CN112260049B - 基于封闭式环形腔的侧面泵浦激光放大系统及构造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于封闭式环形腔的侧面泵浦激光放大系统及构造方法，包括：增益光纤入射端(1)、增益光纤出射端(2)、封闭式环形腔(3)、环形腔外壁(4)、环形腔内壁(5)、盘绕式增益光纤(6)以及侧面泵浦光入射口(7)；所述所述封闭式环形腔体(3)由环形腔外壁(4)和环形腔内壁(5)共同构建而成；所述盘绕式增益光纤(6)沿封闭式环形腔体(3)逆时针缠绕，其中，增益光纤入射端(1)和增益光纤出射端(2)位于封闭式环形腔体(3)同一侧面；本发明通过构建封闭式环形泵浦腔，基于腔壁镜面反射原理，增加泵浦太阳光耦合进入增益光纤的概率，提升太阳光泵浦光纤激光系统能量利用效率。

Description

基于封闭式环形腔的侧面泵浦激光放大系统及构造方法
技术领域
本发明涉及太阳光侧面泵浦光纤激光放大技术领域，具体地，涉及一种基于封闭式环形腔的侧面泵浦激光放大系统及构造方法。
背景技术
太阳光泵浦激光技术是以自然太阳光为泵浦源，基于受激辐射光放大原理，在激光增益介质内实现太阳光-激光能量直接转换的技术。光纤激光技术具有光束质量好、能量转换效率高、散热特性好、结构紧凑、可靠性高等特点。在复杂环境背景下的空间系统内，基于太阳光泵浦激光技术和光纤激光技术的原理与特点，两者的有机结合相比于传统的半导体激光技术、固体激光技术等可为未来众多空间激光应用提供有效支持和可靠技术保障。
在太阳光泵浦激光技术中，通常采用大型透射式聚光装置(如菲涅尔透镜)或反射式聚光装置(如抛物面反射镜)直接会聚太阳光激励激光增益介质。这是由于目前太阳光泵浦激光技术中激光增益介质一般为棒状、板条或碟状等具有较大泵浦能量接收截面的固体增益介质。在光纤激光技术中，随着掺稀土离子双包层光纤技术和半导体工艺的发展，光纤包层泵浦技术中光纤端面泵浦耦合方式最简单但耦合效率较低，熔锥型光纤耦合方式以耦合效率高、结构灵活等特点得到广泛应用。阳光泵浦激光技术与光纤激光技术的结合，需面临泵浦太阳光耦合进入掺稀土离子纤芯的技术难点。
空间太阳光是具有一定发散角(约9.8mrad)的面光源，若采用常规光纤激光技术中泵浦光从光纤端面耦合进入增益光纤的方式，因受会聚系统衍射极限影响，难以实现太阳光到光纤的高效率耦合。因此，在太阳光泵浦激光技术中，光纤端面泵浦的设计方案系统效能较低，无法充分体现能效优势。在太阳光泵浦光纤激光技术中，采用侧面泵浦的设计方案可大大缓解泵浦太阳光耦合效率低的技术难题。
以提高空间激光系统能量利用效率为目的，结合太阳光泵浦激光技术和光纤激光放大技术，研究阳光侧面泵浦光纤激光技术具有深远意义。基于封闭式环形腔的太阳光侧面泵浦光纤激光技术设计方法，有机结合太阳光泵浦激光技术和光纤激光技术，最终可获得能效高、阈值低、损耗小且结构简单、性能稳定的空间激光放大系统。
专利文献CN108879312A提供了一种阳光泵浦光纤激光放大系统，包含阳光汇聚组件、信号光纤(4)以及组合光纤泵浦腔(5)；所述阳光汇聚组件包含泵浦光纤(3)，所述组合光纤泵浦腔(5)由设置的外包层(6)中的轴向开孔形成；泵浦光纤(3)包含泵浦芯(8)，信号光纤(4)包含增益芯(7)，泵浦芯(8)与增益芯(7)均沿轴向方向延伸至组合光纤泵浦腔(5)中。尽管与本发明同属阳光泵浦光纤激光放大技术方向，单器系统所采用的设计方法、工作模式、关键技术以及解决的技术问题均与本文所述不同，该专利的结构和性能仍然有待提高的空间。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于封闭式环形腔的侧面泵浦激光放大系统及构造方法。
根据本发明提供的一种基于封闭式环形腔的侧面泵浦激光放大系统，包括：增益光纤入射端1、增益光纤出射端2、封闭式环形腔3、环形腔外壁4、环形腔内壁5、盘绕式增益光纤6以及侧面泵浦光入射口7；
所述所述封闭式环形腔体3由环形腔外壁4和环形腔内壁5共同构建而成；所述盘绕式增益光纤6沿封闭式环形腔体3逆时针缠绕，其中，增益光纤入射端1和增益光纤出射端2位于封闭式环形腔体3同一侧面；
会聚后的泵浦能源太阳光经侧面泵浦光入射口7聚焦于所述封闭式环形腔体3内，使高功率密度泵浦光沿所述环形腔外壁4和环形腔内壁5多次往复辐照盘绕式增益光纤6。
优选地，所述盘绕式增益光纤6沿所述封闭式环形腔体逆时针盘绕；
所述盘绕式增益光纤6采用单包层；所述盘绕式增益光纤6无涂覆层；
所述盘绕式增益光纤6的单包层采用泵浦光耦合结构，掺杂稀土离子的光纤纤芯部分在泵浦条件下处于粒子数反转状态时，形成激光放大器。
优选地，所述封闭式环形腔体3采用光学镀金工艺；
所述的环形腔外壁4和环形腔内壁5为镀金表面，可实现泵浦太阳光的高效反射。
本发明提供的一种基于封闭式环形腔的侧面泵浦激光放大系统构造方法，包括：
步骤S1：在聚焦后的太阳光辐照下，盘绕式增益光纤6内粒子从低能级被激励跃迁到高能级，实现粒子数反转；
构造盘绕式增益光纤6的规格为设定值；
步骤S2：种籽激光经增益光纤入射端1进入盘绕式增益光纤6，最终种籽激光从增益光纤出射端2输出；
其中，增益光纤入射端1/增益光纤出射端2采用FC/APC连接端口，且配置光纤模式适配器提高耦合效率；
步骤S3：在封闭式环形腔体3内，环形腔外壁4和环形腔内壁5构建镜面反射环形腔；
步骤S4：在封闭式环形腔3外侧构建侧面泵浦光入射口7，确保侧面入射泵浦太阳光贯穿孔道，进入封闭式环形腔体3内部；
构造光纤增益介质的泵浦方式；
步骤S5：在太阳光侧面耦合泵浦条件下，种籽激光在盘绕式增益光纤6内因受激辐射光放大而或能功率或能量增益；装置内的封闭式环形腔3充分利用泵浦太阳光，实现阳光泵浦光纤激光放大技术的高效率输出。
步骤S6：获取基于封闭式环形腔的侧面泵浦激光放大系统构造方法结果信息。
优选地，所述步骤S3包括：
步骤S3.1：会聚后进入封闭式环形腔3的太阳光线经光纤包层耦合进入掺杂光纤纤芯，未能进入掺杂光纤纤芯的太阳光线将经过环形腔外壁4和环形腔内壁5的反射后再次进入盘绕的光纤工作物质。
优选地，所述步骤S3包括：
步骤S3.2：光纤增益介质在闭合光学镀金腔体内沿腔壁环形盘绕的固定形态，确保盘绕光纤工作物质装配准确性。
优选地，所述步骤S1包括：
步骤S1.1：依据系统入射泵浦光功率和系统增益，构造盘绕式增益光纤6的规格为25/125μm，长度为2.5m。
优选地，所述步骤S4包括：
步骤S4.1：侧面泵浦光入射口为直径6mm圆柱，其轴线与所在侧面法线夹角θ为50°；
对侧面泵浦光入射口7的50°角入射装配，确保盘绕光纤增益介质与泵浦太阳光传输路径匹配度。
入射端口配置滤光装置，确保不能被盘绕式增益光纤6有效吸收的泵浦太阳光谱段无法进入，降低系统热控需求；
优选地，所述步骤S5包括：
步骤S5.1：当设定波长种籽激光通过处于粒子数反转状态的光纤工作物质时，实现功率或能量的增益，完成种籽激光的行波放大。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过构建封闭式环形泵浦腔，基于腔壁镜面反射原理，增加泵浦太阳光耦合进入增益光纤的概率，提升太阳光泵浦光纤激光系统能量利用效率；
2、本发明中，无涂覆层单包层增益光纤的包层具有柱面镜的会聚效果，可将侧面入射的泵浦太阳光耦合进入掺稀土离子纤芯，提升太阳光侧面泵浦增益光纤的系统效能。
3本发明基于封闭式环形腔的太阳光泵浦光纤激光放大技术效率提升设计方法可应用于空间太阳光泵浦激光技术中，具有集成度高、空间体积小，能量利用率高等特点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的整体结构示意图。
图中：
1-增益光纤入射端 5-环形腔内壁
2-增益光纤出射端 6-盘绕式增益光纤
3-封闭式环形腔 7-侧面泵浦光入射口
4-环形腔外壁 8-太阳光
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
一种基于封闭式环形腔的太阳光侧面泵浦光纤激光放大装置设计方法，其装置工作步骤包括如下：
步骤1：在聚焦后的太阳光8辐照下，盘绕式增益光纤6内粒子从低能级被激励跃迁到高能级，实现粒子数反转。依据系统入射泵浦光功率和系统增益，设计盘绕式增益光纤6规格为25/125μm，长度为2.5m。
步骤2：种籽激光经增益光纤入射端1进入盘绕式增益光纤6无涂覆层单包层，最终种籽激光从增益光纤出射端2输出。其中，入射/出射端口采用FC/APC连接端口，且配置光纤模式适配器提高耦合效率；
步骤3：在封闭式环形腔体3内，环形腔外壁4光学镀金面和环形腔内壁5光学镀金面构建镜面反射环形腔；
步骤4：在封闭式环形腔3外侧构建侧面泵浦光入射口7含滤光片，确保侧面入射泵浦太阳光贯穿孔道，进入封闭式环形腔3体内部。侧面泵浦光入射口为直径6mm圆柱，其轴线与所在侧面法线夹角θ为50°。入射端口配置滤光装置，确保不能被盘绕式增益光纤6有效吸收的泵浦太阳光谱段无法进入，降低系统热控需求；
步骤5：在太阳光侧面耦合泵浦条件下，种籽激光在盘绕式增益光纤6内因受激辐射光放大而或能功率或能量增益，装置内的封闭式环形腔3充分利用泵浦太阳光，实现阳光泵浦光纤激光放大技术的高效率输出。
步骤1是在盘绕式增益光纤6内实现粒子数反转，其中太阳光8作为泵浦源。为达到光纤放大系统增益，会聚后泵浦光斑功率需达到1.25W以上。
步骤2是基于受激辐射光放大技术构建光纤激光放大装置，在种籽激光经增益光纤入射端1进入，从增益光纤出射端2输出的过程中，种籽激光通过处于粒子数反转状态的盘绕式增益光纤6时，迫使高能级原子跃迁到低能级，同时释放的能量产生光辐射受激辐射跃迁。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射种籽光相同，从而实现了种籽光功率或能量的放大。
步骤3是基于镜面反射原理，在封闭式环形腔体3内，通过环形腔外壁4光学镀金面和环形腔内壁5光学镀金面构建镜面反射环形腔。确保入射至封闭式环形腔3体内部的太阳光线多次往复反射，提高泵浦太阳光耦合进入盘绕式增益光纤6的效率。其中，环形腔内壁5直径以种籽激光在盘绕式增益光纤6内弯折损耗最小设计，环形腔外壁4直径以适宜布置盘绕式增益光纤6确定。依据系统仿真结果，本系统设计环形腔内壁5直径为80mm，环形腔外壁4直径为88mm，具体参数可根据试验情况行优化调整
步骤4是基于提升系统能量转换效率与热控需求的结构设计，系统设计选用的盘绕式增益光纤6掺杂稀土离子为Yb3+，其吸收光谱与太阳光光谱重叠率为7.6％，含滤光结构的入射端口使太阳光8经封闭式环形腔3侧面入射且滤除不能被盘绕式增益光纤6有效吸收的太阳光谱。
步骤5是当种籽激光通过处于粒子数反转状态的光纤工作物质时，受激辐射跃迁获得光功率或能量的放大输出。
通过进行光学建模和数值仿真，以规格25/125μm，长度2.5m的Yb3+增益光纤为例，设泵浦太阳光功率为20W。根据本发明所述方法，制作封闭式环形腔光纤激光放大装置。当入射1064nm种籽光功率为20mW，泵浦太阳光功率为20W时，光纤放大器的系统增益达到2.48，即输出光功率为49.6mW。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“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申请和简化描述，而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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种基于封闭式环形腔的侧面泵浦激光放大系统，其特征在于，包括：增益光纤入射端(1)、增益光纤出射端(2)、封闭式环形腔(3)、环形腔外壁(4)、环形腔内壁(5)、盘绕式增益光纤(6)以及侧面泵浦光入射口(7)；
所述封闭式环形腔(3)由环形腔外壁(4)和环形腔内壁(5)共同构建而成；所述盘绕式增益光纤(6)沿封闭式环形腔(3)逆时针缠绕，其中，增益光纤入射端(1)和增益光纤出射端(2)位于封闭式环形腔(3)同一侧面；
会聚后的泵浦能源太阳光经侧面泵浦光入射口(7)聚焦于所述封闭式环形腔(3)内，使泵浦光沿所述环形腔外壁(4)和环形腔内壁(5)多次往复辐照盘绕式增益光纤(6)。
2.根据权利要求1所述的基于封闭式环形腔的侧面泵浦激光放大系统，其特征在于，所述盘绕式增益光纤(6)沿所述封闭式环形腔逆时针盘绕；
所述盘绕式增益光纤(6)采用单包层；
所述盘绕式增益光纤(6)无涂覆层；
所述盘绕式增益光纤(6)的单包层采用泵浦光耦合结构，掺杂稀土离子的光纤纤芯部分在泵浦条件下处于粒子数反转状态时，形成激光放大器。
3.根据权利要求1所述的基于封闭式环形腔的侧面泵浦激光放大系统，其特征在于，所述封闭式环形腔(3)采用光学镀金工艺；
所述的环形腔外壁(4)和环形腔内壁(5)为镀金表面。
4.一种基于封闭式环形腔的侧面泵浦激光放大系统构造方法，其特征在于，包括：
步骤S1：在聚焦后的太阳光辐照下，盘绕式增益光纤(6)内粒子从低能级被激励跃迁到高能级，实现粒子数反转；
步骤S2：种籽激光经增益光纤入射端(1)进入盘绕式增益光纤(6)，最终种籽激光从增益光纤出射端(2)输出；
其中，增益光纤入射端(1)/增益光纤出射端(2)采用FC/APC连接端口，且配置光纤模式适配器；
步骤S3：在封闭式环形腔(3)内，环形腔外壁(4)和环形腔内壁(5)构建镜面反射环形腔；
步骤S4：在封闭式环形腔(3)外侧构建侧面泵浦光入射口(7)，确保侧面入射泵浦太阳光贯穿孔道，进入封闭式环形腔(3)内部；
构造光纤增益介质的泵浦方式；
步骤S5：在太阳光侧面耦合泵浦条件下，种籽激光在盘绕式增益光纤(6)内因受激辐射光放大而或能功率或能量增益；
步骤S6：获取基于封闭式环形腔的侧面泵浦激光放大系统构造方法结果信息。
5.根据权利要求4所述的基于封闭式环形腔的侧面泵浦激光放大系统构造方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
步骤S3.1：会聚后进入封闭式环形腔(3)的太阳光线经光纤包层耦合进入掺杂光纤纤芯，未能进入掺杂光纤纤芯的太阳光线将经过环形腔外壁(4)和环形腔内壁(5)的反射后再次进入盘绕的光纤工作物质。
6.根据权利要求4所述的基于封闭式环形腔的侧面泵浦激光放大系统构造方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
步骤S3.2：光纤增益介质在闭合光学镀金腔体内沿腔壁环形盘绕成固定形态。
7.根据权利要求4所述的基于封闭式环形腔的侧面泵浦激光放大系统构造方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
步骤S1.1：依据系统入射泵浦光功率和系统增益，构造盘绕式增益光纤(6)的规格为25/125μm，长度为2.5m。
8.根据权利要求4所述的基于封闭式环形腔的侧面泵浦激光放大系统构造方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
步骤S4.1：侧面泵浦光入射口为直径6mm圆柱，其轴线与所在侧面法线夹角θ为50°。
9.根据权利要求4所述的基于封闭式环形腔的侧面泵浦激光放大系统构造方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
步骤S5.1：当设定波长种籽激光通过处于粒子数反转状态的光纤工作物质时，实现功率或能量的增益，完成种籽激光的行波放大。
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