CN114284850A - 一种保偏光纤放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种保偏光纤放大器，涉及激光器领域。包括通过保偏光纤依次连接的种子源、偏振光旋转结构、放大组件及输出端帽。所述种子源用于输出慢轴传输的种子光，所述偏振光旋转结构用于将种子光变为快轴传输，所述放大组件用于对种子光进行放大，所述输出端帽用于将放大后的激光输出。本发明通过采用保偏光纤的快轴传输激光，利用其较大的弯曲损耗获得更好的选模效果，从而提升保偏光纤放大器的MI阈值，使得输出功率可以进一步提高。

Description

一种保偏光纤放大器

技术领域

本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种保偏光纤放大器。

背景技术

光纤激光器具有体积小、效率高、光束质量好、热管理方便等突出的优点，因此发展速度极快，在工业和国防领域等方面给得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。而相比于随机偏振光纤激光器，保偏光纤激光器在激光通信、高精度传感、引力波探测、光束合成等领域具有特殊的应用，因此，对保偏光纤激光器的研究具有重要意义。

近年来，随着光纤制造工艺和泵浦技术的不断发展，光纤激光器的输出功率不断提高。但是，输出功率的提高，容易产生非线性效应（如受激拉曼散射SRS和受激布里渊散射SBS效应）。一般采用大模场来抑制非线性效应，然而大模场光纤中基模和高阶模之间的相互干涉，又会使激光器产生模式不稳定（mode instability，MI）效应，使激光器的光束质量下降。

而相比于随机偏振光纤激光器，保偏光纤激光器受非线性效应、模式不稳定效应等因素的限制更大，输出功率远低于随机偏振光纤激光器。目前，抑制保偏光纤激光器中模式不稳定效应的主要方法包括弯曲增益光纤、改变泵浦波长、特殊光纤设计等方法，但是保偏光纤放大器通常采用保偏光纤的慢轴传输激光，在相同弯曲直径下，慢轴传输的弯曲损耗远小于快轴，因此弯曲选模效果较差，而目前其他的方法提升MI阈值的能力十分有限。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本申请提供一种保偏光纤放大器。

本申请提供的一种保偏光纤放大器，包括通过保偏光纤依次连接的种子源、偏振光旋转结构、放大组件及输出端帽，所述种子源用于输出慢轴传输的种子光，所述偏振光旋转结构用于将种子光变为快轴传输，所述放大组件用于对种子光进行放大，所述输出端帽用于将放大后的激光输出。

在一种可能的实施方式中，所述偏振光旋转结构为正交熔接的保偏光纤。

在一种可能的实施方式中，所述放大组件通过反向泵浦方式进行放大。

在一种可能的实施方式中，所述放大组件包括保偏增益光纤、保偏泵浦及泵浦源，所述保偏增益光纤一侧通过保偏光纤连接至所述偏振光旋转结构，另一侧通过保偏光纤连接至所述保偏泵浦的输入端，所述保偏泵浦的泵浦端通过保偏光纤连接至所述泵浦源，所述保偏泵浦的输出端通过保偏光纤连接至所述输出端帽。

在一种可能的实施方式中，所述保偏增益光纤选自掺镱保偏光纤、掺铒保偏光纤、掺铥保偏光纤中的至少一种。

在一种可能的实施方式中，所述泵浦源选自激光二极管泵浦源、光纤激光泵浦源中的至少一种。

在一种可能的实施方式中，所述保偏光纤放大器还包括包层光剥离器，所述包层光剥离器用于将残余的泵浦光和泄漏到包层中的种子光剥除。

在一种可能的实施方式中，所述包层光剥离器的数量为两个，其中一个所述包层光剥离器位于所述偏振光旋转结构与所述保偏增益光纤之间，另一个所述包层光剥离器位于所述保偏泵浦与所述输出端帽。

在一种可能的实施方式中，所述保偏光纤采用PANDA型保偏光纤。

在一种可能的实施方式中，所述偏振光旋转结构为偏振旋转器。

相比现有技术，本申请的有益效果：

所述保偏光纤放大器通过偏振光旋转结构，将从种子源处发出的沿慢轴传输的偏振种子光改变为沿快轴传输的偏振光，采用快轴传输种子光，并通过放大组件将其功率放大，可利用在相同弯曲直径下，快轴传输在高阶模具有更大的弯曲损耗，获得更好的弯曲选模效果，从而提高保偏光纤放大器的MI阈值，便于对激光的输出功率进行提高，也可改善保偏光纤放大器的光束质量性能，实现光纤激光高光束质量的输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了保偏光纤快轴和慢轴的弯曲损耗的示意图；

图2示出了一种保偏光纤放大器的示意图；

图3示出了图2所述保偏光纤放大器中正交熔接点两侧保偏光纤的端面示意图；

图4示出了图2所述保偏光纤放大器中除正交熔接点外其他熔接点两侧保偏光纤的端面示意图；

图5示出了图2所述保偏光纤放大器的结构示意图；

图6示出了另一种保偏光纤放大器的示意图；

图7示出了图6所述保偏光纤放大器的结构示意图。

主要元件符号说明：

100-保偏光纤放大器；10-种子源；20-正交熔接点；30-放大组件；31-保偏增益光纤；32-保偏泵浦；33-泵浦源；40-输出端帽；50-包层光剥离器；60-偏振旋转器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“后”、“内”、“外”、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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。

理论研究表明，激光器输出偏振态对MI阈值没有明显影响。但是，如图1所示，在部分实验中却观察到保偏光纤激光器的MI阈值明显低于非保偏光纤激光器。主要原因是保偏光纤通常采用慢轴传输激光，相同弯曲直径下，慢轴的弯曲损耗远小于快轴，弯曲选模效果较差。因此，可采用保偏光纤的快轴传输激光，利用其较大的弯曲损耗获得更好的选模效果，从而提升保偏光纤放大器的MI阈值，使得输出功率可以进一步提高。

本申请提供一种保偏光纤放大器，包括依次连接的种子源、偏振光旋转结构、放大组件及输出端帽。所述种子源发出的慢轴传输的种子光经过偏振光旋转结构的转化，变为快轴传输的种子光，然后经过放大组件被放大到预设功率，最后从输出端帽输出。通过采用快轴传输种子光，并将其功率放大，可利用快轴传输的高弯曲损耗，获得更好的选模效果，从而提高MI阈值。具体实施方式请参阅以下实施例。

实施例一

请参阅图2，本申请一实施例提供一种保偏光纤放大器100。所述保偏光纤放大器100能够提升放大器的MI阈值，使激光的输出功率能够进行提高。

所述保偏光纤放大器100为基于全保偏光纤主振荡功率放大结构。所述保偏光纤放大器100包括种子源10、放大组件30及输出端帽40。所述种子源10、放大组件30与输出端帽40均通过保偏（(Polarization Maintaining，PM）光纤依次连接。所述种子源10与所述放大组件30之间保偏光纤的连接点采用正交熔接方式，形成正交熔接点20。所述种子源10用于输出种子光。所述种子光通过正交熔接点20时，其偏振光的偏振方向旋转90度。其他连接点，如所述放大组件30与所述输出端帽40之间保偏光纤的连接方式采用平行熔接，不改变其中通过的偏振光的偏振方向。所述放大组件30用于对通过正交熔接点20后的种子光进行放大。所述输出端帽40用于将放大后的激光输出。

具体的，所述种子源10采用线偏振种子源，其输出的种子光采用保偏光纤的慢轴进行传输。

目前，成熟商用的线偏振种子源均采用慢轴传输的方式，因此，可以保证种子源10输出信号的稳定性。

本实施例中，所述保偏光纤采用PANDA（熊猫）型保偏光纤。但不限于此，在其他实施例中，所述保偏光纤可采用其他类型的保偏光纤，如领结形保偏光纤，同样适用。

请同时参阅图3，使用PANDA型保偏光纤，所述正交熔接点20两侧保偏光纤的端面示意图。应力棒所在方向为慢轴，与慢轴垂直的方向为快轴。当正交熔接时，慢轴与快轴对应，从而使得从正交熔接点20一侧进入的慢轴传输的偏振光经过正交熔接点20后，输送到另一侧变为快轴传输的偏振光。

请参阅图4，为使用PANDA型保偏光纤，在除所述正交熔接点20外其他熔接点两侧保偏光纤的端面示意图。应力棒所在方向为慢轴，与慢轴垂直的方向为快轴。当平行熔接时，慢轴与慢轴对应，快轴与快轴对应，从而使得从平行熔接端面一侧进入的偏振光，不会改变偏振方向的输送到另一侧。

请同时参阅图5，本实施例中，所述放大组件30以反向泵浦方式进行放大。反向泵浦方式可以有效抑制非线性效应，从而可适当提高泵浦的功率。

所述放大组件30包括保偏增益光纤31、保偏泵浦32及泵浦源33。所述保偏增益光纤31一侧通过保偏光纤连接至正交熔接点20处，另一侧通过保偏光纤连接至保偏泵浦32的输入端。所述保偏泵浦32的泵浦端通过保偏光纤连接至泵浦源33。所述保偏泵浦32的输出端通过保偏光纤连接至输出端帽40。

保偏增益光纤31为种子源的放大级，放大级的增益光纤作为增益介质提供放大。

所述保偏增益光纤31包括但不限于掺镱保偏光纤、掺铒保偏光纤、掺铥保偏光纤。

所述保偏泵浦32又称为信号合束器，泵浦集束器。泵浦源33中发射的泵浦光经保偏泵浦32后耦合注入保偏增益光纤31中，使得泵浦光与种子光经过能量交换，使得泵浦减弱，信号增强。从而使种子光被放大，并从保偏泵浦32的输出端输出至输出端帽40。

需要说明的是，所述泵浦源33的数量，可以根据输出功率的需要，相应的设置不同数量的泵浦源33，泵浦源33的数量越多，最后输出功率也就越大。

所述泵浦源33包括但不限于激光二极管泵浦源、光纤激光泵浦源。

可以理解的，在其他实施例中，所述放大组件30还可以采用正向泵浦方式、双向泵浦方式进行放大。

由于泵浦的能量无法全部被吸收，总会有所残留，而这部分能量往往是不需要的，还可能对后续器件造成伤害，因此，需要对其进行清除。

本实施例中，所述保偏光纤放大器100还包括包层光剥离器50。包层光剥离器50（Cladding Power Stripper，CPS）用于将残余的泵浦光和泄漏到包层中的种子光剥除。

具体的，所述保偏光纤放大器100包括两个所述包层光剥离器50。其中一个所述包层光剥离器50位于正交熔接点20与保偏增益光纤31之间，用于将泄漏到包层中的种子光剥除。另一个所述包层光剥离器50位于保偏泵浦32与输出端帽40之间，用于将残余的泵浦光和泄漏到包层中的种子光剥除。

输出端帽40（End Caps）用于对保偏光纤放大器100的输出端面进行处理的高功率器件，可通过对输出光束的扩束，在不影响光功率的前提下，降低输出端的光功率密度，输出光束畸变很小。

所述保偏光纤放大器100通过正交熔接点20将从种子源10处发出的沿慢轴传输的偏振种子光，偏振方向旋转90°，改变为沿快轴传输的偏振光，并通过放大组件30将种子光放大，最后由输出端帽40输出，由于相比于慢轴传输激光，快轴传输在相同弯曲直径下，高阶模具有更大的弯曲损耗，获得更好的弯曲选模效果，从而提升了保偏光纤放大器100的MI阈值，便于对激光的输出功率进行提高，也可改善保偏光纤放大器的光束质量性能，实现光纤激光高光束质量的输出。

实施例二

请参阅图2至图7，本实施例提供的一种保偏光纤放大器100，可应用于光纤激光器中。本实施例是在上述实施例一的技术基础上做出的改进，相比于上述实施例一，区别之处在于：

如图6所示，本实施例中，所述保偏光纤放大器100采用偏振旋转器60取代正交熔接点20。

具体的，请同时参阅图7，在本实施例中，所述保偏光纤放大器100包括种子源10、偏振旋转器60、放大组件30及输出端帽40。所述种子源10、偏振旋转器60、放大组件30与输出端帽40通过保偏光纤依次连接。所述种子源10、偏振旋转器60、放大组件30与输出端帽40之间保偏光纤的连接点均采用平行熔接。

所述种子源10用于输出种子光。偏振旋转器60用于将种子光的偏振方向旋转90度。所述放大组件30用于对通过偏振旋转器60的种子光进行放大。所述输出端帽40用于将放大后的激光输出。

放大组件30包括保偏增益光纤31、保偏泵浦32及泵浦源33。所述保偏增益光纤31一侧通过保偏光纤连接偏振旋转器60，另一侧通过保偏光纤连接至保偏泵浦32的输入端。所述保偏泵浦32的泵浦端通过保偏光纤连接至泵浦源33。所述保偏泵浦32的输出端通过保偏光纤连接至输出端帽40。

偏振旋转器60与保偏增益光纤31之间设置包层光剥离器50，用于将泄漏到包层中的种子光剥除。保偏泵浦32与输出端帽40之间设置另一包层光剥离器50，用于将残余的泵浦光和泄漏到包层中的种子光剥除。

所述保偏光纤放大器100通过偏振旋转器60将从种子源10处发出的沿慢轴传输的偏振种子光，偏振方向旋转90°，改变为沿快轴传输的偏振光，并通过放大组件30将种子光放大，最后由输出端帽40输出，由于相比于慢轴传输激光，快轴传输在相同弯曲直径下，高阶模具有更大的弯曲损耗，获得更好的弯曲选模效果，从而提升了保偏光纤放大器100的MI阈值，便于对激光的输出功率进行提高。

在本说明书的描述中，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种保偏光纤放大器，其特征在于，包括通过保偏光纤依次连接的种子源、偏振光旋转结构、放大组件及输出端帽，所述种子源用于输出慢轴传输的种子光，所述偏振光旋转结构用于将种子光变为快轴传输，所述放大组件用于对种子光进行放大，所述输出端帽用于将放大后的激光输出。

2.根据权利要求1所述的保偏光纤放大器，其特征在于，所述偏振光旋转结构为正交熔接的保偏光纤。

3.根据权利要求1所述的保偏光纤放大器，其特征在于，所述放大组件通过反向泵浦方式进行放大。

4.根据权利要求3所述的保偏光纤放大器，其特征在于，所述放大组件包括保偏增益光纤、保偏泵浦及泵浦源，所述保偏增益光纤一侧通过保偏光纤连接至所述偏振光旋转结构，另一侧通过保偏光纤连接至所述保偏泵浦的输入端，所述保偏泵浦的泵浦端通过保偏光纤连接至所述泵浦源，所述保偏泵浦的输出端通过保偏光纤连接至所述输出端帽。

5.根据权利要求4所述的保偏光纤放大器，其特征在于，所述保偏增益光纤选自掺镱保偏光纤、掺铒保偏光纤、掺铥保偏光纤中的至少一种。

6.根据权利要求4所述的保偏光纤放大器，其特征在于，所述泵浦源选自激光二极管泵浦源、光纤激光泵浦源中的至少一种。

7.根据权利要求4所述的保偏光纤放大器，其特征在于，所述保偏光纤放大器还包括包层光剥离器，所述包层光剥离器用于将残余的泵浦光和泄漏到包层中的种子光剥除。

8.根据权利要求7所述的保偏光纤放大器，其特征在于，所述包层光剥离器的数量为两个，其中一个所述包层光剥离器位于所述偏振光旋转结构与所述保偏增益光纤之间，另一个所述包层光剥离器位于所述保偏泵浦与所述输出端帽。

9.根据权利要求1所述的保偏光纤放大器，其特征在于，所述保偏光纤采用PANDA型保偏光纤。

10.根据权利要求1所述的保偏光纤放大器，其特征在于，所述偏振光旋转结构为偏振旋转器。

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