CN103474867A - 大模场面积高功率光纤激光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大模场面积高功率光纤激光装置，其中，激光种子源用于发射激光并经过单模尾纤后形成纤芯基模；激光合束器具有激光种子信号输入端、泵浦输入端和合束输出端，泵浦输入端分别与多个激光泵浦源的输出端连接，合束输出端和掺镱有源光纤的掺杂区域相连；第一长周期光纤光栅用于将经过单模尾纤后形成的纤芯基模转换成包层模；掺镱有源光纤，其首端与单模尾纤连接，其尾端与输出光纤连接，并用于通过粒子数反转将包层模增益放大；本发明能够提升光纤的模场面积和抗弯特性，从而抑制了非线性效应和减小了热损伤，降低了模式耦合，实现了高质量的大功率光纤激光基模输出。

Description

大模场面积高功率光纤激光装置

技术领域

本发明涉及一种大模场面积高功率光纤激光装置，属于光纤激光技术领域。

背景技术

目前，光纤激光器作为第三代激光技术的代表，具有固体和气体激光器无可比拟的优越性，包括体积小、光束质量好、电光转化效率高、运行成本低、加工精度高等。光纤激光器已经广泛应用于材料处理与机械加工高端制造产业，市场前景非常广阔。大功率光纤激光纤芯中功率密度很高，易产生受激布里渊散射、受激拉曼散射和自相位调制等非线性效应，为获得单模高质量的大功率光纤激光，必须降低其中的非线性效应。增大光纤模场面积是解决大功率光纤激光中的非线性效应和热损伤问题的最直接途径和最有效方法。当前，实现高质量大模场光纤激光输出主要采用两类方法。其一是通过设计特殊结构光纤来降低纤芯数值孔径、增大纤芯直径。如短棒型光子晶体光纤通过调整包层空气孔的大小、间距和分布来降低纤芯数值孔径、增大模场面积；3C 螺旋形光纤采复合纤芯设计，其中主体纤芯为普通的掺杂纤芯，螺旋状的辅助纤芯缠绕在主体纤芯外。这类方法抗弯曲特性差，光纤弯曲将导致模场畸变，失去了光纤细长柔软及长程增益的优势，且特殊结构的光纤性能受到当前工艺精度的限制，提升空间有限。其二是模式控制方法。该类方法利用不同模式具有不同物理特性来抑制高阶模的振荡，实现高质量的大模场单模光纤激光输出，但模式控制方法结构复杂，模式选择和控制准确度不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种大模场面积高功率光纤激光装置，它能够提升光纤的模场面积和抗弯特性，从而抑制了非线性效应和减小了热损伤，降低了模式耦合，实现了高质量的大功率光纤激光基模的输出。

本发明解决上述技术问题采取的技术方案是：一种大模场面积高功率光纤激光装置，它包括掺镱有源光纤、第一长周期光纤光栅、第二长周期光纤光栅、带单模尾纤的激光种子源、多个激光泵浦源、激光合束器和输出光纤；其中，带单模尾纤的激光种子源，用于发射激光并经过单模尾纤后形成纤芯基模；多个激光泵浦源，用于输出泵浦光；激光合束器，其具有激光种子信号输入端、泵浦输入端和合束输出端，合束输出端与掺镱有源光纤的掺杂区域相连，泵浦输入端分别与多个激光泵浦源的输出端连接，并用于将多种泵浦光耦合进入掺镱有源光纤形成反转粒子数反转；第一长周期光纤光栅，其刻写在掺镱有源光纤的首端，并用于将经过单模尾纤后形成的纤芯基模转换成包层模；掺镱有源光纤，其首端与单模尾纤连接，其尾端与输出光纤连接，并用于通过反转粒子将包层模增益放大；第二长周期光纤光栅，其刻写在掺镱有源光纤的尾端，并用于将增益放大后的包层模转换成包层基模；输出光纤，其用于将包层基模转换为需要的纤芯基模并输出。

进一步，所述的掺镱有源光纤为双包层结构，掺镱有源光纤的纤芯直径和单模尾纤的纤芯直径相同，掺镱有源光纤的内包层直径和单模尾纤的包层直径相同，输出光纤的纤芯直径和掺镱有源光纤的内包层直径相同，输出光纤的包层直径和掺镱有源光纤的外包层直径相同，输出光纤的折射率和掺镱有源光纤的折射率相同。

进一步，所述的第一长周期光纤光栅刻写在掺镱有源光纤的纤芯上，第二长周期光纤光栅刻写在掺镱有源光纤的纤芯和内包层上。

更进一步，所述的包层模为包层基模或包层高阶模。 

采用了上述技术方案后，本发明具有以下的有益效果：

1、传统的大模场（LMA）光纤由于受气相沉积工艺的限制，数值孔径很难做到很小。当芯径增大到一定程度后变成多模输出，由于模式间耦合而产生较大损耗，且易受外界噪声影响，而本发明所采用的大模场面积光纤方法，在激光放大阶段为包层模式传播，可获得更大的模场面积，非线性效应明显降低，实现了高质量的大功率光纤激光基模的输出；

2、本发明由于在激光放大阶段可以采用包层高阶模式，激光信号不易受弯曲等外界因素影响，稳定性大大增强，特别适合于大功率激光所要求的数米以至几十米有源光纤的需求。

附图说明

图1为本发明的大模场面积高功率光纤激光装置的结构示意图；

图2为本发明的模式转换和激光放大原理图；

图3 为有效模场面积与包层模式阶数关系图。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

如图1~2所示，一种大模场面积高功率光纤激光装置，它包括掺镱有源光纤3、第一长周期光纤光栅2、第二长周期光纤光栅4、带单模尾纤6的激光种子源1、多个激光泵浦源8、激光合束器7和输出光纤5；其中，

带单模尾纤6的激光种子源1，用于发射激光并经过单模尾纤6后形成纤芯基模；

多个激光泵浦源8，用于输出泵浦光；

激光合束器7，其具有激光种子信号输入端、泵浦输入端和合束输出端，合束输出端和掺镱有源光纤3的掺杂区域相连，泵浦输入端分别与多个激光泵浦源8的输出端连接，并用于将多种泵浦光耦合进入掺镱有源光纤3形成粒子数反转；

第一长周期光纤光栅2，其刻写在掺镱有源光纤3的首端，并用于将经过单模尾纤6后形成的纤芯基模转换成包层模；包层模可以是包层基模或包层高阶模。

掺镱有源光纤3，其首端与单模尾纤6连接，其尾端与输出光纤5连接，并用于通过反转粒子将包层模增益放大；

第二长周期光纤光栅4，其刻写在掺镱有源光纤3的尾端，并用于将增益放大后的包层模转换成包层基模； 

输出光纤5为大芯径结构，其用于将包层基模转换为需要的纤芯基模并输出。

如图2所示，掺镱有源光纤3为双包层结构，它的内包层和纤芯内均掺杂有镱离子。掺镱有源光纤3的纤芯直径和单模尾纤6的纤芯直径相同，掺镱有源光纤3的内包层直径和单模尾纤6的包层直径相同，输出光纤5的纤芯直径和掺镱有源光纤3的内包层直径相同，输出光纤5的包层直径和掺镱有源光纤3的外包层直径相同，输出光纤5的折射率和掺镱有源光纤3的折射率相同。

如图2所示，第一长周期光纤光栅2刻写在掺镱有源光纤3的纤芯上，第二长周期光纤光栅2刻写在掺镱有源光纤3的纤芯和内包层上。

如图3所示为有效模场面积与包层模式阶数关系图，可以看出，有效模场面积随着包层模式阶数的增加而下降，意味着包层基模具有更高的模场面积。一般来说，非线性效应阈值随着模场面积增加而提升。因此，在本发明方案中，一般通过设计第一长周期光栅2的结构参数，使得纤芯基模尽可能转化为掺镱有源光纤3的包层基模，在实际的装置中，为了提高输出激光的稳定性，有时将输入纤芯基模种子信号转换为掺镱有源光纤3的包层高阶模。

单模尾纤6和掺镱有源光纤3的连接方式可以采用光纤耦合器或通过熔接方式。

掺镱有源光纤3的尾端和输出光纤5的连接方式也可采用光纤耦合器或通过熔接方式。 

在掺镱有源光纤3的两端采用相位掩膜技术，利用紫外光或者倍频Ar 离子激光器写入的方式，分别刻蚀第一长周期光纤光栅2和第二长周期光纤光栅4。

带单模尾纤6的激光种子源1，可以是带尾纤的半导体激光二极管，也可以是带HR及LR光栅的光纤激光器。  

本发明的工作原理如下：

激光种子源1出射激光经过单模尾纤6后形成纤芯基模，经过掺镱有源光纤3始端的第一长周期光纤光栅2转换为包层模（包层基模或包层高阶模），高斯基模和包层模受到第一长周期光纤光栅2的周期性折射率调制后发生耦合，当失谐量和光纤结构参数满足谐振条件时，两种模式之间转换效率达到最高。包层模具有较大的模场面积和较大折射率间隔，当然包层基模的模场面积更大，它们均能抑制非线性效应和热损伤。此外，包层各阶模式间的有效折射率间隔较大，故对弯曲不敏感，能够进行较长距离的传播而不会发生模式间转移。包层模和多个激光泵浦源8a,8b,8c经激光合束器7进入掺镱有源光纤3的掺杂区域。随着掺杂离子被激发，掺镱有源光纤3中形成粒子数反转。反转粒子在包层模式激光的诱导下进一步对包层模激光进行增益放大。在掺镱有源光纤3末端的第二长周期光纤光栅4位处，经放大后的包层模进一步转换成包层基模，包层基模和输出光纤5的纤芯基模高效耦合，产生稳定的单模大模场高功率激光输出。

以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1. 一种大模场面积高功率光纤激光装置，其特征在于：它包括掺镱有源光纤（3）、第一长周期光纤光栅（2）、第二长周期光纤光栅（4）、带单模尾纤（6）的激光种子源（1）、多个激光泵浦源（8）、激光合束器（7）和输出光纤（5）；其中，

带单模尾纤（6）的激光种子源（1），用于发射激光并经过单模尾纤（6）后形成纤芯基模；

多个激光泵浦源（8），用于输出泵浦光；

激光合束器（7），其具有激光种子信号输入端、泵浦输入端和合束输出端，合束输出端与掺镱有源光纤（3）的掺杂区域相连，泵浦输入端分别与多个激光泵浦源（8）的输出端连接，并用于将多种泵浦光耦合进入掺镱有源光纤（3）形成粒子数反转；

第一长周期光纤光栅（2），其刻写在掺镱有源光纤（3）的首端，并用于将经过单模尾纤（6）后形成的纤芯基模转换成包层模；

掺镱有源光纤（3），其首端与单模尾纤（6）连接，其尾端与输出光纤（5）连接，并用于通过粒子数反转将包层模增益放大；

第二长周期光纤光栅（4），其刻写在掺镱有源光纤（3）的尾端，并用于将增益放大后的包层模转换成包层基模； 

输出光纤（5），其用于将包层基模转换为需要的纤芯基模并输出。

2.根据权利要求1所述的大模场面积高功率光纤激光装置，其特征在于：所述的掺镱有源光纤（3）为双包层结构，掺镱有源光纤（3）的纤芯直径和单模尾纤（6）的纤芯直径相同，掺镱有源光纤（3）的内包层直径和单模尾纤（6）的包层直径相同，输出光纤（5）的纤芯直径和掺镱有源光纤（3）的内包层直径相同，输出光纤（5）的包层直径和掺镱有源光纤（3）的外包层直径相同，输出光纤（5）的折射率和掺镱有源光纤（3）的折射率相同。

3.根据权利要求2所述的大模场面积高功率光纤激光装置，其特征在于：所述的第一长周期光纤光栅（2）刻写在掺镱有源光纤（3）的纤芯上，第二长周期光纤光栅（2）刻写在掺镱有源光纤（3）的纤芯和内包层上。

4.根据权利要求1所述的大模场面积高功率光纤激光装置，其特征在于：所述的包层模为包层基模或包层高阶模。

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