CN115377782A - 一种sbs抑制模块、光纤主放大器及高功率窄线宽激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光纤激光器领域，具体涉及一种SBS抑制模块、光纤主放大器及高功率窄线宽激光器。SBS抑制模块包含偏振光合束器和1×2光开关；光纤主放大器由双包层增益光纤和SBS抑制模块以及配合使用的无源光纤器件组成；高功率窄线宽激光器由窄线宽激光种子源、光纤预放大器和光纤主放大器依次连接组成的高功率窄线宽激光器，光纤预放大器由三级单包层光纤放大器组成。SBS抑制模块能够抑制SBS，整个SBS抑制模块结构简单，便于封装。本发明能够实现5kW级以上且高光束质量的窄线宽光纤激光输出，同时采用全光纤熔接技术构成全光纤系统，具有结构紧凑简单、稳定性好、提升功率、成本低的优点。

Description

一种SBS抑制模块、光纤主放大器及高功率窄线宽激光器
技术领域
本发明属于光纤激光器领域，具体涉及一种SBS抑制模块、光纤主放大器及高功率窄线宽激光器。
背景技术
高功率窄线宽光纤激光器凭借结构紧凑、噪声低、光束质量好、相干性好等优势，在高功率激光组束、激光先进制造、超宽带光通信高性能光源、频率转换、强场激光物理，以及引力波探测等领域有着十分重要的应用价值。
在高功率窄线宽光纤激光器中，光纤传输的功率高,纤芯截面积小，传输光在光纤中的相互作用距离很长，在激光放大过程中极易产生SBS、自相位调制(SPM)、四波混频(FWM)等非线性效应。
在窄线宽光纤放大器中，SBS的阈值低，产生的后向斯托克斯光破坏力强，容易损坏光学元件，是限制窄线宽光纤放大器输出功率提升的主要因素。SBS过程是抽运波和斯托克斯波通过声波进行的非线性互作用，抽运波通过电致伸缩产生声波，声波反过来调制介质的折射率。抽运波感应的折射率光栅通过布拉格衍射散射抽运波，由于以声速移动的光栅的多普勒位移，散射光产生了频率下移。国内外学者提出了多种抑制SBS效应的方法，如增大光纤的模场面积以降低信号光的功率密度、减小增益光纤光长度、施加温度或应力梯度展宽布里渊增益谱、相位调制展宽种子源谱线宽度等，然而这些方法也存在一些缺陷，大模场光纤和短增益长度光纤会增加模式不稳定(MI)阈值，施加温度或应力梯度和相位调制的方法实际操作复杂，引入射频信号，整个光纤激光器系统也复杂。
中国专利CN111541138A利用引入的后向脉冲激光与后向斯托克斯(Stokes)散射光产生交叉相位调制作用，使得Stokes散射光增益谱展宽和峰值增益降低，实现对后向Stokes散射光的抑制作用，但又引入了交叉相位调制非线性效应，系统不稳定，功率无法进一步提升。
中国专利CN113097850A通过使用一段长距离的无源光纤，对窄线宽高功率光纤激光放大器使用的种子光进行光谱展宽，以达到抑制SBS效应的目的，但是该专利的系统引入了自相位调制非线性效应，系统功率无法进一步提升。
中国专利CN102087452A通过使用玻片将激光束分割成偏振态不同的多段实现抑制SBS效应，但信号光功率损耗较大，系统不稳定。
中国专利CN109378687B利用倾斜光纤光栅在布里渊段的高损耗性，将倾斜光纤光栅接入光纤放大器中对激光进行滤波，达到抑制SBS的目的，但存在结构复杂与不稳定的问题，光栅进行滤波时在大功率下容易损坏。
发明内容
本发明旨在提出一种SBS抑制模块、光纤主放大器及高功率窄线宽激光器，其中SBS抑制模块能使布里渊增益降低，从而达到抑制SBS的目的，同时光纤主放大器及高功率窄线宽激光器结构紧凑简单、稳定性好、提升功率、成本低，能很好的解决上述方法存在的问题与不足。
本发明通过以下技术方案实现的：
一种SBS抑制模块包括偏振光分束器和1×2光开关，偏振光分束器水平偏振输出端连接1×2光开关一个输入端，偏振光分束器竖直偏振输出端连接1×2光开关另一个输入端。
所述SBS抑制模块中偏振光分束器的输入激光为圆偏振光、45°线偏振光或非偏振光，插入损耗小于1.0dB。
所述SBS抑制模块中1×2光开关为机械式光开关或非机械式光开关，光开关的转换时间为1ms～5ms，插入损耗小于1.0dB。
激光注入SBS抑制模块中，通过偏振光分束器将输入的激光分开成两束偏振方向相互垂直的线偏振光，并注入到1×2光开关中；1×2光开关按1ms～5ms的转换时间将两束偏振方向相互垂直的线偏振光交替输出。
一种光纤主放大器，包括SBS抑制模块，由双包层增益光纤和SBS抑制模块以及配合使用的无源光纤器件组成，环形器输出端连接后向监视器输入端，环形器反向输入端连接第三模场适配器输入端，第三模场适配器输出端连接第三光纤合束器信号纤端，第四半导体激光器输出端连接第三光纤合束器泵浦纤端，第三光纤合束器输出端连接SBS抑制模块输入端，SBS抑制模块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包层光滤除器输入端，包层光滤除器输出端熔接上输出端帽。
以4～8个输出功率为600mW～800mW的第四半导体激光器作为泵浦源；所述光纤主放大器中第四增益光纤为双包层掺镱光纤，光纤纤芯直径为35μm，内包层直径为240μm，在976nm处对泵浦光的吸收系数为1.20dB/m～2.70dB/m。
一种高功率窄线宽激光器，包括光纤放大器，由窄线宽激光种子源、光纤预放大器和光纤主放大器依次连接组成的高功率窄线宽激光器，光纤预放大器由三级单包层光纤放大器组成。
第一级单包层光纤放大器I以1个最大输出功率为500mW的第一半导体激光器作为泵浦源，第二级单包层光纤放大器II以2～4个输出功率为10W的第二半导体激光器作为泵浦源，第三级单包层光纤放大器III以2～4个输出功率为100W的第三半导体激光器作为泵浦源。
每级光纤预放大器由半导体激光器、波分复用器、增益光纤、光纤隔离器和模场适配器组成；光纤隔离器输出端连接波分复用器信号纤端，半导体激光器输出端连接波分复用器泵浦纤端，波分复用器输出端连接增益光纤输入端，增益光纤输出端连接光纤隔离器输入端，光纤隔离器输出端连接模场适配器输入端。
所述窄线宽激光种子源包含窄线宽激光器和第一光纤隔离器；窄线宽激光器的信号输出纤连接第一光纤隔离器输入端。
所述光纤预放大器中第一增益光纤、第二增益光纤和第三增益光纤为单包层掺镱光纤，光纤包层直径为100μm～150μm，各级纤芯直径的比为1:2:3，在976nm处对泵浦光的吸收系数为0.80dB/m～1.80dB/m。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1.本发明提出的SBS抑制模块是利用偏振光合束器和1×2光开关，实现偏振方向相互垂直的线偏振光交替输出，使受激布里渊散射光无法进行后续的放大，从而抑制SBS，整个SBS抑制模块结构简单，便于封装。
2.本发明提出的SBS抑制模块、光纤主放大器及高功率窄线宽激光器，不需要额外的射频信号源和复杂的相位调制装置，能够完成对布里渊散射光后续放大的抑制作用，降低布里渊增益，结构简单、能兼顾功率提升和线宽压窄。
3.本发明光纤预放大器采用的是三级单包层光纤放大器，通过调整每级增益光纤的纤芯的大小，使三级增益光纤纤芯的比为1:2:3，可以有效抑制放大自发辐射(ASE)，提高预放大的输出功率。
4.基于本发明，能够实现5kW级以上且高光束质量的窄线宽光纤激光输出。同时采用全光纤熔接技术构成全光纤系统，具有结构紧凑，成本低、性能稳定的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明所述的高功率窄线宽激光器结构示意图；
图2为本发明所述的SBS抑制模块的结构示意图；
附图标记：1-窄线宽激光器；2-第一光纤光隔离器；3-第一半导体激光器，4-第一波分复用器；5-第一增益光纤；6-第二光纤隔离器；7-第一模场适配器；8-第二半导体激光器；9-第一光纤合束器；10-第二增益光纤；11-第三光纤隔离器；12-第二模场适配器；13-第三半导体激光器；14-第二光纤合束器；15-第三增益光纤；16-第四光纤隔离器；17-环形器；18-后向监视器；19-第三模场适配器；20-第四半导体激光器；21-第三光纤合束器；22-SBS抑制模块；23-第四增益光纤；24-包层光滤除器；25-输出端帽；26-偏振光合束器；27-1×2光开关。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明，但不应就此理解为本发明所述主题的范围仅限于以下的实施例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，凡根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种修改、替换和变更，均包括在本发明的范围内。
实施例一：如图2所示，一种SBS抑制模块，包含偏振光合束器26和1×2光开关27，偏振光分束器26水平偏振输出端连接1×2光开关27一个输入端，偏振光分束器26竖直偏振输出端连接1×2光开关27另一个输入端。
所述SBS抑制模块22中偏振光分束器26的输入激光为圆偏振光、45°线偏振光或非偏振光，插入损耗小于1.0dB。
所述SBS抑制模块23中1×2光开关27为机械式光开关或非机械式光开关，光开关的转换时间为1ms～5ms，插入损耗小于1.0dB。
抑制SBS的过程为：激光注入SBS抑制模块23中，通过偏振光分束器26将输入的激光分开成两束偏振方向相互垂直的线偏振光，并注入到1×2光开关27中；1×2光开关27按1ms～5ms的转换时间将两束偏振方向相互垂直的线偏振光交替输出。
实施例二：如图1所示，一种光纤主放大器，由双包层增益光纤和SBS抑制模块以及配合使用的无源光纤器件组成，环形器17输出端连接后向监视器18输入端，环形器17反向输入端连接第三模场适配器19输入端，第三模场适配器19输出端连接第三光纤合束器21信号纤端，第四半导体激光器20输出端连接第三光纤合束器21泵浦纤端，第三光纤合束器21输出端连接SBS抑制模块22输入端，SBS抑制模块22输出端连接第四增益光纤23输入端，第四增益光纤23输出端连接包层光滤除器24输入端，包层光滤除器24输出端熔接上输出端帽25。
所述光纤主放大器中以6个最大输出功率800mW的第四半导体激光器20作为泵浦源；所述光纤主放大器中第四增益光纤23为双包层掺镱光纤，光纤纤芯直径为35μm，内包层直径为240μm，在976nm处对泵浦光的吸收系数为2.70dB/m。
实施例三：如图1或图2所示：一种高功率窄线宽激光器，由窄线宽激光种子源、光纤预放大器和光纤主放大器依次连接组成，光纤预放大器由三级单包层光纤放大器组成。
三级单包层光纤放大器包括第一半导体激光器3、第一波分复用器4、第一增益光纤5、第二光纤隔离器6、第一模场适配器7、第二半导体激光器8、第一光纤合束器9、第二增益光纤10、第三光纤隔离器11、第二模场适配器12、第三半导体激光器13、第二光纤合束器14、第三增益光纤15、第四光纤隔离器16；
第一光纤隔离器2输出端连接第一波分复用器4信号纤端，第一半导体激光器3输出端连接第一波分复用器4泵浦纤端，第一波分复用器4输出端连接第一增益光纤5输入端，第一增益光纤5输出端连接第二光纤隔离器6输入端，第二光纤隔离器6输出端连接第一模场适配器7输入端，第一模场适配器7输出端连接第一光纤合束器9信号纤端，第二半导体激光器8输出端连接第一光纤合束器9泵浦纤端，第一光纤合束器9输出端连接第二增益光纤10输入端，第二增益光纤10输出端连接第三光纤隔离器11输入端，第三光纤隔离器11输出端连接第二模场适配器12输入端，第二模场适配器12输出端连接第二光纤合束器14信号纤端，第三半导体激光器13输出端连接第二光纤合束器14泵浦纤端，第二光纤合束器14输出端连接第三增益光纤15输入端，第三增益光纤15输出端连接第四光纤隔离器16输入端。
第一级单包层光纤放大器I以1个最大输出功率为500mW的第一半导体激光器3作为泵浦源，第二级单包层光纤放大器II以2个输出功率为10W的第二半导体激光器8作为泵浦源，第三级单包层光纤放大器III以3个输出功率为100W的第三半导体激光器13作为泵浦源。
所述窄线宽激光种子源包含窄线宽激光器1和第一光纤隔离器2；窄线宽激光器1的信号输出纤连接第一光纤隔离器2输入端。
所述光纤预放大器中第一增益光纤5、第二增益光纤10和第三增益光纤15为单包层掺镱光纤，光纤包层直径为125μm，各级纤芯直径的比为1:2:3，在976nm处对泵浦光的吸收系数分别为0.80dB/m，1.20dB/m和1.80dB/m。
本发明能够实现5kW级以上且高光束质量的窄线宽光纤激光输出。同时采用全光纤熔接技术构成全光纤系统，具有结构紧凑简单、稳定性好、提升功率、成本低的优点。
以上所述只是本发明的实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对发明专利的限制。应当指出的是，对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内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种SBS抑制模块，其特征在于：包含偏振光合束器(26)和1×2光开关(27)，偏振光分束器(26)水平偏振输出端连接1×2光开关(27)一个输入端，偏振光分束器(26)竖直偏振输出端连接1×2光开关(27)另一个输入端。
2.根据权利要求1所述的SBS抑制模块，其特征在于：所述SBS抑制模块(22)中偏振光分束器(26)的输入激光为圆偏振光、45°线偏振光或非偏振光，插入损耗小于1.0dB。
3.根据权利要求1所述的SBS抑制模块，其特征在于：所述SBS抑制模块(23)中1×2光开关(27)为机械式光开关或非机械式光开关，光开关的转换时间为1ms～5ms，插入损耗小于1.0dB。
4.根据权利要求1所述的SBS抑制模块，其特征在于抑制SBS的过程为：其特征在于：激光注入SBS抑制模块(23)中，通过偏振光分束器(26)将输入的激光分开成两束偏振方向相互垂直的线偏振光，并注入到1×2光开关(27)中；1×2光开关(27)按1ms～5ms的转换时间将两束偏振方向相互垂直的线偏振光交替输出。
5.一种光纤主放大器，包括权利要求1-4任一项所述的SBS抑制模块，其特征在于：由双包层增益光纤和SBS抑制模块以及配合使用的无源光纤器件组成，环形器(17)输出端连接后向监视器(18)输入端，环形器(17)反向输入端连接第三模场适配器(19)输入端，第三模场适配器(19)输出端连接第三光纤合束器(21)信号纤端，第四半导体激光器(20)输出端连接第三光纤合束器(21)泵浦纤端，第三光纤合束器(21)输出端连接SBS抑制模块(22)输入端，SBS抑制模块(22)输出端连接第四增益光纤(23)输入端，第四增益光纤(23)输出端连接包层光滤除器(24)输入端，包层光滤除器(24)输出端熔接上输出端帽(25)。
6.根据权利要求5所述光纤主放大器，其特征在于：以4～8个输出功率为600mW～800mW的第四半导体激光器(20)作为泵浦源；所述光纤主放大器中第四增益光纤(23)为双包层掺镱光纤，光纤纤芯直径为35μm，内包层直径为240μm，在976nm处对泵浦光的吸收系数为1.20dB/m～2.70dB/m。
7.一种高功率窄线宽激光器，包括权利要求5所述的光纤放大器，其特征在于：由窄线宽激光种子源、光纤预放大器和光纤主放大器依次连接组成的高功率窄线宽激光器，光纤预放大器由三级单包层光纤放大器组成。
8.根据权利要求7所述的高功率窄线宽激光器，其特征在于：第一级单包层光纤放大器(I)以1个最大输出功率为500mW的第一半导体激光器(3)作为泵浦源，第二级单包层光纤放大器(II)以2～4个输出功率为10W的第二半导体激光器(8)作为泵浦源，第三级单包层光纤放大器(III)以2～4个输出功率为100W的第三半导体激光器(13)作为泵浦源。
9.根据权利要求7所述的高功率窄线宽激光器，其特征在于：每级光纤预放大器由半导体激光器、波分复用器、增益光纤、光纤隔离器和模场适配器组成；光纤隔离器输出端连接波分复用器信号纤端，半导体激光器输出端连接波分复用器泵浦纤端，波分复用器输出端连接增益光纤输入端，增益光纤输出端连接光纤隔离器输入端，光纤隔离器输出端连接模场适配器输入端。
10.根据权利要求7所述的高功率窄线宽激光器，其特征在于：所述窄线宽激光种子源包含窄线宽激光器(1)和第一光纤隔离器(2)；窄线宽激光器(1)的信号输出纤连接第一光纤隔离器(2)输入端；所述光纤预放大器中第一增益光纤(5)、第二增益光纤(10)和第三增益光纤(15)为单包层掺镱光纤，光纤包层直径为100μm～150μm，各级纤芯直径的比为1:2:3，在976nm处对泵浦光的吸收系数为0.80dB/m～1.80dB/m。
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