CN106848815A - 一种基于载氢光纤的大功率随机光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于载氢光纤的大功率随机光纤激光器。将被动光纤放置在高压氢气钢瓶中长时间方式以实施载氢，让氢分子扩散至光纤纤芯中，再运用紫外激光辐照载氢后的光纤，增加光纤的瑞利散射。在此基础上，可以用较短长度的光纤保持较强的随机分布式反馈，同时并未提高激光器的出光阈值，突破了仅仅缩短光纤长度带来的技术瓶颈。可实现更高功率输出，具有先进性和实用性。

Description

一种基于载氢光纤的大功率随机光纤激光器
技术领域
本发明属于光纤激光技术领域，涉及一种基于载氢光纤的大功率随机光纤激光器。
背景技术
随机光纤激光器利用长距离被动光纤中微弱的瑞利散射提供随机分布式反馈，同时利用被动光纤中受激拉曼散射(SRS)的非线性效应提供增益，实现在“无谐振腔”、“无增益光纤”条件下的激光输出。由于利用无序介质中的瑞利散射提供随机反馈，不需要严格的谐振腔结构，随机光纤激光器具有结构简单、无纵模、转换效率高、光谱平滑等特点，是激光技术领域的研究热点。早期的随机光纤激光研究主要面对通信、传感、成像等领域，激光功率需求不高，一般在瓦级以内；近年来，随着泵浦能力的提升和激光器参数的不断优化，随机光纤激光器已经实现百瓦级功率输出，有望成为一种新型高功率光纤光源。
在早期的研究过程中，随机光纤激光器中被动光纤的长度一般在数公里以上，以保证充足的分布式反馈。理论研究表明，随机光纤激光器结构中长距离被动光纤使得高阶拉曼光的阈值较低，因而输出功率达到一定水平后，二阶拉曼光会很快产生并导致一阶拉曼光功率无法提升，这是目前随机光纤激光输出功率提升最主要的限制因素。二阶拉曼光的产生还会降低激光器的光光转换效率。为实现更高功率输出，可以采用缩短光纤长度的办法，当前百瓦级以上高功率随机光纤激光器一般都采用数百米长度的被动光纤。但缩短光纤长度而不采取其他的技术手段，会使得随机分布式反馈减弱，提高激光器的出光阈值，增加了大功率输出的难度。因此，如果能够提高光纤自身的瑞利散射强度同时不引入附加损耗，则有望进一步缩短光纤长度并保持随机分布式反馈的强度，从而提高随机光纤激光器的输出功率。
发明内容
本发明的目的是提出基于光纤载氢技术的大功率随机光纤激光器实现方案，以进一步提升随机光纤激光器的输出功率。其基本思想是：将被动光纤放置在高压氢气钢瓶中长时间方式以实施载氢，让氢分子扩散至光纤纤芯中，再运用紫外激光辐照载氢后的光纤，增加光纤的瑞利散射。在此基础上，可以用较短长度的光纤保持较强的随机分布式反馈，同时并未提高激光器的出光阈值，突破了仅仅缩短光纤长度带来的技术瓶颈。需要说明的是，被动光纤的载氢过程是制备光纤光栅的标准步骤，已经非常成熟，可以在已有的光纤光栅制备系统中直接操作。
一种基于载氢光纤的大功率随机光纤激光器包括：泵浦源和被动光纤，其中泵浦源的输出端与被动光纤采用熔接的方式加以连接；被动光纤的另一端切斜角以抑制本端面反馈，并作为随机激光的输出端，泵浦源输出端的光纤与被动光纤一致；
泵浦源：可以是常规的光纤激光器，也可以是光纤耦合的半导体激光器或固体激光器。激光由光纤耦合输出，光纤纤芯的直径与后文所述被动光纤纤芯的直径一致，光纤纤芯的数值孔径与后文所述被动光纤纤芯的数值孔径一致，激光的中心波长、线宽、偏振等特性没有特殊要求；输出功率大于10瓦，以实现随机光纤激光高功率输出；
被动光纤：常规的石英基光纤，由纤芯、包层和涂覆层组成。泵浦光和产生的激光在纤芯中传输。被动光纤放置在高压氢气钢瓶中长时间方式以实施载氢，让氢分子扩散至光纤纤芯中，再运用紫外激光辐照载氢后的光纤，增加光纤的瑞利散射；
所述基于载氢光纤的大功率随机光纤激光器，还可包括波分复用器，设置在泵浦源和被动光纤之间，具体为：泵浦源的输出端与波分复用器的泵浦端采用熔接的方式加以连接，波分复用器的公共端与被动光纤采用熔接的方式加以连接；被动光纤的另一端切斜角以抑制端面反馈，并作为随机激光的输出端，波分复用器的信号端也是随机激光的输出端，泵浦源输出端的光纤、波分复用器泵浦端、信号端和公共端所用的光纤均与被动光纤一致。
与以往技术相比，本发明突破了仅仅缩短光纤长度引入的功率提升技术瓶颈，可实现更高功率输出，具有先进性和实用性。
附图说明
图1是本发明基于载氢光纤的大功率随机光纤激光器的结构示意图1，
图2是本发明基于载氢光纤的大功率随机光纤激光器的结构示意图2。
具体实施方式
下面结合图示对本发明进行进一步说明。图1所示的大功率随机光纤激光器包括泵浦源(2)和载氢后的被动光纤(3)等2个部分。其中泵浦源(2)的输出端与被动光纤(3)采用熔接的方式加以连接；被动光纤(3)的另一端切斜角以抑制端面反馈，并作为随机激光的输出端。泵浦源(2)输出端的光纤与被动光纤(3)一致。图中“x”表示熔接点，“\”表示切斜角。
图2是大功率随机光纤激光器的另一种实现方案，它包括泵浦源(2)、被动光纤(3)和波分复用器(4)等3个部分。其中泵浦源(2)的输出端与波分复用器(4)的泵浦端采用熔接的方式加以连接，波分复用器(4)的公共端与被动光纤(3)采用熔接的方式加以连接；被动光纤(3)的另一端切斜角以抑制端面反馈，并作为随机激光的输出端，波分复用器(4)的信号端也是随机激光的输出端。泵浦源(2)输出端的光纤、波分复用器(4)泵浦端、信号端和公共端所用的光纤均与被动光纤(3)一致。图中“x”表示熔接点，“\”表示切斜角。
下面给出本发明两种结构示意图对应的具体实施例：
对于图1所示的大功率随机光纤激光器，泵浦源(2)为掺镱光纤激光器，其输出激光中心波长为1070nm，输出功率为1000瓦，10dB线宽为5nm。泵浦源(2)的输出端光纤为双包层光纤，纤芯直径为20μm，数值孔径为0.06；被动光纤(3)的纤芯直径为20μm，数值孔径为0.06，输出端切8度斜角；在先技术研究表明，被动光纤载氢后，瑞利散射系数可以增加一个量级，因此使用100米的被动光纤既可以保证瑞利散射提供的随机分布式反馈，可实现1120nm一阶拉曼光输出。考虑到1070nm激光到1120nm激光的量子亏损，理想情形下，激光的转换效率可达95％；扣除光纤的传输损耗，可以获得大于900瓦的随机光纤激光输出。高于目前公开报道的200瓦功率输出这一随机光纤激光的最高输出功率值。
对于图2所示的大功率随机光纤激光器，泵浦源(2)为掺镱光纤激光器，其输出激光中心波长为1070nm，输出功率为1000瓦，10dB线宽为5nm。泵浦源(2)的输出端光纤为双包层光纤，纤芯直径为10μm，数值孔径为0.12；经过波分复用器(4)后，1070nm激光约为950瓦(一般考虑5％左右的损耗)，波分复用器的泵浦端工作波长为1070nm，工作线宽大于5nm，信号端工作波长为1120nm，工作线宽大于5nm，公共端能同时传输1070nm和1120nm的激光；被动光纤(4)的长度为300米，传输损耗为0.3dB/公里，纤芯直径为10μm，数值孔径为0.12，输出端切8度斜角。在先技术研究表明，被动光纤载氢后，瑞利散射系数可以增加一个量级，因此使用50米的被动光纤既可以保证瑞利散射提供的随机分布式反馈，可实现1120nm一阶拉曼光输出。考虑到1070nm激光到1120nm激光的量子亏损，理想情形下，激光的转换效率可达95％；扣除光纤的传输损耗，可以获得大于900瓦的随机光纤激光输出。高于目前公开报道的200瓦功率输出这一随机光纤激光的最高输出功率值。

Claims (2)

1.一种基于载氢光纤的大功率随机光纤激光器，包括：泵浦源和被动光纤，其特征在于，泵浦源的输出端与被动光纤采用熔接的方式加以连接；被动光纤的另一端切斜角以抑制本端面反馈，并作为随机激光的输出端，泵浦源输出端的光纤与被动光纤一致；
所述泵浦源：可以是常规的光纤激光器，也可以是光纤耦合的半导体激光器或固体激光器，激光由光纤耦合输出，光纤纤芯的直径与被动光纤纤芯的直径一致，光纤纤芯的数值孔径与被动光纤纤芯的数值孔径一致，激光的中心波长、线宽、偏振特性没有特殊要求；输出功率大于10瓦，以实现随机光纤激光高功率输出；
所述被动光纤：常规的石英基光纤，被动光纤放置在高压氢气钢瓶中长时间方式以实施载氢，让氢分子扩散至光纤纤芯中，再运用紫外激光辐照载氢后的光纤，增加光纤的瑞利散射。
2.根据权利要求1所述的一种基于载氢光纤的大功率随机光纤激光器，其特征在于，所述基于载氢光纤的大功率随机光纤激光器，还可包括波分复用器，设置在泵浦源和被动光纤之间，具体为：泵浦源的输出端与波分复用器的泵浦端采用熔接的方式加以连接，波分复用器的公共端与被动光纤采用熔接的方式加以连接；被动光纤的另一端切斜角以抑制本端面反馈，并作为随机激光的输出端，波分复用器的信号端也是随机激光的输出端，泵浦源输出端的光纤、波分复用器泵浦端、信号端和公共端所用的光纤均与被动光纤一致。
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