CN115377784A - 一种同带泵浦光纤放大器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同带泵浦光纤放大器及方法，其包括信号激光（3）、同带泵浦激光（4）、波分复用器（9）、半导体泵浦源（10）、信号泵浦耦合器（11）、双层纤芯增益光纤（1）、单纤芯多包层增益光纤（2）、包层光滤除器（12）及激光输出组件（13），双层纤芯增益光纤（1）与单纤芯多包层增益光纤（2）熔接形成双纤芯增益纤。本发明将信号激光和同带泵浦激光通过波分复用器合为一路激光后经信号泵浦耦合器至双层纤芯增益光纤从而将泵浦激光转化为信号激光，通过包层光滤除器滤除残余包层光后获得增益放大后的激光，由激光输出组件输出，实现了利用两段熔合后的光纤完成由较低亮度短波长半导体激光向较高亮度长波长信号激光的转化。

Description

一种同带泵浦光纤放大器及方法
技术领域
本发明属于光纤激光技术领域，更具体地，涉及一种同带泵浦光纤放大器及方法。
背景技术
目前，随着光纤激光器在工业市场和国防军事领域的应用越来越广泛，对光纤激光器的功率要求也越来越高，如何进一步提高单根光纤输出功率也成了光纤激光器研究的热点。受限于半导体激光器的功率和亮度的限制，且半导体激光器直接泵浦的光纤激光器功率输出也有限。
和传统的半导体泵浦方式相比，同带泵浦使用光纤激光光源作为泵浦源具有更高的亮度、可实现更高的抽运功率注入，有利于提升光纤激光器抽运效率和输出功率。同时，由于同带泵浦抽运源波长与信号光波长距离更近，因而具有更低的量子亏损、热负荷更低，能够实现更好的热管控。同带泵浦结构被公认为是提升单纤激光器输出功率并使其达到最大输出功率极限的有效方法之一。
但传统实现同带泵浦的方法中，同带泵浦激光源都需要另外搭建激光器再合束，使得同带泵浦方案结构复杂，通过本发明设计双层纤芯增益纤方案，可在一个放大器中实现同带泵浦激光效果，有效简化激光光路。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种同带泵浦光纤放大器，信号激光和同带泵浦激光通过波分复用器合为一路激光后经过信号泵浦耦合器进入双层纤芯增益光纤，经所述双纤芯增益纤将同带泵浦激光耦合为信号激光，通过包层光滤除器滤除残余包层光获得增益放大后的信号激光，由激光输出组件输出，实现了利用两段熔合后的光纤完成由较低亮度短波长半导体激光向较高亮度长波长信号激光的转化。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种同带泵浦光纤放大器，包括依次成光路连接的信号激光、同带泵浦激光、波分复用器、半导体泵浦源、信号泵浦耦合器、双层纤芯增益光纤、单纤芯多包层增益光纤、包层光滤除器以及激光输出组件，所述双层纤芯增益光纤与单纤芯多包层增益光纤熔接形成双纤芯增益纤；
所述信号激光和同带泵浦激光通过波分复用器合为一路激光后经过信号泵浦耦合器进入双层纤芯增益光纤，经所述双纤芯增益纤将泵浦激光转化为信号激光，通过包层光滤除器滤除残余包层光后获得增益放大后的信号激光，由激光输出组件输出，实现了利用两段熔合后的光纤完成由较低亮度短波长半导体激光向较高亮度长波长信号激光的转化。
进一步地，所述双层纤芯增益光纤包括双层纤芯增益光纤内纤芯、双层纤芯增益光纤外纤芯及双层纤芯增益光纤包层。
进一步地，所述双层纤芯增益光纤内纤芯和双层纤芯增益光纤外纤芯分别注入不同波长的激光，所述双层纤芯增益光纤内纤芯的激光波长放大倍数小于所述双层纤芯增益光纤外纤芯的激光被放大倍数。
进一步地，所述单纤芯多包层增益光纤包括单纤芯多包层增益光纤内纤芯、单纤芯多包层增益光纤内包层及单纤芯多包层增益光纤外包层。
进一步地，所述双层纤芯增益光纤内纤芯与单纤芯多包层增益光纤内纤芯熔接；
所述双层纤芯增益光纤外纤芯与单纤芯多包层增益光纤内包层熔接；
所述双层纤芯增益光纤包层与单纤芯多包层增益光纤外包层熔接。
进一步地，所述双层纤芯增益光纤内纤芯、双层纤芯增益光纤外纤芯、单纤芯多包层增益光纤内纤芯对应区域为稀土粒子掺杂区域。
进一步地，所述双层纤芯增益光纤包层、单纤芯多包层增益光纤内包层、单纤芯多包层增益光纤外包层对应区域不掺杂稀土粒子，且熔接对应区域折射率一致。
进一步地，所述波分复用器包括与信号激光相连接的信号激光输出光纤、确定所述信号激光输出光纤输出位置的信号激光输出准直装置。
进一步地，所述波分复用器包括与所述泵浦激光相连接的同带泵浦波长激光输出光纤；
以及与所述同带泵浦波长激光输出光纤确定输出位置的同带泵浦波长激光输出准直装置。
进一步地，所述波分复用器包括设于所述信号激光输出准直装置和同带泵浦波长激光输出准直装置之间的双色镜。
进一步地，所述波分复用器包括合束输入准直装置。
进一步地，所述波分复用器包括合束输入双纤芯传能光纤。
进一步地，所述双层纤芯增益光纤与单纤芯多包层增益光纤之间设有熔接点。
进一步地，所述波分复用器和信号泵浦耦合器之间设有半导体泵浦源。
按照本发明的第二个方面，提供一种同带泵浦光纤放大方法，包括如下步骤：
S100：信号激光和同带泵浦激光通过波分复用器合为一路激光后，与半导体泵浦激光一起经信号泵浦耦合器进入双层纤芯增益纤中，
S200：在双层纤芯增益纤，半导体泵浦激光绝大部分转化为外纤芯的同带泵浦激光，少部分转化为内纤芯中的信号激光；
S300：双层纤芯增益纤内外纤芯的激光传输至单纤芯多包层增益纤后，内包层的同带泵浦激光被转化为纤芯中的信号激光，增益后的信号激光通过包层光滤除器滤除残余包层光后，由激光输出组件输出，实现了利用两端熔合后的光纤完成由较低亮度短波长半导体激光向较高亮度长波长信号激光的转化。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1.本发明的放大器，信号激光和同带泵浦激光通过波分复用器合为一路激光后经过信号泵浦耦合器进入双层纤芯增益光纤，经所述双纤芯增益纤将泵浦激光耦合为信号激光，通过包层光滤除器滤除残余包层光获得增益放大后的信号激光，由激光输出组件输出，实现了利用两段熔合后的光纤完成由较低亮度短波长半导体激光向较高亮度长波长信号激光的转化。
2.本发明的放大器，使用合适长度的双层纤芯增益光纤可使其与单纤芯多包层增益光纤熔接后，前一段被放大的激光波长作为后一段的泵浦光，实现熔接后的同带泵浦的输出。
3.本发明的放大器，通过设计信号激光输出光纤和信号激光输出准直装置的参数，可使信号激光与合束输入双纤芯传能光纤的内纤芯匹配，同理可根据设计同带泵浦波长激光输出光纤和同带泵浦波长激光输出准直装置的参数，使泵浦激光与合束输入双纤芯传能光纤的外纤芯模式匹配，从而将两种波长的激光分别与其内外纤芯相耦合。
4.本发明的放大器，在双层纤芯增益纤芯中半导体泵浦光绝大部分转化为放大的同带泵浦激光，随后同带泵浦激光在与之熔接的单纤芯多包层增益光纤的单纤芯多包层增益光纤中被转化为纤芯中的信号激光，实现了由较低亮度短波长半导体激光向较高亮度长波长信号激光的转化，简化了传统的同带泵浦激光器需至少两个放大器的过程。
5.本发明的方法，解决了同带泵浦激光器方案中需要先搭建激光器产生同带泵浦激光，再搭建激光器产生信号激光的复杂结构，使用本发明的双层纤芯光纤与单纤芯多层光纤的熔合可代替产生同带泵浦激光的激光器，且成本更低，效率更高，有效简化光路并实现了同带泵浦的有益效果。
附图说明
图1为本发明实施例中双层纤芯增益光纤的横截面示意图；
图2为本发明实施例将信号波长光和同带泵浦波长光合为一路激光的波分复用器结构示意图；
图3为本发明实施例双层纤芯增益纤熔接单纤芯多包层增益纤的示意图；
图4为本发明实施例同带泵浦激光放大器具体实施例；
图5为本发明实施例一种同带泵浦光纤放大方法的流程示意图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-双层纤芯增益光纤、2-单纤芯多包层增益光纤、3-信号激光、4-同带泵浦激光、5-合束输入准直装置、6-合束输入双纤芯传能光纤、7-双色镜、8-熔接点、9-波分复用器、10-半导体泵浦源、11-信号泵浦耦合器、12-包层光滤除器、13-激光输出组件、101-双层纤芯增益光纤内纤芯、102-双层纤芯增益光纤外纤芯、103-双层纤芯增益光纤包层、201-单纤芯多包层增益光纤内纤芯、202-单纤芯多包层增益光纤内包层、203-单纤芯多包层增益光纤外包层、301-信号激光输出光纤、302-信号激光输出准直装置、401-同带泵浦波长激光输出光纤、402-同带泵浦波长激光输出准直装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1-图4所示，在本发明实施例提供一种双层纤芯增益光纤，其包括：实现同带泵浦激光输出的双层纤芯光纤单元结构、与所述双层纤芯光纤对应的同带泵浦放大器，其中同带泵浦放大器包括将信号激光3与同带泵浦激光4合为一路激光的波分复用器9、与所述已耦合两种光进一步耦合的半导体泵浦源10、使半导体泵浦源10与已耦合两种光耦合到同一根光纤上的信号泵浦耦合器11、将已耦合好三种光的光纤与双层纤芯增益光纤1熔接，再熔接单纤芯多包层增益光纤2，再熔接可进一步滤除包层光的包层光滤除器12，以及与所述已滤除光进行输出的激光输出组件13。
如图1、3所示，本发明实施例提供一种实现同带泵浦激光输出的双层纤芯光纤单元结构，其包括：双层纤芯增益光纤1和单纤芯多包层增益光纤2，所述双层纤芯增益光纤1包括双层纤芯增益光纤内纤芯101、双层纤芯增益光纤外纤芯102、双层纤芯增益光纤包层103，所述单纤芯多包层增益光纤2包括单纤芯多包层增益光纤内纤芯201、单纤芯多包层增益光纤内包层202、单纤芯多包层增益光纤外包层203。其中双层纤芯增益光纤1与单纤芯多包层增益光纤2在熔接点8进行熔接，双层纤芯增益光纤外纤芯102与单纤芯多包层增益光纤内包层202、双层纤芯增益光纤内纤芯101与单纤芯多包层增益光纤内纤芯201、双层纤芯增益光纤包层103与单纤芯多包层增益光纤外包层203对应熔接；双层纤芯增益光纤内纤芯101、双层纤芯增益光纤外纤芯102、单纤芯多包层增益光纤内纤芯201对应区域为稀土粒子掺杂区域，双层纤芯增益光纤包层103、单纤芯多包层增益光纤内包层202、单纤芯多包层增益光纤外包层203对应区域不掺杂稀土粒子，且熔接对应区域折射率一致。在双层纤芯增益光纤1中，双层纤芯增益光纤内纤芯101和双层纤芯增益光纤外纤芯102分别注入不同波长的激光，其二者均掺杂稀土离子，且双层纤芯增益光纤内纤芯101的折射率大于双层纤芯增益光纤外纤芯102，其双层纤芯增益光纤外纤芯102对应芯包比较大，所以使用泵浦光就会大部分被双层纤芯增益光纤外纤芯102吸收，使同带泵浦激光被放大，同理双层纤芯增益光纤内纤芯101对应芯包比较小，对内纤芯中信号光的放大倍数较小。使用合适长度的双层纤芯增益光纤1可使其与单纤芯多包层增益光纤2熔接后，前一段被放大的同带泵浦激光作为后一段的泵浦光，实现信号激光的放大输出。
如图2、4所示，本发明实施例中,波分复用器9包括与信号激光3相连接的信号激光输出光纤301、与所述信号激光输出光纤301确定输出位置的信号激光输出准直装置302，与泵浦激光4相连接的同带泵浦波长激光输出光纤401以及与所述同带泵浦波长激光输出光纤401确定输出位置的同带泵浦波长激光输出准直装置402。信号激光3与泵浦激光4通过所述信号激光输出光纤301、信号激光输出准直装置302、同带泵浦波长激光输出光纤401和同带泵浦波长激光输出准直装置402分别经过双色镜7进行光的合束，通过合束输入准直装置5耦合进合束输入双纤芯传能光纤6，完成了两种分波的复用，将两种不同波长的光进行了合束并实现输出光纤的匹配。所述波分复用器9通过设计信号激光输出光纤301和信号激光输出准直装置302的参数，可使信号激光3与合束输入双纤芯传能光纤6的内纤芯匹配，同理可根据设计同带泵浦波长激光输出光纤401和同带泵浦波长激光输出准直装置402的参数，使泵浦激光4与合束输入双纤芯传能光纤6的外纤芯模式匹配，从而将两种波长的激光分别与其内外纤芯相耦合。
如图4、5所示，本发明实施例中，信号激光3为1064nm波长的激光，泵浦激光4为1018nm波长的激光，波分复用器9与所述信号激光3、泵浦激光4波长相对应。所述波分复用器9使两种不同波长的光合并在同一根光纤上传输，减少了光纤的使用量，降成本的同时降低了光纤损耗。在信号激光3和泵浦激光4经过波分复用器9处理后的光纤，再与波长为976nm的半导体泵浦源10一同通过信号泵浦耦合器11耦合到一段双层纤芯增益光纤1中，且双层纤芯增益光纤1与单纤芯多包层增益光纤2熔接；信号泵浦耦合器11将泵浦光与信号光合成，并实现了泵浦光和信号光在同一根光纤中传输，使输入光的信号能量得到了放大。所述耦合进的双层纤芯增益光纤1与单纤芯多包层增益光纤2熔接，其双层纤芯增益光纤内纤芯101直径为25um、双层纤芯增益光纤外纤芯102直径为100um、双层纤芯增益光纤包层103直径为400um，单纤芯多包层增益光纤2与双层纤芯增益光纤1熔接对应直径大小相同。经放大的光信号能量通过熔接好的两段纤芯时，根据纤芯的稀土掺杂粒子的分布，在经过双层纤芯增益光纤1时，双层纤芯增益光纤内纤芯101的折射率高于双层纤芯增益光纤外纤芯102，且信号激光3与双层纤芯增益光纤内纤芯101相匹配，泵浦激光4与双层纤芯增益光纤外纤芯102相匹配，在双层纤芯增益光纤外纤芯102中被放大的泵浦激光4由1018nm吸收转化为1064nm激光，而在双层纤芯增益光纤内纤芯101中放大倍数较小，始终缓慢放大传输。而半导体泵浦源10始终在光纤的包层中传输，经双层纤芯增益光纤1时，因双层纤芯增益纤芯包层103的直径大小被放大转换至1018nm，随后经与之熔接的单纤芯多包层增益光纤2的单纤芯多包层增益光纤内包层202和单纤芯多包层增益光纤外包层203放大吸收转化为1064nm光，实现了利用两端熔合后的光纤完成由较低波长向较高波长的转化吸收，简化了传统的同带泵浦激光器需至少两个放大器的过程。
此外，在本发明另一实施例中，利用双层纤芯增益光纤1和单纤芯多包层增益光纤2中不同区域的稀土离子掺杂浓度和两种光纤在熔合点8进行熔合的长度，可将注入的低波长的泵浦激光4和半导体泵浦源10的波长放大吸收，使其输出为与信号激光3波长相同的激光，而信号激光3和泵浦激光4在经波分复用器9准确与双纤芯传能纤6的内外纤芯相匹配，在将波长更短的半导体泵浦源10与所述双纤芯传能纤6中内外纤芯对应的两种激光一同通过熔合好的光纤，实现低波长光在经过与输出信号泵浦耦合器11一端连接的双层纤芯增益纤2时，保持1064nm波长，放大1018nm波长为1064nm波长，将半导体泵浦源10的976nm波长放大转换为1018nm，最终实现高功率激光同带泵浦的输出。将输出的同带泵浦激光通过包层光滤除器12，以滤除输出激光中包含的一定的包层光，提高激光光束质量和単色性，最终经激光输出组件13输出波长为1064nm的激光。
本发明的目的是为了解决了同带泵浦激光器方案中需要先搭建激光器产生同带泵浦激光，再搭建激光器产生信号激光的复杂结构，使用本发明的双层纤芯光纤与单纤芯多层光纤的熔合可代替产生同带泵浦激光的激光器，且成本更低，效率更高，有效简化光路并实现了同带泵浦的有益效果。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种同带泵浦光纤放大器，其特征在于，包括依次成光路连接的信号激光（3）、同带泵浦激光（4）、波分复用器（9）、半导体泵浦源（10）、信号泵浦耦合器（11）、双层纤芯增益光纤（1）、单纤芯多包层增益光纤（2）、包层光滤除器（12）以及激光输出组件（13），所述双层纤芯增益光纤（1）与单纤芯多包层增益光纤（2）熔接形成双纤芯增益纤；
所述信号激光（3）和同带泵浦激光（4）通过波分复用器（9）合为一路激光后经过信号泵浦耦合器（11）进入双层纤芯增益光纤（1），经所述双纤芯增益纤将同带泵浦激光转化为信号激光，通过包层光滤除器（12）滤除残余包层光后获得增益放大后的信号激光，由激光输出组件（13）输出，实现了利用两段熔合后的光纤完成由较低亮度短波长半导体激光向较高亮度长波长信号激光的转化。
2.根据权利要求1所述的一种同带泵浦光纤放大器，其特征在于，所述双层纤芯增益光纤（1）包括双层纤芯增益光纤内纤芯（101）、双层纤芯增益光纤外纤芯（102）及双层纤芯增益光纤包层（103）。
3.根据权利要求2所述的一种同带泵浦光纤放大器，其特征在于，所述双层纤芯增益光纤内纤芯（101）和双层纤芯增益光纤外纤芯（102）分别注入不同波长的激光，所述双层纤芯增益光纤内纤芯（101）的激光波长放大倍数小于所述双层纤芯增益光纤外纤芯（102）的激光被放大倍数。
4.根据权利要求3所述的一种同带泵浦光纤放大器，其特征在于，所述单纤芯多包层增益光纤（2）包括单纤芯多包层增益光纤内纤芯（201）、单纤芯多包层增益光纤内包层（202）及单纤芯多包层增益光纤外包层（203）。
5.根据权利要求4所述的一种同带泵浦光纤放大器，其特征在于，所述双层纤芯增益光纤内纤芯（101）与单纤芯多包层增益光纤内纤芯（201）熔接；
所述双层纤芯增益光纤外纤芯（102）与单纤芯多包层增益光纤内包层（202）熔接；
所述双层纤芯增益光纤包层（103）与单纤芯多包层增益光纤外包层（203）熔接。
6.根据权利要求5所述的一种同带泵浦光纤放大器，其特征在于，所述双层纤芯增益光纤内纤芯（101）、双层纤芯增益光纤外纤芯（102）、单纤芯多包层增益光纤内纤芯（201）对应区域为稀土粒子掺杂区域。
7.根据权利要求6所述的一种同带泵浦光纤放大器，其特征在于，所述双层纤芯增益光纤包层（103）、单纤芯多包层增益光纤内包层（202）、单纤芯多包层增益光纤外包层（203）对应区域不掺杂稀土粒子，且熔接对应区域折射率一致。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种同带泵浦光纤放大器，其特征在于，所述波分复用器（9）包括与信号激光（3）相连接的信号激光输出光纤（301）、确定所述信号激光输出光纤（301）输出位置的信号激光输出准直装置（302）。
9.根据权利要求8所述的一种同带泵浦光纤放大器，其特征在于，所述波分复用器（9）包括与所述泵浦激光（4）相连接的同带泵浦波长激光输出光纤（401）；
以及与所述同带泵浦波长激光输出光纤（401）确定输出位置的同带泵浦波长激光输出准直装置（402）。
10.根据权利要求9所述的一种同带泵浦光纤放大器，其特征在于，所述波分复用器（9）包括设于所述信号激光输出准直装置（302）和同带泵浦波长激光输出准直装置（402）之间的双色镜（7）。
11.根据权利要求10所述的一种同带泵浦光纤放大器，其特征在于，所述波分复用器（9）包括合束输入准直装置（5）。
12.根据权利要求11所述的一种同带泵浦光纤放大器，其特征在于，所述波分复用器（9）包括合束输入双纤芯传能光纤（6）。
13.根据权利要求1-7中任一项所述的一种同带泵浦光纤放大器，其特征在于，所述双层纤芯增益光纤（1）与单纤芯多包层增益光纤（2）之间设有熔接点（8）。
14.根据权利要求1-7中任一项所述的一种同带泵浦光纤放大器，其特征在于，所述波分复用器（9）和与半导体泵浦源（10）分别连接信号泵浦耦合器（11）的信号纤和泵浦纤。
15.一种同带泵浦光纤放大方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100：信号激光和同带泵浦激光通过波分复用器合为一路激光后，与半导体泵浦激光一起经信号泵浦耦合器进入双层纤芯增益纤中；
S200：在双层纤芯增益纤，半导体泵浦激光绝大部分转化为外纤芯的同带泵浦激光，少部分转化为内纤芯中的信号激光；
S300：双层纤芯增益纤内外纤芯的激光传输至单纤芯多包层增益纤后，内包层的同带泵浦激光被转化为纤芯中的信号激光，增益后的信号激光通过包层光滤除器滤除残余包层光后，由激光输出组件输出，实现了利用两端熔合后的光纤完成由较低亮度短波长半导体激光向较高亮度长波长信号激光的转化。
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