CN102946045A - 光纤激光泵浦耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种具有选模功能的光纤激光泵浦耦合器，由至少一根泵浦光纤和微弯曲的主光纤组成，其中，泵浦光纤贴合到微弯曲主光纤侧面，泵浦光纤中传输的泵浦光通过贴合耦合区高效耦合进入主光纤。主光纤传输的信号光通过微弯曲光纤后,基模保持高效传输，而高阶模式发生泄漏，并有部分高阶模式将转换为基模光，使整个耦合器对信号光传输起到激光传输模式选择功能。此耦合器在不影响泵浦激光耦合效率的情况下，能选择光波中高光束质量的模式高效透过，而光束质量较差的激光模式有效阻止，提高了光纤中基模的传输效果，可将此耦合器其应用于大模场光纤的光纤激光器中，将会直接提高光纤激光器的光束质量。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种具有选模功能的光纤激光泵浦耦合器。
背景技术
光纤激光器以光束质量好、转换效率高、体积小、重量轻和热管理简单等优点成为现代激光领域的研究热点之一。为实现更高的输出功率和能量，光纤激光器需要突破的关键技术主要有大模场光纤模式控制和高效抽运耦合技术等。
大模场光纤由于纤芯较大，且光纤的归一化频率V>2.405，能够容纳多个激光模式传输和放大，容易激发高阶模式，使光纤激光光束质量下降。所以如何在大模场光纤激光器中获得高光束质量输出一直是个难题。国内外研究人员采用各种选模方法来提高基模输出的比例。这些选模方法包括弯曲选模（Koplow JP，Kliner DAV，Goldberg L.Single-mode operationof a coiled multimode fiber amplifier.Opt.Lett.,2000,25:442-444.），光锥选模（Alvarez-ChavezJA,Grudinin A B,Nilsson J,et al.Mode selection in high power cladding pumped fibre laserswith tapered section.Lasers and Electro-Optics,1999.CLEO'99.），增益控制选模（Jens L，Zellmer H,Tunnermann A,et al.Suppression of higher order modes in a multimode fiber amplifierusing efficient gain-loss-management.Advanced Solid-State Lasers:Optical Society of America,2002.）和腔镜选模等，通过外加因素干预的方式来改变光纤中各阶模式在竞争中的能力来达到选模的目的，但是这些放大均较为复杂。
现在大功率光纤激光器、光纤放大器主要采用的是双包层掺杂光纤，与半导体抽运激光器的发出的多模抽运光束的发散角相比，内包层直径小，因此如何把抽运光高效地耦合到双包层光纤的内包层是获得高功率光纤激光输出的核心技术。研究者提出了多种方案，包括：熔融拉锥端面泵浦耦合技术、GT-wave技术、贴合棱镜侧面泵浦耦合、V形槽侧面泵浦耦合、泵浦光纤角度抛磨侧面耦合、衍射光栅侧面耦合、锥形石英管侧面耦合和嵌入反射镜侧面耦合等。然而，现有光纤耦合技术仅能实现单一功能——泵浦激光耦合。
如果将大模场光纤的模式控制和泵浦耦合功能集合成一体，将有效降低高光束质量输出的大模场光纤激光器系统复杂度，并使系统更加紧凑和稳定。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有
根据本发明实施例的光纤激光泵浦耦合器，包括：多模的泵浦光纤；以及微弯曲的主光纤，其中，所述泵浦光纤贴合到所述主光纤的侧面，所述泵浦光纤中传输的泵浦光通过贴合耦合区高效耦合进入所述主光纤，所述主光纤传输的信号光通过微弯曲光纤后，基模保持高效传输，而高阶模式发生泄漏，并有部分高阶模式将转换为基模光，使整个耦合器对信号光传输起到激光传输模式选择功能。
在本发明的一个实施例中，所述泵浦光纤与主光纤通过胶粘、激光焊接、超声熔接、热熔接或压力密合的方式紧密贴合。
在本发明的一个实施例中，所述泵浦光纤为纯纤芯无包层光纤或石英包层光纤。
在本发明的一个实施例中，所述泵浦光纤为直光纤或锥形光纤。
在本发明的一个实施例中，所述主光纤在耦合区处呈微弯曲结构，弯曲的离轴偏差为H小于主光纤直径。
在本发明的一个实施例中，所述主光纤在耦合区处呈微弯曲结构，弯曲的轴向距离W为1mm~50mm。
在本发明的一个实施例中，所述主光纤为保偏光纤或非保偏光纤。本发明采用泵浦光纤直接与微弯曲的主光纤侧面紧密贴合的方式，可实现泵浦光从泵浦光纤到主光纤的高效耦合。由于主光纤为微弯曲的光纤，光波通过微弯曲光纤使高阶模式大部分从纤芯漏出，且有一部分将转换为基模激光，对于光纤中的模式选择具备一定的功能和效果。此耦合器在不影响泵浦激光耦合效率的情况下，能选择光波中高光束质量的模式高效透过，而光束质量较差的激光模式有效阻止，提高了光纤中基模的传输效果。可将此耦合器其应用于大模场光纤的光纤激光器中，将会直接提高光纤激光器的光束质量。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明的结构原理图；
图2为耦合器模式选择的理论计算结果
图3为本发明采用无源大模场光纤作为微弯曲光纤的实施例；
图4为本发明采用保偏光纤作为微弯曲光纤的实施例；
图5为本发明应用于高功率光纤激光振荡器实施例；
图6为本发明应用于高功率光纤激光放大器实施例。
图中，1表示泵浦光纤，2表示微弯曲的主光纤，3表示主光纤微弯曲部分，4表示泵浦耦合部分，5表示泵浦源，6表示本发明的耦合器，7表示增益光纤，8表示高反射率光纤光栅，9表示熔接点，10表示低反射率光纤光栅，11表示输出耦合，12表示激光种子源。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
根据本发明实施例的光纤激光泵浦耦合器，包括：多模的泵浦光纤；以及微弯曲的主光纤，其中，泵浦光纤贴合到主光纤的侧面，泵浦光纤中传输的泵浦光通过贴合耦合区高效耦合进入主光纤，主光纤传输的信号光通过微弯曲光纤后，基模保持高效传输，而高阶模式发生泄漏，并有部分高阶模式将转换为基模光，使整个耦合器对信号光传输起到激光传输模式选择功能。
在本发明的一个实施例中，泵浦光纤与主光纤通过胶粘、激光焊接、超声熔接、热熔接或压力密合的方式紧密贴合。
在本发明的一个实施例中，泵浦光纤为纯纤芯无包层光纤或石英包层光纤。
在本发明的一个实施例中，泵浦光纤为直光纤或锥形光纤。
在本发明的一个实施例中，主光纤在耦合区处呈微弯曲结构，弯曲的离轴偏差为H小于主光纤直径。
在本发明的一个实施例中，主光纤在耦合区处呈微弯曲结构，弯曲的轴向距离W为1mm~50mm。
在本发明的一个实施例中，主光纤为保偏光纤或非保偏光纤。本发明采用泵浦光纤直接与微弯曲的主光纤侧面紧密贴合的方式，可实现泵浦光从泵浦光纤到主光纤的高效耦合。由于主光纤为微弯曲的光纤，光波通过微弯曲光纤使高阶模式大部分从纤芯漏出，且有一部分将转换为基模激光，对于光纤中的模式选择具备一定的功能和效果。此耦合器在不影响泵浦激光耦合效率的情况下，能选择光波中高光束质量的模式高效透过，而光束质量较差的激光模式有效阻止，提高了光纤中基模的传输效果。可将此耦合器其应用于大模场光纤的光纤激光器中，将会直接提高光纤激光器的光束质量。
为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明如下。
实施例1：
如图3所示，本例是采用双包层大模场光纤作为微弯曲的主光纤2的实施例。主光纤为无源双包层光纤，纤芯直径为20um，纤芯数值孔径0.06，内包层直径为250um，数值孔径为0.46。主光纤微弯曲的离轴偏差为80um，弯曲的轴向距离为10mm。泵浦光纤为多模光纤，纤芯/包层直径为105/125um，纤芯数值孔径为0.15。采用火焰加热熔融拉锥的方法将泵浦光纤1拉锥成锥形。然后，将锥形泵浦光纤1与无源双包层微弯曲主光纤的弯曲部分3的侧面以热熔接的方式贴合到一起，形成泵浦耦合器。
实施例2：
如图4所示，本例是采用双包层保偏大模场光纤作为微弯曲的主光纤2的实施例。主光纤为双包层保偏大模场光纤，纤芯直径为20um，纤芯数值孔径0.06，内包层直径为400um，数值孔径为0.46。主光纤微弯曲的离轴偏差为100um，弯曲的轴向距离为20mm。泵浦光纤为多模光纤，纤芯/包层直径为400/440um，纤芯数值孔径为0.22。采用火焰加热熔融拉锥的方法将泵浦光纤1拉锥成锥形。然后，将锥形泵浦光纤与双包层保偏大模场微弯曲主光纤的弯曲部分3侧面以激光熔接的方式贴合成一体，形成泵浦耦合器。
实施例3：
如图5所示，本例是将本发明的具有选模功能的光纤激光泵浦耦合器应用于光纤激光振荡器的实施例。此光纤激光振荡器由泵浦源，本发明的光纤耦合器，光纤光栅对（一个高反光栅和一个低反光纤），大模场增益光纤和输出耦合组成。其中本发明的具有选模功能的光纤激光泵浦耦合器在光纤激光器的谐振腔内部，具有两个应用效果：一是将泵浦激光高效耦合进入增益光纤；二是起到腔内模式选择效果，使高光束质量的低阶模式高效谐振而抑制光束质量较差的高阶模式谐振，从而实现高光束质量光纤激光谐振输出。
实施例4：
如图6所示，本例是将本发明的具有选模功能的光纤激光泵浦耦合器应用于光纤激光放大器的实施例。此光纤激光放大器由泵浦源，本发明的光纤耦合器，激光种子源，大模场增益光纤和输出耦合组成。其中本发明的具有选模功能的光纤激光泵浦耦合器安置于种子源和增益光纤之间，具有两个应用效果：一是将泵浦激光高效耦合进入增益光纤；二是对种子源输出的激光起到模式选择效果，使高光束质量的低阶模式高效耦合进入放大级，而抑制光束质量较差的高阶模式进入放大级，从而实现高光束质量光纤激光放大输出。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种光纤激光泵浦耦合器，其特征在于，包括：
多模的泵浦光纤；以及
微弯曲的主光纤，
其中，所述泵浦光纤贴合到所述主光纤的侧面，所述泵浦光纤中传输的泵浦光通过贴合耦合区高效耦合进入所述主光纤，所述主光纤传输的信号光通过微弯曲光纤后，基模保持高效传输，而高阶模式发生泄漏，并有部分高阶模式将转换为基模光，使整个耦合器对信号光传输起到激光传输模式选择功能。
2.根据权利要求2所述的光纤激光泵浦耦合器，其特征在于，所述泵浦光纤与主光纤通过胶粘、激光焊接、超声熔接、热熔接或压力密合的方式紧密贴合。
3.根据权利要求1和2所述的光纤激光泵浦耦合器，其特征在于，所述泵浦光纤为纯纤芯无包层光纤或石英包层光纤。
4.根据权利要求1-3所述的光纤激光泵浦耦合器，其特征在于，所述泵浦光纤为直光纤或锥形光纤。
5.根据权利要求1所述的光纤激光泵浦耦合器，其特征在于，所述主光纤在耦合区处呈微弯曲结构，弯曲的离轴偏差为H小于主光纤直径。
6.根据权利要求1所述的光纤激光泵浦耦合器，其特征在于，所述主光纤在耦合区处呈微弯曲结构，弯曲的轴向距离W为1mm~50mm。
7.根据权利要求1所述的光纤激光泵浦耦合器，其特征在于，所述主光纤为保偏光纤或非保偏光纤。
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| TR01 | Transfer of patent right |