及基于该全光纤的激光器及放大器，该侧面泵浦全光纤，包括增益光纤以及传输光纤，增益光纤与传输光纤是无熔点熔接。本发明提供了一种泵浦区段无光纤熔点、泵浦耦合效率高以及散热效果好的侧面泵浦全光纤及基于该全光纤的激光器及放大器。

Description

侧面泵浦全光纤及基于该全光纤的激光器及放大器

技术领域

本发明属于激光泵浦耦合技术领域，涉及一种光纤激光器，尤其涉及一种侧面泵浦全光纤及基于该全光纤的激光器及放大器。

背景技术

光纤激光是激光技术领域近年来最充满激情、最具创新活力、发展最为迅速、最引人瞩目的重要方向之一。从上个世纪60年代开始[Snitzer E，Optical maseraction of Nd³⁺ in a barium crown glass[J].Physical Review Letters，1961，7(12)：444-446.]，光纤激光器就已经成为科技工作者竞相开展研究的领域，取得了瞩目的科技成果，从当初的理论研究，发展到如今单模光纤激光万瓦功率输出。

其中，众多的光纤激光器研究成果中，最引人瞩目、最有发展前景、功率输出最高的光纤激光器技术方案中，有以下两种方法：

第一种方法是空间耦合光纤激光器的方案，典型代表是光子晶体光纤激光器[WADSWORTH W J，KNIGHT J C，RUSSELL P J，et al.Large mode areaphotonic crystal fiber laser[J].Conference on Lasers and Electro-Optics，2001，23(6)：319-322.]，如图1所示；

另外一种方法是基于上个世纪末双包层泵浦耦合技术的树杈结构的大模场全光纤激光器技术方案[Snitzer，Po H，et al.Double-clad offset core Nd fiberlaser[C].Proc Conf Optical Fiber Sensors，1988，Post deadline paper PD5，41.]，如图2所示。

但是目前的两种技术方案都存在较大的问题，限制了光纤激光器向更高功率方向发展。空间耦合光纤激光器技术方案，首先，虽然光子晶体光纤具有光束质量好、大数值孔径、大模场面积、低阈值、高效率、窄线宽和可调谐等优点，但存在的最大的问题就是和固体激光器一样，各个组成器件分散独立，需要维护，不利于集成；其次，空间耦合光纤激光器泵浦功率的无限扩展性较差，存在端面损伤、泵浦光束整形和光纤耦合的难题，无法实现数万瓦功率的光泵浦，也就无法实现万瓦级光纤激光器，国际最高功率于2007年止步于2.5千瓦；再次，空间耦合光纤激光器本身也是通过光学镜头、光学系统输出激光，无法实现柔性激光输出。

双包层泵浦耦合技术的树杈结构的大模场全光纤激光器技术方案是基于端面泵浦合束器如图2(c)所示，多路光纤(图中6路)和传输光纤(图中1路)被拉锥后，与大模场增益光纤的直径相同，然后通过端面熔接的技术，将多路半导体激光注入增益光纤中，实现对增益介质的激励，从而产生光纤激光。该技术方案彻底解决了空间耦合技术方案中集成不方便的问题和激光柔性输出的问题，从激光的产生、放大、传输和输出，均在纤细的光纤中进行，是一种全光纤结构，是未来光纤激光器发展的必然选择。但是，该技术方案也存在一个较大缺陷，就是依然无法解决半导体激光器泵浦功率的无限扩展问题。多路(图中6路)泵浦激光通过一个1-2厘米的锥体传输后，再经过一个熔点，将会产生较大的光功率损耗，而此处的包层需要通过千瓦的半导体泵浦光，光纤纤芯需要通过千瓦的光纤激光，从原理上，该技术无法承受数千瓦功率的泵浦，更无法实现万瓦级光纤激光。目前，国际上最高水平的光纤合束器是ITF公司的端面泵浦光纤合束器[PCT专利：WO2007/090272，国内专利：200780009246]，单臂最高承载功率为200瓦，按照6路光纤来计算，每个光纤合束器的泵浦功率为1200瓦，严重限制了光纤激光器激光输出功率向万瓦级、十万瓦级提高，这也成了制约光纤激光器发展的瓶颈。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种泵浦区段无光纤熔点、泵浦耦合效率高以及散热效果好的侧面泵浦全光纤及基于该全光纤的激光器及放大器。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种侧面泵浦全光纤，包括增益光纤以及传输光纤，其特殊之处在于：所述增益光纤与传输光纤是无熔点熔接。

上述传输光纤呈D形；所述增益光纤至少包括一个沿增益光纤轴向方向的平面；所述D形传输光纤裸光纤与增益光纤裸光纤的平面进行侧面熔接。

上述增益光纤呈D型或多边形。

上述传输光纤是一根或多根。

一种全光纤激光器，包括光纤，其特殊之处在于：所述光纤是上述的侧面泵浦全光纤。

一种光纤激光放大器，包括光纤，其特殊之处在于：所述光纤是上述的泵浦全光纤。

本发明的优点是：

本发明所提供的侧面泵浦全光纤，该侧面泵浦全光纤的增益光纤的泵浦结构是无熔点的，泵浦耦合的距离从传统的端面泵浦技术方案中的1-2厘米，延长为数十米，承载泵浦激光的传输光纤被拉制为D形，增益光纤拉制为D形或者N边形，然后将D形的传输光纤裸光纤与增益光纤裸光纤的某一个平面吻合，然后实现侧面熔接，在泵浦区段没有一个光纤熔点；由于泵浦长度很长，泵浦耦合效率非常高；散热效果更好；本发明解决了如何将更多功率的泵浦光注入纤细的增益光纤，端面泵浦的方法已经无能为力，本发明采用一种新型的侧面泵浦的技术方案，实现万瓦级，十万瓦级光纤激光器功率输出，本方法是未来光纤激光器向高功率发展的必然技术趋势。满足了激光加工市场对光纤激光输出功率日益提高的需求，为超高功率光纤激光器的研制提供一种新型的技术方案，更好的服务于工业生产和社会。本发明还提供了基于侧面泵浦全光纤的激光器及放大器，基于倏逝波耦合的原理，实现了光纤激光器的侧面泵浦，大大提高了光纤激光的泵浦功率，提高了泵浦效率，提高了光纤激光输出功率，是一种新型的高能光纤激光器实现方案，是未来发展的必然趋势。

附图说明

图1是传统空间耦合光纤激光器的结构示意图；

图2是传统基于双包层泵浦耦合技术的端面泵浦技术方案示意图；

图3是本发明所提供的无熔点并行耦合侧面泵浦全光纤结构示意图；

图4是本发明所提供侧面泵浦全光纤的第一实施例结构示意图；

图5是本发明所提供侧面泵浦全光纤的截面示意图；

图6是本发明所提供的侧面泵浦全光纤激光器的结构示意图；

图7是本发明所提供的侧面泵浦全光纤激光器和放大器的结构示意图；

图8是本发明所提供侧面泵浦全光纤的第二实施例结构示意图；

图9是本发明所提供侧面泵浦全光纤的第三实施例结构示意图。

具体实施方式

首先，本发明的实现方法中，光纤激光器对增益光纤的泵浦结构是无熔点的，泵浦耦合的距离从传统的端面泵浦技术方案中的1-2厘米，延长为数十米，承载泵浦激光的传输光纤被拉制为D形，增益光纤拉制为D形或者N边形(本文将以6边形为例)，然后将D形的传输光纤裸光纤与增益光纤裸光纤的某一个平面吻合，然后实现侧面熔接，最简单的例子是D形增益光纤与D形泵浦传输光纤的侧面熔接，实现无熔点并行耦合侧面泵浦，如图3所示。本文以增益光纤为6边形棱柱为例进行说明，则此(6+1)根光纤的无熔点并行耦合侧面泵浦结构示意图如图4所示，6根D形泵浦传输光纤与双包层六边形增益光纤侧面熔接为一体的截面图如图5所示。D形泵浦光纤较端面泵浦的光纤具有更大的模场面积、数值孔径，泵浦承载功率更高，在长达数十米的传输过程中，D形传输光纤中的泵浦激光基于倏逝波耦合的原理，通过数十米的焊接面将泵浦光耦合入6边形增益光纤中，实现对增益介质的激励。其中D形泵浦光纤中传输的可以是半导体激光，也可以是光纤激光，或者其他类型的泵浦光，如果采用波长较长的激光进行泵浦的时候，可以降低量子亏损效应，提高减少热量的产生，从原理上改善热管理技术，提高光纤激光输出功率。

然后，在增益光纤的两端，与光纤光栅进行熔接，这样，就实现了光纤激光器中工作介质、泵浦和谐振腔三个产生光纤激光的基本条件，就基于无熔点并行耦合侧面泵浦技术方案，构成了光纤激光振荡器，或者说构成了一台光纤激光器，如图6所示。

如果在光纤激光器振荡器的后端，即光纤激光器输出端再连接一段D形或N边形增益光纤，增益光纤的每一个侧平面与D形的泵浦传输光纤仍进行长达数十米的无缝焊接，D形的泵浦传输光纤中传输泵浦光，对增益光纤进行泵浦激励，这样，就构成了基于无熔点并行耦合侧面泵浦技术的光纤激光器及光纤激光放大器(或放大级)，实现了对光纤激光振荡器图6进行功率放大，如图7所示，从而实现数千瓦级，甚至数万瓦级光纤激光功率输出。另外，放大级可以多级。

本发明提供了一种基于双包层泵浦技术原理的无熔点并行耦合侧面泵浦全光纤激光器及放大器，该方法解决了传统的端面泵浦耦合技术方案中损耗较大、泵浦功率较低的缺陷，将泵浦功率提高到数千瓦，甚至数万瓦，使得万瓦级全光纤激光器的实现成为了可能。

本方法的实现方案中，以6路D形的泵浦光纤与双包层六边形增益光纤为例进行介绍。

首先，设计出D形的泵浦光纤与双包层六边形增益光纤的精细结构，使得6根D形的泵浦光纤与双包层六边形增益光纤侧面无缝焊接时尺寸吻合，保障高质量的平面焊接，实现高效率泵浦耦合。

然后，依据设计方案，拉制出6组D形的泵浦传输光纤，用于传输泵浦激光。同时，拉制出双包层六边形增益光纤，掺杂组分可以根据波长、吸收系数等需要进行参数设计。6组D形泵浦传输光纤与双包层六边形的增益光纤均为裸光纤，没有涂敷层。

然后，按照将6根D形泵浦传输光纤的侧平面分别与双包层六边形的增益光纤的六个侧面无缝焊接在一起，其截面示意图如图5所示。这样就构成了双包层六边形增益光纤在中心，六根D形泵浦传输光纤均匀分布在其侧面的无熔点并行侧面泵浦结构，可以长达数十米，甚至上百米，实现了光纤激光的侧面泵浦。然后在其外端加上涂敷层，保护起来。

两端的6根D形泵浦传输光纤与双包层六边形增益光纤没有焊接在一起，以尾纤形式分布，方便泵浦激光更好的耦合入D形泵浦传输光纤；

然后再将六边形增益光纤两端分别熔接上低反光纤光栅和高反光纤光栅，这样，就具备了激光器产生激光的三个必要条件：增益介质、泵浦、谐振腔，构成了一台基于无熔点并行耦合侧面泵浦技术的全光纤激光器，或者激光振荡器，如图6所示。

为了提高光纤激光器更高功率的激光输出，仅仅靠激光振荡器是无法完成高能激光输出的，需要增加激光放大器。在图6光纤激光器的基础上，在其低反光纤光栅外端，再连接一段六边形增益光纤，增益光纤的每一个侧平面与D形的泵浦传输光纤仍进行长达数十米的无缝焊接，D形的泵浦传输光纤中传输泵浦光，通过倏逝波耦合原理实现对增益光纤的泵浦激励，这样，就构成了基于无熔点并行耦合侧面泵浦技术的光纤激光器及光纤激光放大器(或放大级)，实现了对光纤激光振荡器图6进行功率放大，如图7所示。

鉴于端面泵浦技术方案中泵浦功率的瓶颈问题，侧面泵浦技术方案将是未来光纤激光器发展的必然趋势。

由于本方案的核心是无熔点并行耦合侧面泵浦技术方案，还可以包含多种其它的替换方案，均在本专利权力范围之内。如下所示：

根据双包层增益光纤的设计方案和具体形状，D形泵浦传输光纤可以为1根至N根不等。比如，1根D形泵浦传输光纤与1根D形的双包层增益光纤可以实现无缝侧面焊接；8根D形泵浦传输光纤与1根8边形的双包层增益光纤可以实现无缝侧面焊接；

除了D形的泵浦传输光纤与N边形增益光纤实现无熔点并行耦合侧面泵浦结构之外，还可以都是圆形的光纤，实现梅花状的侧面熔接，如图8所示；

中间的双包层增益光纤可以替换为光子晶体光纤，如图9所示。

Claims (6)

1.一种侧面泵浦全光纤，包括增益光纤以及传输光纤，其特征在于：所述增益光纤与传输光纤是无熔点熔接。

2.根据权利要求1所述的侧面泵浦全光纤，其特征在于：所述传输光纤呈D形；所述增益光纤至少包括一个沿增益光纤轴向方向的平面；所述D形传输光纤裸光纤与增益光纤裸光纤的平面进行侧面熔接。

3.根据权利要求2所述的侧面泵浦全光纤，其特征在于：所述增益光纤呈D型或多边形。

4.根据权利要求3所述的侧面泵浦全光纤，其特征在于：所述传输光纤是一根或多根。

5.一种全光纤激光器，包括光纤，其特征在于：所述光纤是权利要求1-4任一权利要求所述的侧面泵浦全光纤。

6.一种光纤激光放大器，包括光纤，其特征在于：所述光纤是权利要求1-4任一权利要求所述的侧面泵浦全光纤。

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