CN106030933A - 激光的均匀泵浦结构及该结构的设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光的均匀泵浦结构及一种激光的均匀泵浦结构的设计方法。该激光的均匀泵浦结构用于光纤激光器或者光纤激光放大器中，包括增益光纤(21)，增益光纤(21)包括泵浦光输入端和泵浦光输出端，增益光纤(21)由泵浦光输入端起至泵浦光输出端的泵浦面积逐渐减小，使得增益光纤(21)等长的每一段的泵浦光吸收量与相邻段的泵浦光吸收量的变化率小于b％，其中b为一经验值。

Description

激光的均勾泵浦结构及该结构的设计方法 技术领域
本发明涉及光学领域， 尤其涉及一种激光的均勾泵浦结构， 还涉及一种 激光的均匀泵浦结构的设计方法。 背景技术
光纤激光器和光纤激光放大器具有结构紧凑、 转换效率高、 光束质量好、 易于散热和易于实现高功率等特点， 在很多领域具有广泛应用， 如工业加工、 通讯、 医疗、 科学研究和军事等。 双包层光纤（DCOF )结构允许低亮度的高 功率抽运光辆合进入光纤的包层里，并使其信号光在小纤芯里得到有效放大， 可以得到高光束质量的激光。 双包层光纤结合高功率抽运源， 连续（CW )光 纤激光器已经达到千瓦级和数千瓦级。 尽管光纤激光器具有大的表面积体积 比， 但在大功率的激光运转中， 热效应已经成为必需考虑的重要问题， 直接 影响了光纤激光器输出功率的提高和进一步发展。
现有的泵浦方式列举如下：
1、 端面泵浦
端面泵浦是双包层光纤激光器最早釆用的泵浦方式， 也是比较容易实现 的泵浦方式。 泵浦光经过透镜辆合系统直接聚焦到光纤端面上， 二向色镜紧 贴光纤端面作为激光器的前腔镜。这种技术需要对耦合系统进行精心的设计， 设计时需要考虑到泵浦光的输出孔径、 光斑的尺寸， 掺杂光纤的内包层形状、 尺寸、数值孔径等参数， 使泵浦光能够高效地辆合进入双包层光纤的内包层。 二向色镜要求对泵浦光高透， 对激射激光高反。 输出端可以利用光纤端面直 接输出， 也可以通过一个特定反射率的二向色镜反馈输出。 由于大功率泵浦 光直接聚焦到与二向色镜紧贴的光纤端面上， 二向色镜的镀膜需要具有高的 损伤阔值。
为了得到更高的输出功率，还可以釆用两个泵浦源对光纤进行双向泵浦。 利用端面泵浦， 可以得到较高的输出功率， 激光器的构成也容易实现。 但是 它具有一些本身的缺陷： 由于利用二向色镜作为腔镜， 需要精密的调整设备， 对激光器工作环境要求非常高； 激光器的结构不够紧凑； 通过端面输入输出， 不易构成环形腔等。 另外这种技术由于聚焦光斑大小、 数值孔径与光纤内包 层端面尺寸、 受光角的完全匹配难以实现， 耦合效率一般不高。
2、 V型槽耦合泵浦技术
为了克服端面泵浦方式对光纤端面的束缚，人们发明了 V型槽泵浦技术。 段剥除涂敷层及外包层后， 在内包层的一个侧面开一 "V" 形槽， 泵浦光经 微透镜聚焦后从相对的另一侧垂直注入双包层光纤内包层， 泵浦光从光纤的 另一边经透镜聚焦入射到 V型槽的斜边上， 然后经斜边全反射进入纤芯并传 播。 V型槽的斜角根据光纤和泵浦光的参数确定， 经反射进入纤芯的泵浦需 满足在内包层传播的全反射条件。 利用这种技术， 光纤的端面可以得到自由， 从而方便构成环形腔结构， 在制作放大器时也方便信号光的注入。 而且泵浦 位置可自由选择， 便于实现双向泵浦及多点阵列式泵浦， 得到较高功率。 较 端面泵浦方式， 也不存在泵浦光聚焦到腔镜上损失镀膜的问题。 但是在内包 层上刻制 V型槽需要非常高的微刻技术， 不容易加工， 另外 V形槽泵浦结构 也比较复杂。
3、 锥形光纤耦合泵浦技术
前面提到的两中技术， 都需要附加透镜准直等设备， 将泵浦光聚焦至光 纤内包层上， 系统复杂。 锥形光纤耦合技术（又称光纤合束器）是一种改进 的端面泵浦耦合方式， 这种方式不需要辆合透镜， 而是依靠锥形光纤将尾纤 输出的大模场直径光斑压缩进横截面相对较小的双包层光纤中， 利用特殊的 光纤光栅作为激光器腔镜。 这种方式消除了透镜组带来的附加损耗， 耦合效 率高于普通的端面泵浦耦合方式， 而且整个系统成为一体， 结构紧凑、 稳定， 对激光器的工作环境也不是很严格， 有利于激光器的大规模应用。 但仍然不 能实现环形激光腔结构及激光放大器， 且不适用于多个高能激光泵源的同时 泵浦。
为了得到更高的输出功率， 研究人员又将这种技术进一步发展， 研制出 了锥形光纤束辆合技术， 即多根光纤组成的光纤束逐渐收缩为单根与双包层 光纤尺寸相匹配的多模光纤， 再与双包层光纤连接。 前端的每一根光纤都可 以与一个泵浦源连接， 利用这个技术可以获得非常高的输出功率。 经设计， 可以将光纤束中心一路光纤作为信号光输入， 方便光纤放大器的研制， 也可 以构成环形腔激光器。 但这种锥形光纤耦合技术对加工工艺的要求更高， 并 且与双包层光纤的纤芯、 内包层同时熔接技术也相当困难。 另外多路高功率 激光同时输入时， 对耦合器的热损伤问题需特别注意。
4、 侧泵浦方式
侧泵浦方式的结构包括一根增益光纤和一根泵浦光纤。 泵浦光纤中通入 的泵浦光可以通过两光纤的接触面进入增益光纤， 并被增益光纤吸收， 产生 信号光。
以上介绍的光纤激光器， 其光纤每段的光吸收率是一样的， 泵浦输入端 泵浦光功率最大， 这样， 输入端就是吸收泵浦功率最大的地方， 同时温度也 最高， 在高功率运行时， 增益光纤温度最低处和最高处温差达到上百度是艮 常见的， 这极大的限制了光功率的增长。 发明内容
基于此， 有必要提供一种能够提高光纤激光器的输出功率的激光的均匀 泵浦结构。
一种激光的均匀泵浦结构， 用于光纤激光器或光纤激光放大器中， 包括 增益光纤， 所述增益光纤包括泵浦光输入端和泵浦光输出端， 所述增益光纤 等长的每一段的泵浦光吸收量与相邻段的泵浦光吸收量的变化率小于 b%，其 中 b为一经验值。
在其中一个实施例中， 釆用锥形光纤耦合的泵浦方式， 所述增益光纤包 括纤芯和紧贴纤芯并包围在纤芯外的内包层， 所述增益光纤的横截面积等效 为圓形的情况下、 由泵浦光输入端起至泵浦光输出端、 纤芯直径与内包层直 径的比值逐渐增大。
在其中一个实施例中， 釆用端面泵浦的方式， 所述增益光纤包括纤芯和 紧贴纤芯并包围在纤芯外的内包层， 所述增益光纤的横截面积等效为圓形的 情况下纤芯直径与内包层直径的比值逐渐增大。
在其中一个实施例中， 所述增益光纤的实际纤芯直径和实际内包层直径 偏离纤芯理论设计直径和内包层理论设计直径的范围为 c%，其中 c为一经验 值， 所述纤芯理论设计直径和内包层理论设计直径满足如下条件：
其中 Ρ为输入增益光纤的泵浦光初始功率， L为增益光纤的总长， η表示将增 益光纤分为等长的 η段，（! 表示一段纤芯的理论设计直径，（1Ρι表示一段内包 层的理论设计直径， a表示纤芯对泵浦光的吸收为 a分贝每米。
在其中一个实施例中， 所述增益光纤的纤芯理论设计直径保持 ds不变， 所述内包层理论设计直径由所述泵浦光输入端起逐渐减小。
在其中一个实施例中， 所述增益光纤的内包层理论设计直径保持 dp 不 变， 所述纤芯理论设计直径由所述泵浦光输入端起逐渐增大。
在其中一个实施例中， 所述增益光纤每段的（181/(1 呈等比例变化。
在其中一个实施例中， 是单端泵浦输入的单向泵浦结构。
在其中一个实施例中， 是双端泵浦输入的双向泵浦结构， 所述增益光纤 为相互连接的两条， 且关于连接处镜面对称。
在其中一个实施例中， 釆用侧泵浦的方式， 包括相互接触的泵浦光纤和 增益光纤， 所述增益光纤的横截面积等效为圓形的情况下、 由泵浦光输入端 起至泵浦光输出端、 增益光纤的泵浦光吸收段的直径与泵浦光纤的直径的比 值逐渐增大。 在其中一个实施例中， 所述泵浦光纤的实际直径和所述增益光纤的实际 直径偏离泵浦光纤理论设计直径和增益光纤理论设计直径的范围为 C%，其中 C为一经验值，所述泵浦光纤理论设计直径和增益光纤理论设计直径满足如下 条件：
pl + sY
dpl + dsY dp2 + ds2
p i + s, p^ + s^ pn + sn 其中 P为输入泵浦光纤的泵浦光初始功率， L表示增益光纤的泵浦光吸收段 的总长， n表示将所述泵浦光吸收段分为等长的 n段， （! 表示一段泵浦光吸 收段的理论设计直径， （！ 表示一段泵浦光纤的理论设计直径， a表示增益光 纤对泵浦光的吸收为 a分贝每米。
在其中一个实施例中， 所述增益光纤的泵浦光吸收段的理论设计直径保 持 ds不变， 所述泵浦光纤的理论设计直径由泵浦光输入侧起逐渐减小。
在其中一个实施例中， 所述泵浦光纤的理论设计直径保持 dp不变， 所述 增益光纤的泵浦光吸收段的理论设计直径由泵浦光输入侧起逐渐增大。
在其中一个实施例中， 是单端泵浦输入的单向泵浦结构。
在其中一个实施例中， 是双端泵浦输入的双向泵浦结构， 所述增益光纤 为相互连接的两条， 所述泵浦光纤也为相互连接的两条， 均关于连接处镜面 对称。
还有必要提供一种能够提高光纤激光器的输出功率的激光的均匀泵浦结 构的设计方法。
一种激光的均匀泵浦结构的设计方法， 所述结构用于光纤激光器或光纤 激光放大器中， 所述结构包括增益光纤， 所述增益光纤包括泵浦光输入端和 泵浦光输出端， 包括下列步骤： 将所述增益光纤的横截面等效为圓形； 给定 增益光纤的总长 、 增益光纤的纤芯对泵浦光的吸收为 a分贝每米， 将所述 增益光纤分为等长的 n段； 设定合适的纤芯理论设计直径和内包层理论设计 直径， 使满足如下公式：
其中 Ρ为输入增益光纤的泵浦光初始功率， (1 表示一段纤芯的理论设计直径， dPl表示一段内包层的理论设计直径。
在其中一个实施例中，所述均匀泵浦结构釆用锥形光纤耦合的泵浦方式。 在其中一个实施例中， 所述激光的均勾泵浦结构釆用端面泵浦的方式。 在其中一个实施例中， 所述增益光纤的纤芯理论设计直径保持 ds不变， 所述内包层理论设计直径由所述泵浦光输入端起逐渐减小。
在其中一个实施例中， 所述增益光纤的内包层理论设计直径保持 dp 不 变， 所述纤芯理论设计直径由所述泵浦光输入端起逐渐增大。
在其中一个实施例中， 所述增益光纤每段的（181/(1 呈等比例变化。
在其中一个实施例中， 所述激光的均匀泵浦结构为单端泵浦输入的单向 泵浦结构。
在其中一个实施例中， 所述激光的均匀泵浦结构为双端泵浦输入的双向 泵浦结构， 所述增益光纤为相互连接的两条， 且关于连接处镜面对称。
在其中一个实施例中， 还包括根据计算得到的纤芯理论设计直径和内包 层理论设计直径制造增益光纤的步骤， 制造出的增益光纤的实际纤芯直径和 实际内包层直径偏离纤芯理论设计直径和内包层理论设计直径的范围为 c%。
还有必要提供一种能够提高光纤激光器的输出功率的侧泵浦方式的激光 的均匀泵浦结构的设计方法。
一种激光的均匀泵浦结构的设计方法， 所述结构釆用侧泵浦的方式， 用 于光纤激光器或光纤激光放大器中， 所述结构包括泵浦光纤和增益光纤， 其 特征在于， 包括下列步骤： 将所述泵浦光纤和增益光纤的横截面等效为圓形； 给定增益光纤的泵浦光吸收段的总长 L、 增益光纤对泵浦光的吸收为 a分贝 每米， 将所述泵浦光吸收段分为等长的 n段； 设定合适的泵浦光纤理论设计
*L ln)-
dpl + dsY dp2 + ds2
p i + s, p^ + s^ pn + sn 其中 P为输入泵浦光纤的泵浦光初始功率， （1 表示一段泵浦光吸收段的理论 设计直径， （！ 表示一段泵浦光纤的理论设计直径。
在其中一个实施例中， 所述增益光纤的泵浦光吸收段的理论设计直径保 持 ds不变， 所述泵浦光纤的理论设计直径由泵浦光输入侧起逐渐减小。
在其中一个实施例中， 所述泵浦光纤的理论设计直径保持 dp不变， 所述 增益光纤的泵浦光吸收段的理论设计直径由泵浦光输入侧起逐渐增大。
在其中一个实施例中， 所述激光的均匀泵浦结构为单端泵浦输入的单向 泵浦结构。
在其中一个实施例中， 所述激光的均匀泵浦结构为双端泵浦输入的双向 泵浦结构， 所述增益光纤为相互连接的两条， 所述泵浦光纤也为相互连接的 两条， 均关于连接处镜面对称。
在其中一个实施例中， 还包括根据计算得到的泵浦光纤理论设计直径和 增益光纤理论设计直径制造泵浦光纤和增益光纤的步骤， 制造出的泵浦光纤 的实际直径和增益光纤的实际直径偏离泵浦光纤理论设计直径和增益光纤理 论设计直径的范围为 c%。
上述激光的均匀泵浦结构，增益光纤每一段的实际吸收的泵浦光变化小， 发热主要由激发的激光与泵浦光之间的量子亏损决定。 由于量子亏损是一定 的， 则发热也变化小。 这就改变了现有光纤激光器和光纤激光放大器泵浦均 匀性比较差的局面， 可让热量均勾分布在整根增益光纤上， 保证了光纤激光 器和光纤激光放大器的散热均匀， 大大提高了增益光纤的抗热损伤能力， 从 而大大提高了光纤激光器和光纤激光放大器的实际输出功率。 附图说明
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明， 本发明的上述及 其它目的、 特征和优势将变得更加清晰。 在全部附图中相同的附图标记指示 相同的部分， 且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图， 重点在于示出本 发明的主旨。
图 la是锥形光纤耦合泵浦方式的光纤激光器在单向泵浦结构的实施例中 增益光纤的示意图；
图 lb是沿图 la中 A-A线的剖视图；
图 2a是锥形光纤耦合泵浦方式的光纤激光器在双向泵浦结构的实施例中 增益光纤的示意图；
图 2b是沿图 2a中 A-A线的剖视图；
图 3a是侧泵浦方式的光纤激光器在单向泵浦结构的实施例中增益光纤和 泵浦光纤的示意图；
图 3b是沿图 3a中 B-B线的剖视图；
图 4a是侧泵浦方式的光纤激光器在双向泵浦结构的实施例中增益光纤和 泵浦光纤的示意图；
图 4b是沿图 4a中 B-B线的剖视图。 具体实施方式
为使本发明的目的、 特征和优点能够更为明显易懂， 下面结合附图对本 发明的具体实施方式做详细的说明。
双包层光纤涂覆层的热损伤是高功率连续光纤激光器和光纤激光放大器 运转的主要限制因素之一， 极大地影响了激光器的最大输出功率和激光系统 稳定性。 传统双包层光纤本身的低折射率聚合物涂覆层对温度很敏感， 当温 度达到 150°C ~ 200 °C时往往会引起热损伤， 长时间稳定运行一般要求温度低 于 80°C：。 本发明利用泵浦面积在光纤轴向上的变化， 改变每一段增益光纤对 泵浦光的吸收率。 具体地， 增益光纤由泵浦光输入端起至泵浦光输出端的泵 浦面积逐渐减小， 使得增益光纤等长的每一段的泵浦光吸收量近似不变。 考 虑到制造工艺的制约及其它方面的影响， 将增益光纤每一段的泵浦光吸收量 与相邻段的泵浦光吸收量变化率控制在 b% ， 其中 b为一经验值。
对于光纤激光器釆用锥形光纤耦合泵浦方式的实施例， 设输入增益光纤 的泵浦光初始功率为 P， 增益光纤的总长为 L， 把增益光纤分成等长的 n段， 一段纤芯的直径为（1 ( [1,η]且 i为自然数）， 一段内包层的直径为 d , 纤 芯对泵浦光的吸收为 a分贝每米。 注意本说明书和权利要求书中所指的内包 层直径是指包括纤芯在内的直径。 为满足增益光纤由泵浦光输入端起至泵浦 光输出端的泵浦面积逐渐减小的条件， 应使纤芯直径 dSl与内包层直径（！ 的 比值逐渐增大。 以下通过一个实施例进行说明。
对于从泵浦输入端算起的第一段增益光纤， 即与锥形光纤耦合器连接的 第一段增益光纤， 其吸收泵浦光的功率为： P*{l_10A[-aW/i¾2)*J/w]}; 对于第二段增益光纤， 其吸收泵浦光的功率为：
/dp2 2)*L/n]}；
以此类推， 对于第 n段增益光纤， 其吸收泵浦光的功率为：
Ρ*{\0Λ [-aid,1 ldp +— + ds^21 άρη 2_λ ) * J / w] } * {1 _ 10 Λ [-a(dsn 2 /dp2 *L/n]}；
给定 L、 a和 n， 利用 Matlab、 Maple等数学计算工具软件， 就可以解出 令每一段增益光纤的泵浦光吸收功率相等的各种所需组合。 实际生产中制造 的光纤可能横截面并不是圓形， 而是八角形、 D型、 六边形等等的形状， 技 术人员根据需要将制造的增益光纤等效为圓形横截面后， 实际纤芯直径和实 际内包层直径在以上理论计算的基础上进行 ±c%以内的调整， c为一经验值。
在图 la所示实施例中， 是令增益光纤 21的内包层 212在轴向成锥形变 化， 而增益光纤 21的纤芯 214直径不变， 使得泵浦光传输得越远的地方， 泵 浦面积越小。 这样虽然泵浦光输入量越来越小， 但是吸收效率却越来越高， 从而保持均匀泵浦。图 lb示出了增益光纤 21在被分为 n段的增益光纤 21的 第一段尾端沿 A-A线剖开的剖视图。 具体的， 纤芯 214直径保持 ds不变， 内 包层 212直径由增益光纤 21与锥形光纤耦合器 11连接的位置起逐渐减小， 并满足如下公式：
在保证泵浦光的实际出射角不大于内包层的数值孔径的情况下， 可以调 节增益光纤的锥角， 使每一段的泵浦吸收光变化很小。 增益光纤每一段的实 际吸收的泵浦光变化小， 发热主要由激发的激光与泵浦光之间的量子亏损决 定。 由于量子亏损是一定的， 则发热也变化小。 这就改变了现有光纤激光器 和光纤激光放大器泵浦均匀性比较差的局面， 可让热量均匀分布在整根增益 光纤上， 保证了光纤激光器的散热均匀， 大大提高了增益光纤的抗热损伤能 力， 从而大大提高了光纤激光器的实际输出功率。
在其中一个实施例中， 增益光纤 21总长 15.63米， 纤芯 214直径为 20 微米， 纤芯对泵浦光的吸收 a为 100分贝 /米， 增益光纤 21的泵浦光输入端 的内包层直径为 400微米， 增益光纤 21输出端的内包层直径为 126.5微米， 此时， 光纤最后剩余泵浦光（即输出端的泵浦光） 为初始泵浦光（即输入端 的泵浦光） 的 10%。
在其它实施例中，也可以保持内包层直径 dp不变，改变增益纤芯直径 dSl; 或者内包层直径和增益纤芯直径一起变化，但是保证 (dsA^dpi2)的值呈等比例 变化， 即^ L/^为定值。
Φ,+1 Φ, 施例中， 也可以釆用双端泵浦输入的双向泵浦结构， 如图 2a、 图 2b所示。 包 括相互连接的两条增益光纤（增益光纤 21和 22 )， 且两增益光纤关于它们的 连接处镜面对称。 光纤尺寸的计算方式参考前述实施例， 但应该考虑两端输 入是否叠加。 对于不叠加的情况， 图 2a的实施例就相当于图 la的结构增加 一次镜面对称后形成。
如背景技术中所述， 锥形光纤耦合泵浦方式是一种改进的端面泵浦耦合 方式， 故上述增益光纤同样可以应用于普通的端面泵浦方式的光纤激光器和 光纤激光放大器中。 具体的， 可以保持纤芯直径 ds不变， 内包层直径（！ 由 增益光纤与二向色镜连接处起逐渐减小； 或者保持增益光纤的内包层直径 dp 不变， 纤芯直径由增益光纤与二向色镜连接处起逐渐增大； 又或者内包层直 径和增益纤芯直径一起变化， 但是保证 (ds^/Wp )的值呈等比例变化， 即
^L/^为定值。
Φ,+1 dp, 图 3a是侧泵浦方式的光纤激光器在单向泵浦结构的实施例中增益光纤和 泵浦光纤的示意图。 如图 3a、 图 3b所示， 增益光纤 31与泵浦光纤 41的横截 面为圓形， 并且相互接触。 泵浦光纤 41中通入的泵浦光可以通过两光纤的接 触面进入增益光纤 31， 将增益光纤 31中部与泵浦光纤 41接触从而能够吸收 泵浦光的一段定义为泵浦光吸收段。设输入泵浦光纤 41的泵浦光初始功率为 P, 增益光纤 31 的泵浦光吸收段的总长为 L， 把泵浦光吸收段分成等长的 n 段， 一段泵浦光吸收段的直径为（1 ( [1, η]且 i为自然数， 泵浦光吸收段的 直径（1 是指纤芯 +包层的直径）， 一段泵浦光纤的直径为 d , 增益光纤 31对 泵浦光的吸收为 a分贝每米。 为满足增益光纤由泵浦光输入端起至泵浦光输 出端的泵浦面积逐渐减小的条件， 应使增益光纤的泵浦光吸收段的直径 dSl 与泵浦光纤的直径 d 的比值逐渐增大。 以下通过一个实施例进行说明。
对于从泵浦光输入侧算起的泵浦光吸收段的第一段， 其吸收泵浦光的功 率为： Ρ *[1— 10 Λ (— ~ j *L ln)y,
dpl + dsY 对于泵浦光吸收段的第二段， 其吸收泵浦光的功率为： 以此类 ， 对于泵浦光吸收段的第 n段， 其吸收泵浦光的功率为： /η]} L/n]} dpn +dsn 给定 L、 a和 n， 利用 Matlab、 Maple等数学计算工具软件， 就可以解出 令泵浦光吸收段的每一段的泵浦光吸收功率相等的各种所需组合。 实际生产 中制造的泵浦光纤和增益光纤可能横截面并不是圓形， 而是八角形、 D 型、 六边形等等的形状， 技术人员根据需要将制造的泵浦光纤和增益光纤等效为 圓形横截面后， 泵浦光纤的实际直径和增益光纤的实际直径在以上理论计算 的基础上进行 ±c%以内的调整， c为一经验值。在图 3a、图 3b所示实施例中， 增益光纤 31的泵浦光吸收段直径保持 ds不变， 泵浦光纤 41的直径（！ 由泵 浦光输入侧起逐渐减小， 并满足如下公式：
Ρ*[\-\0Λ(-α L/n)]
dpl +ds
dpl +ds dp2 +ds
Ρ*{10Λ[-α* L/n]}
由于泵浦光纤 41是无源光纤，做成锥形光纤从而实现上述结构的加工难 度较小。 当然， 在其它实施例中， 也可以保持泵浦光纤的直径 dp不变， 令增 益光纤的泵浦光吸收段的直径（! 由泵浦光输入侧起逐渐增大。 施例中， 也可以釆用双端泵浦输入的双向泵浦结构， 如图 4a、 图 4b所示。 包 括相互连接的两条增益光纤 31和 32， 和相互连接的两条泵浦光纤 41和 42。 增益光纤 31和 32关于它们的连接处镜面对称， 泵浦光纤 41和 42也关于它 们的连接处镜面对称。 细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。 应当指出的是， 对于 本领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明构思的前提下， 还可以做出若 干变形和改进， 这些都属于本发明的保护范围。 因此， 本发明专利的保护范 围应以所附权利要求为准。

Claims (28)

  1. 权利要求书
    1、 一种激光的均匀泵浦结构， 用于光纤激光器或光纤激光放大器中， 包括增 益光纤， 所述增益光纤包括泵浦光输入端和泵浦光输出端， 其特征在于， 所 述增益光纤等长的每一段的泵浦光吸收量与相邻段的泵浦光吸收量的变化率 小于 b%， 其中 b为一经验值。
  2. 2、 根据权利要求 1所述的激光的均匀泵浦结构， 其特征在于， 釆用锥形光纤 耦合的泵浦方式， 所述增益光纤包括纤芯和紧贴纤芯并包围在纤芯外的内包 层， 所述增益光纤的横截面积等效为圓形的情况下、 由泵浦光输入端起至泵 浦光输出端、 纤芯直径与内包层直径的比值逐渐增大。
  3. 3、 根据权利要求 1所述的激光的均匀泵浦结构， 其特征在于， 釆用端面泵浦 的方式， 所述增益光纤包括纤芯和紧贴纤芯并包围在纤芯外的内包层， 所述 增益光纤的横截面积等效为圓形的情况下纤芯直径与内包层直径的比值逐渐 增大。
    4、 根据权利要求 1所述的激光的均匀泵浦结构， 其特征在于， 所述增益光纤 的实际纤芯直径和实际内包层直径偏离纤芯理论设计直径和内包层理论设计 直径的范围为。％， 其中 c为一经验值， 所述纤芯理论设计直径和内包层理论 设计直径满足如下条件：
    其中 Ρ为输入增益光纤的泵浦光初始功率， L为增益光纤的总长， η表示将增 益光纤分为等长的 n段，（! 表示一段纤芯的理论设计直径，（1Ρι表示一段内包 层的理论设计直径， a表示纤芯对泵浦光的吸收为 a分贝每米。
  4. 5、 根据权利要求 4所述的激光的均匀泵浦结构， 其特征在于， 所述增益光纤 的纤芯理论设计直径保持 ds不变， 所述内包层理论设计直径由所述泵浦光输 入端起逐渐减小。
  5. 6、 根据权利要求 4所述的激光的均匀泵浦结构， 其特征在于， 所述增益光纤 的内包层理论设计直径保持 dp不变，所述纤芯理论设计直径由所述泵浦光输 入端起逐渐增大。
  6. 7、 根据权利要求 4所述的激光的均匀泵浦结构， 其特征在于， 所述增益光纤 每段的（18<sub>1</sub>/(1 呈等比例变化。
  7. 8、 根据权利要求 1所述的激光的均匀泵浦结构， 其特征在于， 是单端泵浦输 入的单向泵浦结构。
  8. 9、 根据权利要求 1所述的激光的均匀泵浦结构， 其特征在于， 是双端泵浦输 入的双向泵浦结构， 所述增益光纤为相互连接的两条， 且关于连接处镜面对 称。
  9. 10、 根据权利要求 1所述的激光的均匀泵浦结构， 其特征在于， 釆用侧泵浦 的方式， 包括相互接触的泵浦光纤和增益光纤， 所述增益光纤的横截面积等 效为圓形的情况下、 由泵浦光输入端起至泵浦光输出端、 增益光纤的泵浦光 吸收段的直径与泵浦光纤的直径的比值逐渐增大。
  10. 11、 根据权利要求 10所述的激光的均匀泵浦结构， 其特征在于， 所述泵浦光 纤的实际直径和所述增益光纤的实际直径偏离泵浦光纤理论设计直径和增益 光纤理论设计直径的范围为 c%， 其中 c为一经验值， 所述泵浦光纤理论设计 Ρ*[\-\0<sup>Λ</sup>(-α*—^- ~ <sub>T</sub>*L/n)] 直径和增益光纤理论设计直径满足如下条件：
    _ dpl +dsY dp2 +ds2
    p i + s, p^+ s^ pn + sn 其中 P为输入泵浦光纤的泵浦光初始功率， L表示增益光纤的泵浦光吸收段 的总长， n表示将所述泵浦光吸收段分为等长的 n段， （! 表示一段泵浦光吸 收段的理论设计直径， （！ 表示一段泵浦光纤的理论设计直径， a表示增益光 纤对泵浦光的吸收为 a分贝每米。
  11. 12、 根据权利要求 11所述的激光的均匀泵浦结构， 其特征在于， 所述增益光 纤的泵浦光吸收段的理论设计直径保持 ds不变， 所述泵浦光纤的理论设计直 径由泵浦光输入侧起逐渐减小。
  12. 13、 根据权利要求 11所述的激光的均匀泵浦结构， 其特征在于， 所述泵浦光 纤的理论设计直径保持 dp不变，所述增益光纤的泵浦光吸收段的理论设计直 径由泵浦光输入侧起逐渐增大。
  13. 14、 根据权利要求 11所述的激光的均匀泵浦结构， 其特征在于， 是单端泵浦 输入的单向泵浦结构。
  14. 15、 根据权利要求 11所述的激光的均匀泵浦结构， 其特征在于， 是双端泵浦 输入的双向泵浦结构， 所述增益光纤为相互连接的两条， 所述泵浦光纤也为 相互连接的两条， 均关于连接处镜面对称。
  15. 16、 一种激光的均匀泵浦结构的设计方法， 所述结构用于光纤激光器或光纤 激光放大器中， 所述结构包括增益光纤， 所述增益光纤包括泵浦光输入端和 泵浦光输出端， 其特征在于， 包括下列步骤： 将所述增益光纤的横截面等效为圓形；
    给定增益光纤的总长 L、 增益光纤的纤芯对泵浦光的吸收为 a分贝每米， 将 所述增益光纤分为等长的 n段；
    设定合适的纤芯理论设计直径和内包层理论设计直径， 使满足如下公式：
    其中 Ρ为输入增益光纤的泵浦光初始功率， (1 表示一段纤芯的理论设计直径， dPl表示一段内包层的理论设计直径。
  16. 17、 根据权利要求 16所述的激光的均匀泵浦结构的设计方法， 其特征在于， 所述均匀泵浦结构釆用锥形光纤耦合的泵浦方式。
  17. 18、 根据权利要求 16所述的激光的均匀泵浦结构的设计方法， 其特征在于， 所述激光的均勾泵浦结构釆用端面泵浦的方式。
  18. 19、 根据权利要求 16所述的激光的均匀泵浦结构的设计方法， 其特征在于， 所述增益光纤的纤芯理论设计直径保持 ds不变， 所述内包层理论设计直径由 所述泵浦光输入端起逐渐减小。
  19. 20、 根据权利要求 16所述的激光的均匀泵浦结构的设计方法， 其特征在于， 所述增益光纤的内包层理论设计直径保持 dp不变，所述纤芯理论设计直径由 所述泵浦光输入端起逐渐增大。
  20. 21、 根据权利要求 16所述的激光的均匀泵浦结构的设计方法， 其特征在于， 所述增益光纤每段的（18<sub>1</sub>/(1 呈等比例变化。
  21. 22、 根据权利要求 16所述的激光的均匀泵浦结构的设计方法， 其特征在于， 23、 根据权利要求 16所述的激光的均匀泵浦结构的设计方法， 其特征在于，
    相互连接的两条， 且关于连接处镜面对称。
  22. 24、 根据权利要求 16所述的激光的均匀泵浦结构的设计方法， 其特征在于， 还包括根据计算得到的纤芯理论设计直径和内包层理论设计直径制造增益光 纤的步骤， 制造出的增益光纤的实际纤芯直径和实际内包层直径偏离纤芯理 论设计直径和内包层理论设计直径的范围为 c%。
  23. 25、 一种激光的均匀泵浦结构的设计方法， 所述结构釆用侧泵浦的方式， 用 于光纤激光器或光纤激光放大器中， 所述结构包括泵浦光纤和增益光纤， 其 特征在于， 包括下列步骤： 将所述泵浦光纤和增益光纤的横截面等效为圓形； 给定增益光纤的泵浦光吸收段的总长 L、 增益光纤对泵浦光的吸收为 a分贝 每米， 将所述泵浦光吸收段分为等长的 n段； 设定合适的泵浦光纤理论设计直径和增益光纤理论设计直径， 使满足如下公 *[1 - 10 <sup>Λ</sup> (-α * ~ p- ~ <sub>T</sub>*L/n)]
    式. dpl - ds^
    p i + s, p^ + s^ pn + sn 其中 P为输入泵浦光纤的泵浦光初始功率， （1 表示一段泵浦光吸收段的理论 设计直径， （！ 表示一段泵浦光纤的理论设计直径。
  24. 26、 根据权利要求 25所述的激光的均匀泵浦结构的设计方法， 其特征在于， 所述增益光纤的泵浦光吸收段的理论设计直径保持 ds不变， 所述泵浦光纤的 理论设计直径由泵浦光输入侧起逐渐减小。
  25. 27、 根据权利要求 25所述的激光的均匀泵浦结构的设计方法， 其特征在于， 所述泵浦光纤的理论设计直径保持 dp不变，所述增益光纤的泵浦光吸收段的 理论设计直径由泵浦光输入侧起逐渐增大。
  26. 28、 根据权利要求 25所述的激光的均匀泵浦结构的设计方法， 其特征在于，
  27. 29、 根据权利要求 25所述的激光的均匀泵浦结构的设计方法， 其特征在于， 相互连接的两条， 所述泵浦光纤也为相互连接的两条， 均关于连接处镜面对 称。
  28. 30、 根据权利要求 25所述的激光的均匀泵浦结构的设计方法， 其特征在于， 还包括根据计算得到的泵浦光纤理论设计直径和增益光纤理论设计直径制造 泵浦光纤和增益光纤的步骤， 制造出的泵浦光纤的实际直径和增益光纤的实 际直径偏离泵浦光纤理论设计直径和增益光纤理论设计直径的范围为 c%。
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