CN113169504A - 串联泵浦光纤放大器 - Google Patents

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Abstract

在一个示例中，串联泵浦光纤放大器可包括种子激光器、一个或多个二极管泵以及单或多活性芯光纤。单或多活性芯光纤可包括作为振荡器操作的第一部分和作为功率放大器操作的不同的第二部分。一个或多个二极管泵可以光学耦合到单或多活性芯光纤的第一部分，且种子激光器可以光学耦合到单活性芯或多活性芯光纤的最内层芯。

Description

串联泵浦光纤放大器
技术领域
本发明涉及光纤放大器。
背景技术
具有衍射限制光束的适用于高能激光(HEL)应用的高平均功率光纤激光器目前主要受到受激布里渊散射(SBS)和模态不稳定性的限制。一些已知的系统通过减轻SBS已经有效地将功率扩展到大于2kW的水平。但是，模态不稳定性仍可能成为诸如非光子晶体光纤(PCF)和/或光子带隙(PBG)光纤的常规大模式区域(LMA)光纤中功率缩放的瓶颈。具体而言，模态不稳定性可能会将衍射极限输出功率限制为接近2kW的阈值，例如对于20μm芯阶跃折射率双包层光纤激光器，衍射极限输出功率为～2.2kW。
附图说明
将其中相同的附图标记表示相同的元件的附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分，并且与描述一起来解释当前公开的技术的优点和原理。
图1示出了串联泵浦光纤放大器。
图2示出了同轴双活性芯光纤的截面图，在一些实施方案中，可以在串联泵浦光纤放大器中使用该同轴双活性芯光纤。
图3A至图3C分别示出了最终功率放大器内的计算信号功率和串联泵浦功率以及串联泵浦光纤放大器的上能态粒子数的图表、串联泵浦光纤放大器的框图和串联泵浦光纤放大器的双芯和全玻璃光纤的截面图。
图4示出了与图3C中的光纤类似的光纤的折射率。
图5示出了单活性芯光纤的截面图，在一些实施方案中，可以在图1的串联泵浦光纤放大器中使用该单活性芯光纤。
图6A至图6C分别示出了最终功率放大器内的计算信号功率和串联泵浦功率以及串联泵浦光纤放大器的上能态粒子数的图表、串联泵浦光纤放大器的框图以及串联泵浦光纤放大器的单活性芯和全玻璃光纤的截面图。
具体实施方式
串联泵浦光纤放大器的一些实施方案可包括种子激光器、一个或多个二极管泵和单或多活性芯光纤。单或多活性芯光纤可包括用作振荡器操作的第一部分和用作功率放大器操作的不同的第二部分。一个或多个二极管泵可以光学耦合到单或多活性芯光纤的第一部分，且种子激光器可以光学耦合到单活性芯或多活性芯光纤的最内层芯。
一些实施方案使用单活性芯振荡器和单活性芯串联放大器(芯泵浦的)。芯串联泵浦可提供相对较高的吸收和/或效率。结果，光纤长度可以相对较短，这可以为诸如SBS、SRS(受激拉曼散射)、FWM(四波混频)、SPM(自相位调制)等有害非线性效应或其组合提供相对较大的裕度。一个实施方案提供了大于4kW的单窄带光纤放大器。
本文所述的任何串联泵浦光纤放大器可以比使用大量1018nm单模串联光纤激光器作为高亮度泵浦源的常规LMA光纤中的10kW单模光纤激光器的系统体积更小(例如，更小和/或没有那么重)和/或成本更低。串联泵浦光纤放大器还可具有比此类系统更低的功率要求和/或更低的散热要求。
然而，在使用大量1018nm单模串联光纤激光器作为高亮度泵浦源的常规LMA光纤中使用10kW单模光纤激光器的系统需要将量子缺陷加热从976nm泵浦系统中的常规的
Figure BDA0003084215680000021
减少到1018nm串联泵浦放大器中的
Figure BDA0003084215680000022
以实现10kW，且为了实现10kW或更高，本文公开的实施方案可以不受前述要求的约束。采用串联泵浦光纤放大器的系统可与常规LMA光纤技术兼容，但可通过放大多模二极管激光泵浦功率从几千瓦扩展到10kW或更大。结果，本文描述的实施方案可简化高能激光应用中的制造。在采用串联泵浦光纤放大器的系统中，为了解决模态不稳定性问题，最终放大器级可大于1kW。串联泵浦光纤放大器可将单通道输出功率推至大于由模态不稳定性产生的已知阈值，例如3kW、5kW、10kW或更高。
已经确定了这种方法的几个优点。首先，在一些实施方案中，当以1018nm泵浦时，功率放大器中的量子缺陷在1030nm处可仅为1.5％。在1064nm的标称波长下，该量子缺陷约为4％。与976nm的泵浦相比，其还不到一半(这可能与8.4％的量子缺陷有关)。其次，注入功率放大器的信号可明显大于0.1kW。这两个因素都可为模态不稳定性提供更高的阈值条件。这可提供大于10kW的光谱波束合成(SBC)和相干波束合成(CBC)的可组合功率。串联泵浦光纤放大器可以使用常规的LMA光纤技术，而不影响该系统的总效率。所有这些都可以通过使用低SWAP(尺寸、重量和功率)和低成本多模二极管泵来实现，而不是使用大量昂贵和笨重的单模光纤激光器。
如在本申请书和权利要求书中所使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”包括复数形式，除非上下文明确规定。此外，术语“包括”是指“包含”。此外，术语“耦合”不排除被耦合项之间的中间元件。本文所描述的系统、装置和方法不应被解释为以任何方式限制。相反，本发明是针对各种公开实施方案的所有新颖和非显而易见的特征和方面，单独地和以彼此的各种组合和子组合的形式。
所公开的系统、方法和装置不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和装置也不要求存在任何一个或多个特定优点或解决问题。任何操作理论都是为了便于解释，但是所公开的系统、方法和装置不限于这种操作理论。尽管为了方便呈现，以特定的顺序描述了一些公开方法的操作，但是应当理解，这种描述方式包括重排，除非下文所述的特定语言要求特定顺序。例如，在某些情况下，顺序描述的操作可以被重新排列或同时执行。此外，为了简单起见，附图可以不示出公开的系统、方法和装置可以与其他系统、方法和装置一起使用的各种方式。
另外，说明书有时使用诸如“生产”和“提供”之类的术语来描述所公开的方法。这些术语是所执行的实际操作的高级抽象。与这些术语相对应的实际操作将根据特定实现方式而变化，并且本领域的普通技术人员容易识别。在一些示例中，值、过程或装置被称为“最低”、“最佳”、“最小”等。应当理解，这样的描述旨在指示可以在许多使用的功能替代方案中进行选择，并且这样的选择不需要比其他选择更好、更小或更优选。
参考“之上”、“之下”、“上”、“下”等等所述的方向来描述示例。这些术语用于方便描述，但并不意味着任何特定的空间取向。
图1示出了串联泵浦光纤放大器100。串联泵浦光纤放大器100可包括具有选定的中心波长的种子激光器105，所述选定的中心波长可经伪随机二进制序列(PRBS)相位调制以获得抑制SBS所需的带宽并保持足够长的相干长度以用于SBC和CBC应用。在一些实施方案中，对于掺杂镱的光纤，选定的中心波长可以在1020～1080nm的范围内。种子激光器105可包括前置放大器(未示出)，以产生足够的功率，例如大于20W的种子功率，以用于在随后的部分中进行放大。
种子激光器105的光纤可耦合(例如，拼接)到串联振荡器泵和增强放大器(TOP增强放大器)110的光纤，串联振荡器泵和增强放大器110的光纤可耦合(例如，拼接)到功率放大器115的光纤。TOP增强放大器110可包括单或多活性芯光纤(例如，双活性芯光纤)的第一部分和光学耦合(例如，端耦合、侧耦合等或其组合)到二极管泵组的至少一组一个或多个二极管泵。
在多活性芯示例中，多活性芯光纤的一些芯(例如，双活性芯光纤激光器的两个芯)可以沿相同的轴或不同的轴(例如，与对称地围绕第一芯的第二芯同轴，或与不对称地围绕第一芯的第二芯同轴)布置。图2示出了同轴型双活性芯光纤200的截面图，在一些实施方案中，该同轴型双活性芯光纤可在图1的串联泵浦光纤放大器100中使用。图5示出了单活性芯光纤500的截面图，在一些实施方案中，该单活性芯光纤500可在图1的串联泵浦光纤放大器100中使用。
现在参考图2，同轴型双活性芯光纤200包括被第二芯201包围的第一芯1。在一些实施方案中，第一芯1可具有第一直径，第二芯201可具有不同的第二直径(例如，第二较大直径)。在一个实施方案中，第一直径可以是
Figure BDA0003084215680000041
第二直径可以是
Figure BDA0003084215680000042
Figure BDA0003084215680000043
第一芯1的掺杂可不同于第二芯201。在一个实施方案中，第一芯1可包括第一掺杂浓度，第二芯201可包括与更高吸收系数相关联的第二掺杂浓度。在一些实施方案中，第一芯1可包括Yb-700(Yb～50×1024m-3)，第二芯201可包括Yb-1200
Figure BDA0003084215680000044
Figure BDA0003084215680000045
在一些示例中，第一芯1的数值孔径(NA)可不大于第二芯201的NA。在一个实施方案中，第一芯1的NA可为约0.05或更小，第二芯201的NA可为不小于0.05，例如，在0.05～0.10的范围内。
光纤200可包括围绕芯1和201的包层205和护套210。包层205可以是玻璃包层多模泵引导八角形芯，其具有第三直径，该第三直径大于第二芯的第二直径，例如，为～800μm。
现在参考图5，单活性芯光纤500可以包括第一部分(110，图1)和第二部分(115，图1)。第一部分110可包括直径为
Figure BDA0003084215680000046
的芯501。该部分110的芯501可掺杂Yb-700
Figure BDA0003084215680000051
该部分110的芯501的NA可约为0.05(在一个实施方案中为0.07)。
第一部分110中的光纤500可包括围绕芯501的包层505和护套510。包层505和护套510可类似于本文所述的任何包层或护套。包层505可以是玻璃包层多模泵引导八角形芯，其直径大于芯501的直径，例如，为～800μm。
第二部分115可包括直径为
Figure BDA0003084215680000052
的芯501。该部分115的芯501可掺杂Yb-700
Figure BDA0003084215680000053
和/或80-85％的受限掺杂的掺杂剖面。该部分115的芯501的NA可约为0.05(在一个实施方案中为0.07)。第二部分115中的光纤500可以具有与第一部分110中类似的包层505和护套510。
再次参考图1，TOP增强放大器110可包括单或多活性芯光纤的第一部分。第一部分可以包括第一光纤布拉格光栅(FBG)和第二FBG(例如，分别为HR(高反射)FBG和PR(部分反射)FBG)，它们可包括对应于芯结构的直径，例如，第二芯201(图2)或芯501(图5)。第一和第二FBG可在选定的波长处居中以形成多模态振荡器，该多模态振荡器为功率放大器115所使用的串联泵浦建立必需的功率。
所选择的波长可小于种子激光器的中心波长。在一些示例中，差可以是3％或更小(例如，2.3％)和/或在0.1～6％的范围内。在该范围内，芯结构具有足够的尺寸以抑制模态不稳定性以及SBS。在一个实施方案中，所选择的波长可在1010-1045nm的范围内(例如，1018nm)。
在一些示例中，可选择第一芯1(图2)或芯501(图5)的掺杂以仅产生足够的单模种子功率，同时其由多模976nm泵浦以及1018nm串联泵浦(其可在芯结构内产生)进行双色泵浦。单或多活性芯光纤的第一部分的振荡器可以使用掺杂芯结构将976nm多模泵浦功率的大部分转换为芯结构内的1018nm波长。剩余的未被吸收的976nm泵浦(例如，百分之几)可进入单或多活性芯光纤(例如，功率放大器115)的第二部分的包层并被利用，这样可优化总体效率(例如，总体电功率到光功率的转换效率)。与1064nm放大器相比，当产生1018nm波长时，由于量子缺陷较低，对应于第一部分的o-o效率可高出3％。
图3A至图3C(双活性芯实施方案)分别示出了最终功率放大器内的计算信号功率和串联泵浦功率以及串联泵浦光纤放大器350(图3B)的上能态粒子数的图表300(图3A)、串联泵浦光纤放大器350的框图，以及串联泵浦光纤放大器350的双芯和全玻璃光纤375(图3C)的截面图。图6A至图6C(单活性芯实施方案)分别示出了最终功率放大器内的计算信号功率和串联泵浦功率以及串联泵浦光纤放大器650(图6B)的上能态粒子数的图表600(图6A)、串联泵浦光纤放大器650的框图以及串联泵浦光纤放大器650的单活性芯和全玻璃光纤675(图6C)的截面图。
串联泵浦光纤放大器350(图3B)的建模显示，在第二芯中的吸收大于0.51dB(关于976nm和1018nm)并且大于15dB(关于976nm)。当在20W处1080nm的最长信号波长被发射到光纤375的第一部分时，可产生大于1.27kw的信号，该信号可在光纤375的第二部分中放大。图3A至图3C的多活性芯实施方案的建模预测了976nm多模泵浦到1018nm串列泵浦的转换效率大于83％，并且在给定10米长振荡器的情况下，光纤375的第二芯中可产生大于12.5kW的功率水平。该模拟的结果在图表300中示出。
串联泵浦光纤放大器650(图6B)的建模显示了类似的结果。在～8米的“有效”光纤长度内，具有Yb-700的芯可实现大于0.51dB(关于976nm和1018nm)和大于15dB(关于976nm)的吸收。然而，当在20W处1080nm的最长信号波长被发射到光纤375的第一部分时，可以产生大于1kw的信号，该信号可以在光纤675的第二部分中放大。图6A至图6C的单活性芯实施方案的建模预测了976nm多模泵浦到1018nm串联泵浦的转换效率大于83％，并且在给定10米长振荡器和Yb-1200掺杂的情况下，光纤675的芯中可产生大于12.5kW的功率水平。该模拟的结果在图表600中示出。
现在参考图3A至图3C，图3C示出了第一芯、第二芯、内玻璃包层的折射率以及芯中的相对掺杂浓度。在本实施方案中，值376～379可分别为880μm、800μm、35μm和12.5μm，芯区381可包括
Figure BDA0003084215680000061
的第一掺杂轮廓，芯区382可包括
Figure BDA0003084215680000062
的不同的第二轮廓。在其它实施方案中，值376～379可分别为880μm、800μm、35μm和14μm。图6C示出了芯、内玻璃包层的折射率以及芯中的掺杂浓度。在本实施方案中，值676、677和679可分别为660-880μm、600-800μm和10～12μm(振荡器光纤)/17～35μm(功率放大器光纤)，芯区681可包括
Figure BDA0003084215680000063
Figure BDA0003084215680000064
(振荡器光纤和/或功率放大器光纤)的掺杂轮廓或在功率放大器光纤的芯中80-85％的受限掺杂。
对于SBC或CBC，本文描述的任何串联泵浦光纤放大器的种子激光器可以是单模半导体激光器，例如分布反馈(DFB)激光器或非平面环形振荡器(NPRO)，并且可相位调制以抑制SBS(对于其他应用，可以使用任何适当的单模种子，例如任何20W单模种子)。种子激光器可以是1064nm。
串联泵浦光纤放大器350(图3B)的TOP增强放大器可包括双活性芯和多包层，例如双包层或三包层。内芯可被掺杂以在需要进入功率放大器级的种子波长处产生足够的功率。可掺杂外部多模芯以将976nm二极管泵浦的一部分(例如，大部分)转换成1018nm串联泵浦。串联振荡器泵可以使用HR和PR FBG来产生
Figure BDA0003084215680000071
带宽的多模态振荡器，该多模态振荡器使用内芯和外芯的组合，内芯和外芯可以在相同水平或不同水平掺杂。HR和PR FBG的芯直径可与TOP增强放大器的增益放大器的外部多模芯直径相同。注入该级的种子波长可由976nm多模泵以及在振荡器腔内产生的1018nm串联泵放大，例如，具有由这些波长处的稀土掺杂剂吸收截面和芯-包层面积比确定的不同吸收系数。该激光器的功率缩放可通过根据需要添加更多二极管泵来实现，以达到目标功率值，例如3kW、5kW、10kW等。在一些实施方案中，“有效多模HR-FBG”可为以下类型之一：
1.FBG，被写入芯直径等于379(图3C)或479(图4)的掺锗光纤中。
2.FBG，被写入芯直径等于379(图3C)或479(图4)的掺锗光纤中并拼接到相同芯尺寸的无源手性耦合芯上以剥离高阶模式，从而使FBG的反射率大于99％。
3.FBG，被写入“有效芯径”等于379(图3C)或479(图4)的栅指数(GRIN)光纤中。
4.FBG，被写入“有效芯径”等于379(图3C)或479(图4)的GRIN光纤中并拼接到具有相同芯尺寸的无源手性耦合光纤上以剥离高阶模式，从而使FBG的反射率大于99％。
5.FBG，被写入具有交替的高折射率和低折射率壳环的多模光纤中。
6.注入该级的种子波长可由976nm多模泵以及振荡器腔内产生的1018nm串联泵放大，例如，具有由这些波长处的稀土掺杂剂吸收截面和芯-包层面积比确定的不同吸收系数。该激光器的功率缩放可通过根据需要增加更多的二极管泵来实现以达到目标功率值，如3kW、5kW、10kW等。
串联泵浦光纤放大器350的最终功率放大器可以使用内包层中的所有1018nm串联泵和未被振荡器吸收但在外包层中被引导以放大种子波长的任何剩余的976nm光的一部分(例如，所有)，且可使用模式-场适配器来匹配TOP增强光纤和最终功率放大器中的单模光束。一些实施方案可以使用包层光剥离器(CLS)以便在输出端盖之前剥离剩余的976nm泵浦。
一些实施方案包括
Figure BDA0003084215680000081
米“有效”光纤长度的多活性芯光纤，其包括Yb掺杂的芯区、未掺杂的内包层区以及外包层区(例如，外玻璃包层)。在一个实施方案中，掺杂的芯区、未掺杂的内包层区以及外包层区的尺寸可分别为20-25μm、70μm和400-600μm(泵浦引导可为800μm)。多活性芯光纤可包括最终功率放大器，该最终功率放大器包括模式-场适配器以使模式与多活性芯光纤的功率放大器部分匹配。1018nm串联泵浦可以在内包层区中被引导，并且可以在多活性芯光纤的最内层芯中泵浦信号。
图4示出了光纤的折射率400，该光纤类似于图3C的光纤375，并且包括双活性芯三光纤包层。在该示例中，值476～479分别为660～880μm、600～800μm/.022NA或更高、～35μm(Yb-1200掺杂的环/0.05NA)、～10μm(Yb-700掺杂/0.065NA)。
现在参考图6A至图6C，串联振荡器泵和增强放大器(TOP增强放大器)可包括芯(10μm和25μm)和多个包层(例如，DCF或TCF)。对于1030～1080nm的种子波长，泵浦波长可以是1018～1030nm。
TOP增强放大器可与功率放大器的光纤耦合(例如，拼接)。功率放大器可包括芯(20-35μm)和多个包层(例如，DCF或TCF)。外包层可为400-600μm。在一些实施方案中，功率放大器包括波长为1030～1080nm的端芯和侧包层泵浦串联功率放大器。该激光器的功率缩放可通过根据需要添加更多的二极管泵来实现，以达到目标功率值，例如大于10kW。
串联泵浦光纤放大器650的最终功率放大器可以使用内包层中的所有1018nm串联泵和未被振荡器吸收但在外包层中被引导以放大种子波长的任何剩余的976nm光的一部分(例如，所有)，并且可使用模式-场适配器来匹配TOP增强光纤和最终功率放大器中的单模光束。一些实施方案可以使用包层光剥离器(CLS)以便在输出端盖之前剥离剩余的976nm泵浦。
鉴于所公开技术的原理可以应用到的许多可能的实施方案，应当认识到，所示的实施方案只是优选的示例，且不应当被视为限制公开的范围。我主张所附权利要求的范围和精神内的所有内容都作为我的发明。

Claims (20)

1.一种装置，包括种子激光器，所述装置包括：
光纤，其包括至少一个芯，其中所述种子激光器被光学耦合到所述至少一个芯；
所述光纤包括作为振荡器操作的第一部分和作为功率放大器操作的不同的第二部分；以及
一个或多个二极管泵，其被光学耦合到所述光纤的所述第一部分。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，与所述振荡器相关的所选择的波长小于所述种子激光器的中心波长。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述所选择的波长与所述中心波长之间的差在0.1％至8％的范围内。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述种子激光器的中心波长在1020nm至1080nm的范围内。
5.根据权利要求2所述的装置，其中，所述所选择的波长在1010nm至1045nm的范围内。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述振荡器包括多模态振荡器。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或多个二极管泵形成的一组包括多个二极管泵，且所述装置进一步包括：
组合器，其被光学耦合在所述多个二极管泵和所述光纤的第一部分之间。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述种子激光器包括用于生成大于20W的种子功率的前置放大器。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述种子激光器被进行伪随机二进制序列(PRBS)相位调制。
10.根据权利要求1所的装置，其中，所述第一部分包括与所述振荡器相关的高反射光纤布拉格光栅(HR-FBG)和与增强放大器相关的部分反射光纤布拉格光栅(PR-FBG)。
11.一种串联泵浦光纤放大器，包括：
种子激光器，其被光学耦合到光纤的单活性芯；
所述光纤包括作为振荡器操作的第一部分和作为功率放大器操作的不同的第二部分；以及
一个或多个二极管泵，其被光学耦合到所述光纤的所述第一部分。
12.根据权利要求11所述的串联泵浦光纤放大器，其中，与所述振荡器相关的所选择的波长小于所述种子激光器的中心波长。
13.根据权利要求12所述的串联泵浦光纤放大器，其中，所述所选择的波长与所述中心波长之间的差在0.1％至8％的范围内。
14.根据权利要求12所述的串联泵浦光纤放大器，其中，所述种子激光器的中心波长在1020nm至1080nm的范围内。
15.根据权利要求12所述的串联泵浦光纤放大器，其中，所述所选择的波长在1010nm至1045nm的范围内。
16.根据权利要求11所述的串联泵浦光纤放大器，其中，所述振荡器包括多模态振荡器。
17.根据权利要求11所述的串联泵浦光纤放大器，其中，所述一个或多个二极管泵形成的一组包括多个二极管泵，且所述装置还包括：
组合器，其被光学耦合在所述多个二极管泵与所述光纤的第二部分之间。
18.根据权利要求11所述的串联泵浦光纤放大器，其中，所述种子激光器包括用于生成大于20W的种子功率的前置放大器。
19.根据权利要求11所述的串联泵浦光纤放大器，其中，所述种子激光器被进行伪随机二进制序列(PRBS)相位调制。
20.根据权利要求11所述的串联泵浦光纤放大器，其中，所述第一部分包括与所述振荡器相关的高反射光纤布拉格光栅(HR-FBG)和与增强放大器相关的部分反射光纤布拉格光栅(PR-FBG)。
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