CN110829163A - 一种基于双端输出振荡器的级联泵浦光纤激光器 - Google Patents

一种基于双端输出振荡器的级联泵浦光纤激光器 Download PDF

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张汉伟
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杨保来
韩凯
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许晓军
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Abstract

本发明公开了一种基于双端输出振荡器的级联泵浦光纤激光器，包括激光谐振腔、前向泵浦信号合束器、后向泵浦信号合束器、包层光滤除器、光纤端帽和至少2个双端输出激光振荡器；前向泵浦信号合束器包括一条第一信号输入臂、第一泵浦信号输出臂和多条第一泵浦注入臂；后向泵浦信号合束器包括一条第二信号输入臂、第二泵浦信号输出臂和多条第二泵浦注入臂；每个双端输出激光振荡器的前向输出光纤和对应的第一泵浦注入臂连接，后向输出光纤和对应的第二泵浦注入臂连接；第一信号输入臂与传能光纤熔接；第一泵浦信号输出臂与激光谐振腔的一端连接；激光谐振腔的另一端与第二信号输入臂连接。本发明提高了泵浦光的利用效率和激光器的整体电光效率。

Description

一种基于双端输出振荡器的级联泵浦光纤激光器
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，涉及一种基于双端输出振荡器的级联泵浦光纤激光器。
背景技术
与主振荡功率放大结构光纤激光器相比，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，对光纤激光振荡器的功率需求越来越高。双端泵浦方式的光纤激光器，能够注入更高的泵浦功率，有助于光纤激光器总体功率的提升。然而在一般的双端泵浦激光器中，泵浦源一般采用光纤耦合半导体激光器作为泵浦源(即LD直接泵浦光纤激光器)，或采用单端输出的短波长光纤激光器作为泵浦源(即级联泵浦光纤激光器)。这两种泵浦方式的激光器中，每一个泵浦臂都需要与一个泵浦源连接，使得泵浦源数量角度，系统成本较高，体积较大。
此外，在双端泵浦激光器中，若前向泵浦光未能被增益光纤完全吸收，其残留的泵浦光传导到后向泵浦信号合束器后，会从后向合束器的泵浦臂输出；反之，若后向泵浦光未能被增益光纤完全吸收，其残留的泵浦光传导到后向泵浦信号合束器后，会从前向合束器的泵浦臂输出。一般的双端泵浦光纤激光器采用光纤耦合半导体激光器或单端输出的短波长光纤激光器，从后向或者前向合束器输出的残留泵浦光会注入光纤耦合半导体激光器或者短波长激光器中，但是无法再次利用注入到主激光器中，导致激光器整体效率较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双端输出振荡器的级联泵浦光纤激光器，该级联泵浦光纤激光器能够提高泵浦光的利用效率，保证了激光器的整体电光效率。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案实现：
一种基于双端输出振荡器的级联泵浦光纤激光器，所述级联泵浦光纤激光器包括激光谐振腔、前向泵浦信号合束器5、后向泵浦信号合束器6、包层光滤除器7、光纤端帽8和至少2个双端输出激光振荡器4；
所述前向泵浦信号合束器5包括一条第一信号输入臂5-1、第一泵浦信号输出臂5-3和多条第一泵浦注入臂5-2；所述后向泵浦信号合束器6包括一条第二信号输入臂6-1、第二泵浦信号输出臂6-3和多条第二泵浦注入臂6-2；
每个双端输出激光振荡器4的前向输出光纤4-10和对应的第一泵浦注入臂5-2连接；每个双端输出激光振荡器4的后向输出光纤4-9和对应的第二泵浦注入臂6-2连接；
所述第一信号输入臂5-1与传能光纤熔接；所述第一泵浦信号输出臂5-3与所述激光谐振腔的一端连接；所述激光谐振腔的另一端与所述第二信号输入臂6-1连接；所述第二信号输出臂6-3、包层光滤除器7和光纤端帽8依次连接。
进一步的，所述激光谐振腔包括高反射光纤光栅2、增益光纤1和低反射光纤光栅3；
所述前向泵浦信号合束器5、高反射光纤光栅2、增益光纤1、低反射光纤光栅3和后向泵浦信号合束器6通过传能光纤依次连接。
进一步的，所述激光谐振腔包括高反射光纤光栅2、增益光纤1和低反射光纤光栅3；
所述高反射光纤光栅2、前向泵浦信号合束器5、增益光纤1、后向泵浦信号合束器6和低反射光纤光栅3依次连接。
进一步的，所述高反射光纤光栅2和低反射光纤光栅3的中心波长匹配。
进一步的，所述增益光纤1、高反射光纤光栅2和低反射光纤光栅3在掺镱光纤激光中的工作波长为1050～1150nm。
进一步的，所述增益光纤1包括纤芯；所述纤芯外包裹一层非掺杂的石英基玻璃层；
所述纤芯为掺稀土激活粒子的纤芯，用于在泵浦光的激励下产生和传输信号激光；所述纤芯的直径为6～200μm，数值孔径为0.06～0.12NA；
所述石英基玻璃层，用于传输泵浦激光；所述石英基玻璃层的直径为125-1000μm，数值孔径0.12～0.46NA。
进一步的，所述增益光纤1、高反射光纤光栅2和低反射光纤光栅3的纤芯包层几何尺寸均相同。
进一步的，所述双端输出激光振荡器4在掺镱光纤激光中的波长为1000nm～1040nm；所述双端输出激光振荡器4的前向输出光纤4-10和后向输出光纤(4-9)的直径为6～200μm，数值孔径0.06～0.46NA。
进一步的，每条前向输出光纤4-10和对应的第一泵浦注入臂5-2之间均设置有第一倾斜光栅；每条后向输出光纤4-9和对应的第二泵浦注入臂6-2之间均设置有第二倾斜光栅。
本发明的有益效果：
1、本发明采用双端输出激光振荡器输出的短波长泵浦光对长波长激光进行泵浦。双端输出激光振荡器前向输出的激光作为长波长激光器前向泵浦光注入到前向泵浦信号合束器中，前向泵浦信号合束器对前向泵浦光合束后注入到增益光纤中，增益光纤吸收大部分的前向泵浦光产生激光，未被增益光纤完全吸收的残留前向泵浦光可以依次通过低反射光纤光栅、后向泵浦信号合束器后，注入到双端输出激光振荡器后，通过双端输出激光振荡器后，能够再次注入到前向泵浦信号合束器，被增益光纤吸收；同理，双端输出激光振荡器后向输出的激光作为长波长激光器的后向泵浦光注入到后向泵浦信号合束器中，后向泵浦信号合束器对后向泵浦光进行合束后注入到增益光纤中，增益光纤吸收大部分的后向泵浦光产生激光，未被增益光纤完全吸收的残留后向泵浦光依次通过高反射光纤光栅、前向泵浦信号合束器后，注入到双端输出激光振荡器后，能够再注入后向泵浦信号合束器；如此，可以将传统激光器中无法利用的残留泵浦光再次利用，从而提高了泵浦光的利用效率和激光器的整体电光效率。
2、本发明采用双端输出激光振荡器输出的短波长泵浦光对长波长激光进行泵浦，能够实现一台短波长激光器同时对长波长激光器的前向和后向进行泵浦；而传统的级联泵浦光纤激光器中，必须采用两台独立的泵浦激光器才能实现对激光器的前向和后向泵浦；因此，本发明可以将传统激光器中泵浦激光器的数量减少一半，从而降低激光器体积、重量和成本。
附图说明
图1为基于双端输出振荡器的级联泵浦光纤激光器一种结构示意图；
图2为基于双端输出振荡器的级联泵浦光纤激光器另一种结构示意图；
图3为基于双端输出振荡器的级联泵浦光纤激光器第三种结构示意图；
图4为基于双端输出振荡器的级联泵浦光纤激光器第四种结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。
实施例1：
本实施例给出了一种基于双端输出振荡器的级联泵浦光纤激光器，其结构参考图1，该级联泵浦光纤激光器包括激光谐振腔、前向泵浦信号合束器5、后向泵浦信号合束器6、包层光滤除器7、光纤端帽8和至少2个双端输出激光振荡器4。本实施例中的前向泵浦信号合束器5和后向泵浦信号合束器6均能够双向传输信号激光。
本实施例的激光谐振腔包括依次通过光纤熔接的高反射光纤光栅2、增益光纤1和低反射光纤光栅3。其中，增益光纤1、高反射光纤光栅2和低反射光纤光栅3在掺镱光纤激光中的工作波长为1050～1150nm。增益光纤1为双包层或三包层结构。其中，纤芯掺稀土激活粒子，在泵浦光的激励下可以产生和传输信号激光；内包层为非掺杂的石英基玻璃层，可以传输泵浦激光；增益光纤1的纤芯直径在6～200μm之间，纤芯数值孔径0.06～0.12NA；石英基玻璃层直径在125～1000μm之间，内包层数值孔径0.12～0.46NA。增益光纤1、高反射光纤光栅2和低反射光纤光栅3的纤芯包层几何尺寸均相同。高反射光纤光栅2反射率大于95％以上，将从增益光纤1传输过来的反向信号激光大部分反射到增益光纤1中。低反射光纤光栅3反射率在5％～70％之间，将从增益光纤1传输过来的信号激光部分反射到增益光纤1中，部分透过低反射光纤光栅2输出。
本实施例的高反射光纤光栅2和低反射光纤光栅3中心波长匹配，其中心波长为级联泵浦光纤激光器输出激光的中心波长。
本实施例中，前向泵浦信号合束器5包括一条第一信号输入臂5-1、第一泵浦信号输出臂5-3和多条第一泵浦注入臂5-2。后向泵浦信号合束器6包括一条第二信号输入臂6-1、第二泵浦信号输出臂6-3和多条第二泵浦注入臂6-2。每个双端输出激光振荡器4的前向输出光纤4-10和对应的第一泵浦注入臂5-2连接；每个双端输出激光振荡器4的后向输出光纤4-9和对应的第二泵浦注入臂6-2连接；第一信号输入臂5-1与传能光纤熔接；第一泵浦信号输出臂5-3、高反射光纤光栅2、增益光纤1、低反射光纤光栅3和后向泵浦信号合束器6的第二信号输入臂6-1通过泵浦信号传能光纤依次连接；后向泵浦信号合束器6的第二信号输出臂6-3、包层光滤除器7和光纤端帽8依次连接。双端输出激光振荡器4可采用现有双端输出的线性腔全光纤激光振荡器，其结构不做具体描述。
本实施例的双端输出激光振荡器4是输出波长比级联泵浦光纤激光器工作波长更短的高亮度光纤激光器，如在掺镱光纤激光中，双端输出激光振荡器4波长为1000nm～1040nm，比高反射光纤光栅2的中心波长1050～1150nm短，以保证短波长激光(即泵浦光)能够被增益光纤1有效吸收并转化为与高反射光纤光栅2中心波长相同的激光输出；双端输出激光振荡器4的前向输出光纤4-10和后向输出光纤4-9的直径均为6～200μm，数值孔径均为0.06～0.46NA。。
本实施例的层光滤除器7的输入光纤的几何尺寸与泵浦信号传能光纤几何尺寸一致，以滤除光纤中的残留泵浦光和高阶模式激光；光纤端帽8用于信号光扩束输出，以降低输出端面的功率密度，提高激光器的可靠性。
为了避免非激光波段的其他波段光反馈导致激光器的寄生振荡，本实施例中的第一信号输入臂5-1与斜8度角传能光纤9熔接。
本实施例的工作过程：双端输出激光振荡器阵列4的前端输出的前向泵浦光依次经过前向泵浦信号合束器5合束后注入到激光谐振腔中的增益光纤1，并对增益光纤1进行泵浦；增益光纤1吸收大部分前向泵浦光而产生激光，未被增益光纤1吸收的残留前向泵浦光依次经过低反射光纤光栅3、后向泵浦信号合束器6的第二泵浦注入臂6-2注入到双端输出激光振荡器阵列4中，通过双端输出激光振荡器4后，能够再次注入到前向泵浦信号合束器5，被增益光纤吸收；双端输出激光振荡器阵列4的后端输出的后向泵浦光依次经过后向泵浦信号合束器6合束后注入到激光谐振腔中的增益光纤1，并对增益光纤1进行泵浦；增益光纤1吸收大部分后向泵浦光而产生激光，未被增益光纤1吸收的残留后向泵浦光依次经过高反射光栅2、前向泵浦信号合束器5的第一泵浦注入臂5-2注入到双端输出激光振荡器阵列4中，通过双端输出激光振荡器后，能够再注入后向泵浦信号合束器，这样就能提高泵浦光的利用效率，从而提高激光器的整体电光效率。
激光谐振腔中的增益光纤1吸收泵浦光产生的激光从增益光纤的左右两个方向(或两端)传输，向左传输的激光被高反射光纤光栅2反射回到增益光纤1中并得到放大；向右传输的激光被低反射光纤光栅3反射后回到增益光纤1中并得到放大；激光谐振腔内的激光通过高反射光纤光栅2和低反射光纤光栅3的多次反射和增益光纤1的多次放大，选择满足高反射光纤光栅2和低反射光纤光栅3中心波长的激光起振并产生稳定的激光；激光谐振腔腔内产生且向右传输的部分激光经过低反射光纤光栅3透射后输出到激光谐振腔腔外，然后经过后向泵浦信号合束器6的第二泵浦信号臂输出6-3后，依次经过包层光滤除器7进行过滤处理后通过光纤端帽8扩束输出。
实施例2：
本实施例与实施例1的结构基本相同，其不同之处在于：激光谐振腔与前向泵浦信号合束器5和后向泵浦信号合束器6的连接关系不同，具体如下：
每条前向输出光纤4-10和对应的第一泵浦注入臂5-2连接；每条后向输出光纤4-9和对应的第二泵浦注入臂6-2连接；第一信号输入臂5-1与高反射光纤光栅2的一端连接，高反射光纤光栅2的另一端与斜8度角传能光纤9熔接，可避免非激光波段的其他光反馈导致激光器的寄生振荡。第一泵浦信号输出臂5-3通过泵浦信号传能光纤与增益光纤1的一端连接；增益光纤1的另一端通过泵浦信号传能光纤与后向泵浦信号合束器6的第二信号输入臂6-1连接；后向泵浦信号合束器6的第二信号输出臂6-3、低反射光纤光栅3、包层光滤除器7和光纤端帽8依次连接，参考图2。
本实施例的工作过程：双端输出激光振荡器阵列4的前端输出的前向泵浦光依次经过前向泵浦信号合束器5合束后注入到激光谐振腔中的增益光纤1，并对增益光纤1进行泵浦；增益光纤1吸收大部分前向泵浦光而产生激光，未被增益光纤1吸收的残留前向泵浦光经过后向泵浦信号合束器6的第二泵浦注入臂6-2注入到双端输出激光振荡器阵列4中，通过双端输出激光振荡器4后，能够再次注入到前向泵浦信号合束器5，被增益光纤1吸收；双端输出激光振荡器阵列4的后端输出的后向泵浦光依次经过后向泵浦信号合束器6合束后注入到激光谐振腔中的增益光纤1，并对增益光纤1进行泵浦；增益光纤1吸收大部分后向泵浦光而产生激光，未被增益光纤1吸收的残留后向泵浦光经过后向泵浦信号合束器5的第一泵浦注入臂5-2注入到双端输出激光振荡器阵列4中，通过双端输出激光振荡器4后，能够再注入后向泵浦信号合束器6，被增益光纤1吸收，这样就能提高泵浦光的利用效率，从而提高激光器的整体电光效率。
激光谐振腔中，增益光纤1吸收泵浦光产生的激光从增益光纤1的左右两个方向传输，向左传输的激光依次经过前向泵浦信号合束器5的第一信号输出臂5-3和第一信号输入臂5-1后，被高反射光纤光栅2反射回到增益光纤1中并得到放大；向右传输的激光依次经过前向泵浦信号合束器6的第二信号输入臂6-2和第二信号输出臂6-3后，被低反射光纤光栅3反射后回到增益光纤1中并得到放大；激光谐振腔的激光通过高反射光纤光栅2和低反射光纤光栅3的多次反射和增益光纤1的多次放大，自动选择满足高反射光纤光栅2和低反射光纤光栅3中心波长的激光起振并产生稳定的激光；谐振腔内产生且向右传输的部分激光经过低反射光纤光栅3透射后输出到谐振腔外，然后经过后向泵浦信号合束器6的第二泵浦信号臂输出6-3后，依次经过包层光滤除器7进行过滤处理后通过光纤端帽8扩束输出。
实施例3：
本实施例与实施例1的结构基本相同，其不同之处在于：每条前向输出光纤4-10和对应的第一泵浦注入臂5-2之间均设置有第一倾斜光栅10；每条后向输出光纤4-9和对应的第二泵浦注入臂6-2之间均设置有第二倾斜光栅11，参考图3。第一倾斜光栅10和第二倾斜光栅11均对双端输出激光振荡器4所在工作波长(1000nm～1040nm)进行透射、对级联泵浦光纤激光器的所在工作波长(1050～1150nm)反射，以避免长波长激光注入导致双端输出激光振荡器4的自激。
实施例4：
本实施例与实施例2的结构基本相同，其不同之处在于：每条前向输出光纤4-10和对应的第一泵浦注入臂5-2之间均设置有第一倾斜光栅10；每条后向输出光纤4-9和对应的第二泵浦注入臂6-2之间均设置有第二倾斜光栅11，参考图4。第一倾斜光栅10和第二倾斜光栅11均对双端输出激光振荡器4所在工作波长(1000nm～1040nm)进行透射、对级联泵浦光纤激光器的所在工作波长(1050～1150nm)反射，以避免长波长激光注入导致双端输出激光振荡器4的自激。
对于本领域技术人员而言，显然本发明实施例不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明实施例的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明实施例。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明实施例内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统、装置或终端权利要求中陈述的多个单元、模块或装置也可以由同一个单元、模块或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于双端输出振荡器的级联泵浦光纤激光器，其特征在于，所述级联泵浦光纤激光器包括激光谐振腔、前向泵浦信号合束器(5)、后向泵浦信号合束器(6)、包层光滤除器(7)、光纤端帽(8)和至少2个双端输出激光振荡器(4)；
所述前向泵浦信号合束器(5)包括一条第一信号输入臂(5-1)、第一泵浦信号输出臂(5-3)和多条第一泵浦注入臂(5-2)；所述后向泵浦信号合束器(6)包括一条第二信号输入臂(6-1)、第二泵浦信号输出臂(6-3)和多条第二泵浦注入臂(6-2)；
每个双端输出激光振荡器(4)的前向输出光纤(4-10)和对应的第一泵浦注入臂(5-2)连接；每个双端输出激光振荡器(4)的后向输出光纤(4-9)和对应的第二泵浦注入臂(6-2)连接；
所述第一信号输入臂(5-1)与传能光纤熔接；所述第一泵浦信号输出臂(5-3)与所述激光谐振腔的一端连接；所述激光谐振腔的另一端与所述第二信号输入臂(6-1)连接；所述第二信号输出臂(6-3)、包层光滤除器(7)和光纤端帽(8)依次连接。
2.根据权利要求1所述的级联泵浦光纤激光器，其特征在于，所述激光谐振腔包括高反射光纤光栅(2)、增益光纤(1)和低反射光纤光栅(3)；
所述前向泵浦信号合束器(5)、高反射光纤光栅(2)、增益光纤(1)、低反射光纤光栅(3)和后向泵浦信号合束器(6)通过传能光纤依次连接。
3.根据权利要求2所述的级联泵浦光纤激光器，其特征在于，所述激光谐振腔包括高反射光纤光栅(2)、增益光纤(1)和低反射光纤光栅(3)；
所述高反射光纤光栅(2)、前向泵浦信号合束器(5)、增益光纤(1)、后向泵浦信号合束器(6)和低反射光纤光栅(3)依次连接。
4.根据权利要求2或3所述的级联泵浦光纤激光器，其特征在于，所述高反射光纤光栅(2)和低反射光纤光栅(3)的中心波长匹配。
5.根据权利要求4所述的级联泵浦光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤(1)、高反射光纤光栅(2)和低反射光纤光栅(3)在掺镱光纤激光中的工作波长为1050～1150nm。
6.根据权利要求4所述的级联泵浦光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤(1)包括纤芯；所述纤芯外包裹一层非掺杂的石英基玻璃层；
所述纤芯为掺稀土激活粒子的纤芯，用于在泵浦光的激励下产生和传输信号激光；所述纤芯的直径为6～200μm，数值孔径为0.06～0.12NA；
所述石英基玻璃层，用于传输泵浦激光；所述石英基玻璃层的直径为125-1000μm，数值孔径0.12～0.46NA。
7.根据权利要求6所述的级联泵浦光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤(1)、高反射光纤光栅(2)和低反射光纤光栅(3)的纤芯包层几何尺寸均相同。
8.根据权利要求1～7中任意一项所述的级联泵浦光纤激光器，其特征在于，所述双端输出激光振荡器(4)在掺镱光纤激光中的波长为1000nm～1040nm；所述双端输出激光振荡器(4)的前向输出光纤(4-10)和后向输出光纤(4-9)的直径为6～200μm，数值孔径0.06～0.46NA。
9.根据权利要求1～8中任意一项所述的级联泵浦光纤激光器，其特征在于，每条前向输出光纤(4-10)和对应的第一泵浦注入臂(5-2)之间均设置有第一倾斜光栅(10)；每条后向输出光纤(4-9)和对应的第二泵浦注入臂(6-2)之间均设置有第二倾斜光栅(11)。
CN201911005462.1A 2019-10-22 2019-10-22 一种基于双端输出振荡器的级联泵浦光纤激光器 Pending CN110829163A (zh)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2023165511A1 (zh) * 2022-03-01 2023-09-07 华为技术有限公司 单波长激光产生的方法和装置

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