CN111628402A - 一种mopa光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种MOPA光纤激光器。该MOPA光纤激光器包括：种子源单元、环形器、第一级放大单元和第二级放大单元；种子源单元的输出端与环形器的第一端连接，第一级放大单元的输入输出端与环形器的第二端连接；第一级放大单元用于对种子源单元出射的种子源进行双程放大；第二级放大单元的输入端与环形器的第三端连接，第二级放大单元用于对第一级放大单元输出的光束进行放大。本发明实施例提供的技术方案可以提高斜率效率，减小增益光纤的长度。

Description

一种MOPA光纤激光器
技术领域
本发明实施例涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种MOPA光纤激光器。
背景技术
光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器。其中，MOPA光纤激光器由于具有光-光转化效率高、激光阈值低、体积小、重量轻、结构紧凑等优点，被广泛应用在光纤通讯、激光达标切割等领域。
现有的MOPA光纤激光器中，通常使用半导体激光器经过电路直调生成微瓦级脉冲种子源，经过一级直腔单包层放大结构或直腔级联单包层放大结构放大后，再通过双包层放大结构放大，从而获得高增益，对功率进行提升。但是，单包层放大结构中增益光纤的斜率效率较低，需要的增益光纤较长，不利于实现光纤激光器的小型化。
发明内容
本发明提供一种MOPA光纤激光器，以实现提高斜率效率，减小增益光纤的长度。
第一方面，本发明实施例提供了一种MOPA光纤激光器，包括：
种子源单元、环形器、第一级放大单元和第二级放大单元；
所述种子源单元的输出端与所述环形器的第一端连接，所述第一级放大单元的输入输出端与所述环形器的第二端连接；所述第一级放大单元用于对所述种子源单元出射的种子源进行双程放大；
所述第二级放大单元的输入端与所述环形器的第三端连接，所述第二级放大单元用于对所述第一级放大单元输出的光束进行放大。
可选的，所述第一级放大单元包括：波分复用器、第一增益光纤、反射滤波器和第一泵浦源；
所述波分复用器的种子源端与所述环形器的第二端连接，所述波分复用器的泵浦源端与所述第一泵浦源连接，所述波分复用器的公共端与所述第一增益光纤的第一端连接，所述第一增益光纤的第二端与所述反射滤波器连接。
可选的，所述第一泵浦源中集成有温度控制单元，所述温度控制单元用于将所述第一泵浦源内外的环境温度控制在预设范围内。
可选的，所述反射滤波器包括啁啾光栅。
可选的，所述第二级放大单元采用反向泵浦方式。
可选的，所述第二级放大单元包括：包层光剥离器、第二增益光纤、合束器、滤波器和第二泵浦源；
所述包层光剥离器的输入端与所述环形器的第三端连接，所述包层光剥离器的输出端与所述第二增益光纤的第一端连接，所述第二增益光纤的第二端与所述合束器的输入输出端连接，所述合束器的泵浦源端与所述第二泵浦源连接，所述合束器的输出端与所述滤波器连接。
可选的，所述第二级放大单元包括：包层光剥离器、第二增益光纤、合束器、滤波器和第二泵浦源；
所述合束器的输入端与所述环形器的第三端连接，所述合束器的泵浦源端与所述第二泵浦源连接，所述合束器的输出端与所述第二增益光纤的第一端连接，所述第二增益光纤的第二端与所述包层光剥离器的输入端连接，所述包层光剥离器的输出端与所述滤波器连接。
可选的，所述第一泵浦源包括单模泵浦源，所述第一增益光纤包括单包层光纤。
可选的，所述第二泵浦源包括多模泵浦源，所述第二增益光纤包括双包层光纤。
可选的，还包括隔离器，所述隔离器与所述第二级放大单元的输出端连接。
本发明实施例提供的MOPA光纤激光器，通过第一级放大单元对种子源单元出射的光束进行双程放大，即进行两次放大，如此，可提高第一级放大单元的斜率效率，减小第一级放大单元中增益光纤的长度，有利于实现MOPA光纤激光器的体积。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种MOPA光纤激光器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种MOPA光纤激光器的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种MOPA光纤激光器的光谱图；
图4是本发明实施例提供的一种MOPA光纤激光器的全温测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
有鉴于背景技术中所述的技术问题，本发明实施例提供了一种MOPA光纤激光器，该MOPA光纤激光器包括：
种子源单元、环形器、第一级放大单元和第二级放大单元；
种子源单元的输出端与环形器的第一端连接，第一级放大单元的输入输出端与环形器的第二端连接；第一级放大单元用于对种子源单元出射的种子源进行双程放大；
第二级放大单元的输入端与环形器的第三端连接，第二级放大单元用于对第一级放大单元输出的光束进行放大。
以上是本发明的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其它实施例，都属于本发明实施例保护的范围。
图1是本发明实施例提供的一种MOPA光纤激光器的结构示意图。参见图1，该MOPA光纤激光器包括：种子源单元10、环形器20、第一级放大单元30和第二级放大单元40，种子源单元10的输出端与环形器20的第一端21连接，第一级放大单元30的输入输出端与环形器20的第二端22连接，第二级放大单元40的输入端与环形器20的第三端23连接。可选的，第一级放大单元30包括：波分复用器31、第一增益光纤32、反射滤波器33和第一泵浦源34；波分复用器31的种子源端311与环形器20的第二端22连接，波分复用器31的泵浦源端312与第一泵浦源34连接，波分复用器31的公共端313与第一增益光纤32的第一端连接，第一增益光纤32的第二端与反射滤波器33连接。可选的，第二级放大单元40包括：包层光剥离器41、第二增益光纤42、合束器43、滤波器44和第二泵浦源45；合束器43的输入端434与环形器20的第三端23连接，合束器43的泵浦源端433与第二泵浦源45连接，合束器43的输出端435与第二增益光纤42的第一端连接，第二增益光纤42的第二端与包层光剥离器41的输入端连接，包层光剥离器41的输出端与滤波器44连接。
其中，第一级放大单元30用于对种子源单元10出射的种子源进行双程放大；第二级放大单元40用于对第一级放大单元30输出的光束进行放大。
可选的，反射滤波器33包括啁啾光栅。可以理解的是，啁啾光栅可直接制备在第一增益光纤32上，且兼具反射和滤波的作用，可使MOPA光纤激光器的制备工艺简单，结构紧凑。
可选的，第一泵浦源34包括单模泵浦源，第一增益光纤32包括单包层光纤。可以理解的是，第一泵浦源34输出的第一泵浦光的功率通常较小，传输第一泵浦光单包层光纤即可，有利于减小第一增益光纤32的体积。
可选的，第二泵浦源包括多模泵浦源，第二增益光纤42包括双包层光纤。可以理解的是，第二泵浦源输出的第二泵浦光的功率通常较大，双包层光纤可确保第二泵浦光的有效传输。
具体的，第一级放大单元30的工作过程如下：种子源单元10出射的种子源经过环形器20后从波分复用器31的种子源端311输入波分复用器31，同时，第一泵浦源34输出的第一泵浦光从波分复用器31的泵浦源端312输入波分复用器31，种子源和第一泵浦光从波分复用器31的公共端313输出并进入第一增益光纤32。种子源和第一泵浦光从第一增益光纤32的第一端传输至反射滤波器33的过程中，第一增益光纤32吸收第一泵浦光并辐射出光以实现对种子源进行第一次放大。反射滤波器33能够将波长与种子源波长的差值在预设范围内的光进行反射，并能够将波长与种子源波长的差值超过预设范围内的光滤除，可以理解的是，第一增益光纤32辐射出的光中，不仅具有波长与种子源波长相同的光，还具有波长与种子源波长不同的光，反射滤波器33的滤波作用可提高信噪比。经第一次放大后的光从反射滤波器33传输至第一增益光纤32的第一端的过程中，第一增益光纤32再次吸收第一泵浦光并辐射出光以实现对经第一次放大后的光进行第二次放大，得到一级放大输出光。如此，第一级放大单元30完成对种子源的双程放大，提高了第一级放大单元30的斜率效率。当实现相同的斜率效率时，相较于单程放大，双程放大可缩短第一增益光纤32长度。
具体的，第二级放大单元40的工作过程如下：一级放大输出光经过环形器20后从合束器43的输入端434输入合束器43，同时，第二泵浦源45输出的第二泵浦光从合束器43的泵浦源端433输入合束器43，一级放大输出光和第二泵浦光合束后从合束器43的输出端435输出并进入第二增益光纤42，第二增益光纤42吸收第二泵浦光并辐射出光以放大一级放大输出光。然后，经过包层光剥离器41将未被第二增益光纤42吸收的第二泵浦光滤除，再经过滤波器44将波长与种子源波长的差值在预设范围内的光滤除，得到二级放大输出光。
本发明实施例提供的MOPA光纤激光器，通过第一级放大单元30对种子源单元10出射的光束进行双程放大，即进行两次放大，如此，可提高第一级放大单元30的斜率效率，减小第一级放大单元30中增益光纤的长度，有利于实现MOPA光纤激光器的体积以及减小成本。
图2是本发明实施例提供的一种MOPA光纤激光器的结构示意图。图2所示的MOPA光纤激光器与图1所示的MOPA光纤激光器中结构相同部分此处不再赘述。参见图2，可选的，第二级放大单元40采用反向泵浦方式。可选的，第二级放大单元40包括：包层光剥离器41、第二增益光纤42、合束器43、滤波器44和第二泵浦源45；包层光剥离器41的输入端与环形器20的第三端23连接，包层光剥离器41的输出端与第二增益光纤42的第一端连接，第二增益光纤42的第二端与合束器43的输入输出端431连接，合束器43的泵浦源端433与第二泵浦源45连接，合束器43的输出端432与滤波器44连接。
具体的，第一级放大单元30的工作过程此处不再赘述，可参照上文。第二级放大单元40的工作过程如下：一级放大输出光经过环形器20后再经过包层光剥离器41输入第二增益光纤42，同时，第二泵浦源45输出的第二泵浦光从合束器43的泵浦源端433输入合束器43并通过合束器43的输入输出端431进入第二增益光纤42，第二增益光纤42吸收第二泵浦光并辐射出光以放大一级放大输出光。然后，经过第二级放大的光依次经过合束器43的输入输出端431和合束器43的输出端432从合束器43输出，再经过滤波器44将波长与种子源波长的差值在预设范围内的光滤除，得到二级放大输出光。
本发明实施例提供的MOPA光纤激光器，第二级放大单元40采用反向泵浦的方式，可使第二级放大单元40的斜率效率得到进一步提高，进而使得MOPA光纤激光器整体的斜率效率较高。
在上述技术方案的基础上，可选的，第一泵浦源34中集成有温度控制单元，温度控制单元用于将第一泵浦源34内外的环境温度控制在预设范围内。可以理解的是，第一泵浦源34输出的第一泵浦光的波长通常对温度比较敏感，温度控制单元可使第一泵浦源34内外的环境温度控制在预设范围内，进而使得第一泵浦光的波长比较稳定，如此，可使第一级放大单元30的斜率效率比较稳定，为MOPA光纤激光器在高低温具有好的功率稳定性做好了铺垫。
可选的，MOPA光纤激光器还包括隔离器，隔离器与第二级放大单元40的输出端连接。可以理解的是，隔离器可避免返回光对放大产生影响，提高输出功率的稳定性。
具体的，MOPA光纤激光器中，各个器件的选型设计方式有多种，下面就典型示例进行说明，但并非对本申请的限定。
示例性的，种子源单元可以输出中心波长为1550.12nm的DFB直调脉冲种子源，第一泵浦源可以包括中心波长为976nm，输出功率为150mw，带有温度控制单元的单模泵浦源，第一增益光纤可以包括型号SM-EDFL-1480为的ESF，第二泵浦源可以包括中心波长为940nm，输出功率为10w的多模泵浦源，第二增益光纤可以包括型号为IXF-EYDF-12/130的EYDF。种子源单元的输出端与环形器的第一端熔接，环形器的第二端与980/1550波分复用器的1550端(即种子源端)熔接，第一泵浦源的输出端与980/1550波分复用器的980端(即泵浦源端)熔接，以实现将种子源和第一泵浦光耦合。波分复用器的公共端与长度为2.5m的ESF熔接，ESF的另一端与中心波长为1550nm，3DB宽带为6.9nm，反射率>99％的啁啾光栅熔接。其中，啁啾光纤光栅既起到了反射作用，以使反射后的信号光参与第二次放大，提高了斜率效率，也缩短了增益光纤长度，同时，啁啾光纤光栅又起到了滤除带宽6.9nm以外的放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emission，ASE)作用，提高了输出激光的信噪比。温度控制单元使得在环形器的第三端获得稳定的一级脉冲输出，为高低温具有好的稳定性做好了铺垫，第一级放大单元的输出功率为37.8mw，斜率效率为25.2％。环形器的第三端与包层光剥离器的一端熔接，包层光剥离器的另一端与EYDF的一端熔接，经过一级放大的稳定的脉冲输入EYDF中，合束器和EYDF一体化，EYDF的另一端与2w/10kw隔离器+200G滤波器组合器件熔接。其中，包层光剥离器用于将未利用的第二泵浦光进行剥除。隔离器可避免返回光对放大产生影响，从而影响输出功率的稳定性。200G滤波器可以滤波ASE提高输出激光的信噪比。第二级放大单元采用反向泵浦，使得斜率效率更高。最终，该MOPA光纤激光器的输出功率为1W，脉冲频率为5ns/100KHz，总功耗约12W，光-光效率为28％，光-电效率约8.3％。图3是本发明实施例提供的一种MOPA光纤激光器的光谱图，参见图3，该MOPA光纤激光器的中心波长为1550.308nm。图4是本发明实施例提供的一种MOPA光纤激光器的全温测试结果图。参见图4，将该MOPA光纤激光器放入高低温循环箱中做16小时全温(-35～65℃)稳定性实验，测得其全温稳定性为±7％。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种MOPA光纤激光器，其特征在于，包括：种子源单元、环形器、第一级放大单元和第二级放大单元；
所述种子源单元的输出端与所述环形器的第一端连接，所述第一级放大单元的输入输出端与所述环形器的第二端连接；所述第一级放大单元用于对所述种子源单元出射的种子源进行双程放大；
所述第二级放大单元的输入端与所述环形器的第三端连接，所述第二级放大单元用于对所述第一级放大单元输出的光束进行放大。
2.根据权利要求1所述的MOPA光纤激光器，其特征在于，所述第一级放大单元包括：波分复用器、第一增益光纤、反射滤波器和第一泵浦源；
所述波分复用器的种子源端与所述环形器的第二端连接，所述波分复用器的泵浦源端与所述第一泵浦源连接，所述波分复用器的公共端与所述第一增益光纤的第一端连接，所述第一增益光纤的第二端与所述反射滤波器连接。
3.根据权利要求2所述的MOPA光纤激光器，其特征在于，所述第一泵浦源中集成有温度控制单元，所述温度控制单元用于将所述第一泵浦源内外的环境温度控制在预设范围内。
4.根据权利要求2所述的MOPA光纤激光器，其特征在于，所述反射滤波器包括啁啾光栅。
5.根据权利要求1所述的MOPA光纤激光器，其特征在于，所述第二级放大单元采用反向泵浦方式。
6.根据权利要求5所述的MOPA光纤激光器，其特征在于，所述第二级放大单元包括：包层光剥离器、第二增益光纤、合束器、滤波器和第二泵浦源；
所述包层光剥离器的输入端与所述环形器的第三端连接，所述包层光剥离器的输出端与所述第二增益光纤的第一端连接，所述第二增益光纤的第二端与所述合束器的输入输出端连接，所述合束器的泵浦源端与所述第二泵浦源连接，所述合束器的输出端与所述滤波器连接。
7.根据权利要求1所述的MOPA光纤激光器，其特征在于，所述第二级放大单元包括：包层光剥离器、第二增益光纤、合束器、滤波器和第二泵浦源；
所述合束器的输入端与所述环形器的第三端连接，所述合束器的泵浦源端与所述第二泵浦源连接，所述合束器的输出端与所述第二增益光纤的第一端连接，所述第二增益光纤的第二端与所述包层光剥离器的输入端连接，所述包层光剥离器的输出端与所述滤波器连接。
8.根据权利要求2所述的MOPA光纤激光器，其特征在于，所述第一泵浦源包括单模泵浦源，所述第一增益光纤包括单包层光纤。
9.根据权利要求6或7所述的MOPA光纤激光器，其特征在于，所述第二泵浦源包括多模泵浦源，所述第二增益光纤包括双包层光纤。
10.根据权利要求1所述的MOPA光纤激光器，其特征在于，还包括隔离器，所述隔离器与所述第二级放大单元的输出端连接。
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