CN102891424B - 并行注入光纤功率放大系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并行注入光纤功率放大系统，包括激光器和光纤功率放大器，所述放大系统包含有若干个并行的激光器，作为所述光纤功率放大器的若干个种子；所述放大系统还包括合束装置，所述合束装置设有若干个输入端和一输出端，所述若干激光器的输出端分别与所述合束装置的若干输入端连接，以对所述若干个激光器的输出进行合束；所述合束装置的输出端与所述光纤功率放大器的输入端连接。本发明采用多束激光并行注入的方式，大大提高了光纤激光放大级的注入种子功率，减小了串联放大级的级数，提高了系统的效率和安全性，使得整个系统结构简单、稳定、易于实现。

Description

并行注入光纤功率放大系统

技术领域

本发明涉及光纤功率放大技术领域，尤其涉及一种采用多束激光并行注入的光纤功率放大系统。

背景技术

在光纤激光领域，激光器的高输出功率已成为目前光纤激光系统发展的主要方向之一。目前实现高功率激光输出的主要方法是采用主振荡功率放大系统(MOPA，Main Oscillation Power Amplifier)，即在单个种子注入的情况下，依次通过多级放大系统，将低功率的信号光放大至所需的高功率激光。但是，在经过多级放大的系统中，串行的系统结构使得整个系统较不稳定，任何一个放大级出现了问题，都会影响整个系统的输出甚至导致损伤。为了达到较高功率的系统输出，一般需要较多放大级对信号光依次放大，由此引发的诸如熔点保护、散热等问题大大增加了系统搭建的难度。同时，MOPA结构的多级放大需要较大的光纤长度，由此带来的非线性效应又反过来限制了功率的扩展；在这种情况下，为了避免非线性效应，就需要增大泵浦能量，通过提高光束密度来减小主光纤长度，这又在很大程度上增加了泵浦注入的难度。另外，主振荡功率放大系统因其多级联的特性，在保证高功率的情况下难以获得高光束质量的激光输出，致使其在很多领域的应用受到了限制。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种多束激光并行注入的光纤功率放大系统(PIPA，Parallel Injection Power Amplifier)，以解决现有技术中光纤功率放大系统串行级数多、系统不稳定等问题。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种并行注入光纤功率放大系统，包括激光器和光纤功率放大器，所述放大系统包含有若干个并行的激光器，作为所述光纤功率放大器的若干个种子；所述放大系统还包括合束装置，所述合束装置设有若干个输入端和一个输出端，所述若干激光器的输出端分别与所述合束装置的若干输入端连接，以对所述若干个激光器的输出进行合束；所述合束装置的输出端与所述光纤功率放大器的输入端连接。

优选地，所述光纤功率放大器包括具有N个泵浦输入端和一个信号输入端的(N+1)×合束器、N个泵浦装置、以及增益光纤；所述(N+1)×合束器的N个泵浦输入端分别与所述N个泵浦装置的输出端连接，所述(N+1)×合束器的信号输入端与所述合束装置的输出端连接，所述(N+1)×合束器的输出端与所述增益光纤连接；所述光纤功率放大器的输出端熔接有端帽，作为整个光纤功率放大系统的输出端。

优选地，所述合束装置为单模/低阶模-多模合束器、多模-多模合束器、或透镜耦合装置；所述单模/低阶模-多模合束器的输入端为若干单模/低阶模光纤，输出端为一根多模光纤；所述多模-多模合束器的输入端为若干多模光纤，输出端为一根多模光纤。

优选地，所述激光器为光纤激光器或固体激光器，所述光纤激光器包括全光纤结构光纤激光器和分立式结构光纤激光器。

优选地，所述激光器为全光纤结构光纤激光器，所述激光器的输出端通过光纤连接至所述合束装置的输入端。

所述激光器为分立式结构光纤激光器或固体激光器，所述激光器的输出端通过分立式耦合光学元件耦合至所述合束装置的输入端。

所述激光器为激光振荡器或所述激光振荡器与激光放大器的结合。

优选地，所述增益光纤为掺有稀土离子的光纤，可以是单包层光纤、双包层光纤、多包层光纤、多芯光纤、共掺光纤、保偏光纤或光子晶体光纤；所述稀土离子在所述光纤中的掺杂方式，为平顶掺杂、平顶部分掺杂、渐变式掺杂、渐变式部分掺杂、多区域掺杂中的任何一种。所述增益光纤可以为锥形光纤，也可以为普通光纤或其他结构光纤。

在本发明中，所述若干个并行的激光器可以完全相同，也可以在激光器类型(激光振荡器或激光振荡器与激光放大器的结合，光纤激光器或固体激光器，连续激光器或脉冲激光器)、激光器结构(全光纤结构或分立式结构)、输出激光波长、输出激光模式、输出激光功率等方面具有一个或多个不同的参数。

(三)有益效果

本发明采用多束激光并行注入的方式，大大提高了光纤激光放大级的注入种子功率，减小了串联放大级的级数，从而通过一级或两、三级放大即可实现高功率输出；本发明由于仅采用一级或两、三级放大系统，因此减少了各放大级级间连接的熔点个数，有效地缓解了常规串联多级放大过程中高熔点损耗的问题，提高了系统的效率和安全性；本发明将多束激光并行注入，从而避免了各个光纤激光振荡器之间的干扰，即使某个种子源出现问题，也不会影响其他种子源的功率输出；本发明将高功率激光输出的目标分解成由多个模块来实现，大大降低了每个模块的搭建难度，整个系统结构简单、稳定、易于实现。

附图说明

图1为根据本发明实施例的并行注入光纤功率放大系统的结构示意图；

图2为根据本发明实施例一采用多个全光纤单模种子源并行注入的放大系统结构图；

图3为根据本发明实施例二采用多个分立式单模光纤种子源并行注入的放大系统结构图；

图4为根据本发明实施例三采用多个单模固体种子源并行注入的放大系统结构图；

图5为根据本发明实施例四采用多个全光纤多模种子源并行注入的放大系统结构图；

图6为根据本发明实施例五采用多个分立式多模光纤种子源并行注入的放大系统结构图；

图7为根据本发明实施例六采用多个多模固体种子源并行注入的放大系统结构图；

图8为根据本发明实施例七采用透镜耦合装置对多个光纤种子源光束进行合束的放大系统结构图；

图9为根据本发明实施例八采用透镜耦合装置对多个固体种子源光束进行合束的放大系统结构图；

其中：1：激光器；1a：全光纤结构单模光纤激光振荡器；1b：分立式结构单模光纤激光振荡器；1c单模固体激光振荡器；1d：全光纤结构多模光纤激光振荡器；1e：分立式结构多模光纤激光振荡器；1f多模固体激光振荡器；2：合束装置；2a：单模/低阶模-多模合束器；2b：多模-多模合束器；2c：透镜耦合装置；3：光纤功率放大器；4a：单模光纤；4b：多模光纤；5：分立式耦合光学元件；6：端帽；11：振荡器泵浦装置；12a：单模双包层增益光纤；12b：多模双包层增益光纤；13：7×1合束器；14：光纤光栅；15：镀膜腔镜；16：透镜组；17：激光晶体；31：(N+1)×1合束器；32：泵浦装置；33a：双包层增益光纤；33b：锥形双包层增益光纤。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的详细说明如下。

图1所示为根据本发明实施例并行注入光纤功率放大系统的结构示意图。如图1所示，一种并行注入光纤功率放大系统，包括若干个并行的激光器1、合束装置2和光纤功率放大器3，所述合束装置2设有若干个输入端和一输出端，所述若干激光器1的输出端一一对应地与所述合束装置2的若干输入端连接，所述合束装置2将所述若干个激光器1输出的若干光束会聚成一束之后输出至所述光纤功率放大器3放大，所述光纤功率放大器3的尾端装有端帽6，作为整放大系统的输出端。所述激光器为激光振荡器或所述激光振荡器与激光放大器的结合。

实施例一：

图2为根据本发明实施例一采用多个全光纤单模种子源并行注入的放大系统结构图。

在本实施例中，所述放大系统设有7个激光器1，所述激光器1为全光纤结构单模光纤激光振荡器1a，所述合束装置2为具有7根单模输入光纤和一根多模输出光纤的单模-多模合束器2a，所述光纤功率放大器3包括(N+1)×1合束器31(N为大于等于1的整数，在本实施例中N为6)、6个泵浦装置32和一个作为增益光纤的双包层增益光纤33a。

所述每个单模光纤激光振荡器1a包括振荡器泵浦装置11、单模双包层增益光纤12a、两个7×1合束器13和两个光纤光栅14，泵浦光通过两个7×1合束器13注入单模双包层增益光纤12a，产生的激光通过与单模双包层增益光纤12a尺寸相同的无源单模光纤4a输出。

每个激光器1所连单模光纤4a的输出端分别与所述单模-多模合束器2a的一根单模输入光纤熔接，经过所述单模-多模合束器2a将7路种子源合成一束；所述单模-多模合束器2a的多模输出光纤与(N+1)×1合束器31的信号输入端熔接，所述6个泵浦装置32的输出端分别与所述(N+1)×1合束器31的泵浦输入端熔接，使得泵浦光与种子源通过(N+1)×1合束器31合束后注入至双包层增益光纤33a，实现对信号光的放大。双包层增益光纤33a的尾端装有端帽6，作为整放大系统的输出端。

本实施例整个并行注入光纤功率放大系统可以获得10kW以上、较高光束质量的激光输出。本实施例的结构也可用于全光纤结构低阶模种子源、或全光纤结构多模种子源并行注入的光纤功率放大系统中。

实施例二：

如图3所示为根据本发明实施例二采用多个分立式单模光纤种子源并行注入的放大系统结构图。由图3和图2可以看出，本实施例与实施例一相似，不同之处在于：1)本实施例的激光器1为分立式结构单模光纤激光振荡器1b，并且所述分立式结构单模光纤激光振荡器1b的输出激光通过一分立式耦合光学元件5(本实施例中所述分立式耦合光学元件5为耦合透镜)输入至单模-多模合束器2a的单模光纤输入端；2)本实施例的增益光纤为锥形双包层增益光纤33b，锥形双包层增益光纤33b的使用，有助于光纤功率放大器获得更好光束质量的输出。

所述分立式结构单模光纤激光振荡器1b包括振荡器泵浦装置11、单模双包层增益光纤12a、两个7×1合束器13和两个镀膜腔镜15，泵浦光通过两个7×1合束器13注入单模双包层增益光纤12a，产生的激光通过输出端镀膜腔镜15输出，进而由分立式耦合光学元件5耦合至单模-多模合束器2a的输入光纤。

本实施例整个并行注入光纤功率放大系统可以获得10kW以上、较高光束质量的激光输出。本实施例的结构也可用于分立式结构低阶模光纤种子源、或分立式结构多模光纤种子源并行注入的光纤功率放大系统中。

实施例三：

图4为根据本发明实施例三采用多个单模固体种子源并行注入的放大系统结构图。由图4可以看出，本实施例与实施例一相似，不同之处在于：本实施例中激光器1为单模固体激光振荡器1c，并且所述单模固体激光振荡器1c的输出通过一分立式耦合光学元件5(本实施例中所述分立式耦合光学元件5为耦合透镜)输入至单模-多模合束器2a的单模光纤输入端。

所述单模固体激光振荡器1c包括振荡器泵浦装置11、透镜组16、激光晶体17和激光晶体17两侧的两个镀膜腔镜15。泵浦光通过透镜组16耦合至激光晶体17，产生的激光经由分立式耦合光学元件5耦合至单模-多模合束器2a的输入光纤。

本实施例整个并行注入光纤功率放大系统可以获得10kW以上、较高光束质量的激光输出。本实施例的结构也可用于低阶模、或多模固体激光器种子源并行注入的光纤功率放大系统中。

实施例四：

图5为根据本发明实施例四采用多个全光纤多模种子源并行注入的放大系统结构图。如图5所示，本实施例中的激光器采用的是7个全光纤结构多模光纤激光振荡器1d，所述合束装置2为具有7根多模输入光纤和一根多模输出光纤的多模-多模合束器2b，所述光纤功率放大器3包括(N+1)×1合束器31(N为大于等于1的整数，在本实施例中N为18)、18个泵浦装置32和一个作为增益光纤的锥形双包层增益光纤33b。经过多模-多模合束器2b合束后的种子源与泵浦光通过(N+1)×1合束器31注入至锥形双包层增益光纤33b，实现对信号光的放大。

所述全光纤结构的多模光纤激光振荡器1d包括振荡器泵浦装置11、多模双包层增益光纤12b、两个7×1合束器13和两个光纤光栅14，泵浦光通过两个7×1合束器13注入多模双包层增益光纤12b，产生的激光通过与多模双包层增益光纤12b尺寸相同的无源多模光纤4b输出至所述多模-多模合束器2b的输入端。

本实施例整个并行注入光纤功率放大系统可以获得10kW以上的激光输出。本实施例的结构也可用于全光纤结构单模/低阶模种子源并行注入的光纤功率放大系统中。

实施例五：

图6为根据本发明实施例五采用多个分立式多模光纤种子源并行注入的放大系统结构图。如图6所示，本实施例的结构与实施例二十分相似，不同之处在于：1)本实施例中的种子源为分立式结构多模光纤激光振荡器1e，其与分立式结构单模光纤激光振荡器1b的区别在于其采用了多模双包层增益光纤12b；2)与实施例四一样，本实施例合束装置2采用的是多模-多模合束器2b；(N+1)×1合束器31中的N为18；3)光纤功率放大器3的增益光纤采用的是双包层增益光纤33a。

所述分立式结构多模光纤激光振荡器1e产生的激光经过镀膜腔镜15输出后，由分立式耦合光学元件5耦合至多模-多模合束器2b的输入端光纤，从而成为光纤功率放大器3的信号光；18路泵浦光通过(N+1)×1合束器31注入双包层增益光纤33a，实现功率放大。整个并行注入光纤功率放大系统可以获得10kW以上的激光输出。本实施例的结构也可用于分立式结构单模/低阶模光纤种子源并行注入的光纤功率放大系统中。

实施例六：

图7为根据本发明实施例六采用多个多模固体种子源并行注入的放大系统结构图。如图7所示，本实施例的结构与实施例五比较相似，不同之处在于：本实施例的激光器1采用的是多模固体激光振荡器1f。所述多模固定激光振荡器1f与实施例三中的单模固体激光振荡器1c的结构相似。所述多模固定激光振荡器1f产生的激光由分立式耦合光学元件5耦合至多模-多模合束器2b的输入端光纤，从而成为光纤功率放大器3的信号光；18路泵浦光通过(N+1)×1合束器31注入双包层增益光纤33a，实现功率放大。

本实施例整个并行注入光纤功率放大系统可以获得10kW以上的激光输出。本实施例的结构也可用于单模/低阶模固体种子源并行注入的光纤功率放大系统中。

实施例七：

图8为根据本发明实施例七采用透镜耦合装置对多个光纤种子源光束进行合束的放大系统结构图。如图8所示，本实施例的结构与实施例二相似，不同之处在于：1)本实施例中采用透镜耦合装置2c来代替实施例二中的单模-多模合束器2a；2)本实施例中的增益光纤为双包层增益光纤33a。

分立式结构单模光纤激光振荡器1b产生的激光通过分立式耦合光学元件5到达透镜耦合装置2c的输入侧，经所述透镜耦合装置2c耦合合束后输入到(N+1)×1合束器31的信号输入端，经过双包层增益光纤33a放大后输出。

本实施例的整个并行注入光纤功率放大系统可以获得10kW以上的激光输出。本实施例的结构也可用于分立式结构低阶模、或分立式结构多模光纤种子源并行注入的光纤功率放大系统中。

实施例八：

图9为根据本发明实施例八采用透镜耦合装置对多个固体种子源光束进行合束的放大系统结构图。如图9所示，本实施例的结构与实施例六相似，不同之处在于：1)本实施例中采用透镜耦合装置2c来代替实施例六中的多模-多模合束器2b；2)本实施例中的增益光纤为锥形双包层增益光纤33b。

本实施例的整个并行注入光纤功率放大系统可以获得10kW以上、较好光束质量的激光输出。本实施例的结构也可用于多个单模/低阶模固体种子源并行注入的光纤功率放大系统中。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (3)

1.一种并行注入光纤功率放大系统，包括激光器(1)和光纤功率放大器(3)，其特征在于，所述放大系统包含有若干个并行的激光器(1)，作为所述光纤功率放大器(3)的若干个种子；所述放大系统还包括合束装置(2)，所述合束装置(2)设有若干个输入端和一个输出端，所述若干激光器(1)的输出端分别与所述合束装置(2)的若干输入端连接，以对所述若干个激光器(1)的输出进行合束；所述合束装置(2)的输出端与所述光纤功率放大器(3)的输入端连接；

其中，所述光纤功率放大器(3)包括具有N个泵浦输入端和一个信号输入端的(N+1)×1合束器(31)、N个泵浦装置(32)、以及增益光纤；所述(N+1)×1合束器(31)的N个泵浦输入端分别与所述N个泵浦装置(32)的输出端连接，所述(N+1)×1合束器(31)的信号输入端与所述合束装置(2)的输出端连接，所述(N+1)×1合束器(31)的输出端与所述增益光纤连接；所述光纤功率放大器(3)的输出端熔接有端帽(6)，作为整个光纤功率放大系统的输出端；

其中，所述合束装置(2)为单模/低阶模－多模合束器(2a)、多模－多模合束器(2b)、或透镜耦合装置(2c)；所述单模/低阶模－多模合束器(2a)的输入端为若干单模/低阶模光纤，输出端为一根多模光纤；所述多模－多模合束器(2b)的输入端为若干多模光纤，输出端为一根多模光纤；

其中，所述激光器(1)为光纤激光器或固体激光器，所述光纤激光器包括全光纤结构光纤激光器和分立式结构光纤激光器；

其中，所述激光器(1)为激光振荡器或所述激光振荡器与激光放大器的结合。

2.如权利要求1所述的并行注入光纤功率放大系统，其特征在于，所述激光器(1)为全光纤结构光纤激光器，所述激光器(1)的输出端通过光纤连接至所述合束装置(2)的输入端。

3.如权利要求1所述的并行注入光纤功率放大系统，其特征在于，所述激光器(1)为分立式结构光纤激光器或固体激光器，所述激光器(1)的输出端通过分立式耦合光学元件(5)耦合至所述合束装置(2)的输入端。