CN104300345B - 可抑制sbs效应的mopa结构光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MOPA结构高功率窄线宽光纤激光器放大级中SBS效应抑制装置，包括泵浦源、耦合装置和增益光纤，泵浦源通过增益光纤不同位置处的耦合装置耦合进增益光纤中，即空间多点泵浦。泵浦源数目和空间分布的变化，会影响增益介质中反转粒子数的空间分布，进而影响放大器信号光和SBS散射光放大过程，通过合理设计泵浦点位置和功率，能保证放大器效率的同时减弱SBS散射光的放大，有效抑制放大器的SBS效应，提升窄线宽光纤激光器输出功率。

Description

可抑制SBS效应的MOPA结构光纤激光器
技术领域
本发明涉及一种MOPA结构窄线宽光纤激光器放大级SBS效应抑制的装置，尤其是一种利用空间多点泵浦进行高功率光纤放大器SBS效应抑制的装置。
背景技术
光纤激光器具有电光效率高、光束质量好等优点，近年来得到飞速发展，输出功率等各项指标屡创新高，应用范围不断扩展。其中窄线宽激光在激光雷达、频率转换和相干合成等领域有着重要的应用前景。基于主振荡功率放大(MOPA)结构的全光纤激光器，结构紧凑、工作稳定，是窄线宽光纤激光向高功率发展的有效方案。但受限于光纤中受激布里渊散射(SBS)效应，窄线宽光纤激光器的最高输出功率有限。如何有效抑制MOPA结构光纤激光器放大级SBS效应是提升窄线宽光纤激光功率水平的关键因素。
根据机制不同，抑制光纤中SBS效应的方法主要分为以下四种：
(1)降低信号光的功率密度，如增大增益光纤的模场面积，对信号光进行谱线操控等；
(2)采用SBS增益系数较小的特殊光纤，如设计特殊掺杂结构光纤，降低纤芯中的光波场和声场的重叠度；
(3)展宽SBS散射增益谱，以降低有效增益系数，如在光纤上施加纵向的温度或应力分布等方法；
(4)减小增益光纤的有效长度，如采用较短的增益光纤、在增益光纤上刻制光栅等方法。
这几种方法各有优缺点，如增大光纤半径，简单易于操作，但是为保证激光器的光束质量，半径增大幅度有限，抑制效果不显著；特殊设计光纤结构复杂，在设计和生产工艺上存在较大难度，因此很多设计及概念仅停留在理论分析层面，未见实验报道和工程应用。在实际中，常常需要结合多个方法，共同作用才能对放大器的SBS效应形成一定的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种可抑制SBS效应的MOPA结构光纤激光器，它可以实现高功率窄线宽激光器中SBS效应的有限抑制，且具有较强工程操作性。
为解决上述技术问题，本发明的基本构思是：
一种可抑制SBS效应的MOPA结构光纤激光器，包括种子光、预放级和若干串接的多级放大系统，所述的多级放大系统包括泵浦源、耦合装置和增益光纤，其中多级放大系统中至少有一级放大器系统的泵浦源通过增益光纤不同位置处的耦合装置耦合进增益光纤中，实现增益光纤的空间多点泵浦。
上述可抑制SBS效应的MOPA结构光纤激光器中，耦合装置设置在增益光纤的前端或后端。
上述可抑制SBS效应的MOPA结构光纤激光器中，耦合装置为光纤合束器、V型槽或嵌入式微反射镜。
上述可抑制SBS效应的MOPA结构光纤激光器中，光纤合束器为多芯结构，其中中间芯用于信号光传输，其余芯用于接泵浦源。
上述可抑制SBS效应的MOPA结构光纤激光器中，泵浦源(3)为半导体激光器或同带泵浦用光纤激光器。
上述可抑制SBS效应的MOPA结构光纤激光器中，多级放大系统包括泵浦源和耦合装置，其特征在于：多级放大系统的最后一级放大器系统的泵浦源通过增益光纤不同位置处的耦合装置耦合进增益光纤中，实现增益光纤的空间多点泵浦。
本发明具有的有益效果有：
1、本发明SBS效应抑制装置中，耦合装置用于将泵浦光耦合进增益光纤，通过光纤合束器、V型槽等装置，可以在对增益光纤影响较小的情况下将泵浦光耦合进光纤的指定位置，从而改变光纤中泵浦光的空间分布。
2、本发明SBS效应抑制装置中，光纤放大级采用空间多点泵浦，泵浦源数目和空间分布的变化，会影响增益介质中反转粒子数的空间分布，进而影响放大器信号光和SBS散射光放大过程，通过合理设计泵浦点位置和功率，能保证放大器效率的同时减弱SBS散射光的放大，有效抑制放大器的SBS效应。
3、本发明SBS效应抑制装置中，可以应用在MOPA结构光纤激光器放大级的任意放大级，即不受光纤放大器自身放大级数的限制，可以根据需要在任意放大级使用，对波长等也无特殊要求。
附图说明
图1为MOPA结构光纤激光器原理示意图；
图2为本发明SBS效应抑制装置结构示意图；
图3为本发明模拟计算模型结构示意图；
图4为本发明SBS效应抑制装置增益光纤泵浦光功率分布理论计算图；
图5为本发明SBS效应抑制装置增益光纤反转粒子数分布理论计算图；
图6为本发明SBS效应抑制装置信号光分布理论计算图；
图7为本发明SBS效应抑制装置SBS光分布理论计算图；
其中：1—种子光；2—预放级；3—泵浦源；4—光纤合束器；5—增益光纤；6—第一级放大系统；7—第二级放大系统；8—激光输出端；9—耦合装置。
具体实施方式
图1为传统的MOPA结构光纤激光器，包括种子光1、预放级2和若干串接的多级放大系统6、7，多级放大系统包括泵浦源3、耦合装置9和增益光纤5，其中耦合装置9设置在增益光纤5的前端、后端或前后端，可以为光纤合束器、V型槽或嵌入式微反射镜，将泵浦源3的光高效率的耦合进增益光纤5内。采用光纤合束器时，通常采用多芯结构，比如6+1芯或18+1芯，其中中间芯用于信号光传输，其余芯用于接泵浦源3。在图1中可知，传统的泵浦方式耦合装置设置在增益光纤5前端或后端空间的某一点上，从而使得该点处的激光功率密度剧增，由于光纤SBS效应，最高输出功率受限。
如图2所示，本发明的SBS效应抑制装置，包括沿增益光纤5长度依次多点设置的泵浦源3和耦合装置9。应用中种子光/前放大级输出激光和前向泵浦光(第一泵浦点)经光纤合束器耦合进增益光纤5，其它泵浦点(2、3、……N)处泵浦光由耦合装置9耦合进增益光纤5。所有泵浦光源3共同作用激励增益基质，信号光经增益放大，进入下一放大级或由准直器空间输出，而空间多点泵浦的应用会抑制光纤中后向SBS散射光，使得激光器输出功率得到提升。
为更清楚说明该装置对SBS效应的抑制作用，进行了数值模拟。以一百瓦级光纤放大器为例，如图3所示。其中种子光功率3W，泵浦光总功率100W，增益光纤总长度10m。泵浦点数为2，第一、第二泵浦点间距2m，功率比为1:4。
图4为沿增益光纤泵浦光功率的变化，其中虚线和实线分别代表使用(多点泵浦)和未使用(单点泵浦)该装置时计算结果。
图5为沿增益光纤中反转粒子数和光纤掺杂浓度比值，其中虚线和实线分别代表使用和未使用该装置时计算结果。
图6为沿增益光纤信号光功率的变化，其中虚线和实线分别代表使用和未使用该装置时计算结果，计算结果表明使用该抑制装置时输出功率由使用前的83.9W增大至84.5W，光纤放大器的效率得到保证。
图7为沿增益光纤SBS散射光功率的变化，其中虚线和实线分别代表使用和未使用该装置时计算结果，计算结果表明使用该抑制装置时SBS散射光功率由使用前的3.2W减小至至6.8mW，有效抑制了光纤放大器的SBS效应。
以上模拟证明：泵浦源3通过增益光纤5不同位置处的耦合装置耦合进增益光纤5中，即空间多点泵浦时，泵浦源3数目和功率分布的变化，会影响增益介质中反转粒子数的空间分布，进而影响放大器信号光和SBS散射光放大过程，通过合理设计泵浦点位置和功率，能保证放大器效率的同时减弱SBS散射光的放大，有效抑制放大器的SBS效应，提升窄线宽光纤激光器的输出功率。

Claims (6)

1.一种可抑制SBS效应的MOPA结构光纤激光器，包括种子光(1)、预放级(2)和若干串接的多级放大系统，所述的多级放大系统包括泵浦源(3)、耦合装置(9)和增益光纤(5)，其特征在于：所述多级放大系统中至少有一级放大器系统的泵浦源(3)通过增益光纤(5)长度方向不同位置处设置的多只耦合装置(9)耦合进增益光纤(5)中，实现增益光纤(5)的空间多点泵浦，抑制光纤激光器的SBS效应。
2.根据权利要求1所述的可抑制SBS效应的MOPA结构光纤激光器，其特征在于：所述的耦合装置(9)为光纤合束器、V型槽或嵌入式微反射镜。
3.根据权利要求2所述的可抑制SBS效应的MOPA结构光纤激光器，其特征在于：所述的光纤合束器为多芯结构，其中中间芯用于信号光传输，其余芯用于接泵浦源。
4.根据权利要求1所述的可抑制SBS效应的MOPA结构光纤激光器，其特征在于：所述泵浦源(3)为半导体激光器或同带泵浦用光纤激光器。
5.根据权利要求1所述的可抑制SBS效应的MOPA结构光纤激光器，其特征在于：多级放大系统的最后一级放大器系统的泵浦源(3)通过增益光纤(5)不同位置处的耦合装置(9)耦合进增益光纤(5)中，实现增益光纤的空间多点泵浦。
6.根据权利要求1所述的可抑制SBS效应的MOPA结构光纤激光器，其特征在于：所述的光纤激光器为窄线宽光纤激光器。
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