CN111755940A - 一种环形泵浦光纤激光放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环形泵浦光纤激光放大器，包括泵浦源、信号泵浦耦合器、增益光纤、泵浦滤除器，它们之间通过光纤熔接连，其特征在于所述信号泵浦耦合器为三个及以上，所述信号泵浦耦合器之间的泵浦臂通过光纤熔接连接，泵浦源发出的泵浦光通过信号泵浦耦合器进入增益光纤，未被吸收的大部分泵浦光由另一个信号泵浦耦合器的泵浦臂输出，将这部分输出的泵浦光通过信号泵浦耦合器再次注入增益光纤，循环吸收，由信号泵浦耦合器信号纤输出的泵浦光通过泵浦滤除器进行滤除。本发明能够将未吸收泵浦光进行循环吸收的光纤激光放大器方案，减少浪费的泵浦光功率，提高激光器斜率效率。

Description

一种环形泵浦光纤激光放大器
技术领域
本发明属于光纤激光放大器技术领域，具体涉及一种环形泵浦光纤激光放大器。
背景技术
在高功率光纤激光放大器中，光纤传输的功率高，纤芯截面积小，传输光在光纤中的相互作用距离很长，在激光放大过程中极易产生SBS、SRS、FWM等非线性效应。其中SBS与SRS是影响输出激光功率的两种主要因素，且它们的阈值都与光纤长度成反比例关系，在激光器研制过程中，为了抑制这些非线性效应，提高非线性阈值，需要尽量缩短增益光纤的长度。但是由于增益光纤对泵浦光的吸收系数是一定的，当增益光纤长度太短时，大量的泵浦光功率不能被充分吸收，造成能量浪费，增加系统散热要求，并降低激光器的效率；而且这些不能被充分吸收的泵浦光还会提高对包层光滤除器的指标要求，增加系统的制造成本。
发明内容
为解决上述问题，提出了一种将未吸收泵浦光进行循环吸收的光纤激光放大器方案，减少浪费的泵浦光功率，提高激光器斜率效率。
本发明的一种环形泵浦光纤激光放大器，包括泵浦源、信号泵浦耦合器、增益光纤、泵浦滤除器，它们之间通过光纤熔接连，其特征在于所述信号泵浦耦合器为三个及以上，所述信号泵浦耦合器之间的泵浦纤通过光纤熔接连接，
泵浦源发出的泵浦光通过信号泵浦耦合器进入增益光纤，未被吸收的大部分泵浦光由另一个信号泵浦耦合器的泵浦纤输出，将这部分输出的泵浦光通过信号泵浦耦合器再次注入增益光纤，循环吸收，由信号泵浦耦合器信号纤输出的泵浦光通过泵浦滤除器进行滤除。
具体地，所述信号泵浦耦合器为常规的(6+1)×1、(2+1)×1结构，或者为(18+1)×1、(1+1)×1结构，或者为其他(N+1)×1的泵浦结构，N为自然数。
具体地，所述信号泵浦耦合器所用光纤种类为任何与增益光纤匹配的无源光纤。
所述信号泵浦耦合器所用光纤包括信号纤和泵浦纤，所述信号纤为10/125、25/400、30/250各种尺寸的双包层光纤，所述泵浦纤为105/125、200/220、220/242各种尺寸的单包层或双包层光纤。
可选地，所述的增益光纤为一段光纤，或者为几段不同种类和长度的光纤。
优选地，所述信号泵浦耦合器为三个，具体为两个正向信号泵浦耦合器、一个反向信号泵浦耦合器，所述正向信号泵浦耦合器是相对于信号光传输方向而言，沿着信号光传输方向由多根光纤进入信号泵浦耦合器后由一根光纤从信号泵浦耦合器引出；所述反向信号泵浦耦合器是相对于信号光传输方向而言，沿着信号光传输方向由一根光纤进入信号泵浦耦合器后由多根光纤从信号泵浦耦合器引出；
包括多个泵浦源、两个正向信号泵浦耦合器、一段增益光纤、一个反向信号泵浦耦合器、一个泵浦光滤除器，从两个正向信号泵浦耦合器到一个反向信号泵浦耦合器的方向为信号光传输方向，其中泵浦源、两个正向信号泵浦耦合器、增益光纤、反向信号泵浦耦合器、泵浦光滤除器依次通过光纤熔接连接，正向信号泵浦耦合器与反向信号泵浦耦合器的泵浦纤通过光纤熔接连接；
泵浦源发出的泵浦光通过两个正向信号泵浦耦合器注入到增益光纤，一部分泵浦光被增益光纤吸收，一部分通过反向信号泵浦耦合器的信号纤和泵浦纤输出，将泵浦纤输出的那部分泵浦光通过一个正向信号泵浦耦合器再次注入增益光纤进行循环吸收，反向信号泵浦耦合器的信号纤输出光经泵浦滤除器滤除掉包层光后实现信号激光输出。
优选地，所述信号泵浦耦合器为三个，具体为两个反向信号泵浦耦合器、一个正向信号泵浦耦合器，所述正向信号泵浦耦合器是相对于信号光传输方向而言，沿着信号光传输方向由多根光纤进入信号泵浦耦合器后由一根光纤从信号泵浦耦合器引出；所述反向信号泵浦耦合器是相对于信号光传输方向而言，沿着信号光传输方向由一根光纤进入信号泵浦耦合器后由多根光纤从信号泵浦耦合器引出；
包括多个泵浦源、两个反向信号泵浦耦合器、一段增益光纤、一个正向信号泵浦耦合器、两个泵浦光滤除器(6,9)，从两个反向信号泵浦耦合器到一个正向信号泵浦耦合器的方向为信号光传输方向，其中泵浦源、两个反向信号泵浦耦合器、一段增益光纤、正向信号泵浦耦合器、两个泵浦光滤除器(6,9)依次通过光纤熔接连接，反向信号泵浦耦合器与正向信号泵浦耦合器的泵浦纤通过光纤熔接连接；
泵浦源发出的泵浦光通过两个反向信号泵浦耦合器注入到增益光纤，一部分泵浦光被增益光纤吸收，一部分通过正向信号泵浦耦合器的信号纤和泵浦纤输出，将泵浦纤输出的那部分泵浦光通过一个反向信号泵浦耦合器再次注入增益光纤进行循环吸收，正向信号泵浦耦合器的信号纤输出的泵浦光经泵浦滤除器滤除，反向信号泵浦耦合器的信号纤输出经泵浦滤除器滤除包层光后实现信号激光输出。
优选地，所述信号泵浦耦合器为三个，具体为两个正向信号泵浦耦合器、一个反向信号泵浦耦合器，所述正向信号泵浦耦合器是相对于信号光传输方向而言，沿着信号光传输方向由多根光纤进入信号泵浦耦合器后由一根光纤从信号泵浦耦合器引出；所述反向信号泵浦耦合器是相对于信号光传输方向而言，沿着信号光传输方向由一根光纤进入信号泵浦耦合器后由多根光纤从信号泵浦耦合器引出；
包括多个泵浦源构成的第一泵浦源组和第二泵浦源组、两个正向信号泵浦耦合器、两段增益光纤、一个反向信号泵浦耦合器、一个泵浦光滤除器，从两个正向信号泵浦耦合器到一个反向信号泵浦耦合器的方向为信号光传输方向，其中第一泵浦源组和第二泵浦源组、正向信号泵浦耦合器、两段增益光纤、反向信号泵浦耦合器、泵浦光滤除器依次通过光纤熔接连接，正向信号泵浦耦合器与反向信号泵浦耦合器的泵浦纤通过光纤熔接连接；
第一泵浦源组泵浦源发出的泵浦光通过正向信号泵浦耦合器注入到增益光纤，一部分泵浦光被增益光纤吸收，剩下的泵浦光和第二泵浦源组输出的泵浦光通过正向信号泵浦耦合器注入到增益光纤，一部分泵浦光被增益光纤吸收，另一部分通过反向信号泵浦耦合器的信号纤和泵浦纤(10)输出，将泵浦纤(10)输出的那部分泵浦光通过两个正向信号泵浦耦合器再次分别注入两段增益光纤进行循环吸收，反向信号泵浦耦合器的信号纤输出光经泵浦滤除器滤除掉包层光后实现信号激光输出。
本发明提出的环形泵浦光纤激光放大器，有如下优点：
1.将未吸收泵浦光进行循环吸收，减少了浪费的泵浦光功率，提高激光器斜率效率；
2.在保持泵浦光吸收不变的情况下减少光路长度，有助于抑制光纤非线性效应；
3.结合增益光纤分段泵浦降低了光纤中的热密度，有助于抑制光纤激光放大器的模式不稳定效应。
总之，本发明利用泵浦光从信号泵浦耦合器泵浦纤输出的特性，使用多个正向和反向信号泵浦耦合器实现泵浦光的重复利用，有助于减少浪费的泵浦光功率，提高激光器斜率效率。
附图说明
图1为本发明利用反向信号泵浦耦合器导出未被吸收泵浦光并由正向泵浦耦合器重新注入增益光纤的光路结构和示意图；
图2为本发明利用正向信号泵浦耦合器导出未被吸收泵浦光并由反向泵浦耦合器重新注入增益光纤的光路结构和示意图；
图3为本发明中利用分段泵浦增益光纤的方式，将一段增益光纤未被吸收的泵浦光和新的泵浦光通过正向信号泵浦耦合器注入下一段增益光纤，未被吸收的部分泵浦光由一个反向信号泵浦耦合器导出，由正向泵浦耦合器空闲的泵浦纤将泵浦光重新注入增益光纤的光路结构和示意图；
图中，1-多个泵浦源，1a-第一泵浦源组，1b-第二泵浦源组，2-正向信号泵浦耦合器，4-增益光纤，5-反向信号泵浦耦合器，6-泵浦光滤除器，7-信号纤，8-泵浦纤。
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，下面结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式作进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于帮助理解本发明，并不构成对本发明的限定。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1
一种环形泵浦光纤激光放大器，经正向泵浦循环利用泵浦光，实现的方法如图1所示，其中所述信号泵浦耦合器(图中Combiner)为三个，具体为两个正向信号泵浦耦合器，一个反向信号泵浦耦合器，所述正向信号泵浦耦合器是相对于信号光传输方向而言，沿着信号光传输方向由多根光纤进入信号泵浦耦合器后由一根光纤从信号泵浦耦合器引出；所述反向信号泵浦耦合器是相对于信号光传输方向而言，沿着信号光传输方向由一根光纤进入信号泵浦耦合器后由多根光纤从信号泵浦耦合器引出；
包括多个泵浦源(图中LD)，本实施例中具体为六个，两个正向信号泵浦耦合器，为(6+1)×1结构，另一个实施例为(2+1)×1结构，其输入输出信号纤为30/250光纤，泵浦纤为105/125光纤，一段30/250增益光纤，增益光纤长度为10米，一个反向信号泵浦耦合器，为(6+1)×1结构，另一个实施例为(2+1)×1结构，其输入输出信号纤为30/250光纤，泵浦纤为105/125光纤，一个泵浦光滤除器(图中CPS)，图中箭头代表信号光传输方向，其中泵浦源、正向信号泵浦耦合器、增益光纤、反向信号泵浦耦合器、泵浦光滤除器依次通过光纤熔接连接，正向信号泵浦耦合器与反向信号泵浦耦合器的泵浦纤通过光纤熔接连接，工作过程为：泵浦源发出的泵浦光通过正向信号泵浦耦合器注入到增益光纤，一部分泵浦光被增益光纤吸收，一部分通过反向信号泵浦耦合器的信号纤和泵浦纤输出，将泵浦纤输出的那部分泵浦光通过一个正向信号泵浦耦合器再次注入增益光纤进行循环吸收，反向信号泵浦耦合器的信号纤输出光经泵浦滤除器滤除掉包层光后实现信号激光输出。
与没有将未吸收泵浦光进行循环吸收的光纤激光放大器比较，本发明的环形泵浦光纤激光放大器的斜率效率由71％提升至82％。
实施例2
一种环形泵浦光纤激光放大器，经反向泵浦循环利用泵浦光，实现的方法如图2所示，其中所述信号泵浦耦合器为三个，具体为两个反向信号泵浦耦合器，一个正向信号泵浦耦合器，所述正向信号泵浦耦合器是相对于信号光传输方向而言，沿着信号光传输方向由多根光纤进入信号泵浦耦合器后由一根光纤从信号泵浦耦合器引出；所述反向信号泵浦耦合器是相对于信号光传输方向而言，沿着信号光传输方向由一根光纤进入信号泵浦耦合器后由多根光纤从信号泵浦耦合器引出；
包括多个泵浦源，本实施例中具体为六个，两个反向信号泵浦耦合器，为(6+1)×1结构，其输入输出信号纤为25/400光纤，泵浦纤为200/220光纤，一段25/400增益光纤，增益光纤长度为8米，一个正向信号泵浦耦合器，为(6+1)×1结构，其输入输出信号纤为25/400光纤，泵浦纤为200/220光纤，两个泵浦光滤除器，箭头代表信号光传输方向，其中泵浦源、反向信号泵浦耦合器、增益光纤、正向信号泵浦耦合器、泵浦光滤除器依次通过光纤熔接连接，反向信号泵浦耦合器与正向信号泵浦耦合器的泵浦纤通过光纤熔接连接，工作过程为：泵浦源发出的泵浦光通过反向信号泵浦耦合器注入到增益光纤，一部分泵浦光被增益光纤吸收，一部分通过正向信号泵浦耦合器的信号纤和泵浦纤输出，将泵浦纤输出的那部分泵浦光通过一个反向信号泵浦耦合器再次注入增益光纤进行循环吸收，正向信号泵浦耦合器的信号纤输出的泵浦光经泵浦滤除器滤除，反向信号泵浦耦合器的信号纤输出经泵浦滤除器滤除包层光后实现信号激光输出。
与没有将未吸收泵浦光进行循环吸收的光纤激光放大器比较，本发明的环形泵浦光纤激光放大器的斜率效率由81％提升至84％。
实施例3
一种环形泵浦光纤激光放大器，结合分段泵浦增益光纤并循环利用泵浦光，实现的方法如图3所示，所述信号泵浦耦合器为三个，具体为两个正向信号泵浦耦合器，一个反向信号泵浦耦合器，所述正向信号泵浦耦合器是相对于信号光传输方向而言，沿着信号光传输方向由多根光纤进入信号泵浦耦合器后由一根光纤从信号泵浦耦合器引出；所述反向信号泵浦耦合器是相对于信号光传输方向而言，沿着信号光传输方向由一根光纤进入信号泵浦耦合器后由多根光纤从信号泵浦耦合器引出；
包括多个泵浦源构成的第一泵浦源组和第二泵浦源组，本实施例中第一泵浦源组具体为三个泵浦源，第二泵浦源组为三个泵浦源，两个正向信号泵浦耦合器，为(6+1)×1结构，其输入输出信号纤为30/400光纤，泵浦纤为220/242光纤，两段30/400增益光纤，增益光纤的长度均为6m，一个反向信号泵浦耦合器，为(6+1)×1结构，其输入输出信号纤为30/400光纤，泵浦纤为220/242光纤，一个泵浦光滤除器，箭头代表信号光传输方向，其中泵浦源、正向信号泵浦耦合器、增益光纤、反向信号泵浦耦合器、泵浦光滤除器依次通过光纤熔接连接，正向信号泵浦耦合器与反向信号泵浦耦合器的泵浦纤通过光纤熔接连接，工作过程为：第一泵浦源组泵浦源发出的泵浦光通过正向信号泵浦耦合器注入到增益光纤，一部分泵浦光被增益光纤吸收，剩下的泵浦光和第二泵浦源组输出的泵浦光通过正向信号泵浦耦合器注入到增益光纤，一部分泵浦光被增益光纤吸收，另一部分通过反向信号泵浦耦合器的信号纤和泵浦纤输出，将泵浦纤输出的那部分泵浦光通过两个正向信号泵浦耦合器再次分别注入两段增益光纤进行循环吸收，反向信号泵浦耦合器的信号纤输出光经泵浦滤除器滤除掉包层光后实现信号激光输出。
与没有将未吸收泵浦光进行循环吸收的光纤激光放大器比较，本发明的环形泵浦光纤激光放大器的模式不稳定阈值提升了300W。

Claims (7)

1.一种环形泵浦光纤放大器，包括泵浦源、信号泵浦耦合器、增益光纤、泵浦滤除器，它们之间通过光纤熔接连，其特征在于所述信号泵浦耦合器为三个及以上，所述信号泵浦耦合器之间的泵浦臂通过光纤熔接连接，
泵浦源发出的泵浦光通过信号泵浦耦合器进入增益光纤，未被吸收的大部分泵浦光由另一个信号泵浦耦合器的泵浦臂输出，将这部分输出的泵浦光通过信号泵浦耦合器再次注入增益光纤，循环吸收，由信号泵浦耦合器信号纤输出的泵浦光通过泵浦滤除器进行滤除。
2.根据权利要求1环形泵浦光纤放大器，其特征在于所述信号泵浦耦合器为常规的(6+1)×1、(2+1)×1结构，也可以为其他泵浦结构。
3.根据权利要求2所述的环形泵浦光纤放大器，其特征在于所述信号泵浦耦合器所用光纤种类可以为任何与增益光纤匹配的无源光纤。
4.根据权利要求3中任一项所述的环形泵浦光纤放大器，其特征在于所述的增益光纤为一段光纤，或者为几段不同种类和长度的光纤。
5.根据权利要求4所述的环形泵浦光纤放大器，其特征在于所述信号泵浦耦合器为三个，具体为两个正向信号泵浦耦合器、一个反向信号泵浦耦合器，所述正向信号泵浦耦合器是相对于信号光传输方向而言，沿着信号光传输方向由多根光纤进入信号泵浦耦合器后由一根光纤从信号泵浦耦合器引出；所述反向信号泵浦耦合器是相对于信号光传输方向而言，沿着信号光传输方向由一根光纤进入信号泵浦耦合器后由多根光纤从信号泵浦耦合器引出；
包括多个泵浦源、两个正向信号泵浦耦合器、一段增益光纤、一个反向信号泵浦耦合器、一个泵浦光滤除器，从两个正向信号泵浦耦合器到一个反向信号泵浦耦合器的方向为信号光传输方向，其中泵浦源、两个正向信号泵浦耦合器、增益光纤、反向信号泵浦耦合器、泵浦光滤除器依次通过光纤熔接连接，正向信号泵浦耦合器与反向信号泵浦耦合器的泵浦臂通过光纤熔接连接；
泵浦源发出的泵浦光通过两个正向信号泵浦耦合器注入到增益光纤，一部分泵浦光被增益光纤吸收，一部分通过反向信号泵浦耦合器的信号纤和泵浦纤输出，将泵浦纤输出的那部分泵浦光通过一个正向信号泵浦耦合器再次注入增益光纤进行循环吸收，反向信号泵浦耦合器的信号纤输出光经泵浦滤除器滤除掉包层光后实现信号激光输出。
6.根据权利要求4所述的环形泵浦光纤放大器，其特征在于所述信号泵浦耦合器为三个，具体为两个反向信号泵浦耦合器、一个正向信号泵浦耦合器，所述正向信号泵浦耦合器是相对于信号光传输方向而言，沿着信号光传输方向由多根光纤进入信号泵浦耦合器后由一根光纤从信号泵浦耦合器引出；所述反向信号泵浦耦合器是相对于信号光传输方向而言，沿着信号光传输方向由一根光纤进入信号泵浦耦合器后由多根光纤从信号泵浦耦合器引出；
包括多个泵浦源、两个反向信号泵浦耦合器、一段增益光纤、一个正向信号泵浦耦合器、两个泵浦光滤除器，从两个反向信号泵浦耦合器到一个正向信号泵浦耦合器的方向为信号光传输方向，其中泵浦源、两个反向信号泵浦耦合器、增益光纤、正向信号泵浦耦合器、两个泵浦光滤除器依次通过光纤熔接连接，反向信号泵浦耦合器与正向信号泵浦耦合器的泵浦臂通过光纤熔接连接；
泵浦源发出的泵浦光通过两个反向信号泵浦耦合器注入到增益光纤，一部分泵浦光被增益光纤吸收，一部分通过正向信号泵浦耦合器的信号纤和泵浦纤输出，将泵浦纤输出的那部分泵浦光通过一个反向信号泵浦耦合器再次注入增益光纤进行循环吸收，正向信号泵浦耦合器的信号纤输出的泵浦光经泵浦滤除器滤除，反向信号泵浦耦合器的信号纤输出经泵浦滤除器滤除包层光后实现信号激光输出。
7.根据权利要求4所述的环形泵浦光纤放大器，其特征在于所述信号泵浦耦合器为三个，具体为两个正向信号泵浦耦合器、一个反向信号泵浦耦合器，所述正向信号泵浦耦合器是相对于信号光传输方向而言，沿着信号光传输方向由多根光纤进入信号泵浦耦合器后由一根光纤从信号泵浦耦合器引出；所述反向信号泵浦耦合器是相对于信号光传输方向而言，沿着信号光传输方向由一根光纤进入信号泵浦耦合器后由多根光纤从信号泵浦耦合器引出；
包括多个泵浦源构成的第一泵浦源组和第二泵浦源组、两个正向信号泵浦耦合器、两段增益光纤、一个反向信号泵浦耦合器、一个泵浦光滤除器，从两个正向信号泵浦耦合器到一个反向信号泵浦耦合器的方向为信号光传输方向，其中第一泵浦源组和第二泵浦源组、正向信号泵浦耦合器、两段增益光纤、反向信号泵浦耦合器、泵浦光滤除器依次通过光纤熔接连接，正向信号泵浦耦合器与反向信号泵浦耦合器的泵浦臂通过光纤熔接连接；
第一泵浦源组泵浦源发出的泵浦光通过正向信号泵浦耦合器注入到增益光纤，一部分泵浦光被增益光纤吸收，剩下的泵浦光和第二泵浦源组输出的泵浦光通过正向信号泵浦耦合器注入到增益光纤，一部分泵浦光被增益光纤吸收，另一部分通过反向信号泵浦耦合器的信号纤和泵浦纤输出，将泵浦纤输出的那部分泵浦光通过两个正向信号泵浦耦合器再次分别注入两段增益光纤进行循环吸收，反向信号泵浦耦合器的信号纤输出光经泵浦滤除器滤除掉包层光后实现信号激光输出。
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