CN111106510B - 阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大系统及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大系统，其特征在于，包括单模光纤跳线(2)和单模增益光纤(3)；所述单模光纤跳线(2)和单模增益光纤(3)依次相间地交替连接设置，形成一根或多根激光放大光纤；所述激光放大光纤能够以设定的模式弯折设置为放大增益模式；在所述放大增益模式下，多个所述单模增益光纤(3)上任意点所在的位置集合是增益位置集合的子集；所述增益位置集合是泵浦阳光光斑覆盖位置的集合。

Description

阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大系统及其设计方法
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体地，涉及一种阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大系统及其设计方法，尤其涉及一种用于阳光侧面泵浦，实现适当波长激光功率(或能量)放大的折叠式光纤激光增益介质设计方法。
背景技术
光纤激光放大技术，如专利文献CN108462023A公开的具备高模式不稳定阈值的大功率光纤激光放大器系统，具有能量转换效率高、泵浦阈值低、光束质量优良、使用寿命长等优点，是解决未来空间激光应用中高效率、大功率、长寿命等使用要求的主要方法之一。阳光泵浦激光放大器是一种将太阳光直接转换成激光的装置，具有系统结构简单，能量转换环节少，能量传递效率高，使用寿命长等优点，适合在无人值守的空间系统中应用。
目前的阳光泵浦激光放大器，主要为板条或碟状固体增益介质，光纤增益介质的阳光泵浦激光放大器尚未有相关报道。在光纤激光放大技术中，常见的泵浦方式为纤芯泵浦或者包层泵浦设计，侧面泵浦的光纤激光放大技术尚未有相关报道。不同于常规激光泵浦源可与光纤增益介质熔接耦合，阳光泵浦源是具有一定发散角的空间面光源。在耦合泵浦阳光进入光纤纤芯或光纤包层的过程中因衍射极限的存在，导致太阳光耦合进入光纤时的能量利用效率极低。因此，在阳光泵浦光纤激光放大系统内，端面泵浦的设计方式会大大限制系统效能，不能充分体现阳光泵浦激光放大技术的能效优势。
为提高空间激光放大技术的能量利用效率，结合阳光泵浦激光技术和光纤激光放大技术，研究阳光侧面泵浦的光纤激光放大系统具有深远意义。通过设计阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大器系统，基于阳光泵浦激光技术和光纤激光放大技术，最终可获得能效高、阈值低、损耗小且结构简单、性能稳定的空间激光放大系统。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大系统及其设计方法。
根据本发明提供的一种阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大系统，包括单模光纤跳线和单模增益光纤；
所述单模光纤跳线和单模增益光纤依次相间地交替连接设置，形成一根或多根激光放大光纤；
所述激光放大光纤能够以设定的模式弯折设置为放大增益模式；
在所述放大增益模式下，多个所述单模增益光纤上任意点所在的位置集合是增益位置集合的子集；
所述增益位置集合是泵浦阳光光斑覆盖位置的集合；
优选地，所述单模光纤跳线和单模增益光纤模式匹配；
优选地，所述单模增益光纤掺杂有稀土离子；
优选地，所述单模光纤跳线和单模增益光纤通过熔接依次相间地交替连接设置，形成一根或多根激光放大光纤；
优选地，放大增益模式下，所述激光放大光纤的单模光纤跳线部分折叠盘绕，单模增益光纤部分平行排列；
所述单模增益光纤部分构成与泵浦阳光光斑相一致的圆形，所述单模光纤跳线部分自然分布于圆形增益光纤区域外侧；
优选地，所述单模光纤跳线为无涂覆层的单包层石英光纤；
优选地，所述阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大系统还包括光纤入射端口和光纤出射端口；
所述光纤入射端口、光纤出射端口分别设置在每根激光放大光纤的两侧；
优选地，步骤1所述单模增益光纤切割的长度与所适用泵浦阳光光斑相对应；步骤2所述单模增益光纤为掺杂稀土离子的单包层光纤，光纤熔接前需去除涂覆层；步骤3所述单模光纤跳线与单模增益光纤模式相匹配；
优选地，步骤4所述激光放大光纤为若干单模增益裸纤与单模光纤跳线组合而成，单模增益光纤依据不同长度，依次与单模光纤跳线进行连接；步骤6所述折叠式盘绕的激光放大光纤，在设定的阳光泵浦条件下，即为阳光泵浦光纤激光放大器。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的阳光泵浦光纤激光放大器可以应用于空间激光通信系统中，具有集成度高、空间体积小，能量利用效率高等特点。
2、本发明通过如图1所示的光纤增益介质折叠式盘绕方法，实现了光纤增益介质内增益光纤的高集成度分布，构造圆形增益光纤区域利于侧面泵浦太阳光的高效能利用。
3、本发明中非阳光泵浦部分的光纤增益介质(光纤跳线)对种籽激光的吸收损耗极低，可预留足够长度的光纤跳线避免弯折损耗且不会对系统产生负增益。
4、在一定功率密度阳光泵浦条件下，折叠盘绕的光纤增益介质内达到粒子数反转状态，形成阳光泵浦光纤激光放大器；适当波长种籽激光由光纤增益介质入射端口输入，介质内高能级原子发生受激辐射跃迁，从而实现种籽激光功率(或能量)的放大。
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为阳光侧面泵浦光纤激光放大器增益光纤折叠方法示意图。
图中示出：
光纤入射端口 1
单模光纤跳线 2
单模增益光纤 3
光纤出射端口 4
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。
根据本发明提供的一种阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大系统，包括单模光纤跳线2和单模增益光纤3；
所述单模光纤跳线2和单模增益光纤3依次相间地交替连接设置，形成一根或多根激光放大光纤；
所述激光放大光纤能够以设定的模式弯折设置为放大增益模式；
在所述放大增益模式下，多个所述单模增益光纤3上任意点所在的位置集合是增益位置集合的子集；
所述增益位置集合是泵浦阳光光斑覆盖位置的集合；
所述单模光纤跳线2和单模增益光纤3模式匹配；
所述单模增益光纤3掺杂有稀土离子；
所述单模光纤跳线2和单模增益光纤3通过熔接依次相间地交替连接设置，形成一根或多根激光放大光纤；
放大增益模式下，所述激光放大光纤的单模光纤跳线2部分折叠盘绕，单模增益光纤3部分平行排列；
所述单模增益光纤3部分构成与泵浦阳光光斑相一致的圆形，所述单模光纤跳线2部分自然分布于圆形增益光纤区域外侧；
所述单模光纤跳线2为无涂覆层的单包层石英光纤；
所述阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大系统还包括光纤入射端口1和光纤出射端口4；
所述光纤入射端口1、光纤出射端口4分别设置在每根激光放大光纤的两侧；
步骤1所述单模增益光纤3切割的长度与所适用泵浦阳光光斑相对应；步骤2所述单模增益光纤3为掺杂稀土离子的单包层光纤，光纤熔接前需去除涂覆层；步骤3所述单模光纤跳线2与单模增益光纤3模式相匹配；
步骤4所述激光放大光纤为若干单模增益裸纤与单模光纤跳线2组合而成，单模增益光纤3依据不同长度，依次与单模光纤跳线2进行连接；步骤6所述折叠式盘绕的激光放大光纤，在设定的阳光泵浦条件下，即为阳光泵浦光纤激光放大器。
进一步地，本发明的优选例涉及一种阳光泵浦激光放大装置的设计方法，具体涉及一种用于阳光侧面泵浦，实现适当波长激光功率(或能量)放大的折叠式光纤激光增益介质设计方法。这种设计方法可应用于空间激光放大系统中，有效解决阳光侧面泵浦光纤激光放大系统内不能被泵浦阳光辐照部分增益光纤的吸收损耗，提升激光放大系统集成度，获得宽光谱太阳能到相干激光能的高效率能量转换。属于激光技术领域。
本发明设计了一种阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大系统；本发明提出了利用掺杂稀土离子的增益光纤与同模式光纤跳线拼接分段式光纤增益介质的设计方法，并设计了适用于阳光侧面泵浦的折叠式光纤增益介质盘绕方法。通过往复折叠盘绕光纤增益介质，使增益光纤段构成与侧面泵浦太阳辐射光斑相一致的圆，光纤跳线自然分布于增益光纤区域外侧集中平行排列。运用所述光纤折叠方法能有效避免阳光侧面泵浦光纤激光放大系统所导致的非有效泵浦部分增益光纤吸收损耗的问题。
本发明优选例取得了如下的有益效果：(1)提供了一种阳光侧面泵浦激光放大系统内光纤增益介质的折叠方法；(2)该方法对空间阳光泵浦激光放大器系统的方案设计具有重要的指导意义；(3)该方法同样也可以对其他泵浦光源的光纤激光放大系统分析提供参考。
本发明优选例提供了一种适用于空间激光放大系统的阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大方法，运用所述光纤折叠方法能有效避免阳光侧面泵浦光纤激光放大系统所导致的非有效泵浦部分增益光纤吸收损耗的问题。
为实现上述目的，本发明优选例提供以下技术方案：
本发明优选例提出了利用掺杂稀土离子的增益光纤与同模式光纤跳线拼接分段式光纤增益介质的设计方法，并设计了适用于阳光侧面泵浦的折叠式光纤增益介质盘绕方法。为提高系统效能，在阳光侧面泵浦光纤激光放大系统内，光纤增益介质主要由输入/输出端口，单模光纤跳线和单模增益光纤组成。阳光侧面泵浦光纤增益介质及其折叠盘绕方法如图1所示，若干增益光纤段的两端由光纤跳线进行熔接，形成依次间隔的分段式光纤增益介质。通过折叠式盘绕光纤增益介质，使增益光纤段依次平行排列，构成与泵浦阳光光斑相一致的圆形，光纤跳线自然分布于圆形增益光纤区域外侧。增益光纤段为无涂覆层的单包层石英光纤，增益光纤的石英包层具有柱面光波导透镜作用，可提高泵浦太阳光耦合进入掺杂稀土离子纤芯的效率。
本发明提供了一种阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大系统，其步骤包括如下：
(1)依据圆形泵浦光斑，使用切割刀将单包层单模增益光纤3切割成若干不同长度的增益光纤段；
(2)利用剥线钳将单模增益光纤3段制备为不同长度的增益裸纤；
(3)选取适当长度单模光纤跳线2若干，跳线连接端均制成裸纤以备熔接；
(4)按照图1所示的光纤增益介质构型，使用熔接机将制备好的增益裸纤与光纤跳线依次熔接，形成分段式光纤增益介质；
(5)光纤增益介质两端光纤跳线分别熔接光纤头，即光纤增益介质的光纤入射端口1和光纤出射端口4。
(6)将制备好的光纤增益介质依照图1所示的构型进行折叠式盘绕，增益裸纤依次平行排布，构建圆形增益光纤区域；
步骤(1)所述单模增益光纤3切割的长度以所适用泵浦阳光光斑相对应，确保泵浦阳光利用效率。
步骤(2)所述增益光纤为掺杂稀土离子的单包层光纤，光纤熔接前需去除涂覆层。
步骤(3)所述单模光纤跳线2与单模增益光纤3模式相匹配。
步骤(4)所述光纤增益介质为若干单模增益裸纤与单模光纤跳线2组合而成，单模增益光纤3依据不同长度，依次与单模光纤跳线2进行连接。
步骤(6)所述折叠式盘绕的光纤增益介质，在一定阳光泵浦条件下，即为阳光泵浦光纤激光放大器。
本发明优选例提供了一种阳光侧面泵浦激光放大系统内光纤增益介质的折叠方法，该方法对空间阳光泵浦激光放大器系统的方案设计具有重要的指导意义，该方法同样也可以对其他泵浦光源的光纤激光放大系统分析提供参考。
本发明提出了一种阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大器系统设计方法，提出了利用掺杂稀土离子的增益光纤与同模式光纤跳线拼接分段式光纤增益介质的设计方法，并设计了适用于阳光侧面泵浦的折叠式光纤增益介质盘绕方法；
不同长度增益裸纤依据泵浦阳光圆光斑依次与光纤跳线熔接；
熔接完成的光纤增益介质，以第一段增益光纤为起始，依次往复折叠盘饶，增益光纤同平面铺装，利用各段增益裸纤构建圆形增益光纤区域。
我们进行的光学建模仿真结果表明，以Nd:YAG石英光纤(石英包层直径125μm和纤芯直径25μm)为例，设泵浦阳光光斑直径25mm，泵浦阳光功率100W(约0.1m2聚光面积)。根据本发明所述方法，制作光纤增益介质，即增益光纤段总长约为3900mm。阳光泵浦光纤激光放大器的阳光泵浦阈值Pth及增益G可由下式表示：
Figure BDA0002269837380000061
Figure BDA0002269837380000062
其中，h为普朗克常数，vp为光波的频率，δ为增益介质损耗系数，V为激光增益介质体积，σ为受激发射截面，τc为荧光寿命，γ为反转减少因子，L为激光放大路径长度，ηOVP、ηT、ηa、ηu、ηB分别表示光谱重叠效率、传输效率、吸收效率、上能级效率和光束交叠率，ηpe为总效率，ηpe＝ηOVP·ηT·ηa·ηu·ηB，Pab表示系统接收太阳光功率，
当入射种籽光为功率20mW的1064nm激光时，因光线熔接、材料吸收等损耗，光纤放大器的阳光泵浦阈值功率为9W(约0.01m2太阳光)；泵浦阳光功率增加为100W，光纤放大器的系统增益达到3.47，即输出种籽光功率为69.4mW。在泵浦阈值功率方面，阳光泵浦光纤放大器数倍低于常规阳光泵浦板条晶体放大器；在系统增益方面，光纤放大器数倍高于常规板条放大器。
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 (10)

1.一种阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大系统，包括激光放大光纤、单模光纤跳线(2)和单模增益光纤(3)；
所述激光放大光纤能够以设定的模式弯折设置为放大增益模式，在所述放大增益模式下，多个所述单模增益光纤(3)上任意点所在的位置集合是增益位置集合的子集，所述增益位置集合是泵浦阳光光斑覆盖位置的集合；
其特征在于，
所述单模光纤跳线(2)和单模增益光纤(3)依次相间地交替连接设置，形成一根或多根激光放大光纤。
2.根据权利要求1所述的阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大系统，其特征在于，所述单模光纤跳线(2)和单模增益光纤(3)模式匹配。
3.根据权利要求1所述的阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大系统，其特征在于，所述单模增益光纤(3)掺杂有稀土离子。
4.根据权利要求1所述的阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大系统，其特征在于，所述单模光纤跳线(2)和单模增益光纤(3)通过熔接依次相间地交替连接设置，形成一根或多根激光放大光纤。
5.根据权利要求1所述的阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大系统，其特征在于，放大增益模式下，所述激光放大光纤的单模光纤跳线(2)部分折叠盘绕，单模增益光纤(3)部分平行排列；
所述单模增益光纤(3)部分构成与泵浦阳光光斑相一致的圆形，所述单模光纤跳线(2)部分自然分布于圆形增益光纤区域外侧。
6.根据权利要求1所述的阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大系统，其特征在于，所述单模光纤跳线(2)为无涂覆层的单包层石英光纤。
7.根据权利要求1所述的阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大系统，其特征在于，所述阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大系统还包括光纤入射端口(1)和光纤出射端口(4)；
所述光纤入射端口(1)、光纤出射端口(4)分别设置在每根激光放大光纤的两侧。
8.一种阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大系统设计方法，其特征在于，能够制得权利要求1至7中任一项所述的阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大系统，包括如下步骤：
步骤1：依据圆形泵浦光斑，使用切割刀将单包层的单模增益光纤(3)切割成若干不同长度的单模增益光纤(3)段；
步骤2：利用剥线钳将单模增益光纤(3)段制备为不同长度的增益裸纤；
步骤3：选取适当长度单模光纤跳线(2)若干，跳线连接端均制成裸纤形成待熔接跳线；
步骤4：根据放大增益模式下的光纤增益介质构型，使用熔接机将制备好的增益裸纤与待熔接跳线依次熔接，形成分段式的激光放大光纤；
步骤5：激光放大光纤两端光纤跳线分别熔接光纤头，即光纤入射端口(1)、光纤出射端口(4)；
步骤6：将制备好的激光放大光纤依照放大增益模式下的光纤增益介质构型进行折叠式盘绕，增益裸纤依次平行排布，构建圆形增益光纤区域。
9.根据权利要求8所述的阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大系统设计方法，其特征在于，步骤1所述单模增益光纤(3)切割的长度与所适用泵浦阳光光斑相对应；步骤2所述单模增益光纤(3)为掺杂稀土离子的单包层光纤，光纤熔接前需去除涂覆层；步骤3所述单模光纤跳线(2)与单模增益光纤(3)模式相匹配。
10.根据权利要求8所述的阳光侧面泵浦的折叠式光纤激光放大系统设计方法，其特征在于，步骤4所述激光放大光纤为若干单模增益裸纤与单模光纤跳线(2)组合而成，单模增益光纤(3)依据不同长度，依次与单模光纤跳线(2)进行连接；步骤6所述折叠式盘绕的激光放大光纤，在设定的阳光泵浦条件下，即为阳光泵浦光纤激光放大器。
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