CN110112637A - 一种1.0μm波段千瓦级保偏单频磷酸盐光纤激光器 - Google Patents

一种1.0μm波段千瓦级保偏单频磷酸盐光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种1.0μm波段千瓦级保偏单频磷酸盐光纤激光器，包括：1.0μm波段单频激光种子源、单模泵浦源、波分复用器、保偏单包层掺镱磷酸盐光纤、光隔离器、多模泵浦源、合束器、大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤和包层光剥离器；所述种子源与波分复用器信号端连接，单模泵浦源的尾纤与波分复用器的泵浦端连接，波分复用器的公共端、掺镱磷酸盐光纤、光隔离器和合束器依次连接，多模泵浦源的尾纤与合束器的泵浦端连接，合束器的输出端与所述双包层高掺镱磷酸盐光纤连接，所述双包层高掺镱磷酸盐光纤的尾端作为包层光剥离器，实现1.0μm波段、大功率、近衍射极限光束质量的保偏单频激光输出。

Description

一种1.0μm波段千瓦级保偏单频磷酸盐光纤激光器
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，具体涉及一种1.0μm波段、千瓦级、单频保偏磷酸盐光纤激光器。
背景技术
大功率单频光纤激光作为光纤激光领域的一个重要发展方向，在功率水平和线宽特性方面表现出特有优势，使其在激光测距、非线性频率转换、相干合束、引力波探测等领域有着重要应用价值。一般基于小功率单频激光器作为种子源，采用种子源主振荡功率放大(MOPA) 结构，用来实现其大功率和窄线宽的同时输出。在大功率MOPA单频光纤激光中，由于双包层增益光纤相对有限的纤芯尺寸和较长的作用长度，以及线宽较窄，容易受到非线性效应- 受激布里渊散射(SBS)的影响，制约着大功率单频光纤激光进一步向千瓦级发展，然而引力波探测、激光合束等领域对单频激光的输出功率提出了更高要求。
当前，抑制单频光纤激光中SBS的常见方法有：采用大模场面积增益光纤、对增益光纤施加沿轴向的温度或应力梯度、使用短长度(2～5米)增益光纤等，上述研究工作多采用石英基质的双包层增益光纤。即便如此，单频光纤激光功率规模还是受到了SBS的强烈制约，输出功率局限在400W左右。然而磷酸盐玻璃对稀土离子具有很好的溶解度，可达上百万ppm。基于稀土离子高掺杂双包层磷酸盐光纤可以将MOPA结构中的增益光纤使用长度缩减至亚米量级，结合大芯包比(纤芯直径/内包层直径比例大，具有大的模场直径)、低数值孔径等优势，提升SBS阈值，有望实现千瓦级单频光纤激光输出。
大芯包比双包层增益光纤可以抑制自发辐射光(ASE)，提高输出激光的信噪比；但同时需要抑制高阶模以提高输出激光的光束质量。其中，方法一：对双包层增益光纤两端拉锥处理，增加高阶模的损耗，实现对高阶模的有效抑制；方法二：设计很低纤芯数值孔径的双包层增益光纤，可以在更大直径的纤芯中实现近基模乃至基模输出；方法三：将双包层增益光纤的纤芯掺杂稀土离子，其掺杂区域仅集中在纤芯中心的部分区域，使得基模与掺杂区域高度重叠，减小高阶模与掺杂区域的重叠，以利于基模得到有效放大或激励。从而实现基模输出，提高光束质量。
相关文献有：(1)2017年，南京理工大学申请了一种1微米单频光纤激光器[申请号： 201711011144.7]，通过相移光栅和掺镱光纤构成分布反馈式谐振腔结构，结合滤波环形镜抑制跳模或多纵模振荡现象，实现了1微米单频光纤激光输出。(2)2016年，合肥脉锐光电技术有限公司申请了一种单频光纤激光器及其制作方法[申请号：201611076624.7]，利用增益光纤上刻有的相移光栅实现单频种子光的预注入，通过增益竞争压制其它激光纵模振荡，实现了频谱展宽极窄的单频激光输出。但是上述两项专利其所要求的单频光纤激光器仅仅是单一振荡腔结构，不具有大功率、保偏等输出特性。此外，国防科技大学L.Huang等人使用MOPA 结构，采用单频光纤激光种子源和2.5m长的保偏大模场掺镱双包层石英光纤，对增益光纤施加沿轴向的应力梯度以抑制SBS，实现了波长1064nm、输出功率414W的保偏单频光纤激光输出[Opt.Lett.,2018,42:1]。但是其所要求的单频光纤激光器不具有功率千瓦量级输出特征，且功率放大级基于的是普通商用的石英增益光纤材料。
发明内容
本发明提供了一种1.0μm波段千瓦级保偏单频磷酸盐光纤激光器，利用大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤作为激光增益介质，采用种子源主振荡功率放大(MOPA)技术方案。通过设计与优化磷酸盐玻璃光纤参数，基于短长度、大芯包比(纤芯直径/内包层直径比例大)、低数值孔径等特点，有效抑制SBS效应和ASE。同时结合稀土离子掺杂于纤芯中心部分区域和双包层磷酸盐玻璃光纤两端锥形制作技术，有效抑制高阶模激励与传输，从而实现较高光束质量的输出。最终实现全光纤化、大功率(严格单频运转条件下千瓦量级)、高信噪比、近衍射极限光束质量的保偏单频激光输出。
为了达到上述目的，本发明的目的通过如下技术方案实现。
一种1.0μm波段千瓦级保偏单频磷酸盐光纤激光器，包括1.0μm波段单频激光种子源、单模泵浦源、波分复用器、保偏单包层掺镱磷酸盐光纤、光隔离器、多模泵浦源、合束器、大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤和包层光剥离器；1.0μm波段单频激光种子源的输出端与波分复用器的信号端相连接，单模泵浦源的尾纤与波分复用器的泵浦端相连接，波分复用器的公共端与保偏单包层掺镱磷酸盐光纤的一端相连接，保偏单包层掺镱磷酸盐光纤的另一端与光隔离器的输入端相连接，光隔离器的输出端与合束器的输入端相连接，多模泵浦源的尾纤与合束器的泵浦端相连接，合束器的输出端与大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤的一端相连接，大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤的另一端设置包层光剥离器，最终 1.0μm波段单频光纤激光经包层光剥离器输出。
所述的1.0μm波段单频激光种子源为为光纤激光器、半导体激光器或非平面环形腔激光器(NPRO)，其信号波长范围为960～1200nm。
所述的单模泵浦源是半导体激光器、光纤激光器或其它固体激光器，其泵浦波长为 910～1080nm。
所述的大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤的纤芯组分为 aP2O5-bK2O-cBaO-dAl2O3-eNd2O3-fSb2O3-gLa2O3-hYb2O3，其中50<a<70，10<b<20，10<c<20， 2<d<5，0.5<e<1，0.1<f<0.5，3<g<6，2<h<5，其中，纤芯的镱离子掺杂浓度大于1wt％。
所述的大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤的纤芯掺杂稀土离子，稀土掺杂区域集中在纤芯中心，即掺杂区域集中在纤芯中心的部分区域。
所述的大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤的纤芯直径为10～100μm，纤芯数值孔径小于0.05；其内包层直径为100～600μm，内包层数值孔径大于0.4；纤芯直径/内包层直径比大于1/7。
所述的大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤和光剥离器的总长度为0.1-2m。
所述的大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤的内包层横截面形状为圆型、D型、四边形、六边形、八边形、十二边形等，其中内包层直径等效于其内切圆直径。
所述的大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤的一端拉制成锥形，拉制后锥端的纤芯直径、内包层直径与合束器的输出端尾纤类型进行匹配，拉制后光纤的锥端与合束器的输出端尾纤通过透镜空间耦合或者熔融连接耦合。
所述的大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤的另一端同样拉制成锥形，将锥端的端面研磨抛光成5～20°角以防止端面反射。
所述的包层光剥离器为沿大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤末端(输出端)腐蚀一定长度的内包层，并涂覆高折率胶水，以滤除磷酸盐光纤中残留的包层泵浦光。
与现有技术相比，本发明的技术效果是：基于MOPA结构，使用1.0μm波段单频激光种子源作为信号光源和大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤作为增益介质，在泵浦光源的持续激励下，通过光放大可以获得1.0μm波段的大功率单频激光输出。利用磷酸盐光纤的短长度、大芯包比(纤芯直径/内包层直径比例大)、低数值孔径等特点，有效抑制受激布里渊散射(SBS)效应和自发辐射光(ASE)；同时结合稀土离子掺杂于纤芯中心部分区域和磷酸盐玻璃光纤两端锥形制作技术，有效抑制高阶模激励与传输，最终实现1.0μm波段、全光纤化、 1.2千瓦(严格单频运转条件下千瓦量级，目前公开报道的功率最高仅为300～400W)、信噪比为65dB、光束质量小于1.1的保偏单频激光输出。本发明提供的千瓦级单频光纤激光器可广泛应用于引力波探测、非线性频率转换、相干合束、激光雷达等领域。
附图说明
图1为本发明实施例中1.0μm波段千瓦级保偏单频磷酸盐光纤激光器原理示意图；
图2为本发明实施例中保偏单包层掺镱磷酸盐光纤端面的结构示意图；
图3a～图3c为本发明实施例中大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤端面的三种结构示意图；
图4为本发明实施例中大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤纤芯稀土离子掺杂区域示意图；
图中：1—1.0μm波段单频激光种子源，2—单模泵浦源，3—波分复用器，4—保偏单包层掺镱磷酸盐光纤，5—光隔离器，6—多模泵浦源，7—合束器，8—大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤，9—包层光剥离器；401—包层，402—纤芯，403—应力棒；801—内包层，802 —纤芯，803—应力棒，804—外包层；811—内包层，812—纤芯，813—应力棒，814—外包层；821—内包层，822—纤芯，823—应力棒，824—外包层；8221—稀土掺杂区域。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，需要说明的是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
如图1所示，1.0μm波段千瓦级保偏单频磷酸盐光纤激光器包括：1.0μm波段单频激光种子源1、单模泵浦源2、波分复用器3、保偏单包层掺镱磷酸盐光纤4、光隔离器5、多模泵浦源6、合束器7、大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤8和包层光剥离器9。各结构部件之间的连接关系是：1.0μm波段单频激光种子源1的输出端与波分复用器3的信号端相连接，单模泵浦源2的尾纤与波分复用器3的泵浦端相连接，波分复用器3的公共端与保偏单包层掺镱磷酸盐光纤4的一端相连接，保偏单包层掺镱磷酸盐光纤4的另一端与光隔离器5的输入端相连接，光隔离器5的输出端与合束器7的输入端相连接，多模泵浦源6的尾纤与合束器7的泵浦端相连接，合束器7的输出端与大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤8的一端相连接，大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤8的另一端设置包层光剥离器9。最终1.0μm 波段单频光纤激光经包层光剥离器9输出。
本实施例中所使用的1.0μm波段单频激光种子源1为DBR短腔类型的光纤激光器，其信号波长为1030nm。单模泵浦源2是半导体激光器，其泵浦波长为980nm。大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤8是通过熔制高品质激光玻璃，采用管棒法制作预制棒，并在光纤拉丝塔中高温拉制而成，光纤纤芯成分为磷酸盐玻璃，纤芯组分为 63P2O5-13K2O-12BaO-3Al2O3-0.6Nd2O3-0.4Sb2O3-4La2O3-4Yb2O3，其中纤芯的镱离子掺杂浓度约为10wt％。大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤8的纤芯直径为30μm，纤芯数值孔径为 0.03；其内包层直径为150μm，内包层数值孔径为0.45；其使用长度为0.3m。大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤8的内包层横截面形状为六边形(如图3c所示)，其中内包层直径等效于其内切圆直径为150μm。大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤的一端拉制成锥形，拉制后锥端的纤芯直径、内包层直径分别为25μm、125μm，与合束器7的输出端尾纤类型进行匹配，两者通过熔融连接耦合。大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤8的另一端同样拉制成上述锥形，将锥端的端面研磨抛光成8°角。包层光剥离器9为沿大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤末端(输出端)约6cm处进行腐蚀，腐蚀掉约4cm长度的内包层之后，并涂覆高折率胶水，用于滤除掉磷酸盐光纤中残留的包层泵浦光。
基于MOPA结构，使用1030nm单频激光种子源1作为信号光源和大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤8作为增益介质，在泵浦光源的持续激励下；首先，利用高掺镱磷酸盐光纤的短长度(长度：0.3m)抑制SBS效应；其次，利用磷酸盐光纤8的大芯包比(芯包比： 1/5)抑制放大过程中的ASE，提高输出激光的信噪比；再次，利用磷酸盐光纤8的低数值孔径(NA：0.03)，能够在较大纤芯直径的磷酸盐光纤中实现单模近衍射极限(较好光束质量) 的激光输出和同时抑制SBS效应；最后，结合稀土离子掺杂于纤芯中心部分区域和磷酸盐玻璃光纤两端锥形制作技术，有效抑制光纤中高阶模的激励与传输，从而进一步提高输出激光的光束质量；最终可以实现功率为1.2千瓦、信噪比为65dB、光束质量小于1.1、工作波长为1030nm的保偏单频光纤激光输出。
如图2所示，本实施例中保偏单包层掺镱磷酸盐光纤4端面的结构情况，一对“猫眼”作为应力棒403分布于纤芯402的两侧，外包一层包层401。
本实施例中大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤8端面的结构情况如图3c所示，包括内包层821、纤芯822、应力棒823和外包层824，且内包层821形状为六边形；实施例中大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤8也可以使用断面结构如图3a或3b所示的光纤，与图 3c所示光纤的区别在于，内包层横截面形状为圆形(如图3a所示)或矩形(如图3b所示)。
如图4所示，本发明实施例中大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤纤芯822稀土离子掺杂区域情况，纤芯822采用稀土离子部分掺杂技术，稀土掺杂区域8221集中在纤芯822中心，即掺杂区域集中在纤芯中心的部分区域。
上述实施例为本发明较佳的实例方式，但本发明的实施方式不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种1.0μm波段千瓦级保偏单频磷酸盐光纤激光器，其特征在于包括：1.0μm波段单频激光种子源（1）、单模泵浦源（2）、波分复用器（3）、保偏单包层掺镱磷酸盐光纤（4）、光隔离器（5）、多模泵浦源（6）、合束器（7）、大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤（8）和包层光剥离器（9）；1.0μm波段单频激光种子源（1）的输出端与波分复用器（3）的信号端相连接，单模泵浦源（2）的尾纤与波分复用器（3）的泵浦端相连接，波分复用器（3）的公共端与保偏单包层掺镱磷酸盐光纤（4）的一端相连接，保偏单包层掺镱磷酸盐光纤（4）的另一端与光隔离器（5）的输入端相连接，光隔离器（5）的输出端与合束器（7）的输入端相连接，多模泵浦源（6）的尾纤与合束器（7）的泵浦端相连接，合束器（7）的输出端与大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤（8）的一端相连接，大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤（8）的另一端设置包层光剥离器（9），最终1.0μm波段单频光纤激光经包层光剥离器（9）输出。
2.如权利要求1所述一种1.0μm波段千瓦级保偏单频磷酸盐光纤激光器，其特征在于：所述1.0μm波段单频激光种子源（1）为光纤激光器、半导体激光器或非平面环形腔激光器（NPRO），且信号波长范围为960~1200nm。
3.如权利要求1所述一种1.0μm波段千瓦级保偏单频磷酸盐光纤激光器，其特征在于：所述单模泵浦源（2）是半导体激光器或光纤激光器，且泵浦波长为910~1080nm。
4.如权利要求1所述一种1.0μm波段千瓦级保偏单频磷酸盐光纤激光器，其特征在于：所述大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤（8）的纤芯（822）组分为aP2O5-bK2O-cBaO-dAl2O3-eNd2O3-fSb2O3-gLa2O3-hYb2O3，其中50<a<70，10<b<20，10<c<20，2<d<5，0.5<e<1，0.1<f<0.5，3<g<6，2<h<5；其中，所述纤芯的镱离子掺杂浓度大于1wt%。
5.如权利要求1所述一种1.0μm波段千瓦级保偏单频磷酸盐光纤激光器，其特征在于：所述大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤（8）的纤芯（822）掺杂稀土离子，稀土掺杂区域（8221）集中在纤芯（822）中心。
6.如权利要求1所述一种1.0μm波段千瓦级保偏单频磷酸盐光纤激光器，其特征在于：所述大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤（8）的纤芯直径为10~100μm，纤芯的数值孔径小于0.05；内包层直径为100~600μm，内包层数值孔径大于0.4；纤芯直径/内包层直径比大于1/7；所述大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤（8）和包层光剥离器（9）的总长度为0.1-2m。
7.如权利要求1所述一种1.0μm波段千瓦级保偏单频磷酸盐光纤激光器，其特征在于：所述大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤（8）的内包层横截面形状为圆形、D形、四边形、六边形、八边形或十二边形，其中内包层直径等效于其内切圆直径。
8.如权利要求1所述一种1.0μm波段千瓦级保偏单频磷酸盐光纤激光器，其特征在于：所述大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤（8）的一端拉制成锥形，拉制后锥端的纤芯直径、内包层直径与合束器（7）的输出端尾纤类型进行匹配，拉制后光纤的锥端与合束器的输出端尾纤通过透镜空间耦合或者熔融连接耦合。
9.如权利要求1所述一种1.0μm波段千瓦级保偏单频磷酸盐光纤激光器，其特征在于：所述大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤（8）的另一端拉制成锥形，将锥端的端面研磨抛光成5~20°角以防止端面反射。
10.如权利要求1所述一种1.0μm波段千瓦级保偏单频磷酸盐光纤激光器，其特征在于：所述包层光剥离器（9）为沿大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤（8）的输出端腐蚀部分长度的内包层，并涂覆高折率胶水，以滤除所述大芯包比保偏双包层高掺镱磷酸盐光纤中残留的包层泵浦光。
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CN111711061A (zh) * 2020-06-29 2020-09-25 华南理工大学 一种双波长全光纤激光器
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