CN110212397B - 涡旋盘绕式阳光泵浦光纤激光放大器及其放大方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种涡旋盘绕式阳光泵浦光纤激光放大器，包括卡塞格林反射镜主镜、卡塞格林反射镜次镜、涡旋盘绕光纤工作物质、反光底板、泵浦太阳光线、入射端口、出射端口、光纤包层、掺杂光纤纤芯和太阳光线，卡塞格林反射镜次镜位于卡塞格林反射镜主镜上方并与卡塞格林反射镜主镜共焦装配，泵浦太阳光线轴向辐射卡塞格林反射镜主镜，使卡塞格林反射镜次镜反射的高功率泵浦太阳光垂直照射涡旋盘绕光纤工作物质。本发明利用卡塞格林反射镜，将自然辐射的太阳光会聚至涡旋盘绕的光纤工作物质，光纤工作物质的纤芯为稀土离子掺杂部分，光纤工作物质安置于光学镀金的反光底板内，提高太阳光耦合进入光纤工作物质的效率。

Description

涡旋盘绕式阳光泵浦光纤激光放大器及其放大方法
技术领域
本发明属于光纤激光技术领域，涉及一种阳光泵浦激光放大器，具体涉及一种涡旋盘绕光纤增益介质的阳光泵浦激光放大器及其放大方法。
背景技术
阳光泵浦激光放大器是一种利用太阳光直接泵浦激光工作物质实现太阳光到激光能量转换的装置。基于光的受激辐射，激光放大器可以在保持种籽激光优良光束质量(包括脉宽、线宽、偏振特性等)的同时而又获得高功率(或能量)激光。
阳光泵浦激光放大技术具有能量转换环节少，能量传递效率高等特点，在科研、工业以及军事等领域都有着广泛的应用前景，特别是在无人值守的空间系统中应用。然而，目前的阳光泵浦激光放大器，主要为板条或碟状工作物质，光纤工作物质的阳光泵浦激光放大器尚未有相关研究。特别是阳光泵浦激光放大器应用于激光通信领域，光纤工作物质的低阈值、高效率、高质量、长寿命等特点是通信系统实现低功率调制、高功率发射的关键。在现有基于阳光泵浦激光放大器的空间激光通信系统试验中，调制器将目标电信号加载至低功率、高质量激光载波上，经光纤输出后耦合进入放大器工作物质，激光载波在放大器内获得能量增益后通过光纤耦合再进入发射系统，最终实现激光通信。但目前阳光泵浦激光放大器系统的高阈值、低效率等因素，大大限制了系统的空间适用性，不能充分体现阳光泵浦光通信系统的空间应用优势。为提高阳光泵浦光通信系统的空间适用性，研究新型的阳光泵浦光纤激光放大器具有深远意义。
因此，有必要设计一种能够通过光纤工作物质降低放大器系统泵浦阈值功率、提高系统能量传递效率，并且空间激光通信系统具有低能耗、高效率、高可靠性运转优点的涡旋盘绕式阳光泵浦光纤激光放大器及其放大方法。
发明内容
本有鉴于此，本发明提供了一种用于空间激光通信系统的涡旋盘绕式阳光泵浦光纤激光放大器；本发明利用卡塞格林反射镜会聚太阳光泵浦涡旋盘绕的光纤工作物质构成阳光泵浦激光放大器。基于阳光泵浦激光技术和光纤放大技术，在阳光泵浦的工作状态下(高于阈值功率)，种籽激光通过处于粒子数反转状态的光纤工作物质发生受激辐射跃迁实现光功率(或能量)的放大。
根据本发明提供的一种涡旋盘绕式阳光泵浦光纤激光放大器，包括卡塞格林反射镜主镜、卡塞格林反射镜次镜、涡旋盘绕光纤工作物质、反光底板、泵浦太阳光线、入射端口、出射端口、光纤包层、掺杂光纤纤芯和太阳光线，
所述卡塞格林反射镜次镜位于所述卡塞格林反射镜主镜上方并与所述卡塞格林反射镜主镜共焦装配，所述涡旋盘绕光纤工作物质和所述反光底板均位于所述卡塞格林反射镜主镜底部，所述涡旋盘绕光纤工作物质和所述反光底板共轴设置，
所述泵浦太阳光线轴向辐射所述卡塞格林反射镜主镜，使所述卡塞格林反射镜次镜反射的高功率密度泵浦太阳光垂直照射涡旋盘绕光纤工作物质。
进一步地，涡旋盘绕光纤工作物质涡旋盘绕光纤为单包层，所述单包层为泵浦光耦合结构。
进一步地，在泵浦条件下，光纤纤芯处于粒子数反转状态时，形成激光放大器。
进一步地，所述反光底板上设置有V形槽，所述V形槽用于会聚太阳光。
相应地，本发明还提供了一种涡旋盘绕式阳光泵浦光纤激光放大器的放大方法，包括如下步骤：
步骤1，将涡旋盘绕光纤工作物质放置于反光底板上；
步骤2，卡塞格林反射镜主镜与卡塞格林反射镜次镜共焦装配，卡塞格林反射镜次镜、卡塞格林反射镜主镜同轴安置，涡旋盘绕光纤工作物质和反光底板同轴安置；
步骤3，泵浦太阳光轴向辐射卡塞格林反射镜主镜，保证卡塞格林反射镜次镜反射的高功率密度泵浦太阳光垂直照射涡旋盘绕光纤工作物质；
步骤4，当泵浦太阳光功率密度达到一定高度时，涡旋盘绕光纤工作物质纤芯内原子被泵浦到高能级，实现粒子数反转；
步骤5，当特定波长种籽光经入射端口通过处于粒子数反转状态的光纤工作物质时，迫使高能级原子跃迁到低能级，同时释放的能量产生光辐射，受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射种籽光相同，种籽光功率放大后由出射端口输出。
进一步地，会聚后的太阳光线经光纤包层耦合进入掺杂光纤纤芯，部分未能进入掺杂光纤纤芯的太阳光线经过V形槽反射后再次进入涡旋盘绕的光纤工作物质。
进一步地，步骤1中，所述光纤增益介质在所述反光底板上为固定形态，用于确保涡旋盘绕光纤工作物质的装配。
进一步地，所述步骤2中的卡塞格林阳光会聚装置、光纤工作物质和反光底板之间的装配方法，用于确保涡旋盘绕光纤工作物质与泵浦太阳光斑匹配度。
进一步地，所述步骤3中的方法为光纤工作物质的泵浦设计方法。
进一步地，所述步骤4是当适当波长种籽激光通过处于粒子数反转状态的光纤工作物质时，实现功率的增益，完成种籽激光的行波放大。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明的涡旋盘绕式阳光泵浦光纤激光放大器，利用卡塞格林反射镜，将自然辐射的太阳光会聚至涡旋盘绕的光纤工作物质，光纤工作物质的纤芯为稀土离子掺杂部分，掺杂纤芯直径为微米量级，其泵浦阈值功率远低于板条(或碟状)等常规工作物质放大器，光纤工作物质安置于光学镀金的V形槽反光底板内，V形槽可提高太阳光耦合进入光纤工作物质的效率；
(1)本发明的涡旋盘绕式阳光泵浦光纤激光放大器，光纤工作物质的石英包层具有柱面光波导透镜作用，耦合泵浦太阳光进入掺杂稀土离子的纤芯，卡塞格林反射镜与光纤工作物质共同组成激光放大器，结构简单，设计合理，体积小巧、紧凑，通过光纤工作物质降低了放大器系统泵浦阈值功率、提高了系统能量传递效率，且空间激光通信系统具有低能耗、高效率、高可靠性运转等优点；
(2)本发明的涡旋盘绕式阳光泵浦光纤激光放大器，在卡塞格林反射镜与光纤工作物质的放大器中，当光纤工作物质在阳光泵浦条件下处于粒子数反转状态时，适当波长种籽激光的入射，发生受激发射跃迁，从而实现种籽激光功率的放大；
(2)本发明的涡旋盘绕式阳光泵浦光纤激光放大器的放大方法，放大方法简单，工作可靠、稳定，使用范围广，具有良好的应用市场。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的阳光泵浦光纤激光放大器结构示意图；
图2为本发明的反光底板V形槽结构示意图。
其中，图中对应的附图标记为：1-卡塞格林反射镜主镜，2-卡塞格林反射镜次镜，3-涡旋盘绕光纤工作物质，4-反光底板，5-泵浦太阳光线，6-入射端口，7-出射端口，8-光纤包层，9-掺杂光纤纤芯，10-太阳光线，11-V形槽。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
请参阅图1-2。如图1-2所示，本发明实施例提供了一种涡旋盘绕式阳光泵浦光纤激光放大器，包括卡塞格林反射镜主镜1、卡塞格林反射镜次镜2、涡旋盘绕光纤工作物质3、反光底板4、泵浦太阳光线5、入射端口6、出射端口7、光纤包层8、掺杂光纤纤芯9和太阳光线10，
所述卡塞格林反射镜次镜2位于所述卡塞格林反射镜主镜1上方并与所述卡塞格林反射镜主镜1共焦装配，所述涡旋盘绕光纤工作物质3和所述反光底板4均位于所述卡塞格林反射镜主镜1底部，所述涡旋盘绕光纤工作物质3和所述反光底板4共轴设置，
所述泵浦太阳光线5轴向辐射所述卡塞格林反射镜主镜1，使所述卡塞格林反射镜次镜2反射的高功率密度泵浦太阳光垂直照射涡旋盘绕光纤工作物质。
涡旋盘绕光纤工作物质3涡旋盘绕光纤为单包层，所述单包层为泵浦光耦合结构。
在泵浦条件下，光纤纤芯处于粒子数反转状态时，形成激光放大器。
所述反光底板4上设置有V形槽，所述V形槽用于会聚太阳光。
实施例2
在实施例1的基础上，本发明实施例还提供了一种涡旋盘绕式阳光泵浦光纤激光放大器的放大方法，包括如下步骤：
步骤1，将涡旋盘绕光纤工作物质放置于反光底板上；
步骤2，卡塞格林反射镜主镜与卡塞格林反射镜次镜共焦装配，卡塞格林反射镜次镜、卡塞格林反射镜主镜同轴安置，涡旋盘绕光纤工作物质和反光底板同轴安置；
步骤3，泵浦太阳光轴向辐射卡塞格林反射镜主镜，保证卡塞格林反射镜次镜反射的高功率密度泵浦太阳光垂直照射涡旋盘绕光纤工作物质；
步骤4，当泵浦太阳光功率密度达到一定高度泵浦阈值功率密度时，涡旋盘绕光纤工作物质纤芯内原子被泵浦到高能级，实现粒子数反转；
步骤5，当特定波长种籽光经入射端口通过处于粒子数反转状态的光纤工作物质时，迫使高能级原子跃迁到低能级，同时释放的能量产生光辐射受激辐射跃迁，受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射种籽光相同，种籽光功率放大后由出射端口输出。会聚后的太阳光线经光纤包层耦合进入掺杂光纤纤芯，部分未能进入掺杂光纤纤芯的太阳光线经过V形槽反射后再次进入涡旋盘绕的光纤工作物质。
步骤1中，所述光纤增益介质在所述反光底板上为固定形态，用于确保涡旋盘绕光纤工作物质的装配。
所述步骤2中的卡塞格林阳光会聚装置、光纤工作物质和反光底板之间的装配方法，用于确保涡旋盘绕光纤工作物质与泵浦太阳光斑匹配度。所述步骤3中的方法为光纤工作物质的泵浦设计方法。所述步骤4是当适当波长种籽激光通过处于粒子数反转状态的光纤工作物质时，实现功率或能量的增益，完成种籽激光的行波放大。
综上，本发明的涡旋盘绕式阳光泵浦光纤激光放大器，利用卡塞格林反射镜，将自然辐射的太阳光会聚至涡旋盘绕的光纤工作物质，光纤工作物质的纤芯为稀土离子掺杂部分，掺杂纤芯直径为微米量级，其泵浦阈值功率远低于板条(或碟状)等常规工作物质放大器，光纤工作物质安置于光学镀金的V形槽反光底板内，V形槽可提高太阳光耦合进入光纤工作物质的效率；光纤工作物质的石英包层具有柱面光波导透镜作用，耦合泵浦太阳光进入掺杂稀土离子的纤芯，卡塞格林反射镜与光纤工作物质共同组成激光放大器，结构简单，设计合理，体积小巧、紧凑，通过光纤工作物质降低了放大器系统泵浦阈值功率、提高了系统能量传递效率，且空间激光通信系统具有低能耗、高效率、高可靠性运转等优点；在卡塞格林反射镜与光纤工作物质的放大器中，当光纤工作物质在阳光泵浦条件下处于粒子数反转状态时，适当波长种籽激光的入射，发生受激发射跃迁，从而实现种籽激光功率的放大；放大方法简单，工作可靠、稳定，使用范围广，具有良好的应用市场。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种涡旋盘绕式阳光泵浦光纤激光放大器，其特征在于，包括卡塞格林反射镜主镜(1)、卡塞格林反射镜次镜(2)、涡旋盘绕光纤工作物质(3)、反光底板(4)、泵浦太阳光线(5)、入射端口(6)、出射端口(7)、光纤包层(8)、掺杂光纤纤芯(9)和太阳光线(10)，
所述卡塞格林反射镜次镜(2)位于所述卡塞格林反射镜主镜(1)上方并与所述卡塞格林反射镜主镜(1)共焦装配，所述涡旋盘绕光纤工作物质(3)和所述反光底板(4)均位于所述卡塞格林反射镜主镜(1)底部，所述涡旋盘绕光纤工作物质(3)和所述反光底板(4)共轴设置，
所述泵浦太阳光线(5)轴向辐射所述卡塞格林反射镜主镜(1)，使所述卡塞格林反射镜次镜(2)反射的高功率密度泵浦太阳光垂直照射涡旋盘绕光纤工作物质；
涡旋盘绕光纤工作物质(3)涡旋盘绕光纤为单包层，所述单包层为泵浦光耦合结构；
在泵浦条件下，光纤纤芯处于粒子数反转状态时，形成激光放大器；
所述反光底板(4)上设置有V形槽，所述V形槽用于会聚太阳光。
2.一种涡旋盘绕式阳光泵浦光纤激光放大器的放大方法，其特征在于，采用权利要求1所述的涡旋盘绕式阳光泵浦光纤激光放大器，包括如下步骤：
步骤1，将涡旋盘绕光纤工作物质放置于反光底板上；
步骤2，卡塞格林反射镜主镜与卡塞格林反射镜次镜共焦装配，卡塞格林反射镜次镜、卡塞格林反射镜主镜同轴安置，涡旋盘绕光纤工作物质和反光底板同轴安置；
步骤3，泵浦太阳光轴向辐射卡塞格林反射镜主镜，保证卡塞格林反射镜次镜反射的高功率密度泵浦太阳光垂直照射涡旋盘绕光纤工作物质；
步骤4，当泵浦太阳光功率密度达到一定高度时，涡旋盘绕光纤工作物质纤芯内原子被泵浦到高能级，实现粒子数反转；
步骤5，当特定波长种籽光经入射端口通过处于粒子数反转状态的光纤工作物质时，迫使高能级原子跃迁到低能级，同时释放的能量产生光辐射，受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射种籽光相同，种籽光功率放大后由出射端口输出。
3.根据权利要求2所述的涡旋盘绕式阳光泵浦光纤激光放大器的放大方法，其特征在于，会聚后的太阳光线经光纤包层耦合进入掺杂光纤纤芯，部分未能进入掺杂光纤纤芯的太阳光线经过V形槽反射后再次进入涡旋盘绕的光纤工作物质。
4.根据权利要求3所述的涡旋盘绕式阳光泵浦光纤激光放大器的放大方法，其特征在于，所述步骤2中的卡塞格林反射镜主镜与卡塞格林反射镜次镜、光纤工作物质和反光底板之间的装配方法，用于确保涡旋盘绕光纤工作物质与泵浦太阳光斑匹配度。
5.根据权利要求4所述的涡旋盘绕式阳光泵浦光纤激光放大器的放大方法，其特征在于，所述步骤3中的方法为光纤工作物质的泵浦设计方法。
6.根据权利要求4所述的涡旋盘绕式阳光泵浦光纤激光放大器的放大方法，其特征在于，所述步骤4为当适当波长种籽激光通过处于粒子数反转状态的光纤工作物质时，实现功率增益，完成种籽激光行波放大。
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