CN105281185A - 一种多芯光纤激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多芯光纤激光器，包括多芯N×1光纤泵浦耦合器，所述多芯N×1光纤泵浦耦合器的输出端按照泵浦光的输出方向依次熔接有多芯高反光纤光栅、多芯有源光纤和多芯低反光纤光栅，由N×1光纤泵浦耦合器1耦合进入多芯光纤中的泵浦光经多芯高反光纤光栅注入多芯有源光纤中，在多芯高反光纤光栅和多芯低反光纤光栅的作用下在每个纤芯中形成激光激射，最终透过多芯低反光纤光栅输出。本发明只在多芯高反光纤光栅和多芯低反光纤光栅分别与多芯有源光纤熔接时需要纤芯完全对准，多芯N×1光纤泵浦耦合器与多芯高反光纤光栅熔接时无需纤芯对准，降低了多芯光纤激光器的制作难度，提高了多芯光纤激光器系统的稳定性。

Description

一种多芯光纤激光器及其制备方法

技术领域

本发明属涉及一种光纤激光器，特别是一种多芯光纤激光器及其制备方法。

背景技术

光纤激光器因具有光束质量好、结构紧凑、转换效率高、系统稳定等优点已成为各个领域的应用研究热点。随着应用领域的不断拓展，市场对光纤激光器的输出功率及光束质量提出了更高的要求。

尽管在实验室已经实现单个光纤输出超过1kW的单模激光，而且实现这种激光需要严格的条件，难以工程应用；但是随着激光技术应用的发展，以及材料加工、空间通信、激光雷达、光电对抗、激光武器等的发展，需要高功率、高质量、高强度和超亮度的激光，要求单模输出功率达到MW甚至GW量级。仅仅采用单模有源纤芯的双包层掺稀土光纤激光器，由于单模有源纤芯芯径小于20μm，受到非线性、结构因素和衍射极限的限制，承受的光功率密度有限，其光学损坏危险成为实现大功率单模光纤激光器的一大挑战。除了光学损坏外，由于大功率光产生的热也会损坏光纤，甚至会最终融化纤芯。

采用多芯光纤的光纤激光器实现单模输出，已经得到实验证实。文献中采用的多芯光纤有效模场面积达到465μm²，比普通单模光纤模场面积大得多，因此这种采用多芯光纤的激光器能输出比采用单模光纤的激光器更高的功率。

然而这种单模激光器采用的多芯光纤，对光纤纤芯的芯径以及相邻纤芯之间的距离得精确的设计，对光纤纤芯的芯径一致性要求高，对光纤纤芯的芯径以及相邻纤芯之间的距离的容许误差小，批量生产成品率低。一旦多芯光纤设计完成了，光纤纤芯之间的耦合将无法改变与控制，若各光纤纤芯的芯径以及相邻纤芯之间的距离超过容许误差，这种多芯光纤不满足输出单模激光的条件。

并且目前的多芯光纤激光器大多采用单芯光纤激光器作为种子源、只有放大器部分使用多芯光纤的MOPA结构来实现（参见专利201410221420.2《一种高功率多芯光纤激光器》）。该专利的结构中，种子源部分为单芯光纤震荡，种子源的输出通过多芯光纤耦合器耦合进入多芯有源光纤进行功率放大并输出。这种MOPA结构需要制作带有单芯到多芯过渡功能的多芯光纤耦合器，结构复杂，制作难度高。

发明内容

本发明要解决的问题是为了克服传统多芯光纤激光器的上述缺陷，提供一种能够提高光纤激光器的输出功率、简化多芯率光纤激光器的生产制造流程、提升系统的稳定性的多芯光纤激光器。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种多芯光纤激光器，包括多芯N×1光纤泵浦耦合器，所述多芯N×1光纤泵浦耦合器的输出端按照泵浦光的输出方向依次熔接有多芯高反光纤光栅、多芯有源光纤和多芯低反光纤光栅，由N×1光纤泵浦耦合器1耦合进入多芯光纤中的泵浦光经多芯高反光纤光栅注入多芯有源光纤中，在多芯高反光纤光栅和多芯低反光纤光栅的作用下在每个纤芯中形成激光激射，最终透过多芯低反光纤光栅输出。

以下是本发明对上述方案的进一步优化：

多芯N×1光纤泵浦耦合器包括其端面熔接为一体的输入光纤束和输出多芯光纤。

进一步优化：输入光纤束包括至少两根输入泵浦光纤，该输入光纤束的直径拉锥后形成输入光纤束包层和输入光纤纤芯。

进一步优化：输出多芯光纤由输出多芯光纤包层和输出多芯光纤纤芯组成。

进一步优化：所述多芯有源光纤为双包层多芯光纤。

进一步优化：输入泵浦光纤为单包层单芯泵浦光纤，输出多芯光纤为双包层多芯光纤。

进一步优化：：输入光纤束与输出多芯光纤熔接时，输入光纤纤芯的端面与输出多芯光纤纤芯的端面之间为非对准或非完全对准。

进一步优化：多芯高反光纤光栅和多芯低反光纤光栅的输入光纤与输出光纤一致，为双包层多芯光纤且每根纤芯上均刻有光栅。

进一步优化：多芯高反光纤光栅的纤芯、多芯低反光纤光栅的纤芯与多芯有源光纤的纤芯分别熔接时，完全对准。

进一步优化：多芯高反光纤光栅的纤芯与输出多芯光纤的纤芯分别熔接时，非对准或非完全对准。

本发明的另一个发明目的是提供上述多芯光纤激光器的制备方法，该方法包括以下步骤：

A、将多根输入泵浦光纤组成输入光纤束；

B、将输入光纤束的直径进行拉锥，形成与输出多芯光纤包层直径相同的输入光纤束包层；

C、步骤B所得到的输入光纤束的熔锥端面和输出光纤束的端面进行熔接；

熔接时耦合器的输入光纤纤芯与输出多芯光纤纤芯非对准或非完全对准，只需保证输入光纤束拉锥后的包层与输出多芯光纤包层对准即可；

D、对于熔接点附近的熔接区域进行点胶固定并封装，形成多芯N×1光纤泵浦耦合器；

E、在多芯N×1光纤泵浦耦合器输出端按照泵浦光的输出方向依次熔接上多芯高反光纤光栅、多芯有源光纤和多芯低反光纤光栅，形成成品。

本发明采用上述方案，只在多芯高反光纤光栅和多芯低反光纤光栅分别与多芯有源光纤熔接时需要纤芯完全对准，多芯N×1光纤泵浦耦合器与多芯高反光纤光栅熔接时无需纤芯对准，降低了多芯光纤激光器的制作难度，提高了多芯光纤激光器系统的稳定性。本发明可实现高功率单纤激光输出，有效降低或避免非线性效应，结构紧凑、转换效率高、稳定可靠。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

附图1是本发明实施例的多芯光纤激光器示意图；

附图2a是以3×1为例的多芯N×1光纤泵浦耦合器示意图；

附图2b是以3×1为例的多芯N×1光纤泵浦耦合器输入光纤截面示意图；

附图2c是以3×1为例的多芯N×1光纤泵浦耦合器输入泵浦光纤熔锥区截面示意图；

附图2d是以3×1为例的多芯N×1光纤泵浦耦合器输出多芯光纤截面示意图；

附图2e是以3×1为例的多芯N×1光纤泵浦耦合器输入泵浦光纤与输出多芯光纤熔接点截面示意图；

图中：1-多芯N×1光纤泵浦耦合器；2-多芯高反光纤光栅；3-多芯有源光纤；4-多芯低反光纤光栅；5、6、7-输入泵浦光纤；8-输出多芯光纤；9-熔接点；10-输入光纤纤芯；11-输入光纤束包层；12-输出多芯光纤纤芯；13-输出多芯光纤包层。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，一种多芯光纤激光器，包括多芯N×1光纤泵浦耦合器1，（其中N≥2）所述多芯N×1光纤泵浦耦合器1的输出端按照泵浦光的输出方向依次连接有多芯高反光纤光栅2、多芯有源光纤3和多芯低反光纤光栅4。

由N×1光纤泵浦耦合器1耦合进入多芯光纤中的泵浦光经多芯高反光纤光栅2注入多芯有源光纤3中，在多芯有源光纤3的包层及纤芯中同时传输。

多芯有源光纤3包层及纤芯中的泵浦光经过多次反射后被纤芯吸收，在多芯高反光纤光栅2和多芯低反光纤光栅4的作用下在每个纤芯中形成激光激射，最终透过多芯低反光纤光栅4输出。

多芯N×1光纤泵浦耦合器1包括其端面熔接为一体的输入光纤束和输出多芯光纤8。

输入光纤束包括至少两根输入泵浦光纤，该输入光纤束的直径拉锥后得到输入光纤束包层11和输入光纤纤芯10。

输出多芯光纤8为双包层多芯光纤。由输出多芯光纤包层13和输出多芯光纤纤芯12组成。

所述多芯有源光纤3为双包层多芯光纤。输入泵浦光纤为单包层单芯泵浦光纤。

输入光纤束与输出多芯光纤8熔接时，输入光纤纤芯10的端面与输出多芯光纤纤芯12的端面之间为非对准或非完全对准。

泵浦光通过多芯N×1光纤耦合器1注入多芯有源光纤3后，在包层及纤芯均可传输。

多芯高反光纤光栅2和多芯低反光纤光栅4的输入光纤与输出光纤一致，为双包层多芯光纤且每根纤芯上均刻有光栅。

多芯高反光纤光栅2的纤芯、多芯低反光纤光栅4的纤芯与多芯有源光纤3的纤芯分别熔接时，完全对准。以保证纤芯内激光激射。

多芯高反光纤光栅2的纤芯与输出多芯光纤8的纤芯熔接时，非对准或非完全对准。

以多芯3×1光纤泵浦耦合器为例，如图2a所示，该多芯光纤激光器的制备方法，包括以下步骤：

A、将3根输入泵浦光纤5、6、7组成输入光纤束；如图2b所示；

B、将输入光纤束的直径进行拉锥，形成与输出多芯光纤包层13直径相同的输入光纤束包层11；其端面如图2c所示；

C、步骤B所得到的输入光纤束的熔锥端面和输出光纤束的端面进行熔接；如图2d，得到熔接点9；

熔接时耦合器的输入光纤纤芯10与输出多芯光纤纤芯12非对准或非完全对准，只需保证输入光纤束拉锥后的包层11与输出多芯光纤包层13对准即可；其熔接端面如图2e；

D、对于熔接点附近的熔接区域进行点胶固定并封装，形成多芯N×1光纤泵浦耦合器1；

E、在多芯N×1光纤泵浦耦合器1的输出端按照泵浦光的输出方向依次熔接上多芯高反光纤光栅2、多芯有源光纤3和多芯低反光纤光栅4，形成成品。

本发明降低了多芯泵浦耦合器的制作难度，使泵浦光的插损降低，提高了多芯光纤激光器的输出,可实现千瓦以上功率量级的单纤输出；并且简化了多芯光纤激光器的制作过程，提高了多芯光纤激光器系统的稳定性。本发明可实现高功率单纤激光输出，有效降低或避免非线性效应的发生，结构紧凑、转换效率高、稳定可靠。

Claims (10)

1.一种多芯光纤激光器，包括多芯N×1光纤泵浦耦合器（1），其特征在于：所述多芯N×1光纤泵浦耦合器（1）的输出端按照泵浦光的输出方向依次熔接有多芯高反光纤光栅（2）、多芯有源光纤（3）和多芯低反光纤光栅（4），由N×1光纤泵浦耦合器（1）耦合进入多芯光纤中的泵浦光经多芯高反光纤光栅（2）注入多芯有源光纤（3）中，在多芯高反光纤光栅（2）和多芯低反光纤光栅（4）的作用下在每个纤芯中形成激光激射，最终透过多芯低反光纤光栅（4）输出。

2.根据权利要求1所述的一种多芯光纤激光器，其特征在于：多芯N×1

光纤泵浦耦合器（1）包括其端面熔接为一体的输入光纤束和输出多芯光纤（8）。

3.根据权利要求2所述的一种多芯光纤激光器，其特征在于：输入光纤束包括至少两根输入泵浦光纤，该输入光纤束的直径拉锥后形成输入光纤束包层（11）和输入光纤纤芯（10）。

4.根据权利要求3所述的一种多芯光纤激光器，其特征在于：输出多芯光纤（8）由输出多芯光纤包层（13）和输出多芯光纤纤芯（12）组成。

5.根据权利要求1所述的一种多芯光纤激光器，其特征在于：所述多芯有源光纤（3）为双包层多芯光纤。

6.根据权利要求3所述的一种多芯光纤激光器，其特征在于：输入泵浦光纤为单包层单芯泵浦光纤，输出多芯光纤（8）为双包层多芯光纤。

7.根据权利要求4所述的一种多芯光纤激光器，其特征在于：输入光纤束与输出多芯光纤（8）熔接时，输入光纤纤芯（10）的端面与输出多芯光纤纤芯（12）的端面之间为非对准或非完全对准。

8.根据权利要求1所述的一种多芯光纤激光器，其特征在于：多芯高反光纤光栅（2）和多芯低反光纤光栅（4）的输入光纤与输出光纤一致，为双包层多芯光纤且每根纤芯上均刻有光栅。

9.根据权利要求8所述的一种多芯光纤激光器，其特征在于：多芯高反光纤光栅（2）的纤芯与输出多芯光纤（8）的纤芯熔接时，非对准或非完全对准。

10.一种如权利要求1-9任一所述的多芯光纤激光器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、将多根输入泵浦光纤组成输入光纤束；

B、将输入光纤束的直径进行拉锥，形成与输出多芯光纤包层（13）直径相同的输入光纤束包层（11）；

C、步骤B所得到的输入光纤束的熔锥端面和输出光纤束的端面进行熔接；熔接时耦合器的输入光纤纤芯（10）与输出多芯光纤纤芯（12）非对准或非完全对准，只需保证输入光纤束拉锥后的包层（11）与输出多芯光纤包层（13）对准即可；

D、对于熔接点附近的熔接区域进行点胶固定并封装，形成多芯N×1光纤泵浦耦合器（1）；

E、在多芯N×1光纤泵浦耦合器（1）输出端按照泵浦光的输出方向依次熔接上多芯高反光纤光栅（2）、多芯有源光纤（3）和多芯低反光纤光栅（4），形成成品。