CN115954748A - 一种单光纤同带泵浦光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单光纤同带泵浦光纤激光器，包括依次连接的种子源、隔离器、剥模器、光纤光栅一、增益光纤、光纤光栅二、泵浦合束器、输出端帽，所述泵浦合束器上连接有泵浦源；所述种子源发出小功率激光源；所述剥模器可剥除增益光纤中的残余泵浦光；所述光纤光栅一与光纤光栅二相同，均具有高反射率，且只对特定波长特定带宽的激光高反射；所述泵浦源用于输出泵浦光，并激励增益光纤中的掺杂离子。本发明通过两个相同的高反射光纤光栅对增益光纤中掺杂离子的高增益峰进行筛选并高反射形成连续反射的激光震荡，能再次激发增益光纤中掺杂离子，进行量子亏损较低的同带泵浦，最大化的实现增益放大，提高了泵浦光的斜率效率。

Description

一种单光纤同带泵浦光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种单光纤同带泵浦光纤激光器。

背景技术

光纤激光器是以掺稀土元素的光纤为增益介质的激光器。与传统的固体和气体激光器相比，光纤激光器具有以下优点：结构简单、转换效率高、光束质量好；体积小、重量轻、散热效果好、使用寿命长等优点。

目前1.5um脉冲光纤激光器多采用MOPA结构放大技术，MOPA:主震荡功率放大，是光纤激光器尤其是脉冲光纤激光器能量提高的一种主要方法，主要应用在激光测距，激光雷达领域，其泵浦源多采用915nm或者940nm的多模半导体激光器，并且整机斜率效率在20％-25％之间。随着激光功率的提高，较低的转换效率意味着需要较多的泵浦功率这会使得激光器成本极速上升，并且也代表着较多的功率将以热量的形式散发掉，如果激光器的外部散热空间有限不但对激光器本身的热管理具有较高的要求，而且也将极大的限制其应用场景，无法发挥其1.5um波段人眼安全的优势。

发明内容

本发明旨在提供一种单光纤同带泵浦光纤激光器，以克服现有技术中存在的不足。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种单光纤同带泵浦光纤激光器，包括依次连接的种子源、隔离器、剥模器、光纤光栅一、增益光纤、光纤光栅二、泵浦合束器、输出端帽，所述泵浦合束器上连接有泵浦源；

所述种子源用于发出特定波长特定带宽的小功率激光源；

所述隔离器用于隔离反射光，只允许激光单向传输，防止放大级中的背向光进入种子源导致种子源损坏；

所述剥模器用于剥除增益光纤中未被消耗的残余泵浦光；防止其传输到特定点产生热积累损坏器件；

所述增益光纤用于将进入增益光纤的激光增益放大，将泵浦光的能量通过受激辐射的方式转换成需要的波长的激光，是光纤激光器的核心器件；

所述光纤光栅一与光纤光栅二相同，参数一致，均具有不小于99％的高反射率，且只对特定波长特定带宽的激光高反射，对带宽以外激光没有任何反射效果；所述光纤光栅一与光纤光栅二组成光栅对，可构成激光谐振腔；

所述泵浦合束器用于将泵浦光耦合到增益光纤的内包层中；

所述泵浦源用于输出泵浦光，并激励增益光纤中的掺杂离子，使得离子的外层电子处于高能态，从而提供粒子数反转的条件；

所述输出端帽用于将放大之后的激光输出，是激光的输出部件，能够承受较高的功率，输出端帽输出的激光波长与种子源的激光波长一致。

进一步的，上述的单光纤同带泵浦光纤激光器，所述种子源的激光波长为1030nm、1064nm或者1550nm，优选为1550nm，一方面此波段的人眼安全功率等级较高，另一方面此波长是通信波段常用的一个波长，光学元器件的选取方面具有极大的便捷性。

进一步的，上述的单光纤同带泵浦光纤激光器，所述光纤光栅一与光纤光栅二的中心波长与种子源的激光波长相对应，为1018nm、1030nm或者1535nm；所述光纤光栅一与光纤光栅二的带宽为1nm、2nm或者3nm。

进一步的，上述的单光纤同带泵浦光纤激光器，所述隔离器为单极隔离或者双极隔离。优选双级隔离，隔离度可以达到50dB以上，可以有效防止背向光损坏种子源。

进一步的，上述的单光纤同带泵浦光纤激光器，所述增益光纤内的掺杂离子是YB、Er或者ErYb共掺。优选为ErYb共掺，获得高功率的激光输出。

进一步的，上述的单光纤同带泵浦光纤激光器，所述增益光纤为6/125、10/125或者20/125的双包层光纤。优选为10/125的双包层光纤，保证传输功率的同时具有优良的光束质量。

进一步的，上述的单光纤同带泵浦光纤激光器，所述泵浦源的波长为915nm、940nm或者976nm。

进一步的，上述的单光纤同带泵浦光纤激光器，所述输出端帽的尾部表面设有特定角度的倾斜，并在尾部表面镀有1.5um的增透膜，所述倾斜的角度为0°、6°或者8°。优选8°的倾斜角度，可以有效防止输出端面的菲涅尔反射。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：没有复杂的级联结构，在没有增加泵浦源的基础上，在一根光增益光纤上刻蚀只对特定波长特定带宽高反射的两个光纤光栅，并通过此光纤光栅对增益光纤中掺杂离子的高增益峰进行筛选并高反射形成连续反射的激光震荡，筛选出的高增益激光再次对增益光纤中掺杂离子的电子激发至高能态，增益光纤中的自发辐射光被重新利用，进行量子亏损较低的同带泵浦，不提升整机功耗的同时提高了泵浦光的斜率效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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为本发明单光纤同带泵浦光纤激光器的结构示意图；

图中：1、种子源；2、隔离器；3、剥模器；4、光纤光栅一；5、增益光纤；6、光纤光栅二；7、泵浦合束器；8、泵浦源；9、输出端帽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，一种单光纤同带泵浦光纤激光器，包括依次连接的种子源1、隔离器2、剥模器3、光纤光栅一4、增益光纤5、光纤光栅二6、泵浦合束器7、输出端帽9，所述泵浦合束器7上连接有泵浦源8；

所述种子源1用于发出特定波长特定带宽的小功率激光源；

所述隔离器2用于隔离反射光，只允许激光单向传输，防止放大级中的背向光进入种子源1导致种子源1损坏；

所述剥模器3用于剥除增益光纤5中未被消耗的残余泵浦光；防止其传输到特定点产生热积累损坏器件；

所述增益光纤5用于将进入增益光纤5的激光增益放大；将泵浦光的能量通过受激辐射的方式转换成需要的波长的激光，是光纤激光器的核心器件；

所述光纤光栅一4与光纤光栅6二相同，参数一致，均具有不小于99％的高反射率，且只对特定波长特定带宽的激光高反射，对带宽以外激光没有任何反射效果；所述光纤光栅一4与光纤光栅二6可构成激光谐振腔；

所述泵浦合束器7用于将泵浦光耦合到增益光纤5的内包层中；

所述泵浦源8用于输出泵浦光，并激励增益光纤5中的掺杂离子，使得离子的外层电子处于高能态，从而提供粒子数反转的条件；

所述输出端帽9用于将放大之后的激光输出，是激光的输出部件，能够承受较高的功率，输出端帽9输出的激光波长与种子源1的激光波长一致。

由于光纤光栅一4和光纤光栅二6相同，且只对特定波长特定带宽的激光高反射，泵浦源8发出的泵浦光经泵浦合束器7进入到增益光纤5后，光纤光栅一4和光纤光栅二6筛选增益光纤5中掺杂离子的高增益峰，筛选出增益光纤中特定波长的激光并对其高反射形成连续反射的激光振荡，筛选出的激光在经过增益光纤5内部时会多次将增益光纤中低能级掺杂离子的电子激发至高能态，实现了量子亏损较低的同带泵浦；另一方面，种子源1发出小功率的激光源，从泵浦光的相反端依次经过隔离器2、剥模器3、光纤光栅一4进入增益光纤5，小功率的激光源被放大；然后光纤光栅一4和光纤光栅二6中的激光振荡对进入增益光纤5中放大的种子源1激光再次放大，并将其输出到光纤光栅二6外，然后经过泵浦合束器7从输出端帽9输出，输出的为与种子源1波长一致的多次增益放大的激光，在不增加泵浦源也不提升整机功耗的同时提高了泵浦光的斜率效率。

实施例2

基于实施例一结构的基础上，如图1所示，所述种子源1的激光波长为1030nm；所述光纤光栅一4与光纤光栅二6的中心波长与种子源1的激光波长相对应，为1018nm；所述光纤光栅一4与光纤光栅二6的带宽为3nm。

所述隔离器2为双极隔离，隔离度可以达到50dB以上，可以有效防止背向光损坏种子源。

所述增益光纤5内的掺杂离子是YB，所述增益光纤5是20/125的双包层光纤。

所述泵浦源8的波长为976nm。

所述输出端帽9的尾部表面设有特定角度的倾斜，并在尾部表面镀有1.5um的增透膜，所述倾斜的角度为6°，可以有效防止输出端面的菲涅尔反射。

实施例3

基于实施例一结构的基础上，如图1所示，所述种子源1的激光波长为1550nm，一方面此波段的人眼安全功率等级较高，另一方面此波长是通信波段常用的一个波长，光学元器件的选取方面具有极大的便捷性。

所述光纤光栅一4与光纤光栅二6的中心波长与种子源1的激光波长相对应，为1535nm；所述光纤光栅一4与光纤光栅二6的带宽为2nm带宽。

所述隔离器2为双级隔离，隔离度可以达到50dB以上，可以有效防止背向光损坏种子源。

所述增益光纤5内的掺杂离子为ErYb共掺，获得高功率的激光输出；所述增益光纤5为10/125的双包层光纤，保证传输功率的同时具有优良的光束质量。

所述泵浦源8的波长为940nm。

所述输出端帽9的尾部表面设有特定角度的倾斜，并在尾部表面镀有1.5um的增透膜，所述倾斜的角度为8°，可以有效防止输出端面的菲涅尔反射。

本发明所述的单光纤同带泵浦光纤激光器的工作原理为：以1550nm波长的种子源1为例，首先泵浦源8处于工作状态，其发出的泵浦光经过泵浦合束器7进入到增益光纤5的内包层中，泵浦光进入到增益光纤5被放大，且泵浦光通过增益光纤5时被增益光纤中的掺杂离子吸收，将掺杂离子的电子激发到高能态，增益光纤5中会发生粒子数反转；光纤光栅一4和光纤光栅二6筛选增益光纤5中掺杂离子的高增益峰，筛选出增益光纤5中特定波长为1535波长的激光并对其高反射形成连续反射的激光振荡，此时，增益光纤5中没有被消耗的反转粒子(上能级粒子)由自发辐射方式从高能级态低至基态，筛选出的1535波长激光在经过增益光纤5内部时会再次将增益光纤5中低能级掺杂离子的电子激发至高能态，增益光纤5中的自发辐射光被重新利用，而且其量子亏损较低，几乎绝大部分转换成了有用的激光，对增益光纤5进行量子亏损较低的同带泵浦，在不提升整机功耗的同时提高了泵浦光的斜率效率；另一方面，种子源1发出波长为1550的小功率的激光源，通过内部结构耦合进种子源1尾部光纤中，然后种子源1尾部光纤中的激光从泵浦光的相反端依次经过隔离器2、剥模器3、光纤光栅一4进入增益光纤5，小功率的激光源被放大；然后光纤光栅一4和光纤光栅二6中的激光振荡对进入增益光纤5中放大的种子源激光再次放大，并将其输出到光纤光栅二6外，然后再次放大的1550波长种子源激光经过泵浦合束器7从输出端帽9输出，输出的为与种子源1波长一致的多次增益放大的激光。在不增加泵浦源也不提升整机功耗的同时提高了泵浦光的斜率效率，斜率效率可提升至30％-40％之间，能够最大化的实现增益放大，提高能量的利用率。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种单光纤同带泵浦光纤激光器，其特征在于：包括依次连接的种子源(1)、隔离器(2)、剥模器(3)、光纤光栅一(4)、增益光纤(5)、光纤光栅二(6)、泵浦合束器(7)、输出端帽(9)，所述泵浦合束器(7)上连接有泵浦源(8)；

所述种子源(1)用于发出特定波长特定带宽的小功率激光源；

所述隔离器(2)用于隔离反射光，只允许激光单向传输；

所述剥模器(3)用于剥除增益光纤(5)中未被消耗的残余泵浦光；

所述增益光纤(5)用于将进入增益光纤(5)的激光增益放大，将泵浦光的能量通过受激辐射的方式转换成需要的波长的激光；

所述光纤光栅一(4)与光纤光栅二(6)相同，均具有不小于99％的高反射率，且只对特定波长特定带宽的激光高反射；

所述泵浦合束器(7)用于将泵浦光耦合到增益光纤(5)的内包层中；

所述泵浦源(8)用于输出泵浦光，并激励增益光纤(5)中的掺杂离子；

所述输出端帽(9)用于将放大之后的激光输出。

2.根据权利要求1所述的单光纤同带泵浦光纤激光器，其特征在于：所述种子源(1)的激光波长为1030nm、1064nm或者1550nm。

3.根据权利要求2所述的单光纤同带泵浦光纤激光器，其特征在于：所述光纤光栅一(4)与光纤光栅二(6)的中心波长与种子源(1)的激光波长相对应，为1018nm、1030nm或者1535nm；所述光纤光栅一(4)与光纤光栅二(6)的带宽是1nm、2nm或者3nm。

4.根据权利要求1所述的单光纤同带泵浦光纤激光器，其特征在于：所述隔离器(2)为单极隔离或者双极隔离。

5.根据权利要求1所述的单光纤同带泵浦光纤激光器，其特征在于：所述增益光纤(5)内的掺杂离子是YB、Er或者ErYb共掺。

6.根据权利要求5所述的单光纤同带泵浦光纤激光器，其特征在于：所述增益光纤(5)为6/125、10/125、20/125的双包层光纤。

7.根据权利要求1所述的单光纤同带泵浦光纤激光器，其特征在于：所述泵浦源(8)的波长为915nm、940nm或者976nm。

8.根据权利要求1所述的单光纤同带泵浦光纤激光器，其特征在于：所述输出端帽(9)的尾部表面设有特定角度的倾斜，并在尾部表面镀有增透膜，所述倾斜的角度为0°、6°或者8°。

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