CN107732641A - 高功率光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高功率光纤激光器,该光纤激光器光学结构包含残余光收集器、红光/信号光合束器、红光激光器、反向包层光剥模器、正向泵浦泵源模块、正向泵浦/信号合束器、高反光栅、掺杂光纤、低反输出光栅、反向泵浦/信号合束器、反向泵浦泵源模块、正向包层光剥模器、带增透膜端帽的输出光纤。本发明基于线性珐珀谐振腔结构，采用均带有窄带保护滤波器的不同波长的正向、反向泵浦泵源模块，通过正向泵浦/信号合束器和反向泵浦/信号合束器同时从掺杂光纤的前后两端通过高反光栅和低反输出光栅泵浦掺杂光纤，实现了光纤激光器的千瓦级功率稳定输出，且避免了两侧残余泵浦光对泵源芯片的相互损害。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器领域，特别是涉及一种双向泵浦的高功率光纤激光器。
背景技术
近年来，基于全光纤结构的千瓦级掺镱单模光纤激光器，由于具有电光效率高、光束质量好以及稳定可靠等优点，在工业和军事领域均呈现出良好的应用前景，已经广泛应用于普通金属如钢，高反金属如铝、铜等材料切割、焊接、表面处理和3D打印等。
全光纤结构的千瓦级光纤激光器大多采用下列三种激光谐振腔结构，1)通过正向泵浦合束器，多个相同泵源单向泵浦单纤珐珀腔结构；2)通过两个泵浦合束器，其中反向泵浦/信号合束器为侧面泵浦结构，采用多个相同泵源双向泵浦单纤珐珀腔结构；3)采用种子源加放大器的主振荡器功率放大器(MOPA)结构。第一种单向泵浦光纤激光器腔体结构在腔内有源光纤前段部分存在泵浦功率过高，受激自发辐射严重，温度过高，容易导致光纤非线性效应，产生克尔效应和受激拉曼散射，甚至出现多模振荡，影响了激光器的稳定。第二种双向泵浦光纤激光器腔体结构在腔内有源光纤上泵浦光功率分布和温度均匀性较第一种显著改善，但是由于有源光纤纤芯本身对于正向和反向传输泵浦光的有限吸收，内包层中正向传输和反向传输的泵浦光都存在部分残余泵浦光，这些残余泵浦光将通过正向泵浦信号合束器和反向泵浦信号合束器传输到泵浦光纤，进入泵源，从而对泵源芯片造成干扰和伤害，影响泵源的寿命和光纤激光器的稳定性。第三种MOPA结构的光纤激光器由于分为两级，其电路控制及光路结构都较前两种复杂，在脉冲工作状态下其成本、光束质量和工作稳定性逊于单腔结构的光纤激光器。
发明专利CN 104466630A“一种高功率光纤激光器”公开了一种采用双端泵浦结构的高功率光纤激光器，其采用了两段20/400有源光纤，且包层光滤除器位于两段有源光纤的中间，用来剥除两侧相对泵浦的残余泵浦光，该结构属于第二种技术方案。该结构虽然避免了两侧残余泵浦光对泵源芯片的相互损害，但是该结构单侧和单端泵浦形式类似，没有构成泵源对有源光纤的重复泵浦。为了获得高功率光输出，不可避免采用加长有源光纤长度，这样易导致光纤产生受激拉曼效应，影响激光器的稳定输出。再者，其谐振腔内部除了高、低反光纤光栅和有源光纤的熔接点外，又增加了包层光滤除器两端和有源光纤的两个熔接点，这对大功率光纤，尤其是大模场面积双包层光纤来说，多个腔内熔接结点存在容易激发低阶模，腔内损耗增加，又影响激光器的效率和稳定性。此外，其反向后端可能的回光也没有任何处理，该结构激光器可能会存在安全问题。
发明专利CN 103066482 A公布了一种双向泵浦光纤激光器，其在激光器的低反输出光栅的输出端增加分束器，用于分离出激光和残余泵浦光，泵浦反射装置，用于将增益光纤未吸收的残余泵浦光反射后，反向注入增益光纤，该结构类似第二种技术方案。该结构并未有采用反向泵浦光源，仅是把很低功率的正向残余泵浦光反向送回，不能够显著提升激光器的输出功率。
发明内容
为了解决现有三种技术方案存在的以上问题，本发明提出了一种双向泵浦高功率光纤激光器，基于线性珐珀谐振腔结构，采用均带有窄带滤波器的不同波长的正向、反向泵浦泵源模块，通过正向泵浦/信号合束器和反向泵浦/信号合束器同时从掺杂光纤的前后两端通过高反光栅和低反输出光栅泵浦掺杂光纤，实现了光纤激光器的千瓦级功率稳定输出，且避免了两侧残余泵浦光对泵源芯片的相互损害。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种高功率光纤激光器，所述光纤激光器的腔体包括正向泵浦泵源模块、正向泵浦/信号合束器、高反光栅、掺杂光纤、低反输出光栅、反向泵浦/信号合束器和反向泵浦泵源模块；所述掺杂光纤为双包层或三包层结构有源光纤；
所述正向泵浦泵源模块包括多个正向泵浦激光器，所述正向泵浦激光器提供泵浦光经过所述正向泵浦/信号合束器的泵浦光纤汇合传至所述正向泵浦/信号合束器的输出端光纤，正向通过所述高反光栅，进入所述掺杂光纤，大部分泵浦光在传输过程中被掺杂光纤中的掺杂稀土离子吸收，残余的泵浦光经过所述低反输出光栅进入所述反向泵浦/信号合束器；其中大部分残余泵浦光沿着所述反向泵浦/信号合束器的信号光纤继续前行，剩余的小部分残余泵浦光经过所述反向泵浦/信号合束器的泵浦光纤，逆向传输进入所述反向泵浦泵源模块的多个反向泵浦激光器内部；
所述反向泵浦/泵源模块包括多个反向泵浦激光器，所述反向泵浦激光器提供泵浦光经过所述反向泵浦/信号合束器的泵浦光纤汇合传至所述反向泵浦/信号合束器的输出端光纤，反向通过所述低反输出光栅，进入所述掺杂光纤，大部分泵浦光在传输过程中被掺杂光纤中的掺杂稀土离子吸收，残余的泵浦光经过所述高反光栅进入所述正向泵浦/信号合束器，大部分残余泵浦光沿着所述正向泵浦/信号合束器的信号光纤继续前行，剩余的小部分残余泵浦光经过所述正向泵浦/信号合束器的泵浦光纤，逆向传输进入所述正向泵浦泵源模块的多个正向泵浦激光器内部；
无论是正向还是反向传输的泵浦光，在传输过程中被掺杂光纤中的掺杂稀土离子吸收，产生近红外自发辐射荧光，辐射荧光在掺杂光纤内部传输引起受激反射而变强，经过高反光栅和低反输出光栅反馈后，受激发射荧光产生激光，沿掺杂光纤正向经过所述反向泵浦/信号合束器的信号光纤输出激光；
其中，所述正向泵浦激光器与所述反向泵浦激光器的工作波长彼此不同，但都位于所述掺杂光纤的吸收带内，且每个正向泵浦激光器及每个反向泵浦激光器内部都集成了窄带通滤波器，该窄带通滤波器能够在保证本案例正常输出泵浦光的条件下，阻止逆向进入的残余泵浦光及信号光损伤泵浦激光器芯片。
进一步的,所述正向泵浦/信号合束器前面设有用于剥除反向传输的残余泵浦光和泄漏到所述正向泵浦/信号合束器的信号光纤内包层中的信号光的反向包层光剥模器，所述反向泵浦/信号合束器的后面设有用于剥除正向传输的残余泵浦光和泄漏到所述反向泵浦/信号合束器的信号光纤内包层中的信号光的正向包层光剥模器。
进一步的,所述正向泵浦/信号合束器及所述反向泵浦/信号合束器均采用双包层或三包层结构的无源光纤传输信号光，该无源光纤的纤芯及内包层的数值孔径与所述掺杂光纤的纤芯及内包层的数值孔径相同或者极为接近，且所述无源光纤纤芯的几何直径不小于所述掺杂光纤纤芯的几何直径，所述无源光纤内包层的直径和所述掺杂光纤的内包层直径相同或者极度接近。
进一步的,在所述反向泵浦/信号合束器采用较大纤芯直径的无源光纤时，其信号光纤的信号输入端连接有一个模式适配器。
进一步的,所述正向泵浦/信号合束器为端面泵浦结构的泵浦光和信号光合束器，或者为侧面泵浦结构的泵浦光和信号光合束器；所述反向泵浦/信号合束器为端面泵浦结构的泵浦光和信号光合束器，或者为侧面泵浦结构的泵浦光和信号光合束器。
进一步的，所述反向泵浦激光器和所述正向泵浦激光器均为光纤输出9xxnm系列大功率半导体激光器，其输出波长覆盖900nm至980nm；所述反向泵浦激光器工作波长与所述正向泵浦激光器的工作波长不同且间隔一设定宽度。
进一步的，所述正向包层光剥模器的输出端通过模式转换器连接一纤芯直径不小于所述掺杂光纤纤芯直径的输出光纤，且所述输出光纤带有端帽输出头。
进一步的,还包括残余光收集器、红光/信号光合束器和红光激光器，经过所述高反光栅反向漏出的部分激光，经过所述正向泵浦/信号合束器的信号光纤，穿过所述反向包层光剥模器后穿过所述指示红光/信号光合束器，泄放到所述残余光收集器，转化成热量散失；所述红光激光器发出红色指示激光，经过所述指示红光/信号光合束器后，进入所述反向包层光剥模器的纤芯内部，通过所述正向泵浦/信号合束器的信号光纤纤芯，经所述高反光栅、所述掺杂光纤、所述低反输出光栅、所述反向泵浦/信号合束器、所述正向包层光剥模器，最后通过所述输出光纤纤芯经其端帽输出，用来指示激光的位置。
进一步的,所述掺杂光纤中的掺杂稀土离子为三价镱离子，或三价铥离子，或三价铒离子，或三价铒离子和三价镱离子共掺。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种双向泵浦高功率光纤激光器，基于线性珐珀谐振腔结构，采用均带有窄带滤波器的不同波长的正向、反向泵浦泵源模块，通过正向泵浦/信号合束器和反向泵浦/信号合束器同时从掺杂光纤的前后两端通过高反光栅和低反输出光栅泵浦掺杂光纤，实现了光纤激光器的千瓦级功率稳定输出，且避免了两侧残余泵浦光对泵源芯片的相互损害。且通过在正向泵浦/信号合束器前面和和反向泵浦/信号合束器的后面各放置一个剥模器，实现了剥除正向传输和反向传输的残余泵浦光和泄漏到泵浦/信号合束器的信号光纤内包层中的信号光的功能。更佳的，在正向包层光剥模器的输出端通过模式转换器连接一纤芯直径不小于掺杂光纤纤芯直径的输出光纤，降低了光纤激光器的非线性效应；优选的，输出光纤为带增透膜端帽的输出光纤，实现了承载千瓦以上的激光输出功率。
相对于现有技术中双向泵浦结构的光纤激光器，本发明双向泵浦高功率光纤激光器解决了双向泵浦结构中，正向和反向传输的泵浦光对泵源芯片造成相互干扰和伤害的问题，从而提高了泵源的寿命和光纤激光器的稳定性；且本发明双向泵浦高功率光纤激光器采用正向泵浦信号合束器和反向泵浦信号合束器同时从掺杂光纤的前后两端通过高反光栅和低反输出光栅泵浦有源光纤，构成正向和反向泵源对有源光纤的重复泵浦，显著提升激光器的输出功率，能够实现光纤激光器的千瓦级功率稳定输出，且在谐振腔内部除了高、低反输出光栅和有源光纤的熔接点外，没有增加其他熔接点，这对大功率光纤，尤其是大模场面积双包层光纤来说，避免了损耗增加及腔内低阶模激发，保证了激光器的效率和稳定性。且通过设置残余光收集器实现了对反向后端可能的回光的处理，解决了激光器可能会存在的安全问题。
附图说明
图1为本发明高功率光纤激光器的结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明，其目的仅在于更好理解本发明的内容而非限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种高功率光纤激光器，光纤激光器的腔体包括正向泵浦泵源模块、正向泵浦/信号合束器6、高反光栅7、掺杂光纤8、低反输出光栅9、反向泵浦/信号合束器10和反向泵浦泵源模块；掺杂光纤为双包层或三包层结构有源光纤；
正向泵浦泵源模块包括多个正向泵浦激光器5，正向泵浦激光器5提供泵浦光经过正向泵浦/信号合束器6的泵浦光纤汇合传至正向泵浦/信号合束器6的输出端光纤，正向通过高反光栅7，进入掺杂光纤8，大部分泵浦光在传输过程中被掺杂光纤8中的掺杂稀土离子吸收，残余的泵浦光经过低反输出光栅9进入反向泵浦/信号合束器10；大部分残余泵浦光沿着反向泵浦/信号合束器10的信号光纤继续前行，剩余的小部分残余泵浦光经过反向泵浦/信号合束器10的泵浦光纤，逆向传输进入反向泵浦泵源模块的多个反向泵浦激光器11内部；
反向泵浦/泵源模块包括多个反向泵浦激光器11，反向泵浦激光器11提供泵浦光经过反向泵浦/信号合束器10的泵浦光纤汇合传至反向泵浦/信号合束器10的输出端光纤，反向通过低反输出光栅9，进入掺杂光纤8，大部分泵浦光在传输过程中被掺杂光纤8中的掺杂稀土离子吸收，残余的泵浦光经过高反光栅7进入正向泵浦/信号合束器6，大部分残余泵浦光沿着正向泵浦/信号合束器6的信号光纤继续前行，剩余的小部分残余泵浦光经过正向泵浦/信号合束器6的泵浦光纤，逆向传输进入正向泵浦泵源模块的多个正向泵浦激光器5内部；
无论是正向还是反向传输的泵浦光，在传输过程中被掺杂光纤8中的掺杂稀土离子吸收，产生近红外自发辐射荧光，辐射荧光在掺杂光纤8内部传输引起受激发射而放大变强，经过高反光栅7和低反输出光栅9反馈后，受激发射荧光产生激光，沿掺杂光纤8正向经过反向泵浦/信号合束器10的信号光纤输出激光；
其中，正向泵浦激光器5与反向泵浦激光器11的工作波长彼此不同，但都位于掺杂光纤8的吸收带内，且每个正向泵浦激光器5及每个反向泵浦激光器11内部都集成了窄带通滤波器，该窄带通滤波器能够在保证本案例正常输出泵浦光的条件下，阻止逆向进入的残余泵浦光及信号光。
上述结构中，正向泵浦/信号合束器连接一组正向泵浦激光器5，即为正向泵浦泵源模块，反向泵浦/信号合束器连接一组反向泵浦激光器11，即反向泵浦泵源模块。每个泵浦泵源模块包括多个波长相同的、功率相等或不等的高功率半导体激光器；通过将正向泵浦激光器5和反向泵浦激光器11的输出波长设置为互不相同且保持适度间隔，并在每个泵浦泵源模块内部的高功率半导体激光器内集成窄带通滤波器，实现了保护正向泵浦激光器5和反向泵浦激光器11内部芯片的功能。也就是说每个泵浦泵源模块的激光器内部的窄带通滤波器对于该泵浦泵源模块的输出的泵浦光波长都具有高透过率，对于其他泵浦泵源模块输出的泵浦光波长和光纤激光器输出的信号激光波长具有高反射率，从而可确保自己模块内部的半导体激光器芯片不受对面残余泵浦光和光纤激光器纤芯耦合到泵浦光纤的信号光的伤害，实现光纤激光器的千瓦级功率稳定输出。
优选的，正向泵浦/信号合束器6前面设有用于剥除反向传输的残余泵浦光和泄漏到正向泵浦/信号合束器6的信号光纤内包层中的信号光的反向包层光剥模器4，反向泵浦/信号合束器10的后面设有用于剥除正向传输的残余泵浦光和泄漏到反向泵浦/信号合束器10的信号光纤内包层中的信号光的正向包层光剥模器12。这样，通过在正向泵浦/信号合束器前面和和反向泵浦/信号合束器的后面各放置一个剥模器，实现了剥除正向传输和反向传输的残余泵浦光和泄漏到反向泵浦/信号合束器的内包层中的信号光，进一步避免了两侧残余泵浦光对泵源芯片的相互损害。
由于本发明中掺杂光纤为双包层或三包层结构有源光纤；优选的，正向泵浦/信号合束器6及反向泵浦/信号合束器10均采用对应的双包层或三包层结构的无源光纤传输信号光，更优选的，掺杂光纤采用双包层有源光纤，而正向泵浦/信号合束器6及反向泵浦/信号合束器10的信号光纤均采用双包层无源光纤，该无源光纤的纤芯及内包层的数值孔径与掺杂光纤8的纤芯及内包层的数值孔径相同或者极为接近，且无源光纤纤芯的几何直径不小于掺杂光纤8纤芯的几何直径，无源光纤内包层的直径和掺杂光纤8的内包层直径相同或者极度接近。在反向泵浦/信号合束器10中信号光纤采用较大纤芯直径的无源光纤时，其信号光纤的信号输入端连接有一个模式适配器，以保证反向泵浦/信号合束器10信号光的插入损耗要求小于0.7dB,愈小愈好，一般要求小于0.5dB。泵浦光的耦合效率一般要求大于90％，最好大于95％，信号光和泵浦光的隔离度最好大于20dB。
正向泵浦/信号合束器6可以为端面泵浦结构的泵浦光和信号光合束器，或者为侧面泵浦结构的泵浦光和信号光合束器；反向泵浦/信号合束器10可以为端面泵浦结构的泵浦光和信号光合束器，或者为侧面泵浦结构的泵浦光和信号光合束器。考虑到泵浦光和信号光的高隔离度对泵源的保护作用，更优先选用侧面泵浦结构的泵浦/信号合束器，但并不排除端面泵浦结构的泵浦/信号合束器。
本发明中高功率光纤激光器的正向、反向泵浦/信号合束器的泵浦光纤规格一般为光纤直径纤芯105um/包层125um/数值孔径0.15～0.22，或者纤芯135um/包层155um/数值孔径0.15～0.22，或者纤芯200um/包层220um/数值孔径0.15～0.22的传输光纤。泵浦端口数可以是2～18个，且正向和反向泵浦/信号合束器的端口数可以不同。
本发明中高功率光纤激光器的反向泵浦激光器11和正向泵浦激光器5均为光纤输出9xxnm系列大功率半导体激光器，其输出波长覆盖900nm至980nm；其中尤以中心波长在915nm，942nm,955nm和976nm附近，带宽小于±10nm为最佳。传输光纤规格一般为光纤直径为纤芯105um/包层125um/数值孔径0.15～0.22，或者纤芯135um/包层155um/数值孔径0.15～0.22，或者纤芯200um/包层220um/数值孔径0.15～0.22的传输光纤。正向泵浦激光器5的工作波长和反向泵浦激光器11的工作波长并没有严格限制，可以选择有源双包层光纤吸收带范围内任意两个不同的波长，只要他们之间间隔足够宽，以保证可以制作泵浦激光器保护滤波器。针对目前市场上商业化激光器产品，主要有915nm、942nm、955nm和976nm的四个不同波长，本案例可以选择其中任意两个波长组合，且不限制其用于正向、反向泵浦泵源。其中尤以中心波长在915nm，942nm,955nm和976nm附近，带宽小于±10nm为最佳。
本发明中光纤激光器中的掺杂光纤优选为双包层有源光纤，主要包括但不限于大模场双包层掺杂光纤，其有效模场直径覆盖9um～25um左右，尤以纤芯几何直径为10um,12um,14um,和20um等芯径双包层有源光纤为佳；双包层掺杂光纤内包层直径可以在125～500um,尤以几何直径为125um,200um,250um,和400um等芯径双包层有源光纤为佳，内包层几何形状可以为D形，六边形和八边形等几何形状。
本发明中双包层或者三包层结构有源光纤的纤芯掺杂稀土工作离子，包括三价镱(Yb3+)离子，或铥(Tm3+)离子，或铒(Er3+)离子，或三价铒离子和三价镱离子共掺(Er3+Yb3+)等，其中以Yb3+离子为优选。
优选的，正向包层光剥模器12的输出端通过模式转换器连接一纤芯直径不小于掺杂光纤8纤芯直径的输出光纤13，以降低光纤激光器的非线性效应；且该输出光纤的纤芯直径不小于正向包层光剥模器12光纤纤芯直径，并带有端帽输出头，可以承载千瓦以上的激光输出功率。优选的，输出光纤为带增透膜端帽的输出光纤。
优选的，本发明高功率光纤激光器还包括残余光收集器1、红光/信号光合束器2和红光激光器3，经过高反光栅7反向漏出的部分激光，经过正向泵浦/信号合束器6的信号光纤，穿过反向包层光剥模器4后穿过指示红光/信号光合束器2，泄放到残余光收集器1，转化成热量散失；红光激光器3发出红色指示激光，经过指示红光/信号光合束器2后，进入反向包层光剥模器4的纤芯内部，通过正向泵浦/信号合束器6的信号光纤纤芯，经高反光栅7、掺杂光纤8、低反输出光栅9、反向泵浦/信号合束器10、正向包层光剥模器12，最后通过输出光纤13纤芯经其端帽输出，用来指示激光的位置。
以下通过具体实施例对本发明进一步说明，本案例中提出的是一种基于双向泵浦结构的千瓦级高功率掺镱双包层单模光纤激光器。
本案例采用美国Nlight公司生产的Liekki Yb1200-14/250双包层有源光纤为工作物质(掺杂光纤)，两种不同波长的泵浦泵源模块双向泵浦光纤激光器。该光纤激光器腔体包含残余光收集器1、指示红光/信号光合束器2、红光激光器3、反向包层光剥模器4，正向泵浦泵源模块、正向泵浦/信号合束器6、高反光栅7、掺杂光纤8、低反输出光栅9、反向泵浦/信号合束器10、反向泵浦泵源模块11、正向包层光剥模器12，带增透膜端帽的输出光纤13。
本案例中正向泵浦/信号合束器6和反向泵浦/信号合束器10，均为端面泵浦结构(18+1)X1泵浦/信号合束器，其中泵浦光纤规格为光纤直径105um纤芯/125um包层/0.17数值孔径。正向泵浦/信号合束器6的信号光纤为Nlight Liekki passive-14/250DC无源双包层光纤，反向泵浦/信号合束器10信号光纤为Nlight Liekki passive-25/250DC无源双包层光纤。在反向泵浦/信号合束器10的信号输入端包含了一个模式转换器，实现passive-14/250DC光纤到passive-25/250DC光纤的模式转换。此时该反向泵浦/信号合束器10信号光的插入损耗要求小于0.7dB,愈小愈好，一般要求小于0.5dB。泵浦光的耦合效率一般要求大于93％，最好大于95％，信号光和泵浦光的隔离度要求大于20dB。
本案例中正向泵浦泵源模块可包含多达18个正向泵浦激光器5，正向泵浦激光器5提供泵浦光经过正向泵浦/信号合束器6的泵浦光纤汇合传至合束器的输出端信号光纤，通过高反光栅7，进入掺杂光纤并沿着双包层光纤正向传播，大部分泵浦光在传输过程中被掺杂光纤中的掺杂稀土离子吸收，经过掺杂光纤后，残余的泵浦光经过低反输出光栅9进入反向泵浦/信号合束器10，大部分残余泵浦光沿着正向泵浦/信号合束器的双包层输出光纤继续前行，经正向包层光剥模器12剥除，但是还有一小部分残余泵浦光经过合束器的泵浦光纤，逆向传输进入反向泵浦泵源模块11内的反向泵浦激光器11内部。反向泵浦泵源模块11同样可含有多达18个反向泵浦激光器11，反向泵浦激光器11提供泵浦光经过反向泵浦/信号合束器10的泵浦光纤汇合传至反向泵浦/信号合束器的输出光纤，反向通过低反输出光栅9，进入掺杂光纤8并沿着掺杂光纤反向传播，大部分泵浦光在传输过程中被掺杂光纤中的掺杂稀土离子吸收，同样，穿过掺杂光纤8后，残余的泵浦光经过高反光栅7进入正向泵浦/信号合束器6，大部分残余泵浦光沿着正向泵浦/信号合束器6的信号光纤继续前行，经反向包层光剥模器4剥除，但是还有一小部分残余泵浦光经过正向泵浦/信号合束器6的泵浦光纤，逆向传输进入正向泵浦泵源模块内的正向泵浦激光器5内部。
本案例中正向泵浦泵源模块内部的泵浦激光器的工作波长为915±10nm,位于掺杂光纤8的吸收带内。正向泵浦泵源模块的每个正向泵浦激光器5内部都集成了保护窄带通滤波器，该窄带通滤波器在波长915±10nm处透过率大于98.5％，在其他波段具有高反射率，其中在955±10nm和1070～1085nm反射率至少大于98.5％，保证本案例正常输出正向915nm泵浦光的条件下，阻止逆向进入的来自反向泵浦泵源模块的955nm残余泵浦光和1080nm信号光；
本案例中反向泵浦泵源模块内部的反向泵浦激光器11的工作波长在955±10nm，同样位于掺杂光纤的吸收带内。反向泵浦泵源模块的每个反向泵浦激光器11内部也集成了保护窄带通滤波器，该窄带通滤波器在955±10nm泵浦光处的透过率大于98.5％，在其他波段具有高反射率，其中在915±10nmnm和1070～1085nm反射率至少大于98.5％保证本案例正常输出955nm反向泵浦光，阻止来自正向泵浦泵源模块的915nm残余泵浦光和1080nm信号光。
本案例激光器中选择正向泵浦泵源模块内正向泵浦激光器5的工作波长为915nm，反向泵浦泵源模块内反向泵浦激光器11的工作波长为955nm，并没有严格限制，二者可以互换。
本案例激光器中正向泵浦泵源模块内正向泵浦激光器5的工作波长和反向泵浦模块11内反向泵浦激光器11的工作波长并没有严格限制，理论上二者可以选择在掺杂光纤吸收带范围内任意两个不同的波长，只要他们之间间隔足够宽，以保证可以制作泵浦激光器保护滤波器。考虑到目前半导体厂商能够提供的商业化的激光器产品，主要有915nm,942nm955nm976nm的四个不同波长，且其间隔足够保证能够制作对应的保护滤波器，本案例可以选择其中任意两个波长组合，且其正向、反向泵浦没有限制。
本案例中无论是正向还是反向传输的泵浦光，在传输过程中被掺杂光纤8中的掺杂稀土Yb3+离子吸收，产生近红外自发辐射荧光，辐射荧光在掺杂光纤8内部传输引起受激反射而放大变强，经过高反光栅7和低反输出光栅9反馈后，受激发射荧光产生激光，沿掺杂光纤8正方向经过反向泵浦/信号合束器10的信号光纤，正向包层光剥模器12，最后经带有端帽的输出光纤13输出激光。
经过高反光栅7反向漏出的部分激光，经过正向泵浦/信号合束器6的信号纤，穿过反向包层光剥模器4后穿过指示红光/信号光合束器2，泄放到残余光收集器1，转化成热量散失。
红光激光器3发出红色指示激光，经过红光/信号光合束器2后，进入反向包层光剥模器4的纤芯内部，通过正向泵浦/信号合束器6的信号纤纤芯，经高反光栅7，掺杂光纤8，低反输出光栅9，反向泵浦/信号合束器10，正向包层光剥模器12，最后通过输出光纤13纤芯经端帽输出，用来指示激光的位置。
本案例激光器中正向泵浦泵源模块连接了9个输出功率100W波长为915nm正向泵浦激光器5，反向泵浦泵源模块11也有9个输出功率100W波长为955nm反向泵浦激光器11，本案例可以实现1080nm1200W激光输出功率。
本案例输出端采用带增透膜的抗高功率光损伤的端帽结构，输出光纤为NlightLiekkipassive-25/250DC无源双包层光纤,可以实现单模功率输出千瓦以上。
相对于现有技术中双向泵浦结构的光纤激光器，本发明双向泵浦高功率光纤激光器解决了双向泵浦结构中，正向和反向传输的泵浦光对泵源芯片造成相互干扰和伤害的问题，从而提高了泵源的寿命和光纤激光器的稳定性；且本发明双向泵浦高功率光纤激光器采用正向泵浦信号合束器和反向泵浦信号合束器同时从掺杂光纤的前后两端通过高反光栅和低反输出光栅泵浦有源光纤，构成正向和反向泵源对有源光纤的重复泵浦，显著提升激光器的输出功率，能够实现光纤激光器的千瓦级功率稳定输出，且在谐振腔内部除了高、低反光栅和有源光纤的熔接点外，没有增加其他熔接点，这对高功率光纤激光器来说，避免了损耗增加，腔内低阶模激发，保证了激光器的效率和稳定性。且通过设置残余光收集器实现了对反向后端出射回光的处理，解决了激光器可能会存在的安全问题。
以上实施例是参照附图，对本发明的优选实施例进行详细说明。本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改或变更，但不背离本发明的实质的情况下，都落在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高功率光纤激光器，其特征在于：所述光纤激光器的光学结构腔体包括正向泵浦泵源模块、正向泵浦/信号合束器、高反光栅、掺杂光纤、低反输出光栅、反向泵浦/信号合束器和反向泵浦泵源模块；所述掺杂光纤为双包层或三包层结构有源光纤；
所述正向泵浦泵源模块包括多个正向泵浦激光器，所述正向泵浦激光器提供泵浦光经过所述正向泵浦/信号合束器的泵浦光纤汇集传至所述正向泵浦/信号合束器的输出端光纤，正向通过所述高反光栅，进入所述掺杂光纤，大部分泵浦光在传输过程中被掺杂光纤中的掺杂稀土离子吸收，残余的泵浦光经过所述低反输出光栅进入所述反向泵浦/信号合束器；大部分残余泵浦光沿着所述反向泵浦/信号合束器的信号光纤继续前行，剩余的小部分残余泵浦光经过所述反向泵浦/信号合束器的泵浦光纤，逆向传输进入所述反向泵浦泵源模块的多个反向泵浦激光器内部；
所述反向泵浦/泵源模块包括多个反向泵浦激光器，所述反向泵浦激光器提供泵浦光经过所述反向泵浦/信号合束器的泵浦光纤汇集传输至所述反向泵浦/信号合束器的输出端光纤，反向通过所述低反输出光栅，进入所述掺杂光纤，大部分泵浦光在传输过程中被掺杂光纤中的掺杂稀土离子吸收，残余的泵浦光经过所述高反光栅进入所述正向泵浦/信号合束器，大部分残余泵浦光沿着所述正向泵浦/信号合束器的信号光纤继续前行，剩余的小部分残余泵浦光经过所述正向泵浦/信号合束器的泵浦光纤，逆向传输进入所述正向泵浦泵源模块的多个正向泵浦激光器内部；
无论是正向还是反向传输的泵浦光，在传输过程中被掺杂光纤中的掺杂稀土离子吸收，产生近红外自发辐射荧光，辐射荧光在掺杂光纤内部传输引起受激发射而变强，经过高反光栅和低反输出光栅反馈后，受激发射荧光产生激光，沿掺杂光纤正向经过所述反向泵浦/信号合束器的信号光纤输出激光；
其中，所述正向泵浦激光器与所述反向泵浦激光器的工作波长彼此不同，但都位于所述掺杂光纤的吸收带内，且每个正向泵浦激光器及每个反向泵浦激光器内部都集成了窄带通滤波器，该窄带通滤波器能够在保证本案例正常输出泵浦光的条件下，阻止逆向进入的残余泵浦光及信号光损伤泵浦激光器芯片。
2.根据权利要求1所述的高功率光纤激光器，其特征在于：所述正向泵浦/信号合束器前面设有用于剥除反向传输的残余泵浦光和泄漏到所述正向泵浦/信号合束器的信号光纤内包层中的信号光的反向包层光剥模器，所述反向泵浦/信号合束器的后面设有用于剥除正向传输的残余泵浦光和泄漏到所述反向泵浦/信号合束器的信号光纤内包层中的信号光的正向包层光剥模器。
3.根据权利要求1所述的高功率光纤激光器，其特征在于：所述正向泵浦/信号合束器及所述反向泵浦/信号合束器均采用双包层或三包层结构的无源光纤传输信号光，该无源光纤的纤芯及内包层的数值孔径与所述掺杂光纤的纤芯及内包层的数值孔径相同或者极为接近，且所述无源光纤纤芯的几何直径不小于所述掺杂光纤纤芯的几何直径，所述无源光纤内包层的直径和所述掺杂光纤的内包层直径相同或者极度接近。
4.根据权利要求3所述的高功率光纤激光器，其特征在于：在所述反向泵浦/信号合束器采用较大纤芯直径的无源光纤时，其信号光纤的信号输入端连接有一个模式适配器。
5.根据权利要求1所述的高功率光纤激光器，其特征在于：所述正向泵浦/信号合束器为端面泵浦结构的泵浦光和信号光合束器，或者为侧面泵浦结构的泵浦光和信号光合束器；所述反向泵浦/信号合束器为端面泵浦结构的泵浦光和信号光合束器，或者为侧面泵浦结构的泵浦光和信号光合束器。
6.根据权利要求1所述的高功率光纤激光器，其特征在于：所述反向泵浦激光器和所述正向泵浦激光器均为光纤输出9xxnm系列大功率半导体激光器，其输出波长覆盖900nm至980nm；所述反向泵浦激光器工作波长与所述正向泵浦激光器的工作波长不同且间隔一设定宽度。
7.根据权利要求2所述的高功率光纤激光器，其特征在于：所述正向包层光剥模器的输出端通过模式转换器连接一纤芯直径不小于所述掺杂光纤纤芯直径的输出光纤，且所述输出光纤带有端帽输出头。
8.根据权利要求8所述的高功率光纤激光器，其特征在于：还包括残余光收集器、红光/信号光合束器和红光激光器，经过所述高反光栅反向漏出的部分激光，经过所述正向泵浦/信号合束器的信号光纤，穿过所述反向包层光剥模器后穿过所述指示红光/信号光合束器，泄放到所述残余光收集器，转化成热量散失；所述红光激光器发出红色指示激光，经过所述指示红光/信号光合束器后，进入所述反向包层光剥模器的纤芯内部，通过所述正向泵浦/信号合束器的信号光纤纤芯，经所述高反光栅、所述掺杂光纤、所述低反输出光栅、所述反向泵浦/信号合束器、所述正向包层光剥模器，最后通过所述输出光纤纤芯经其端帽输出，用来指示激光的位置。
9.根据权利要求1所述的高功率光纤激光器，其特征在于：所述掺杂光纤中的掺杂稀土离子为三价镱离子，或三价铥离子，或三价铒离子，或三价铒离子和三价镱离子共掺。
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