CN113675709A - 一种基于反转粒子数调控的光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反转粒子数调控的光纤激光器，通过对有源光纤中纵向稀土离子的掺杂浓度进行特殊编辑，以实现对激光器中反转粒子数的控制，从而对不同纵向位置激光增益进行调制，以达到同时抑制ASE和SBS的目的，实现更高信噪比、更高功率的激光输出。增益光纤的纵向掺杂浓度可以根据需要进行调制，该激光器使用灵活，不需要额外器件，简化了激光系统，具有较大潜力。

Description

一种基于反转粒子数调控的光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器领域，尤其涉及一种基于反转粒子数调控的光纤激光器。

背景技术

光纤激光器因其具有较好的耐久性、紧凑的结构以及免维护等特点，在工业加工、科研、医疗等领域有着广泛的应用。通过对不同稀土掺杂光纤的运用，实现了光纤激光器在近红外至中红外波段的覆盖，并且通过对激光器结构的优化和光纤中掺杂浓度的提高，使得光纤激光器的输出功率在近20年也得到了飞速提升。通常，采用高浓度稀土掺杂光纤是提高激光器效率和功率的有效方案，但是在正向泵浦的激光器中，由于输入端激光信号功率较弱，对有源光纤中的上能级粒子数提取能力受限，而此位置泵浦功率较强，因此会产生大量的上能级粒子数剩余，这些未能发生受激辐射的上能级粒子一部分会通过自发辐射过程产生自发辐射放大(ASE)，尤其是在高掺杂浓度的光纤中ASE现象尤为明显，一方面ASE的产生会在放大过程中对激光器的效率造成不利影响，另一方面激光器的稳定性会因ASE的存在而发生恶化。截止到目前，激光器中的ASE抑制仍然是待解决的难题。并且在单频光纤激光器中，受激布里渊散射(SBS)问题也同样制约着激光功率的提升，信号光入射端较大的增益使得激光信号快速放大，同样也造成SBS快速积累，限制了单频激光功率的提升。

在光纤激光器中反向泵浦技术可以降低ASE的产生以及适当提高SBS阈值，其原理是降低了在信号光入射端的反转粒子数，从而降低了该位置的增益，但是由于该方法无法主动控制有源光纤中反转粒子数的量，对ASE和SBS的抑制程度有限，并在激光信号的输出端存在较长的尾纤，因此不利于其在单频高功率光纤激光器领域中的应用。

以上可见，控制有源光纤中纵向不同位置的反转粒子数，可以实现对ASE以及SBS的抑制，寻找能够主动控制反转粒子数的方法，从而实现更高功率、更高信噪比的激光输出，至关重要。

发明内容

本发明提供了一种基于反转粒子数调控的光纤激光器，本发明提高了激光器输出的功率和信噪比，详见下文描述：

一种基于反转粒子数调控的光纤激光器，包括：激光种子源、隔离器、泵浦源、泵浦耦合器件、纵向掺杂浓度编辑光纤、准直输出器。

其中，激光种子源通过光纤直接与隔离器相连，经隔离器与泵浦耦合器件相连；泵浦耦合器件与纵向掺杂浓度编辑光纤相连；纵向掺杂浓度编辑光纤与准直输出器相连；泵浦源通过泵浦耦合器件耦合进入所述纵向掺杂浓度编辑光纤中。

优选的，所述的激光种子源、隔离器、泵浦耦合器件、纵向掺杂浓度编辑光纤为保偏或非保偏均可。

其中，所述泵浦源可以是半导体激光器，也可以是光纤激光器或固体激光器以及其他形式的激光器，其激光模式可以是基横模，也可以是多横模，只要其发射波长处在所述纵向掺杂浓度编辑光纤的吸收带内，能够使纵向掺杂浓度编辑光纤产生激光增益即可；

其中，所述泵浦耦合器件可以是波分复用器(WDM)，也可以是信号泵浦合束器，根据泵浦源的形式和横模选择相应的耦合方式和器件。

其中，所述纵向掺杂浓度编辑光纤具体为：稀土离子掺杂光纤，稀土离子掺杂在纤芯中，沿光纤纵向对其掺杂浓度进行编辑，掺杂浓度变化方式可以是渐变型，可以是阶跃型，掺杂浓度可以逐渐增大，也可以逐渐减小，或先增大后减小，或先减小后增大。通过控制光纤在纵向不同位置的掺杂浓度，以实现光纤不同纵向位置对泵浦光吸收的差异，从而实现在泵浦条件下对光纤不同纵向位置反转粒子数的调控。

进一步的，本发明涉及的反转粒子数调控在光纤激光器的预防大级和功率放大级均可采用。

实现ASE抑制的具体原理为：采用正向泵浦方式，通过泵浦耦合器件将泵浦光耦合进入纵向掺杂浓度编辑光纤中。在纵向掺杂编辑光纤的信号输入端，通过编辑较小的掺杂浓度，使得纵向掺杂光纤在输入端吸收泵浦光后产生的反转粒子数可匹配输入激光信号对上能级粒子数的提取能力，减少剩余反转粒子数的量，以此在实现对激光信号放大的过程中，减少产生ASE的强度；随着激光信号在纵向掺杂浓度编辑光纤的传播过程中持续放大，对光纤中反转粒子数提取能力的增强，通过逐渐增加光纤中的掺杂浓度以使得反转粒子数始终匹配激光信号对反转粒子数的提取能力，最终实现对ASE的抑制。

实现提高SBS阈值的原理为：采用常规正向泵浦方式，所述纵向掺杂浓度编辑光纤的纤芯稀土离子掺杂浓度逐渐增大，激光信号由纵向掺杂浓度编辑光纤的低掺杂端入射，在初始端逐渐由于较小的掺杂浓度(相对于整根光纤中不同位置的掺杂浓度来说较小，例如：2wt.％)使得激光信号逐渐放大，减弱初始端的受激布里渊散射积累，随着所述纵向掺杂浓度编辑光纤靠后的位置掺杂浓度提升至较高的水平，SBS发生显著积累，减小受激布里渊散射的有效积累长度，提高SBS阈值。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明通过对增益光纤中的掺杂浓度进行编辑从而实现对反转粒子数的调控，可降低激光系统中ASE的强度，不需要额外的光纤器件，简化了光路结构，提高了系统集成度；

2、本发明利用纵向掺杂编辑光纤，在信号初始端增益较小，降低了受激布里渊散射的积累，可提高受激布里渊阈值；

3、本发明可根据不同的应用场景对纵向掺杂编辑光纤中的掺杂浓度进行优化，使用灵活，适用范围广；其纵向掺杂浓度编辑可以是纵向掺杂浓度的渐变，也可以是梯度变化，可以单调变化，也可以波动变化；

4、本发明所用方法适用于掺镱、掺铒、掺铥、掺钕、铒镱共掺等稀土掺杂光纤激光器中；

5、本发明适用于连续光纤激光器以及脉冲光纤激光器；对于抑制稀土离子发射带短波长激光中产生的ASE有着更为明显的效果。

附图说明

图1为一种基于反转粒子数调控的光纤激光器的结构示意图；

图2为纵向掺杂浓度编辑光纤中浓度掺杂随光纤纵向位置变化—均匀递增式的示意图；

图3为纵向掺杂浓度编辑光纤中浓度掺杂随光纤纵向位置变化—阶梯式的示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：激光种子源； 2：隔离器；

3：泵浦源； 4：泵浦耦合器件；

5：纵向掺杂编辑光纤； 6：准直输出器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种基于反转粒子数调控的光纤激光器，参见图1，包括：激光种子源1、隔离器2、泵浦源3、泵浦合束器4、纵向掺杂浓度编辑光纤5、准直输出器6。

其中，激光种子源1为中心波长1018nm的单频光纤激光器，输出功率300mW，线宽10kHz。泵浦源3为光纤耦合输出的976nm多模半导体泵浦源，尾纤纤芯包层直径分别为105/125μm；其中泵浦合束器4为(6+1)*1型，用于将泵浦源3发出的976nm泵浦光耦合进入纵向掺杂浓度编辑光纤5的纤芯中，泵浦端的光纤尺寸为105/125μm，激光信号输入端光纤尺寸12/125μm，激光信号输出端光纤尺寸30/250μm，与泵浦源3的尾纤和纵向掺杂浓度编辑光纤5的规格相匹配。隔离器2用于保护激光种子源1。

其中，纵向掺杂浓度编辑光纤5为双包层光纤，纤芯内包层尺寸分别为30/250μm，光纤长度为3m。其纵向掺杂浓度变化如图2所示，掺杂浓度由信号端向输出端呈均匀递增变化，低增益端与泵浦合束器4相连。光纤中掺杂稀土离子为镱离子，以匹配激光种子源的中心波长。纵向掺杂浓度编辑光纤5吸收泵浦源3发出的泵浦光后，发生粒子数反转为激光信号提供增益；采用正向泵浦方式，在信号光的输入端，较低的光纤增益提供了较少的反转粒子数，在满足激光信号提取能力的同时极大的减小了ASE的强度，在后续的放大中，以阶梯增加的掺杂浓度来匹配相应的激光信号对上能粒子数提取能力，降低ASE的强度，提高激光效率。

实施例2

一种基于反转粒子数调控的光纤激光器，参见图1，包括：激光种子源1、隔离器2、泵浦源3、泵浦合束器4、纵向掺杂浓度编辑光纤5、准直输出器6。

本实施例中激光种子源1、隔离器2、泵浦源3、泵浦合束器4、准直输出器6的参数与实施例1中相同。

纵向掺杂浓度编辑光纤5中的掺杂稀土离子为镱离子，掺杂浓度由信号端向输出端呈阶梯增加的方式；通过在掺杂浓度编辑光纤5的前段配置低浓度稀土离子，控制激光的增益，使得信号光得到一定程度的放大；在掺杂浓度编辑光纤5的后段配置高浓度稀土离子，使得被放大的信号激光在后段充分放大；通过高低浓度的稀土离子配置，控制掺杂浓度编辑光纤5中的激光增益，减小激光的有效作用长度，提高SBS阈值。

实施例3

上述实施例1中，激光种子源1的中心波长可以在近红外至中红外任意波长，只要有稀土离子可以实现该波长的激光激射即可，本发明实例对此不做限制。

上述实施例1中，纵向掺杂浓度编辑光纤5的掺杂阶梯型掺杂编辑方式中的掺杂浓度变化方式以及掺杂浓度差可根据实际需要来进行调整优化，本发明实施例对此不做限制。

上述实施例1中，纵向掺杂浓度编辑光纤5的掺杂浓度变化方式可以是渐变型，可以是阶跃型，掺杂浓度可以逐渐增大，也可以逐渐减小，或先增大后减小，或先减小后增大，本发明实施例对此不做限制。

上述实施例1中，纵向掺杂浓度编辑光纤5可以是双包层光纤，也可以是单包层光纤，其纤芯包层尺寸需根据具体的功率情况进行优化，本发明实施例对此不做限制。

上述实施例1中，泵浦方式为正向泵浦，也可以是反向泵浦、或双端泵浦，本发明实施例对此不做限制。

泵浦源2可以是多横模半导体激光器，也可以是单模半导体激光器或其他类型的激光器，泵浦波长可以是980nm、也可以是915nm等其他波长，只要对应纵向掺杂浓度编辑光纤5内掺杂稀土离子的吸收带即可，本发明实施例对此不做限制。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号和规格，包括光纤的尺寸、数值孔径、长度和掺杂浓度等，不做具体限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于反转粒子数调控的光纤激光器，其特征在于，所述激光器包括：激光种子源、隔离器、泵浦源、泵浦耦合器件、纵向掺杂浓度编辑光纤、准直输出器，

所述激光种子源提供激光信号，所述隔离器用于保护激光种子源，所述泵浦耦合器件用于将泵浦源发出的泵浦光耦合进入所述纵向掺杂浓度编辑光纤中，所述纵向掺杂编辑光纤实现对激光的放大；

在所述纵向掺杂浓度编辑光纤的不同纵向位置上编辑不同的稀土离子掺杂浓度，包括：

1)在信号输入端编辑较小的稀土离子掺杂浓度，使得所述纵向掺杂浓度编辑光纤在信号输入端吸收泵浦光后产生粒子数反转，匹配输入激光信号对上能级粒子数的提取能力，减少剩余反转粒子数，在实现对激光信号放大的过程中，减弱ASE的强度；

2)通过在所述纵向掺杂浓度编辑光纤中沿纵向编辑逐步递增或阶跃递增的稀土离子浓度，激光信号由所述纵向掺杂浓度编辑光纤的低掺杂端入射，在所述纵向掺杂浓度编辑光纤的信号入射端产生SBS积累，提高SBS阈值。

2.根据权利要求1所述的一种基于反转粒子数调控的光纤激光器，其特征在于，从信号光进光纤至出光纤，所述纵向掺杂浓度编辑光纤的掺杂浓度变化方式为渐变型或阶跃型，掺杂浓度逐渐增大，或逐渐减小，或先增大后减小，或先减小后增大。

3.根据权利要求1所述的一种基于反转粒子数调控的光纤激光器，其特征在于，所述激光种子源、隔离器、泵浦耦合器件、纵向掺杂浓度编辑光纤为保偏或非保偏均可。

4.根据权利要求1所述的一种基于反转粒子数调控的光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源为半导体激光器，或光纤激光器或固体激光器；

激光模式为基横模或多横模，发射波长处在所述纵向掺杂浓度编辑光纤的吸收带内，使纵向掺杂浓度编辑光纤产生激光增益；

所述泵浦耦合器件为波分复用器或信号泵浦合束器，根据泵浦源的形式和横模选择相应的耦合方式和器件。

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