CN111541138B - 一种抑制大功率窄线宽光纤激光器中受激布里渊散射装置 - Google Patents

一种抑制大功率窄线宽光纤激光器中受激布里渊散射装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抑制大功率窄线宽光纤激光器中受激布里渊散射装置；其包括：窄线宽激光种子源、预放大器、波分复用器、合束器、泵浦激光模块、双包层增益光纤、脉冲激光器和光隔离器。本发明中抑制受激布里渊散射的方法是：通过波分复用器将后向传输的脉冲激光引入大功率窄线宽光纤激光器中，利用后向传输的脉冲激光与后向Stokes散射光产生交叉相位调制作用，使得Stokes散射光增益谱宽展宽和峰值增益降低，对大功率窄线宽光纤激光器中产生的后向Stokes散射光产生一定的抑制效果，从而提高窄线宽光纤激光器的受激布里渊散射阈值，提升窄线宽光纤激光输出功率规模。该方法结构紧凑、简单，可靠性高，可以广泛应用于大功率激光器领域。

Description

一种抑制大功率窄线宽光纤激光器中受激布里渊散射装置
技术领域
本发明涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种抑制大功率窄线宽光纤激光器中受激布里渊散射装置。
背景技术
大功率窄线宽光纤激光器在引力波探测、激光雷达、光纤传感、非线性频率转换、光束合成、相干通信和激光武器等领域具有广泛的应用价值。
对于大功率窄线宽光纤激光器，由于光纤长度相对较长、纤芯横截面积较小，当传输功率达到一定水平后，很容易产生各类非线性效应，限制其输出性能的进一步提升。
在这些非线性效应中，受激布里渊散射的阈值最低，是目前限制窄线宽光纤激光器输出功率规模提升的首要因素。受激布里渊散射是入射泵浦光经过光纤被分子振动调制导致的，具有增益和阈值特征，一旦功率达到受激布里渊散射阈值，信号光功率将会通过光纤中光子和声子的相互作用向Stokes散射光转移，会在激光器中产生大量的后向Stokes散射光，导致光纤激光器输出激光功率的下降，甚至对前级的光器件造成一定破坏，严重影响着光纤激光器的正常工作。
受激布里渊散射的阈值跟泵浦功率与信号光的谱宽有关。目前，抑制受激布里渊散射的方法有多种，比如设计大模场面积增益光纤、减小增益光纤使用长度、对增益光纤施加沿轴向的温度或应力梯度等，但这些方法自身存在一些缺点，通过对光纤增大其模场面积和减小其使用长度会使得模式不稳定效应的阈值降低，不利于光纤激光器输出性能的提升。通过施加温度、应力梯度展宽布里渊增益谱来抑制受激布里渊散射，其实际操作较困难，且易受外界因素的影响，系统也比较复杂。
CN102087452A公开了一种利用旋转玻片抑制受激布里渊散射装置和方法，通过使用玻片将激光束分割为偏振态不同的多段实现抑制传播介质中布里渊散射的发生。
CN109378687B公开了一种光纤激光放大器系统受激布里渊散射抑制方法，通过将倾斜光纤光栅接入光纤放大器中，利用倾斜光纤光栅在布里渊波段的高损耗性，对输入倾斜光纤光栅中的激光进行滤波，以抑制受激布里渊散射。但是上述专利存在结构较复杂、信号光功率损耗较大等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种抑制大功率窄线宽光纤激光器中受激布里渊散射装置。
本发明通过将后向传输的脉冲激光引入窄线宽光纤激光器中，利用后向传输的脉冲激光与后向Stokes散射光产生交叉相位调制，使得Stokes散射光的增益谱宽展宽和峰值增益降低，降低了后向Stokes散射光功率，从而对光纤激光器系统产生的后向Stokes散射光具有较好的抑制效果，能够提升光纤激光器系统的受激布里渊散射阈值，提高窄线宽光纤激光输出功率规模。通过减弱高功率后向Stokes散射光对光纤激光器系统造成的风险，可以大大改善光纤激光器系统的性能。
本发明通过下述技术方案实现：
一种抑制大功率窄线宽光纤激光器中受激布里渊散射装置，包括：窄线宽激光种子源1、预放大器2、第一波分复用器3、泵浦激光模块4、合束器5、双包层增益光纤6、第二波分复用器7、脉冲激光器8、光隔离器9；
其中，窄线宽激光种子源1的输出端与预放大器2的输入端连接；第一波分复用器3的信号端与预放大器2输出端连接，第一波分复用器3的公共端与合束器5的信号端连接；泵浦激光模块4的尾纤与合束器5的泵浦端连接，双包层增益光纤6的一端与合束器5的输出端连接；第二波分复用器7的泵浦端与脉冲激光器8连接，信号端与双包层增益光纤6的另一端连接，公共端与光隔离器9的输入端连接；光隔离器9的输出端作为最终激光的输出端口。
所述的窄线宽激光种子源1为半导体激光器、光纤激光器或者其它固态激光器类型，其工作波长可以是1.0μm、1.5μm或2.0μm波段，线宽小于100GHz。
所述泵浦激光模块4为多个多模半导体激光器合束而成。
所述合束器5为(n+1)×1的合束器。
所述双包层增益光纤6为掺镱光纤、掺铒光纤、铒镱共掺光纤、掺铥光纤或铥钬共掺光纤中的一种。
所述双包层增益光纤6的纤芯为圆形，纤芯直径大于10μm；光纤的内包层为六边形、八边形、D型、梅花型中的一种，内包层直径大于125μm。
所述脉冲激光器8注入后向传输的脉冲激光，其波长与信号光波长相差10～200nm，其峰值功率大于1kW。
所述窄线宽激光种子源1、预放大器2、第一波分复用器3、泵浦激光模块4、合束器5、双包层增益光纤6、第二波分复用器7、脉冲激光器8、光隔离器9之间的连接方式均是通过光纤熔接机进行熔融连接。
一种抑制大功率窄线宽光纤激光器中受激布里渊散射的方法，其包括如下步骤：
窄线宽激光种子源提供了激光放大所需的信号光，经过预放大器后，信号光被初步放大；
然后信号光分别经过第一个波分复用器和(6+1)×1合束器后，注入到双包层增益光纤；
泵浦激光模块输出的泵浦光经过(6+1)×1合束器同时注入到双包层增益光纤中，并为双包层增益光纤提供抽运泵浦能量；
双包层增益光纤吸收泵浦光后，稀土掺杂离子会发生能级跃迁至上能级形成粒子束反转，在信号光的作用下，不断经受激辐射过程产生全同光子，进而达到放大信号光的效果，放大后的信号光从光隔离器的输出端口输出；
当信号光功率超过其受激布里渊散射阈值时，会产生受激布里渊散射效应，此时，光纤中被放大的信号光能量会向Stokes散射光转移，使得信号光功率或能量将出现波动和降低，形成较强的后向Stokes散射光；当后向脉冲激光由脉冲激光器输出，从第二波分复用器的泵浦端输入、公共端输出，然后注入到双包层增益光纤里面，与在光纤中生成的后向Stokes散射光发生交叉相位调制，其改变了Stokes散射光的增益谱宽，使其展宽，同时降低了后向Stokes散射光的功率，剩余的脉冲激光和Stokes散射光从第一波分复用器的泵浦端导出，使Stokes散射光功率产生衰减，最终使得窄线宽光纤激光器的受激布里渊散射阈值功率逐渐提高，从而实现抑制大功率窄线宽光纤激光器中的受激布里渊散射效应，达到提升窄线宽光纤激光输出功率规模的目的。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
本发明通过波分复用器将后向传输的脉冲激光引入大功率窄线宽光纤激光器中，利用后向传输的脉冲激光与后向Stokes散射光产生交叉相位调制作用，使得Stokes散射光增益谱宽展宽和峰值增益降低，对大功率窄线宽光纤激光器中产生的后向Stokes散射光产生一定的抑制效果，从而提高窄线宽光纤激光器的受激布里渊散射阈值，提升窄线宽光纤激光输出功率规模。
本发明通过调节脉冲激光器的功率，能灵活调整抑制比，具有操作简便、结构紧凑、可靠性高等优点。
附图说明
图1为本发明抑制大功率窄线宽光纤激光器中受激布里渊散射装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
如图1所示。本发明公开了一种抑制大功率窄线宽光纤激光器中受激布里渊散射装置，包括：窄线宽激光种子源1、预放大器2、第一波分复用器3、泵浦激光模块4、合束器5、双包层增益光纤6、第二波分复用器7、脉冲激光器8、光隔离器9；
其中，窄线宽激光种子源1的输出端与预放大器2的输入端连接；第一波分复用器3的信号端与预放大器2输出端连接，第一波分复用器3的公共端与合束器5的信号端连接；泵浦激光模块4的尾纤与合束器5的泵浦端连接，双包层增益光纤6的一端与合束器5的输出端连接；第二波分复用器7的泵浦端与脉冲激光器8连接，信号端与双包层增益光纤6的另一端连接，公共端与光隔离器9的输入端连接；光隔离器9的输出端作为最终激光的输出端口。
所述的窄线宽激光种子源1为半导体激光器、光纤激光器或者其它固态激光器类型，其工作波长可以是1.0μm、1.5μm或2.0μm波段，线宽小于100GHz。
所述泵浦激光模块4为多个多模半导体激光器合束而成，其工作波长和泵浦功率以及使用数量依据增益光纤掺杂离子吸收谱和信号光功率放大倍数而定。
所述合束器5为(n+1)×1的合束器。合束器的泵浦端口数量n依据需要使用的泵浦激光模块4的数量而定。
所述双包层增益光纤6为掺镱光纤、掺铒光纤、铒镱共掺光纤、掺铥光纤或铥钬共掺光纤中的一种。掺杂离子类型根据信号光波长而定，其使用长度在一定范围内随稀土离子掺杂浓度成反比，具体的使用长度依据需要实现的信号光放大倍数而定。
所述双包层增益光纤6的纤芯为圆形，纤芯直径大于10μm；光纤的内包层为六边形、八边形、D型、梅花型中的一种，内包层直径大于125μm。
所述脉冲激光器8注入后向传输的脉冲激光，其波长与信号光波长相差10～200nm，其峰值功率大于1kW。
所述窄线宽激光种子源1、预放大器2、第一波分复用器3、泵浦激光模块4、合束器5、双包层增益光纤6、第二波分复用器7、脉冲激光器8、光隔离器9之间的连接方式均是通过光纤熔接机进行熔融连接。
在本发明实施例中，所用的窄线宽激光种子源的工作波长为1064nm、线宽为10GHz的光纤激光器。窄线宽激光种子源提供了激光放大所需的信号光，经过预放大器后，信号光被初步放大到30W左右；然后信号光分别经过第一个波分复用器和(6+1)×1合束器后，注入到双包层增益光纤。泵浦激光模块由7个锁波长的976nm多模半导体激光器合束而成，其泵浦功率为500W，泵浦激光模块的使用数量为6个；输出的泵浦光经过(6+1)×1合束器同时注入到双包层增益光纤中，并为双包层增益光纤提供抽运泵浦能量。本例中所用的双包层增益光纤类型为掺镱光纤，其纤芯为圆形，纤芯直径为20μm；内包层形状为八边形，内包层直径为400μm；双包层增益光纤使用长度为10m，其吸收泵浦光后，稀土掺杂离子镱会发生能级跃迁至上能级形成粒子束反转，在信号光的作用下，不断经受激辐射过程产生“全同光子”，进而达到放大信号光的效果，放大后的信号光从光隔离器的输出端口输出。当信号光功率超过其受激布里渊散射阈值1500W时，会产生受激布里渊散射效应，此时，光纤中被放大的信号光能量会向Stokes散射光转移，使得信号光功率或能量将出现波动和降低，形成较强的后向Stokes散射光。当后向脉冲激光由工作波长为980nm、峰值功率为1.5kW的脉冲激光器输出，从第二个波分复用器的泵浦端输入、公共端输出，然后注入到掺镱双包层增益光纤里面，与在光纤中生成的后向Stokes散射光发生交叉相位调制，其改变了Stokes散射光的增益谱宽，使其展宽，同时降低了后向Stokes散射光的功率，剩余的脉冲激光和Stokes散射光从第一个波分复用器的泵浦端导出，使Stokes散射光功率产生衰减，最终可以使得窄线宽光纤激光器的受激布里渊散射阈值从1500W提高到2500W左右，从而实现抑制大功率窄线宽光纤激光器中的受激布里渊散射效应，达到提升窄线宽光纤激光输出功率规模的目的。
综上所述，本发明通过波分复用器将后向传输的脉冲激光引入大功率窄线宽光纤激光器中，利用后向传输的脉冲激光与后向Stokes散射光产生交叉相位调制作用，使得Stokes散射光增益谱宽展宽和峰值增益降低，对大功率窄线宽光纤激光器中产生的后向Stokes散射光产生一定的抑制效果，从而提高窄线宽光纤激光器的受激布里渊散射阈值，提升窄线宽光纤激光输出功率规模。该方法结构紧凑、简单，可靠性高，可以广泛应用于大功率激光器领域。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种抑制大功率窄线宽光纤激光器中受激布里渊散射方法，其特征在于包括受激布里渊散射装置，该装置包括：窄线宽激光种子源（1）、预放大器（2）、第一波分复用器（3）、泵浦激光模块（4）、（6+1）×1合束器（5）、双包层增益光纤（6）、第二波分复用器（7）、脉冲激光器（8）、光隔离器（9）；
其中，窄线宽激光种子源（1）的输出端与预放大器（2）的输入端连接；第一波分复用器（3）的信号端与预放大器（2）输出端连接，第一波分复用器（3）的公共端与（6+1）×1合束器（5）的信号端连接；泵浦激光模块（4）的尾纤与（6+1）×1合束器（5）的泵浦端连接，双包层增益光纤（6）的一端与（6+1）×1合束器（5）的输出端连接；第二波分复用器（7）的泵浦端与脉冲激光器（8）连接，信号端与双包层增益光纤（6）的另一端连接，公共端与光隔离器（9）的输入端连接；光隔离器（9）的输出端作为最终激光的输出端口；
所述泵浦激光模块（4）为多个多模半导体激光器合束而成；
所述脉冲激光器（8）注入后向传输的脉冲激光，其波长与信号光波长相差10 ~ 200nm，其峰值功率大于1 kW；
抑制大功率窄线宽光纤激光器中受激布里渊散射步骤如下：
窄线宽激光种子源提供了激光放大所需的信号光，经过预放大器后，信号光被初步放大；然后信号光分别经过第一个波分复用器和（6+1）×1合束器后，注入到双包层增益光纤；泵浦激光模块输出的泵浦光经过（6+1）×1合束器同时注入到双包层增益光纤中，并为双包层增益光纤提供抽运泵浦能量；双包层增益光纤吸收泵浦光后，稀土掺杂离子会发生能级跃迁至上能级形成粒子束反转，在信号光的作用下，不断经受激辐射过程产生全同光子，进而达到放大信号光的效果，放大后的信号光从光隔离器的输出端口输出；
当信号光功率超过其受激布里渊散射阈值时，会产生受激布里渊散射效应，此时，光纤中被放大的信号光能量会向Stokes散射光转移，使得信号光功率或能量将出现波动和降低，形成后向Stokes散射光；当后向脉冲激光由脉冲激光器输出，从第二波分复用器的泵浦端输入、公共端输出，然后注入到双包层增益光纤里面，与在光纤中生成的后向Stokes散射光发生交叉相位调制，其改变了Stokes散射光的增益谱宽，使其展宽，同时降低了后向Stokes散射光的功率，剩余的脉冲激光和Stokes散射光从第一波分复用器的泵浦端导出，使Stokes散射光功率产生衰减，最终使得窄线宽光纤激光器的受激布里渊散射阈值功率逐渐提高，从而实现抑制大功率窄线宽光纤激光器中的受激布里渊散射效应，达到提升窄线宽光纤激光输出功率规模的目的；
所述受激布里渊散射阈值功率逐渐提高，是指从1500 W提高到2500 W。
2.根据权利要求1所述抑制大功率窄线宽光纤激光器中受激布里渊散射方法，其特征在于：所述的窄线宽激光种子源（1）为半导体激光器、光纤激光器或者其它固态激光器类型，其工作波长是1.0 μm、1.5 μm或2.0 μm波段，线宽小于100 GHz。
3.根据权利要求2所述抑制大功率窄线宽光纤激光器中受激布里渊散射方法，其特征在于：所述双包层增益光纤（6）为掺镱光纤、掺铒光纤、铒镱共掺光纤、掺铥光纤或铥钬共掺光纤中的一种。
4.根据权利要求3所述抑制大功率窄线宽光纤激光器中受激布里渊散射方法，其特征在于：所述双包层增益光纤（6）的纤芯为圆形，纤芯直径大于10 μm；光纤的内包层为六边形、八边形、D型、梅花型中的一种；所述内包层直径大于125 μm。
5.根据权利要求4所述抑制大功率窄线宽光纤激光器中受激布里渊散射方法，其特征在于：所述窄线宽激光种子源（1）、预放大器（2）、第一波分复用器（3）、泵浦激光模块（4）、（6+1）×1合束器（5）、双包层增益光纤（6）、第二波分复用器（7）、脉冲激光器（8）、光隔离器（9）之间的连接方式均是通过光纤熔接机进行熔融连接。
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