CN111817122A - 一种基于级联泵浦结构的多次泵浦全光纤激光器 - Google Patents

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    • H01S3/08013—Resonator comprising a fibre, e.g. for modifying dispersion or repetition rate

Abstract

本发明公开了一种基于级联泵浦结构的多次泵浦全光纤激光器，包括：一级激光产生模块以及第二光纤光栅、第二增益光纤、以及第三光纤光栅组成的主激光产生模块，一级激光在一级激光模块以及主激光模块之间进行多次反射，使得一级激光多次经过主激光器，形成多次泵浦结构。本发明中实现的主激光模块可以极大的降低光纤所使用的长度，从而降低激光器成本，同时可以降低光纤激光器中的非线性效应，降低激光器的损伤风险。

Description

一种基于级联泵浦结构的多次泵浦全光纤激光器
技术领域
本发明属于激光技术领域，更具体地，涉及一种基于级联泵浦结构的多次泵浦全光纤激光器。
背景技术
随着激光技术的快速发展，光纤激光器以其巨大的成本优势和性能优势，被广泛的应用在连续运行和准连续运行激光器中，目前近衍射极限的光纤激光器已经实现了单根光纤输出超过10kW的连续输出，而平均功率百瓦级的准连续激光器也在切割、焊接等工业领域得到了广泛的应用。
随着光纤激光器的输出功率越来越高，其所产生的热量也越来越大。研究表明，激光增益介质的表面积-体积越大，其散热性能越好。光纤激光器的表面积-体积比可以表示为
Figure BDA0002528821070000011
其中L为增益光纤的长度，r为增益光纤的半径。随着大模场光纤以及大芯径光子晶体光纤的发展，增益光纤的半径r也在不断的增加，为了提高光纤激光器的表面积-体积比，如何降低光纤激光器的长度L成为了一个重要的课题。
另一方面，在高功率光纤激光器中，限制其功率提升的一个重要因素是石英光纤中产生的受激布里渊散射(SBS)，尤其是背向的SBS效应很容易使激光返回泵浦源，对激光器造成不可逆转的损害。光纤激光器中SBS的阈值可以表示为，
Figure BDA0002528821070000021
其中，gB为布里渊系数，Aeff为纤芯有效面积，Leff为有效作用长度，其中有效长度Leff可表示为，
Figure BDA0002528821070000022
其中，L为光纤长度，α为吸收系数。通过方程(2)-(3)可以看到，增益光纤长度越长，SBS的阈值功率越小，光纤激光器越容易受到SBS效应发生损坏。
综上所述，降低光纤激光器中增益光纤的长度成为了进一步提高光纤激光器输出功率的有效解决方案。目前这方面人们做了很多工作，比如2015年，B.Rosenstein等人利用空间的多次泵浦方案实现了长度仅为10cm的光纤激光器激光输出。但是此方案单程损耗大(>15％)，且方案并非全光纤结构，稳定性差。因此，如何获得稳定性高，损耗小的短长度光纤激光器，是一个十分重要的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于多程泵浦结构的多次泵浦全光纤激光器，来实现低损耗、长度短的全光纤结构光纤激光器，旨在解决现有技术中的光纤长度过长导致的SBS损伤问题，并能够提供更好的散热性能。
本发明是这样实现的，
一种基于级联结构的多次泵浦全光纤激光器，包括：泵浦源，第一光纤光栅、第一增益光纤、第二光纤光栅、第二增益光纤、以及第三光纤光栅，其中泵浦源通过第一光纤光栅入射到第一增益光纤，第一增益光纤吸收泵浦光发射一级激光；一级激光经过第二光纤光栅4入射到第二增益光纤中，被第二增益光纤部分吸收，并转化为主激光，主激光经过第三光纤光栅出射。
进一步地，第二光纤光栅对泵浦源的输出的泵浦光高增透，对一级激光高反射；第二光纤光栅对一级激光高透，对主激光高反射。
进一步地，所述第三光纤光栅对一级激光8高反射，对主激光高透。
进一步地，第二增益光纤不吸收一级激光。
进一步地，一级激光从第二光纤光栅发射到第二增益光纤中，一部分被第二增益光纤吸收，剩余的部分被第三光纤光栅反射，经过第二增益光纤、第二光纤光栅以及第一增益光纤入射到第一光纤光栅，再经过第一光纤光栅反射，回到第一增益光纤中，再经过第二光纤光栅，入射到第二增益光纤5，重复多次，以达到多次泵浦的目的。
一种基于级联结构的多次泵浦全光纤激光器，包括：多组的一级激光产生模块、第二光纤光栅、第二增益光纤、以及第三光纤光栅其中每组的一级激光产生模块包括泵浦源，第一光纤光栅以及第一增益光纤；每组一级激光产生模块产生一级激光进行合束，其中泵浦源通过第一光纤光栅入射到第一增益光纤，第一增益光纤吸收泵浦光发射一级激光；一级激光经过第二光纤光栅入射到第二增益光纤中，被第二增益光纤吸收，并转化为主激光，主激光经过第三光纤光栅出射。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
(1)降低主激光器中增益光纤的长度，降低激光器成本。对于主激光器来说，增益光纤一般选择成本较高的大模场光纤或者大口径光子晶体光纤。因此降低主激光器中增益光纤的长度可以有效的降低激光器成本。
(2)增加受激布里渊散射(SBS)和受激拉曼散射(SRS)的阈值，降低背向SBS的损伤几率。
(3)与现有的自由空间多次泵浦光纤激光器对比，本发明的全光纤结构不仅可以兼顾多次泵浦的优点，还极大降低了多次泵浦过程中的耦合损耗。
(4)可以有效的降低激光器的平均热积累。如图3所示，所使用的级联结构可以把量子亏损带来的热积累分配到一个或多个一级激光器中。传统的级联泵浦激光器由于泵浦效率较低(泵浦光只在主激光器的增益光纤中经过一次或两次)，因此为了兼顾量子亏损和泵浦效率，传统的级联泵浦激光器的一级激光的输出激光波长不会太长，也就是一级激光与主激光的量子亏损不会太小。而利用本发明中的多次泵浦技术，可以增加泵浦效率，使得主激光器可以使用吸收效率较低的长波长的一级激光对其进行泵浦，也就是说，总体的量子亏损(泵浦源→主激光)可以更多的分配到一级激光器中，使得激光器整体的热积累分布更加平均，降低主激光器的热积累效应。
附图说明
图1是多次泵浦的全光纤激光器示意图；
图2是全光纤激光器内多次泵浦的的原理图；
图3是基于多个一级激光器合束的多次泵浦全光纤激光器示意图。
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。
实施例1：
如图1所示，使用光纤耦合输出的915nm泵浦源作为泵浦源1，第一光纤光栅2对915nm的激光高增透，对1018nm的激光高反射。第一增益光纤3为掺镱(Yb)的石英光纤，第二光纤光栅4对1018nm激光高透(这里所述的高透指的是透过率超过99.5％)，对1070nm激光高反射(这里所述的高反射指的是反射率高于99.5％)。第二增益光纤5也是掺Yb的石英光纤，第三光纤光栅6对1018nm的激光高反射，对1070nm的激光高透。
本实施例中，依次把泵浦源1的尾纤、第一光纤光栅2、第一增益光纤3、第二光纤光栅4、第二增益光纤5、第三光纤光栅6利用光纤熔接机焊接在一起。工作时，泵浦光7通过第一光纤光栅入射到第一增益光纤3中，第一增益光纤3对泵浦源7进行吸收，并转化为一级激光8。通过第一光纤光栅2的波长选择反馈与Yb离子的能级结构作用，使得第一增益光纤3发射出中心波长为1018nm的一级激光8。1018nm的激光经过第二光纤光栅4入射到第二增益光纤5中，被第二增益光纤5吸收，并转化为主激光9。由于第二光纤光栅4的波长选择反馈与Yb离子的能级结构作用，使得主激光发射出中心波长～1070nm的主激光9，主激光9经过第三光纤光栅6出射。
如图2所示，泵浦过程中，第二增益光纤5并没有将全部的一级激光8吸收掉，而是只吸收了一部分。剩余的一级激光8被第三光纤光栅6发射，回到第二增益光纤5中，继续被其吸收；经过2次吸收后，一级激光8依然有剩余，于是剩余的一级激光8经过第二光纤光栅4回到第一增益光纤3中。由于增益饱和现象，第一增益光纤3并不会吸收一级激光8，而一级激光8通过第一增益光纤3后，入射到第一光纤光栅2上，并被其反射，回到第一增益光纤3中。最后一级激光8从第一增益光纤3，经过第二光纤光栅4回到第二增益光纤5中，被其再次吸收。次过程可以多次重复，因此上述泵浦过程实现了无损耗/低损耗的全光纤结构多次泵浦方案。
实施例2
与实施例1的不同之处在于，如图3所示，包括多组的一级激光产生模块、第二光纤光栅、第二增益光纤、以及第三光纤光栅其中每组的一级激光产生模块包括泵浦源，第一光纤光栅以及第一增益光纤；每组一级激光产生模块产生一级激光进行合束，其中泵浦源通过第一光纤光栅入射到第一增益光纤，第一增益光纤吸收泵浦光发射一级激光；一级激光经过第二光纤光栅入射到第二增益光纤中，被第二增益光纤吸收，并转化为主激光，主激光经过第三光纤光栅出射。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于级联泵浦结构的多次泵浦全光纤激光器，其特征在于，包括：一级激光产生模块、第二光纤光栅、第二增益光纤、以及第三光纤光栅，所述一级激光产生模块产生一级激光，包括泵浦源，第一光纤光栅、第一增益光纤以及第二光纤光栅，其中泵浦源通过第一光纤光栅入射到第一增益光纤，第一增益光纤吸收泵浦光发射一级激光；一级激光经过第二光纤光栅入射到第二增益光纤中，被第二增益光纤部分吸收，并转化为主激光，主激光经过第三光纤光栅出射。
2.按照权利要求1所述的激光器，其特征在于，第二光纤光栅对泵浦源的输出的泵浦光高增透，对一级激光高反射；第二光纤光栅对一级激光高透，对主激光高反射。
3.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第三光纤光栅对一级激光8高反射，对主激光高透。
4.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，第二增益光纤不吸收一级激光。
5.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，一级激光从第二光纤光栅发射到第二增益光纤中，一部分被第二增益光纤吸收，剩余的部分被第三光纤光栅反射，经过第二增益光纤、第二光纤光栅以及第一增益光纤入射到第一光纤光栅，再经过第一光纤光栅反射，回到第一增益光纤中，再经过第二光纤光栅，入射到第二增益光纤5，重复多次，以达到多次泵浦的目的。
6.一种基于级联结构的多次泵浦全光纤激光器，其特征在于，包括：多组的一级激光产生模块、第二光纤光栅、第二增益光纤、以及第三光纤光栅其中每组的一级激光产生模块包括泵浦源，第一光纤光栅以及第一增益光纤；每组一级激光产生模块产生一级激光进行合束，其中泵浦源通过第一光纤光栅入射到第一增益光纤，第一增益光纤吸收泵浦光发射一级激光；一级激光经过第二光纤光栅入射到第二增益光纤中，被第二增益光纤吸收，并转化为主激光，主激光经过第三光纤光栅出射。
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