CN104950381A - 增益平坦光纤及增益平坦光纤激光器 - Google Patents

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朱永刚
李刚
高奇
赵卫
王屹山
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Abstract

本发明涉及一种增益平坦光纤及增益平坦光纤激光器，该增益平坦光纤，包括纤芯，纤芯中稀土离子的掺杂浓度沿光纤长度方向是非恒定的。本发明克服传统光纤激光器在功率提升上的不足，解决了光纤激光器泵浦端过热的功率限制瓶颈，从而可以极大的提升光纤激光器的输出功率。

Description

增益平坦光纤及增益平坦光纤激光器
技术领域
本发明属于光学领域，涉及一种增益平坦光纤及增益平坦光纤激光器，尤其涉及一种可用于产生高功率的增益平坦光纤及增益平坦光纤激光器。
背景技术
高功率光纤激光器由于具有结构紧凑、性能稳定、转化效率高和光束质量好等优点，在材料加工、激光打标、生物医学、自由空间通信和国防安全等领域已经被广泛应用，高功率光纤激光技术已成为国内外的研究热点。近年来，我国已在高功率光纤激光器关键技术方面进行了大量研究，也取得了一些卓有成效的研究成果，然而，对于高功率光纤激光器的增益介质——增益光纤的研究还处于起步阶段，研制高性能的增益光纤还存在很多关键技术需要攻克。增益光纤是高功率光纤激光器的核心关键器件，其性能参数直接影响光纤激光器有高输出功率工作时的可靠性和稳定性。
高功率全光纤激光器一般包括光纤激光谐振腔(种子源)和光纤激光放大器，如图1所示。由纤芯掺杂稀土离子的增益光纤ACREDF、泵浦耦合器C、光纤光栅FBG和尾纤输出的高功率半导体泵浦模块LD等元器件组成。目前，光纤激光器的光纤激光谐振腔和光纤激光放大器都使用掺杂稀土离子的增益光纤作为增益介质。在传统增益光纤纤芯中，稀土离子的掺杂浓度沿光纤长度方向是恒定的，增益光纤对泵浦光具有确定的吸收系数，传统增益光纤结构和纤芯中稀土离子掺杂浓度分布如图2所示。
然而，这种基于传统增益光纤的光纤激光器，单位长度的增益光纤对泵浦光的吸收速率，会随泵浦光功率的减少而减小。由于增益离子在跃迁时存在量子亏损，这将导致光纤激光器在工作时，增益光纤的泵浦端温度很高，而沿增益光纤长度方向，温度会随着泵浦光功率的减少而降低，如图3(b)所示。在图3(a)中，泵浦光功率曲线上点切线的斜率，表示增益光纤对泵浦光的吸收速率。可见，沿增益光纤的长度方向，吸收速率是不断变化的，随着泵浦光的减少，吸收速率也在逐渐减小。因此，这种基于传统增益光纤的光纤激光器存在的缺点是：光纤激光器在工作时，增益光纤对泵浦光的吸收速率不均匀而导致增益光纤中泵浦端的温度过高，甚至会使光纤会造成热损伤而被直接烧掉。在使用端点泵浦技术时，传统增益光纤的这一缺点限制了光纤激光器输出功率的提升。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，克服传统光纤激光器在功率提升上的不足，本发明提供了一种增益平坦光纤及增益平坦光纤激光器。
本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种增益平坦光纤，包括纤芯，其特殊之处在于：所述纤芯中稀土离子的掺杂浓度沿光纤长度方向是非恒定的。
一种增益平坦光纤激光器，包括增益平坦光纤，其特殊之处在于：所述增益平坦光纤包括纤芯，所述纤芯中稀土离子的掺杂浓度沿光纤长度方向是非恒定的。
上述纤芯中靠近泵浦端处的稀土离子掺杂浓度低于远离泵浦端处的稀土离子掺杂浓度。
本发明的优点是：
本发明提供了一种增益平坦光纤以及增益平坦光纤激光器，增益平坦光纤纤芯中稀土离子的掺杂浓度沿光纤长度方向是非恒定的。该增益平坦增益光纤可用于调整光纤激光沿光纤长度方向上的增益，从而在光纤激光器工作时，达到降低增益光纤泵浦端温度的目的，并有助于提升光纤激光器的输出功率。该增益平坦光纤激光器使用增益平坦增益光纤替代传统的增益光纤，该增益平坦增益光纤激光器的纤芯稀土离子掺杂浓度沿光纤长度方向是变化的，与传统光纤激光器相比，这种增益平坦光纤激光器对泵浦光有相对恒定的吸收速率，使增益光纤具有相对较低的工作温度。本发明解决了光纤激光器泵浦端过热的功率限制瓶颈，从而可以极大的提升光纤激光器的输出功率。
附图说明
图1是基于传统增益光纤的全光纤激光器的结构原理图；
图2是传统增益光纤的结构的纤芯中稀土离子的掺杂浓度分布图；
图3(a)是泵浦光Pp和激光Ps沿光纤长度方向的分布图；
图3(b)是温度沿光纤长度方向的分布图；
图4是基于增益平坦增益光纤的全光纤激光器的结构原理图；
图5(a)是单端泵浦时掺杂浓度沿增益光纤长度方向的变化图；
图5(b)是双端泵浦时掺杂浓度沿增益光纤长度方向的变化图；
图6(a)是单端泵浦时泵浦光功率沿增益光纤长度方向的变化图；
图6(b)是双端泵浦时泵浦光功率沿增益光纤长度方向的变化图；
图7是增益光纤温度沿光纤长度方向的变化图。
具体实施方式
本发明提供了一种增益平坦光纤，包括纤芯，该纤芯中稀土离子的掺杂浓度沿光纤长度方向是非恒定的。
同时，参见图4，本发明还提供了一种增益平坦光纤激光器，包括增益平坦光纤，该增益平坦光纤包括纤芯，所述纤芯中稀土离子的掺杂浓度沿光纤长度方向是非恒定的。
纤芯中靠近泵浦端处的稀土离子掺杂浓度低于远离泵浦端处的稀土离子掺杂浓度。
本发明提供了一种基于增益平坦增益光纤的光纤激光器，如图4所示。与现有光纤激光器不同的是，增益平坦光纤激光器采用稀土离子掺杂浓度沿长度方向变化的增益光纤(GCREDF)作为增益介质。
基于本发明增益光纤的光纤激光器在工作时，靠近增益光纤泵浦端的泵浦光功率较高，但较低的稀土离子掺杂浓度使增益光纤对泵浦光的吸收系数较小；反之，沿光纤长度方向泵浦光功率逐渐减小，但由于稀土离子掺杂浓度的增加使增益光纤对泵浦光的吸收系数逐渐增大。这样，泵浦光功率和增益光纤对泵浦光的吸收系数两者此消彼长，从而使整根增益光纤对泵浦光具有相对平坦的吸收速率。
通过控制本发明增益光纤中稀土离子掺杂浓度沿光纤长度方向的分布(例如图5(a)以及图5(b)所示的分布)，可以使增益光纤中的泵浦光沿光纤长度方向被均匀吸收(例如图6(a)以及图6(b))，实现整个增益光纤的工作温度维持在一个相对较低的水平(例如图7)，使增益光纤的泵浦光承载功率大大提升，因此，基于本发明增益平坦光纤的光纤激光器可以实现较大的输出功率提升。
其中，图2的横坐标L为沿增益光纤的长度，纵坐标N为稀土离子的掺杂浓度；图3(a)以及图3(b)中的L均为沿增益光纤的长度，power为功率，T0为温度，Ps表示产生的激光，Pp表示泵浦光；图5(a)以及图5(b)中的L均为沿增益光纤的长度，N为稀土离子的掺杂浓度；图6(a)以及图6(b)中的L均为沿增益光纤的长度，power为功率；图7中的L为沿增益光纤的长度，T0为温度。

Claims (3)

1.一种增益平坦光纤，包括纤芯，其特征在于：所述纤芯中稀土离子的掺杂浓度沿光纤长度方向是非恒定的。
2.一种增益平坦光纤激光器，包括增益平坦光纤，其特征在于：所述增益平坦光纤包括纤芯，所述纤芯中稀土离子的掺杂浓度沿光纤长度方向是非恒定的。
3.根据权利要求2所述的增益平坦光纤激光器，其特征在于：所述纤芯中靠近泵浦端处的稀土离子掺杂浓度低于远离泵浦端处的稀土离子掺杂浓度。
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