CN113097843A - 一体化无熔点高效率光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种一体化无熔点高效率光纤激光器，包括该光纤激光器包括：多个泵浦源、多根泵浦光纤和一体化光纤；所述的一体化光纤包含增益光纤区域、第一和第二传能光纤区域。所述泵浦光纤分别与前向、后向泵浦信号合束器通过侧边耦合方式连接；泵浦源分别通过所述泵浦光纤与前向和后向泵浦信号合束器连接。增益光纤、高反射光纤光栅、低反射光纤光栅构成激光谐振腔，谐振腔产生的激光通过制作在传能光纤区域上的后向泵浦信号合束器、包层光滤除器、光纤端帽输出。
Description
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，涉及一种一体化无熔点高效率光纤激光器。
背景技术
中国专利公开CN10941200A公开了一种超宽带高增益光纤与器件制备技术，提供一种超宽带高增益光纤与器件制备技术。创新性将光纤结构设计和泵浦光场控制相结合，根据泵浦光的光场分布，设计并制备出与之匹配的复合纤芯结构的增益光纤，同时具有高增益和超宽带特性。在一根增益光纤中能够独立地高效利用多种稀土发光离子，使得发光效率更高、光谱更宽，通过选择性激发纤芯中不同区域的发光离子，同时抑制其他波段的荧光发射，避免了传统全纤芯泵浦过程中多余热量的产生，从而使得输出激光具备高功率、高效率、低噪声、宽带可调谐和高稳定性的优势。优选地通过优选稀土离子种类，通过在不同扇形或环形的纤芯区域中共掺敏化稀土离子，敏化稀土离子吸收单一波长的泵浦光后，将能量有效地传递给不同的稀土发光离子。
中国专利公开CN110289539A公开了一种宽带多维光纤放大器，主要应用于空分复用通信系统中。其采用多个纤芯设计，每个纤芯共掺杂氧化物是ZrO2/SbO2/Yb2O3/Al2O3/La2O3/Er2O3中的一种或几种，不同纤芯的掺杂浓度严格相同。这个设计是希望在相同的长度下产生的信号增益通过长周期光纤光栅后基本一致。信号从输入端口进入，通过扇入合束器输入到多芯掺稀土光纤，同时泵浦光也是通过扇入合束器耦合到多芯掺稀土光纤，多芯掺稀土光纤连接扇出合束器，其后面接长周期光纤光栅等组合而成。
高功率光纤激光器在工业领域有着广泛的应用，随着应用领域的扩展，对光纤激光器的输出功率和效率都提出了较高的要求。传统的光纤激光器将泵浦源、合束器、增益光纤、光纤光栅、包层光滤除器、光纤端帽等器件通过光纤熔接的方式进行连接，以实现泵浦光和激光的传输。在激光器实际生产过程中，熔接过程中，由于各种原因会存在一定熔接损耗和高阶模式激发。首先，一般情况下，合束器、光纤光栅、包层光滤除器、光纤端帽等不同器件来自不同厂家、不同批次，它们之间输入输出光纤的几何尺寸、数值孔径等参数的不可避免存在一定的不匹配，它们与增益光纤之间也不可避免存在一定的不匹配，这些不匹配会导致基模存在熔接损耗，高阶模会激发。其次，即使在各个器件的光纤参数完全匹配的情况下，由于切割刀、熔接机等设备不可能实现绝对理想的切割和熔接，使得熔接过程中两个光纤存在一定的角度和偏移，这些角度和偏移也会导致基模损耗和高阶模式的激发。以光纤中存在LP01，LP11 E，LP11 O模式功率比例为0.8:0.1:0.1，两个纤芯直径为20μm、数值孔径为0.06光纤进行熔接为例：当x-y方向的熔接角度误差为0.3°时，熔接导致的基模损耗约为0.13dB，在x-y方向熔接角度误差为0.5°时，熔接导致的基模损耗可达0.3dB(Influence offiber fusion on loss and beam quality in multi-mode injection conditions[J].Laser Physics,2020,30:45102)。实际上，光纤激光器中，存在多个类似的熔接点，如果每个熔接点都存在一定的损耗，那么激光器总损耗会增加，导致激光器输出效率和功率降低。典型地，比如在相关文献(A novel fiber laser oscillator employing saddle shapedcore ytterbium doped fiber[J],Applied Physics B:Lasers and Optics,2020,126:185)中，由于增益光纤的偏心较为明显，使得与传能光纤熔接后损耗较大，导致整个激光器的效率在976nm泵浦时只有60％。同时，由于熔接导致的高阶模式的激发，还会降低模式不稳定阈值，同样降低激光器输出功率。此外，熔接损耗和模式激发会导致熔接点的温度偏高，严重时会烧毁激光器。因此，控制熔接点损耗、降低高阶模式的激发、熔接点的温度，是当前传统光纤激光器中需要重点解决的工艺问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种一体化无熔点高效率光纤激光器，包括：泵浦源(5-2-4、5-3-4)、多根泵浦光纤(5-2-3、5-3-3)和一体化光纤；
所述的一体化光纤包含增益光纤区域(5-1)、第一和第二传能光纤区域(5-2、5-3)；
所述的增益光纤区域(5-1)与第一传能光纤区域(5-2)和第二传能光纤区域(5-3)是通过预制棒制作和光纤拉制过程一体化成型的单根光纤；
制作于第一传能光纤区域(5-2)上的高反射光纤光栅(5-2-1)和前向泵浦信号合束器(5-2-2)，制作于第二传能光纤区域(5-3)上的低反射光纤光栅(5-3-1)、后向泵浦信号合束器(5-3-2)、包层光滤除器(5-3-5)和光纤端帽(5-3-6)；
所述泵浦光纤(5-2-3、5-3-3)与前向、后向泵浦信号合束器(5-2-2、5-3-2)通过侧边耦合方式连接，泵浦源(5-2-4、5-3-4)分别通过前向、后向泵浦光纤(5-2-3、5-3-3)与前向泵浦信号合束器(5-2-2)和后向泵浦信号合束器(5-3-2)连接；
所述的增益光纤区域(5-1)、高反射光纤光栅(5-2-1)、低反射光纤光栅(5-3-1)组成激光谐振腔，谐振腔产生的激光通过所述的后向泵浦信号合束器(5-3-2)、包层光滤除器(5-3-4)、光纤端帽(5-4-6)向外输出。
进一步的，所述的增益光纤区域(5-1)位于第一传能光纤区域(5-2)和第二传能光纤区域(5-3)的中间，一体化光纤中的增益光纤区域(5-1)、第一传能光纤区域(5-2)，第二传能光纤区域(5-3)为相同结构的一体化光纤，该结构为单包层、双包层或三包层结构；所述的增益光纤区域(5-1)纤芯掺入稀土激活粒子，用于在泵浦光的激励下产生和输出信号激光；所述的第一传能光纤区域(5-2)和所述的第二传能光纤区域(5-3)的纤芯不掺杂稀土激活粒子，仅用于传输激光。
进一步的，当所述的一体化光纤为双包层或三包层结构时，内包层为能够传输泵浦激光的非掺杂的石英基玻璃；所述的一体化光纤的纤芯直径在6～500μm之间，纤芯数值孔径为0.03NA～0.12NA；内包层直径在125～2000μm之间，内包层数值孔径为0.12NA～0.46NA。
进一步的，所述的高反射光纤光栅(5-2-1)和低反射光纤光栅(5-3-1)，均为激光刻写光纤光栅；高反射光纤光栅的反射率为50％～100％；低反射光纤光栅反射率为1％～90％。高反射光纤光栅(5-2-1)和低反射光纤光栅(5-3-1)的中心波长相匹配。
进一步的，所述的激光刻写光栅的工艺为：用飞秒激光在传能光纤区域(5-2、5-3)上直接刻写制成光纤光栅；或者先对一体化光纤整体载氢后利用紫外脉冲激光对传能光纤区域(5-2、5-3)进行刻写制成光纤光栅。
进一步的，制作于一体化光纤的第一传能光纤区域(5-2)上的前向泵浦信号合束器(5-2-2)，和制作于一体化光纤的第二传能光纤区域(5-3)上的后向泵浦信号合束器(5-3-2)，都采用一根或多根泵浦光纤通过侧边耦合熔融方式连接到传能光纤区域(5-2、5-3)上；所述的泵浦光纤(5-2-3、5-3-3)为单包层光纤，纤芯直径在105μm～500μm之间，纤芯数值孔径为0.1NA～0.5NA。
进一步的，包层光滤除器(5-3-5)制作于一体化光纤的第二传能光纤区域(5-3)上，通过包层腐蚀的方法剥离包层光。
进一步的，光纤端帽(5-3-6)制作于一体化光纤的第二传能光纤区域(5-3)上，通过将锥状石英块与传能光纤区域(5-3)的输出端面熔接制成。
进一步的，泵浦源(5-2-4、5-3-4)采用光纤耦合的半导体激光器，所述的半导体激光器输出的激光波长比所述的光纤激光器输出的激光波长短，泵浦源与泵浦光纤通过熔接进行连接。
进一步的，由所述第二传能光纤区域(5-3)上制作的前向泵浦信号合束器(5-2-2)左端输出光纤切8°角，用于以消除激光器的寄生振荡。
采用本发明的一体化无熔点高效率光纤激光器，除了传输低功率密度泵浦光的光纤需要熔接以外，传输高功率密度信号激光的光纤不需要熔接，可以降低激光器功率损耗、避免熔接导致的模式畸变、避免损耗导致的熔点温升，在提高光纤激光器输出效率、功率的同时，可极大提高激光器的集成化、稳定性和可靠性。
附图说明
图1是本发明的一种双端泵浦一体化无熔点高效率光纤激光振荡器示意图。
图2是本发明实施例的一种双端泵浦一体化无熔点高效率光纤激光振荡器从光纤、器件到激光器的完整实施过程示意图。
图3是本发明实施例的一种前向泵浦一体化无熔点高效率光纤激光振荡器示意图。
图4是本发明实施例的一种后向泵浦一体化无熔点高效率光纤激光振荡器示意图。
图5是本发明实施例的一种双向泵浦一体化无熔点主振荡功率放大结构激光器。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种双端泵浦一体化无熔点高效率光纤激光器，包括：多个泵浦源(5-2-4、5-3-4)、前向和后向泵浦光纤(5-2-3、5-3-3)以及一体化光纤。在实施过程中，首先在一体化光纤的传能光纤区域(5-2)制作高反射光纤光栅(5-2-1)和前向泵浦信号合束器(5-2-2)，在传能光纤区域(5-3)制作低反射光纤光栅(5-3-1)、后向泵浦信号合束器(5-3-2)、包层光滤除器(5-3-5)和光纤端帽(5-4-6)。然后，将泵浦源(5-2-4、5-3-4)通过前向、后向泵浦光纤(5-2-3、5-3-3)与前向泵浦信号合束器(5-2-2)和后向泵浦信号合束器(5-3-2)连接；最后将传能光纤区域(5-3)上制作的前向泵浦信号合束器(5-2-2)左端输出光纤切8°角(5-2-5)以消除激光器的寄生振荡，即完成可一体化无熔点高效率光纤激光器的生产。在该激光器中增益光纤区域(5-1)、高反射光纤光栅(5-2-1)、低反射光纤光栅(5-3-1)构成激光谐振腔，输出激光器通过制作在传能光纤(5-3)上的后向泵浦信号合束器(5-3-2)、包层光滤除器(5-3-4)、光纤端帽(5-4-6)输出。
实施例2
一种双端泵浦一体化无熔点高效率光纤激光振荡器从光纤、器件到激光器的完整实施过程，如图2所示。具体步骤如下。
第一步，制作增益传能一体化光纤预制棒。在光纤预制棒制作平台上，通过控制预制棒纵向区域的掺杂组分，实现增益传能一体化光纤预制棒(1-1)。一体化光纤预制棒(1-1)由增益-传能-增益-传能间隔的方式组成，增益光纤区域的纤芯掺杂用于产生激光的稀土离子，传能光纤区域的纤芯不掺杂稀土离子，增益光纤和传能光纤的包层材料相同，几何形态相同且一般为圆形。图中左端面(1-2)为增益光纤的横截面形态，图中右端面(1-2)为传能光纤的横截面形态。在实际制作过程中，要根据光纤激光器使用增益光纤和传能光纤长度对预制棒的各个区域长度进行控制。
第二步，预制棒打磨。为了提高增益光纤对泵浦光的吸收系数，将预制棒打磨成正八边形，如图中2-1所示，2-2、2-3分别描述增益光纤区域和传能光纤区域的横截面形态。在具体实施过程中，如果对于增益光纤吸收没有太高要求，也可以省略此步骤，不进行打磨。
第三步，光纤拉制与涂覆。将打磨后的预制棒放置于光纤拉丝塔上对光纤进行拉丝和涂覆，生产出最终使用的一体化增益光纤。在实施过程中，可以通过控制拉丝速度等参数实现不同纤芯和包层直径的光纤拉制。
第四步，剪切光纤，制作器件。首先根据需求，将一体化增益光纤剪切成不同段。比如，在光纤振荡器实施例中，只需要截取包括传能-增益-传能光纤三个区域的一体化光纤。然后，利用现有的通用技术手段制作各个器件：光纤光栅、泵浦信号合束器、包层光滤除器、光纤端帽等。比如，对于光栅的制作，可以先对一体化光纤整体载氢后利用紫外激光刻写光栅，也可以利用飞秒脉冲激光在传能光纤区域直接刻写光纤光栅；泵浦信号合束器的制作，采用一根或多根泵浦光纤通过侧边熔融耦合方式连接到传能光纤上，传能光纤区域的纤芯形态不变，不影响信号的传输模式和功率特性；包层光滤除器的制作，一般通过对一体化光纤包层腐蚀的方法剥离包层光，传能光纤区域的纤芯形态不变；光纤端帽的制作，一般通过将锥状石英块与传能光纤区域(5-3)的输出端面熔接实现。在整个器件制作过程中，各个器件都在一体化光纤上实现，器件制作不影响光纤纤芯的形态，光纤保持为连续不间断的一根。
第五步，熔接泵浦源，制作激光器。将泵浦源(5-2-4、5-3-4)分别通过前向、后向泵浦光纤(5-2-3、5-3-3)与前向泵浦信号合束器(5-2-2)和后向泵浦信号合束器(5-3-2)连接；最后将传能光纤区域(5-3)上制作的前向泵浦信号合束器(5-2-2)左端输出光纤切8°角(5-2-5)以消除激光器的寄生振荡，即可实现一体化无熔点高效率光纤激光器的生产。
实施例3
一种前向泵浦一体化无熔点高效率光纤激光振荡器，其结构如图3所示。与实施例1相比，主要是将实施例1中的后向泵浦信号合束器(5-3-2)、后向泵浦光纤(5-3-3)、泵浦源(5-3-4)去掉，使得激光器成为单独的前向泵浦结构。该实施例是一种常见和简单结构。
实施例4
一种后向泵浦一体化无熔点高效率光纤激光振荡器，其结构如图4所示。与实施例1相比，主要是将实施例1中的前向泵浦信号合束器(5-2-2)、前向泵浦光纤(5-2-3)、泵浦源(5-2-4)去掉，使得激光器成为单独的后向泵浦结构。采用单独后向泵浦，在泵浦功率足够的情况下，可以简化激光器的结构，降低成本。
实施例5
一种双向泵浦一体化无熔点主振荡功率放大结构激光器，其结构如图3所示。与实施例1相比，将实施例1中包层光滤除器(5-3-5)与光纤端帽(5-3-6)之间的一体化光纤部分，延长传能光纤区域(5-3)到(6-2)、增加了增益光纤区域(6-1)、传能光纤区域(6-3)；并在延长的传能光纤区域(6-2)制作放大器的前向泵浦信号合束器(6-2-2)，在传能光纤区域(6-3)制作放大器的后向泵浦信号合束器(6-3-2)、包层光滤除器(6-3-5)，将原来端帽(5-3-6)移动到传能光纤区域(6-3)的末端，成为光纤端帽(6-3-6)。这里，传能光纤区域(5-3)到(6-2)本质上是一个区域。其中，从泵浦源(5-2-4)到包层光滤除器(5-3-5)之间是主振荡器，产生种子激光；从泵浦源(6-2-4)到光纤端帽(6-3-6)之间是功率放大器，将种子激光进行放大。
在实施过程中，首先在一体化光纤的传能光纤区域(5-2)制作高反射光纤光栅(5-2-1)和前向泵浦信号合束器(5-2-2)，在传能光纤区域(5-3)制作低反射光纤光栅(5-3-1)、后向泵浦信号合束器(5-3-2)、包层光滤除器(5-3-5)，传能光纤区域(6-2)制作放大器的前向泵浦信号合束器(6-2-2)，在传能光纤区域(6-3)制作放大器的后向泵浦信号合束器(6-3-2)、包层光滤除器(6-3-5)和光纤端帽(6-3-6)。然后将振荡器中泵浦源(5-2-4、5-3-4)与前向泵浦信号合束器(5-2-5)和前向泵浦信号合束器(5-3-5)熔接；将泵浦源(5-2-4、5-3-4)与前向泵浦信号合束器(5-2-5)和前向泵浦信号合束器(5-3-5)熔接。最后将传能光纤区域(5-3)上制作的前向泵浦信号合束器(5-2-2)左端输出光纤切8°角(5-2-5)以消除激光器的寄生振荡，即可实现一体化无熔点高效率光纤激光器的生产。
最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种一体化无熔点高效率光纤激光器，其特征在于，该光纤激光器包括：多个泵浦源(5-2-4、5-3-4)、前向和后向泵浦光纤(5-2-3、5-3-3)以及一体化光纤；
所述的一体化光纤包含增益光纤区域(5-1)、第一和第二传能光纤区域(5-2、5-3)；
所述的增益光纤区域(5-1)与第一传能光纤区域(5-2)和第二传能光纤区域(5-3)是通过预制棒制作和光纤拉制过程一体化成型的单根光纤；
在所述第一传能光纤区域(5-2)上制作形成高反射光纤光栅(5-2-1)和前向泵浦信号合束器(5-2-2)；
在所述第二传能光纤区域(5-3)上制作形成低反射光纤光栅(5-3-1)、后向泵浦信号合束器(5-3-2)、包层光滤除器(5-3-5)和光纤端帽(5-3-6)；
所述前向和后向泵浦光纤(5-2-3、5-3-3)分别与前向、后向泵浦信号合束器(5-2-2、5-3-2)通过侧边耦合方式连接，泵浦源(5-2-4、5-3-4)分别通过泵浦光纤(5-2-3、5-3-3)与前向泵浦信号合束器(5-2-2)和后向泵浦信号合束器(5-3-2)连接；
所述的增益光纤区域(5-1)、高反射光纤光栅(5-2-1)、低反射光纤光栅(5-3-1)组成激光谐振腔，谐振腔产生的激光通过所述的后向泵浦信号合束器(5-3-2)、包层光滤除器(5-3-5)、光纤端帽(5-4-6)向外输出。
2.如权利要求1所述的一体化无熔点高效率光纤激光器，其特征在于，所述的增益光纤区域(5-1)位于第一传能光纤区域(5-2)和第二传能光纤区域(5-3)的中间，一体化光纤中的增益光纤区域(5-1)、第一传能光纤区域(5-2)，第二传能光纤区域(5-3)为相同结构的一体化光纤，该结构为单包层、双包层或三包层结构；所述的增益光纤区域(5-1)纤芯掺入稀土激活粒子，用于在泵浦光的激励下产生和输出信号激光；所述的第一传能光纤区域(5-2)和所述的第二传能光纤区域(5-3)的纤芯不掺杂稀土激活粒子，仅用于传输激光。
3.如权利要求2所述的一体化无熔点高效率光纤激光器，其特征在于，当所述的一体化光纤为双包层或三包层结构时，内包层为能够传输泵浦激光的非掺杂的石英基玻璃；所述的一体化光纤的纤芯直径在6～500μm之间，纤芯数值孔径为0.03NA～0.12NA；内包层直径在125～2000μm之间，内包层数值孔径为0.12NA～0.46NA。
4.如权利要求1所述的一体化无熔点高效率光纤激光器，其特征在于，所述的高反射光纤光栅(5-2-1)和低反射光纤光栅(5-3-1)，均为激光刻写光纤光栅；高反射光纤光栅的反射率为50％～100％；低反射光纤光栅反射率为1％～90％，高反射光纤光栅(5-2-1)和低反射光纤光栅(5-3-1)的中心波长相匹配。
5.如权利要求4所述的一体化无熔点高效率光纤激光器，其特征在于，所述的激光刻写光栅的工艺为：用飞秒激光在传能光纤区域(5-2、5-3)上直接刻写制成光纤光栅；或者先对一体化光纤整体载氢后利用紫外脉冲激光对传能光纤区域(5-2、5-3)进行刻写制成光纤光栅。
6.如权利要求1所述的一体化无熔点高效率光纤激光器，其特征在于，制作于一体化光纤的第一传能光纤区域(5-2)上的前向泵浦信号合束器(5-2-2)，和制作于一体化光纤的第二传能光纤区域(5-3)上的后向泵浦信号合束器(5-3-2)，都采用一根或多根泵浦光纤通过侧边耦合熔融方式连接到传能光纤区域(5-2、5-3)上；所述的泵浦光纤(5-2-3、5-3-3)为单包层光纤，纤芯直径在105μm～500μm之间，纤芯数值孔径为0.1NA～0.5NA。
7.如权利要求1所述的一体化无熔点高效率光纤激光器，其特征在于，包层光滤除器(5-3-5)制作于一体化光纤的第二传能光纤区域(5-3)上，通过包层腐蚀的方法剥离包层光。
8.如权利要求1所述的一体化无熔点高效率光纤激光器，其特征在于，光纤端帽(5-3-6)制作于一体化光纤的第二传能光纤区域(5-3)上，通过将锥状石英块与传能光纤区域(5-3)的输出端面熔接制成。
9.如权利要求1所述的一体化无熔点高效率光纤激光器，其特征在于，泵浦源(5-2-4、5-3-4)采用光纤耦合的半导体激光器，所述的半导体激光器输出的激光波长比所述的光纤激光器输出的激光波长短，泵浦源与泵浦光纤通过熔接进行连接。
10.如权利要求1所述的一体化无熔点高效率光纤激光器，其特征在于，由所述第二传能光纤区域(5-3)上制作的前向泵浦信号合束器(5-2-2)左端输出光纤切8°角，用于以消除激光器的寄生振荡。
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