CN103682965B - 全光纤结构980nm波段复合腔单模光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤结构980nm波段复合腔单模光纤激光器，目的是解决空间光耦合不足和特殊设计双包层光纤带来的器件匹配问题，并克服泵浦功率低、ASE抑制差对于980nm激光器系统输出特性的影响。本发明由N个增益模块、N-1个偏振控制器、耦合模块、输出耦合端和N-1个泄漏端组成；增益模块由2个泵浦模块、2个多波长波分复用器、掺镱光纤、第二光敏光纤、第二光纤布拉格光栅和第一光纤环构成；输出耦合端由第三光敏光纤、长周期光纤光栅和第三光纤布拉格光栅组成；泄漏端由第二光纤环构成。本发明克服了空间光耦合的不足和器件匹配问题；解决了输出功率受限的问题和泵浦功率低、ASE抑制差对于980nm激光器系统输出特性的影响。

Description

全光纤结构980nm波段复合腔单模光纤激光器

技术领域

本发明涉及一种光纤激光器，尤其涉及一种工作波段在980nm附近(970nm～985nm)的全光纤结构的复合腔单模光纤激光器。

背景技术

光纤激光器以其优良的散热特性、良好的光束质量以及制作成本低、结构紧凑等优点，已成为激光器家族的新宠，得到了人们的广泛关注。随着光纤激光器技术的发展，功率水平不断提高，其应用领域已从早期的光纤通信、传感、测量等领域，逐渐拓展到激光打印、工业加工、医疗、军事等领域。不过，尽管近年来光纤激光器的功率水平有了较大的提高，但是，仍然无法充分满足某些领域(如工业加工、医疗、军事等领域)的需求。因此，光纤激光器的功率水平仍然是制约光纤激光器应用的关键瓶颈因素，如何提升光纤激光器的功率水平仍然是现阶段光纤激光器领域的研究热点。

制约光纤激光器功率提升的因素是比较多的，比如：热效应、非线性效应等，不过，在众多制约因素当中，最为重要的因素之一就是泵浦光亮度的提升。现阶段，常用的泵浦方案是利用980nm波段半导体激光器泵浦掺镱光纤激光器，以实现高功率的激光输出。不过，半导体激光器的亮度极限已经成为光纤激光器功率提升的关键制约因素。为了突破半导体激光器的亮度极限，人们开始考虑利用同波段的光纤激光器作为泵浦光源，来提升泵浦光源的亮度，980nm波段光纤激光器也因此受到了人们的广泛关注。此外，980nm波段光纤激光器的另一个重要应用就是通过倍频实现高亮度的490nm波段的蓝光输出，替代沉重的氩离子激光器。正是由于其潜在的应用价值，980nm波段的光纤激光器已成为光纤激光器领域的研究热点之一。

目前，可用于980nm光纤激光器的增益光纤是掺镱光纤，掺镱光纤也是现阶段高功率光纤激光器的首选增益光纤；但是，要实现高亮度980nm光纤激光器并不是一件容易的事情，这是由镱离子的能级特性决定的。镱离子的能级结构决定了980nm掺镱光纤激光器是一个三能级激光器，具有较高的泵浦阈值，放大自发辐射效应也非常严重，如果激光器参数设计不当，很难实现980nm波段的激光输出。英国南安普顿大学J.Nilsson等人对980nm掺镱光纤激光器的研究表明：如何抑制放大自发辐射效应是构建980nm掺镱光纤激光器的关键，而抑制放大自发辐射的有效手段，就是增加掺镱光纤的纤芯包层比。不过，这又带来了新的矛盾：首先，要提高泵浦光的功率，就需要较大的内包层尺寸，为了得到足以抑制放大自发辐射的纤芯包层比，纤芯尺寸也需要增加，而纤芯尺寸的增加又意味着模式的增加，光束质量及光束亮度也会随之下降；反之，要保证良好的光束质量，纤芯就不能太大，包层的尺寸也要随之减小，这又影响了泵浦光的耦合，限制了激光器输出功率的提升。

现阶段，980nm波段光纤激光器的构建方案(技术方案一)如图1所示。该方案是空间光耦合方案，由半导体激光器1，准直透镜2，3个二色镜，2个透镜，掺镱光纤5，两个反射镜组成。半导体激光器1作为泵浦源，产生915nm的泵浦光，泵浦光经过准直透镜2、第一二色镜31和第一透镜41耦合进掺镱光纤5中，掺镱光纤5中的泵浦光被镱离子吸收，未被吸收的泵浦光经过第二透镜42、第二二色镜32和第一反射镜61再次反向耦合进掺镱光纤5中，以提高泵浦光的利用效率。980nm波段的信号光场在掺镱光纤5中产生，第二反射镜62和掺镱光纤5的光纤端面7构成激光谐振腔；第一二色镜31和第二二色镜32用于将915nm的泵浦光与信号光场分离，第三二色镜33将放大自发辐射(Amplifiedspontaneousemission，缩写为ASE)光场分离出激光谐振腔，从而抑制放大自发辐射光场的产生。

该方案需要把自由空间的激光束耦合到掺镱光纤5中，所以该方案采用的是空间光耦合结构，该结构主要有以下几个方面的缺点：首先，光路调整精度要求高，这是由于光纤纤芯和包层的尺寸较小(微米量级)，因此，要想将空间光束(毫米量级)耦合到光纤中，需要高精度的光路调解，如果调解稍有偏差，就会导致耦合效率的下降和损耗的增加，这无疑增加了光路的调解难度，正是由于过高的精度要求，现阶段空间光束与光纤之间的耦合损耗很难控制到1dB以下；同时，过高的调解精度使得整个系统的状态对于器件位置的变化比较敏感，从而导致激光器系统的稳定性下降，抗干扰能力较差；此外，由于空间光耦合结构中引入了大量的非光纤器件，使得整个激光器系统的体积较为庞大。

与之相比，全光纤结构的优势就显得非常明显：首先，在全光纤结构中，均使用光纤器件，光纤器件之间的连接时通过熔接(由光纤熔接机来完成)的方式实现，这种连接方式可以将损耗控制在0.1dB以下，同时，由熔接机代替手动光路调解，极大地缩短了系统搭建的时间，提高了效率；其次，在全光纤结构中，光场均在光纤的波导结构中传输，提高了系统的抗干扰能力和稳定性；再者，由于全光纤结构中均使用光纤器件，最大程度的发挥了光纤器件体积小、质量轻的特点，有利于激光器系统的小型化、实用化。因此，与空间光耦合结构相比，全光纤结构更适于激光器工程化、实用化的要求。

不过，基于图1结构的980nm波段光纤激光器，要实现全光纤结构面临着巨大挑战，这主要是因为，如前所述，对于980nm波段光纤激光器来说，要求掺镱光纤5具有较大的纤芯包层比，为了解决光束质量与泵浦光耦合的矛盾，需要对掺镱光纤5的结构进行特殊设计，现阶段使用的光纤包括光子晶体光纤(photoniccrystalfiber)和空气包层光纤(air-jacketdouble-claddingfiber)，不过，这些光纤结构比较特殊，与之匹配的其它光纤器件(如泵浦合束器、光纤光栅)仍不成熟，无法满足搭建全光纤结构980nm波段光纤激光器的要求。基于现阶段光纤器件发展现状，利用单模单包层掺镱光纤是实现全光纤结构980nm波段激光器的理想选择，这不仅是因为与之匹配的无源光纤器件发展较为成熟，而且单模单包层掺镱光纤的纤芯包层比为1，非常有利于ASE的抑制以及980nm波段激光的高效输出，这是双包层掺镱光纤所不能比拟的；不过由于该光纤的纤芯和数值孔径较小，能够耦合进纤芯的泵浦光功率较低，限制了激光器输出功率的提高，现阶段，利用单模单包层光纤构建的980nm波段激光器的功率只是毫瓦量级。

为了解决单模单包层光纤激光器在功率提升方面的困难，人们尝试利用复合腔增加激光器中增益模块的数量，从而提升整个激光器系统的功率水平。该思想始见于2002年，现阶段，对于全光纤结构掺镱光纤复合腔激光器的研究仍处于实验探索阶段，出光波段主要集中于1060nm～1090nm的常规波段，其常用实验装置结构(技术方案二)如图2所示，称为复合腔全光纤激光器实验装置。

该复合腔全光纤激光器实验装置包括N个增益模块8、(N-1)个偏振控制器10、耦合模块11、输出耦合端13和(N-1)个泄露端14，N为大于等于2的整数。除一个增益模块8直接与耦合模块11的输入端9相连外，其余(N-1)个增益模块8均经偏振控制器10与耦合模块11的输入端9相连；耦合模块11的第一输出端121与输出耦合模块13的输入端相连，耦合模块11的(N-1)个第二输出端122分别与(N-1)个泄露端14相连。

增益模块8产生1060nm～1090nm波段的信号光，并将信号光场经过偏振控制器10和耦合模块输入端9，传输给耦合模块11，耦合模块11将信号光经过第一输出端121和第二输出端122分别传输给输出耦合端13和(N-1)个泄漏端14；输出耦合端13将一部分信号光输出，形成激光输出15，同时将其余信号光反射回来，并将反射的信号光依次经过耦合模块11、偏振控制器10，反向传输回增益模块8，这样，增益模块8、耦合模块11和输出耦合端13就构成了一个完整的激光谐振腔。与图1不同的是，该激光谐振腔中含有N个独立的增益模块8，因此称为复合谐振腔。实验中，输出耦合端13一般是利用光纤端面来实现的，即将光纤端面切割成平角(与光纤横截面平行)，利用光纤平角端面的菲涅耳反射来实现对于信号光的反射。与输出耦合端13不同，泄漏端14将其中输入的光场全部输出，因此，进入到泄漏端14的信号光被全部损耗掉了，这要求泄漏端14对于信号光场的反射接近为零，实验中，该要求是通过将光纤端面切割成斜面来实现的，一般要求该斜面与光纤横截面之间的夹角为8度，此时，由于光纤斜角端面的菲涅耳反射而产生的反射光场因角度改变而无法有效耦合到纤芯中，从而被损耗掉了。

在该实验装置中，偏振控制器10的作用是调节信号光场的偏振状态，其目的是使进入到耦合模块输入端9的光场以相同的偏振状态进入到耦合模块11，进而使进入到输出耦合端13的信号光场的功率达到最大值。

增益模块8的结构如图3所示，由半导体激光器16、双波长光纤波分复用器17、掺镱光纤5、第一光敏光纤181和第一光纤布拉格光栅191组成。这里使用的掺镱光纤5是单模单包层光纤，半导体激光器16的输出端与双波长光纤波分复用器17的泵浦光输入端相连，双波长光纤波分复用器17的输出端与掺镱光纤5的一端相连，掺镱光纤5的另一端与第一光敏光纤181相连，第一光纤布拉格光栅191刻写在第一光敏光纤181的纤芯中，双波长光纤波分复用器17的信号光输入端与耦合模块11的输入端9相连。

在该实验装置中，半导体激光器16作为泵浦源，产生980nm波段的泵浦光，双波长波分复用器17将泵浦光耦合到掺镱光纤5的纤芯中，在980nm波段的泵浦光的作用下，掺镱光纤5的纤芯中产生1060nm～1090nm波段的信号光场，信号光场沿纤芯的两个相反方向传输。掺镱光纤5将其中一个方向传输的信号光场输送到第一光敏光纤181的纤芯中，并与第一光纤布拉格光栅191相互作用，第一光纤布拉格光栅191将信号光场反射回来；第一光敏光纤181将反射回来的信号光场再次传输到掺镱光纤5的纤芯中，并与向另一个方向传输的信号光场一起传输到双波长光纤波分复用器17的输出端，双波长光纤波分复用器17将进入输出端的信号光场耦合到双波长光纤波分复用器17的信号端，并传输到耦合模块11的输入端9。

耦合模块11可以采用文献[A.Shirakawa,K.Matsuo,K.Ueda.用于单模光纤激光器功率提升的光纤激光器相干阵列，Proc.ofSPIE,2004,5662:482～487]和文献[A.Shirakawa,K.Matsuo,K.Ueda.用于功率提升、带宽压缩和相干光束定向控制的光纤激光器相干阵列，Proc.ofSPIE,2005,5709:165～174]所采用的结构，也可以采用文献[BruesselbachH,JonesDC,MangirMS,etal.光纤激光器阵列的自组织相干性，Opt.Lett.2005,30(11):1339-1441.]所采用的结构。

利用该结构，实验中已经实现了含有8个增益模块的全光纤复合腔激光器，并且发现，信号光场总能量的80％以上集中在输出耦合端13输出，这就意味着：该结构能够将不同增益模块产生的信号光场能量集中到同一根光纤中形成输出，从而提高了激光器的输出功率和亮度。

不过，由于980nm波段掺镱光纤激光器的出光特性与常规波段差别较大，利用该结构实现980nm波段全光纤复合腔激光器仍存在两方面问题：其一，泵浦光功率过低，现阶段，该方案中常用的泵浦功率一般是百毫瓦量级，对于常规波段来说没有问题，但是对于980nm波段来说远远不够，因为过低的泵浦功率会导致放大自发辐射抑制困难以及激光器的整体效率下降，以致于激光器的总体输出功率只能达到瓦量级；其二，缺乏对于放大自发辐射的抑制措施，相对于常规波段来说，激光器中的ASE影响可以忽略，因此，无需对ASE进行抑制，但是，如前所述，对于980nm波段的掺镱光纤激光器来说，ASE的影响非常严重，即使光纤端面微弱的ASE反射，都会对980nm波段的出光状态造成很大的影响，甚至会导致激光器在980nm波段的出光失败；正是由于这两方面的问题，使得现有技术方案并不适于构建980nm波段的光纤激光器。此外，该技术方案中的输出耦合端13和泄漏端14均需要对光纤进行端面处理，而光纤端面非常脆弱，轻微的触碰、油污甚至过多的灰尘都会导致光纤端面的损伤，这就对整个系统应用环境提出了很高的要求，这也影响了整个激光器系统的实用性和工程化。

发明内容

本发明要解决的问题是克服现有980nm光纤激光器的不足，提供一种全光纤结构复合腔980nm波段单模光纤激光器。既解决技术方案一中空间光耦合不足和特殊设计双包层光纤带来的器件匹配问题，又解决单模单包层光纤输出功率受限的问题；同时，克服技术方案二中泵浦功率低、ASE抑制差对于980nm激光器系统输出特性的影响。

本发明的技术方案是：

与背景技术方案二一样，本发明也由N个增益模块、(N-1)个偏振控制器、耦合模块、输出耦合端和(N-1)个泄漏端组成。一个增益模块与耦合模块的输入端直接相连，其余(N-1)个增益模块经偏振控制器与耦合模块的输入端相连，耦合模块的第一输出端与输出耦合模块的输入端相连，耦合模块的(N-1)个第二输出端分别与(N-1)个泄露端相连。本发明中不同器件之间的连接也是通过光纤熔接来实现的，也要求相互熔接的两个光纤的结构相同。

本发明的增益模块由2个泵浦模块、2个多波长波分复用器、掺镱光纤、第二光敏光纤、刻写在第二光敏光纤纤芯中的第二光纤布拉格光栅和第一光纤环构成。第一泵浦模块和第二泵浦模块具有相同的结构，其作用是产生泵浦光，每个泵浦模块具有M个输出端，不同输出端输出的泵浦光的波长不同，且与相应的多波长波分复用器的M个泵浦输入端的输入波长相等，M大于等于2。第一多波长波分复用器和第二多波长波分复用器结构以及输入输出特性相同，第一多波长波分复用器将第一泵浦模块产生的泵浦光分别耦合到掺镱光纤的纤芯中,第二多波长波分复用器将第二泵浦模块产生的泵浦光分别耦合到掺镱光纤的纤芯中；每个多波长波分复用器具有M个泵浦输入端，M个泵浦输入端对应的波长表示为[λ₁,λ₂,…,λ_m,…,λ_M]，其中，λ_m的范围是900nm～965nm，m＝1,2,…,M。第二光纤布拉格光栅选用中心波长为980nm波段的高反光纤光栅，反射率大于95％，带宽不小于0.5nm，旁瓣抑制比不小于10dB。第一光纤环采用单模单包层光纤制成，纤芯中光场的损耗要求不小于25dB，由于光纤环的损耗与光纤环的曲率半径和匝数有关，设计较为灵活，这里建议第一光纤环的曲率半径不大于5mm，匝数不少于15匝。

在本发明的增益模块中，第一泵浦模块与第一多波长波分复用器的泵浦输入端相连，第二泵浦模块与第二多波长波分复用器的泵浦输入端相连，第一多波长波分复用器的输出端与掺镱光纤的一端相连，第一多波长波分复用器的信号端与耦合模块的输入端相连，第二多波长波分复用器的输出端与掺镱光纤的另一端相连，第二多波长波分复用器的信号端与第二光敏光纤的一端相连，第二光敏光纤的另一端与第一光纤环相连。

增益模块中，第一泵浦模块与第二泵浦模块结构完全相同。以第一泵浦模块为例，第一泵浦模块由M个泵浦光偏振合成模块构成，每个泵浦光偏振合成模块具有相同的结构。泵浦光偏振合成模块均由2个线偏振半导体激光器和光纤偏振合束器构成。两个线偏振半导体激光器结构相同，输出光场是线偏振的，工作波长范围为900nm～965nm，且与第一多波长波分复用器的泵浦输出端的输入波长相等。光纤偏振合束器将两个线偏振半导体激光器输出的线偏振光场耦合到同一个输出端光纤的纤芯中。2个线偏振半导体激光器均与光纤偏振合束器的输入端相连，光纤偏振合束器的输出端即为泵浦光偏振合成模块的输出端，泵浦光偏振合成模块的输出端即为第一泵浦模块的输出端，与第一多波长波分复用器的泵浦输入端相连。如前所述，由于第一泵浦模块的不同输出端的输出波长与第一多波长波分复用器241的泵浦输出端的输入波长相等，因此不同泵浦光偏振合成模块中的半导体激光器21的波长也为[λ₁,λ₂,…λ_m…,λ_M]。

输出耦合端由第三光敏光纤、以及刻写在第三光敏光纤纤芯中的长周期光纤光栅和第三光纤布拉格光栅组成，长周期光纤光栅选用中心波长位于1030nm～1040nm的长周期光纤光栅，带宽不小于20nm，光场损耗不小于10dB；第三光纤布拉格光栅选用中心波长位于980nm波段的光纤布拉格光栅，其中心波长与第二光纤布拉格光栅中心波长的差值的绝对值小于0.3nm，峰值反射率为10％～50％，带宽不小于0.5nm，旁瓣抑制比不小于10dB。第三光敏光纤与耦合模块的第一输出端相连，第三光敏光纤将从耦合模块接收的输出光场传输到长周期光纤光栅，长周期光纤光栅将1030nm波段的ASE光场从纤芯耦合到包层中，进入到包层中的光场就被损耗掉了，从而将纤芯中的ASE光场与980nm波段的信号光场分离，实现对ASE光场的抑制。第三光敏光纤将纤芯中的980nm波段信号光场传送给第三光纤布拉格光栅。第三光纤布拉格光栅将从长周期光纤光栅接收的980nm波段信号光场部分反射，并将另一部分信号光场透射出来，形成激光输出。

(N-1)个泄漏端具有相同的结构，泄漏端均是第二光纤环，第二光纤环与第一光纤环具有相同的结构。

采用本发明可以达到以下技术效果：

本发明利用全光纤结构克服技术方案一中空间光耦合的不足；利用单模单包层掺镱光纤克服技术方案一中特殊设计双包层光纤带来的器件匹配问题；利用复合谐振腔克服单模单包层掺镱光纤带来的输出功率受限的问题；并结合980nm掺镱光纤激光器的输出特性，对技术方案二的增益模块、输出耦合端和泄露端进行改进，改善了技术方案二中泵浦功率低、ASE抑制差对于980nm激光器系统输出特性的影响。本发明能实现百瓦量级的980nm波段激光输出。

1、本发明利用单模单包层掺镱光纤，不仅克服了特殊设计双包层光纤带来的器件匹配问题，保证了全光纤化结构的实现；还发挥了该光纤高纤芯包层比的优势，削弱了激光器系统的ASE抑制压力，保证了激光器系统的高效输出，提高了泵浦光的利用效率，这使得该系统不再需要技术方案一的泵浦光反馈结构(见图1中第二透镜、第二二色镜和第一反射镜构成的部分)，简化了激光器的结构；

2、利用增益模块中的泵浦模块的结构，使得增益模块由图3中的单一半导体激光器泵浦的结构，改进为图4中的多个半导体激光器泵浦的结构，半导体激光器数量的增加，提升了每一个增益模块中的泵浦光的总能量，利用该结构可以将注入到掺镱光纤的泵浦光能量由单一半导体激光器泵浦时的百豪瓦量级增加到瓦量级；

3、通过在输出耦合端中加入长周期光纤光栅和第三光纤布拉格光栅，有效提升了该激光器系统的ASE抑制能力，对于ASE的抑制可以提升到40dB以上；

4、通过在增益模块和泄漏端分别引入光纤环，提升了局部的光场损耗，有效防止了光纤端面的光场反射对于激光器系统出光状态的影响，削弱了光纤端面处理的要求，提升了激光器系统的可靠性和耐用性；

附图说明

图1为背景技术中技术方案一的结构示意图；其中，虚线表示的是泵浦光的传输光路，实线表示的是980nm波段信号光的传输光路，点线表示自发放大辐射光场的出射光路。

图2为背景技术中技术方案二的总体结构示意图。

图3为图2中增益模块8的结构示意图。

图4为本发明增益模块8的结构示意图。

图5为本发明输出耦合端13的结构示意图。

图6为本发明泄漏端14的结构示意图。

图中标号说明

1、半导体激光器，2、准直透镜，31、第一二色镜，32、第二二色镜，33、第三二色镜，41、第一透镜，42、第二透镜，5、掺镱光纤，61、第一反射镜，62、第二反射镜，7、光纤端面，8、增益模块，9、耦合模块的输入端，10、偏振控制器，11、耦合模块，121、第一输出端，122、第二输出端，13、输出耦合端，14、泄漏端，15、激光输出，16、半导体激光器，17、双波长波分复用器，181、第一光敏光纤，182、第二光敏光纤，183、第三光敏光纤，191、第一光纤布拉格光栅，192、第二光纤布拉格光栅，193、第三光纤布拉格光栅，20、泵浦光偏振合束模块，21、线偏振半导体激光器，22、光纤偏振合束器，231、第一泵浦模块，232、第二泵浦模块，241、第一多波长波分复用器，242、第二多波长波分复用器，251、第一光纤环，252、第二光纤环，26、长周期光纤光栅，

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图2所示，本发明也由N个增益模块8、(N-1)个偏振控制器10、耦合模块11、输出耦合端13和(N-1)个泄漏端14组成。一个增益模块8与耦合模块11的输入端9直接相连，其余(N-1)个增益模块8经偏振控制器10与耦合模块11的输入端9相连，耦合模块11的第一输出端121与输出耦合模块13的输入端相连，耦合模块11的(N-1)个第二输出端122分别与(N-1)个泄露端14相连。本发明中不同器件之间的连接也是通过光纤熔接来实现的，相互熔接的两个光纤的结构相同。

如图4所示，本发明的增益模块8由2个泵浦模块、2个多波长波分复用器、掺镱光纤5、第二光敏光纤182、刻写在第二光敏光纤182纤芯中的第二光纤布拉格光栅192和第一光纤环251构成。第一泵浦模块231和第二泵浦模块232具有相同的结构，其作用是产生泵浦光，每个泵浦模块具有M个输出端，不同输出端输出的泵浦光的波长不同，且与相应的多波长波分复用器的M个泵浦输入端的输入波长相等，M大于等于2。第一多波长波分复用器241和第二多波长波分复用器242结构以及输入输出特性相同，第一多波长波分复用器241将第一泵浦模块231产生的泵浦光分别耦合到掺镱光纤5的纤芯中,第二多波长波分复用器242将第二泵浦模块232产生的泵浦光分别耦合到掺镱光纤5的纤芯中；每个多波长波分复用器具有M个泵浦输入端，泵浦输入端对应的波长可以表示为[λ₁,λ₂,…,λ_m,…,λ_M]，其中，λ_m的范围是900nm～965nm，m＝1,2,…,M。第二光纤布拉格光栅192选用中心波长为980nm波段的高反光纤光栅，反射率大于95％，带宽不小于0.5nm，旁瓣抑制比不小于10dB。第一光纤环251采用单模单包层光纤制成，纤芯中光场的损耗要求不小于25dB，由于光纤环的损耗与光纤环的曲率半径和匝数有关，设计较为灵活，这里建议第一光纤环251的曲率半径不大于5mm，匝数不少于15匝。

如图4所示，本发明的增益模块8中，第一泵浦模块231与第一多波长波分复用器241的泵浦输入端相连，第二泵浦模块232与第二多波长波分复用器242的泵浦输入端相连，第一多波长波分复用器241的输出端与掺镱光纤5的一端相连，第一多波长波分复用器241的信号端与耦合模块11的输入端9相连，第二多波长波分复用器242的输出端与掺镱光纤5的另一端相连，第二多波长波分复用器242的信号端与第二光敏光纤182的一端相连，第二光敏光纤182的另一端与第一光纤环251相连。

如图4所示，增益模块8中，第一泵浦模块231与第二泵浦模块232结构完全相同。以第一泵浦模块231为例，第一泵浦模块231由M个泵浦光偏振合成模块20构成，每个泵浦光偏振合成模块具有相同的结构。泵浦光偏振合成模块20均由2个线偏振半导体激光器21和光纤偏振合束器22构成。两个线偏振半导体激光器21结构相同，输出光场是线偏振的，工作波长范围为900nm～965nm，且与第一多波长波分复用器241的泵浦输出端的输入波长相等。光纤偏振合束器22将两个线偏振半导体激光器21输出的线偏振光场耦合到同一个输出端光纤的纤芯中。2个线偏振半导体激光器21均与光纤偏振合束器22的输入端相连，光纤偏振合束器22的输出端即为泵浦光偏振合成模块20的输出端，泵浦光偏振合成模块20的输出端即为第一泵浦模块231的输出端，与第一多波长波分复用器241的泵浦输入端相连。如前所述，由于第一泵浦模块231的不同输出端的输出波长与第一多波长波分复用器241的泵浦输出端的输入波长相等，因此不同泵浦光偏振合成模块20中的半导体激光器21的波长也应分别为[λ₁,λ₂,…,λ_m,…,λ_M]。

如图5所示，输出耦合端13由第三光敏光纤183、以及刻写在第三光敏光纤183纤芯中的长周期光纤光栅26和第三光纤布拉格光栅193组成，长周期光纤光栅26选用中心波长位于1030nm～1040nm的长周期光纤光栅，带宽不小于20nm，光场损耗不小于10dB；第三光纤布拉格光栅193选用中心波长位于980nm波段的光纤布拉格光栅，其中心波长与第二光纤布拉格光栅192中心波长的差值的绝对值小于0.3nm，峰值反射率为10％～50％，带宽不小于0.5nm，旁瓣抑制比不小于10dB。第三光敏光纤183与耦合模块11的第一输出端121相连，第三光敏光纤183将从耦合模块11接收的输出光场传输到长周期光纤光栅26，长周期光纤光栅26将1030nm波段的ASE光场从纤芯耦合到包层中，进入到包层中的光场就被损耗掉了，从而将纤芯中的ASE光场与980nm波段的信号光场分离，实现对ASE光场的抑制。第三光敏光纤183将纤芯中的980nm波段信号光场传送给第三光纤布拉格光栅193。第三光纤布拉格光栅193将从长周期光纤光栅26接收的980nm波段信号光场部分反射，并将另一部分信号光场透射出来，形成激光输出15。

如图6所示，(N-1)个泄漏端14具有相同的结构，泄漏端14均是第二光纤环252，第二光纤环252与第一光纤环251具有相同的结构。

国防科大制备了一个全光纤结构980nm波段复合腔单模光纤激光器，该激光器系统含有M＝8个增益模块8，每个增益模块8中，第一多波长波分复用器241和第二多波长波分复用器242均具有M＝4泵浦输入端，相应的泵浦波长分别为915nm、930nm、945nm和960nm；第二光纤布拉格光栅192的中心波长为978nm，反射率为98％，带宽为2nm，旁瓣抑制比为20dB；第三光纤布拉格光栅193的中心波长为977.9nm，反射率为20％，带宽为1nm，旁瓣抑制比为20dB；长周期光纤光栅26的中心波长为1034nm，带宽为25nm，光场损耗为15dB；第一光纤环251和第二光纤环252的曲率半径为2.5mm，匝数为25匝，损耗为40dB；耦合模块11采用文献[A.Shirakawa,K.Matsuo,K.Ueda.用于单模光纤激光器功率提升的光纤激光器相干阵列，Proc.ofSPIE,2004,5662:482～487]所采用的结构。该激光器在980nm波段的输出功率可达到70瓦，总体的光效率达到55％。

Claims (3)

1.一种全光纤结构980nm波段复合腔单模光纤激光器，由N个增益模块(8)、N-1个偏振控制器(10)、耦合模块(11)、输出耦合端(13)和N-1个泄漏端(14)组成；一个增益模块(8)与耦合模块(11)的输入端(9)直接相连，其余N-1个增益模块(8)经偏振控制器(10)与耦合模块(11)的输入端(9)相连，耦合模块(11)的第一输出端(121)与输出耦合模块(13)的输入端相连，耦合模块(11)的N-1个第二输出端(122)分别与N-1个泄露端(14)相连；不同器件之间通过光纤熔接来连接，相互熔接的两个光纤的结构相同；其特征在于：

增益模块(8)由2个泵浦模块、2个多波长波分复用器、掺镱光纤(5)、第二光敏光纤(182)、刻写在第二光敏光纤(182)纤芯中的第二光纤布拉格光栅(192)和第一光纤环(251)构成；第一泵浦模块(231)和第二泵浦模块(232)具有相同的结构，每个泵浦模块具有M个输出端，不同输出端输出的泵浦光的波长不同，且与相应的多波长波分复用器的M个泵浦输入端的输入波长相等，M大于等于2；第一多波长波分复用器(241)和第二多波长波分复用器(242)结构相同，第一多波长波分复用器(241)将第一泵浦模块(231)产生的泵浦光分别耦合到掺镱光纤(5)的纤芯中,第二多波长波分复用器(242)将第二泵浦模块(232)产生的泵浦光分别耦合到掺镱光纤(5)的纤芯中；第一多波长波分复用器(241)和第二多波长波分复用器(242)均具有M个泵浦输入端，M个泵浦输入端对应的波长表示为[λ₁,λ₂,…,λ_m,…,λ_M]，λ_m的范围是900nm～965nm，m＝1,2,…,M；第二光纤布拉格光栅(192)选用中心波长为980nm波段的高反光纤光栅，反射率大于95％，带宽不小于0.5nm，旁瓣抑制比不小于10dB；第一光纤环(251)采用单模单包层光纤制成，纤芯中光场的损耗要求不小于25dB；

增益模块(8)中，第一泵浦模块(231)与第一多波长波分复用器(241)的泵浦输入端相连，第二泵浦模块(232)与第二多波长波分复用器(242)的泵浦输入端相连，第一多波长波分复用器(241)的输出端与掺镱光纤(5)的一端相连，第一多波长波分复用器(241)的信号端与耦合模块(11)的输入端(9)相连，第二多波长波分复用器(242)的输出端与掺镱光纤(5)的另一端相连，第二多波长波分复用器(242)的信号端与第二光敏光纤(182)的一端相连，第二光敏光纤(182)的另一端与第一光纤环(251)相连；

第一泵浦模块(231)与第二泵浦模块(232)结构相同，第一泵浦模块(231)由M个泵浦光偏振合成模块(20)构成，每个泵浦光偏振合成模块结构相同，泵浦光偏振合成模块(20)均由2个线偏振半导体激光器(21)和光纤偏振合束器(22)构成，两个线偏振半导体激光器(21)结构相同，输出光场是线偏振的，工作波长范围为900nm～965nm，且与第一多波长波分复用器(241)的泵浦输出端的输入波长相等；光纤偏振合束器(22)将两个线偏振半导体激光器(21)输出的线偏振光场耦合到同一个输出端光纤的纤芯中，2个线偏振半导体激光器(21)均与光纤偏振合束器(22)的输入端相连，光纤偏振合束器(22)的输出端即为泵浦光偏振合成模块(20)的输出端，泵浦光偏振合成模块(20)的输出端即为第一泵浦模块(231)的输出端，与第一多波长波分复用器(241)的泵浦输入端相连；

输出耦合端(13)由第三光敏光纤(183)、以及刻写在第三光敏光纤(183)纤芯中的长周期光纤光栅(26)和第三光纤布拉格光栅(193)组成，长周期光纤光栅(26)选用中心波长位于1030nm～1040nm的长周期光纤光栅，带宽不小于20nm，光场损耗不小于10dB；第三光纤布拉格光栅(193)选用中心波长位于980nm波段的光纤布拉格光栅，峰值反射率为10％～50％，带宽不小于0.5nm，旁瓣抑制比不小于10dB；第三光敏光纤(183)与耦合模块(11)的第一输出端(121)相连，第三光敏光纤(183)将从耦合模块(11)接收的输出光场传输到长周期光纤光栅(26)，长周期光纤光栅(26)将1030nm波段的ASE光场从纤芯耦合到包层中；第三光敏光纤(183)将纤芯中的980nm波段信号光场传送给第三光纤布拉格光栅(193)；第三光纤布拉格光栅(193)将从长周期光纤光栅(26)接收的980nm波段信号光场部分反射，并将另一部分信号光场透射出来，形成激光输出15；

N-1个泄漏端(14)具有相同的结构，泄漏端(14)均是第二光纤环(252)，第二光纤环(252)与第一光纤环(251)具有相同的结构。

2.如权利要求1所述的全光纤结构980nm波段复合腔单模光纤激光器，其特征在于所述第一光纤环(251)的曲率半径不大于5mm，匝数不少于15匝。

3.如权利要求1所述的全光纤结构980nm波段复合腔单模光纤激光器，其特征在于所述第三光纤布拉格光栅(193)的中心波长与第二光纤布拉格光栅(192)中心波长的差值的绝对值小于0.3nm。