CN113964632A - 一种高功率单模光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高功率单模光纤激光器，包括振荡器和放大器两种结构，其中振荡器结构组成包括前向泵浦模块(1)、高反射率光纤光栅(2)、低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)、低反射率光纤光栅(4)、后向泵浦模块(5)和激光输出模块(6)。放大器结构组成包括种子源(7)、前向泵浦模块(1)、低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)、后向泵浦模块(5)、激光输出模块(6)。其中，低掺杂大模场低数值孔径增益光纤是在最大吸收系数波长处的吸收系数较低、纤芯模场直径较大、数值孔径较小的掺稀土离子光纤。本发明同时抑制模式不稳定效应和受激拉曼散射效应，并且具有更低的光子暗化效果。
Description
技术领域
本发明属于高功率光纤激光技术领域，涉及一种高功率单模光纤激光器的新方案。
背景技术
高功率单模光纤激光是工业加工应用的重要光源，当前，高亮度单路功率提升主要受限于横向模式不稳定效应(TMI)和受激拉曼散射效应(SRS)。TMI的出现会降低光束质量、限制功率提升甚至威胁激光器安全；而SRS的出现一方面会诱发TMI的产生，另一方面会降低系统效率、光谱纯度和光束质量。传统观念认为增加光纤吸收系数可以缩短增益光纤长度从而可以降低非线性效应的影响。但是对于高功率光纤激光器，TMI效应的阈值通常更低，首先发生的是TMI效应而不是非线性效应，因此继续沿用传统增益光纤搭建高功率光纤激光器，无法获得高光束质量的激光输出。同时由于高吸收还会带来光子暗化等问题，降低光纤的长时间可靠性。理论研究认为TMI主要来源于热负载引起的模式耦合，因此降低热负载有利于抑制TMI。为了有效抑制TMI效应，有研究人员采用低吸收系数波长的半导体泵浦源进行泵浦，从而降低单位长度上的产热，但是该方法为了获得足够的吸收又必须增加光纤长度，从而增强了非线性效应，因此传统高功率单模光纤激光器功率提升的矛盾非常尖锐。
发明内容
本发明提供一种高功率单模光纤激光器，所述单模光纤激光器至少包括：前向泵浦模块(1)，低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)、后向泵浦模块(5)和激光输出模块(6)；其中前向泵浦模块(1)和后向泵浦模块(5)均包括光输出光纤和输入端光纤，前向泵浦模块(1)的光输出光纤与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)的一端通过光纤熔接连接成一体；后向泵浦模块(5)光输出光纤与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)的另一端连接通过光纤熔接连接成一体，后向泵浦模块(5)的输入端光纤和激光输出模块(6)通过光纤熔接连接成一体；所述低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)为掺单一稀土离子的石英玻璃光纤，所述低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)在泵浦吸收最强波长处的包层吸收系数为0.3dB/m-0.8dB/m，纤芯直径为25μm-50μm，包层直径为400μm-1000μm，纤芯数值孔径为0.03-0.055。
进一步的，所述的稀土离子包括镱离子、铒离子、铥离子、钬离子。
进一步的，所述的单模光纤激光器能够用于激光振荡器，当用作激光振荡器时，分别在前向泵浦模块(1)与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)之间的光纤上插入高反射率光纤光栅(2)；在低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)和后向泵浦模块(5)之间插入低反射率光纤光栅(4)。
进一步的，所述高反射率光纤光栅(2)的中心波长对应低掺杂大模场低数值孔径增益光纤增益最大的波长范围，所述高反射率光纤光栅(2)的反射率为>99％，反射带宽为1nm-3nm，光纤纤芯、包层直径和数值孔径参数与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)相同，所述低反射率光纤光栅(4)的中心波长与高反射率光纤光栅(1)中心波长相同；低反射率光纤光栅的反射率为15％-5％，反射带宽为0.1nm-2nm，光纤纤芯、包层直径和数值孔径参数与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)相同，两种光纤光栅均通过光纤熔接分别与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)和前向泵浦模块(1)或后向泵浦模块(5)连接。
进一步的，所述低反射率光纤光栅(4)和高反射率光纤光栅(1)中心波长的范围为1060nm-1090nm。
进一步的，所述的单模光纤激光器能够用作激光放大器，所激光放大器包括：种子源(7)；种子源(7)的输出光纤与前向泵浦模块(1)输入端光纤熔接成一体；所述种子源(7)的中心波长对应低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)增益最大的波长范围，种子源的输出功率50W-300W。
进一步的，所述激光输出模块(6)包含包层光滤除器和光纤输出端帽，所述激光输出模块(6)使用光纤的纤芯直径与数值孔径不小于后向泵浦模块(5)信号光输出光纤的纤芯直径与数值孔径。
进一步的，所述前向泵浦模块(1)和后向泵浦模块(5)光学结构相同，具有光输出光纤、输入端光纤和泵浦信号耦合器，泵浦光通过泵浦信号耦合器注入光输出光纤的光纤内包层中，进而传导进入低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)；所述输入端光纤能够传导种子源输出的信号光或者将低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)的光输出通过输入端光纤纤芯传导到激光输出模块(6)，输入端光纤的纤芯数值孔径与纤芯直径不小于低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)的纤芯数值孔径与纤芯直径。
进一步的，所述前向泵浦模块(1)和后向泵浦模块(5)的输出光的中心波长为976nm。
采用本方案可以达到以下技术效果：
低掺杂增益光纤可以轻易地实现低纤芯数值孔径，结合大纤芯直径设计，可以在不明显增加光纤纤芯支持模式数量的前提下，提高增益光纤模式不稳定效应的阈值；同时纤芯直径的增大可以很好缓解由于吸收减弱带来的光纤长度增加。本方案通过低掺杂导致的低吸收系数抑制了模式不稳定效应；通过大模场、低数值孔径平衡了受激拉曼散射等非线性效应。通过上述设计很好地把限制单模光纤激光器功率提升的两大问题缓解了，同时不会增加光纤制备的难度，也可以较好地改善光子暗化等高浓度掺杂光纤的不足。
附图说明
图1是一种高功率单模光纤激光器新方案的结构示意图之一。
图2是一种高功率单模光纤激光器新方案的结构示意图之二。
图中标记：1-前向泵浦模块，2-高反射率光纤光栅，3-低掺杂大模场低数值孔径增益光纤，4-低反射率光纤光栅，5-后向泵浦模块，6-激光输出模块，7-种子源。
具体实施方式
本发明的目的是公开一种高功率单模光纤激光器新方案，从光纤制备的角度出发，通过设计低掺杂、大模场、低数值孔径光纤来同时抑制模式不稳定效应和受激拉曼散射效应。首先利用低掺杂光纤来控制泵浦光的吸收强度，从而使增益光纤的热负载得到缓和，对于降低吸收系数带来的增益光纤增长，以及非线性效应(SRS)增强，是通过增大模场面积进行控制。与传统增益光纤相比，低掺杂自然会带来低数值孔径，低掺杂光纤可以轻易地将纤芯的数值孔径做得更小，例如0.04，这样增大模场面积的同时不会显著增加纤芯支持的模式数量，从而在保持光束质量的前提下弱化非线性效应，实现对两种物理限制的同时抑制。从工艺实现上也比传统低数值孔径增益光纤制造方法更简单。另外，由于掺杂浓度的减小，会使光子暗化效应减弱，这也增强了激光器的可靠性。
本发明的技术方案如下：
一种高功率单模光纤激光器新方案，包括振荡器和放大器两种结构，振荡器结构的组成包括前向泵浦模块与高反射率光纤光栅连接、高反射率光纤光栅与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤连接、低掺杂大模场低数值孔径增益光纤与低反射率光纤光栅连接、低反射率光纤光栅与后向泵浦模块连接、后向泵浦模块与激光输出模块连接。各部分连接通过光纤熔接实现。
所述低掺杂大模场低数值孔径增益光纤，是掺单一稀土离子的石英玻璃光纤，稀土离子包括镱离子、铒离子、铥离子、钬离子等，光纤在泵浦吸收最强波长处的包层吸收系数为0.3dB/m-0.8dB/m(例如掺镱光纤最强吸收波长为976nm)，纤芯直径为25μm-50μm，包层直径为400μm-1000μm，纤芯数值孔径为0.03-0.055。
所述前向泵浦模块是通过泵浦耦合器件，如泵浦信号耦合器，将泵浦光注入高反射率光纤光栅的光纤外包层中，两个器件的光纤参数相同，前向泵浦模块的泵浦波长为低掺杂大模场低数值孔径增益光纤的最强吸收波长。
所述高反射率光纤光栅的中心波长对应低掺杂大模场低数值孔径增益光纤增益最大的波长范围，例如对于掺镱光纤，波长范围为1060nm-1090nm；高反射率光纤光栅的反射率为>99％，反射带宽为1nm-3nm，光纤纤芯、包层直径和数值孔径参数与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤相同，确保低损耗熔接。
所述低反射率光纤光栅的中心波长与高反射率光纤光栅中心波长相同；低反射率光纤光栅的反射率为15％-5％，反射带宽为0.1nm-2nm，光纤纤芯、包层直径和数值孔径参数与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤相同，确保低损耗熔接。
所述后向泵浦模块是通过泵浦耦合器件，如泵浦信号耦合器，将泵浦光注入低反射率光纤光栅的光纤内包层中，泵浦信号耦合器合束端与低反射率光纤光栅的外包层直径相同；后向泵浦模块具有信号光传导功能，可以将产生的信号光通过纤芯传导到激光输出模块，传导信号光的纤芯数值孔径与直径不小于低掺杂大模场低数值孔径增益光纤的对应参数；后向泵浦模块的泵浦波长为低掺杂大模场低数值孔径增益光纤的最强吸收波长。
所述激光输出模块是将产生的高功率激光输出的结构，包含了包层光滤除器和光纤输出端帽，所用光纤的纤芯直径与数值孔径不小于后向泵浦模块信号光输出光纤的对应参数。
放大器结构的组成包括：种子源与前向泵浦模块连接、前向泵浦模块与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤连接、低掺杂大模场低数值孔径增益光纤与后向泵浦模块连接、后向泵浦模块与激光输出模块连接。各部分连接通过光纤熔接实现。
所述低掺杂大模场低数值孔径增益光纤，是掺单一稀土离子的石英玻璃光纤，稀土离子包括镱离子、铒离子、铥离子、钬离子等，光纤在泵浦吸收最强波长处的包层吸收系数为0.3dB/m-0.8dB/m(例如掺镱光纤最强吸收波长为976nm)，纤芯直径为25μm-50μm，包层直径为400μm-1000μm，纤芯数值孔径为0.03-0.055。
所述种子源的中心波长对应低掺杂大模场低数值孔径增益光纤增益最大的波长范围，例如对于掺镱光纤，波长范围为1060nm-1090nm；种子源的输出功率50W-300W。
所述前向泵浦模块是通过泵浦耦合器件，如泵浦信号耦合器，将泵浦光注入低掺杂大模场低数值孔径增益光纤的光纤外包层中，将种子光注入到低掺杂大模场低数值孔径增益光纤的纤芯，泵浦信号耦合器的输出光纤外包层与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤的外包层相同直径，纤芯直径不大于低掺杂大模场低数值孔径增益光纤的纤芯直径，前向泵浦模块的泵浦波长为低掺杂大模场低数值孔径增益光纤的最强吸收波长。
所述后向泵浦模块是通过泵浦耦合器件，如泵浦信号耦合器，将泵浦光注入低掺杂大模场低数值孔径增益光纤的光纤外包层中，泵浦信号耦合器合束端与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤的外包层直径相同；后向泵浦模块具有信号光传导功能，可以将放大的信号光通过纤芯传导到激光输出模块，传导信号光的纤芯数值孔径与直径不小于低掺杂大模场低数值孔径增益光纤的对应参数；后向泵浦模块的泵浦波长为低掺杂大模场低数值孔径增益光纤的最强吸收波长。
所述激光输出模块是将产生的高功率激光输出的结构，包含了包层光滤除器和光纤输出端帽，所用光纤的纤芯直径与数值孔径不小于后向泵浦模块信号光输出光纤的对应参数。
以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
本发明的创新之处在于采用低掺杂大模场低数值孔径增益光纤，可以同时抑制了模式不稳定效应和受激拉曼散射效应。下面结合图示对本发明进行进一步说明。
图1是一种高功率单模光纤激光器新方案的结构示意图之一，通常称作振荡器结构，其中包括(1)中心波长为976nm的前向泵浦模块，功率1300W，输出光纤内包层为400μm。(2)中心波长为1080nm、反射率99％、反射带宽4nm的高反射率光纤光栅，光纤为30/400μm，纤芯数值孔径为0.05。(3)976nm波长吸收系数为0.6dB/m，纤芯直径30μm，数值孔径0.05，包层直径为400μm，长度25m的低掺杂大模场低数值孔径掺镱光纤，(4)中心波长为1080nm、反射率10％、反射带宽2nm的低反射率光纤光栅，光纤为30/400μm，纤芯数值孔径为0.05。(5)中心波长为976nm的后向泵浦模块，功率5000W，输出光纤为30/400μm，纤芯数值孔径为0.05。(6)激光输出模块包括包层光滤除器和光纤输出端帽，采用的光纤为30/400μm，纤芯数值孔径为0.05。前向泵浦模块将泵浦光耦合到高反射率光纤光栅(2)的内包层中，泵浦光经过高反射率光纤光栅(2)后进入低掺杂大模场低数值孔径掺镱光纤(3)的包层并被纤芯不断吸收，高反射率光纤光栅(2)、低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)与低反射率光纤光栅(4)组成了光纤谐振腔，将吸收的泵浦光转化为纤芯中的激光，后向泵浦模块(5)一方面也可以注入泵浦光，另一方面将产生的激光通过信号臂传导到激光输出模块(6)，其中激光输出模块(6)包括了包层光滤除器和光纤输出端帽。
图2是一种高功率单模光纤激光器新方案的结构示意图之二，通常称作放大器结构，其中包括(1)中心波长为976nm的前向泵浦模块，(3)976nm波长吸收系数为0.6dB/m、纤芯直径30μm、数值孔径0.05、长度25m的低掺杂大模场低数值孔径掺镱光纤，(5)中心波长为976nm的后向泵浦模块，(6)激光输出模块，⑺-中心波长为1080nm、功率为80W的种子源。种子源(1)的激光和前向泵浦模块(2)的泵浦光通过前向泵浦模块(1)的信号臂和泵浦臂注入到低掺杂大模场低数值孔径掺镱光纤(3)中，后向泵浦模块(5)的泵浦光也注入到低掺杂大模场低数值孔径掺镱光纤(3)的包层中，低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)吸收泵浦光后将种子光不断放大，经由后向泵浦模块(5)的信号臂输出到激光输出模块(6)，其中激光输出模块(6)包括了包层光滤除器和光纤输出端帽。
实施例1
下面给出本发明结构示意图1对应的具体实施例：一种高功率单模光纤激光器新方案，包括前向泵浦模块(1)，高反射率光纤光栅(2)，低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)，低反射率光纤光栅(4)，后向泵浦模块(5)，激光输出模块(6)。
进一步，前向泵浦模块(1)泵浦光中心波长976nm，功率1300W。
所述高反射率光纤光栅(2)中心波长为1080nm，反射率为99％，反射带宽为4nm。
所述低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)为掺镱光纤，在976nm的吸收系数为0.6dB/m，纤芯直径30μm、数值孔径0.05、长度25m。
所述低反射率光纤光栅(4)中心波长为1080nm，反射率为10％，反射带宽为2nm。
所述后向泵浦模块(5)泵浦光中心波长976nm，功率5000W。
所述激光输出模块(6)包括包层光滤除器和光纤输出端帽。
利用该实施例可以获得前向输出功率大于5kW的单模1080nm波段激光输出。
实施例2
下面给出本发明结构示意图2对应的具体实施例：一种高功率单模光纤激光器新方案，包括种子源(7)，前向泵浦模块(1)，低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)，后向泵浦模块(5)，激光输出模块(6)。
进一步，种子源(7)中心波长为1080nm，单模输入，功率80W，输出光纤20/400μm。
所述前向泵浦模块(1)泵浦光中心波长976nm，功率1300W，信号输入输出光纤均为光纤20/400μm。
所述低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)为掺镱光纤，在976nm的吸收系数为0.6dB/m，纤芯直径30μm、包层直径400μm、数值孔径0.05、长度25m。
所述后向泵浦模块(5)泵浦光中心波长976nm，功率5000W。
所述激光输出模块(6)包括包层光滤除器和光纤输出端帽，采用光纤为30/400μm双包层光纤，纤芯数值孔径0.05。
利用该实施例可以获得前向输出功率大于5kW的单模1080nm波段激光输出。
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 (9)
1.一种高功率单模光纤激光器，其特征在于，所述单模光纤激光器至少包括：前向泵浦模块(1)，低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)、后向泵浦模块(5)和激光输出模块(6)；其中前向泵浦模块(1)和后向泵浦模块(5)均包括光输出光纤和输入端光纤，前向泵浦模块(1)的光输出光纤与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)的一端通过光纤熔接连接成一体；后向泵浦模块(5)光输出光纤与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)的另一端连接通过光纤熔接连接成一体，后向泵浦模块(5)的输入端光纤和激光输出模块(6)通过光纤熔接连接成一体；所述低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)为掺单一稀土离子的石英玻璃光纤，所述低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)在泵浦吸收最强波长处的包层吸收系数为0.3dB/m-0.8dB/m，纤芯直径为25μm-50μm，包层直径为400μm-1000μm，纤芯数值孔径为0.03-0.055。
2.如权利要求1所述的单模光纤激光器，其特征在于，所述的稀土离子包括镱离子、铒离子、铥离子、钬离子。
3.如权利要求1所述的单模光纤激光器，其特征在于，所述的单模光纤激光器能够用于激光振荡器，当用作激光振荡器时，分别在前向泵浦模块(1)与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)之间的光纤上插入高反射率光纤光栅(2)；在低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)和后向泵浦模块(5)之间插入低反射率光纤光栅(4)。
4.如权利要求3所述的单模光纤激光器，其特征在于，所述高反射率光纤光栅(2)的中心波长对应低掺杂大模场低数值孔径增益光纤增益最大的波长范围，所述高反射率光纤光栅(2)的反射率为>99％，反射带宽为1nm-3nm，光纤纤芯、包层直径和数值孔径参数与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)相同，所述低反射率光纤光栅(4)的中心波长与高反射率光纤光栅(1)中心波长相同；低反射率光纤光栅的反射率为15％-5％，反射带宽为0.1nm-2nm，光纤纤芯、包层直径和数值孔径参数与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)相同，两种光纤光栅均通过光纤熔接分别与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)和前向泵浦模块(1)或后向泵浦模块(5)连接。
5.如权利要求4所述的单模光纤激光器，其特征在于，所述低反射率光纤光栅(4)和高反射率光纤光栅(1)中心波长的范围为1060nm-1090nm。
6.如权利要求1所述的单模光纤激光器，其特征在于，所述的单模光纤激光器能够用作激光放大器，所激光放大器包括：种子源(7)；种子源(7)的输出光纤与前向泵浦模块(1)输入端光纤熔接成一体；所述种子源(7)的中心波长对应低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)增益最大的波长范围，种子源的输出功率50W-300W。
7.如权利要求1-6中任一项所述的单模光纤激光器，其特征在于，所述激光输出模块(6)包含包层光滤除器和光纤输出端帽，所述激光输出模块(6)使用光纤的纤芯直径与数值孔径不小于后向泵浦模块(5)信号光输出光纤的纤芯直径与数值孔径。
8.如权利要求1-6中所述的单模光纤激光器，其特征在于，所述前向泵浦模块(1)和后向泵浦模块(5)光学结构相同，具有光输出光纤、输入端光纤和泵浦信号耦合器，泵浦光通过泵浦信号耦合器注入光输出光纤的光纤内包层中，进而传导进入低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)；所述输入端光纤能够传导种子源输出的信号光或者将低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)的光输出通过输入端光纤纤芯传导到激光输出模块(6)，输入端光纤的纤芯数值孔径与纤芯直径不小于低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)的纤芯数值孔径与纤芯直径。
9.如权利要求1所述的单模光纤激光器，其特征在于，所述前向泵浦模块(1)和后向泵浦模块(5)的输出光的中心波长为976nm。
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