CN102931572A - 短波长间隔泵浦的大功率光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

短波长间隔泵浦的大功率光纤激光器，短波长间隔泵浦的大功率光纤激光器，包括单级大功率光纤激光器和多级大功率光纤激光器，其特征在于：所述的前向光纤泵浦激光合束器（103）和反向光纤泵浦激光合束器（106）将泵浦光纤激光器（105）的泵浦激光通过双包层有源光纤和无源光纤的熔接点（104）组合形成激光谐振腔，并产生大功率激光。本发明，将双包层有源光纤的内包层直径减小，使得纤芯直径与内包层直径的比增大，提高了泵浦光的吸收效率，泵浦激光波长和主激射波长的差小于55nm，缩短了泵浦光子的能量和信号光子能量的能量差。

Description

短波长间隔泵浦的大功率光纤激光器
技术领域
本发明涉及一种大功率光纤激光器，尤其涉及泵浦波长与信号波长之间的间隔较小的大功率光纤激光器的结构方案。
背景技术
光纤激光器在近年来得到了迅速的发展。其类型包括光纤脉冲激光器、光纤连续激光器和光纤准连续激光器。这些光纤激光器有多种不同的泵浦结构，比如前向泵浦、后向泵浦、双向泵浦、及分布式泵浦。泵浦光源通常为半导体单管激光器或者半导体多管组合光源。泵浦波长较多采用915nm，940nm和975nm。
在这些大功率激光器中，特别是大功率连续和准连续激光器中，散热和热管理问题尤为突出。用上述的9xx泵浦的光纤激光器均遇到了热耗散巨大，热管理困难的问题。这些大量的散热的实质就是惨杂原子从泵浦波长的光子吸收转换给激射波长的光子释放过程中，光子的能量差异转变成为热量，导致有源光纤上的发热量过大。为了解决这个问题，必须缩短泵浦激光波长和信号波长之间的波长差是个有效而新颖的途径。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明目的是提供一种短波长间隔泵浦的大功率光纤激光器，是采用1010~1020nm之间的波长进行泵浦，泵浦激光波长和主激射波长的差小于55nm，使得光纤的发热量减少，有效降低了大功率光纤激光器中的热耗散问题。
本发明采用的技术方案是通过以下方式实现的：短波长间隔泵浦的大功率光纤激光器，包括单级大功率光纤激光器和多级大功率光纤激光器，在单级大功率光纤激光器中，包括前向光纤泵浦激光合束器、双包层有源光纤和无源光纤的熔接点、泵浦光纤激光器、反向光纤泵浦激光合束器、双包层Yb+掺杂有源光纤、光纤输出端帽和主激光器激光输出端，其特征在于：所述的前向光纤泵浦激光合束器和反向光纤泵浦激光合束器将泵浦光纤激光器的泵浦激光通过双包层有源光纤和无源光纤的熔接点，输送到双包层Yb+掺杂有源光纤的内包层中；在泵浦激光的激励下，双包层Yb+掺杂有源光纤中产生光增益区，光增益区和左右两个中心反射波长相同的光纤光栅组合形成激光谐振腔，产生大功率激光，在光纤的大功率输出端设置了一个光纤输出端帽将激光进行发散，防止光纤端面的热损伤。
所述的光纤的非输出端设置有一个光功率吸收器。
所述的多级大功率光纤激光器中，包括前向光纤泵浦激光合束器、双包层有源光纤和无源光纤的熔接点、泵浦光纤激光器、反向光纤泵浦激光合束器、双包层Yb+掺杂有源光纤、光纤输出端帽、种子激光器光源和主激光器激光输出端，前向光纤泵浦激光合束器和反向光纤泵浦激光合束器将泵浦光纤激光器的泵浦激光通过双包层Yb+掺杂有源光纤和无源光纤的熔接点，输送到双包层Yb+掺杂有源光纤的内包层中；种子激光器光源输出的较小功率的激光输入到有光增益区的双包层Yb+掺杂有源光纤中，被放大到较高的水平然后通过光纤的大功率输出端设置了一个光纤输出端帽。
所述的泵浦光纤激光器的输出波长在1010~1020nm之间，输出功率在200W以下。
所述的泵浦光纤激光器或反向光纤泵浦激光合束器的输入端为无芯的双包层光纤，形成Nx1形式的合束器结构；或为有芯的双包层光纤，形成N+1x1形式的合束器结构，双包层光纤的内包层直径在40-200微米之间。
所述的主光纤激光器和泵浦光纤激光器的输出波长差小于55nm。
本发明，将双包层有源光纤的内包层直径减小，使得纤芯直径与内包层直径的比增大，提高了泵浦光的吸收效率。这种热管理负担较轻的大功率光纤激光器，特别是连续光纤激光器和准连续光纤激光器，为今后光纤激光器向更大功率方向发展提供了新的技术路线。以往的大功率光纤激光器中，泵浦激光波长和主激射波长的差大于85nm；而本发明的大功率光纤激光器中，泵浦激光波长和主激射波长的差小于55nm。就是这个波长差的不同，带来了有源光纤在大功率工作条件下发热情况的明显不同。缩短了泵浦光子的能量和信号光子能量的能量差。
附图说明
图1是本发明的单谐振腔大功率光纤激光器示意图。
图2为本发明中的多级大功率光纤激光器示意图。
具体实施方式
实施例1：
由图1知，是单谐振腔大功率光纤激光器示意图。短波长间隔泵浦的大功率光纤激光器，由光功率吸收器101、光纤光栅102、前向光纤泵浦激光合束器（N+1x1型）103、双包层有源光纤和无源光纤的熔接点、泵浦光纤激光器105、反向光纤泵浦激光合束器（N+1x1型）106、双包层Yb+掺杂有源光纤107、光纤输出端帽108、和主激光器激光输出端120组成，前向光纤泵浦激光合束器（N+1x1型）103和反向光纤泵浦激光合束器（N+1x1型）106将泵浦光纤激光器105的泵浦激光通过双包层有源光纤和无源光纤的熔接点104，输送到双包层Yb+掺杂有源光纤107的内包层中；在泵浦激光的激励下，双包层Yb+掺杂有源光纤107中产生光增益区，增益区和左右两个中心反射波长相同的光纤光栅102组合形成激光谐振腔，并产生大功率激光，在光纤的大功率输出端120设置了一个光纤输出端帽108输出激光。在光纤非输出的另外一侧，不需要有激光输出，也不希望产生激光的端面反射，因此设置一个光纤端面光功率吸收器101。
所述的泵浦光纤激光器105或反向光纤泵浦激光合束器106的输入端为细芯径的单包层光纤，芯径在5-10微米之间，泵浦光纤激光器105或反向光纤泵浦激光合束器106的输入端为无芯的双包层光纤，形成Nx1形式的合束器结构；或为有芯的双包层光纤，形成N+1x1形式的合束器结构，双包层光纤的内包层直径在40-200微米之间。主光纤激光器和泵浦光纤激光器的输出波长差小于55nm。
本实施例的特点是只用单个有源光纤环和两端的光纤光栅构成一个单激光器谐振腔，而不需要额外的光纤放大器单元或种子激光单元。
实施例2：
由图2知，是多级大功率光纤激光器示意图。短波长间隔泵浦的大功率光纤激光器，由前向光纤泵浦激光合束器（N+1x1型）103、双包层有源光纤和无源光纤的熔接点104、泵浦光纤激光器105、反向光纤泵浦激光合束器（N+1x1型）106、双包层Yb+掺杂有源光纤107、光纤输出端帽108、种子激光器光源110和主激光器激光输出端120组成，前向光纤泵浦激光合束器（N+1x1型）103和反向光纤泵浦激光合束器（N+1x1型）106将泵浦光纤激光器105的较小功率的泵浦激光通过双包层有源光纤和无源光纤的熔接点104，输送到双包层Yb+掺杂有源光纤107的内包层中，形成大功率光纤放大器，较小功率的激光输入到有增益的双包层Yb+掺杂有源光纤107中，被放大到较高的水平然后通过输出端帽108输出激光。功率放大级是由有源光纤和泵浦激光器组成的增益光纤，它起到了一个光纤放大器的作用。通过这级的光纤功率放大，最后让输出光功率达到了较高的水平。
本实施例的特点是采用一个低光功率的种子光源，进行1-3级放大。其中最末级的功率放大单元用本发明的结构，最后将总输出功率放大到较高的功率水平上。
本发明最重要的技术核心是，它缩短了泵浦光子的能量和信号光子能量的能量差。也就是：
本发明方案的hv1-hv0<传统方案的hv1-hv0
其中：h是普朗克常数，v1是泵浦光子的光频，v0是信号光子的光频，hv1是泵浦光子的能量，hv0是主激射光子的能量。光频和波长的关系为v·λ＝c，其中λ是波长，c是真空光速，v是光频。
激光器的泵浦光子能量的量子亏损为
Figure BDA00002359820900061
其中λp是泵浦激光的波长，λs是主激光器的输出波长或称为信号波长。举例说明：在传统的915nm波长泵浦的情况下，光子的量子亏损为14%。而本发明采用1018nm波长泵浦的情况下，光子的量子亏损为5%。而该损失最终都转化成了热。在泵浦功率为1500W的情况下，传统方案将有210W的功率转化为光纤上的热量；而本发明的激光器仅将60W的功率转化为光纤上的热量。大大缓解了光纤冷却的问题。由此可见，本发明的激光器在耗热方面有大幅度优于传统激光器。
因为这个光子的量子亏损决定了在泵浦光转换为信号光过程中的发热量大小。所以本发明从物理层面上抑制和减少了主光纤激光器的发热量，为其系统散热压力的缓解提供了坚实的保障。
在采用本发明方案的系统中，系统发热量明显地得到降低，缓解了大功率光纤激光器的散热瓶颈问题。
本发明由于大幅度地减小了有源光纤的热耗散，因此也可以缩短有源光纤的长度。长度缩短后，该光纤的非线性效应可以得到抑制，其中包括：SRS受激拉曼散射、SBS受激布里渊散射、SPM自相位调制、XPM交叉相位调制、自脉动效应等。

Claims (5)

1.短波长间隔泵浦的大功率光纤激光器，包括单级大功率光纤激光器和多级大功率光纤激光器，在单级大功率光纤激光器中，包括前向光纤泵浦激光合束器（103）、双包层有源光纤和无源光纤的熔接点（104）、泵浦光纤激光器（105）、反向光纤泵浦激光合束器（106）、双包层Yb+掺杂有源光纤（107）、光纤输出端帽（108）和主激光器激光输出端（120），其特征在于：所述的前向光纤泵浦激光合束器（103）和反向光纤泵浦激光合束器（106）将泵浦光纤激光器（105）的泵浦激光通过双包层有源光纤和无源光纤的熔接点（104），输送到双包层Yb+掺杂有源光纤（107）的内包层中；在泵浦激光的激励下，双包层Yb+掺杂有源光纤（107）中产生光增益区，光增益区和左右两个中心反射波长相同的光纤光栅（102）组合形成激光谐振腔，并产生大功率激光，在光纤的大功率输出端（120）设置了一个光纤输出端帽（108）将激光进行发散，防止光纤端面的热损伤。
2.根据权利要求1所述的短波长间隔泵浦的大功率光纤激光器，其特征在于：所述的多级大功率光纤激光器中，包括前向光纤泵浦激光合束器（103）、双包层有源光纤和无源光纤的熔接点（104）、泵浦光纤激光器（105）、反向光纤泵浦激光合束器（106）、双包层Yb+掺杂有源光纤（107）、光纤输出端帽（108）、种子激光器光源（110）和主激光器激光输出端（120），前向光纤泵浦激光合束器（103）和反向光纤泵浦激光合束器（106）将泵浦光纤激光器（105）的泵浦激光通过双包层Yb+掺杂有源光纤（107）和无源光纤的熔接点（104），输送到双包层Yb+掺杂有源光纤（107）的内包层中；种子激光器光源（110）输出的较小功率的激光输入到有光增益区的双包层Yb+掺杂有源光纤（107）中，被放大到较高的水平然后通过光纤的大功率输出端设置了一个光纤输出端帽（108）。
3.根据权利要求1或2所述的短波长间隔泵浦的大功率光纤激光器，其特征在于：所述的泵浦光纤激光器（105）的输出波长为1010~1020nm，输出功率在200W以下。
4.根据权利要求1或2所述的短波长间隔泵浦的大功率光纤激光器，其特征在于：所述的泵浦光纤激光器（105）或反向光纤泵浦激光合束器（106）的输入端为无芯的双包层光纤，形成 N x 1 形式的合束器结构；或为有芯的双包层光纤，形成 N+1 x 1形式的合束器结构，双包层光纤的内包层直径在40-200微米之间。
5.根据权利要求1或2所述的短波长间隔泵浦的大功率光纤激光器，其特征在于：所述的泵浦光纤激光器（105）和主光纤激光器的输出波长差小于55nm。
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