CN107831567A - 一种增益光纤及其制备方法、增益激光放大器 - Google Patents

Abstract

本发明实施方式涉及光学技术领域，特别是涉及一种增益光纤及其制备方法，增益激光放大器。该增益光纤包括：本体部和锥部,锥部从本体部的一端延伸而出,锥部包括用于接收入射光的端面,锥部的横截面沿端面至本体部的方向,逐渐增大。本发明实施例提供的增益光纤的一端具有锥形结构，一方面，在同等增益的情况下，具有更大的纤芯直径，从而显著的降低非线性效应；另一方面，经过锥部的过渡以后，在支持多个高阶模式的情况下，仍然能够实现接近单模的光束质量输出，确保输出光束的质量。

Description

一种增益光纤及其制备方法、增益激光放大器

技术领域

本发明实施方式涉及光学技术领域，特别是涉及一种增益光纤及其制备方法，增益激光放大器。

背景技术

在基于主振荡器功率放大器结构的脉冲光纤激光系统中，由于种子源功率极低，通常需要采用多级功率放大器对脉冲功率进行预放大才能达到材料加工所需要的功率水平。

典型的单级放大器激光净增益在20dB左右，一方面，如果单级增益过高，则可能产生较强的自发辐射，而将种子光淹没，影响激光输出的稳定性；另一方面，由于高峰值功率脉冲的非线性效应，如果纤芯较细的光纤放大器中增益过高，则可能诱发极强的非线性效应，甚至对光纤产生损伤。常规的解决方式是从种子源开始，增益光纤的纤芯尺寸逐级增大，对应的输出功率也逐步提高，并通过合理分配多级放大器之间的增益来获得所需的输出功率和较好的稳定性。

发明人在实现本发明的过程中发现，上述通过合理分配多级放大器之间的增益的方式会导致主振荡器功率放大器构型的激光器级次较多，结构复杂，级间模场匹配难度高，成本高昂且可靠性不高。

发明内容

本发明旨在解决现有的激光放大器级次较多，结构复杂的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

在第一方面，本发明实施例提供一种增益光纤，包括：本体部；锥部,所述锥部从所述本体部的一端延伸而出,所述锥部包括用于接收入射光的端面,所述锥部的横截面沿所述端面至所述本体部的方向,逐渐增大。

可选地，所述锥部沿所述增益光纤的光轴长度为100mm至300mm。

可选地，所述增益光纤包括纤芯和包裹在所述纤芯外的包层。

可选地，所述端面的纤芯直径为10μm至15μm，所述端面的包层直径为125μm。

可选地，所述本体部的纤芯直径为20μm至30μm，所述端面的包层直径为250μm。

在第二方面，本发明实施例提供一种增益光纤制备方法，包括：将增益光纤通过光纤熔融拉锥方法，拉伸形成沿所述增益光纤的光轴长度具有预定长度的锥部。

在第三方面，本发明实施例提供一种增益激光放大器，包括：种子光源、泵浦源、前向泵浦合束器、如上所述的增益光纤、光隔离器以及光纤输出头；所述种子光源和所述泵浦源均与所述前向泵浦合束器连接，所述前向泵浦合束器的输出端与所述增益光纤锥部的端面连接；所述增益光纤本体部的另一端依次与所述光隔离器和所述光纤输出头连接。

可选地，所述增益激光放大器还包括：包层功率剥除器；所述包层功率剥除器设置在所述增益光纤与所述光隔离器之间。

在第四方面，本发明实施例提供一种增益激光放大器，包括：反向泵浦合束器、种子光源、泵浦源、如上所述的增益光纤、光隔离器以及光纤输出头；所述种子光源与所述增益光纤锥部的端面连接，所述增益光纤本体部的另一端与所述反向泵浦合束器的输入端连接；所述泵浦源与所述反向泵浦合束器的输出端连接，用于通过所述反向泵浦合束器的输出端注入反向的泵浦光；所述反向泵浦合束器的输出端还与所述光隔离器以及所述光纤输出头连接。

可选地，所述增益激光放大器还包括：包层功率剥除器；所述包层功率剥除器设置在所述反向泵浦合束器的输出端与所述光隔离器之间。

本发明实施方式的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例提供的增益光纤的一端具有锥形结构，一方面，在同等增益的情况下，具有更大的纤芯直径，从而显著的降低非线性效应；另一方面，经过锥部的过渡以后，在支持多个高阶模式的情况下，仍然能够实现接近单模的光束质量输出，确保输出光束的质量。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种增益光纤的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种增益激光放大器的结构示意图；

图3是本发明另一实施例提供的一种增益激光放大器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

增益激光放大器是指利用泵浦光能量，将微弱的种子光放大一定倍数后，从输出端输出的光学器件。在放大过程中，增益激光放大器在增益较高的同时，一方面，需要避免泵浦光的注入而将种子光淹没，保证种子光较高的信噪比；另一方面，需要尽可能的抑制放大过程的非线性效应。本发明基于此，提供一种具有锥区结构的增益光纤，将下述具有锥区结构的增益光纤应用于增益激光放大器中，可以实现较高的信噪比的同时抑制放大过程中的非线性效应，以下结合具体的实施例进行一一说明。

请参阅图1，图1是本发明实施例提供的一种增益光纤10的结构示意图。

如图1所示，增益光纤10包括：本体部11和锥部12。

本体部11与惯常使用的包层光纤的结构相同，具有特定的纤芯直径和包层直径。锥部12从本体部11的一端113延伸而出，在锥部12的末端形成用于接收入射光的端面121。本体部11的另一端为增益光纤10的增益信号输出端111。

锥部12的横截面沿端面121至本体部的方向逐渐增大，亦即，在锥部12中，从端面121朝本体部11的方向至本体部11的一端113，锥部12的纤芯直径逐渐增大，从而形成端面121的横截面积小于本体部11的横截面积的结构。在本实施例中，锥部12沿增益光纤10的光轴长度可以为数十至数百毫米，锥部12的长度一方面取决于放大器总增益设计要求，增益越高，锥区越长，另一方面取决于制备锥形增益光纤的制备方法，基于光纤熔融拉锥方法得到的锥部12的最大长度约为300mm，为了满足上述要求，在本实施例中可以将锥部12的长度设置为100mm至300mm。

优选地，该增益光纤10为掺镱光纤,增益光纤10的端面121的纤芯直径最小需要支持基模运转，则1μm波段激光对应的纤芯直径可以取值为：10μm至15μm。进一步的，考虑到熔接方便和注入泵浦功率的需要，在本实施例中相应的包层直径设置为125μm。

增益光纤10的本体部11的纤芯直径取决于增益激光放大器设计时，所需要输出脉冲能量的大小。在脉冲能量越高时，则纤芯尺寸越大，

对1mJ左右的输出能量，典型的纤芯直径为20μm至30μm，等比例地，在本实施例中，端面121的包层直径为250μm，在其他实施例中，也可以根据激光的实际用途所需要输出的功率适应性选择增益光纤10本体部11的纤芯直径和包层直径。

以下结合具体光学原理，详细描述该增益光纤基于端面121的横截面积小于本体部111的横截面积这一结构所产生的功能特性：

一方面，由于在相同的稀土离子掺杂浓度条件下，增益光纤10中的脉冲可提取能量与饱和能量成正比，而饱和能量又与纤芯的面积成正比。只有当注入信号的脉冲能量与光纤的饱和能量可比时，放大自发辐射才能够得到很好的抑制。而脉冲放大的最高能量则通常受限为饱和能量的数倍。

因此，在增益光纤10的端面121的饱和能量较低，允许可以输入能量较弱的种子光。而在增益光纤10的本体部11则具有较高的饱和能量，允许从增益光纤10输出的激光能够具有较高的脉冲能量。作为信号输入的种子光可以在锥部12中缓慢的提高增益，从而使得种子光能够在本发明实施例提供的增益光纤10中获得更高的增益(一般可以达到普通光纤增益的两倍)。

与采用较小的纤芯直径取得相同增益的激光放大器相比，本发明实施例提供的增益光纤在同等增益的情况下，具有更大的纤芯直径，从而显著的降低非线性效应。

另一方面，由于本发明实施例的增益光纤10的端面121的纤芯直径较小，输入的种子光处于单模工作状态，经过锥部12的过渡以后，可以起到与模场适配器类似的作用，实现基模的绝热变换。因此，即使在本体部11采用的纤芯直径较大，支持多个高阶模式的情况下，仍然能够实现接近单模的光束质量输出，确保输出光束的质量。

本发明实施例还提供一种制备图1所示的增益光纤10的制备方法。该制备方法具体包括：利用光纤熔融拉锥机将增益光纤10通过光纤熔融拉锥的方法，进行拉伸，形成沿增益光纤10的光轴长度具有预定长度的锥部12。

请参阅图2，图2为本发明实施例提供的一种增益激光放大器20的结构示意图。该增益激光放大器20为前向泵浦方式下的增益激光放大器。

如图2所示，增益激光放大器20包括：种子光源21、泵浦源22、前向泵浦合束器23、增益光纤24、光隔离器25以及光纤输出头26。

种子光源21指用于向前向泵浦合束器23输入待放大的种子光的光源。该种子光源21可以是由任何类型的信号输出设备形成，提供特定的微弱光信号作为种子光。

泵浦源22为输出泵浦光的光学设备。该泵浦源22具体可以是任何类型的泵浦源，为增益激光放大器20提供特定功率的泵浦光。

前向泵浦合束器23分别与种子光源21和泵浦源22连接，令泵浦光和种子光以相同的方向进入到前向泵浦合束器23中进行合束后输出到增益光纤24中。

增益光纤24是实现种子光增益放大的核心器件，该增益光纤24与上述实施例中解释的增益光纤的结构和作用相同，即，在增益激光放大器20中，增益光纤24具有横截面不相同的两端。其中，横截面较小的一端(上述实施例中增益光纤的端面)为增益信号输入端，横截面较大的一端(上述实施例中本体部的另一端)为增益信号输出端。

具体的，增益光纤24为双层结构，由纤芯和包裹在纤芯外层的包层组成,种子光在包层的内壁不断反射，沿纤芯传输。相对应地，增益光纤24的横截面可以由纤芯的纤芯直径表示。纤芯直径越大，增益光纤的横截面也越大。

光隔离器25是用于隔除回光的光学器件。其具有光单向通过的特性。在本实施例中,光隔离器25与增益光纤24的输出端连接，能够利用其单线传输的特性，避免回光对增益激光放大器20的干扰，造成器件损毁的问题。

光纤输出头26设置在光隔离器25的后端，作为增益激光放大器20的输出端，输出增益放大后的种子光。

在一些实施例中，如图2所示，增益激光放大器20还可以包括：包层功率剥除器27。包层功率剥除器27设置在增益光纤24与光隔离器25之间，用于滤除在增益光纤24放大过程中产生的无用的包层光。

前向泵浦模式的增益激光放大器20的工作过程具体如下：由种子光源提供一个较弱信号脉冲(作为种子光)，在前向泵浦模式下，经过前向泵浦合束器23的信号输入臂进入增益光纤24。同时前向泵浦源经前向泵浦合束器23的泵浦臂将泵浦光注入增益光纤24。泵浦光激发增益光纤24内的掺杂离子并形成上能级粒子反转，种子光则通过受激辐射过程获得增益逐渐放大。放大后的种子光从增益光纤24的输出端输出，依次经过包层功率剥除器27滤除无用的包层光和光隔离器25隔离信号回光以后，从光纤输出头26输出。

图3为本发明另一实施例提供的增益激光放大器30的结构示意图。在本实施例中，采用的是反向泵浦方式的增益激光放大器。如图3所示，该增益激光放大器30包括：

种子光源31、反向泵浦合束器32、泵浦源33、增益光纤34、光隔离器35以及光纤输出头36。

种子光源31通过增益光纤34与反向泵浦合束器32连接。泵浦源33通过反向泵浦合束器32的泵浦光输入臂，反向注入到增益光纤34中，以反向泵浦的方式，在增益光纤34中实现种子光的放大。

放大后的种子光从反向泵浦合束器32的输出端输出，后进入光隔离器35，在隔离器35中隔除回光以后，从光纤输出头36中输出。

在本实施例中，该增益光纤34是实现种子光增益放大的核心器件，该增益光纤34与上述实施例中解释的增益光纤的结构和作用相同，即，在增益激光放大器30中，增益光纤34具有横截面不相同的两端。与图2所示的增益光纤24连接方式有所区别的是:本实施例中,增益光纤34横截面较小的一端(上述实施例中增益光纤的端面)为种子光的输入端，横截面较大的一端(上述实施例中本体部的另一端)为泵浦光的输入端。即:泵浦光和种子光分别从增益光纤34的两端输入,具体的,种子光从增益光纤34较窄的一端(上述实施例中增益光纤的端面)注入，泵浦光则从另一端(上述实施例中本体部的另一端)反向注入，在增益光纤34中实现放大。

在一些实施例中，如图3所示，增益激光放大器30还可以包括：包层功率剥除器37。包层功率剥除器37设置在增益光纤34与光隔离器35之间，用于滤除在增益光纤34放大过程中产生的无用的包层光。

反向泵浦模式的增益激光放大器30的工作过程具体如下：由种子光源提供一个较弱信号脉冲(作为种子光)，注入增益光纤34较窄的一端；反向泵浦源经反向泵浦合束器32的泵浦臂将泵浦光注入合束器34后,在反向泵浦模式下，从增益光纤34另一端进入增益光纤34中,泵浦光激发增益光纤34内的掺杂离子并形成上能级粒子反转，种子光则通过受激辐射过程获得增益逐渐放大。

放大后的种子光从反向泵浦合束器32的输出端输出，依次经过包层功率剥除器滤除无用的包层光和光隔离器隔离信号回光以后，从光纤输出头输出，供后端设备使用。

基于本发明实施例提供的增益光纤的功能特性，可以使增益激光放大器在具有较大的单级放大增益的同时保证种子光在放大过程中的信噪比。

结合图2和图3所示的增益激光放大器，可以理解的是，在前向泵浦模式下，注入的泵浦光功率较低，对于合束器的器件要求较低。而在反向泵浦模式下，注入的泵浦光功率较高，需要确保合束器对于纤芯的扰动尽可能的小。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种增益光纤，其特征在于，包括：

本体部；

锥部,所述锥部从所述本体部的一端延伸而出,所述锥部包括用于接收入射光的端面,所述锥部的横截面沿所述端面至所述本体部的方向,逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的增益光纤，其特征在于，所述锥部沿所述增益光纤的光轴长度为100mm至300mm。

3.根据权利要求2所述的增益光纤，其特征在于，所述增益光纤包括纤芯和包裹在所述纤芯外的包层。

4.根据权利要求3所述的增益光纤，其特征在于，所述端面的纤芯直径为10μm至15μm，所述端面的包层直径为125μm。

5.根据权利要求3所述的增益光纤，其特征在于，所述本体部的纤芯直径为20μm至30μm，所述端面的包层直径为250μm。

6.一种增益光纤制备方法，其特征在于，将增益光纤通过光纤熔融拉锥方法，拉伸形成沿所述增益光纤的光轴长度具有预定长度的锥部。

7.一种增益激光放大器，其特征在于，包括：种子光源、泵浦源、前向泵浦合束器、如权利要求1-5任一所述的增益光纤、光隔离器以及光纤输出头；

所述种子光源和所述泵浦源均与所述前向泵浦合束器连接，所述前向泵浦合束器的输出端与所述增益光纤锥部的端面连接；

所述增益光纤本体部的另一端依次与所述光隔离器和所述光纤输出头连接。

8.根据权利要求7所述增益激光放大器，其特征在于，还包括：包层功率剥除器；

所述包层功率剥除器设置在所述增益光纤与所述光隔离器之间。

9.一种增益激光放大器，其特征在于，包括反向泵浦合束器、种子光源、泵浦源、如权利要求1-5任一所述的增益光纤、光隔离器以及光纤输出头；

所述种子光源与所述增益光纤锥部的端面连接，所述增益光纤本体部的另一端与所述反向泵浦合束器的输入端连接；所述泵浦源与所述反向泵浦合束器的输出端连接，用于通过所述反向泵浦合束器的输出端注入反向的泵浦光；

所述反向泵浦合束器的输出端还与所述光隔离器以及所述光纤输出头连接。

10.根据权利要求9所述的增益激光放大器，其特征在于，还包括：包层功率剥除器；

所述包层功率剥除器设置在所述反向泵浦合束器的输出端与所述光隔离器之间。