CN108429121A - 一种基于环形腔结构的被动相干组束全光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于全光纤激光器领域，具体涉及一种被动相干组束全光纤激光器。本发明公开了一种基于环形腔结构的被动相干组束全光纤激光器，通过一体化的环形腔结构激光器和注入锁相系统，依靠其自动选摸机制选出共同起振的模式从而不需任何操作实现相位锁定及相干组束的输出功能；另外提高了相干条纹对比度保证高功率输出，并实时评估系统的相干组束效率。本发明具有结构简单、紧凑，注入耦合效率高，路数可扩展性强，能实时评估相干组束效率、低成本等优点，既适用于连续激光器，又适用于脉冲激光器。
Description
技术领域
本发明属于全光纤激光器领域，具体涉及一种基于环形腔结构的被动相干组束全光纤激光器。
背景技术
与传统激光器相比，全光纤激光器由于结构简单紧凑、散热性能好、能量转换效率高、性能稳定可靠、光束质量高等优点，已得到飞速发展并广泛应用在工业加工、医疗器械、国防等领域。激光的应用被称为是人类使用工具的第三次飞跃，而光纤激光技术的成熟使得大功率激光器从实验室真正走入大规模工业应用。在能源日益短缺的时代，大功率光纤激光器较高的电光转换效率使其可以大幅度减少能耗，在节约资源等方面做出越来越多的贡献。光纤激光器已经或正在许多应用领域代替化学、气体和普通固体激光器，对激光器市场产生革命性改变，也是激光器发展的必然趋势，被称为“第三代激光器”。
目前，单根全光纤激光器的输出功率已达万瓦，但受限于热损伤问题和非线性效应的影响，单根全光纤激光器无法获得更高功率的输出。为进一步提升功率的同时获得好的光束质量，发展全光纤的相干组束技术是较为理想的技术途径。相干组束技术根据相位锁定实现方式的不同，分为被动锁相与主动锁相。两种相位锁相实现相位锁定的原理不同，具体实现结构也多种多样。其中，被动锁相即被动相干组束技术的原理是依靠激光腔内模式竞争实现锁相，从而实现相干光束合成。相比主动相干组束技术需要复杂的电路反馈控制且锁相速度慢，被动相干组束技术以其结构简单、锁相迅速且路数可扩展性强等优势成为相干组束技术的首选。
在先全光纤被动相干组束技术中[参见Opt.Express 10(21),1167-1172(2002)；Electron.Lett.38(14),692-693(2002)；Opt.Lett.34(7),863-865(2009)；Opt.Eng.50(11),111606(2011)等]，多采用线性腔结构的光纤激光器，其缺陷在于，若想实现各路激光之间的相位锁定，选取共同起振的激光模式，必须控制各路激光器中光纤布拉格光栅的中心波长差足够小，各路激光器腔长差ΔL足够大，使光谱调制周期远小于激光带宽，且系统的相干组束效率很大程度上受限于这些因素的影响。
发明内容
为克服上述在先技术的不足，本发明公开了一种基于环形腔结构的被动相干组束全光纤激光器，无需任何特殊控制，通过一体化的环形腔结构激光器和注入锁相系统，注入锁相系统既实现各路激光的相干叠加，又充当构成环形腔光纤激光器反馈回路中的一部分，激光器的运行和相位锁定同时实现，即依靠其自动选摸机制即可选出共同起振的模式实现相干组束输出。
本发明的技术方案如下：
一种基于环形腔结构的被动相干组束全光纤激光器，其特征在于，包括多组光纤激光器和注入锁相系统，所述多组光纤激光器并联组成；所述光纤激光器至少包括带尾纤激光二极管、光纤泵浦合束器、增益光纤、光纤隔离器，所述光纤泵浦合束器输入端分别连接带尾纤激光二极管和光纤隔离器，光纤泵浦合束器的输出端连接增益光纤；
所述注入锁相系统包括光纤耦合器C1和光纤耦合器C2，光纤耦合器C1的输入端和输出端分别至少包括2个，光纤耦合器C2的输出端至少包括2个，光纤耦合器C1的一个输出端连接光纤耦合器C2输入端；
所述多组光纤激光器中的增益光纤输出端都与所述光纤耦合器C1的输入端连接，所述多组光纤激光器中的光纤隔离器都与光纤耦合器C2的输出端连接；
所述多组光纤激光器和注入锁相系统首尾连接组成环形腔结构。
所述光纤耦合器C1预留了一个输出端P1用于对光输出功率的检测；所述光纤耦合器C2预留了一个输出端P2用于对光输出功率的检测。
所述带尾纤激光二极管通过同一脉冲电源驱动。
所述光纤耦合器C1为N×2(N≥2)光纤耦合器，两个输出端的输出功率耦合比为1:1，从而保证两路激光相干叠加时功率尽量一致，以此提高相干条纹对比度。
所述增益光纤为双包层掺镱光纤，增益光纤的纤芯、内包层直径分别为10μm、125μm。
优选的，所述光纤激光器为2组并联。
此外，所述光纤激光器还可以包括具有多个输出端的光纤耦合器C0，所述多组光纤激光器共用一个光纤耦合器C0与光纤隔离器，此时，连接关系转化为：所述光纤耦合器C0的多个输出端分别与多个光纤泵浦合束器相连接，所述光纤耦合器C0的输入端与光纤隔离器相连接，所述光纤隔离器与光纤耦合器C2的输出端连接。
所述光纤耦合器C2为1×2光纤耦合器，此时，所述光纤耦合器C2的耦合输出比为2:8。
所述光纤耦合器C0为1×N(N≥2)光纤耦合器且各输出端输出功率相同。
所述N×2光纤耦合器C1，输出端一端用于连接光纤耦合器C2，另一输出端P1用于对光输出功率的检测；所述1×2光纤耦合器C2，输出端一端用于连接光纤隔离器，另一输出端P2用于对光输出功率的检测。通过注入锁相系统中的两个光纤耦合器C1和C2，一方面提高相干条纹对比度实现高功率输出，另一方面通过检测输出端P1和P2之间的输出功率，实现实时评估系统的相干组束效率。
一种连续运转激光器或脉冲运转激光器，采用如上所述的一种基于环形腔结构的被动相干组束全光纤激光器。
本发明与已有技术相比所具有的有益效果：
(1)本发明利用一体化的环形腔结构的光纤激光器和注入锁相系统，通过一体化的环形腔结构激光器和注入锁相系统，注入锁相系统既实现各路激光的相干叠加，又充当构成环形腔光纤激光器反馈回路中的一部分，激光器的运行和相位锁定同时实现，即依靠其自动选摸机制即可选出共同起振的模式实现相干组束输出；
(2)本发明中，光纤耦合器C1和C2一方面可以提高相干条纹对比度同时实现高功率的输出，另一方面通过对输出端P1和输出端P2之间输出功率的比较，可以实时评估系统的相干组束效率；
(3)本发明的技术方案中，多个光纤激光器共用一个光纤耦合器C0与光纤隔离器。若不然，假设有10个光纤激光器，则需要10个光纤隔离器，通过多个光纤激光器共用光纤隔离器，一方面，可以降低生产成本，节省空间。另一方面，可以使器件更紧凑，体积缩小；
(4)本发明中，光纤耦合器C2(22)为1×2光纤耦合器，此时，所述光纤耦合器C2(22)的耦合输出比为2:8，通过定义输出比，使得相干光束的相干效率优化为87.5％(参见实施2)；
(5)本发明具有结构简单、紧凑，注入耦合效率高，多路数可拓展性强，且既适用于连续激光器，又适用于脉冲激光器等特点。
附图说明
图1为两组光纤激光器并联的被动相干组束全光纤激光器结构示意图。
图2为两组光纤激光器并联且共用光纤耦合器C0和光纤隔离器的被动相干组束全光纤激光器结构示意图。
图3为N组(N≥2)光纤激光器并联且共用光纤耦合器C0和光纤隔离器的被动相干组束全光纤激光器结构示意图。
1——光纤激光器，11——带尾纤激光二极管，12——光纤泵浦合束器，13——增益光纤，14——光纤耦合器C0，15——光纤隔离器；2——注入锁相系统，21——光纤耦合器C1，22——光纤耦合器C2。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
实施例1
一种基于环形腔结构的被动相干组束全光纤激光器，如图1所示，包括两组光纤激光器(1)和注入锁相系统(2)，所述两组光纤激光器(1)并联组成；所述光纤激光器(1)包括带尾纤激光二极管(11)、光纤泵浦合束器(12)、增益光纤(13)、光纤隔离器(15)，所述光纤泵浦合束器(12)输入端分别连接带尾纤激光二极管(11)和光纤隔离器(15)，光纤泵浦合束器(12)的输出端连接增益光纤(13)；
所述注入锁相系统(2)包括光纤耦合器C1(21)和光纤耦合器C2(22)，光纤耦合器C1为2×2光纤耦合器，两个输出端的输出功率耦合比为1:1，从而保证两路激光相干叠加时功率尽量一致，以此提高相干条纹对比度；光纤耦合器C2为1×2光纤耦合器，光纤耦合器C1的一个输出端连接光纤耦合器C2输入端，另外两个输出端分别连接所述两组光纤激光器(1)中的光纤隔离器(15)；
所述两组光纤激光器(1)中的增益光纤(13)输出端与所述光纤耦合器C1(21)的输入端连接；
所述两组光纤激光器(1)和注入锁相系统(2)首尾连接组成环形腔结构。
所述带尾纤激光二极管(11)通过同一脉冲电源驱动。
所述增益光纤(13)为双包层掺镱光纤，增益光纤的纤芯、内包层直径分别为10μm、125μm。
实施例2
一种基于环形腔结构的被动相干组束全光纤激光器，如图2所示，包括两组光纤激光器(1)和注入锁相系统(2)，所述光纤激光器(1)并联组成，所述光纤激光器(1)包括带尾纤激光二极管(11)、光纤泵浦合束器(12)、增益光纤(13)、光纤耦合器C0(14)、光纤隔离器(15)，所述的注入锁相系统(2)包括光纤耦合器C1(21)和光纤耦合器C2(22)，连接方式为：所述光纤泵浦合束器(12)输入端分别连接带尾纤激光二极管(11)和光纤隔离器(15)，输出端连接增益光纤(13)；所述两组增益光纤(13)均连接入光纤耦合器C1(21)，所述光纤耦合器C1(21)一输出端连接光纤耦合器C2(22)；所述光纤耦合器C2(22)一输出端连接所述光纤隔离器(15)；所述光纤隔离器(15)连接光纤耦合器C0(14)，所述光纤耦合器C0(14)两个输出端分别连接两个光纤泵浦合束器(12)，所述两组光纤激光器(1)和注入锁相系统(2)首尾连接组成环形腔结构。
所述的两组光纤激光器(1)共用光纤隔离器(15)和光纤耦合器C0(14)。
所述的光纤耦合器C0(14)为1×2光纤耦合器，其耦合输出比为1:1。
所述的光纤耦合器C1(21)为2×2耦合器，其耦合输出比为1:1。
所述的光纤耦合器C2(22)为1×2耦合器，其耦合输出比为2:8。
所述的带尾纤激光二极管(11)由同一脉冲电源驱动两组所述的光纤激光器(1)通过所述的注入锁相系统(2)实现被动相干组束。
1×2光纤耦合器C1，输出端一端用于连接光纤耦合器C2，另一输出端P1用于对光输出功率检测；1×2光纤耦合器C2，输出端一端用于连接光纤隔离器，另一输出端P2用于对光输出功率的检测。
所述的两组光纤激光器(1)产生的激光在光纤耦合器C1(21)处实现相干叠加，相干相长部分的功率进入光纤耦合器C2(22)的输入端，最终由光纤耦合器C2(22)的输出端P2输出，而相干相消部分的功率则由光纤耦合器C1(21)的输出端P1输出。通过比较输出端P1和P2的功率，得到系统的相干组束效率。
所述的带尾纤的激光二极管(11)最大输出功率为10W，输出波长为975nm。
所述的增益光纤(13)为纤芯、内包层直径分别为10μm、125μm的双包层掺镱光纤。
所述的光纤隔离器(15)最高承受功率为3W。
两组光纤激光器(1)的腔长均为12m，两个激光二极管(11)由同一个脉冲电源驱动，设置脉冲电源的工作电流为3.5A，泵浦脉冲的重复频率为3kHz，脉宽为10.9μs。两组光纤激光器(1)未组束之前，输出脉冲重复频率均为3kHz，脉冲宽度分别为580ns和550ns，光纤耦合器C1(21)的输出端P1输出的功率分别为48mW和53mW，光纤耦合器C2(22)的输出端P2输出的功率分别为37mW和43mW；相干组束之后，得到组束脉冲激光的重复频率为3kHz，脉冲宽度为454ns，光纤耦合器C2(22)的输出端P2输出的功率为200mW，光纤耦合器C1(21)的输出端P1输出的功率为53mW，说明两组脉冲激光实现了相干叠加，相干效率为
实施例3(N组光纤激光器，N≥2)：
一种基于环形腔结构的被动相干组束全光纤激光器，如图3所示，包括N组光纤激光器(1)和注入锁相系统(2)，N组光纤激光器(1)并联组成，所述光纤激光器(1)包括带尾纤激光二极管(11)、光纤泵浦合束器(12)、增益光纤(13)、光纤耦合器C0(14)、光纤隔离器(15)，所述的注入锁相系统(2)包括光纤耦合器C1(21)和光纤耦合器C2(22)，连接方式为：所述光纤泵浦合束器(12)输入端分别连接带尾纤激光二极管(11)和光纤隔离器(15)，输出端连接增益光纤(13)；所述多组增益光纤(13)均连接入光纤耦合器C1(21)，所述光纤耦合器C1(21)一输出端连接光纤耦合器C2(22)，另一输出端用于检测，记为P1；所述光纤耦合器C2(22)一输出端连接所述光纤隔离器(15)，另一输出端用于检测，记为P2；所述光纤隔离器(15)连接光纤耦合器C0(14)，所述光纤耦合器C0(14)N个输出端分别连接N个光纤泵浦合束器(12)，所述N组光纤激光器(1)和注入锁相系统(2)首尾连接组成环形腔结构。
所述的N组光纤激光器(1)共用光纤隔离器(15)和光纤耦合器C0(14)。
所述的光纤耦合器C0(14)为1×N光纤耦合器，其耦合输出比为1:1。
所述的光纤耦合器C1(21)为N×2耦合器，其耦合输出比为1:1。
所述的光纤耦合器C2(22)为1×2耦合器，其耦合输出比为2:8。
所述的带尾纤激光二极管(11)由同一脉冲电源驱动两组所述的光纤激光器(1)通过所述的注入锁相系统(2)实现被动相干组束。
所述的N组光纤激光器(1)产生的激光在光纤耦合器C1(21)处实现相干叠加，相干相长部分的功率进入光纤耦合器C2(22)的输入端，最终由光纤耦合器C2(22)的输出端P2输出，而相干相消部分的功率则由光纤耦合器C1(21)的输出端P1输出。通过比较输出端P1和P2的功率，得到系统的相干组束效率。
所述的带尾纤的激光二极管(11)最大输出功率为10W，输出波长为975nm。
所述的增益光纤(13)为纤芯、内包层直径分别为10μm、125μm的双包层掺镱光纤。
所述的光纤隔离器(15)最高承受功率为3W。
实施例4(N路单元激光器，N≥2)：
一种基于环形腔结构的被动相干组束全光纤激光器，包括N组光纤激光器(1)和注入锁相系统(2)，所述N组光纤激光器(1)并联组成，所述光纤激光器(1)包括带尾纤激光二极管(11)、光纤泵浦合束器(12)、增益光纤(13)、光纤耦合器C0(14)、光纤隔离器(15)，所述的注入锁相系统(2)包括光纤耦合器C1(21)和光纤耦合器C2(22)，连接方式为：所述光纤泵浦合束器(12)输入端分别连接带尾纤激光二极管(11)和光纤隔离器(15)，输出端连接增益光纤(13)；所述多组增益光纤(13)均连接入光纤耦合器C1(21)，所述光纤耦合器C1(21)一输出端连接光纤耦合器C2(22)；所述光纤耦合器C2(22)一输出端连接所述光纤隔离器(15)；所述光纤隔离器(15)连接光纤耦合器C0(14)，所述光纤耦合器C0(14)N个输出端分别连接N个光纤泵浦合束器(12)，所述N组光纤激光器(1)和注入锁相系统(2)首尾连接组成环形腔结构。
光纤耦合器C1预留了一个输出端P1用于对光输出功率的检测，光纤耦合器C2预留了一个输出端P2用于对光输出功率的检测。
所述的N组光纤激光器(1)共用光纤隔离器(15)和光纤耦合器C0(14)。
所述的光纤耦合器C0(14)为1×N光纤耦合器。
所述的光纤耦合器C1(21)为N×M耦合器，M≥2。
所述的光纤耦合器C2(22)为1×N耦合器。
所述的带尾纤激光二极管(11)由同一脉冲电源驱动两组所述的光纤激光器(1)通过所述的注入锁相系统(2)实现被动相干组束。
所述的N组光纤激光器(1)产生的激光在光纤耦合器C1(21)处实现相干叠加，相干相长部分的功率进入光纤耦合器C2(22)的输入端，最终由光纤耦合器C2(22)的输出端P2输出，而相干相消部分的功率则由光纤耦合器C1(21)的输出端P1输出。通过比较输出端P1和P2的功率，得到系统的相干组束效率。
所述的环形腔结构的光纤激光器(1)通过所述的注入锁相系统(2)实现被动相干组束。
连续运转激光器或脉冲运转激光器采用以上实施例1-4所述的一种基于环形腔结构的被动相干组束全光纤激光器。
以上描述仅为说明和解释本发明，并不用于限定本发明。显然，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和变型，这些改进和变型也落入本发明的保护范围内。
Claims (11)
1.一种基于环形腔结构的被动相干组束全光纤激光器，其特征在于，包括多组光纤激光器和注入锁相系统，所述多组光纤激光器并联组成；所述光纤激光器至少包括带尾纤激光二极管、光纤泵浦合束器、增益光纤、光纤隔离器，所述光纤泵浦合束器输入端分别连接带尾纤激光二极管和光纤隔离器，光纤泵浦合束器的输出端连接增益光纤；
所述注入锁相系统包括光纤耦合器C1和光纤耦合器C2，光纤耦合器C1的输入端和输出端分别至少包括2个，光纤耦合器C2的输出端至少包括2个，光纤耦合器C1的一个输出端连接光纤耦合器C2输入端；
所述多组光纤激光器中的增益光纤输出端与所述光纤耦合器C1的输入端连接，所述多组光纤激光器中的光纤隔离器都与光纤耦合器C2的输出端连接；
所述多组光纤激光器和注入锁相系统首尾连接组成环形腔结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于环形腔结构的被动相干组束全光纤激光器，其特征在于，所述光纤激光器还包括具有多个输出端的光纤耦合器C0，所述多组光纤激光器共用一个光纤耦合器C0与光纤隔离器，此时，连接关系转化为：所述光纤耦合器C0的多个输出端分别与多个光纤泵浦合束器相连接，所述光纤耦合器C0的输入端与光纤隔离器相连接，所述光纤隔离器与光纤耦合器C2的输出端连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于环形腔结构的被动相干组束全光纤激光器，其特征在于，所述带尾纤激光二极管通过同一脉冲电源驱动。
4.根据权利要求1所述的一种基于环形腔结构的被动相干组束全光纤激光器，其特征在于，所述光纤激光器为两组。
5.根据权利要求1所述的一种基于环形腔结构的被动相干组束全光纤激光器，其特征在于，所述光纤耦合器C1为N×2(N≥2)光纤耦合器。
6.根据权利要求5所述的一种基于环形腔结构的被动相干组束全光纤激光器，其特征在于，所述光纤耦合器C1两个输出端的输出功率耦合比为1:1。
7.根据权利要求2所述的一种基于环形腔结构的被动相干组束全光纤激光器，其特征在于，所述的光纤耦合器C2为1×2光纤耦合器，此时，所述光纤耦合器C2的耦合输出比为2:8。
8.根据权利要求2所述的一种基于环形腔结构的被动相干组束全光纤激光器，其特征在于，所述的光纤耦合器C0为1×N(N≥2)光纤耦合器且各输出端输出功率相同。
9.根据权利要求1所述的一种基于环形腔结构的被动相干组束全光纤激光器，其特征在于，所述的增益光纤为双包层掺镱光纤，增益光纤的纤芯、内包层直径分别为10μm、125μm。
10.根据权利要求1所述的一种基于环形腔结构的被动相干组束全光纤激光器，其特征在于，所述光纤耦合器C1预留了一个输出端P1用于对光输出功率的检测；所述光纤耦合器C2预留了一个输出端P2用于对光输出功率的检测。
11.一种连续运转激光器或脉冲运转激光器，其特征在于，连续运转激光器或脉冲运转激光器采用如权利要求1至10所述的一种基于环形腔结构的被动相干组束全光纤激光器。
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