CN115173198A - 一种抑制非线性效应的全光纤放大器 - Google Patents

Abstract

本申请的实施例揭示了一种抑制非线性效应的全光纤放大器，放大器包括：种子源和光纤放大系统，光纤放大系统包括：光纤隔离器、多模激光二极管、(n+1)×1光纤合束器、增益光纤、布拉格光栅、透镜；种子源用于提供信号光；光纤隔离器用于使得种子源提供的信号光向一个方向传播，防止后续放大光回返到种子源；多模激光二极管用于提供放大所需的泵浦光；(n+1)×1光纤合束器将n个多模激光二极管输出的泵浦光和种子光耦合到一根光纤；增益光纤用于接收(n+1)×1光纤合束器输出的泵浦光，并将其增益放大后作为激光脉冲输出；布拉格光栅刻蚀于增益光纤靠近输出端的内包层中；透镜用于将最后放大的激光脉冲准直输出。

Description

一种抑制非线性效应的全光纤放大器

技术领域

本申请涉及一种光纤技术领域，尤其涉及一种抑制非线性效应的全光纤放大器。

背景技术

1960年，第一台红宝石激光器问世，在国际上掀起了激光研究的热潮。虽然距其诞生仅60余年，但是激光已经广泛运用到工业、科研、医疗等相关领域，发挥着举足轻重的作用。目前，激光产生主要是依靠固体激光器和光纤激光器，但是固体激光器本身存在无法规避的热光效应，所以会限制输出的光束质量，并且固体激光器内部结构十分复杂，容易受到外界振动以及温度变化等环境因素扰动，进而影响输出稳定性。因此，当前固体激光器在超短脉冲技术方面陷入了一个严重的困境。

随着光纤激光器的不断发展，逐渐体现出固体激光器所无法与之媲美的优势。光纤激光器的增益介质为掺杂稀土离子的光纤，利用泵浦激光进行抽运，使得能级间产生跃迁形成自发辐射，产生新的频率，加以适当的反馈最终实现激光输出。由于光纤其本身是一种纤维状结构，因此具有非常大的面积-体积比，所以拥有极好的散热性能，且具有全封闭柔性光路，因此可以满足商用化激光器的发展需求。然而光纤激光器直接输出的能量较低，无法满足实际的应用需求，所以需要借助光纤放大器进一步提高脉冲能量。在高能量光纤放大器中，折射率对光强的依赖关系导致了许多非线性效应。其中，对于超短脉冲，由于其具有极窄的脉冲宽度和超高的峰值功率，因此在放大过程中光纤的非线性效应(自相位调制、四波混频、受激拉曼散射等)会显得尤其明显，这些效应不仅降低了放大器的信噪比而且还会使脉冲形状发生畸变，极大地影响了输出激光的性能。另外，对于窄线宽激光，由于受到模式不稳定效应和受激布里渊散射效应等非线性效应的限制，所以严重束缚了放大后的输出功率水平。

为实现高平均功率、高峰值功率的激光输出，主振荡功率放大技术是高能量全光纤激光放大中的关键技术，通过将信号光和泵浦光分别耦合到增益光纤的纤芯和包层中，从而实现对种子光功率的放大。目前，国内外主要研究的方法之一就是使用大模场芯径双包层光纤作为放大器的增益介质，虽然大模场芯径可以有效地抑制光纤的非线性效应，但是引入的第二包层结构会降低泵浦吸收系数，极大地限制了激光放大过程中的光-光转换效率，然而为实现高功率能量输出必须采用较长的增益光纤进行放大，这又会增大非线性效应，影响最后激光的性能。另一种常用的方法是提高双包层增益光纤的掺杂稀土浓度水平进而缩短增益光纤的使用，虽然增大了泵浦吸收系数，有利于提高受激布里渊阈值，但无疑会增大单位长度光纤背景损耗和量子亏损，导致光纤的热效应更加明显。

发明内容

为了解决或部分解决上述问题，本申请提供一种抑制非线性效应的全光纤放大器。

本申请提出一种抑制非线性效应的全光纤放大器，所述放大器包括：种子源和光纤放大系统，所述光纤放大系统包括：光纤隔离器、多模激光二极管、(n+1)×1光纤合束器、增益光纤、布拉格光栅、透镜；所述种子源用于提供信号光；所述光纤隔离器用于使得所述种子源提供的信号光向一个方向传播，防止后续放大光回返到所述种子源；所述多模激光二极管用于提供放大所需的泵浦光；所述(n+1)×1光纤合束器将n个多模激光二极管输出的泵浦光和种子光耦合到一根光纤；所述增益光纤用于接收(n+1)×1光纤合束器输出的泵浦光，并将其增益放大后作为激光脉冲输出；所述布拉格光栅用于反射增益光纤中传输的泵浦光；所述透镜用于将最后放大的激光脉冲准直输出。

在一些示例中，所述种子源包括激光振荡器和光纤预放大器；所述激光振荡器为皮秒锁模光纤激光器、飞秒锁模光纤激光器或窄线宽光纤激光器；所述光纤预放大器为单模增益光纤放大器或小模场芯径的双包层增益光纤。

在一些示例中，所述多模激光二极管用于输出的泵浦光的波长主要由所述增益光纤中掺杂离子的吸收带所决定。

在一些示例中，所述(n+1)×1光纤合束器的信号输入端的无源光纤类型应与所述光纤隔离器的尾纤相匹配，所述(n+1)×1光纤合束器的信号输出端的无源光纤类型和所述增益光纤相匹配。

在一些示例中，所述增益光纤为双包层掺杂光纤，包括纤芯、内包层、外包层、涂覆层结构，其中，所述纤芯的折射率依次大于内包层和外包层，所述内包层刻写了所述布拉格光栅，且所述光栅靠近所述增益光纤的输出端；

在一些示例中，所述增益光纤纤芯的掺杂稀土离子包括：Yb³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺中的至少一个；且所述增益光纤的外包层不掺杂稀土离子，内包层横截面为八边形、矩形或D形。

在一些示例中，所述抑制非线性效应的全光纤放大器中所有器件均为保偏器件。

与现有技术相比，本申请具有如下有益效果：

本申请的提供的技术方案中，所述放大器包括：种子源和光纤放大系统，所述光纤放大系统包括：光纤隔离器、多模激光二极管、(n+1)×1光纤合束器、增益光纤、布拉格光栅、透镜；所述种子源用于提供信号光；所述光纤隔离器用于使得所述种子源提供的信号光向一个方向传播，防止后续放大光回返到所述种子源；所述多模激光二极管用于提供放大所需的泵浦光；所述(n+1)×1光纤合束器将n个多模激光二极管输出的泵浦光和种子光耦合到一根光纤；所述增益光纤用于接收(n+1)×1光纤合束器输出的泵浦光，并将其增益放大后作为激光脉冲输出；所述布拉格光栅用于反射增益光纤中传输的泵浦光；所述透镜用于将最后放大的激光脉冲准直输出。本申请提供的放大器能够直接获得单一线性偏振激光输出，不易受到温度、气压、空气震动等外界干扰因素的影响，可支持整套系统的长期稳定运行。主放大系统采用的双包层增益光纤，由于其在靠近输出端的包层中刻写了高反射率光栅，使得满足布拉格条件的泵浦光入射到包层中可以被有效地反射，在显著提高泵浦吸收效率的同时等效实现两倍于有源光纤长度的增益效果，很好地抑制非线性效应对激光放大的影响。归功于双包层光纤中包层光栅对泵浦光的高效反射，因此输出的激光几乎没有残余的泵浦光成分，所以无需在双包层光纤输出端额外使用包层模式滤除器或者二向色镜来消除泵浦光，在避免输出端面受高功率泵浦引致的制热损伤的同时又降低了系统的使用成本，使结构更加简单紧凑。本发明提供的放大器为全光纤结构，体积小、重量轻、结构简单、使用寿命长、易于商用集成化。

附图说明

图1是本申请实施例示出的一种抑制非线性效应的全光纤放大器的基本结构示意图；

图2是本申请实施例示出的一种增益光纤的基本结构示意图。

附图标记说明：

1、种子源；2、光纤隔离器；3、(n+1)×1光纤合束器；4、多模激光二极管；5、增益光纤；6、布拉格光栅、7、透镜。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例执行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

还需要说明的是：在本申请中提及的“多个”是指两个或者两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

实施例一

请参阅图1，图1是根据示例性实施例示出的一种抑制非线性效应的全光纤放大器，所述放大器包括：种子源1和光纤放大系统，所述光纤放大系统包括：光纤隔离器2、(n+1)×1光纤合束器3、多模激光二极管4、增益光纤5、布拉格光栅6、透镜7；所述种子源1用于提供信号光；所述光纤隔离器2用于使得所述种子源1提供的信号光向一个方向传播，防止后续放大光回返到所述种子源1；所述多模激光二极管4用于提供放大所需的泵浦光；所述(n+1)×1光纤合束器3将n个多模激光二极管4输出的泵浦光和种子光耦合到一根光纤；所述增益光纤5用于接收(n+1)×1光纤合束器3输出的泵浦光，并将其增益放大后作为激光脉冲输出；所述布拉格光栅6用于反射增益光纤5中传输的泵浦光；所述透镜7用于将最后放大的激光脉冲准直输出。

其中，种子源1决定了激光输出的中心波长、脉冲宽度、重复频率等关键性能，并充当后续放大的信号光。光纤放大器决定了最后激光输出的平均功率、峰值功率和脉冲能量；

其中，所述光纤隔离器2主要是防止后续放大光回返到种子源1系统，保证系统的稳定性，因此，光纤隔离器2的隔离度大于35dB。

在一些示例中，光纤合束器泵浦端数量与多模激光二极管4的数量相关，例如多模激光二极管4的数量为6，则其中(n+1)×1光纤合束器3为(6+1)×1光纤合束器，后续以多模激光二极管4的数量为6，(n+1)×1光纤合束器3为(6+1)×1光纤合束器进行说明，(6+1)×1光纤合束器用于将6个多模激光二极管4输出的泵浦光和信号光耦合到一起；其中，多模激光二极管4在本实施案例中充当光纤放大器的泵浦源，可以将纤芯掺杂的稀土离子受激跃迁至激发态，引发粒子数反转；

在一些示例中，所述种子源1包括激光振荡器和光纤预放大器；所述激光振荡器为皮秒锁模光纤激光器、飞秒锁模光纤激光器或窄线宽光纤激光器；所述光纤预放大器为单模增益光纤放大器或小模场芯径的双包层增益光纤。也即，激光振荡器可以为飞秒或者皮秒锁模光纤激光器，也可以为窄线宽单频光纤激光器。光纤预放大可实现振荡级功率的初步提升。

在一些示例中，所述多模激光二极管4用于输出的泵浦光的波长主要由所述增益光纤5中掺杂离子的吸收带所决定。

在一些示例中，所述(n+1)×1光纤合束器3的信号输入端的无源光纤类型应与所述光纤隔离器2的尾纤相匹配，所述(n+1)×1光纤合束器3的信号输出端的无源光纤类型和所述增益光纤5相匹配，进而减少光纤熔接过程中的能量损耗以及熔接点发热问题，提高效率。

在一些示例中，如图2所示，所述增益光纤5为双包层掺杂光纤，包括纤芯、内包层、外包层、涂覆层结构。其中，所述纤芯的折射率依次大于内包层和外包层。抑制非线性效应的全光纤放大器中增益介质采用双包层光纤5，考虑到泵浦光在双包层光纤的内包层传输，而常规双包层光纤的泵浦吸收系数较低的情况。为此，本发明将布拉格光栅6刻写到双包层增益光纤5靠近输出端的内包层中，具体操作是通过将双包层光纤包层横向暴露在具有周期性图案的强紫外光下，在这种强曝光下会永久增大光纤包层的折射率，根据曝光图案产生固定的折射率调制。当光栅周期约为入射光波长的一半时，所有反射光相干组合成一束具有特定波长的大反射，这就是布拉格条件。只有满足布拉格条件的波长才会受到影响并发生强烈反射，光栅在该高反射率光栅的工作波长下反射率大于99％。反射光中心波长满足布拉格等式：

λ＝2n_effΛ

式中n_eff是包层的有效折射率，Λ为光栅周期，根据实际需要被反射的泵浦光波长以及光纤的包层折射率可以确定光栅的周期。当满足布拉格条件的泵浦光入射到内包层中可以有效地对其进行反射，从而显著地提高光纤的泵浦吸收效率，实现两倍于双包层光纤长度的整体增益效果，并降低非线性效应对信号光的影响，规避了传统光纤激光放大器的技术瓶颈，提升了激光放大效果。特别是对于超短脉冲激光，由于具有极窄的脉冲宽度和超高的峰值功率，因此利用该方法可以极大地降低非线性效应对脉冲激光的影响，使该系统能够获得高能量的超短脉冲激光输出，整套系统具有结构简单、搭建紧凑、转换效率高、稳定性好等优点。

在一些示例中，所述增益光纤5纤芯的掺杂稀土离子包括：Yb³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺中的至少一个；且所述增益光纤5的外包层不掺杂稀土离子，内包层横截面为八边形、矩形或D形，进而有效的防止螺旋光产生，提高泵浦吸收率。

在一些示例中，所述抑制非线性效应的全光纤放大器中所有的器件均为保偏器件，也即，种子源1和光纤放大系统中的器件均为保偏器件。

在一些示例中，种子源1采用的是基于非线性放大环形镜结构的‘9’字腔掺镱锁模光纤激光器，输出的中心波长为1030nm，脉冲宽度为1ps，重复频率为1MHz，依次经过单模光纤放大和小芯径双包层光纤放大，脉冲能量可初步提升至20μJ。接着通过光纤隔离器2输入到主放大部分，多模激光二极管4采用前向泵浦的方式将泵浦光耦合到大模场芯径双包层增益光纤5，这里采用的双包层增益光纤5的型号是PM-YDF-30/250，纤芯直径为30μm，包层直径为250μm。具体操作方式是将光纤合束器的6个多模光纤分别与6个多模半导体激光二极管的尾纤熔接在一起，这里的尾纤纤芯直径均为105μm，包层直径为125μm。光纤合束器的正向输入光纤与光纤隔离器2的尾纤熔接在一起，光纤合束器的双包层输出尾纤与大模场芯径双包层增益光纤5熔接在一起，需要注意的是合束器的输入和输出光纤应匹配相应的光纤隔离器2尾纤和双包层增益光纤5以减少熔接损耗以及熔接点发热问题。振荡器输出激光的工作波长为1030nm，正好处于掺杂稀土Yb³⁺的发射峰，所以增益光纤5采用掺Yb³⁺石英玻璃双包层光纤。为了保证最后放大的能量，每个半导体二极管的输出功率为50W，由于稀土Yb³⁺的吸收能带位于976nm附近，因此使用的半导体二极管的输出波长为976nm，与稀土Yb³⁺离子吸收波长吻合，这样可以提高泵浦效率。在本具体实例中，泵浦光的波长是976nm，该波长下的内包层折射率为1.45，因此为了保证泵浦光波长满足布拉格条件，布拉格光栅6刻蚀的周期应为0.337μm。增益光纤5的长度为0.5m，由于光纤输出端的光栅对内包层传输的泵浦光进行了有效地反射，使得增益效果几乎等效于使用1m长增益光纤5，在缩短光纤长度的同时提高了泵浦吸收效率，并有效地抑制了非线性效应对放大脉冲的影响，可以实现百微焦量级的超短脉冲激光输出。此外，需对双包层增益光纤5输出端面做切割角为8°的切割处理，避免菲涅尔反射对光纤放大系统的影响。得益于内包层光栅对泵浦光的高效反射，使得泵浦光在传输过程中几乎可以被光纤纤芯完全吸收，因此，输出端无需使用包层模式滤除器或二向色镜来滤除泵浦光成分，使整体结构更加简单紧凑。

本发明提供的抑制非线性效应的全光纤放大器存在以下有益效果：

1.本发明中提供的抑制非线性效应的全光纤放大器均采用全保偏结构，可以直接获得单一线性偏振激光输出，不易受到温度、气压、空气震动等外界干扰因素的影响，可支持整套系统的长期稳定运行。

2.主放大系统采用的双包层增益光纤，由于其在靠近输出端的包层中刻写了高反射率光栅，使得满足布拉格条件的泵浦光入射到包层中可以被有效地反射，在显著提高泵浦吸收效率的同时等效实现两倍于有源光纤长度的增益效果，很好地抑制非线性效应对激光放大的影响。

3.归功于双包层光纤中包层光栅对泵浦光的高效反射，因此输出的激光几乎没有残余的泵浦光成分，所以无需在双包层光纤输出端额外使用包层模式滤除器或者二向色镜来消除泵浦光，在避免输出端面受高功率泵浦引致的制热损伤的同时又降低了系统的使用成本，使结构更加简单紧凑。

4.本发明提供的放大器为全光纤结构，体积小、重量轻、结构简单、使用寿命长、易于商用集成化。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本专利中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；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 (7)

1.一种抑制非线性效应的全光纤放大器，其特征在于，所述放大器包括：种子源和光纤放大系统，所述光纤放大系统包括：光纤隔离器、多模激光二极管、(n+1)×1光纤合束器、增益光纤、布拉格光栅、透镜；

所述种子源用于提供信号光；

所述光纤隔离器用于使得所述种子源提供的信号光向一个方向传播，防止后续放大光回返到所述种子源；

所述多模激光二极管用于提供放大所需的泵浦光；

所述(n+1)×1光纤合束器将n个多模激光二极管输出的泵浦光和种子光耦合到一根光纤；

所述增益光纤用于接收(n+1)×1光纤合束器输出的泵浦光，并将其增益放大后作为激光脉冲输出；

所述布拉格光栅用于反射增益光纤中传播的泵浦光；

所述透镜用于将最后放大的激光脉冲准直输出。

2.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述种子源包括激光振荡器和光纤预放大器；

所述激光振荡器为皮秒锁模光纤激光器、飞秒锁模光纤激光器或窄线宽光纤激光器；

所述光纤预放大器为单模增益光纤放大器或小模场芯径的双包层增益光纤。

3.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述多模激光二极管用于输出的泵浦光的波长的选择主要由所述增益光纤中掺杂离子的吸收带所决定。

4.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述(n+1)×1光纤合束器的信号输入端的无源光纤类型应与所述光纤隔离器的尾纤相匹配，所述(n+1)×1光纤合束器的信号输出端的无源光纤类型和所述增益光纤相匹配。

5.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述增益光纤为双包层掺杂光纤，包括纤芯、内包层、外包层、涂覆层结构，其中，所述纤芯的折射率依次大于内包层和外包层，所述内包层刻写了所述布拉格光栅，且所述光栅靠近所述增益光纤的输出端。

6.根据权利要求5所述的放大器，其特征在于，所述增益光纤纤芯的掺杂稀土离子包括：Yb³⁺、Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺中的至少一个；

且所述增益光纤的外包层不掺杂稀土离子，内包层横截面为八边形、矩形或D形。

7.根据权利要求1所述的放大器，其特征在于，所述抑制非线性效应的全光纤放大器中所有器件均为保偏器件。

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