CN104852261A - 基于同带抽运的高功率全光纤mopa结构超荧光光纤光源 - Google Patents
基于同带抽运的高功率全光纤mopa结构超荧光光纤光源 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于同带抽运的高功率全光纤MOPA结构超荧光光纤光源，包括超荧光种子光源、功率预放大器和同带抽运功率主放大器，超荧光种子光源包括第一剩余抽运光倾泻器、第一侧泵合束器、第一多模抽运激光器、第一双包层掺镱光纤、第二侧泵合束器、第二剩余抽运光倾泻器、第一光纤隔离器、第二光纤隔离器，功率预放大器包括第一(N+1)×1光纤抽运信号合束器、第二多模抽运激光器、第二双包层掺镱光纤、第三剩余抽运光倾泻器、第三光纤隔离器，同带抽运功率主放大器包括第二(N+1)×1光纤抽运信号合束器、同带抽运激光器模块、第三双包层掺镱光纤、第三(N+1)×1后向抽运信号合束器、第四剩余抽运光倾泻器和光纤输出端帽。其实现了高亮度超荧光光纤光源输出。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种基于同带抽运的高功率全光纤MOPA结构超荧光光纤光源。
背景技术
光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、结构紧凑、维护方便等优点，在科学研究、工业加工等领域具有广泛的应用。目前高功率光纤激光器大多采用具有多级放大链的MOPA结构，种子源为半导体激光器或振荡腔结构光纤激光器。由于半导体激光器及振荡腔结构光纤激光器输出具有弛豫振荡特性，并存在弱锁模现象，导致高功率放大过程中容易出现高峰值功率的脉冲，使得受激拉曼散射等非线性效应极易产生，可能带来光纤的不可修复性损伤，甚至产生“光学放电”，造成严重损失。
超荧光是激光和荧光之间的过渡态，是放大的自发辐射(ASE)，具有光谱覆盖范围宽、时间相干性低、温度稳定性强等特点，在光学层析成像、高精度光纤陀螺传感、光纤通信等领域具有广泛应用。此外，超荧光光源与激光相比，还具有无模式竞争、无弛豫振荡、无弱锁模、极高时域稳定性等突出特点。利用稀土掺杂光纤搭建全光纤MOPA结构超荧光光纤光源，可以实现高功率输出，并兼具光纤激光器和超荧光光源的优点，是新型高亮度光纤光源的可选技术方案，在工业加工等领域具有巨大的应用潜力。
目前，高功率超荧光光纤光源主要采用半导体激光器直接抽运稀土掺杂光纤实现超荧光的产生及放大，存在严重的热效应及非线性效应等弊端(XiangPeng,Liang Dong.Temperature Dependence of Ytterbium-doped Fiber Amplifiers[J].J.Opt.Soc.Am.B,2008,25(1):126～130；Nathan A.Brilliant,Kalliroi Lagonik.Thermal Effects in a Dual-clad Yetterbium Fiber Laser[J].OPT.Lett,2001,26(21):1669～1671)。此外，现有半导体激光器抽运源的亮度有限，继续提高较为困难(C.A.Codemard,J.Nilsson,and J.K.Sahu.Tandem Pumping of Large-coreDouble-clad Ytterbium-doped Fiber for Control of Excess Gain[C].Advanced SolidState Photonics,2010 OSA Technical Digest Series:paper.AWA3)。
发明内容
本发明的目的在于突破半导体激光器抽运源亮度不足对超荧光光纤光源输出功率的限制，提供一种基于同带抽运的高功率全光纤MOPA结构超荧光光纤光源。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于同带抽运的高功率全光纤MOPA结构超荧光光纤光源，包括超荧光种子光源、功率预放大器和同带抽运功率主放大器。
其中，超荧光种子光源为高功率MOPA系统提供低功率种子源；功率预放大器用于将低功率超荧光种子预放大到合适的功率水平，避免主放大级因种子功率不足带来的损坏；同带抽运功率主放大器利用高亮度的同带抽运激光器模块对预放大后的种子光进行高增益放大，实现高功率超荧光输出。
所述的超荧光种子光源是一种掺镱光纤放大自发辐射光源，它包括第一剩余抽运光倾泻器、第一侧泵合束器(combiner)、第一多模抽运激光器、第一双包层掺镱光纤、第二侧泵合束器、第二剩余抽运光倾泻器、第一光纤隔离器、第二光纤隔离器，第一剩余抽运光倾泻器的输出端切8°斜角以输出监测用ASE，输入端与第一侧泵合束器的信号纤连接，第一侧泵合束器的每根抽运光注入纤分别与1个第一多模抽运激光器相连，第一侧泵合束器的输出纤与第一双包层掺镱光纤的一端相连，第一双包层掺镱光纤的另一端与第二侧泵合束器的输出端连接，第二侧泵合束器的每根抽运光注入纤分别与1个第一多模抽运激光器相连，第二侧泵合束器的信号纤连接第二剩余抽运光倾泻器的一端，第二剩余抽运光倾泻器的另一端与第一光纤隔离器的输入端相连，第一光纤隔离器的输出端与第二光纤隔离器的输入端连接。
所述的功率预放大器包括第一(N+1)×1光纤抽运信号合束器(combiner)、第二多模抽运激光器、第二双包层掺镱光纤、第三剩余抽运光倾泻器、第三光纤隔离器，第二光纤隔离器的输出端与第一(N+1)×1光纤抽运信号合束器的信号纤相连，第一(N+1)×1光纤抽运信号合束器的N根抽运光注入纤分别与1个第二多模抽运激光器连接，第一(N+1)×1光纤抽运信号合束器的输出纤与第二双包层掺镱光纤的一端相连，第二双包层掺镱光纤的另一端与第三剩余抽运光倾泻器的输入端连接，第三剩余抽运光倾泻器的输出端连接第三光纤隔离器的输入端。
所述的同带抽运功率主放大器包括第二(N+1)×1光纤抽运信号合束器、同带抽运激光器模块、第三双包层掺镱光纤、第三(N+1)×1后向抽运信号合束器、第四剩余抽运光倾泻器和光纤输出端帽，第三光纤隔离器的输出端连接第二(N+1)×1光纤抽运信号合束器的信号纤，第二(N+1)×1光纤抽运信号合束器的N根抽运光注入纤分别与1组同带抽运激光器模块相连，第二(N+1)×1光纤抽运信号合束器的输出纤与第三双包层掺镱光纤的一端连接，第三双包层掺镱光纤的另一端与第三(N+1)×1后向抽运信号合束器的输出纤相连，第三(N+1)×1后向抽运信号合束器的N根抽运光注入纤分别与1组同带抽运激光器模块相连，第三(N+1)×1后向抽运信号合束器的信号纤与第四剩余抽运光倾泻器的输入端相连，第四剩余抽运光倾泻器的输出端与光纤输出端帽的输入端连接。
本发明中：
所述的第一多模抽运激光器以及第二多模抽运激光器的中心波长均为λ1，800nm≤λ1≤1000nm。
所述的第一双包层掺镱光纤为单模光纤或多模大芯径光纤，第二双包层掺镱光纤和第三双包层掺镱光纤为多模大芯径光纤。
所述的第一剩余抽运光倾泻器和第二剩余抽运光倾泻器为掺锗的单模光纤或多模大芯径光纤，其数值孔径以及几何尺寸分别与第一侧泵合束器、第二侧泵合束器匹配。第三剩余抽运光倾泻器和第四剩余抽运光倾泻器为掺锗的多模大芯径光纤，其数值孔径及几何尺寸分别与第二双包层掺镱光纤、第三双包层掺镱光纤匹配。
所述的第一光纤隔离器、第二光纤隔离器的尾纤类型与第二剩余抽运光倾泻器尾纤的型号相同，承受功率不小于50W，在1050～1150nm范围内增透，以避免隔离器引入反馈造成超荧光种子源自激阈值降低。第三光纤隔离器的光纤类型与第三剩余抽运光倾泻器尾纤的型号相同，承受功率不小于150W，在1050～1150nm范围内增透。
所述的第一(N+1)×1光纤抽运信号合束器、第二(N+1)×1光纤抽运信号合束器的信号纤的型号分别与第二光纤隔离器、第三光纤隔离器的尾纤型号相同，第三(N+1)×1后向抽运信号合束器的信号纤、输出纤与第三双包层掺镱光纤的几何尺寸、数值孔径相同。全部(N+1)×1光纤抽运信号合束器的抽运光注入端为N个，1≤N≤200。
所述的同带抽运激光器模块，其中心波长为λ2，1000nm≤λ2≤1040nm，典型工作波长为1018nm。每个同带抽运激光器模块均由7个数百瓦级振荡器和一个7×1抽运光合束器构成。
所述的光纤端帽的尾纤型号与第四剩余抽运光倾泻器的尾纤型号相同，1050～1150nm范围内增透。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、可克服半导体抽运激光器亮度不足对高功率超荧光光纤光源系统输出的限制，实现高光束质量、高亮度超荧光光源输出，该系统具备万瓦输出能力。
2、高功率全光纤MOPA结构超荧光光纤光源，既具有全光纤结构的稳定性，又具有超荧光光源的无自脉冲、极高时域稳定性的特点，在科学研究、工业加工等领域具有重要应用潜力。
3、本发明在种子源、预放大器中采用半导体抽运激光器对掺镱光纤进行抽运，在主放大器中采用同带抽运激光器模块对大芯径掺镱光纤进行抽运，在实现高功率输出的前提下可显著降低系统成本。
附图说明
图1为实施例1基于同带抽运的高功率全光纤MOPA结构超荧光光纤光源原理示意图。
图中：超荧光种子光源1，功率预放大器2，同带抽运功率主放大器3，第一剩余抽运光倾泻器11，第一侧泵合束器12，第一多模抽运激光器13，第一双包层掺镱光纤14，第二侧泵合束器15，第二剩余抽运光倾泻器16，第一光纤隔离器17，第二光纤隔离器18，第一(N+1)×1光纤抽运信号合束器21，第二多模抽运激光器22，第二双包层掺镱光纤23，第三剩余抽运光倾泻器24，第三光纤隔离器25，第二(N+1)×1光纤抽运信号合束器31，同带抽运激光器模块32，第三双包层掺镱光纤33，第三(N+1)×1后向抽运信号合束器34，第四剩余抽运光倾泻器35，光纤输出端帽36。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例：
一种基于同带抽运的高功率全光纤MOPA结构超荧光光源采用如图1所示结构，主要包括超荧光种子光源1、功率预放大器2、同带抽运功率主放大器3等三个部分。其中，超荧光种子光源1为高功率MOPA系统提供低功率种子源；功率预放大器2用于将低功率超荧光种子预放大到合适的功率水平，避免主放大级因种子功率不足带来的损坏；同带抽运功率主放大器3利用高亮度的同带抽运激光器模块对预放大后的种子光进行高增益放大，实现高功率超荧光输出。
其中：超荧光种子光源1是一种掺镱光纤放大自发辐射光源，它包括第一剩余抽运光倾泻器11、第一侧泵合束器(combiner)12、第一多模抽运激光器13、第一双包层掺镱光纤14、第二侧泵合束器15、第二剩余抽运光倾泻器16、第一光纤隔离器17、第二光纤隔离器18，第一剩余抽运光倾泻器11的输出端切8°斜角以输出监测用ASE，输入端与第一侧泵合束器12的信号纤连接，第一侧泵合束器12的每根抽运光注入纤分别与1个第一多模抽运激光器13相连，第一侧泵合束器12的输出纤与第一双包层掺镱光纤14的一端相连，第一双包层掺镱光纤14的另一端与第二侧泵合束器15的输出端连接，第二侧泵合束器15的每根抽运光注入纤分别与1个第一多模抽运激光器13相连，第二侧泵合束器15的信号纤连接第二剩余抽运光倾泻器16的一端，第二剩余抽运光倾泻器16的另一端与第一光纤隔离器17的输入端相连，第一光纤隔离器17的输出端与第二光纤隔离器18的输入端连接。
功率预放大器2包括：第一(N+1)×1光纤抽运信号合束器(combiner)21、第二多模抽运激光器22、第二双包层掺镱光纤23、第三剩余抽运光倾泻器24、第三光纤隔离器25，第二光纤隔离器18的输出端与第一(N+1)×1光纤抽运信号合束器21的信号纤相连，第一(N+1)×1光纤抽运信号合束器21的N根抽运光注入纤分别与1个第二多模抽运激光器22连接，第一(N+1)×1光纤抽运信号合束器21的输出纤与第二双包层掺镱光纤23的一端相连，第二双包层掺镱光纤23的另一端与第三剩余抽运光倾泻器24的输入端连接，第三剩余抽运光倾泻器24的输出端连接第三光纤隔离器25的输入端。
所述的同带抽运功率主放大器3包括第二(N+1)×1光纤抽运信号合束器31、同带抽运激光器模块32、第三双包层掺镱光纤33、第三(N+1)×1后向抽运信号合束器34、第四剩余抽运光倾泻器35和光纤输出端帽36，第三光纤隔离器25的输出端连接第二(N+1)×1光纤抽运信号合束器31的信号纤，第二(N+1)×1光纤抽运信号合束器31的N根抽运光注入纤分别与1组同带抽运激光器模块32相连，第二(N+1)×1光纤抽运信号合束器31的输出纤与第三双包层掺镱光纤33的一端连接，第三双包层掺镱光纤33的另一端与第三(N+1)×1后向抽运信号合束器34的输出纤相连，第三(N+1)×1后向抽运信号合束器34的N根抽运光注入纤分别与1组同带抽运激光器模块32相连，第三(N+1)×1后向抽运信号合束器34的信号纤与第四剩余抽运光倾泻器35的输入端相连，第四剩余抽运光倾泻器35的输出端与光纤输出端帽36的输入端连接。
超荧光种子光源1由第一剩余抽运光倾泻器11、第一侧泵合束器(combiner)12、第一多模抽运激光器13、第一双包层掺镱光纤14、第二侧泵合束器15、第二剩余抽运光倾泻器16、第一光纤隔离器17、第二光纤隔离器18等组成。第一剩余抽运光倾泻器11承受功率不小于50W、光纤纤芯/内包层尺寸分别为20/400μm，第一侧泵合束器(combiner)12的信号纤及输出纤的纤芯/内包层尺寸分别为20/400μm，第一多模半导体激光器13最高输出功率50W、中心波长976nm，第一双包层掺镱光纤14的纤芯/内包层尺寸分别为20/400μm、长度20m，第二侧泵合束器15参数与第一侧泵合束器12参数相同，第二剩余抽运光倾泻器16与第一剩余抽运光倾泻器11参数相同，第一光纤隔离器17承受功率不小于50W、光纤纤芯/内包层尺寸分别为20/400μm、在1050～1150nm范围内增透，以避免隔离器引入反馈造成超荧光种子源自激阈值降低，第二光纤隔离器18参数与第一光纤隔离器17相同。由于超荧光种子光源1采取了一端切成8°角、另一端接两个宽谱光纤隔离器等措施，可有效抑制端面及后级放大器回光对种子光源工作状态的影响，提高自激阈值，实现20W超荧光种子输出。
功率预放大器2由第一(N+1)×1光纤抽运信号合束器(combiner)21、第二多模抽运激光器22、第二双包层掺镱光纤23、第三剩余抽运光倾泻器24、第三光纤隔离器25等组成。第一(N+1)×1光纤抽运信号合束器21的信号纤及输出纤的纤芯/内包层尺寸分别为20/400μm，第二多模半导体激光器22最高输出功率100W、中心波长976nm，第二双包层掺镱光纤23的纤芯/内包层尺寸分别为20/400μm、长度20m，第三剩余抽运光倾泻器24承受功率不小于150W、光纤纤芯/内包层尺寸分别为20/400μm，第三光纤隔离器25承受功率不小于150W、光纤纤芯/内包层尺寸分别为20/400μm、在1050～1150nm范围内增透。
同带抽运功率主放大器3由第二(N+1)×1光纤抽运信号合束器31、同带抽运激光器模块32、第三双包层掺镱光纤33、第三(N+1)×1后向抽运信号合束器34、第四剩余抽运光倾泻器35和光纤输出端帽36等组成。第二(N+1)×1光纤抽运信号合束器31的信号纤的纤芯/内包层尺寸分别为20/400μm，抽运光注入纤纤芯/包层尺寸分别为200/220μm，输出纤纤芯/内包层尺寸分别为50/400μm，第二(N+1)×1光纤抽运信号合束器31的6根抽运光注入纤分别与6个同带抽运激光器模块32相连，同带抽运激光波长为1018nm，每个模块由7个输出光纤15/130μm、功率160W的振荡器和一个7×1抽运光合束器构成，模块输出光纤纤芯/包层尺寸分别为200/220μm，第三双包层掺镱光纤33的纤芯/内包层尺寸分别为50/400μm，长度为30m，第三(N+1)×1后向抽运信号合束器34的输出纤与信号纤型号相同，纤芯/内包层尺寸分别为50/400μm，抽运光注入纤的纤芯/包层尺寸分别为200/220μm，6个同带抽运激光器模块32输出的同带抽运激光经第三(N+1)×1后向抽运信号合束器34的6根抽运光注入纤注入第三双包层掺镱光纤33，剩余抽运光倾泻器35和光纤输出端帽36的尾纤的纤芯/内包层尺寸分别为50/400μm，承受功率大于10kW。
超荧光种子光源1输出功率为20W，经功率预放大器2放大到150W功率水平后注入同带抽运功率主放大器3，在13.4kW同带抽运激光的抽运下，实现万瓦级超荧光输出。由于超荧光光源与激光相比具有无模式竞争、无弛豫振荡、无弱锁模、极高时域稳定性等突出特点，该全光纤MOPA结构超荧光光纤光源在工业加工等领域具有广泛的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于同带抽运的高功率全光纤MOPA结构超荧光光纤光源，其特征在于：包括超荧光种子光源、功率预放大器和同带抽运功率主放大器；
所述的超荧光种子光源是一种掺镱光纤放大自发辐射光源，它包括第一剩余抽运光倾泻器、第一侧泵合束器、第一多模抽运激光器、第一双包层掺镱光纤、第二侧泵合束器、第二剩余抽运光倾泻器、第一光纤隔离器、第二光纤隔离器，第一剩余抽运光倾泻器的输出端切8°斜角以输出监测用ASE，输入端与第一侧泵合束器的信号纤连接，第一侧泵合束器的每根抽运光注入纤分别与1个第一多模抽运激光器相连，第一侧泵合束器的输出纤与第一双包层掺镱光纤的一端相连，第一双包层掺镱光纤的另一端与第二侧泵合束器的输出端连接，第二侧泵合束器的每根抽运光注入纤分别与1个第一多模抽运激光器相连，第二侧泵合束器的信号纤连接第二剩余抽运光倾泻器的一端，第二剩余抽运光倾泻器的另一端与第一光纤隔离器的输入端相连，第一光纤隔离器的输出端与第二光纤隔离器的输入端连接；
所述的功率预放大器包括第一(N+1)×1光纤抽运信号合束器、第二多模抽运激光器、第二双包层掺镱光纤、第三剩余抽运光倾泻器、第三光纤隔离器，第二光纤隔离器的输出端与第一(N+1)×1光纤抽运信号合束器的信号纤相连，第一(N+1)×1光纤抽运信号合束器的N根抽运光注入纤分别与1个第二多模抽运激光器连接，第一(N+1)×1光纤抽运信号合束器的输出纤与第二双包层掺镱光纤的一端相连，第二双包层掺镱光纤的另一端与第三剩余抽运光倾泻器的输入端连接，第三剩余抽运光倾泻器的输出端连接第三光纤隔离器的输入端；
所述的同带抽运功率主放大器包括第二(N+1)×1光纤抽运信号合束器、同带抽运激光器模块、第三双包层掺镱光纤、第三(N+1)×1后向抽运信号合束器、第四剩余抽运光倾泻器和光纤输出端帽，第三光纤隔离器的输出端连接第二(N+1)×1光纤抽运信号合束器的信号纤，第二(N+1)×1光纤抽运信号合束器的N根抽运光注入纤分别与1组同带抽运激光器模块相连，第二(N+1)×1光纤抽运信号合束器的输出纤与第三双包层掺镱光纤的一端连接，第三双包层掺镱光纤的另一端与第三(N+1)×1后向抽运信号合束器的输出纤相连，第三(N+1)×1后向抽运信号合束器的N根抽运光注入纤分别与1组同带抽运激光器模块相连，第三(N+1)×1后向抽运信号合束器的信号纤与第四剩余抽运光倾泻器的输入端相连，第四剩余抽运光倾泻器的输出端与光纤端帽的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的基于同带抽运的高功率全光纤MOPA结构超荧光光纤光源，其特征在于：所述的第一多模抽运激光器以及第二多模抽运激光器的中心波长均为λ1，800nm≤λ1≤1000nm。
3.根据权利要求1所述的基于同带抽运的高功率全光纤MOPA结构超荧光光纤光源，其特征在于：所述的第一双包层掺镱光纤为单模光纤或多模大芯径光纤，第二双包层掺镱光纤和第三双包层掺镱光纤为多模大芯径光纤。
4.根据权利要求1所述的基于同带抽运的高功率全光纤MOPA结构超荧光光纤光源，其特征在于：所述的第一剩余抽运光倾泻器和第二剩余抽运光倾泻器为掺锗的单模光纤或多模大芯径光纤，其数值孔径以及几何尺寸分别与第一侧泵合束器、第二侧泵合束器匹配；第三剩余抽运光倾泻器和第四剩余抽运光倾泻器为掺锗的多模大芯径光纤，其数值孔径及几何尺寸分别与第二双包层掺镱光纤、第三双包层掺镱光纤匹配。
5.根据权利要求1所述的基于同带抽运的高功率全光纤MOPA结构超荧光光纤光源，其特征在于：所述的第一光纤隔离器、第二光纤隔离器的尾纤类型与第二剩余抽运光倾泻器尾纤的型号相同，承受功率不小于50W，在1050～1150nm范围内增透，以避免隔离器引入反馈造成超荧光种子源自激阈值降低；第三光纤隔离器的光纤类型与第三剩余抽运光倾泻器尾纤的型号相同，承受功率不小于150W，在1050～1150nm范围内增透。
6.根据权利要求1所述的基于同带抽运的高功率全光纤MOPA结构超荧光光纤光源，其特征在于：所述的第一(N+1)×1光纤抽运信号合束器、第二(N+1)×1光纤抽运信号合束器的信号纤的型号分别与第二光纤隔离器、第三光纤隔离器的尾纤型号相同，第三(N+1)×1后向抽运信号合束器的信号纤、输出纤与第三双包层掺镱光纤的几何尺寸、数值孔径相同；全部(N+1)×1光纤抽运信号合束器的抽运光注入端为N个，1≤N≤200。
7.根据权利要求1所述的基于同带抽运的高功率全光纤MOPA结构超荧光光纤光源，其特征在于：所述的同带抽运激光器模块，其中心波长为λ2，1000nm≤λ2≤1040nm；每个同带抽运激光器模块均由7个数百瓦级振荡器和一个7×1抽运光合束器构成。
8.根据权利要求1所述的基于同带抽运的高功率全光纤MOPA结构超荧光光纤光源，其特征在于：所述的光纤输出端帽的尾纤型号与第四剩余抽运光倾泻器的尾纤型号相同，1050～1150nm范围内增透。
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