CN111106517A - 随机拉曼光纤激光器同带泵浦的掺铒光纤激光器 - Google Patents

随机拉曼光纤激光器同带泵浦的掺铒光纤激光器 Download PDF

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Abstract

一种随机拉曼光纤激光器同带泵浦的掺铒光纤激光器，依次包括：随机激光器泵浦模块、泵浦耦合器、掺铒光纤激光器。本发明用随机光纤激光器作为掺铒光纤激光器的泵浦源，通过泵浦耦合器将泵浦光耦合到掺铒光纤激光器中，实现激光器高功率激光输出。本发明在保持了传统掺铒光纤激光器高效稳定等优点的同时，简化了传统拉曼光纤激光器同带泵浦掺铒光纤激光器的结构，有效解决掺铒光纤热管理问题，具有很大的发展前途和很高的实用价值。

Description

随机拉曼光纤激光器同带泵浦的掺铒光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光器，特别是一种随机拉曼光纤激光器同带泵浦的掺铒光纤激光器。
背景技术
掺铒光纤激光器典型的发射波长为1.5-1.6微米，属于人眼安全波段的激光，这种波段的激光不仅在科研领域有着巨大吸引力，而且在激光通信、激光测速、激光雷达和国防领域有着广泛的应用前景。1560纳米激光倍频得到的780纳米激光可以冷却铷原子{参见Debs,C.C.N.Kuhn,G.D.McDonald,P.A.Altin,J.D.Close,and N.P.Robins,"11 W narrowlinewidth laser source at 780nm for laser cooling and manipulation ofRubidium,"Opt.Express 20,8915-8919(2012)}。因此，1.5微米波段的激光还在冷原子物理、量子光学等方面应用广泛。
按照泵浦激光在包层里传输还是纤芯里传输，通常获得掺铒光纤激光器的泵浦方式为包层泵浦和纤芯泵浦；按照输出激光传输方向和泵浦光传输方向是否同向可分为同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。
包层泵浦是一种简单高效的泵浦方式。商用半导体二极管的快速发展大大促进了包层泵浦光纤激光器的进步。掺铒光纤激光器一般采用9xx(976纳米，915纳米，940纳米等)纳米的激光二极管包层泵浦。包层泵浦简单高效，但是由于热效应严重，激光器的输出功率受限。采用9xx纳米泵浦掺铒光纤激光器，会产生较大的量子亏损，过多的热量导致增益光纤中的信号光受到热扰动，影响输出激光性能参数。而且，由于量子亏损产生的热量在激光器长期运行时加速了增益光纤的老化，降低了激光器的预期寿命。
采用同带泵浦是实现高功率掺铒光纤激光器的一种方案。以1480纳米激光同带泵浦掺铒光纤激光器为例，文献报道了同带泵浦产生100瓦1550纳米激光的方案{参见V.R.Supradeepa,et.al,"Continuous wave Erbium-doped fiber laser with outputpower of>100W at 1550nm in-band core-pumped by a 1480nm Raman fiber laser,"2012 Conference on Lasers and Electro-Optics(CLEO),San Jose,CA,2012.}。然而，1480纳米激光的产生过程非常复杂，需要至少5对光纤布拉格光栅对，光栅需要匹配精确；而且为了实现较高的拉曼转换效率，需要泵浦激光波长精确匹配，实施难度大，总体成本高。通过同带泵浦的方式可以降低量子亏损，提升掺铒光纤激光器的输出功率，但是泵浦光的产生基于复杂的多阶拉曼过程，整体结构复杂。
发明内容
本发明在上述已有的同带泵浦的基础上，提出一种基于随机激光同带泵浦的掺铒光纤激光器，该激光器具有高光学效率、高功率、简单紧凑的特点。本方案可以不需要精确配对的光纤布拉格光栅，不需要对泵浦激光的波长进行特殊设计，通过创新性的用随机激光的方案产生掺铒光纤激光器可以吸收的同带泵浦激光，连续波运和脉冲方式运转都可以实现。随机激光泵浦的方案大大降低了总体成本，降低了方案实施难度，最终可以实现高功率掺铒光纤激光器。
该激光器结构简单紧凑、易于制作、成本低廉，可满足高性能掺铒光纤激光器在科学和工业等领域的应用需求。
本发明的技术解决方案是：
一种随机拉曼光纤激光器同带泵浦的掺铒光纤激光器，其特点在于：包括随机激光器泵浦模块、泵浦耦合器、掺铒光纤激光器，所述的随机激光泵浦模块通过光纤经所述的泵浦耦合器与所述的掺铒光纤激光器熔接在一起而成。
所述的随机激光器泵浦模块可以为保偏随机光纤激光器，也可以为非保偏随机光纤激光器；所述的随机激光器泵浦模块通过合理的设计，其发射的激光波长在掺铒光纤的吸收带内；所述的随机激光器泵浦模块是典型的随机激光结构，可以为半开放腔随机激光结构(随机激光反馈部分由随机分布的瑞利散射提供，部分由光纤光栅或任何形式的宽带反射器提供)，也可以为全开放腔随机激光结构(随机激光反馈全部来自于随机分布的瑞利散射)；所述的随机激光器泵浦模块可以由掺镱光纤激光器泵浦，可以由拉曼光纤激光器泵浦，也可以由随机光纤激光器泵浦；所述的随机激光器泵浦模块可以连续波运转，也可以脉冲运转；所述的随机激光器泵浦模块发射的泵浦激光可以与所述光纤激光器输出激光同向，为同向泵浦结构，也可以与掺铒光纤激光器(3)输出激光反向，为反向泵浦结构。
所述的泵浦耦合器可以是波分复用器，也可以是泵浦光-信号光拉锥合束器。当为波分复用器时，是泵浦光纤芯泵浦结构，泵浦耦合器发射的泵浦光和光纤激光器发射的激光在掺铒增益光纤纤芯中传输；当为泵浦光-信号光拉锥合束器时，是泵浦光包层泵浦结构，泵浦耦合器发射的泵浦光在掺铒增益光纤包层中传输，光纤激光器发射的激光在掺铒增益光纤纤芯中传输。
所述的掺铒光纤激光器激光增益介质为铒离子掺杂光纤。
所述的掺铒光纤激光器可以为线型腔光纤谐振器，环形腔光纤激光器，光纤放大器。
所述的掺铒光纤激光器可以为连续运转的光纤激光器，可以为脉冲运转的光纤激光器。
所述的铒离子掺杂光纤，可以为单独掺杂光纤，也可以与其他组分共掺的光纤，如铒镱共掺光纤。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明简化了系统结构。以1480纳米激光同带泵浦的掺铒光纤激光器为例，产生1480纳米激光的典型方式是1117纳米激光泵浦，通过五阶受激拉曼散射过程产生1480纳米激光，或是通过1064纳米激光泵浦，通过六阶受激拉曼散射过程产生1480纳米激光，需要波长精确匹配的五对或六对光纤布拉格光栅，整机系统复杂。本发明通过创新性的用随机激光方案产生1480纳米激光，可以不需要复杂的光栅对，大大简化了系统结构，本随机激光方案通过合理设计随机激光参数也容易产生其他掺铒光纤吸收带内的随机激光。
2、降低了系统成本。随机激光可以通过宽带反射器和瑞利散射提供反馈，可以实现无光纤布拉格光栅的结构，大大降低了系统成本，提高了系统稳定性。
3、降低泵浦激光的要求。传统同带泵浦激光产生需要精确的设计泵浦激光波长和各阶斯托克斯光的波长，以匹配光栅波长，使受激拉曼散射过程效率最高。由于随机激光结构，本发明可以不用精确设计随机激光的泵浦波长。只要随机激光的泵浦波长通过随机激光产生的激光波长在掺铒光纤吸收带内，泵浦激光就是可用的，这就大大降低了系统对前端的要求。
总之，本发明在提升掺铒光纤激光器的输出功率的同时，大大简化了传统同带泵浦掺铒光纤激光器的结构，降低了整体的成本，促进高功率掺铒光纤激光器在科学和工业上进一步广泛应用。
附图说明
图1是本发明随机拉曼光纤激光器同带泵浦的掺铒光纤激光器的结构示意图。
图2是本发明随机激光器泵浦模块实现方案之一的结构示意图。
图3是本发明随机激光器泵浦模块实现方案之二的结构示意图。
图4是本发明随机拉曼光纤激光器同带泵浦的掺铒光纤激光器实施例1示意图。
图5是本发明随机拉曼光纤激光器同带泵浦的掺铒光纤激光器实施例2示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。
请参阅图1，图1是本发明随机拉曼光纤激光器同带泵浦的掺铒光纤激光器的结构示意图。由图可见，本发明随机拉曼光纤激光器同带泵浦的掺铒光纤激光器由随机激光器泵浦模块1、泵浦耦合器2、掺铒光纤激光器3组成。所述的随机激光泵浦模块1发射的泵浦激光经过泵浦耦合器2耦合进所述的掺铒光纤激光器3中，各器件间的连接方式为光纤熔接。
图2是本发明随机激光器泵浦模块1实现方案之一的结构示意图。随机激光的泵浦激光器9辐射的激光通过波分复用器10入射到拉曼增益光纤12。拉曼增益光纤12提供随机分布的瑞利散射反馈和拉曼增益，熔接在波分复用器10后端的是宽带全反镜11，用来形成半开放腔结构，提供反馈。
图3是本发明随机激光器泵浦模块另一种产生结构示意图。随机激光的泵浦激光器9辐射的激光通过波分复用器10入射到拉曼增益光纤12。拉曼增益光纤12提供随机分布的瑞利散射反馈和拉曼增益，本结构为全开放腔的随机激光，没有全反镜提供反馈。
下面给出具体实施例：
实施例1，参考图4，随机1480纳米激光泵浦的高功率1.5微米掺铒光纤激光放大器。1.5微米种子激光5经过波分复用器2耦合入掺铒光纤4。随机激光的初始泵浦波长为1064纳米激光，经过随机拉曼过程产生6阶斯托克斯激光，分别为1117，1175，1239，1310，1390，和1480纳米，通过优化拉曼光纤长度和1064纳米激光功率，最终1480纳米激光功率占总输出功率的主要部分。随机激光产生的1480纳米激光经过波分复用器2耦合入掺铒光纤4，8为泵浦激光滤除器，可以滤除多余未被吸收的随机激光。低功率的1.5微米激光可以放大为高功率1.5微米激光在泵浦激光滤除器8尾端输出或连接光纤准直器输出。
实施例2，参考图5，随机1510纳米激光泵浦的高功率1.56微米掺铒光纤谐振器。随机激光的初始泵浦波长为1080纳米，经过随机拉曼过程产生6阶斯托克斯激光，分别为1133，1195，1262，1337，1419，1510纳米。通过优化拉曼光纤长度和1080纳米激光功率，最终1510纳米激光功率占总输出功率的主要部分。随机激光产生的1510纳米激光经过波分复用器2耦合入掺铒光纤4。6和7分别为1560纳米高反射率光纤布拉格光栅和低反射率光纤布拉格光栅，8为泵浦激光滤除器，可以滤除多余未被吸收的随机激光。高功率的1.56微米激光可以在泵浦激光滤除器8尾端输出或连接光纤准直器输出。
以上所述，仅为本发明实施例而已，不能以此限定本发明实施范围。即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。
本发明用随机激光泵浦掺铒光纤激光器，不需要精确匹配的光栅对就可以产生用于同带泵浦的激光波长，而且泵浦激光的波长不需要特殊设计，从而降低前端的要求。整个系统简单高效，成本低廉，实施简单，应用潜力巨大。

Claims (7)

1.一种随机拉曼光纤激光器同带泵浦的掺铒光纤激光器，其特征在于：包括随机激光器泵浦模块(1)、泵浦耦合器(2)和掺铒光纤激光器(3)，所述的随机激光泵浦模块(1)通过光纤经所述的泵浦耦合器(2)与所述的掺铒光纤激光器(3)熔接在一起而成。
2.根据权利要求1所述的随机拉曼光纤激光器同带泵浦的掺铒光纤激光器，其特征在于，所述的随机激光器泵浦模块(1)为保偏随机光纤激光器或非保偏随机光纤激光器；所述的随机激光器泵浦模块(1)发射的激光波长在所述的掺铒光纤激光器(3)的吸收带内；所述的随机激光器泵浦模块(1)是典型的随机激光结构，为半开放腔随机激光结构(随机激光反馈部分由随机分布的瑞利散射提供，部分由光纤光栅或任何形式的宽带反射器提供)，或全开放腔随机激光结构(随机激光反馈全部来自于随机分布的瑞利散射)；所述的随机激光器泵浦模块(1)可以由掺镱光纤激光器泵浦，由拉曼光纤激光器泵浦或由随机光纤激光器泵浦；所述的随机激光器泵浦模块可以连续波运转，也可以脉冲运转；所述的随机激光器泵浦模块(1)发射的泵浦激光可以与掺铒光纤激光器(3)输出激光同向，为同向泵浦结构，也可以与掺铒光纤激光器(3)输出激光反向，为反向泵浦结构。
3.根据权利要求1所述的随机拉曼光纤激光器同带泵浦的掺铒光纤激光器，其特征在于，所述的泵浦耦合器(2)是波分复用器，或泵浦光-信号光拉锥合束器。当为波分复用器时，是泵浦光纤芯泵浦结构，泵浦耦合器(2)发射的泵浦光和掺铒光纤激光器(3)发射的激光在掺铒增益光纤纤芯中传输；当为泵浦光-信号光拉锥合束器时，是泵浦光包层泵浦结构，泵浦耦合器(2)发射的泵浦光在掺铒增益光纤包层中传输，掺铒光纤激光器(3)发射的激光在掺铒增益光纤纤芯中传输。
4.根据权利要求1所述的随机拉曼光纤激光器同带泵浦的掺铒光纤激光器，其特征在于，所述的掺铒光纤激光器(3)的激光增益介质为铒离子掺杂光纤。
5.根据权利要求4所述的随机拉曼光纤激光器同带泵浦的掺铒光纤激光器，其特征在于所述的掺铒光纤激光器(3)为线型腔光纤谐振器、环形腔光纤激光器或光纤放大器。
6.根据权利要求4所述的随机拉曼光纤激光器同带泵浦的掺铒光纤激光器，其特征在于所述的掺铒光纤激光器(3)为连续运转的光纤激光器或脉冲运转的光纤激光器。
7.根据权利要求4所述的新型随机拉曼光纤激光器同带泵浦的掺铒光纤激光器，其特征在于所述的铒离子掺杂光纤是铒离子单独掺杂光纤，或共掺光纤，如铒镱共掺光纤。
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