CN110707519A - 一种大功率超宽带波长扫描光纤激光系统及调谐方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种大功率超宽带波长扫描光纤激光系统，它包括波长可调谐种子源、波长可调谐泵浦源阵列、泵浦信号合束器、拉曼增益光纤和光纤端帽：波长可调谐种子源与泵浦信号合束器的信号输入臂相连；波长可调谐泵浦源阵列分别接入泵浦信号合束器的各个泵浦输入臂；泵浦信号合束器的输出端与拉曼增益光纤的一端连接，拉曼增益光纤另一端连接光纤端帽；大功率超宽带波长扫描光纤激光系统的波长扫描范围大于900纳米，典型值为1050纳米至2000纳米；该波长扫描范围内连续光输出大于1千瓦。本发明同时采用波长可调谐泵浦源和种子源，利用放大器放大种子源，直至产生可调谐级联拉曼光，实现超宽调谐范围的同时将功率定标放大。

Description

一种大功率超宽带波长扫描光纤激光系统及调谐方法
技术领域
本发明总体地属于光纤激光器技术领域，具体地涉及一种大功率超宽带波长扫描光纤激光系统及调谐方法。
背景技术
大功率光纤激光器在科研、国防、医疗、工业等诸多重要领域已经得到广泛的应用。应用激光的本质实际上是激光与物质相互作用过程，而不同的应用领域由于作用物质不同，因此需要的激光波长不同。然而，受限于有限的增益带宽，其发射波长往往固定在某一特定波长，数千瓦量级对应的3dB带宽往往不到十纳米。随着大功率激光应用范围的迅速拓展，常规的单一波长往往无法匹配最佳效果对应的波长。为获得最佳作用效果，不仅激光输出功率需达到千瓦量级以上，还需要激光波长在较宽光谱范围能够连续切换以匹配不同作用物质的最优波长。因此，在面对此类应用时，具有超宽带波长扫描功能的大功率光纤激光有利于实现多个大功率光纤激光系统的高度集成化，能够大大简化激光系统，节约成本，提高效率。
然而，常规1微米波段千瓦量级光纤激光光源，由于稀土离子的增益范围较窄，其调谐范围仅为30-40纳米，远远没有达到实际应用的需求。目前，超宽光谱范围激光主要通过非线性效应方式实现，根据不同的非线性效应一般分成两类，一种是仅基于级联受激拉曼散射的随机光纤激光器，由常规1微米波段可调谐光纤激光泵浦，已经实现了1.1-1.9微米光谱范围内连续可调，但是最高功率仅有数十瓦量级。另一种是基于多个非线性效应产生的超连续谱光源，其输出光谱带宽可至2.4微米以上，且功率能够达到千瓦量级。然而，其光谱密度较低，某一特定波长的功率甚至不足十瓦。因此，目前尚未有能够同时覆盖1-2微米超宽带波长扫描功能的大功率光纤激光系统。
发明内容
为拓展现有千瓦级可调谐激光的光谱范围，实现千瓦级具有超宽波长扫描功能的激光输出，本发明提供一种大功率超宽带波长扫描光纤激光系统及调谐方法，该系统波长扫描范围覆盖1-2微米，单一波长的连续激光输出功率大于1千瓦。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：一种大功率超宽带波长扫描光纤激光系统，它包括波长可调谐种子源、波长可调谐泵浦源阵列、泵浦信号合束器、拉曼增益光纤和光纤端帽：所述波长可调谐种子源与泵浦信号合束器的信号输入臂相连；所述波长可调谐泵浦源阵列分别接入泵浦信号合束器的各个泵浦输入臂；泵浦信号合束器的输出端与拉曼增益光纤的一端连接，拉曼增益光纤另一端连接光纤端帽；所述大功率超宽带波长扫描光纤激光系统的波长扫描范围大于900纳米，典型值为1050纳米至2000纳米；该波长扫描范围内任意波长的连续光输出大于1千瓦。
本发明的大功率超宽带波长扫描光纤激光系统还包括隔离器，所述隔离器设置在波长可调谐种子源与泵浦信号合束器的信号输入臂之间，和波长可调谐泵浦源阵列与泵浦信号合束器的各个泵浦输入臂之间，隔离器是为了防止后向回光的影响，保护波长可调谐种子源和波长可调谐泵浦源阵列。
进一步的，上述波长可调谐种子源、波长可调谐泵浦源阵列、泵浦信号合束器、拉曼增益光纤的连接形成级联放大器结构；所述大功率超宽带波长扫描光纤激光系统包括多于一组的级联放大器结构，所述多于一组的级联放大器结构依次串联，最后连接端帽。上述多于一组是指两组或大于两组。
进一步的，上述波长可调谐泵浦源阵列的波长调谐的范围大于40纳米，中心波长在0.9至1.1微米范围内。例如，调谐范围从1020纳米至1060纳米，或者调谐范围从1060纳米至1100纳米。
进一步的，上述波长可调谐种子源为波长可调谐掺镱光纤激光器泵浦的拉曼光纤激光器或随机光纤激光器，其波长范围位于波长可调谐泵浦源阵列对应的一阶拉曼光增益谱内，例如频移13.2THz，对应的是石英拉曼增益光纤的最大拉曼增益系数；波长调谐种子源的调谐范围大于60纳米，例如，调谐范围从1060纳米至1120纳米，或者调谐范围从1120纳米至1180纳米。
进一步的，上述拉曼增益光纤为大模场双包层光纤结构或渐变折射率光纤结构，以实现高亮度级联拉曼光输出。
进一步的，拉曼增益光纤的长度根据以下设计要素进行了优化：根据具体的光纤结构参数、泵浦、种子中心波长计算可调谐泵浦源阵列的一阶拉曼光阈值，使其在波长可调谐种子源关闭时等于或大于1千瓦，并且在波长可调谐种子源开启时扫描范围最长波长对应的最高阶级联拉曼光功率等于或略大于1千瓦。
进一步的，上述拉曼增益光纤的零色散波长在波长扫描范围之外。
进一步的，上述拉曼增益光纤在波长扫描范围内的传输损耗以及弯曲损耗均远小于对应的拉曼增益。
本发明还提供了一种大功率超宽带功率定标放大方法，它使用上述大功率超宽带波长扫描光纤激光系统，通过下面的步骤S1-S3分别实现超宽带波长范围内不同子波段的大功率激光的产生和放大：S1、使波长可调谐种子源保持关闭，启动波长可调谐泵浦源阵列工作发出泵浦光进入泵浦信号合束器进行合束，此时拉曼增益光纤仅作为传能光纤将合束后的泵浦光直接输出，泵浦功率低于一阶拉曼光阈值，实现泵浦调谐范围内的大功率激光输出；S2、先启动波长可调谐种子源发出种子激光，再启动波长可调谐泵浦源阵列工作发出泵浦光，经泵浦信号合束器合束后进入拉曼增益光纤，增加泵浦功率至一阶拉曼光阈值，实现波长可调谐种子源的功率定标放大；S3、在步骤S2的基础上，继续增加泵浦功率，直至波长更长的高阶级联拉曼光产生并放大，实现大功率激光输出波长的连续拓展。
本发明还提供了一种大功率波长可调谐泵浦与种子源的波长匹配方法，它使用上述大功率超宽带波长扫描光纤激光系统，操作如下：先开启可调谐种子源，调节种子输出中心波长，再启动波长可调谐泵浦源阵列工作发出泵浦光，经泵浦信号合束器合束后进入拉曼增益光纤，在泵浦功率低于一阶拉曼光阈值时，调节泵浦中心波长使种子波长等于泵浦拉曼峰值增益的波长，再继续增加功率大于一阶拉曼光阈值，实现可调谐泵浦与种子源的波长匹配，取得拉曼增益的最大化。
本发明同时提供了一种大功率超宽带波长连续扫描方法，它使用上述大功率超宽带波长扫描光纤激光系统，通过以下步骤S1-S3分别实现不同波段波长扫描和功率放大：S1、短波泵浦光扫描：使波长可调谐种子源保持关闭，启动波长可调谐泵浦源阵列工作发出泵浦光进入泵浦信号合束器进行合束，此时拉曼增益光纤仅作为传能光纤将合束后的泵浦光直接输出，泵浦功率低于一阶拉曼光阈值，实现泵浦调谐范围内的波长扫描；S2、常规波段扫描和功率放大：启动波长可调谐种子源发出种子激光，再启动波长可调谐泵浦源阵列工作发出泵浦光，经泵浦信号合束器合束后进入拉曼增益光纤；波长扫描时先调节种子波长，再在泵浦功率低于一阶拉曼光阈值时调节泵浦中心波长使种子波长等于泵浦拉曼峰值增益的波长，实现可调谐泵浦与种子源的波长匹配；然后继续增加泵浦功率大于一阶拉曼光阈值，实现种子调谐范围内的波长扫描和功率放大；S3、长波和超长波段扫描和功率放大：在步骤S2的基础上，根据目标波长计算相应的种子、泵浦波长，再依次将种子和泵浦波长在泵浦功率低于一阶拉曼光阈值时调节至该波长；然后继续增加泵浦功率，直至二级及级联拉曼光产生并放大，实现长波和超长波段范围内的波长扫描和功率放大。
可以看出，超宽光谱调谐的短波部分实现方式为：在仅有波长可调谐泵浦源阵列出光时，控制泵浦功率低于一阶拉曼光阈值，放大器直接输出泵浦激光。超宽光谱调谐的常规波段部分实现方式为：在波长可调谐种子源出光时，增加波长可调谐泵浦源阵列输出功率至一阶拉曼光阈值，通过调节波长可调谐泵浦源阵列与波长可调谐种子源波长，使两者匹配获得最高拉曼增益，实现波长可调谐种子源的功率放大。超宽光谱调谐的长波部分实现方式为：在保持波长可调谐种子源出光的基础上，进一步增加波长可调谐泵浦源阵列输出功率，使得种子光功率达到二阶拉曼光阈值，通过调节波长可调谐泵浦阵列与波长可调谐种子源波长，实现对应二阶拉曼波长的调谐，以及功率放大。超宽光谱调谐的超长波部分实现方式为：在保持波长可调谐种子源出光的基础上，通过逐步增加波长可调谐泵浦源阵列输出功率，逐步产生并放大更高拉曼阶数，调节波长可调谐泵浦阵列与波长可调谐种子源波长，实现更高阶数拉曼对应更长波长的调谐。至此，该级联拉曼光纤放大器系统能够保证超宽调谐范围以及单一波长大功率输出的同时实现。
本发明的先进性在于：同时采用波长可调谐泵浦源和种子源，利用放大器结构放大种子源，直至产生可调谐级联拉曼光，实现超宽调谐范围的同时能够将功率定标放大。
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为本发明实施例的一种大功率超宽带波长扫描光纤激光系统的结构示意图。
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
一种大功率超宽带波长扫描光纤激光系统，其结构如图1所示，包括波长可调谐种子源、波长可调谐泵浦源阵列、泵浦信号合束器、拉曼增益光纤和光纤端帽，总体结构上：波长可调谐种子源与泵浦信号合束器的信号输入臂相连；波长可调谐泵浦源阵列分别接入泵浦信号合束器的各个泵浦输入臂；泵浦信号合束器的输出端与拉曼增益光纤的一端连接，拉曼增益光纤另一端连接光纤端帽；其中在波长可调谐种子源与泵浦信号合束器的信号输入臂之间和波长可调谐泵浦源阵列与泵浦信号合束器的各个泵浦输入臂之间还设置有隔离器，用于防止后向回光的影响，保护波长可调谐种子源和波长可调谐泵浦源阵列。
更具体地，各部件的参数和性能如下：波长可调谐泵浦源阵列的波长调谐的范围大于40纳米，其中心波长在0.9至1.1微米范围内，其一阶拉曼光阈值在波长可调谐种子源关闭时等于或大于1千瓦。波长可调谐种子源为可调谐掺镱光纤激光器泵浦的拉曼光纤激光器或随机光纤激光器，其波长范围位于可调谐泵浦源阵列对应的一阶拉曼光增益谱内，可调谐种子源的调谐范围大于60纳米；拉曼增益光纤为大模场双包层光纤结构或渐变折射率光纤结构，其零色散波长在波长扫描范围之外，在波长扫描范围内的传输损耗以及弯曲损耗均远小于对应的拉曼增益。
该大功率超宽带波长扫描光纤激光系统的波长扫描范围大于900纳米，典型值为1050纳米至2000纳米；该波长扫描范围内连续光输出大于1千瓦。
实施例2
一种大功率超宽带波长扫描光纤激光系统，包括多组波长可调谐种子源、波长可调谐泵浦源阵列、泵浦信号合束器、拉曼增益光纤，每组波长可调谐种子源、波长可调谐泵浦源阵列、泵浦信号合束器、拉曼增益光纤的连接关系与实施例1相同，不同之处在于，多组之间依次串联，后端再连接端帽；当然，还优选包括跟实施例1中连接方式和功用相同的隔离器。
上述的多组是指多于一组，典型地包括两组，或两组以上。
本实施例的大功率超宽带波长扫描光纤激光系统相比于实施例1可以获得更高的功率输出。
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 (12)

1.一种大功率超宽带波长扫描光纤激光系统，其特征在于，它包括波长可调谐种子源、波长可调谐泵浦源阵列、泵浦信号合束器、拉曼增益光纤和光纤端帽：
所述波长可调谐种子源与泵浦信号合束器的信号输入臂相连；
所述波长可调谐泵浦源阵列分别接入泵浦信号合束器的各个泵浦输入臂；
泵浦信号合束器的输出端与拉曼增益光纤的一端连接，拉曼增益光纤另一端连接光纤端帽；
所述大功率超宽带波长扫描光纤激光系统的波长扫描范围大于900纳米，典型值为1050纳米至2000纳米；该波长扫描范围内任意波长的连续光输出大于1千瓦。
2.如权利要求1所述的大功率超宽带波长扫描光纤激光系统，其特征在于，还包括隔离器，所述隔离器设置在波长可调谐种子源与泵浦信号合束器的信号输入臂之间，和波长可调谐泵浦源阵列与泵浦信号合束器的各个泵浦输入臂之间。
3.如权利要求1或2所述的大功率超宽带波长扫描光纤激光系统，其特征在于，所述波长可调谐种子源、波长可调谐泵浦源阵列、泵浦信号合束器、拉曼增益光纤连接形成级联放大器结构；所述大功率超宽带波长扫描光纤激光系统包括多于一组的级联放大器结构，所述多于一组的级联放大器结构依次串联，最后连接端帽。
4.如权利要求1所述的大功率超宽带波长扫描光纤激光系统，其特征在于，所述波长可调谐泵浦源阵列的波长调谐的范围大于40纳米，中心波长在0.9至1.1微米范围内。
5.如权利要求1所述的大功率超宽带波长扫描光纤激光系统，其特征在于，所述波长可调谐种子源为波长可调谐掺镱光纤激光器泵浦的拉曼光纤激光器或随机光纤激光器，其波长范围位于波长可调谐泵浦源阵列对应的一阶拉曼光增益谱内，波长可调谐种子源的调谐范围大于60纳米。
6.如权利要求1所述的大功率超宽带波长扫描光纤激光系统，其特征在于，所述拉曼增益光纤为大模场双包层光纤结构或渐变折射率光纤结构。
7.如权利要求1所述的大功率超宽带波长扫描光纤激光系统，其特征在于，所述拉曼增益光纤的零色散波长在波长扫描范围之外。
8.如权利要求1所述的大功率超宽带波长扫描光纤激光系统，其特征在于，所述拉曼增益光纤在波长扫描范围内的传输损耗以及弯曲损耗均远小于对应的拉曼增益。
9.如权利要求1所述的大功率超宽带波长扫描光纤激光系统，其特征在于，所述波长可调谐泵浦源阵列的一阶拉曼光阈值在波长可调谐种子源关闭时等于或大于1千瓦。
10.一种大功率超宽带功率定标放大方法，其特征在于，它使用如权利要求1-9所述的大功率超宽带波长扫描光纤激光系统，通过步骤S1-S3分别实现超宽带波长范围内不同子波段的大功率激光的产生和放大：
S1、使波长可调谐种子源保持关闭，启动波长可调谐泵浦源阵列工作发出泵浦光进入泵浦信号合束器进行合束，此时拉曼增益光纤仅作为传能光纤将合束后的泵浦光直接输出，泵浦功率低于一阶拉曼光阈值，实现泵浦调谐范围内的大功率激光输出；
S2、先启动波长可调谐种子源发出种子激光，再启动波长可调谐泵浦源阵列工作发出泵浦光，经泵浦信号合束器合束后进入拉曼增益光纤，增加泵浦功率至一阶拉曼光阈值，实现波长可调谐种子源的功率定标放大；
S3、在步骤S2的基础上，继续增加泵浦功率，直至波长更长的高阶级联拉曼光产生并放大，实现大功率激光输出波长的连续拓展。
11.一种大功率波长可调谐泵浦与种子源的波长匹配方法，其特征在于，它使用如权利要求1-9所述的大功率超宽带波长扫描光纤激光系统，操作如下：先开启可调谐种子源，调节种子输出中心波长，再启动波长可调谐泵浦源阵列工作发出泵浦光，经泵浦信号合束器合束后进入拉曼增益光纤，在泵浦功率低于一阶拉曼光阈值时，调节泵浦中心波长使种子波长等于泵浦拉曼峰值增益的波长，再继续增加功率大于一阶拉曼光阈值，实现可调谐泵浦与种子源的波长匹配，取得拉曼增益的最大化。
12.一种大功率超宽带波长连续扫描方法，其特征在于，它使用如权利要求1-9所述的大功率超宽带波长扫描光纤激光系统，通过以下步骤S1-S3分别实现不同波段波长扫描和功率放大：
S1、短波泵浦光扫描：使波长可调谐种子源保持关闭，启动波长可调谐泵浦源阵列工作发出泵浦光进入泵浦信号合束器进行合束，此时拉曼增益光纤仅作为传能光纤将合束后的泵浦光直接输出，泵浦功率低于一阶拉曼光阈值，实现泵浦调谐范围内的波长扫描；
S2、常规波段扫描和功率放大：启动波长可调谐种子源发出种子激光，再启动波长可调谐泵浦源阵列工作发出泵浦光，经泵浦信号合束器合束后进入拉曼增益光纤；波长扫描时先调节种子波长，再在泵浦功率低于一阶拉曼光阈值时调节泵浦中心波长使种子波长等于泵浦拉曼峰值增益的波长，实现可调谐泵浦与种子源的波长匹配；然后继续增加泵浦功率大于一阶拉曼光阈值，实现种子调谐范围内的波长扫描和功率放大；
S3、长波和超长波段扫描和功率放大：在步骤S2的基础上，根据目标波长计算相应的种子、泵浦波长，再依次将种子和泵浦波长在泵浦功率低于一阶拉曼光阈值时调节至该波长；然后继续增加泵浦功率，直至二级及级联拉曼光产生并放大，实现长波和超长波段范围内的波长扫描和功率放大。
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