CN112751253A - 信号光高阶模滤除方法、高阶模滤除放大光路及激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光器技术领域，公开一种信号光高阶模滤除方法、高阶模滤除放大光路及激光器。信号光高阶模滤除方法包括：向无源光纤注入信号光，使无源光纤滤除信号光的高阶模，获得基模信号光；向增益光纤注入基模信号光。由于无源光纤能够在信号光放大之前，滤除信号光的高阶模，减少或避免高阶模在增益光纤中的放大现象，获得了近衍射极限的光束质量，从而提高泵浦光的利用率。

Description

信号光高阶模滤除方法、高阶模滤除放大光路及激光器

【技术领域】

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种信号光高阶模滤除方法、高阶模滤除放大光路及激光器。

【背景技术】

光纤激光器具有体积小、重量轻等优点而受到广泛应用，但是光纤激光器受限于增益光纤的自发辐射和非线性效应等因素，其难以在获得高平均功率下，同时获得高光束质量。

目前，为了获得较大功率的输出，现有光纤激光器采用双包层多模光纤对信号光进行传输放大，由于双包层多模光纤具有比较高的非线性阈值，因此，现有光纤激光器能够承受更高的单脉冲能量和峰值功率。但是，双包层多模光纤容易引入更多激光模式，从而降低光束质量。

【发明内容】

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种信号光高阶模滤除方法、高阶模滤除放大光路及激光器，其能够提高光束质量。

本发明实施例解决其技术问题采用以下技术方案：

一种信号光高阶模滤除方法，包括：

向无源光纤注入信号光，使所述无源光纤滤除所述信号光的高阶模，获得基模信号光；

向增益光纤注入所述基模信号光。

可选地，在向无源光纤注入信号光之前，所述方法还包括：

将所述无源光纤盘绕成弯曲状。

可选地，所述将所述无源光纤盘绕成弯曲状包括：

将所述增益光纤与所述无源光纤进行熔接并形成熔接点；

在与所述熔接点距离0.2-10cm范围中任选一位置；

自所述位置开始，盘绕所述无源光纤成所述弯曲状。

可选地，将所述无源光纤盘绕成弯曲状包括：

将所述无源光纤盘绕成半径1cm-10cm的一圆圈形状。

本发明实施例解决其技术问题还采用以下技术方案：

一种高阶模滤除放大光路，包括：

无源光纤，用于获取信号光，并滤除所述信号光的高阶模，得到基模信号光；

增益光纤，用于放大所述基模信号光。

可选地，所述无源光纤呈弯曲状。

可选地，所述弯曲状为半径1cm-10cm的圆圈形状。

可选地，所述无源光纤与所述增益光纤之间熔接有熔接点，所述无源光纤的弯曲起始点与所述熔接点间隔0.2-10cm。

可选地，所述无源光纤和/或所述增益光纤的纤芯的芯径大于10μm。

本发明实施例解决其技术问题还采用以下技术方案：

一种激光器，包括上述的高阶模滤除放大光路。

与现有技术相比较，在本发明实施例的信号光高阶模滤除方法中，首先，向无源光纤注入信号光，使无源光纤滤除信号光的高阶模，获得基模信号光；其次，向增益光纤注入基模信号光。由于无源光纤能够在信号光放大之前，滤除信号光的高阶模，减少或避免高阶模在增益光纤中的放大现象，获得了近衍射极限的光束质量，从而提高泵浦光的利用率。

【附图说明】

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为本发明实施例提供的激光器中高阶模滤除放大光路设置在光纤盘时的结构示意图；

图2为图1所示的高阶模滤除放大光路采用正向泵浦源的结构示意图；

图3为图1所示的高阶模滤除放大光路采用反向泵浦源的结构示意图；

图4为图1所示的高阶模滤除放大光路采用双向泵浦源的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种激光器的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的两级放大光路的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种信号光高阶模滤除方法的流程示意图；

图8为本发明另一实施例提供的一种信号光高阶模滤除方法的流程示意图；

图9为图8所示的S73的流程示意图。

【具体实施方式】

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“电连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“上”、“下”、“内”、“外”、“底部”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

此外，下面所描述的本发明不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供一种激光器，其中，所述激光器可以为任意合适类型的激光器，诸如光纤激光器、主动调Q激光器、被动调Q激光器、MOPA激光器或增益开关激光器，连续激光器等。

请参阅图1，激光器10包括高阶模滤除放大光路20以及光纤盘30。

高阶模滤除放大光路20可以滤除信号光中的高阶模，其中，高阶模滤除放大光路20包括无源光纤21与增益光纤22，无源光纤21用于获取信号光，并滤除信号光的高阶模，得到基模信号光，增益光纤22用于放大基模信号光。

在本实施例中，由于无源光纤21能够在信号光放大之前，滤除信号光的高阶模，减少或避免高阶模在增益光纤22中的放大现象，获得了近衍射极限的光束质量，从而提高泵浦光的利用率。

可以理解的是，无源光纤21可被构造成任意合适形状，从而能够在信号光放大之前，滤除信号光的高阶模。

通常，传统技术使用增益光纤过滤高阶模时，增益光纤需要盘绕两圈以上，并且，由于增益光纤的放大作用，会造成不同程度的泵浦光和激光的损耗，从而会降低泵浦光的利用效率。然而，在本实施例中，无源光纤21盘绕成弯曲状，不仅可以滤除信号光的高阶模，并且，无源光纤21仅需盘绕一圈，盘绕的圆圈的半径1cm-10cm即可。

根据D.Marcuse的经典理论，光纤的LPmn模的弯曲损耗由以下公式得到：

U、W及V为归一化频率，R为光纤的弯曲半径，α为光纤的半径，β为对应的传播常数，mn为LPmn模的阶数，K为真空中的波数。常数e_m由m确定，具体如下：

由上述公式推导得知：高阶模几乎完全被泄漏出光纤，只留下低阶模的LP00和LP01模，因此本实施例提供的激光器能够获得较好的激光光束质量。

在一些实施例中，无源光纤21与增益光纤22之间熔接有熔接点，弯曲状的弯曲起始点与熔接点间隔指定长度，其中，指定长度可以为0.2cm-10cm中任意一个长度，亦即，弯曲状的弯曲起始点落在与熔接点距离0.2cm-10cm中任意一处。采用此距离来盘绕无源光纤，其有助于无源光纤更好地过滤高阶模。

请继续参阅图1，无源光纤21包括弯曲部211与直线部212，弯曲部211包括弯曲输入端与弯曲输出端，弯曲部211的弯曲输入端用于接收信号光。直线部212的一端相切于弯曲部211的输出端，直线部212的另一端熔接在增益光纤22的信号光输入端。经过发明人若干次实验和测试，直线部的长度范围在0.2cm-10cm之间时，激光器输出的光束质量比较好。

在一些实施例中，无源光纤和/或增益光纤的纤芯的芯径大于10μm。采用此直径的芯径，其能够满足高阶模滤除放大光路所需的激光功率的需要，但纤芯芯径大于10μm时，此时无源光纤和/或增益光纤内同时具有高阶模和低阶模的激光，需要滤除高阶模的激光来提高光束质量。

在一些实施例中，无源光纤和/或增益光纤为多模光纤，采用多模光纤，其能够提高光纤激光器的激光功率。

在一些实施例中，高阶模滤除放大光路20还包括在线隔离器23、泵浦单元24及合束器25，其中，泵浦单元24为正向泵浦源、反向泵浦源或双向泵浦源。

请参阅图2，当泵浦单元24为正向泵浦源时，在线隔离器23的输入端用于接收信号光，在线隔离器23的输出端与合束器25的一端连接，合束器25的一端还连接泵浦单元24，合束器25的另一端与无源光纤21的输入端连接，无源光纤21与增益光纤22的信号光输入端连接，增益光纤22的信号光输出端用于输出信号光。

请参阅图3，当泵浦单元24为反向泵浦源时，在线隔离器23的输入端用于接收信号光，在线隔离器23的输出端与无源光纤21的输入端连接，无源光纤21的输出端与增益光纤22的信号光输入端连接，增益光纤22的信号光输出端与合束器25的一端连接，合束器25的另一端与泵浦单元23连接。

请参阅图4，当泵浦单元24为双向泵浦源，泵浦单元24与合束器25的数量为至少一对，泵浦单元24包括正向泵浦源241与反向泵浦源242，合束器25包括第一合束器251与第二合束器252，在线隔离器23的输入端用于接收信号光，在线隔离器23的输出端与第一合束器251的一端连接，第一合束器252的一端还连接正向泵浦源241，第一合束器251的另一端与无源光纤21的输入端连接，无源光纤21的输出端与增益光纤22的信号光输入端连接，增益光纤22的信号光输出端与第二合束器252的一端连接，第二合束器252的另一端与反向泵浦源242连接。

在上述各个实施例中，在线隔离器23用于正向导光和反向隔光，以提高每级高阶模滤除放大光路的工作可靠性，其中，在线隔离器的功率可以由所在高阶模滤除放大光路的功率来确定。

在上述各个实施例中，泵浦单元24用于产生泵浦光，其可以包括一个或两个以上的泵浦源。

在上述各个实施例中，合束器25用于将多束子激光速合并成一个激光束。

在本实施例中，光纤盘30上设有光纤槽31，无源光纤211盘绕成弯曲形状于光纤槽31内。在一些实施例中，增益光纤212环绕光纤槽31的内侧壁盘绕在光纤槽31内，如前所述，无源光纤211与增益光纤212借助光纤槽31的内侧壁的限位作用，操作人员能够快速地将无源光纤211与增益光纤212盘绕在光纤盘30中，无需人为控制光纤应力，因此提高批量生产中的产品一致性，可减少人为因素的影响。

在一些实施例中，激光器10还包括第一粘结层(图未示)，第一粘结层设置于光纤槽31内，用于粘接无源光纤211和增益光纤212。一方面，由于光纤槽31具有槽壁，操作人员比较容易往光纤槽31内灌入粘接液以形成第一粘接层，但不易溢出粘接液。另一方面，通过第一粘接层的粘接作用，其能够有效可靠地将增益光纤和无源光纤固定在光纤槽31内，减小因外界温度或外界震动干扰而导致光束质量的下降和功率衰减的情况发生，从而提高光纤激光器的工作可靠性。

在一些实施例中，激光器10可以包括两级以上放大光路，其中，相应级数的放大光路可以为上述各个实施例所阐述的高阶模滤除放大光路20，亦可以为旁路放大光路，旁路放大光路可以不用设置盘绕成弯曲状的无源光纤，其中，高阶模滤除放大光路20的级数可以为一级或两级以上，旁路放大光路的级数亦可以为一级或两级以上。

请参阅图5，激光器10还包括壳体40、种子源(图未示)及承载盘50。

壳体40用于承载激光器10中各个电学部件，可保护各个电学部件，其中，壳体40可被构造成任意合适形状的壳体，例如长方体状或者圆柱状等。

种子源用于产生信号光，其中，种子源可以选择任意合适激光源，诸如半导体激光源、调Q激光源或锁模光纤激光源。

承载盘50设置于壳体40内，旁路放大光路的增益光纤盘绕于承载盘50，各级放大光路依次互相连接，且第一级放大光路与种子源连接，其中，旁路放大光路为所述各级放大光路中相应级的放大光路。

放大信号光时，种子源向第一级放大光路传输信号光，第一级放大光路中的增益光纤放大所述信号光，并将放大后的信号光传输至下一级放大光路。下一级放大光路中的增益光纤再次放大所述信号光，再次将放大后的信号传输至下下级放大光路，以此类推。

可以理解的是，用户可以根据产品需求，自行选择相应级数的放大光路，在此不赘述。

在一些实施例中，承载盘50的数量为一个或多个。当承载盘50的数量为多个时，每个承载盘50间隔设置于壳体40内，每个旁路放大光路的增益光纤盘绕于对应的一个承载盘50。

举例而言，承载盘50包括第一承载盘与第二承载盘，第一级放大光路的增益光纤盘绕在第一承载盘，第二级放大光路的增益光纤盘绕在光纤盘30，第三级放大光路的增益光纤盘绕在第二承载盘，其中，第一承载盘、光纤盘30及第二承载盘分层设置并间隔预设距离，并采用此种结构，其能够尽量避免相邻两个承载盘中的光纤热量的互相干扰，其中，第一级放大光路和第三级放大光路都为旁路放大光路。

在一些实施例中，承载盘50设有收容槽，旁路放大光路的增益光纤环绕收容槽的内侧壁盘绕在收容槽内。如前所述，旁路放大光路的增益光纤借助收容槽的内侧壁的限位作用，操作人员能够快速地将增益光纤盘绕在承载盘50中，无需人为控制光纤应力，因此提高批量生产中的产品一致性，可减少人为因素的影响。

在一些实施例中，激光器10还包括第二粘结层(图未示)，第二粘结层设置于收容槽内，用于粘接旁路放大光路的增益光纤。一方面，由于收容槽具有槽壁，操作人员比较容易往收容槽内灌入粘接液以形成第二粘接层，但不易溢出粘接液。另一方面，通过第二粘接层的粘接作用，其能够有效可靠地将旁路放大光路的增益光纤固定在收容槽内，减小因外界温度或外界震动干扰而导致光束质量的下降和功率衰减的情况发生，从而提高光纤激光器的工作可靠性。

可以理解的是，第一粘结层与第二粘结层可以由任意合适粘性材质的材料构成，例如，第一粘结层或第二粘结层为胶水层或果冻层等。

在一些实施例中，如图5所示，承载盘50设置于壳体40内并与光纤盘30间隔预设距离，第一级放大光路的增益光纤盘绕于承载盘50。如前所述，采用此种结构，其能够尽量避免光纤盘30与承载盘50中光纤热量的互相干扰，并且，由于每级放大光路的增益光纤都设置在单独的承载盘或光纤盘，有利于产品批量制作和模块化生产。

在一些实施例中，请结合图5，激光器10还包括散热模组60，散热模组60设置于壳体40内，散热模组60用于散发壳体40内部的热量，从而提高激光器10的可靠性和光光转换效率。

在一些实施例中，散热模组60包括散热件，散热件紧贴光纤盘30，散热件能够传导光纤盘30产生的热量，有利于将光纤盘30的热量快速散发，避免热量集中于光纤盘30而影响到增益光纤等器件的正常工作。

在一些实施例中，散热模组60还包括风扇组件，风扇组件设置于壳体40内，用于散发壳体40内部的热量。如前所述，散热件传导出光纤盘30的热量后，风扇组件将此热量以及周边热量加速散发出外部环境，有利于光纤激光器10的正常工作。

在一些实施例中，激光器10还包括空间输出隔离器，空间输出隔离器连接末级放大电路的输出端，空间输出隔离器能够可靠地保证激光的输出质量。

为了详细阐述本实施例提供的激光器，下面结合图6作出进一步说明：

如图6所示，激光器60包括依次连接的种子源61、旁路放大光路62、目标放大光路63及空间输出隔离器64，其中，目标放大光路63为上述各个实施例中任一实施例所阐述的高阶模滤除放大光路。

旁路放大光路62包括依次连接的旁路在线隔离器621、旁路增益光纤622、旁路合束器623及旁路泵浦源624，旁路在线隔离器621还与种子源61连接，其中，旁路放大光路62为反向泵浦光路结构。

目标放大光路63包括目标在线隔离器631、目标泵浦源632、目标合束器633、无源光纤634及增益光纤635，其中，目标在线隔离器631的输入端与旁路合束器623的输出端连接，目标在线隔离器631的输出端与目标合束器633的输入端连接，目标合束器633的输入端还与目标泵浦源632连接，目标合束器633的输出端与无源光纤634的信号输入端连接，无源光纤634的输出端与增益光纤635的信号输入端连接，增益光纤635的信号输出端与空间输出隔离器64连接，其中，目标放大光路63为正向泵浦光路结构。

激光器60工作时，种子源61产生信号光，经过旁路在线隔离器621、旁路增益光纤622、旁路合束器623及旁路泵浦源624的初级放大之后，信号光在进入增益光纤635再次放大之前，信号光先通过目标在线隔离器631与目标合束器633注入无源光纤634。首先，无源光纤634滤除信号光的高阶模，获得基模信号光。其次，基模信号光注入增益光纤，增益光纤再次放大基模信号光，最后通过空间输出隔离器64输出外部环境。

因此，如前所述，由于无源光纤634能够在信号光放大之前，滤除信号光的高阶模，减少或避免高阶模在增益光纤635中的放大现象，获得了近衍射极限的光束质量，从而提高泵浦光的利用率。

作为本发明实施例另一方面，本发明实施例提供一种信号光高阶模滤除方法。请参阅图7，信号光高阶模滤除方法S700包括：

S71、向无源光纤注入信号光，使无源光纤滤除信号光的高阶模，获得基模信号光；

在本实施例中，此处信号光可以为种子源或外部激光器发送的信号光，亦可以为经过旁路放大光路放大后的信号光，例如，种子源直接向无源光纤注入信号光，或者，种子源向第一级放大光路注入信号光，第一级放大光路初步放大所述信号光后，再次将信号光注入第二级放大光路，第二级放大光路中的无源光纤滤除信号光的高阶模。

S72、向增益光纤注入基模信号光。

由于无源光纤能够在信号光放大之前，滤除信号光的高阶模，减少或避免高阶模在增益光纤中的放大现象，获得了近衍射极限的光束质量，从而提高信号光的利用率。

在一些实施例中，请参阅图8，在S71之前，信号光高阶模滤除方法S700还包括：S73、将无源光纤盘绕成弯曲状。

根据D.Marcuse的经典理论，光纤的LPmn模的弯曲损耗由以下公式得到：

U、W及V为归一化频率，R为光纤的弯曲半径，α为光纤的半径，β为对应的传播常数，mn为LPmn模的阶数，K为真空中的波数。常数e_m由m确定，具体如下：

由上述公式推导得知：高阶模几乎完全被泄漏出光纤，只留下低阶模的LP00和LP01模，因此本实施例提供的激光器能够获得较好的激光光束质量。

在一些实施例中，请参阅图9，S73包括：

S731、将增益光纤与无源光纤进行熔接并形成熔接点；

S732、在与熔接点距离指定长度范围中任选一位置；

S733、自位置开始，盘绕无源光纤成弯曲状。

在本实施例中，无源光纤与增益光纤之间熔接有熔接点，弯曲状的弯曲起始点为与所述熔接点距离指定长度范围中的任一位置，例如，指定长度范围为0.2cm-10cm，弯曲状的弯曲起始点落在与熔接点距离0.2cm-10cm中任意一处。采用此距离来盘绕无源光纤，其有助于无源光纤更好地过滤高阶模。

在一些实施例中，本方法提供光纤盘，光纤盘设有光纤槽，在光纤槽内将增益光纤与无源光纤进行熔接并形成熔接点，并将无源光纤盘绕成弯曲状。并且，向无源光纤和增益光纤灌入粘接液，使得粘接液将无源光纤和增益光纤固定于光纤盘。通过粘接液的粘接作用，其能够有效可靠地将增益光纤和无源光纤固定在光纤盘内，减小因外界温度或外界震动干扰而导致光束质量的下降和功率衰减的情况发生，从而提高光纤激光器的工作可靠性。

在一些实施例中，将无源光纤盘绕成弯曲状时，其可以将无源光纤盘绕成预设直径的一圆圈形状，其中，预设半径的范围为1厘米至10厘米。相对现有技术需要盘绕多圈增益光纤，本方案可减小泵浦光与信号光的损耗、降低增益光纤温度以及减小增益光纤的应力，从而提高光转换效率及增益光纤的使用寿命。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种信号光高阶模滤除方法，其特征在于，包括：

向无源光纤注入信号光，使所述无源光纤滤除所述信号光的高阶模，获得基模信号光；

向增益光纤注入所述基模信号光。

2.根据权利要求1所述的信号光高阶模滤除方法，其特征在于，在向无源光纤注入信号光之前，所述方法还包括：

将所述无源光纤盘绕成弯曲状。

3.根据权利要求2所述的信号光高阶模滤除方法，其特征在于，所述将所述无源光纤盘绕成弯曲状包括：

将所述增益光纤与所述无源光纤进行熔接并形成熔接点；

在与所述熔接点距离0.2-10cm中任选一位置；

自所述位置开始，盘绕所述无源光纤成所述弯曲状。

4.根据权利要求2-3中任一项所述的信号光高阶模滤除方法，其特征在于，将所述无源光纤盘绕成弯曲状包括：

将所述无源光纤盘绕成半径1cm-10cm的一圆圈形状。

5.一种高阶模滤除放大光路，其特征在于，包括：

无源光纤，用于获取信号光，并滤除所述信号光的高阶模，得到基模信号光；

增益光纤，用于放大所述基模信号光。

6.根据权利要求5所述的放大光路，其特征在于，所述无源光纤呈弯曲状。

7.根据权利要求6所述的放大光路，其特征在于，所述弯曲状为半径1cm-10cm的圆圈形状。

8.根据权利要求5所述的放大光路，其特征在于，所述无源光纤与所述增益光纤之间熔接有熔接点，所述无源光纤的弯曲起始点与所述熔接点间隔0.2-10cm。

9.根据权利要求5至8任一项所述的放大光路，其特征在于，所述无源光纤和/或所述增益光纤的纤芯的芯径大于10μm。

10.一种激光器，其特征在于，包括如权利要求中5-9中任一项所述的高阶模滤除放大光路。

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