CN114614326A - 高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器涉及光纤激光领域，包括窄线宽激光种子源、光纤预防大器和光纤主放大器三部分。窄线宽激光种子源发出重频可调脉宽可调功率微弱的种子光，光纤预放大器和光纤主放大器采用主振荡功率放大结构，预放大器实现对种子光进行初步放大以及杂散光的分段滤除，主放大器通过一种3C光纤实现种子光的功率进一步放大以及光束质量的有效优化。各个模块均采用全纤化熔接的方式，结构紧凑、性能稳定、易于封装，可实现数百瓦级且高光束质量的窄线宽光纤激光输出。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光领域，特别是涉及高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器。
背景技术
窄线宽光纤激光器凭借其体积小、工作稳定、光束质量高、相干性好等优势，近年来得到广泛的发展和应用，尤其是峰值功率高、光束质量好的窄线宽光纤激光器在非线性频率变换、激光雷达、激光测距和相干合成等领域更是有着广泛的应用前景和重要的研究价值。
由于受激布里渊散射效应(SBS)等非线性效应的影响，窄线宽光纤激光器功率的提升具有一定的难度，因此必须采用有效手段对受激布里渊散射进行有效的抑制，实验上常采用大模场面积(LMA)光纤的方法来实现激光器的高功率输出，但由于大模场光纤不满足单模条件，故降低了输出光束的质量。3C手性耦合纤芯光纤能够突破传统单模光纤V＝2.405归一化截止频率的限制，在大纤芯直径(大于30μm)的情况下实现稳定的单模输出，且无需任何模式控制技术。这样既可达到提升光纤激光器输出功率的目的，又可以很方便地将光纤置于复杂系统中，实现光纤激光系统的集成化。
发明内容
本发明旨在提出一种高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器，克服传统窄线宽光纤激光的采用大模场面积增益光纤实现高功率输出时出现的光束质量降低的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器，其特征包括窄线宽激光种子源Ⅰ、光纤预防大器Ⅱ和光纤主放大器Ⅲ。窄激光种子源Ⅰ输出重频1MHz～50MHz，脉宽150ps-2ns，线宽MHz量级，输出信号光功率微弱的脉冲光，为防止在功率放大时因种子光功率不足产生放大的自发辐射(ASE)效应，首先通过种子源单模光纤放大将种子光功率提升至十几毫瓦量级；随后进入光纤预防大器Ⅱ，信号光依次经过一级单模光纤放大和三级多模双包层光纤放大后功率提升至十几瓦量级；在光纤主放大器中，采用大模场面积的采用3C手性耦合纤芯光纤作为增益光纤不仅有效提升激光器的输出功率，同时提升了脉冲信号光的光束质量。整体结构通过光纤熔接实现了光纤激光系统的集成化。
进一步地，所述窄线宽激光种子源Ⅰ包含重频可调脉宽可调功率微弱的种子激光器、第一波分复用器、第一增益光纤、第一半导体激光器、第一带通滤波器、第一光纤环形器、第一反射式光纤光栅、第一光纤分束器。重频可调脉宽可调功率微弱的种子激光器的信号输出纤连接第一波分复用器信号纤端，第一半导体激光器输出端连接第一光纤波分复用器泵浦纤端，第一波分复用器输出端连接第一增益纤输入端，第一增益纤输出端连接第一带通滤波器输入端，第一带通滤波器输出端连接第一光纤环形器输入端，第一光纤环形器反射端连接第一反射式光纤光栅前端，第一反射式光纤光栅后端连接第一光纤跳线，第一光纤环形器输出端连接第一光纤分束器的输入端；第一光纤分束器分光较少的输出端连接第二光纤跳线；
所述第一增益光纤为非保偏掺镱单模增益光纤；所述第一光纤跳线、第二光纤跳线为非保偏单模斜头跳线；所述重频可调脉宽可调功率微弱的种子激光器为腔内电流调制的半导体激光器或光纤激光器。
进一步地，所述光纤预防大器Ⅱ由一级单模光纤放大器和三级多模光纤放大器级联组成的功率放大器，包括第二波分复用器、第二增益光纤、第二半导体激光器、第二带通滤波器、第一光纤隔离器、第三半导体激光器、第一光纤合束器、第三增益光纤、第二光纤隔离器、第四半导体激光器、第二光纤合束器、第四增益光纤、第三光纤隔离器、第五半导体激光器、第三光纤合束器、第五增益光纤、第四信号光隔离器；
进一步地，第一光纤分束器分光较多的输出端连接第二波分复用器信号纤端，第二半导体激光器输出端连接第二波分复用器泵浦纤端，第二波分复用器输出端连接第二增益光纤输入端，第二增益光纤输出端连接第二带通滤波器输入端，第二带通滤波器输出端链接第一光纤隔离器输入端，第一光纤隔离器输出端连接第一光纤合束器信号纤端，第三半导体激光器连接第一光纤合束器泵浦纤端，第一光纤合束器输出端连接第三增益光纤输入端，第三增益光纤输出端连接第二光纤隔离器输入端，第二光纤隔离器输出端连接第二光纤合束器信号纤端，第四半导体激光器连接第二光纤合束器泵浦纤端，第二光纤合束器输出端连接第四增益光纤输入端，第四增益光纤输出端连接第三光纤隔离器输入端；第三光纤隔离器输出端连接第三光纤合束器信号纤端，第五半导体激光器连接第三光纤合束器泵浦纤端，第三光纤合束器公共端连接第五增益光纤输入端。
进一步地，所述的高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述光纤主放大器Ⅲ一级3C掺镱光纤以及配合使用的无源光纤器件组成包括第四光纤隔离器、第六半导体激光器、第四光纤合束器、第六增益光纤、包层光滤除器和输出端帽；第四信号光隔离器输出端连接第四光纤合束器信号纤端，第六半导体激光器连接第四光纤合束器泵浦纤端，第四光纤合束器公共端连接第六增益光纤输入端，第六增益光纤输出端连接包层光滤除器输入端，包层光滤除器输处端熔接上输出端帽。
进一步地，所述的高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述三级多模光纤放大中增益光纤为双包层大模场掺镱光纤，光纤纤芯直径为10μm～30μm，内包层直径为250μm～400μm，在976nm处对泵浦光的吸收系数为3dB/m～5dB/m。
进一步地，所述的高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述主放大器增益光纤为一种掺镱光纤，所述掺镱光纤为3C手性耦合纤芯光纤，光纤纤芯直径为34μm～45μm，内包层直径为250μm～400μm，在976nm处对泵浦光的吸收系数为3dB/m～5dB/m。
进一步地，所述的高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述包层光滤除器通过在无源光纤包层上涂高折射率聚合物制备得到，所述无源光纤为与特种掺镱光纤相匹配的无源3C光纤，光纤纤芯直径为34μm～45μm，内包层直径为250μm～400μm。
进一步地，所述的高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述第一光纤分束器通过分光较少的输出端实时监测种子源的稳定性。
进一步地，所述的高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述主放大器端帽的切角选择为大于8°，所述输出端帽具有对激光波长大于99％透射率。
与现有技术比，本发明的优点是：
1.本发明种子激光器为重频和脉宽可实现连续调谐的窄线宽激光器，重频的调谐范围为1MHz～50MHz，脉宽的调谐范围为150ps～2ns，线宽为MHz量级，可实现信号光重频和脉宽宽范围调谐的目的；
2.本发明主放大器采用一种3C手性耦合纤芯光纤作为增益光纤，通过短长度、高掺杂、大模场面积的3C掺镱光纤可以有效提升窄线宽光纤激光器中受激布里渊散射的阈值，实现信号光的有效放大，同时，3C光纤螺旋缠绕的结构将传输的多模有效剥除，优化信号光的光束质量；
3.基于本结构，能实纤数百瓦级且高光束质量的窄线宽光纤激光输出。同时本装置采用全光纤熔接技术构成全纤化的系统，具有结构简单，易于封装的优点。
附图说明
图1为本发明所述的高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器的结构示意图。
附图标记说明：
1—窄线宽种子激光器，2—第一半导体激光器，3—第一波分复用器，4—第一增益光纤，5—第一带通滤波器，6—光纤环形器，7—反射式光纤光栅，8—第一光纤分束器，9—第二半导体激光器，10—第二波分复用器，11—第二增益光纤，12—第二带通滤波器，13—第一光纤隔离器，14—第三半导体激光器，15—第一光纤合束器，16—第三增益光纤，17—第三带通滤波器，18—第二光纤隔离器，19—第四半导体激光器，20—第二光纤合束器，21—第四增益光纤，22—第三光纤隔离器，23—第五半导体激光器，24—第三光纤合束器，25—第五增益光纤，26—第四光纤隔离器，27—第六半导体激光器，28—第四光纤合束器，29—第六增益光纤，30—包层光滤除器，31—输出端帽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述，需要说明的是本发明要求保护的范围并不局限于实施例所表述的范围。
如图1所示，本发明实施例提供高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器，包括：窄线宽激光种子源Ⅰ、光纤预防大器Ⅱ和光纤主放大器Ⅲ，其特征在于：所述重频可调脉宽可调功率微弱的种子激光器重频的调谐范围为1MHz～50MHz，脉宽的调谐范围为150ps～2ns，线宽为MHz量级，输出信号光功率为μW～mW；所述光纤预防大器Ⅱ由一级单模光纤放大器和三级多模光纤放大器级联组成的功率放大器；所述光纤主放大器Ⅲ包括一级3C掺镱光纤和配合使用的无源光纤器件组成，且所述窄线宽激光种子源Ⅰ、光纤预防大器Ⅱ和光纤主放大器Ⅲ依次连接。
窄线宽激光种子源Ⅰ包含重频可调脉宽可调功率微弱的种子激光器1、第一波分复用器3、第一增益光纤4、第一半导体激光器2、第一带通滤波器5、第一光纤环形器6、第一反射式光纤光栅7、第一光纤分束器8；重频可调脉宽可调功率微弱的种子激光器1的信号输出纤连接第一波分复用器3信号纤端，第一半导体激光器2输出端连接第一光纤波分复用器3泵浦纤端，第一波分复用器3输出端连接第一增益纤4输入端，第一增益纤4输出端连接第一带通滤波器5输入端，第一带通滤波器5输出端连接第一光纤环形器6输入端，第一光纤环形器6反射端连接第一反射式光纤光栅7前端，第一反射式光纤光栅7后端切8度角，第一光纤环形器6输出端连接第一光纤分束器8的输入端；第一光纤分束器8分光较少的输出端切8度角。
光纤预防大器Ⅱ由一级单模光纤放大器和三级多模光纤放大器级联组成的功率放大器，包括第二波分复用器10、第二增益光纤11、第二半导体激光器9、第二带通滤波器12、第一光纤隔离器13、第三半导体激光器14、第一光纤合束器15、第三增益光纤16、第三带通滤波器17、第二光纤隔离器18、第四半导体激光器19、第二光纤合束器20、第四增益光纤21、第三光纤隔离器22、第五半导体激光器23、第三光纤合束器24、第五增益光纤25；
其中，三级多模放大器中增益光纤的纤芯直径为10μm～30μm，内包层直径为250μm～400μm，在976nm处对泵浦光的吸收系数为3dB/m～5dB/m。
第一光纤分束器8分光较多的输出端连接第二波分复用器10信号纤端，第二半导体激光器9输出端连接第二波分复用器10泵浦纤端，第二波分复用器10输出端连接第二增益光纤11输入端，第二增益光纤11输出端连接第二带通滤波器12输入端，第二带通滤波器输出端12连接第一光纤隔离器13输入端，第一光纤隔离器13输出端连接第一光纤合束器15信号纤端，第三半导体激光器14连接第一光纤合束器15泵浦纤端，第一光纤合束器15输出端连接第三增益光纤16输入端，第三增益光纤16输出端连接第三带通滤波器17输入端，第三带通滤波器17输出端连接第二光纤隔离器18输入端、第二光纤隔离器18输出端连接第二光纤合束器20信号纤端，第四半导体激光器19输出端连接第二光纤合束器20泵浦纤端，第二光纤合束器20输出端连接第四增益光纤21输入端，第四增益光纤21输出端连接第三光纤隔离器22输入端；第三光纤隔离器22输出端连接第三光纤合束器24信号纤端，第五半导体激光器23输出端连接第三光纤合束器24泵浦纤端，第三光纤合束器24输出端连接第五增益光纤25输入端。
光纤主放大器Ⅲ一级3C掺镱光纤以及配合使用的无源光纤器件组成，包括第四光纤隔离器26、第六半导体激光器27、第四光纤合束器28、第六增益光纤29、包层光滤除器30和输出端帽31；
第四信号光隔离器26输出端连接第四光纤合束器28信号纤端，第六半导体激光器27输出端连接第四光纤合束器28泵浦纤端，第四光纤合束器28输出端连接第六增益光纤29输入端，第六增益光纤29输出端连接包层光滤除器30输入端，包层光滤除器输处端熔接上输出端帽31。
主放大器端帽的切角选择为大于8°，所述输出端帽具有对激光波长大于99％透射率。
其中，主放大器增益光纤为一种掺镱光纤，所述掺镱光纤为3C手性耦合纤芯光纤，光纤纤芯直径为34μm～45μm，内包层直径为250μm～400μm，在976nm处对泵浦光的吸收系数为3dB/m～5dB/m。
包层光滤除器通过在无源光纤包层上涂高折射率聚合物制备得到，所述无源光纤为与特种掺镱光纤相匹配的无源3C光纤，光纤纤芯直径为34μm～45μm，内包层直径为250μm～400μm。
本发明激光器各个模块均采用全纤化熔接的方式，结构紧凑、性能稳定、易于封装，可实现能实现数百瓦级且高光束质量的窄线宽光纤激光输出。
以上所述只是本发明的实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器，其特征在于：包括窄线宽激光种子源Ⅰ、光纤预防大器Ⅱ和光纤主放大器Ⅲ，所述窄线宽激光种子源Ⅰ包括重频可调脉宽可调功率微弱的种子激光器和单模增益光纤以及配合使用的单模光纤器件；所述光纤预防大器Ⅱ由一级单模光纤放大器和三级多模光纤放大器级联组成的功率放大器；所述光纤主放大器Ⅲ一级3C掺镱光纤以及配合使用的无源光纤器件组成且所述窄线宽激光种子源Ⅰ、光纤预防大器Ⅱ和光纤主放大器Ⅲ依次连接。
2.根据权利要求1所述的高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器，其特征在于：窄线宽激光种子源Ⅰ包含重频可调脉宽可调功率微弱的种子激光器、第一波分复用器、第一增益光纤、第一半导体激光器、第一带通滤波器、第一光纤环形器、第一反射式光纤光栅、第一光纤分束器；重频可调脉宽可调功率微弱的种子激光器的信号输出纤连接第一波分复用器信号纤端，第一半导体激光器输出端连接第一光纤波分复用器泵浦纤端，第一波分复用器输出端连接第一增益纤输入端，第一增益纤输出端连接第一带通滤波器输入端，第一带通滤波器输出端连接第一光纤环形器输入端，第一光纤环形器反射端连接第一反射式光纤光栅前端，第一反射式光纤光栅后端连接第一光纤跳线，第一光纤环形器输出端连接第一光纤分束器的输入端；第一光纤分束器分光较少的输出端连接第二光纤跳线；
所述第一增益光纤为非保偏掺镱单模增益光纤；所述第一光纤跳线、第二光纤跳线为非保偏单模斜头跳线；所述重频可调脉宽可调功率微弱的种子激光器为腔内电流调制的半导体激光器或光纤激光器。
3.根据权利要求2所述的高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述重频可调脉宽可调功率微弱的种子激光器重频的调谐范围为1MHz～50MHz，脉宽的调谐范围为150ps～2ns，线宽为MHz量级，输出信号光功率为μW～mW。
4.如权利要求2所述的高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述第一光纤分束器通过分光较少的输出端实时监测种子源的稳定性。
5.根据权利要求1所述的高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述光纤预防大器Ⅱ由一级单模光纤放大器和三级多模光纤放大器级联组成的功率放大器，包括第二波分复用器、第二增益光纤、第二半导体激光器、第二带通滤波器、第一光纤隔离器、第三半导体激光器、第一光纤合束器、第三增益光纤、第三带通滤波器、第二光纤隔离器、第四半导体激光器、第二光纤合束器、第四增益光纤、第三光纤隔离器、第五半导体激光器、第三光纤合束器、第五增益光纤、第四信号光隔离器；
第一光纤分束器分光较多的输出端连接第二波分复用器信号纤端，第二半导体激光器输出端连接第二波分复用器泵浦纤端，第二波分复用器输出端连接第二增益光纤输入端，第二增益光纤输出端连接第二带通滤波器输入端，第二带通滤波器输出端链接第一光纤隔离器输入端，第一光纤隔离器输出端连接第一光纤合束器信号纤端，第三半导体激光器连接第一光纤合束器泵浦纤端，第一光纤合束器输出端连接第三增益光纤输入端，第三增益光纤输出端连接第三带通滤波器输入端，第三带通滤波器输出端连接第二光纤隔离器输入端、第二光纤隔离器输出端连接第二光纤合束器信号纤端，第四半导体激光器连接第二光纤合束器泵浦纤端，第二光纤合束器输出端连接第四增益光纤输入端，第四增益光纤输出端连接第三光纤隔离器输入端；第三光纤隔离器输出端连接第三光纤合束器信号纤端，第五半导体激光器连接第三光纤合束器泵浦纤端，第三光纤合束器公共端连接第五增益光纤输入端。
6.如权利要求5所述的高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述三级多模光纤放大器中增益光纤为双包层大模场掺镱光纤，光纤纤芯直径为10μm～30μm，内包层直径为250μm～400μm，在976nm处对泵浦光的吸收系数为3dB/m～5dB/m。
7.根据权利要求1所述的高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述光纤主放大器Ⅲ一级3C掺镱光纤以及配合使用的无源光纤器件组成包括第四光纤隔离器、第六半导体激光器、第四光纤合束器、第六增益光纤、包层光滤除器和输出端帽；第四信号光隔离器输出端连接第四光纤合束器信号纤端，第六半导体激光器连接第四光纤合束器泵浦纤端，第四光纤合束器公共端连接第六增益光纤输入端，第六增益光纤输出端连接包层光滤除器输入端，包层光滤除器输处端熔接上输出端帽。
8.如权利要求7所述的高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述主放大器增益光纤为一种掺镱光纤，所述掺镱光纤为3C手性耦合纤芯光纤，光纤纤芯直径为34μm～45μm，内包层直径为250μm～400μm，在976nm处对泵浦光的吸收系数为3dB/m～5dB/m。
9.如权利要求7所述的高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述包层光滤除器通过在无源光纤包层上涂高折射率聚合物制备得到，所述无源光纤为与特种掺镱光纤相匹配的无源3C光纤，光纤纤芯直径为34μm～45μm，内包层直径为250μm～400μm。
10.如权利要求7所述的高功率高光束质量可调谐窄线宽光纤激光器，其特征在于，所述主放大器端帽的切角选择为大于8°，所述输出端帽具有对激光中心波长大于99％透射率。
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