CN108695680A - 一种全光纤化ld泵浦的多模光纤级联拉曼随机激光器 - Google Patents

一种全光纤化ld泵浦的多模光纤级联拉曼随机激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全光纤化LD泵浦的多模光纤级联拉曼随机激光器，包括：LD泵浦激光源组，LD泵浦激光源组输出端连接有多模光纤合束器，多模光纤合束器输出端连接有模场适配器，模场适配器的输出端连接有光纤光栅串，光纤光栅串的输出端连接有多模光纤，多模光纤合束器输入输出光纤芯径相同且输入端光纤与LD泵浦激光源输出光纤类型相同，模场适配器输入端光纤与多模光纤合束器输出端光纤类型相同，模场适配器输出端的光纤和光纤光栅串的光纤与多模光纤的类型相同。采用特定的匹配的多模光纤合束器及匹配的模场适配器，匹配的光纤光栅串实现级联得到高光束质量、高功率的级联拉曼随机激光。

Description

一种全光纤化LD泵浦的多模光纤级联拉曼随机激光器
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，具体涉及一种全光纤化LD泵浦的多模光纤级联拉曼随机激光器。
背景技术
高功率光纤随机激光器在在光束质量，输出功率和效率方面具有优异的性能，可广泛用于工业应用，并且可以作为中红外激光器产生的强大泵浦源。大多数高功率光纤随机激光器通常将多个LD通过多模光纤合束器耦合到具有掺杂有稀土元素Yb，Er等的双包层有源光纤中，从而为相应发射带，对于Yb-约1.05μm和对于掺铒光纤约1.55μm提供放大。但是基于泵浦在无源光纤中引入拉曼增益的拉曼激光器，与Er或Yb掺杂光纤激光器相比，具有小量子缺陷，快速增益响应，低背景自发辐射，以及无光暗化效应等优点。而现有的基于LD直接泵浦的光纤随机激光器采用外部透镜耦合的方式，这种方式将泵浦激光通过准直聚焦的方式耦合到渐变折射率多模光纤中，渐变折射率多模光纤中的拉曼增益起到光束质量净化的作用，以此产生高光束质量的随机激光。但是这种耦合方式使得入纤功率大大降低，也限制了输出激光不能向更高阶发展。同时，这种方式也使得整个实验装置结构复杂、不稳定，增加成本。
全光纤化LD泵浦的多模光纤级联拉曼随机激光器可以将更多泵浦功率耦合进渐变折射率光纤中，大大增加了泵浦功率的利用效率，为激光的级联性提供足够的泵浦光，同时多个光纤光栅用于腔体中也降低了激射激光的阈值，从而可以得到稳定的高光束质量高功率的级联激光输出。
发明内容
本发明的目的在于：解决目前高功率光纤随机激光器有两种，一种是LD对稀土掺杂双包层有源光纤进行泵浦，得到稀土掺杂激光器再对单模光纤进行作用，响应速度不够快，不能向更短波长发展，一种是利用外部透镜耦合方式，将LD的高功率耦合进多模光纤中，对多模光纤进行作用，其入纤功率低，限制了输出激光不能向更高阶发展，提出了一种全光纤化LD泵浦的多模光纤级联拉曼随机激光器，采用特定的输入输出纤芯相同且与LD泵浦激光源匹配的多模光纤合束器及匹配的模场适配器有效增加泵浦激光耦合进入渐变折射率多模光纤中的效率，提供足够的泵浦光功率，光纤光栅串实现级联，拉曼增益起到光束质量净化作用从而得到高光束质量、高功率的级联拉曼随机激光。
本发明采用的技术方案如下：
一种全光纤化LD泵浦的多模光纤级联拉曼随机激光器，包括：LD泵浦激光源组，LD泵浦激光源组输出端连接有多模光纤合束器，多模光纤合束器输出端连接有模场适配器，模场适配器的输出端连接有光纤光栅串，光纤光栅串的输出端连接有多模光纤，所述多模光纤合束器输入输出光纤芯径相同且输入端光纤与LD泵浦激光源输出光纤类型相同，所述模场适配器输入端光纤与多模光纤合束器输出端光纤类型相同，模场适配器输出端的光纤和光纤光栅串的光纤与多模光纤的类型相同。
进一步，所述多模光纤为渐变折射率多模光纤。
进一步，所述多模光纤的输出端为斜端面。
进一步，所述LD泵浦激光源组有多个LD泵浦激光源，分别与多模光纤合束器连接。
进一步，所述光纤光栅串第一光纤光栅和第二光纤光栅中心波长对应于LD泵浦激光源泵浦光波长的一阶拉曼斯托克斯波长和二阶拉曼斯托克斯波长，光纤光栅串第N光纤光栅中心波长对应于泵浦光波长的N阶拉曼斯托克斯波长。
进一步，所述激光器可设计为通过选取N的值使得渐变折射率多模光纤对LD泵浦激光源泵浦光的第N+1阶拉曼斯托克斯波长具有高损耗。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，采用特定的输入输出纤芯相同且与LD泵浦激光源匹配的多模光纤合束器及匹配的模场适配器有效增加泵浦激光耦合进入渐变折射率多模光纤中的效率，提供足够的泵浦光功率，匹配的光纤光栅串实现级联，拉曼增益起到光束质量净化作用从而得到高光束质量、高功率的级联拉曼随机激光；
2、本发明中，多模光纤为渐变折射率多模光纤，渐变折射率多模光纤中的瑞利散射能提供随机分布反馈作用，产生的拉曼增益有光束质量净化作用从而得到高光束质量、高功率的级联拉曼随机激光，光纤长度可以根据实际应用进行优化；
3、本发明中，多个LD泵浦激光源，分别与多模光纤合束器输入端连接，可以将更多泵浦功率耦合进多模光纤中，大大增加了泵浦功率的利用效率，为激光的级联性提供足够的泵浦光；
4、本发明中，激光器可产生多阶斯托克斯波长输出，由于渐变折射率光纤具有拉曼净化作用，一阶成为单模之后，更高阶数的光阈值进一步降低，且光束质量更好，输出随机激光的光束质量远优于多模泵浦光，为准单模输出；
5、本发明中，多个光纤光栅用于腔体中并且光纤光栅串的多个光纤光栅的中心波长是不同的，分别对应于泵浦光的N阶斯托克斯光，本发明的光纤光栅串降低了激射激光的阈值；
6、本发明中，可设计成渐变折射率多模光纤对第N+1阶拉曼斯托克斯波长具有高损耗，从而提高N+1阶拉曼光纤随机激光的阈值，从而提高N阶拉曼光纤随机激光的最大输出功率，使得激光器有最大输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明结构示意图；
图中标记：1-LD泵浦激光源组，2-多模光纤合束器，3-模场适配器，4-光纤光栅串，5-多模光纤；
图2为本发明实施例分别在渐变折射率多模光纤为2.1km和4.3km，光纤光栅串N＝2时功率输入输出曲线仿真图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
一种全光纤化LD泵浦的多模光纤级联拉曼随机激光器，如图1所示，包括：LD泵浦激光源组(1)，LD泵浦激光源组输出端连接有多模光纤合束器(2)，多模光纤合束器输出端连接有模场适配器(3)，模场适配器的输出端连接有光纤光栅串(4)，光纤光栅串的输出端连接有多模光纤(5)，所述多模光纤合束器输入输出光纤芯径相同且输入端光纤与LD泵浦激光源输出光纤类型相同，所述模场适配器输入端光纤与多模光纤合束器输出端光纤类型相同，模场适配器输出端的光纤和光纤光栅串的光纤与多模光纤的类型相同。采用特定的输入输出纤芯相同且与LD泵浦激光源匹配的多模光纤合束器及匹配的模场适配器有效增加泵浦激光耦合进入渐变折射率多模光纤中的效率，提供足够的泵浦光功率，匹配的光纤光栅串实现级联，拉曼增益起到光束质量净化作用从而得到高光束质量、高功率的级联拉曼随机激光。
进一步，所述多模光纤为渐变折射率多模光纤。渐变折射率多模光纤中的瑞利散射能提供随机分布反馈作用，产生的拉曼增益有光束质量净化作用从而得到高光束质量、高功率的级联拉曼随机激光。光纤长度可以根据实际应用进行优化。
进一步，所述多模光纤的输出端为斜端面，避免激光器的端面反馈。
进一步，所述LD泵浦激光源组有多个LD泵浦激光源，分别与多模光纤合束器输出端连接。可以将更多泵浦功率耦合进具有拉曼增益的多模光纤中，大大增加了泵浦功率的利用效率，为激光的级联性提供足够的泵浦光。
进一步，所述光纤光栅串的多个光纤光栅的中心波长是不同的，进一步，所述光纤光栅串第一光纤光栅和第二光纤光栅中心波长对应于LD泵浦激光源泵浦光波长的一阶拉曼斯托克斯波长和二阶拉曼斯托克斯波长，光纤光栅串第N光纤光栅中心波长对应于泵浦光波长的N阶拉曼斯托克斯波长。本发明的光纤光栅串降低了激射激光的阈值。
进一步，所述渐变折射率多模光纤对LD泵浦激光源泵浦光的第N+1阶拉曼斯托克斯波长具有高损耗。N是可变的，我们可以选取一个N的值，从而使渐变折射率光纤对N+1阶有高损耗，从而提高N+1阶拉曼光纤随机激光的阈值，从而提高N阶拉曼光纤随机激光的最大输出功率，使得激光器有最大输出。
本发明的工作原理为：LD泵浦激光源组提供泵浦光，多模光纤合束器将m个LD泵浦激光源的功率合束注入模场适配器中，模场适配器良好地匹配了多模光纤合束器的输出端与渐变折射率多模光纤，将几乎所有泵浦功率耦合进渐变折射率多模光纤中，渐变折射率多模光纤为激光器提供瑞利反馈，同时拉曼增益起到光束净化作用。
为了更好地利用LD的功率，进行了多模光纤合束器(m*1)的设计。其中多模光纤合束器的输入端纤芯与LD泵浦激光源输出纤芯相同且输入输出光纤芯径相同。例如我们所用的LD泵浦激光源输出光纤参数为纤芯直径/包层直径为105/125μm，NA为0.15，同样定制的多模光纤合束器输入端光纤纤芯直径/包层直径为105/125μm，NA为0.15，输出端光纤的纤芯直径/包层直径为105/125μm，NA会随着m的值增加而增加，为了更好地与模场适配器MFA和渐变折射率光纤匹配，NA值小于0.275，而本发明中通过增加光纤的NA，使得定制多模光纤合束器的输入输出光纤芯径相同且与LD泵浦激光源输出纤芯值相等。
其中模场适配器MFA，输入端是与多模光纤合束器的输出端相匹配，光纤的纤芯直径/包层直径为105/125μm，NA小于0.275，输出端是与渐变折射率多模光纤相配的，光纤的纤芯直径/包层直径为62.5/125μm，NA＝0.275，本发明中通过增加光纤的NA，使得大芯径的光纤匹配到小芯径的光纤中。
光纤光栅串采用光纤与模场适配器输出端光纤和激光器渐变折射率多模光纤类型相同的渐变折射率多模光纤光栅串。
以光纤光栅串有两级光纤光栅级联为例，在光纤光栅串第一光纤光栅和第二光纤光栅与输出端组成的半开腔结构下，二阶激射激光阈值降低。当泵浦光功率达到一阶阈值后便会激发产生一阶斯托克斯光，光纤光栅串第一光纤光栅将后向一阶斯托克斯光返回腔体中并作为泵浦光为下一阶斯托克斯光提供能量，在此过程中，渐变折射率多模光纤为激射光提供瑞利反馈，由于渐变折射率多模光纤发生拉曼效应时拉曼增益的光束净化作用，一阶斯托克斯光的光束质量大大提高，因此二阶斯托克斯光的阈值也会进一步降低。当腔体中的一阶斯托克斯光的能量达到二阶激射光的阈值时，产生二阶斯托克斯光并在尾端处输出，在此装置下，对于由于第三阶激射光是全开腔的，阈值较高，因此通过调节泵浦功率的值可以得到最大输出功率的二阶随机激光。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本发明较佳实施例提供的一种全光纤化LD泵浦的多模光纤级联拉曼随机激光器，采用纤芯与LD泵浦激光源匹配的多模光纤合束器与模场适配器匹配有效增加泵浦激光耦合进入渐变折射率多模光纤中的效率，提供足够的泵浦光功率，光纤光栅串实现级联，拉曼增益起到光束质量净化作用从而得到高光束质量、高功率的级联拉曼随机激光。包括输出光纤的纤芯直径/包层直径为105/125μm，NA为0.15的LD泵浦激光源组，LD泵浦激光源组输出端连接有输入输出光纤芯径相同的多模光纤合束器，多模光纤合束器输出端连接有模场适配器，多模光纤合束器输出端与模场适配器的输入端光纤的纤芯直径/包层直径为105/125μm，NA为0.22，模场适配器的输出端连接有N＝2的光纤光栅串，光纤光栅串为渐变折射率多模光纤光纤光栅串，光纤光栅串的输出端连接有长距离渐变折射率多模光纤，模场适配器的输出端，光纤光栅串与渐变折射率光纤类型相同，光纤的纤芯直径/包层直径为62.5/125μm、NA＝0.275，渐变折射率多模光纤为2.1km。
实施例2
在实施例一的基础上，渐变折射率多模光纤为4.3km。
图2为本发明分别在渐变折射率多模光纤为2.1km和4.3km，光纤光栅串N＝2时功率输入输出曲线仿真图，横坐标对应泵浦功率值，纵坐标对应光纤末端输出功率值。当渐变折射率多模光纤5的长度为4.5km时，由于光纤损耗较大，输出功率相对较小，但因为足够的光纤长度提供了充分的瑞利反馈，使得一二阶阈值较低；当渐变折射率多模光纤5的长度为2.1km时，由于提供的瑞利反馈相对于4.5km较小因此阈值相比于2.5km的方案阈值较高，但因为光纤损耗较小，输出功率与斜效率较高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种全光纤化LD泵浦的多模光纤级联拉曼随机激光器，其特征在于：包括：LD泵浦激光源组(1)，LD泵浦激光源组输出端连接有多模光纤合束器(2)，多模光纤合束器输出端连接有模场适配器(3)，模场适配器的输出端连接有光纤光栅串(4)，光纤光栅串的输出端连接有多模光纤(5)，所述多模光纤合束器输入输出光纤芯径相同且输入端光纤与LD泵浦激光源输出光纤类型相同，所述模场适配器输入端光纤与多模光纤合束器输出端光纤类型相同，模场适配器输出端的光纤和光纤光栅串的光纤与多模光纤的类型相同。
2.根据权利要求1所述的一种全光纤化LD泵浦的多模光纤级联拉曼随机激光器，其特征在于：所述多模光纤为渐变折射率多模光纤。
3.根据权利要求1或2所述的一种全光纤化LD泵浦的多模光纤级联拉曼随机激光器，其特征在于：所述多模光纤的输出端为斜端面。
4.根据权利要求1所述的一种全光纤化LD泵浦的多模光纤级联拉曼随机激光器，其特征在于：所述LD泵浦激光源组有多个LD泵浦激光源，分别与多模光纤合束器连接。
5.根据权利要求1所述的一种全光纤化LD泵浦的多模光纤级联拉曼随机激光器，其特征在于：所述光纤光栅串第一光纤光栅和第二光纤光栅中心波长对应于LD泵浦激光源泵浦光波长的一阶拉曼斯托克斯波长和二阶拉曼斯托克斯波长，光纤光栅串第N光纤光栅中心波长对应于泵浦光波长的N阶拉曼斯托克斯波长。
6.根据权利要求1所述的一种全光纤化LD泵浦的多模光纤级联拉曼随机激光器，其特征在于：所述激光器可设计为通过选取N的值使得渐变折射率多模光纤对LD泵浦激光源泵浦光的第N+1阶拉曼斯托克斯波长具有高损耗。
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