CN108683063B - 一种二极管直接泵浦拉曼光纤激光器及其光谱合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种二极管直接泵浦拉曼光纤激光器及其光谱合成方法，该方案采用9xxnm二极管直接泵浦拉曼光纤激光器作为新的合成子束，将光谱合成的合成谱宽拓展至900nm‑1030nm波段，进而极大拓展光谱合成子束数量，随着二极管直接泵浦拉曼光纤激光技术的发展，最终进一步有力提高光谱合成的输出功率。同时，本发明还可以看作是对原有二极管激光器光谱合成技术的有益改进，通过拉曼效应的光束净化作用，将原有光束质量不佳的二极管激光转化为理想的可合成光束，进而使合成效率与光束质量得以提升。

Description

一种二极管直接泵浦拉曼光纤激光器及其光谱合成方法
技术领域
本发明涉及的是激光器技术领域，尤其是一种二极管直接泵浦拉曼光纤激光器及其光谱合成方法。
背景技术
光谱合成是采用色散光栅将多路不同波长的激光子束衍射至同一孔径输出，在功率提升的同时还能保持良好的光束质量，是实现激光高效优质组束的有效技术途径之一。在目前已报道的基于二极管激光器或固体激光器的光谱合成系统中，由于子束本身光束质量不佳，从而造成合成后光束的光束质量和合成效率并不理想。
得益于光纤激光优良的光束质量及高效的转化效率，基于光纤激光的光谱合成近年来发展迅猛，尤其是在1μm波段基于掺镱硅基光纤激光的光谱合成，目前公开报道的合成功率已突破30kW（参见Eric Honea, Robert S. Afzal, Matthias Savage-Leuchs等.Advances in Fiber Laser Spectral Beam Combining for Power Scaling[C]. Proc.of SPIE, 2015, Vol. 9730: 97300Y），成为最先具备实用化潜力的技术途径。但是，受制于有限的掺镱光纤增益谱宽（1040nm-1090nm）和组束光栅角分辨率，光谱合成的子束数量不能无限量扩展，同时对合成子束更高功率和更窄线宽的要求也给光纤激光子束的研制提出了艰巨的挑战（高功率窄线宽光纤子束的主要技术难点集中在非线性效应和模式不稳定抑制这两方面）。因此，拓展新的光谱合成带宽，以增加合成子束数量进而提升总合成功率，是光谱合成的又一重要方向。
近年来伴随着二极管激光器在功率提升和光束质量优化方面的迅速发展，新型二极管直接泵浦拉曼光纤激光器逐渐受到人们的关注。它将较高亮度的二极管激光器的输出光直接耦合进一段长距离多模光纤中，利用光纤中的拉曼效应产生激光输出。由于拉曼效应的光束净化效果，使得输出激光的光束质量得以较大提升。目前采用该技术，已经实现了百瓦级（参见YAAKOV GLICK, VIKTOR FROMZEL, JUN ZHANG等. High-efficiency, 154 WCW, diode-pumped Raman fiber laser with brightness enhancement[J]. AppliedOptics, 2017, Vol. 56, NO. 3），近衍射极限（参见E. A. ZLOBINA, S.I.KABLUKOV, A.A. WOLF等. Nearly single-mode Raman lasing at 954 nm in a graded-index fiberdirectly pumped by a multimode laser diode[J]. Optics letters, 2017, Vol. 42,NO. 1），大于65%转化效率（参见E. A. ZLOBINA, S.I.KABLUKOV, A. A. WOLF等.Generating high-quality beam in a multimode LD-pumped all-fiber Raman laser[J]. OPTICS EXPRESS , 2017, Vol. 25, NO. 11）输出，成为拉曼光纤激光器中重要的发展方向。
相对于传统类型的拉曼光纤激光器，本类型激光器直接使用高亮度的二极管激光器作为拉曼泵浦源，结构更为简单，总体效率更优。同时，得益于二极管激光器在9xxnm波段工艺成熟稳定，使得该类型激光器泵浦源在此波段电光效率最高，输出功率已达千瓦，且光谱范围可涵盖很宽的波段，有效拓展了传统拉曼光纤激光的输出光谱范围。
发明内容
本发明的目的，就是针对目前高功率光纤激光光谱合成有效合成谱宽（1040nm-1090nm）受限的不足。采用9xxnm二极管直接泵浦拉曼光纤激光器作为新的合成子束，将光谱合成的合成谱宽拓展至900nm-1030nm波段，进而极大拓展光谱合成子束数量，随着二极管直接泵浦拉曼光纤激光技术的发展，最终进一步有力提高光谱合成的输出功率。同时，本发明还可以看作是对原有二极管激光器光谱合成技术的有益改进，通过拉曼效应的光束净化作用，将原有光束质量不佳的二极管激光转化为理想的可合成光束，进而使合成效率与光束质量得以提升。
本方案是通过如下技术措施来实现的：
一种二极管直接泵浦拉曼光纤激光器，包括有二极管激光器，光纤，光纤耦合光学系统以及在多模光纤两端端部上刻蚀的光纤光栅对；二极管激光器发出的光束经过光学耦合系统耦合进多模光纤中；光束在光纤中受拉曼散射效应转化为拉曼激光输出；光栅对能够增强拉曼激射的反馈并选择激射输出波长。
作为本方案的优选：光纤为渐变折射率多模光纤。
作为本方案的优选：光纤的光束输出端设置有端帽准直系统。
作为本方案的优选：二极管激光器选用9xxnm波段单管或bar条进行封装。
作为本方案的优选：光纤光栅对采用准分子激光或飞秒激光直接在GRIN光纤上进行刻蚀，其中心波长选择在对应二极管激光器中心波长的频移后的最大增益波段附近，如二极管激光器中心波长为λi，则光纤光栅中心波长为λi+52nm。
作为本方案的优选：光栅的反射带宽低于0.3nm。
一种二极管直接泵浦拉曼光纤激光器的光谱合成方法，包括有以下步骤：
a、在9xxnm波段按照需求依次选择多路对应间隔波长的二极管激光器，其波长分别为λ1、λ2……λi，二极管激光器输出光束直接作为泵浦光，经过渐变折射率多模光纤的拉曼增益转换为拉曼激光，拉曼激光通过端帽准直系统输出或者由光纤裸输出；
b、将输出激光有序并排导入到光谱合成光学系统中，即可实现对多路二极管直接泵浦拉曼光纤激光器的光谱合成；
c、通过双色镜，能够将光谱合成后的光束与传统1μm波段合成系统光束做进一步地组束，从而使合成光束功率得以提升。
作为本方案的优选：步骤a中，二极管激光器转化为拉曼激光输出的最大拉曼增益在频移13THz处。
本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中二极管激光器选用9xxnm波段单管或bar条进行封装，9xxnm波段处于二极管激光器转换效率最高区域，制造工艺也相对成熟，经过拉曼频移后也与传统1μm波段相邻，位于大气传输窗口内；渐变折射率多模光纤（GRIN），与传统阶跃折射率多模光纤相比，其传输与弯曲损耗更小，工作范围更宽，更利于传输激光向纤芯中心聚焦，从而使光纤内更易产生拉曼激射；光栅对的中心波长选择在对应二极管激光器中心波长的频移后的最大增益波段附近，这增加了对应拉曼增益波段的反馈，更有利于拉曼激射的产生；光栅对的反射带宽低于0.3nm有利于激光器最终输出光谱较窄，保证合成后光束质量不退化；光纤尾端采用端帽准直系统能够降低输出光纤端面处的功率密度，提高激光器可靠性，同时使输出光束达到扩束和准直的效果，利于后续合成系统的光路排布；采用的光栅对的形式能够保证光路中各激光器子束的波长、组束后各激光子束之间的间隔、合成光栅的周期与间距、光束入射角和衍射角等参数均相互匹配，使各激光子束合成输出后的光斑位置和指向都完全重合。
本发明将光谱合成的合成谱宽拓展至900nm-1030nm波段，进而极大拓展光谱合成子束数量，进一步有力提高了光谱合成的输出功率。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1为本发明二极管直接泵浦拉曼光纤激光器的结构示意图。
图2为基于二极管直接泵浦拉曼光纤激光器光谱合成系统的结构示意图。
图3为二极管直接泵浦拉曼光纤激光器光谱合成系统与传统1μm掺镱光纤激光器光谱合成系统做进一步地合成示意图。
图中，1为二极管激光器，2为光纤耦合光学系统，3为渐变折射率多模光纤，4为光栅对，5为端帽准直系统，21、22、……n为合成用二极管直接泵浦拉曼光纤激光器子束，9为光谱合成光学系统，31为二极管直接泵浦拉曼光纤激光器光谱合成系统，32为传统1μm掺镱光纤激光器光谱合成系统，33为双色镜。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例：
在图一中，二极管激光器1为高亮度9xxnm（如915nm）单管或者bar条组合封装而成的泵浦模块，其输出功率在百瓦至千瓦量级。1产生的泵浦光经过光纤耦合光学系统2的整形和缩束后，聚焦耦合进入到渐变折射率光纤3的纤芯中。光学耦合系统2在生产定型后可优化为微型元件并通过精密机构调节并粘合固定。渐变折射率光纤3可选用一段500m或1km长商用光纤，如Throlabs MM GIF625（纤芯/包层直径62.5μm/125μm，NA 0.275），为了使高功率泵浦光能安全稳定耦合进入光纤中并不热损伤端面，可以采用在耦合光纤端面镀膜或者在端面熔接上一段石英棒的方式降低光纤端面的功率密度。激光器中部件1，2和3的耦合端调节完成后，可以集成在一起并予以固定和密封封装，从而使整个激光器形成一个结构完整的整体。光纤光栅对4可以直接刻蚀在传输光纤上，也可以单独制作完成后通过熔接与传输光纤连接，其参数选择如中心波长9xxnm+52nm（如915nm+52nm=967nm），高反光栅反射率99%，反射带宽0.3nm，低反光栅反射率10%，反射率0.1nm。输出端帽和准直光学系统5为直接与传输光纤熔接成一体的石英端棒，石英端棒的一端为平整端面，其直接与光纤熔接，另一面为光学加工非球面曲面，其将输出光束准直为平行光斑，注入到后续光谱合成系统中。
图二中21、22、……n为上述结构的合成用激光器子束，其中心波长λ21、λ22……λn都按照合成系统光栅的技术指标进行匹配。合成系统9中衍射元件可以为多层介质膜光栅（单光栅或者双光栅形式），也可以为体布拉格光栅，合成光学系统排布方式不限，但需保证合成子束与光学系统参数相匹配，使各激光子束合成输出后的光斑位置和指向都完全重合。
图三中31和32分别为二极管直接泵浦拉曼光纤激光器的光谱合成系统，以及传统1μm波段掺镱光纤激光器光谱合成系统，两路合成后光束经过33分光镜并成一路光束，进行进一步地组束以提升输出功率。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种二极管直接泵浦拉曼光纤激光器的光谱合成方法，其中，所述二极管直接泵浦拉曼光纤激光器包括有二极管激光器，光纤，光纤耦合光学系统以及在多模光纤两端端部上刻蚀的光纤光栅对；所述二极管激光器发出的光束经过光学耦合系统耦合进多模光纤中；光束在光纤中受拉曼散射效应转化为拉曼激光输出；所述光栅对能够增强拉曼激射的反馈并选择激射输出波长；
其特征是：所述方法包括有以下步骤：
a、在9xxnm波段按照需求依次选择多路对应间隔波长的二极管激光器，其波长分别为λ1、λ2……λi，二极管激光器输出光束直接作为泵浦光，经过渐变折射率多模光纤的拉曼增益转换为拉曼激光，拉曼激光通过端帽准直系统输出或者由光纤裸输出；
b、将输出激光有序并排导入到光谱合成光学系统中，即可实现对多路二极管直接泵浦拉曼光纤激光器的光谱合成；
c、通过双色镜，能够将光谱合成后的光束与传统1μm波段合成系统光束做进一步地组束，从而使合成光束功率得以提升。
2.根据权利要求1所述的一种二极管直接泵浦拉曼光纤激光器的光谱合成方法，其特征是：所述光纤为渐变折射率多模光纤。
3.根据权利要求1所述的一种二极管直接泵浦拉曼光纤激光器的光谱合成方法，其特征是：所述光纤的光束输出端设置有端帽准直系统。
4.根据权利要求1所述的一种二极管直接泵浦拉曼光纤激光器的光谱合成方法，其特征是：所述二极管激光器选用9xxnm波段单管或bar条进行封装。
5.根据权利要求1所述的一种二极管直接泵浦拉曼光纤激光器的光谱合成方法，其特征是：所述光纤光栅对采用准分子激光或飞秒激光直接在GRIN光纤上进行刻蚀，其中心波长选择在对应二极管激光器中心波长的频移后的最大增益波段附近，如二极管激光器中心波长为λi，则光纤光栅中心波长为λi+52nm。
6.根据权利要求1所述的一种二极管直接泵浦拉曼光纤激光器的光谱合成方法，其特征是：所述光栅的反射带宽低于0.3nm。
7.根据权利要求1所述的一种二极管直接泵浦拉曼光纤激光器的光谱合成方法，其特征是：所述步骤a中，二极管激光器转化为拉曼激光输出的最大拉曼增益在频移13THz处。
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