CN111244737B - 一种棒状光子晶体光纤放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种棒状光子晶体光纤放大器，包括信号耦合透镜、第一双色镜、第一中空泵浦耦合透镜、棒状光子晶体光纤，所述棒状光子晶体光纤包括纤芯和包层，信号光通过信号耦合透镜耦合进入棒状光子晶体光纤的纤芯，泵浦光通过中空泵浦耦合透镜耦合进入棒状光纤的包层。本发明提出的结构通过引入中空泵浦耦合透镜，可以对信号光与棒状光子晶体光纤的纤芯耦合，泵浦光与棒状光纤的包层耦合分别进行优化。这样做的目的是充分优化棒状光子晶体光纤放大器，提高放大效率，提高制作工艺效率。

Description

一种棒状光子晶体光纤放大器
技术领域
本发明属于激光器领域，特别是涉及一种棒状光子晶体光纤放大器。
背景技术
光子晶体光纤是指具有光子晶体结构的光纤。通过控制光子晶体结构的分布与设计，可以实现许多传统光纤所不具备的特性，在许多领域都有很广泛的应用。高功率光纤放大器具有效率高，易维护等优点，目前在科研和工业领域得到了广泛的应用，尤其是超快高功率光纤激光器，在微加工、物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中具有广泛应用，比如：在精密加工领域中的精密的切割、打孔、雕刻，能应用的材料范围包括玻璃、蓝宝石、金属薄膜、高分子有机材料薄膜、复合薄膜、半导体晶圆、陶瓷和金刚石等等。
棒状光子晶体光纤通常使用在超快高功率光纤放大器中，该光纤通常具有大纤芯，纤芯掺杂铒或镱等稀土元素，作为放大器的增益介质，光纤的纤芯支持大模场的单模的信号传输，从而实现信号的高功率高能量放大，光纤通常使用空气包层的设计结构，用来传导泵浦，在空气包层的外部使用较厚的石英外壁。外观呈棒状，在使用时也是直着平放，不像普通光纤一样可以弯曲盘绕。
棒状光子晶体光纤放大器可以采用正向泵浦、反向泵浦，或者双向泵浦结构。以正向泵浦为例，该放大器通常使用一个双色镜加一个透镜的结构，实现对泵浦与光纤包层，以及信号与光纤纤芯的耦合。棒状光子晶体光纤的特点是具有大纤芯直径，通常在60μm以上，该光纤同时具有低数值孔径，通常在0.03以下，这是该光纤可以支持单模传输的设计特点。由于纤芯的数值孔径低，焦距较高(比如大于30mm)的透镜更有利于准直的入射信号(比如光斑直径2mm)至纤芯的耦合。棒状光子晶体光纤通常使用空气包层设计，包层直径通常在200μm以上，空气包层支持高数值孔径，通常在0.5以上，更有利于泵浦耦合，由于包层的数值孔径高，焦距较低(比如小于25mm)的透镜更有利于准直的泵浦光(比如泵浦光斑直径为25mm)至包层的耦合。
然而，传统的传统放大器结构中，通常由同一个透镜同时完成信号耦合和泵浦耦合的结构，参考图1所示，该透镜的光学参数的选择通常是综合考虑到信号耦合和泵浦耦合条件后，妥协后的结果，并不能达到同时满足泵浦耦合与信号耦合的最优性能。另外，在放大器的制作调试中，对耦合透镜的优化调节会同时影响信号耦合和泵浦耦合，比如，在对泵浦耦合效率优化时，调节了耦合透镜的位置，使泵浦耦合达到最优，但是该操作很可能同时导致了信号耦合变差，反之亦然。
随着激光器功率的不断提高，对耦合的要求也越来越高，未耦合到纤芯里的信号以及未耦合到包层里的泵浦会导致光纤发热变形，甚至会损坏光纤。随着激光器产能的提高，对激光器制作调试效率也提出了更高要求，传统放大器结构已经不能满足高功率激光放大器的生产需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种棒状光子晶体光纤放大器，不但提高了信号与泵浦的耦合效率，而且提高了制作调试效率。
本发明采用的技术方案是：一种棒状光子晶体光纤放大器，包括信号耦合透镜、第一双色镜、第一中空泵浦耦合透镜、棒状光子晶体光纤，所述信号耦合透镜用于聚焦信号光，所述信号耦合透镜聚焦后的光路上依次设置有第一双色镜、第一中空泵浦耦合透镜、棒状光子晶体光纤，所述第一双色镜、第一中空泵浦耦合透镜、棒状光子晶体光纤处于同一光轴，所述第一双色镜倾斜设置。
优选地，所述信号耦合透镜置于所述双色镜的正上方，且聚焦后的信号光经第一双色镜反射进入第一中空泵浦耦合透镜，所述信号光反射前后相互垂直。
优选地，所述信号耦合透镜置于所述第一双色镜之前，所述信号耦合透镜与所述第一双色镜、第一中空泵浦耦合透镜、棒状光子晶体光纤处于同一光轴，且聚焦后的信号光经第一双色镜透射进入第一中空泵浦耦合透镜，所述信号光透射前后方向不变。
优选地，所述棒状光子晶体光纤为具有光子晶体结构的棒状光纤，所述棒状光子晶体光纤包括纤芯和包层，所述纤芯的直径大于30μm，数值孔径小于0.1，所述包层的直径大于200μm，数值孔径大于0.3。
优选地，所述棒状光子晶体光纤的纤芯掺杂稀土元素铒、镱、钕、钬中的一种或者超过一种。
优选地，所述信号耦合透镜为平凸透镜、双凸透镜、弯月透镜和非球面透镜中的一种。
优选地，所述第一中空泵浦耦合透镜为一种中心是通孔的平凸透镜、双凸透镜、弯月透镜、非球面透镜。
优选地，所述通孔的直径小于1毫米。
优选地，所述第一中空泵浦耦合透镜为一种中心是平面镜的平凸透镜、双凸透镜、弯月透镜、非球面透镜
优选地，还包括泵浦光空间整形器件，所述泵浦光空间整形器件为锥形镜，所述锥形镜置于第一双色镜之前。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种棒状光子晶体光纤放大器改变了传统放大器结构中，必须由同一个透镜同时完成信号耦合和泵浦耦合的结构，本发明引入中空泵浦耦合透镜，可以对信号光与棒状光子晶体光纤的纤芯耦合、泵浦光与棒状光纤的包层耦合分别进行优化，充分优化棒状光子晶体光纤放大器，提高放大效率，提高制作工艺效率。
附图说明
图1为传统的棒状光子晶体光纤放大器结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的一种棒状光子晶体光纤放大器结构示意图；
图3为本发明实施例二提供的一种棒状光子晶体光纤放大器结构示意图；
图4为本发明实施例三提供的一种棒状光子晶体光纤放大器结构示意图；
图5为本发明实施例四提供的一种棒状光子晶体光纤放大器结构示意图；
图6为本发明实施例五提供的一种棒状光子晶体光纤放大器结构示意图；
图7为本发明实施例六提供的一种棒状光子晶体光纤放大器结构示意图；
图8为本发明实施例中的中空泵浦耦合透镜和异形透镜的结构示意图。
附图标记：1-信号耦合透镜、2-第一双色镜、3-第一中空泵浦耦合透镜、31-通孔、4-棒状光子晶体光纤、41-纤芯、42-包层、5-第二中空泵浦耦合透镜、6-第二双色镜、7-信号准直透镜、8-锥形镜、9-异形透镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例一：
如图2所示，本实施例提供的一种棒状光子晶体光纤放大器，包括信号耦合透镜1、第一双色镜2、第一中空泵浦耦合透镜3、棒状光子晶体光纤4，信号耦合透镜1用于聚焦信号光，信号耦合透镜1聚焦后的光路上依次设置有第一双色镜2、第一中空泵浦耦合透镜3、棒状光子晶体光纤4，其中第一双色镜2倾斜45°设置，信号耦合透镜1置于第一双色镜2的上方，第一双色镜2将信号耦合透镜1聚焦后的光反射进入第一中空泵浦耦合透镜3和棒状光子晶体光纤4。
在本实施例中，信号耦合透镜1为平凸透镜、双凸透镜、弯月透镜和非球面透镜中的一种，信号耦合透镜1的直径为25mm，焦距为60mm；第一双色镜2反射中心波长为1030nm的信号光、透射中心波长为976nm的泵浦光，第一双色镜2的直径为25mm；第一中空泵浦耦合透镜3为中心是通孔31的平凸透镜、双凸透镜、弯月透镜和非球面透镜中的一种，第一中空泵浦耦合透镜3的直径为20mm，焦距为20mm，其中通孔31的直径小于1毫米；棒状光子晶体光纤4为具有光子晶体结构的棒状光纤，棒状光子晶体光纤4包括纤芯41和包层42，纤芯41的直径为80μm，数值孔径为0.02，包层42的直径为350μm，数值孔径大于0.3，其中纤芯41掺杂稀土元素铒、镱、钕或钬等稀土元素，纤芯41可掺杂其中一种或者是掺杂超过一种；信号耦合透镜1至第一双色镜2的光程为20mm，第一双色镜2至第一中空泵浦耦合透镜3的光程为20mm，第一中空泵浦耦合透镜3至棒状光子晶体光纤4的光程为20mm，信号耦合透镜1至棒状光子晶体光纤4的光程为60mm。
本实施例提供的棒状光子晶体光纤放大器工作过程如下：
中心波长为1030nm，光斑直径为1mm的准直的信号光首先经过信号耦合透镜1聚焦，再通过第一双色镜2反射，信号光与第一双色镜2的上表面的夹角为45°，信号光经第一双色镜2的上表面反射后的出射光与入射光的夹角为90°，反射后的信号光经过第一中空泵浦耦合透镜3的通孔31，信号光与第一中空泵浦耦合透镜3不发生光学效应，信号光在棒状光子晶体光纤4的纤芯41处直径小于80μm，发散角小于纤芯41的数值孔径，因此信号光可以完全耦合进入棒状光子晶体光纤4的纤芯41中，且耦合效率大于95％。
中心波长为976nm，光斑直径为15mm的准直的泵浦光首先经过第一双色镜2，泵浦光与第一双色镜2的下表面的夹角为45°，泵浦光经过第一双色镜2透射，传输方向不发生变化，之后再经过第一中空泵浦耦合透镜3聚焦，聚焦后的泵浦光在棒状光子晶体光纤4的包层42处直径小于350μm，发散角小于包层的数值孔径，因此泵浦光可以完全耦合进入棒状光子晶体光纤4的包层42中，耦合效率大于95％。
信号耦合透镜1至第一中空泵浦耦合透镜3的光程为40mm，信号光在第一中空泵浦耦合透镜3位置处的光斑直径约为330μm，第一中空泵浦耦合透镜3的通孔31的直径为350μm，大于信号光在第一中空泵浦耦合透镜3位置处的光斑直径，因此，信号光与第一中空泵浦耦合透镜3不发生光学效应；另一方面，由于第一中空泵浦耦合透镜3的通孔31的直径为350μm，与棒状光子晶体光纤4的包层42直径相近，泵浦光经过第一中空泵浦耦合透镜3的中空部分，虽然没有发生光学聚焦，但是不影响其进入棒状光子晶体光纤4的包层42中，不会降低耦合效率。
上述棒状光子晶体光纤放大器的调节步骤如下：
1.将棒状光子晶体光纤4固定。
2.调节第一双色镜2的位置与角度，优化信号光的反射率与泵浦光的透射率。
3.开启信号光，关闭泵浦光，调节信号光的位置与角度、信号耦合透镜1的位置与角度，优化信号耦合效率至95％以上。
4.开启泵浦光至适当功率，关闭信号光，调节泵浦光的位置与角度、第一中空泵浦耦合透镜3的位置与角度，优化泵浦耦合效率至95％以上。
5.同时开启信号光与泵浦光，重复步骤3和4中的调节步骤，优化信号的增益。
实施例二：
如图3所示，本实施例提供的一种棒状光子晶体光纤放大器，包括信号耦合透镜1、第一双色镜2、第一中空泵浦耦合透镜3、棒状光子晶体光纤4，信号耦合透镜1、第一双色镜2、第一中空泵浦耦合透镜3和棒状光子晶体光纤4处于同一光轴上，其中信号耦合透镜1用于聚焦信号光，信号耦合透镜1聚焦后的光路上依次设置有第一双色镜2、第一中空泵浦耦合透镜3、棒状光子晶体光纤4，其中第一双色镜2倾斜45°设置，信号耦合透镜1聚焦后的光经第一双色镜2透射进入第一中空泵浦耦合透镜3和棒状光子晶体光纤4。
在本实施例中，信号耦合透镜1为平凸透镜、双凸透镜、弯月透镜和非球面透镜中的一种，信号耦合透镜1的直径为25mm，焦距为60mm；第一双色镜2反射中心波长为1030nm的信号光、透射中心波长为976nm的泵浦光，第一双色镜2的直径为25mm；第一中空泵浦耦合透镜3为中心是通孔31的平凸透镜、双凸透镜、弯月透镜和非球面透镜中的一种，第一中空泵浦耦合透镜3的直径为20mm，焦距为20mm，其中通孔31的直径小于1毫米；棒状光子晶体光纤4为具有光子晶体结构的棒状光纤，棒状光子晶体光纤4包括纤芯41和包层42，纤芯41的直径为80μm，数值孔径为0.02，包层的直径为350μm，数值孔径大于0.3，其中纤芯41掺杂稀土元素铒、镱、钕和钬等稀土元素，纤芯41可掺杂其中一种或者是掺杂超过一种；信号耦合透镜1至第一双色镜2的光程为20mm，第一双色镜2至第一中空泵浦耦合透镜3的光程为20mm，第一中空泵浦耦合透镜3至棒状光子晶体光纤4的光程为20mm，信号耦合透镜1至棒状光子晶体光纤4的光程为60mm。
本实施例提供的棒状光子晶体光纤放大器工作过程如下：
中心波长为1030nm，光斑直径为1mm的准直的信号光首先经过信号耦合透镜1聚焦，再通过第一双色镜2透射进入第一中空泵浦耦合透镜3的通孔31，信号光与第一中空泵浦耦合透镜3不发生光学效应，信号光在棒状光子晶体光纤4的纤芯41直径小于80μm，发散角小于纤芯41的数值孔径，因此信号光可以完全耦合进入棒状光子晶体光纤4的纤芯41中，且耦合效率大于95％。
中心波长为976nm，光斑直径为15mm的准直的泵浦光首先经过第一双色镜2反射，泵浦光与第一双色镜2的上表面的夹角为45°，泵浦光经第一双色镜2的上表面反射后的出射光与入射光的夹角为90°，之后泵浦光再经过第一中空泵浦耦合透镜3聚焦，聚焦后的泵浦光在棒状光子晶体光纤4的包层42处直径小于350μm，发散角小于包层42的数值孔径，因此泵浦光可以完全耦合进入棒状光子晶体光纤4的包层42中，耦合效率大于95％。
信号耦合透镜1至第一中空泵浦耦合透镜3的光程为40mm，信号光在第一中空泵浦耦合透镜3位置处的光斑直径约为330μm，第一中空泵浦耦合透镜3的中心通孔的直径为350μm，大于信号光在第一中空泵浦耦合透镜3位置处的光斑直径，因此，信号光与第一中空泵浦耦合透镜3不发生光学效应；另一方面，由于第一中空泵浦耦合透镜3的通孔31的直径为350μm，与棒状光子晶体光纤4的包层42直径相近，泵浦光经过第一中空泵浦耦合透镜3的中空部分，虽然没有发生光学聚焦，但是不影响其进入棒状光子晶体光纤4的包层中，不会降低耦合效率。
上述棒状光子晶体光纤放大器的调节步骤如下：
1.将棒状光子晶体光纤4固定。
2.调节第一双色镜2的位置与角度，优化信号光的反射率与泵浦光的透射率。
3.开启信号光，关闭泵浦光，调节信号光的位置与角度、信号耦合透镜1的位置与角度，优化信号耦合效率至95％以上。
4.开启泵浦光至适当功率，关闭信号光，调节泵浦光的位置与角度、第一中空泵浦耦合透镜3的位置与角度，优化泵浦耦合效率至95％以上。
5.同时开启信号光与泵浦光，重复步骤3和4中的调节步骤，优化信号的增益。
实施例三：
如图4所示，在上述实施例一的基础上：在棒状光子晶体光纤4的输出端，还设有分别与信号耦合透镜1、第一双色镜2、第一中空泵浦耦合透镜3左右对称的信号准直透镜7、第二双色镜6、以及第二中空泵浦耦合透镜5。
在本实施例中，第二中空泵浦耦合透镜5的直径为20mm，焦距为20mm，第二双色镜6的直径为25mm，信号准直透镜7的直径为25mm，焦距为60mm，信号准直透镜7至第二双色镜6的光程为20mm，第二双色镜6至第二中空泵浦耦合透镜5的光程为20mm，第二中空泵浦耦合透镜5至棒状光子晶体光纤4的输出端光程为20mm，信号准直透镜7至棒状光子晶体光纤4输出端的光程为60mm。
在实施例一的基础上，本实施例提供的棒状光子晶体光纤放大器的工作过程还包括：
从棒状光子晶体光纤4输出的中心波长为1030nm的信号光首先经过第二中空泵浦耦合透镜5的中心通孔部分，信号光与第二中空泵浦耦合透镜5不发生光学效应，经过第二中空泵浦耦合透镜5后的信号光通过第二双色镜6的上表面反射，反射后的信号光最后经过信号准直透镜7准直后射出。
中心波长为976nm，光斑直径为15mm的准直的反向泵浦光首先经过第二双色镜6，泵浦光与第二双色镜6的下表面的夹角为45°，反向泵浦光透射经过第二双色镜6，传输方向不发生变化，反向泵浦光再经过第二中空泵浦耦合透镜5聚焦，聚焦后的反向泵浦光在棒状光子晶体光纤4的输出端的包层42直径小于350μm，发散角小于包层42的数值孔径，因此反向泵浦光可以完全耦合进入棒状光子晶体光纤4的包层42中，耦合效率大于95％。
实施例四：
如图5所述，在实施例三的基础上，棒状光子晶体光纤4的正向只有信号耦合透镜1，去掉第一双色镜2、第一中空泵浦耦合透镜3和正向泵浦光。
在本实施例中，信号耦合透镜1的直径为25mm、焦距为60mm，第二中空泵浦耦合透镜5的直径为20mm、焦距为20mm，第二双色镜6的直径为25mm，第二双色镜6至第二中空泵浦耦合透镜5的光程为20mm，第二中空泵浦耦合透镜5至棒状光子晶体光纤4的输出端光程为20mm，信号耦合透镜1至棒状光子晶体光纤4的光程为60mm。
中心波长为1030nm、光斑直径为1mm的准直的信号光首先经过信号耦合透镜1聚焦，聚焦后的信号光耦合进入棒状光子晶体光纤4的纤芯41中，耦合效率大于95％。
中心波长为976nm、光斑直径为15mm的准直的反向泵浦光首先经过第二双色镜6，泵浦光与第二双色镜6下表面的夹角为45°，反向泵浦光透射经过第二双色镜6，传输方向不发生变化，反向泵浦光再经过第二中空泵浦耦合透镜5聚焦，聚焦后的反向泵浦光在棒状光子晶体光纤4的输出端的包层42直径小于350μm，发散角小于包层42的数值孔径，因此反向泵浦光可以完全耦合进入棒状光子晶体光纤4的包层42中，耦合效率大于95％。
实施例五：
如图6所示，在实施例一的基础上，棒状光子晶体光纤放大器还包括锥形镜8，锥形镜8设在二色镜2的左侧，二色镜2用于将入射的泵浦光整形成为环状光斑，环状光斑的内径为2mm、外径为15mm。
环状泵浦光经过第一中空泵浦耦合透镜3，第一中空泵浦耦合透镜3的外形大于并覆盖入射的环状泵浦光，因此不影响环状泵浦光耦合进入棒状光子晶体光纤4的包层中，不会降低耦合效率。
实施例六：
在上述实施例一至实施例五中，第一中空泵浦耦合透镜3可以为中心部分是平面、非通孔，其他部分外形为平凸、双凸、弯月形或非球面外形的异形透镜9，如图7和图8所示，信号光经过异形透镜9的中心部分时不发生聚焦。
在本发明的描述中，术语“一侧”、“另一侧”、“上”、“下”、“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发明和简化描述，并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发明的限制。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种棒状光子晶体光纤放大器，其特征在于：包括信号耦合透镜、第一双色镜、第一中空泵浦耦合透镜、棒状光子晶体光纤，所述信号耦合透镜用于聚焦信号光，所述信号耦合透镜聚焦后的光路上依次设置有第一双色镜、第一中空泵浦耦合透镜、棒状光子晶体光纤，所述第一双色镜、第一中空泵浦耦合透镜、棒状光子晶体光纤处于同一光轴，所述第一双色镜倾斜设置；
所述第一中空泵浦耦合透镜，对信号光与棒状光子晶体光纤的纤芯耦合、泵浦光与棒状光子晶体光纤的包层耦合分别进行优化；
所述信号光与第一中空泵浦耦合透镜不发生光学效应；泵浦光经过第一中空泵浦耦合透镜聚焦。
2.根据权利要求1所述的棒状光子晶体光纤放大器，其特征在于，所述信号耦合透镜置于所述第一双色镜的正上方，且聚焦后的信号光经第一双色镜反射进入第一中空泵浦耦合透镜，所述信号光反射前后相互垂直。
3.根据权利要求1所述的棒状光子晶体光纤放大器，其特征在于，所述信号耦合透镜置于所述第一双色镜之前，所述信号耦合透镜与所述第一双色镜、第一中空泵浦耦合透镜、棒状光子晶体光纤处于同一光轴，且聚焦后的信号光经第一双色镜透射进入第一中空泵浦耦合透镜，所述信号光透射前后方向不变。
4.根据权利要求1所述的棒状光子晶体光纤放大器，其特征在于，所述棒状光子晶体光纤为具有光子晶体结构的棒状光纤，所述棒状光子晶体光纤包括纤芯和包层，所述纤芯的直径大于30μm，数值孔径小于0.1，所述包层的直径大于200μm，数值孔径大于0.3。
5.根据权利要求4所述的棒状光子晶体光纤放大器，其特征在于，所述棒状光子晶体光纤的纤芯掺杂稀土元素铒、镱、钕、钬中的一种或者超过一种。
6.根据权利要求1所述的棒状光子晶体光纤放大器，其特征在于，所述信号耦合透镜为平凸透镜、双凸透镜和弯月透镜中的一种。
7.根据权利要求1所述的棒状光子晶体光纤放大器，其特征在于，所述第一中空泵浦耦合透镜为一种中心是通孔的平凸透镜、双凸透镜或弯月透镜；所述通孔的直径小于1毫米。
8.根据权利要求1所述的棒状光子晶体光纤放大器，其特征在于，所述第一中空泵浦耦合透镜为一种中心是平面镜的平凸透镜、双凸透镜或弯月透镜。
9.根据权利要求1所述的棒状光子晶体光纤放大器，其特征在于，所述第一中空泵浦耦合透镜为一种中心是通孔或中心是平面镜的非球面透镜，所述信号耦合透镜为非球面透镜。
10.根据权利要求1所述的棒状光子晶体光纤放大器，其特征在于，还包括泵浦光空间整形器件，所述泵浦光空间整形器件为锥形镜，所述锥形镜置于第一双色镜之前。
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