CN116191175A - 一种光纤激光器的泵浦锁波装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤激光器的泵浦锁波装置，属于光纤激光器领域。泵浦锁波装置包括锁波控制系统和泵浦漂移探测模块，泵浦漂移探测模块至少包括一对包层泵浦光探测模块，锁波控制系统根据一对包层泵浦光探测模块中的第一光敏探测器和第二光敏探测器的信号强度控制泵浦冷却平台对泵浦系统的制冷效果，从而实时控制泵浦系统的输出波长。

Description

一种光纤激光器的泵浦锁波装置
技术领域
本发明属于光纤激光器领域，具体涉及一种光纤激光器的泵浦锁波装置。
背景技术
976nm泵浦技术有着非常高的增益转化效率，但也同样存在吸收带宽比较窄的缺点，因此该技术对泵浦光波长的稳定性要求非常高。传统的976nm光纤激光器通常采用泵浦镀膜直接锁波的方式，对波长进行控制，但这种方式对泵浦二极体的要求非常高，并且在真正的应用系统中，随着电流、冷却水温环境与二极体镀膜自身老化产生的变化，二极体的波长会产生比较明显的变化，最终导致整个激光系统的效率降低。此外，当二级体的波长产生比较明显的变化时，传统的泵浦镀膜直接锁波的方式也无法实现随时调整输出波长。
发明内容
本发明的目的在于提出一种光纤激光器的泵浦锁波装置，用于将光纤激光器中的泵浦波长控制在稳定范围，还可以用于实现光纤激光器的可调式锁波。
为达到上述目的，本发明提供了一种光纤激光器的泵浦锁波装置，泵浦锁波装置包括泵浦系统、增益腔模块、泵浦漂移探测模块、泵浦冷却平台和锁波控制系统；泵浦漂移探测模块至少包括一对包层泵浦光探测模块，每对包层泵浦光探测模块包括第一反射式滤波器和与其连接的第一光敏探测器，以及第二反射式滤波器和与其连接的第二光敏探测器，第一反射式滤波器的反射中心波长小于增益腔模块的峰值泵浦波长，第二反射式滤波器的反射波长大于增益腔模块的峰值泵浦波长；第一反射式滤波器和第二反射式滤波器用于对分离出来的泵浦残余滤波，并使透射的泵浦残余分别入射到第一光敏探测器和第二光敏探测器；锁波控制系统根据第一光敏探测器和第二光敏探测器的信号强度控制泵浦冷却平台对泵浦系统的制冷效果，从而控制泵浦系统的输出波长。
优选地，每对包层泵浦光探测模块还包括分别与第一反射式滤波器和第二反射式滤波器连接的第一包层泵浦光分离元件和第二包层泵浦光分离元件，包层泵浦光分离元件用于将光纤包层中的泵浦残余分离出来。
优选地，每对包层泵浦光探测模块还包括与第一反射式滤波器和第二反射式滤波器共同连接的包层泵浦光分离元件，包层泵浦光分离元件用于将光纤包层中的泵浦残余分离出来。
优选地，包层泵浦光分离元件为包层光剥离器或分束器或反向合束器。
优选地，各对包层泵浦光探测模块中两个反射式滤波器的反射中心波长与峰值泵浦波长的差值之和在-2和2之间。
优选地，峰值泵浦波长为各对包层泵浦光探测模块中两个反射式滤波器的反射中心波长的中位数。
优选地，锁波控制系统控制制冷效果使得各第一光敏探测器接收的信号强度之和与各第二光敏探测器接收的信号强度之和相等。
优选地，锁波控制系统控制制冷效果使得其中一对包层泵浦光探测模块中的第一光敏探测器与第二光敏探测器接收的信号强度差值为一预设值，预设值不为0。
优选地，包层泵浦光探测模块还包括滤波装置，在泵浦残余进入各反射式滤波器之前，滤波装置将于峰值泵浦波长光滤除。
优选地，反射式滤波器为光纤光栅或滤波片。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明可以直观地将光纤激光系统中泵浦波长的分布情况体现出来，并实时调节泵浦系统的波长；
(2)本发明可以在一定范围内通过设定实现任意控制波长中值的选择，从而实现光纤激光系统任意效率的多种选择。
附图说明
图1是本发明提出的光纤激光器的泵浦锁波装置的结构示意图；
图2是泵浦漂移探测系统的结构示意图；
图3是多区间泵浦锁波系统的结构示意图；
图4是锁波控制系统实现锁波的方法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明提出了一种光纤激光器的泵浦锁波装置，用于将光纤激光器中的泵浦波长控制在稳定范围，泵浦锁波装置包括：泵浦系统1、泵浦冷却平台2、合束模块4、增益腔模块、泵浦漂移探测模块8、输出光缆9和锁波控制系统。泵浦系统1、合束模块4、增益腔模块、输出光缆9与泵浦冷却平台2构成一个典型的光纤激光器系统。在另一个实施方式中，装置还包括指示激光器11。
泵浦系统1由N个半导体激光器组成，用于为增益腔模块提供泵浦光，其中N≥1。
泵浦冷却平台2用于给泵浦系统1中的半导体激光器散热制冷。泵浦冷却平台2采用风冷或冷媒冷却，其中冷媒冷却包括水冷。泵浦冷却平台2可以由流道式水冷板组成。
合束模块4可以为光纤合束器，用于将N个半导体激光器输出的泵浦光进行合束。
增益腔模块包括光栅5和光栅7组成的光栅对和增益光纤6，增益光纤6用于对泵浦系统1提供的泵浦光进行吸收，并进行增益放大。光栅对的反射中心与谐振腔的谐振波长对应。
在不同实施方式中，根据增益光纤选择不同输出波长的半导体激光器提供泵浦光。增益光纤中的掺杂元素可以为Yb、Er、Th、Ho、Tm或其任意组合。半导体激光器的输出波长为915nm、976nm、981nm、1480nm、1560nm或其任意组合。增益腔模块还可以包括非线性光学晶体、拉曼光纤等频移元件。
泵浦漂移探测系统8包括至少一对包层泵浦光探测模块，即可以包括1、2、3……N对包层泵浦光探测模块。对每对包层泵浦光探测模块包括两组包层泵浦光探测模块，每组包层泵浦光探测模块包括依次连接的反射式滤波器和光敏探测器。其中一组的反射式滤波器的反射中心波长小于增益腔模块的峰值泵浦波长，另一组的反射式滤波器的反射波长大于增益腔模块的峰值泵浦波长，其中峰值泵浦波长是指增益光纤的对泵浦光的最佳吸收波长。优选地，峰值泵浦波长为各对包层泵浦光探测模块中两个反射式滤波器的反射中心波长的中位数。然而，并不严格要求峰值泵浦波长为各对包层泵浦光探测模块中两个反射式滤波器的反射中心波长的中位数。在一个实施方式中，各对包层泵浦光探测模块中两个反射式滤波器的反射中心波长与峰值泵浦波长的差值之和在-2和2之间。比如泵浦系统的发光光谱或增益光纤的吸收不关于峰值泵浦波长对称，则可以根据泵浦系统的发光光谱分布和增益光纤的吸收情况确定该差值。
在一个实施方式中，每组包层泵浦光探测模块各自还包括一个用于将包层中的泵浦残余分离出来的包层泵浦光分离元件。其中，包层泵浦光分离元件可以采用包层光剥离器(CPS)或分束器或反向合束器。在另一个实施方式中，多组包层泵浦光探测模块共用一个包层泵浦光分离元件。优选的，多组包层泵浦光探测模块在同一个CPS处进行探测，这样两组包层泵浦光探测模块的探测位置比较接近，可以减少两个探测器的探测误差。
反射式滤波器用于滤波，使期望波长的泵浦残余入射到光敏探测器，可以采用光纤光栅或者滤波片。优选的，反射式滤波器采用反射式光纤光栅，这样在光栅制造中进行少量刻蚀即可实现较短波长带宽的反射。
输出光缆9是整个激光系统的输出部分。输出光缆9可以包括传输光纤、石英锥镜和铠装结构。
如图4所示，锁波控制系统根据泵浦漂移探测系统8的反馈控制泵浦冷却平台2的制冷效果，从而控制泵浦系统的输出波长。在一个实施例中，锁波控制系统根据泵浦漂移探测系统8的反馈控制泵浦冷却平台2进水口的电控调节阀3。
实施例1：
如图2所示，泵浦漂移探测模块8包括包层光剥除器80、971nm光纤光栅81和对应的光敏探测器83、981nm光纤光栅82和对应的光敏探测器84。包层光剥除器对未被增益腔吸收的包层泵浦光进行剥除，两个光栅分别会对剥除出包层的泵浦光进行收集并传导至两个光敏探测器上，光敏探测器进行信号转换。其中，可以根据实际应用需要选择具有合适光栅带宽的光纤光栅。优选地，光纤光栅的光栅带宽为3nm(±1.5nm)。
锁波控制系统的工作原理如下：
在光纤激光器正常工作的过程中会产生未被增益腔完全吸收的泵浦残余光能，根据增益腔中掺镱光纤对976nm泵浦光吸收的特性，未被泵浦残余光能基本分布在971nm与981nm。这些未被泵浦吸收的残余光能会被泵浦漂移探测器8中的CPS剥除出光纤包层，这些光能一部分会射入预先放置在CPS剥除区附近的971nm光纤光栅81与981nm光纤光栅82的探测端面中。两个光栅会对相对应的波长形成全反射，阻止其通过，如971nm的泵浦残余光能居多，则入射到971nm光纤光栅81的泵浦残余光大多会被光栅反射回CPS方向，而进入981nm光纤光栅82的泵浦残余光则大多不会被光栅反射，而是传递至981nm光纤光栅82的另一端并射入光敏探测器84上。
当未被吸收的泵浦光波长偏向971nm时，981nm光纤光栅82对应的光敏探测器84会接收到较大的信号，而971nm光纤光栅81对应的光敏探测器83则仅会接收到较小的信号；反之，如当未被吸收的泵浦光波长偏向981nm时，971nm光纤光栅81对应的光敏探测器83会接收到较大的信号，而981nm光纤光栅82对应的光敏探测器84则仅会接收到较小的信号。两个光敏探测器接收的信号会形成差值，而如果两个差值越接近0值，说明增益腔系统中产生的971nm与981nm泵浦残余光能量接近，即增益腔处在一个比较好的吸收状态。锁波控制系统会实时根据泵浦漂移探测系统8中两个光敏探测器的反馈进行计算，计算公式为Pfb(971)-Pfb(981)＝P(move)。则会得到以下三种情况：P(move)>0；P(move)＝0；P(move)<0。
锁波控制系统会根据以上三种情况对泵浦冷却平台2进水口的调节阀3发出不同的调节信号，对冷却水进行增加流量与减少流量的调节控制。当泵浦残余波长偏向971nm时，锁波控制系统会得出P(move)<0的比较结果，然后向调节阀3发出减少流量的指令，通过减少水冷流量的方式，增加泵浦二极体的温度，使其输出波长红移，从而实现对泵浦二极体输出波长的锁波目的，使增益腔维持在最佳状态。在采用风冷的实施例中，锁波控制系统根据差值P(move)调节风量或风温。
当泵浦残余波长偏向981nm时，锁波控制系统会得出P(move)＞0的比较结果，然后向调节阀3发出增加流量的指令，通过增加水冷流量的方式，降低泵浦二极体的温度，使其输出波长蓝移，从而实现对泵浦二极体输出波长的锁波目的，使增益腔维持在最佳状态。
当P(move)＝0时，说明增益腔处在一个比较好的吸收状态，则不需要改变水冷流量。
此外，由于光纤激光器的效率与增益光纤对不同波长的吸收率是成正比的，当峰值泵浦波长为976nm时，可以通过设定光敏探测器83的信号数值大于或小于光敏探测器84信号数值一个预设值，即将P(move)与预设值比较，并根据比较结果控制制冷效果，则此时的泵浦光中心波长相对于976nm红移或蓝移。红移或蓝移多少取决于两个光敏探测器信号差值的大小，差值越大，则相对于976nm的偏移就越大，此时光纤激光器的效率较低，则输出的激光功率较低。因此通过上述结构可以实现光纤激光器发光效率的可控性改变，以满足不同应用场景中对激光功率可调性的需求。
实施例2：
实施例2与实施例1的区别在于，实施例2中在971nm光纤光栅81和981nm光纤光栅82之前还分别设置有976nm光纤光栅，用于降低入射到光敏探测器83和84的光功率，防止入射到光敏探测器的能量过高。
实施例3：
如图3所示，实施例3与实施例1的区别在于，实施例3中的泵浦漂移探测模块包括两对包层泵浦光探测模块，即四组包层泵浦光探测模块，光纤光栅85、光纤光栅86、光纤光栅87、光纤光栅88的中心波长分别为971nm、973nm、979nm和981nm，分别对应四个入射光功率的光敏探测器89、90、91和92。优选地，光纤光栅的光栅带宽为2nm(±1nm)。
计算公式如下：(Pfb(971)+Pfb(973))-(Pfb(979)+Pfb(981))＝P(move)。锁波控制系统控制调节阀3的方法与实施例1相同。相对于实施例1，采用四组包层泵浦光探测模块可以达到更精确的泵浦频段探测与控制的效果，配合相应的参数控制，可实现波长在多个区间的可调控式锁波。
设定光敏探测器89的信号数值大于或小于光敏探测器92的信号数值一个预设值，再设定光敏探测器90的信号数值大于或小于光敏探测器91的信号数值另一个预设值，在调节光纤激光器发光效率时，采用其中任一对包层泵浦光探测模块的检测结果控制泵浦冷却平台的制冷效果。当采用不同对包层泵浦光探测模块的检测结果时，泵浦光中心波长移动的方向(即蓝移或红移)和/或幅度不同，从而实现在多个区间的可调控式锁波。
值得一提的是，在其他实施例中还包括三对或更多对包层泵浦光探测模块，在此不再一一赘述。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤激光器的泵浦锁波装置，其特征在于，所述泵浦锁波装置包括泵浦系统、增益腔模块、泵浦漂移探测模块、泵浦冷却平台和锁波控制系统；所述泵浦漂移探测模块至少包括一对包层泵浦光探测模块，每对所述包层泵浦光探测模块包括第一反射式滤波器和与其连接的第一光敏探测器，以及第二反射式滤波器和与其连接的第二光敏探测器，所述第一反射式滤波器的反射中心波长小于所述增益腔模块的峰值泵浦波长，所述第二反射式滤波器的反射波长大于所述增益腔模块的峰值泵浦波长；所述第一反射式滤波器和第二反射式滤波器用于对分离出来的泵浦残余滤波，并使透射的泵浦残余分别入射到第一光敏探测器和第二光敏探测器；所述锁波控制系统根据第一光敏探测器和第二光敏探测器的信号强度控制泵浦冷却平台对所述泵浦系统的制冷效果，从而控制所述泵浦系统的输出波长。
2.根据权利要求1所述的光纤激光器的泵浦锁波装置，其特征在于，所述每对所述包层泵浦光探测模块还包括分别与所述第一反射式滤波器和第二反射式滤波器连接的第一包层泵浦光分离元件和第二包层泵浦光分离元件，包层泵浦光分离元件用于将光纤包层中的泵浦残余分离出来。
3.根据权利要求1所述的光纤激光器的泵浦锁波装置，其特征在于，所述每对所述包层泵浦光探测模块还包括与所述第一反射式滤波器和第二反射式滤波器共同连接的包层泵浦光分离元件，包层泵浦光分离元件用于将光纤包层中的泵浦残余分离出来。
4.根据权利要求2或3所述的光纤激光器的泵浦锁波装置，其特征在于，包层泵浦光分离元件为包层光剥离器或分束器或反向合束器。
5.根据权利要求1所述的光纤激光器的泵浦锁波装置，其特征在于，所述各对包层泵浦光探测模块中两个反射式滤波器的反射中心波长与峰值泵浦波长的差值之和在-2和2之间。
6.根据权利要求1所述的光纤激光器的泵浦锁波装置，其特征在于，所述峰值泵浦波长为各对包层泵浦光探测模块中两个反射式滤波器的反射中心波长的中位数。
7.根据权利要求1所述的光纤激光器的泵浦锁波装置，其特征在于，所述锁波控制系统控制所述制冷效果使得各第一光敏探测器接收的信号强度之和与各第二光敏探测器接收的信号强度之和相等。
8.根据权利要求1所述的光纤激光器的泵浦锁波装置，其特征在于，所述锁波控制系统控制所述制冷效果使得其中一对包层泵浦光探测模块中的第一光敏探测器与第二光敏探测器接收的信号强度差值为一预设值，所述预设值不为0。
9.根据权利要求1所述的光纤激光器的泵浦锁波装置，其特征在于，所述包层泵浦光探测模块还包括滤波装置，在泵浦残余进入各反射式滤波器之前，所述滤波装置将于峰值泵浦波长光滤除。
10.根据权利要求1所述的光纤激光器的泵浦锁波装置，其特征在于，所述反射式滤波器为光纤光栅或滤波片。
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