CN114336244A - 一种光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光纤激光器，包括依次连接的泵浦源、谐振腔、包层光功率剥除器和输出器件，谐振腔包括光栅Ⅰ、增益光纤和光栅Ⅱ，光栅Ⅰ的一端与泵浦源的输出光纤耦合，光栅Ⅰ的另一端与增益光纤的一端耦合，增益光纤的另一端与光栅Ⅱ的一端耦合；其中，光栅Ⅰ为双包层光栅，泵浦源用于输出预设数值孔径的泵浦光；也可以是在泵浦源与谐振腔之间设有模场适配器，模场适配器用于将泵浦源发出的泵浦光转换为预设数值孔径的泵浦光，使进入谐振腔的泵浦光的数值孔径被配置为小于或等于光栅Ⅰ内包层的数值孔径的一半。通过将进入谐振腔的泵浦光的数值孔径配置为小于或等于光栅Ⅰ内包层的数值孔径的一半，以提高光纤振荡器的转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光技术领域，特别涉及一种光纤激光器。
背景技术
光纤激光器具有光束质量好、高效率、散热性好、结构紧凑，可靠性高、易维护等优点，受到人们广泛关注。随着光纤激光器市场规模的不断扩大，激光产业链日趋成熟，特种加工行业对激光器的功率要求越来越高。当单根光纤激光输出功率达数千瓦，其热效应及非线性效应成为继续放大的制约因素。光纤同带级联抽运技术是一种解决单根光纤输出功率有限问题的有效方法。与传统的976nm抽运光注入掺镱光纤直接产生1μm波段激光输出不同，同带抽运方案采用光纤激光抽运掺镱光纤的方式，其抽运光波长与输出激光波长更加接近。对于掺镱光纤，同带抽运激光的波长为1000nm～1030nm时效果最好。由于波长特殊，实现1000nm～1030nm波段的光纤激光高功率输出比较困难。目前获取高功率(千瓦级以上)1000nm～1030nm波段的光纤激光的方法主要是采用光束合成技术(例如光谱合成技术、相干合成技术等)，对多个1000nm～1030nm波段光纤振荡器功率进行合束，实现高功率1000nm～1030nm激光输出，因此提升1000nm～1030nm波段光纤振荡器的功率具有重要意义。
具体而言，请参见图1，光纤激光器10包括依次连接的泵浦源11、合束器12、光栅I13、增益光纤14、光栅II15，及输出器件16。合束器12用于将多个泵浦源11传输的激光耦合到一根光纤输出，再耦合进入由光栅I13、增益光纤14和光栅II15组成的谐振腔，泵浦光在谐振腔内转换为1000nm～1030nm波段附近的激光，并从谐振腔输出。
然而，采用合束方式注入谐振腔的泵浦光的数值孔径较大，在增益光纤14内难以被吸收，导致光纤振荡器的转换效率低，光纤激光器输出功率低。虽然增加增益光纤长度可以在一定程度上提升泵浦光吸收，但是增加增益光纤长度又会引起1000nm～1030nm激光重吸收产生的放大自发辐射(ASE)现象，导致激光器损坏。因此，如何在不增加增益光纤长度的前提下提升1000nm～1030nm波段光纤振荡器的转换效率是提升1000nm～1030nm波段光纤振荡器功率的核心技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在不增加增益光纤长度的前提下提升1018nm波段光纤振荡器的转换效率，为此提供一种光纤激光器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明之一种光纤激光器，包括依次连接的泵浦源、谐振腔、包层光功率剥除器和输出器件，所述谐振腔包括光栅Ⅰ、增益光纤和光栅Ⅱ，所述光栅Ⅰ的一端与所述泵浦源的输出光纤耦合，所述光栅Ⅰ的另一端与所述增益光纤的一端耦合，所述增益光纤的另一端与所述光栅Ⅱ的一端耦合；
其中，所述光栅Ⅰ为双包层光栅，所述泵浦源用于输出预设数值孔径的泵浦光，使进入所述谐振腔的泵浦光的数值孔径被配置为小于或等于所述光栅Ⅰ内包层的数值孔径的一半。
进一步，所述光栅Ⅰ的反射率被配置为大于或等于99％，所述光栅Ⅱ的反射率被配置为5％～10％,所述光栅I的中心波长与所述光栅II的中心波长相等。
进一步，所述光栅II为双包层光纤光栅，所述增益光纤为双包层增益光纤。
进一步，所述光栅Ⅰ、光栅II、所述增益光纤、所述包层光功率剥除器、所述输出器件的纤芯直径、内包层直径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径对应相等
进一步，所述泵浦源设有输出端，所述输出端为单包层光纤。
进一步，所述泵浦源为半导体激光二级管，所述泵浦源发出的泵浦光中心波长为900-980nm。
进一步，所述增益光纤为掺杂稀土元素光纤。
本发明之另一种光纤激光器，包括依次连接的泵浦源、模场适配器、谐振腔、包层光功率剥除器和输出器件，所述谐振腔包括光栅Ⅰ、增益光纤和光栅Ⅱ，所述光栅Ⅰ的一端与所述模场适配器连接，所述光栅Ⅰ的另一端与所述增益光纤的一端耦合，所述增益光纤的另一端与所述光栅Ⅱ的一端耦合；
其中，所述光栅Ⅰ为双包层光纤，所述泵浦源用于输出泵浦光，所述模场适配器用于转换泵浦光为预设数值孔径，使进入所述谐振腔的泵浦光的数值孔径小于或等于所述光栅Ⅰ内包层的数值孔径的一半。
进一步，所述模场适配器包括输入光纤和输出光纤，所述输入光纤和输出光纤均为单包层光纤；所述输入光纤与所述泵浦源连接，所述输出光纤与所述光栅Ⅰ连接，所述输入光纤的纤芯直径被配置为与所述泵浦源的输出光纤的纤芯直径一致，且所述输入光纤的纤芯数值孔径与所述泵浦源的输出光纤的纤芯数值孔径一致。
进一步，所述模场适配器的输出光纤的纤芯直径小于或等于光栅I的内包层直径，且所述输出光纤的纤芯数值孔径小于或等于光栅I的内包层数值孔径。
进一步，所述光栅Ⅰ的反射率被配置为大于或等于99％，所述光栅Ⅱ的反射率被配置为5％～10％,所述光栅I的中心波长与所述光栅II的中心波长相等。
进一步，所述光栅II为双包层光纤光栅，所述增益光纤为双包层增益光纤。
进一步，所述光栅Ⅰ、光栅II、所述增益光纤、所述包层光功率剥除器、所述输出器件的纤芯直径、内包层直径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径对应相等。
进一步，所述泵浦源设有输出端，所述输出端为单包层光纤。
进一步，所述泵浦源为半导体激光二级管，所述泵浦源发出的泵浦光中心波长为900-980nm。
进一步，所述增益光纤为掺杂稀土元素光纤。
本发明具有以下优点：
本发明之其中一种光纤激光器的优点表现为：①通过配置泵浦源用于输出预设数值孔径的泵浦光，使进入谐振腔的泵浦光的数值孔径被配置为小于或等于光栅Ⅰ内包层的数值孔径的一半，光纤振荡器的转换效率高，光纤激光器输出功率高。
②通过设置光栅Ⅰ和光栅II为双包层光栅、增益光纤为双包层光纤，外包层的折射率小于内包层的折射率，以限制泵浦光在内包层传输，以增加泵浦光传输效率；
③配置光栅Ⅰ、增益光纤、光栅II、包层光功率剥除器、输出器件的纤芯直径、内包层直径、纤芯数值孔径及内包层数值孔径相等，以保证泵浦光的输出效率。
本发明之另一种光纤激光器的优点表现为：①通过设置模场适配器，模场适配器能够将任一数值孔径的泵浦光转换为预设数值的泵浦光，以适配于发出不同数值孔径泵浦光的泵浦源，适用范围广；
②通过设置模场适配器，可以根据泵浦源的亮度灵活调控注入光栅I的泵浦光亮度，匹配不同的光栅I的内包层数值孔径，确保注入泵浦光的数值孔径小于或等于光栅I内包层的数值孔径的一半，提升光纤振荡器的转换效率，进而提高光纤激光器的输出功率。
此外，上述两种光纤激光器由于结构中均无需使用泵浦合束器，减少了熔接点的数量，从而减少了熔接损耗，提高了激光器的输出效率。
附图说明
图1为现有技术的结构示意图；
图2为本发明一实施例的结构示意图；
图3为本发明一实施例的结构示意图。
图中：11-泵浦源，12-合束器，13-光栅Ⅰ，14-增益光纤，15-光栅Ⅱ，16-输出器件，21-泵浦源，22-光栅Ⅰ，23-增益光纤，24-光栅Ⅱ，25-包层光功率剥除器，26-输出器件，31-泵浦源，32-模场适配器，33-光栅Ⅰ，34-增益光纤，35-光栅Ⅱ，36-包层光功率剥除器，37-输出器件。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
参照附图2，本实施例提供一种光纤激光器，包括依次连接的泵浦源21、谐振腔、包层光功率剥除器25和输出器件26，谐振腔包括光栅Ⅰ22、增益光纤23和光栅Ⅱ24，光栅Ⅰ22的一端与泵浦源21的输出光纤耦合，光栅Ⅰ22的另一端与增益光纤23的一端耦合，增益光纤23的另一端与光栅Ⅱ24的一端耦合；
其中，光栅Ⅰ22为双包层光栅，泵浦源21用于输出预设数值孔径的泵浦光，使进入谐振腔的泵浦光的数值孔径被配置为小于或等于光栅Ⅰ22内包层的数值孔径的一半。其中，泵浦光的预设数值孔径小于或等于光栅Ⅰ22内包层的数值孔径的一半。
在本实施例中，通过配置泵浦源21用于输出预设数值孔径的泵浦光，使进入谐振腔的泵浦光的数值孔径配置为小于或等于光栅Ⅰ22内包层的数值孔径的一半，光纤振荡器的转换效率高，光纤激光器输出功率高。
进一步，光栅Ⅰ22的反射率被配置为大于或等于99％，光栅Ⅱ24的反射率被配置为5％～10％,光栅I的中心波长与光栅II的中心波长相等。其中，光栅I和光栅II的中心波长位于1000nm～1030nm，可以是1010nm、1018nm、1020nm或1025nm。
光栅II24为双包层光纤光栅，增益光纤23为双包层增益光纤。光栅Ⅰ22、增益光纤23、光栅II24、包层光功率剥除器25及输出器件26的纤芯直径、内包层直径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径对应相等。
其中，光栅Ⅰ22、光栅II24、增益光纤23、包层光功率剥除器25及输出器件26内包层的数值孔径为0.22～0.46，可以为0.24、0.28、0.36或0.42；纤芯数值孔径为0.05～0.1；可以为0.07或0.09；纤芯直径为10～30μm，可以为14μm、20μm或26μm；内包层直径为130～400μm，可以为160μm、240μm、350μm。
光栅I22和光栅II24构成双包层光纤光栅对，二者连同增益光纤23一起构成了谐振腔。泵浦光源21产生的泵浦光注入谐振腔，泵浦光对增益光纤23纤芯中的稀土离子进行泵浦，并在光栅对的选模作用下产生激光。产生的激光沿纤芯依次通过光栅II24、包层光滤除器25，最终由输出器件26输出。
在本实施例中，通过设置光栅Ⅰ22和光栅II24为双包层光栅、增益光纤23为双包层光纤，外包层的折射率小于内包层的折射率，以限制泵浦光在内包层传输，以增加泵浦光传输效率。
配置光栅Ⅰ22、增益光纤23、光栅II24、包层光功率剥除器25、输出器件26的纤芯直径、内包层直径、纤芯数值孔径及内包层数值孔径相等，以保证泵浦光的输出效率。
泵浦源21设有输出端，输出端是单包层光纤，且输出端的纤芯数值孔径被配置为小于或等于光栅Ⅰ22内包层的数值孔径的一半。其中，泵浦源21的输出光纤的纤芯数值孔径为0.1～0.22，可以是0.14、0.18或0.21，纤芯直径为105～220μm，可以是140μm、180μm或200μm。
泵浦源21为半导体激光二级管，泵浦源21发出的泵浦光中心波长为900-980nm。
在本实施例中，通过设置泵浦源21为半导体激光二级管，泵浦源21发出的泵浦光中心波长为900-980nm，半导体激光二级管的体积小、结构简单、效率高且能直接调制，泵浦光的效率高。
在本实施例中，增益光纤23为掺杂稀土元素光纤，优选为掺镱光纤。
本实施中，通过配置注入谐振腔的泵浦光的数值孔径小于或等于光栅Ⅰ22内包层的数值孔径的一半，最终实现1018nm波段光纤振荡器的转换效率可以达到85％以上，相比常规1018nm波段光纤振荡器的效率提升近5％。
如图3所示，本发明还提供一实施例，该实施例与上述实施例相同，其区别在于：该光纤激光器的泵浦源31发出的泵浦光可以为任一数值孔径，且设置有模场适配器32。模场适配器32一端与泵浦源31连接，另一端与谐振腔连接，其中，模场适配器32用于转换泵浦光为预设数值孔径，使进入谐振腔的泵浦光的数值孔径小于或等于光栅Ⅰ33内包层的数值孔径的一半。其中，预设数值孔径被配置为光栅Ⅰ33内包层的数值孔径的一半。
在本实施例中，通过设置模场适配器32，模场适配器32能够将任一数值孔径的泵浦光转换为预设数值的泵浦光，以适配于发出不同数值孔径泵浦光的泵浦源31，适用范围广。而且，通过设置模场适配器32，可以根据泵浦源31的亮度灵活调控注入光栅I33的泵浦光亮度，匹配不同的光栅I33的内包层数值孔径，确保注入泵浦光的数值孔径小于或等于光栅I33内包层的数值孔径的一半，提升光纤振荡器的转换效率，光纤激光器的输出功率高。
模场适配器32包括输入光纤和输出光纤，输入光纤和输出光纤均为单包层光纤。输入光纤与泵浦源31连接，输出光纤与光栅Ⅰ33连接，输入光纤的纤芯直径被配置为与泵浦源31的输出光纤的纤芯直径一致，且输入光纤的纤芯数值孔径与泵浦源31的输出光纤的纤芯数值孔径一致。
在本实施例中，通过模场适配器32输入光纤的纤芯直径被配置为与泵浦源31的输出光纤的纤芯直径一致，且输入光纤的纤芯数值孔径与泵浦源31的输出光纤的纤芯数值孔径一致，这样能够保证泵浦光传递的效率。
输出光纤的纤芯直径小于或等于光栅I33的内包层直径，且输出纤芯的数值孔径小于或等于光栅I33的内包层数值孔径。
在本实施例中，通过配置输出光纤的纤芯直径小于或等于光栅I的内包层直径，且输出纤芯的数值孔径小于或等于光栅I的内包层数值孔径，光栅I限制预设数值孔径的泵浦光，使注入泵浦腔的泵浦光的数值孔径小于或等于光栅I内包层的数值孔径的一半，以提升光纤激光器的泵浦光的转换效率。
泵浦源31为半导体激光二级管，泵浦源31发出的泵浦光中心波长为900-980nm。
在本实施例中，通过设置泵浦源31为半导体激光二级管，泵浦源31发出的泵浦光中心波长为900-980nm，半导体激光二级管的体积小、结构简单、效率高且能直接调制，泵浦光的效率高。
在本实施例中，增益光纤34为掺杂稀土元素光纤，优选掺镱光纤。
本实施中，通过加入模场适配器32降低数值孔径，使得注入谐振腔的泵浦光的数值孔径小于或等于光栅Ⅰ33内包层的数值孔径的一半，最终实现1018nm波段光纤振荡器的转换效率可以达到88％以上，相比常规1018nm波段光纤振荡器的效率提升近8％。
光栅I33和光栅II35构成双包层光纤光栅对，二者连同增益光纤34一起构成了谐振腔。泵浦光源31产生的泵浦光，泵浦光通过模场适配器32，经模场适配器32将泵浦光转换为小于或等于光栅Ⅰ33内包层的数值孔径的一半，再注入谐振腔。在泵浦腔内，泵浦光对增益光纤34纤芯中的稀土离子进行泵浦，并在光栅对的选模作用下产生激光。产生的激光沿纤芯依次通过光栅II35、包层光滤除器36，最终由输出器件37输出。
以上对本发明实施例所提供的一种激光器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种光纤激光器，其特征在于,包括依次连接的泵浦源、谐振腔、包层光功率剥除器和输出器件，所述谐振腔包括光栅Ⅰ、增益光纤和光栅Ⅱ，所述光栅Ⅰ的一端与所述泵浦源的输出光纤耦合，所述光栅Ⅰ的另一端与所述增益光纤的一端耦合，所述增益光纤的另一端与所述光栅Ⅱ的一端耦合；
其中，所述光栅Ⅰ为双包层光栅，所述泵浦源用于输出预设数值孔径的泵浦光，使进入所述谐振腔的泵浦光的数值孔径被配置为小于或等于所述光栅Ⅰ内包层的数值孔径的一半。
2.一种光纤激光器，其特征在于：包括依次连接的泵浦源、模场适配器、谐振腔、包层光功率剥除器和输出器件，所述谐振腔包括光栅Ⅰ、增益光纤和光栅Ⅱ，所述光栅Ⅰ的一端与所述模场适配器连接，所述光栅Ⅰ的另一端与所述增益光纤的一端耦合，所述增益光纤的另一端与所述光栅Ⅱ的一端耦合；
其中，所述光栅Ⅰ为双包层光纤，所述泵浦源用于输出泵浦光，所述模场适配器用于转换泵浦光为预设数值孔径，使进入所述谐振腔的泵浦光的数值孔径小于或等于所述光栅Ⅰ内包层的数值孔径的一半。
3.根据权利要求2所述的光纤激光器，其特征在于：所述模场适配器包括输入光纤和输出光纤，所述输入光纤和输出光纤均为单包层光纤；所述输入光纤与所述泵浦源连接，所述输出光纤与所述光栅Ⅰ连接，所述输入光纤的纤芯直径被配置为与所述泵浦源的输出光纤的纤芯直径一致，且所述输入光纤的纤芯数值孔径与所述泵浦源的输出光纤的纤芯数值孔径一致。
4.根据权利要求3所述的光纤激光器，其特征在于：所述模场适配器的输出光纤的纤芯直径小于或等于光栅I的内包层直径，且所述输出光纤的纤芯数值孔径小于或等于光栅I的内包层数值孔径。
5.根据权利要求1或4所述的光纤激光器，其特征在于：所述光栅Ⅰ的反射率被配置为大于或等于99％，所述光栅Ⅱ的反射率被配置为5％～10％,所述光栅I的中心波长与所述光栅II的中心波长相等。
6.根据权利要求1或4所述的光纤激光器，其特征在于：所述光栅II为双包层光纤光栅，所述增益光纤为双包层增益光纤。
7.根据权利要求1或4所述的光纤激光器，其特征在于：所述光栅Ⅰ、光栅II、所述增益光纤、所述包层光功率剥除器、所述输出器件的纤芯直径、内包层直径、纤芯数值孔径、内包层数值孔径对应相等。
8.根据权利要求1或4所述的光纤激光器，其特征在于：所述泵浦源设有输出端，所述输出端为单包层光纤。
9.根据权利要求1或4所述的光纤激光器，其特征在于：所述泵浦源为半导体激光二级管，所述泵浦源发出的泵浦光中心波长为900-980nm。
10.根据权利要求1或4所述的光纤激光器，其特征在于：所述增益光纤为掺杂稀土元素光纤。
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