CN108963738A - 一种双端输出的线性腔全光纤激光振荡器 - Google Patents
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Abstract
一种双端输出的线性腔全光纤激光振荡器，包括增益光纤、后向输出光纤光栅、前向输出光纤光栅、光纤耦合半导体激光器、泵浦信号合束器、信号传能光纤、泵浦传能光纤、前向包层光滤除器、前向输出光纤端帽、后向包层光滤除器、后向输出光纤端帽；其中后向输出光纤光栅、增益光纤、前向输出光纤光栅通过信号传能光纤依次连接形成光纤激光谐振腔；光纤耦合半导体激光器输出泵浦光经泵浦传能光纤注入泵浦信号合束器，再经信号传能光纤注入到光纤激光谐振腔中；前向、后向光纤光栅的反射率均不大于95％，使得谐振腔产生的激光可以从谐振腔的两端输出，光纤激光谐振腔两端输出的激光经过前向、后向包层光滤除器后，由与之连接的光纤端帽扩束输出。
Description
技术领域
本发明总体地涉及光纤激光器领域，尤其涉及一种双端输出线性腔全光纤激光振荡器。
背景技术
光纤激光器一般包括基于单谐振腔的激光振荡器和基于主振荡功率放大结构的激光放大器两类。与主振荡功率放大结构光纤放大器相比，全光纤激光振荡器具有成本低廉、结构紧凑、控制逻辑简单、性能稳定、抗反射回光能力强等优点，在工业加工中有着广泛的应用。随着应用领域的扩展，各行各业对激光器的成本控制要求越来越高。当前，工业中使用的高功率光纤激光器，为了保证激光器的有效起振，一般都采用由高反射光栅和低反射光栅构成的谐振腔实现激光输出。高反射光栅端的激光全部被高反射光纤光栅反馈回振荡器中，该端口不能有激光输出。在许多对激光器输出功率不高的应用场合，若同时需要两路光源，那么则需要两台独立的包括光学模块、驱动电源、冷却模块和控制模块的激光器。如果能够在一套光学模块、驱动电源、冷却模块和控制模块实现两台激光器的功率输出的功能，那么能够极大地简化激光器体积重量、降低系统成本。
目前，也有部分公开报道的类似双端或者两端口输出的激光器。一类是在化学或固体激光器中，利用镜片镀膜实现不同端口的激光输出。专利CN1437288A和文献[一种泵浦双向输出固体环形激光器，光学技术，2005，第31卷，第1期，第44-47页]采用环形腔结构，激光在环形腔内双向传输，利用镀半透半反膜的镜片，将正反向传输的固体激光从不同角度入射到该镜片中，从一个镜片的两个方向输出。专利CN2398750Y同样利用镀半透半反膜的镜片，将二氧化碳激光从谐振腔的两个端面反射输出。一类是利用透镜耦合方式注入泵浦激光的空间结构光纤激光器，利用镜片镀膜实现不同端口的激光输出。主要包括CN201210454175、CN201210454271、CN201220597110、CN201220597341、CN201310467967、CN201310467970、CN201310467968、CN201310467991、CN201310467992、CN201310468010等专利，该类激光器中，主要是在聚焦镜上镀部分反射和部分透射模，使得左右两端都能有激光输出。该两类激光器中，都能一定程度实现两个端口激光输出，但是都采用空间结构的光学反射镜、透镜对激光进行反射和耦合，使用前需要对各个镜片进行精细调解，稳定性差，不适合鲁棒性要求高的工业激光应用领域。
专利CN201710869709(一种单光纤直线腔双端输出全光纤激光器)公开了一种双向输出的光纤激光器。该专利中，采用的增益光纤为双芯光纤，几何结构上，无源传能光纤纤芯与有源掺杂光纤纤芯在增益光纤包层内非同轴平行设置，无源传能光纤纤芯用于传输泵浦光，有源掺杂光纤纤芯用于传输激光；泵浦光从无源传能光纤的纤芯注入，光纤光栅与增益光纤中的有源掺杂光纤纤芯连接，信号光从增益光纤中的有源掺杂光纤纤芯输出。该结构中，由于无源传能光纤纤芯与有源掺杂光纤纤芯不重合，为了分别实现泵浦注入和信号激光传输，需要在结构上将二者分离，在分离位置，光纤的涂覆层不可避免会一定程度破坏，使得该类激光器难以承受1千瓦以上的高功率输出。此外，该结构中由于无源传能光纤纤芯与有源掺杂光纤纤芯不同轴芯，不能使用基于双包层光纤的高功率光纤合束器，限制了泵浦激光注入功率的大小。
在现有双向输出激光器中，一类采用空间结构的光学反射镜、透镜实现激光反射与耦合，由于需要对镜片进行精细调节，其稳定性较差；另一类采用双芯光纤结构，泵浦注入功率较低、输出激光功率受限制。
发明内容
针对上述已有技术的不足，本发明提供了一种双端输出的线性腔全光纤激光振荡器，利用具有部分反射和部分透射率的光纤光栅作为谐振腔的波长选择和功率输出器件，利用能够双向传输信号激光的泵浦信号合束器注入泵浦光并传输信号激光，实现振荡器的双端激光输出。利用该方案，能够在一套光学模块、驱动电源、冷却模块和控制模块构成的系统中实现两台激光振荡器的功率输出的功能，极大地简化激光振荡器体积重量、降低系统成本。
本发明的技术方案是，一种双端输出的线性腔全光纤激光振荡器，它包括增益光纤、后向光纤光栅、前向光纤光栅、光纤耦合半导体激光器、泵浦信号合束器、信号传能光纤、泵浦传能光纤、前向包层光滤除器、前向输出光纤端帽、后向包层光滤除器、后向输出光纤端帽；所述后向光纤光栅、增益光纤、前向光纤光栅通过信号传能光纤依次连接，形成光纤激光谐振腔；所述信号传能光纤将前向光纤光栅、前向包层光滤除器和前向输出光纤端帽依次连接；所述信号传能光纤将后向光纤光栅、泵浦信号合束器、后向包层光滤除器和后向输出光纤端帽依次连接；所述泵浦信号合束器包括一个信号输入臂、一个信号输出臂和一个或多个泵浦输入臂，其信号输入臂与后向包层光滤除器通过信号传能光纤连接，信号输出臂与后向光纤光栅通过信号传能光纤连接，一个或多个泵浦输入臂通过泵浦传能光纤连接至光纤耦合半导体激光器的输出端；所述前向光纤光栅和后向光纤光栅的反射率均不大于95％且透射率均不小于5％；振荡器工作过程为：泵浦光从所述光纤耦合半导体激光器的输出端输出经泵浦传能光纤注入泵浦信号合束器进行合束，合束后经信号传能光纤注入到所述光纤激光谐振腔中，增益光纤在泵浦光的激励和谐振腔的反馈下，产生激光输出。输出激光分别从前向光纤光栅和后向光纤光栅输出；前向激光经过前向包层光滤除器后从前向光纤端帽输出，后向激光经后向包层光滤除器后从后向光纤端帽扩束输出。
本发明利用泵浦信号合束器向光纤激光谐振腔中注入泵浦光，由于单个泵浦信号合束器可与多个光纤耦合半导体激光器相连，能够提高泵浦功率。
进一步的，本发明的全光纤激光振荡器还包括后向第二泵浦信号合束器和第二组光纤耦合半导体激光器。所述后向泵浦信号合束器设置在前向光纤光栅和前向包层光滤除器之间；所述第二泵浦信号合束器包括一个信号输入臂、一个信号输出臂、一个或多个泵浦输入臂；所述第二泵浦信号合束器的信号输出臂与前向光纤光栅通过信号传能光纤连接，其信号输入臂与前向包层光滤除器通过信号传能光纤连接，其泵浦输入臂与第二光纤耦合半导体激光器的输出端通过泵浦传能光纤连接。
包括后向第二泵浦信号合束器和第二组光纤耦合半导体激光器的本发明全光纤激光振荡器即为双端泵浦方式的全光纤激光振荡器，采用双端泵浦方式，可以进一步提高泵浦功率；同时，信号激光能够在泵浦信号合束器中正反两个方向低损耗地传输，泵浦光能够在泵浦信号合束器中单向低损耗地传输。
进一步的，上述前向光纤光栅和后向光纤光栅的反射率均在5％-95％之间，且透射率在95％-5％之间；两者的中心波长彼此匹配，两者的光纤纤芯直径与信号传能光纤的直径匹配，将激光部分反射回谐振腔内、部分从谐振腔透射输出，是激光谐振腔的反射器件和输出耦合器件。
进一步的，上述增益光纤为泵浦光和信号光在其中同轴传输的单芯多包层光纤，用于激光的产生和传输。更优选地，增益光纤为增益光纤为掺稀土离子的增益光纤；其横截面结构选自双包层或三包层结构的光纤横截面结构中的一种；纤芯中掺杂稀土离子，用于产生激光，包层中不掺稀土离子，用于传输泵浦光；当所述增益光纤的横截面结构为双包层结构时，内包层直径或外接圆直径在100-1000微米之间，外包层的直径在250-2000微米之间。
进一步的，上述光纤耦合半导体激光器是增益光纤产生上能级粒子的激励源，它包括与增益光纤吸收峰匹配的各个波段的半导体激光器，所述各个波段的半导体激光器选自波段为808纳米、915纳米、940纳米、976纳米、1550纳米中的一个或多个的组合。
进一步的，上述信号传能光纤为用于激光传输的非掺稀土离子光纤，其横截面结构为双包层或三包层结构，纤芯直径在10-1000微米范围内，内包层直径在100-2000微米范围内，外包层直径在250-3000微米之间.
进一步的，上述泵浦传能光纤为用于泵浦激光传输的非掺稀土离子光纤，其横截面结构为单包层结构，纤芯直径在10-1000微米，包层直径在100-2000微米之间。
进一步的，上述前向包层光滤除器和后向包层光滤除器用于滤除信号光纤中的残留泵浦光和高阶模式，两者的几何尺寸与信号传能光纤的几何尺寸相同；上述前向光纤端帽、后向光纤端帽用于将信号传能光纤中的信号光扩束输出，降低输出端面的功率密度，提高激光器的可靠性。
进一步的，所述后向光纤光栅(2)和前向光纤光栅(3)的反射率相同；当还包括第二组光纤耦合半导体激光器时，若所述光纤耦合半导体激光器(4)和第二光纤耦合半导体激光器总功率相等，且前后向光纤光栅反射率相等时，双端输出线性腔全光纤激光振荡器在前后向输出功率相等。
采用本发明可以达到以下技术效果：
1、在全光纤激光振荡器的两个端口同时实现激光输出：通过利用前向光纤光栅和后向光纤光栅这两个具有部分反射率的光纤光栅和双向信号传输的泵浦信号合束器，实现激光从全光纤激光振荡器的两个端口输出；
2、本发明的一台全光纤激光振荡器起到传统两台激光振荡器的作用，降低激光器体积、重量和成本：由于本发明全光纤激光振荡器的双端激光输出方式，即在一套光学模块、驱动电源、冷却模块和控制模块构成的全光纤激光振荡器系统中实现了两台传统激光振荡器的功率输出的功能，因此可以利用一台全光纤激光振荡器输出两路激光光束同时满足不同的工作需求，极大地简化激光振荡器体积重量、降低系统成本；
3、本发明装置中使用了光纤端帽，可以降低全光纤激光振荡器输出端面的功率密度，保证激光振荡器的稳定性；
4、本发明的增益光纤采用泵浦光和信号光同轴传输的单芯双包层或者多包层光纤，最终实现泵浦光与信号光本质上在一根光纤中传输，不需要分离光纤，使传输更加稳定可靠。
附图说明
从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：
图1是本发明的一种双端输出的线性腔全光纤激光振荡器示意图；
图2是本发明的一种双端泵浦、双端输出线性腔全光纤激光振荡器示意图；
图3是本发明实施例的双端输出功率相同的线性腔全光纤激光振荡器示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种双端输出的线性腔全光纤激光振荡器，结构示意图如图1所示，它包括增益光纤1、后向光纤光栅2、前向光纤光栅3、光纤耦合半导体激光器4、泵浦信号合束器5、信号传能光纤6、泵浦传能光纤7、前向包层光滤除器8、前向输出光纤端帽9、后向包层光滤除器10、后向输出光纤端帽11；后向光纤光栅2、增益光纤1、前向光纤光栅3通过信号传能光纤6依次连接，形成光纤激光谐振腔；后向光纤光栅2、增益光纤1、前向光纤光栅3通过信号传能光纤6依次连接，形成光纤激光谐振腔；信号传能光纤6将前向光纤光栅3、前向包层光滤除器8和前向输出光纤端帽9依次连接；信号传能光纤6将后向光纤光栅2、泵浦信号合束器5、后向包层光滤除器10和后向输出光纤端帽11依次连接；所述泵浦信号合束器5包括一个信号输入臂、一个信号输出臂和一个或多个泵浦输入臂，其信号输入臂与后向包层光滤除器10通过信号传能光纤6连接，信号输出臂与后向光纤光栅2通过信号传能光纤6连接，一个或多个泵浦输入臂通过泵浦传能光纤7连接至光纤耦合半导体激光器的输出端，以使光纤耦合半导体激光器4发出的泵浦光通过泵浦臂耦合到泵浦信号合束器5的信号输出臂的光纤内包层中，最终实现泵浦光在泵浦信号合束器5中传输；前向光纤光栅3和后向光纤光栅2的反射率均不大于95％且透射率均不小于5％。本发明振荡器的大致工作过程：光纤耦合半导体激光器4的输出端输出的泵浦光经泵浦传能光纤7注入泵浦信号合束器5，然后经信号传能光纤6注入到光纤激光谐振腔中，增益光纤在泵浦光的激励和谐振腔的反馈下，产生激光，激光分别从前向光纤光栅3和后向光纤光栅2输出；从前向光纤光栅输出的前向激光经过前向包层光滤除器8后从前向光纤端帽9输出，从后向光纤光栅后向激光经后向包层光滤除器10后从后向光纤端帽11扩束输出。
本发明双端输出的线性腔全光纤激光振荡器的组成部件的优选结构、功能如下。
前向光纤光栅3和后向光纤光栅2是激光谐振腔的反射器件和输出耦合器件，反射率均在5％-95％之间，两者的中心波长彼此匹配，两者的光纤纤芯直径与信号传能光纤6的直径匹配，将信号激光部分反射回谐振腔内、部分从谐振腔透射输出。
增益光纤1为掺稀土离子的增益光纤，用于激光产生和传输的光纤；增益光纤1的横截面结构选自双包层或三包层结构的光纤横截面结构中的一种；纤芯中掺杂稀土离子，用于产生激光，包层中不掺稀土离子，用于传输泵浦光；当增益光纤1的横截面结构为双包层结构时，内包层的直径或外接圆直径在100-1000微米之间，外包层的直径在250-2000微米之间。
光纤耦合半导体激光器4是增益光纤1产生上能级粒子的激励源，它包括与增益光纤1吸收峰匹配的各个波段的半导体激光器，各个波段的半导体激光器选自波段为808纳米、915纳米、940纳米、976纳米、1550纳米中的一个或多个的组合。
信号传能光纤6为用于激光传输的非掺稀土离子光纤，其横截面结构为双包层或三包层结构，纤芯直径在10-1000微米范围内，内包层直径在100-2000微米范围内，外包层直径在250-3000微米之间；泵浦传能光纤7为用于泵浦激光传输的非掺稀土子光纤，其横截面结构为单包层结构，纤芯直径在10-1000微米，包层直径在100-2000微米之间。
泵浦信号合束器5中，信号激光能够在正反两个方向低损耗地传输，泵浦光能够在正向低损耗地传输。
前向包层光滤除器8和后向包层光滤除器10用于滤除信号光纤中的残留泵浦光和高阶模式，两者的几何尺寸与信号传能光纤6的几何尺寸相同；前向光纤端帽9、后向光纤端帽11用于将信号传能光纤6中的信号光扩束输出，降低输出端面的功率密度，提高激光器的可靠性。
实施例2
一种双端泵浦、双端输出线性腔全光纤激光振荡器，其结构示意图如图2所示。在实施例1的基础上，增加了第二泵浦信号合束器12和对应的第二光纤耦合半导体激光器13，构成双端泵浦光纤激光振荡器，提高注入谐振腔的泵浦功率。第二泵浦信号合束器12设置在前向光纤光栅3和前向包层光滤除器8之间；第二泵浦信号合束器12包括一个信号输入臂、一个信号输出臂，一个或多个泵浦输入臂；第二泵浦信号合束器12的信号输出臂与前向光纤光栅3通过信号传能光纤6连接，其信号输入臂与前向层光滤除器8通过信号传能光纤6连接，其泵浦输入臂与第二光纤耦合半导体激光器13的另一输出端或者第二光纤耦合半导体激光器的输出端通过泵浦传能光纤7连接。
本实施例结构实现了双端泵浦，可以进一步提高泵浦功率；同时，信号激光能够在泵浦信号合束器中正反两个方向低损耗地传输，泵浦光能够在泵浦信号合束器中单向低损耗地传输。
实施例3
一种双端输出功率相同的线性腔全光纤激光振荡器，其示意图结构如图3所示。在实施例2的基础上，选用后向光纤光栅和前向光纤光栅为反射率相等的光纤光栅，即前向输出反射光栅3的反射率R1与后向输出光栅2的反射率R2相等；并且，注入到前向泵浦信号合束器5的光纤耦合半导体激光器4的总功率和注入到后向泵浦信号合束器12的第二光纤耦合半导体激光器13总功率相等，即光纤耦合半导体激光器4向泵浦信号合束器5中注入的总功率P1和向第二泵浦信号合束器12中注入的总功率P2相等，以保证振荡器两端输出功率相等，结构示意图如图3所示。
实施例3结构可实现前后端输出功率相等的激光输出。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种双端输出的线性腔全光纤激光振荡器，其特征在于，它包括增益光纤(1)、后向光纤光栅(2)、前向光纤光栅(3)、光纤耦合半导体激光器(4)、泵浦信号合束器(5)、信号传能光纤(6)、泵浦传能光纤(7)、前向包层光滤除器(8)、前向输出光纤端帽(9)、后向包层光滤除器(10)、后向输出光纤端帽(11)；
所述后向光纤光栅(2)、增益光纤(1)、前向光纤光栅(3)通过信号传能光纤(6)依次连接，形成光纤激光谐振腔；
所述信号传能光纤(6)将前向光纤光栅(3)、前向包层光滤除器(8)和前向输出光纤端帽(9)依次连接；
所述信号传能光纤(6)将后向光纤光栅(2)、泵浦信号合束器(5)、后向包层光滤除器(10)和后向输出光纤端帽(11)依次连接；
所述泵浦信号合束器(5)包括一个信号输入臂、一个信号输出臂、一个或多个泵浦输入臂；其信号输入臂与后向包层光滤除器(10)通过信号传能光纤(6)连接，信号输出臂与后向光纤光栅(2)通过信号传能光纤(6)连接，一个或多个泵浦输入臂通过泵浦传能光纤(7)连接至光纤耦合半导体激光器(4)的一个或多个输出端；
所述前向光纤光栅(3)和后向光纤光栅(2)的反射率均不大于95％且透射率均不小于5％。
2.根据权利要求1所述的双端输出的线性腔全光纤激光振荡器，其特征在于，还包括后向第二泵浦信号合束器(12)和第二光纤耦合半导体激光器(13)，所述后向泵浦信号合束器(12)设置在前向光纤光栅(3)和前向包层光滤除器(8)之间；所述第二泵浦信号合束器(12)包括一个信号输入臂、一个信号输出臂、一个或多个泵浦输入臂；所述第二泵浦信号合束器(12)的信号输出臂与前向光纤光栅(3)通过信号传能光纤(6)连接，其信号输入臂与前向包层光滤除器(8)通过信号传能光纤(6)连接，其泵浦输入臂与第二光纤耦合半导体激光器(13)的输出端通过泵浦传能光纤(7)连接。
3.如权利要求1或2所述的双端输出的线性腔全光纤激光振荡器，其特征在于，所述前向光纤光栅(3)和后向光纤光栅(2)的反射率均在5％-95％之间，且透射率在95％-5％之间；两者的中心波长彼此匹配，两者的光纤纤芯直径与信号传能光纤(6)的直径匹配，以将信号激光部分反射回谐振腔内、部分从谐振腔透射输出，是激光谐振腔的反射器件和输出耦合器件。
4.根据权利要求1或2所述的双端输出的线性腔全光纤激光振荡器，其特征在于，所述增益光纤(1)为泵浦光和激光在其中同轴传输的单芯多包层光纤，用于激光的产生和传输。
5.根据权利要求4所述的双端输出的线性腔全光纤激光振荡器，其特征在于，所述增益光纤(1)为掺稀土离子的增益光纤；其横截面结构选自双包层或三包层结构的光纤横截面结构中的一种，所述增益光纤(1)的纤芯中掺杂稀土离子，用于产生激光，所述增益光纤(1)的包层中不掺稀土离子，用于传输泵浦光；当所述增益光纤(1)的横截面结构为双包层结构时，所述增益光纤(1)的内包层直径或外接圆直径在100-1000微米之间，所述增益光纤(1)的外包层的直径在250-2000微米之间。
6.根据权利要求1或2所述的双端输出的线性腔全光纤激光振荡器，其特征在于，所述光纤耦合半导体激光器(4)包括与增益光纤(1)吸收峰匹配的各个波段的半导体激光器，所述各个波段的半导体激光器选自波段为808纳米、915纳米、940纳米、976纳米、1550纳米中的一个或多个的组合，用作增益光纤(1)产生上能级粒子的激励源。
7.根据权利要求1或2所述的双端输出的线性腔全光纤激光振荡器，其特征在于，所述信号传能光纤(6)为用于激光传输的非掺稀土离子光纤，其横截面结构为双包层或三包层结构，所述信号传能光纤(6)的纤芯直径在10-1000微米范围内，所述信号传能光纤(6)的内包层直径在100-2000微米范围内，所述信号传能光纤(6)的外包层直径在250-3000微米之间。
8.根据权利要求1或2所述的双端输出的线性腔全光纤激光振荡器，其特征在于，所述泵浦传能光纤(7)为用于泵浦激光传输的非掺稀土离子光纤，其横截面结构为单包层结构，所述泵浦传能光纤(7)的纤芯直径在10-1000微米，所述泵浦传能光纤(7)的包层直径在100-2000微米之间。
9.根据权利要求1或2所述的一种双端输出线性腔全光纤激光振荡器，其特征在于，所述前向包层光滤除器(8)和后向包层光滤除器(10)的几何尺寸均与信号传能光纤(6)的几何尺寸相同。
10.根据权利要求1或2所述的一种双端输出线性腔全光纤激光振荡器，其特征在于，当还包括第二组光纤耦合半导体激光器时，若所述光纤耦合半导体激光器(4)和第二光纤耦合半导体激光器总功率相等，且前后向光纤光栅反射率相等时，双端输出线性腔全光纤激光振荡器在前后向输出功率相等。
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