CN106654830A - 全光纤结构980nm波段高功率超荧光光源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全光纤结构980nm波段高功率超荧光光源，目的是提供一种基于双包层光纤和半导体激光器直接泵浦的高功率全光纤结构980nm波段超荧光光源。本发明由增益模块、两个泵浦模块、两个输出耦合端组成。增益模块由泵浦耦合模块和双包层掺镱光纤构成，泵浦耦合模块采用2个侧向泵浦合束器或K个多模光纤；两个泵浦模块均包含多个泵浦子模块，每个泵浦子模块是尾纤输出900nm～960nm波段的半导体激光器或合束结构；两个输出耦合端的输入端分别与增益模块的信号光输出端相连；本发明解决了纤芯泵浦对于输出功率的限制，解决了1030nm波段的自发放大辐射光场抑制问题和泵浦光耦合的问题。

Description

全光纤结构980nm波段高功率超荧光光源
技术领域
本发明涉及一种超荧光光源，尤其涉及一种工作波段在980nm附近(970nm～985nm)的全光纤结构的高功率超荧光光源。
背景技术
超荧光光纤光源具有低时间相干性、良好的波长稳定性和宽谱输出特性，在光纤传感系统、光纤通信、光学层析及医用光学等领域有着广泛应用，特别是近年来，随着超荧光光纤光源的输出功率不断提升，这一宽谱光源也被应用于泵浦拉曼激光器和超连续谱光源。超荧光光纤光源具有的独特优势使其在工业加工和国防领域等领域也有着良好的应用前景。
980nm波段超荧光光纤光源是一种新型超荧光光源，由于其在掺铒、镱光纤激光器等高功率激光器以及蓝光激光器等新型光源方面的应用而备受关注。现阶段，980nm波段超荧光光纤光源主要采用空间光耦合结构，不过，空间光耦合结构的问题在于光路调节精度要求高、稳定性和抗干扰能力差，工程化潜力有限。相比之下，全光纤结构具有结构紧凑轻便、稳定性好、抗干扰能力强等优点，在工程化方面较空间光耦合结构更具优势。
不过实现全光纤结构980nm波段超荧光光源有以下两个难点：一是增益光纤结构较为特殊，现阶段，用于产生980nm波段超荧光光场的增益光纤为掺镱光纤，而掺镱光纤的增益特性决定了在产生980nm波段光场的同时，还会产生较为严重的1030nm波段的自发放大辐射光场，要抑制1030nm波段的光场，需要使用大纤芯包层比的掺镱光纤，而常规的双包层掺镱光纤很难满足要求，这就需要对掺镱光纤的结构进行设计；二是泵浦光耦合的困难，在超荧光光源中，需要使用泵浦信号合束器，不过，由于掺镱光纤的纤芯包层比较大，使得现阶段常见的用于端面泵浦的熔融拉锥泵浦信号合束器无法满足要求。
能够解决这两个难点的一种可行方案是基于光纤波分复用器的纤芯泵浦方案。该方案利用波分复用器将泵浦光耦合到掺镱光纤的纤芯中，而纤芯泵浦也实现了接近于1的纤芯包层比，很好地满足了抑制1030nm波段自发放大辐射光场的要求。不过，该方案的问题在于纤芯泵浦方式严重限制了泵浦光耦合的功率，使得该方案输出功率水平只能达到百毫瓦量级，这非常不利于输出功率的提升。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有980nm超荧光光源的不足，提供一种基于双包层光纤和半导体激光器直接泵浦的高功率全光纤结构980nm波段超荧光光源。通过采用双包层光纤提高泵浦光耦合功率，解决纤芯泵浦对于输出功率的限制；通过采用大纤芯包层比的双包层光纤，解决1030nm波段的自发放大辐射光场抑制问题；通过采用侧面泵浦方式，解决泵浦光耦合的问题。
本发明的技术方案是：
本发明由增益模块、第一泵浦模块、第二泵浦模块、第一输出耦合端和第二输出耦合端组成。第一泵浦模块和第二泵浦模块分别与增益模块的泵浦光输入端相连。增益模块的信号光输出端分别与第一输出耦合端和第二输出耦合端相连。本发明中不同器件之间的连接是通过光纤熔接来实现的。
本发明的增益模块由泵浦耦合模块和双包层掺镱光纤构成，泵浦光经泵浦耦合模块，从双包层掺镱光纤内包层的侧面耦合到双包层掺镱光纤中，并对双包层掺镱光纤纤芯中的镱离子进行泵浦，从而产生980nm波段的光场。双包层掺镱光纤的纤芯包层直径比(即纤芯直径除以内包层直径)应大于等于30％。增益模块有多个泵浦光输入端，有2个信号光输出端。
泵浦耦合模块可采用两种技术方案。技术方案一如图2所示，泵浦耦合模块由第一侧向泵浦合束器和第二侧向泵浦合束器组成，第一侧向泵浦合束器和第二侧向泵浦合束器均是将泵浦光经由双包层光纤的内包层侧面，耦合到双包层光纤的内包层中的光纤器件，包含不少于1个泵浦光输入端、1个信号光输入端和1个输出端，比如：文献“Thomas Theeg,Hakan Sayinc, Neumann,Ludger Overmeyer,Dietmar Kracht,Pump and signalcombiner for bi-directional pumping of all-fiber lasers and amplifiers(全光纤激光器和放大器的泵浦信号合束器)，Optics Express(光学通讯)，2012年,20期，27卷，第28125-28141页”中第二部分及图1中描述的“side-pump combiner”(侧向泵浦合束器)结构，第一侧向泵浦合束器和第二侧向泵浦合束器的泵浦光输入端的数量可以相等，也可以不相等。第一侧向泵浦合束器的信号光输入端和第二侧向泵浦合束器的信号光输入端即为泵浦耦合模块的2个信号光输入端；第一侧向泵浦合束器的输出端和第二侧向泵浦合束器的输出端即为泵浦耦合模块的2个输出端；第一侧向泵浦合束器的N个泵浦光输入端和第二侧向泵浦合束器的M个泵浦光输入端即为泵浦耦合模块的泵浦光输入端(共N+M个)。第一侧向泵浦合束器的输出端和第二侧向泵浦合束器的输出端与双包层掺镱光纤的两端分别相连，泵浦耦合模块的N+M个泵浦光输入端即为增益模块的泵浦光输入端，泵浦耦合模块的2个信号光输入端即为增益模块的2个信号光输出端。N为第一侧向泵浦合束器的泵浦光输入端个数，M为第二侧向泵浦合束器的泵浦光输入端个数，M、N均为正整数。
泵浦耦合模块也可采用如图3所示的技术方案二，即采用K个多模光纤，使得K个多模光纤的纤芯与双包层掺镱光纤内包层光学接触(K应为小于等于[π(1+R1/r1)]的自然数，其中，R1为双包层掺镱光纤内包层直径，r1为多模光纤的最小纤芯直径)，这样，泵浦耦合模块的K个多模光纤中传输的泵浦光，可以通过倏逝波耦合等光学接触方式，耦合到双包层掺镱光纤内包层中，从而泵浦双包层掺镱光纤纤芯中的镱离子产生980nm波段的光场。在该方案中，泵浦耦合模块的K个多模光纤的两端即为增益模块的泵浦光输入端(共2K个)，双包层掺镱光纤的两端即为增益模块的2个信号光输出端。
本发明的第一泵浦模块和第二泵浦模块均包含多个泵浦子模块，第一泵浦模块和第二泵浦模块的泵浦子模块的数量和应小于等于泵浦耦合模块的泵浦光输入端的数量，泵浦耦合模块第一方案的泵浦光输入端数量为(N+M)，第二方案的泵浦光输入端数量为2K。泵浦子模块可以选用一个尾纤输出900nm～960nm波段的半导体激光器(如图2所示实施例一中的泵浦子模块211-216)，此时，半导体激光器的尾纤即为泵浦子模块的输出光纤；也可以采用公知的合束结构，即将多个尾纤输出900nm～960nm波段的尾纤输出半导体激光器经过至少一个光纤泵浦合束器合束到一根输出光纤(即为泵浦子模块的输出光纤)中(如图3所示实施例二中的泵浦子模块211)。构成第一泵浦模块的所有泵浦子模块的输出光纤即为第一泵浦模块的输出光纤，构成第二泵浦模块的所有泵浦子模块的输出光纤即为第二泵浦模块的输出光纤。第一泵浦模块的输出光纤与增益模块泵浦光输入端相连(若泵浦耦合模块采用第一方案，第一泵浦模块的输出光纤与增益模块的N个泵浦光输入端相连，若泵浦耦合模块采用第二方案，第一泵浦模块的输出光纤与增益模块的K个泵浦光输入端相连)，第二泵浦模块的输出光纤与增益模块泵浦光输入端相连(若泵浦耦合模块采用第一方案，第二泵浦模块的输出光纤与增益模块的另M个泵浦光输入端相连，若泵浦耦合模块采用第二方案，第二泵浦模块的输出光纤与增益模块的另K个泵浦光输入端相连)。第一泵浦模块和第二泵浦模块的输出光纤的直径应小于等于增益模块泵浦光输入端光纤的直径；第一泵浦模块的输出光纤的数值孔径应小于等于增益模块泵浦光输入端光纤的数值孔径。
本发明的第二泵浦模块可以与第一泵浦模块的结构相同，也可不同。即第一泵浦模块采用尾纤输出900nm～960nm波段的半导体激光器时，第二泵浦模块可以是尾纤输出900nm～960nm波段的半导体激光器，也可以是合束结构；第一泵浦模块采用合束结构时，第二泵浦模块可以是尾纤输出900nm～960nm波段的半导体激光器，也可以是合束结构。
本发明中的第一输出耦合端和第二输出耦合端的输入端分别与增益模块的信号光输出端相连，要求第一输出耦合端和第二输出耦合端的输入端光纤与增益模块信号光输出端光纤纤芯的直径相等。第一输出耦合端和第二输出耦合端的结构可采用但不限于光纤端面的斜角切割或端帽。
采用本发明可以达到以下技术效果：
本发明实现了全光纤化的高功率980nm波段超荧光光源，通过采用双包层光纤提高泵浦光耦合功率，解决纤芯泵浦对于输出功率的限制；通过采用大纤芯包层比的双包层光纤，解决1030nm波段的自发放大辐射光场抑制问题；通过采用侧面泵浦方式，解决泵浦光耦合的问题。该技术方案结构简单，可实现百瓦量级的980nm波段超荧光输出，光光转换效率可大于50％。
附图说明
图1为本发明全光纤980nm波段超荧光光源的结构示意图。
图2为本发明全光纤980nm波段超荧光光源实施例一的结构示意图。
图3为本发明全光纤980nm波段超荧光光源实施例二的结构示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明由增益模块10、第一泵浦模块21、第二泵浦模块22、第一输出耦合端31、第二输出耦合端32组成。第一泵浦模块21和第二泵浦模块22分别与增益模块10的泵浦光输入端相连。第一输出耦合端31和第二输出耦合端32的输入端分别与增益模块10的信号光输出端相连。
本发明的增益模块10由泵浦耦合模块11和双包层掺镱光纤12构成，泵浦光经泵浦耦合模块11，从双包层掺镱光纤12内包层的侧面耦合到双包层掺镱光纤12中，并对双包层掺镱光纤12纤芯中的镱离子进行泵浦，从而产生980nm波段的光场。双包层掺镱光纤12的纤芯包层直径比应大于等于30％。
泵浦耦合模块11可采用两种技术方案。技术方案一如图2所示，泵浦耦合模块11由第一侧向泵浦合束器111和第二侧向泵浦合束器112组成，第一侧向泵浦合束器111和第二侧向泵浦合束器112均是将泵浦光经由双包层光纤的内包层侧面，耦合到双包层光纤的内包层中的光纤器件，包含不少于1个泵浦光输入端、1个信号光输入端和1个输出端，第一侧向泵浦合束器111和第二侧向泵浦合束器112的泵浦光输入端的数量可以相等，也可以不相等。第一侧向泵浦合束器111的信号光输入端(11101)和第二侧向泵浦合束器112的信号光输入端(11201)即为泵浦耦合模块11的2个信号光输入端；第一侧向泵浦合束器111的输出端(11102)和第二侧向泵浦合束器112的输出端(11202)即为泵浦耦合模块11的2个输出端；第一侧向泵浦合束器111的泵浦光输入端(1111-111N，N为第一侧向泵浦合束器111的泵浦光输入端个数)和第二侧向泵浦合束器112的泵浦光输入端(1121-112M，M为第二侧向泵浦合束器112的泵浦光输入端个数)即为泵浦耦合模块11的泵浦光输入端(共N+M个)。第一侧向泵浦合束器111的输出端(11102)和第二侧向泵浦合束器112的输出端(11202)与双包层掺镱光纤12的两端相连，泵浦耦合模块11的泵浦光输入端即为增益模块10的泵浦光输入端(共N+M个)，泵浦耦合模块11的2个信号光输入端即为增益模块10的2个信号光输出端。
泵浦耦合模块11也可采用如图3所示的技术方案二，即采用K个多模光纤，使得K个多模光纤的纤芯与双包层掺镱光纤12内包层光学接触(K应为小于等于[π(1+R1/r1)]的自然数，其中，R1为双包层掺镱光纤12内包层直径，r1为多模光纤的最小纤芯直径)，这样，泵浦耦合模块11的K个多模光纤中传输的泵浦光，可以通过倏逝波耦合等光学接触方式，耦合到双包层掺镱光纤12内包层中，从而泵浦双包层掺镱光纤12纤芯中的镱离子产生980nm波段的光场。在该方案中，泵浦耦合模块11的K个多模光纤的两端即为增益模块10的泵浦光输入端(共2K个)，双包层掺镱光纤12的两端即为增益模块10的2个信号光输出端。
本发明的第一泵浦模块21包含多个泵浦子模块，泵浦子模块的数量应小于等于N(当泵浦耦合模块11采用第一方案时)或K(当泵浦耦合模块11采用第二方案时)，泵浦耦合模块11第一方案的泵浦光输入端数量为(N+M)，第二方案的泵浦光输入端数量为2K。泵浦子模块可以选用一个尾纤输出900nm～960nm波段的半导体激光器(如图2所示实施例一中的泵浦子模块211-216)，此时，半导体激光器的尾纤即为泵浦子模块的输出光纤；也可以采用公知的合束结构，即将多个尾纤输出900nm～960nm波段的尾纤输出半导体激光器经过至少一个光纤泵浦合束器合束到一根输出光纤(即为泵浦子模块的输出光纤)中(如图3所示实施例二中的泵浦子模块211)。构成第一泵浦模块21的所有泵浦子模块的输出光纤即为第一泵浦模块21的输出光纤。泵浦子模块的输出光纤即为第一泵浦模块21的输出光纤。第一泵浦模块21的输出光纤与增益模块10泵浦光输入端光纤相连(若泵浦耦合模块11采用第一方案，第一泵浦模块21的输出光纤与增益模块10的N个泵浦光输入端光纤相连，若泵浦耦合模块11采用第二方案，第一泵浦模块21的输出光纤与增益模块10的K个泵浦光输入端光纤相连)。第一泵浦模块21的输出光纤的直径应小于等于增益模块10泵浦光输入端光纤的直径；第一泵浦模块21的输出光纤的数值孔径应小于等于增益模块10泵浦光输入端光纤的数值孔径。
本发明的第二泵浦模块22包含多个泵浦子模块，泵浦子模块的数量应小于等于M(当泵浦耦合模块11采用第一方案时)或K(当泵浦耦合模块11采用第二方案时)。每个泵浦子模块均由尾纤输出900nm～960nm波段的半导体激光器构成。泵浦子模块可以选用一个尾纤输出900nm～960nm波段的半导体激光器(如图2所示实施例一中的泵浦子模块221-226)，此时，半导体激光器的尾纤即为泵浦子模块的输出光纤；也可以采用公知的合束结构，即将多个尾纤输出900nm～960nm波段的尾纤输出半导体激光器经过至少一个光纤泵浦合束器合束到一根输出光纤(即为泵浦子模块的输出光纤)中(如图3所示实施例二中的第二泵浦子模块221)。构成第二泵浦模块22的所有泵浦子模块的输出光纤即为第二泵浦模块22的输出光纤。第二泵浦模块22的输出光纤与增益模块10泵浦光输入端光纤相连(若泵浦耦合模块11采用第一方案，第一泵浦模块21的输出光纤与增益模块10的另M个泵浦光输入端光纤相连，若泵浦耦合模块11采用第二方案，第一泵浦模块21的输出光纤与增益模块10的另K个泵浦光输入端光纤相连)。第二泵浦模块22的输出光纤的直径应小于等于增益模块10泵浦光输入端光纤的直径；第二泵浦模块22的输出光纤的数值孔径应小于等于增益模块10泵浦光输入端光纤的数值孔径。
本发明中的第一输出耦合端31和第二输出耦合端32的输入端分别与增益模块10的信号光输出端相连，要求第一输出耦合端31和第二输出耦合端32的输入端光纤纤芯与增益模块10信号光输出端光纤纤芯的直径相等。其结构可采用但不限于光纤端面的斜角切割或端帽。
图2给出了本发明的实施例一。该实施例的增益模块10选用的双包层掺镱光纤12纤芯包层直径比为46％；泵浦耦合模块11采用技术方案一，即选用2个具有6个泵浦光输入端的侧向泵浦合束器(即N＝M＝6)。第一泵浦模块21包含6个泵浦子模块211-216，每个泵浦子模块都由一个带尾纤的半导体激光器构成。第二泵浦模块22也包含6个泵浦子模块221-226，每个泵浦子模块都由一个带尾纤的半导体激光器构成。实施例一在第一泵浦模块21和第二泵浦模块22均可提供100W泵浦光的情况下，在980nm波段输出激光的功率可达到138W，光光转换效率为69％。
图3给出了本发明的实施例二。该实施例的增益模块10选用的双包层掺镱光纤12纤芯包层直径比30％；泵浦耦合模块11采用技术方案二，即采用一个多模光纤(K＝1)，与双包层掺镱光纤12构成侧面泵浦掺镱光纤，第一泵浦模块21包含一个泵浦子模块211，泵浦子模块211由七个带尾纤的半导体激光器2111-2117经7×1光纤泵浦合束器2118合束构成。第二泵浦模块22包含一个泵浦子模块221，由七个带尾纤的半导体激光器2211-2217经7×1光纤合束器2218合束构成。第一泵浦模块21和第二泵浦模块22均可提供100W泵浦光。将增益模块10的两个输出端切割成8度斜角分别作为输出耦合端31和32。实施例二中，如果第一泵浦模块21和第二泵浦模块22均可提供100W泵浦光，在980nm波段输出激光的功率可达到102W，光光转换效率为51％。

Claims (7)

1.一种全光纤结构980nm波段高功率超荧光光源，其特征在于全光纤结构980nm波段高功率超荧光光源由增益模块(10)、第一泵浦模块(21)、第二泵浦模块(22)、第一输出耦合端(31)和第二输出耦合端(32)组成；第一泵浦模块(21)和第二泵浦模块(22)分别与增益模块(10)的泵浦光输入端相连，增益模块(10)的信号光输出端分别与第一输出耦合端(31)和第二输出耦合端(32)相连，不同器件之间的连接通过光纤熔接实现；
增益模块(10)由泵浦耦合模块(11)和双包层掺镱光纤(12)构成，泵浦光经泵浦耦合模块(11)，从双包层掺镱光纤(12)内包层的侧面耦合到双包层掺镱光纤(12)中，并对双包层掺镱光纤(12)纤芯中的镱离子进行泵浦，从而产生980nm波段的光场；增益模块(10)有多个泵浦光输入端，有2个信号光输出端；
第一泵浦模块(21)和第二泵浦模块(22)均包含多个泵浦子模块，第一泵浦模块(21)和第二泵浦模块(22)的泵浦子模块的数量和小于等于泵浦耦合模块(11)的泵浦光输入端的数量，第一泵浦模块(21)和第二泵浦模块(22)的输出光纤与增益模块(10)泵浦光输入端相连；
第一输出耦合端(31)和第二输出耦合端(32)的输入端分别与增益模块(10)的信号光输出端相连，要求第一输出耦合端(31)和第二输出耦合端(32)的输入端光纤与增益模块信号光输出端光纤纤芯的直径相等。
2.如权利要求1所述的全光纤结构980nm波段高功率超荧光光源，其特征在于所述泵浦耦合模块(11)由第一侧向泵浦合束器(111)和第二侧向泵浦合束器(112)组成，第一侧向泵浦合束器(111)和第二侧向泵浦合束器(112)均是将泵浦光经由双包层光纤的内包层侧面，耦合到双包层光纤的内包层中的光纤器件，包含不少于1个泵浦光输入端、1个信号光输入端和1个输出端；第一侧向泵浦合束器(111)的信号光输入端(11101)和第二侧向泵浦合束器(112)的信号光输入端(11201)即为泵浦耦合模块(11)的2个信号光输入端；第一侧向泵浦合束器(111)的输出端(11102)和第二侧向泵浦合束器(112)的输出端(11202)即为泵浦耦合模块(11)的2个输出端；第一侧向泵浦合束器(111)的泵浦光输入端(1111-111N)和第二侧向泵浦合束器(112)的泵浦光输入端(1121-112M)即为泵浦耦合模块(11)的泵浦光输入端；第一侧向泵浦合束器(111)的输出端(11102)和第二侧向泵浦合束器(112)的输出端(11202)与双包层掺镱光纤(12)的两端分别相连，泵浦耦合模块(11)的泵浦光输入端即为增益模块(10)的泵浦光输入端，泵浦耦合模块(11)的2个信号光输入端即为增益模块(10)的2个信号光输出端；N为第一侧向泵浦合束器(111)的泵浦光输入端个数，M为第二侧向泵浦合束器(112)的泵浦光输入端个数，M、N均为正整数，泵浦耦合模块(11)泵浦光输入端数量为N+M。
3.如权利要求1所述的全光纤结构980nm波段高功率超荧光光源，其特征在于泵浦耦合模块(11)采用K个多模光纤，K个多模光纤的纤芯与双包层掺镱光纤(12)内包层光学接触，K为小于等于[π(1+R1/r1)]的自然数，R1为双包层掺镱光纤(12)内包层直径，r1为多模光纤的最小纤芯直径，泵浦耦合模块(11)的K个多模光纤中传输的泵浦光通过光学接触方式，耦合到双包层掺镱光纤(12)内包层中，从而泵浦双包层掺镱光纤(12)纤芯中的镱离子产生980nm波段的光场；泵浦耦合模块(11)的K个多模光纤的两端即为增益模块(10)的泵浦光输入端，双包层掺镱光纤(12)的两端即为增益模块(10)的信号光输出端，泵浦耦合模块(11)泵浦光输入端数量为2K。
4.如权利要求1所述的全光纤结构980nm波段高功率超荧光光源，其特征在于所述第一泵浦模块(21)和第二泵浦模块(22)中的泵浦子模块是尾纤输出900nm～960nm波段的半导体激光器，半导体激光器的尾纤即为泵浦子模块的输出光纤，构成第一泵浦模块(21)的所有泵浦子模块的输出光纤即为第一泵浦模块(21)的输出光纤，构成第二泵浦模块(22)的所有泵浦子模块的输出光纤即为第二泵浦模块(22)的输出光纤；第一泵浦模块(21)和第二泵浦模块(22)的输出光纤的直径小于等于增益模块(10)泵浦光输入端光纤的直径；第一泵浦模块(21)和第二泵浦模块(22)的输出光纤的数值孔径小于等于增益模块(10)泵浦光输入端光纤的数值孔径。
5.如权利要求1所述的全光纤结构980nm波段高功率超荧光光源，其特征在于所述第一泵浦模块(21)和第二泵浦模块(22)中的泵浦子模块采用合束结构，即将多个尾纤输出900nm～960nm波段的尾纤输出半导体激光器经过至少一个光纤泵浦合束器合束到一根输出光纤中。
6.如权利要求1所述的全光纤结构980nm波段高功率超荧光光源，其特征在于所述双包层掺镱光纤(12)的纤芯包层直径比大于等于30％。
7.如权利要求1所述的全光纤结构980nm波段高功率超荧光光源，其特征在所述第一输出耦合端(31)和第二输出耦合端(32)采用光纤端面的斜角切割或端帽。
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