CN116247494A - 一种腔内高阶模滤除的单模光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
一种腔内高阶模滤除的单模光纤激光器,包括高反光栅、第一高阶模滤除器、前向泵浦源、前向泵浦/信号合束器、增益光纤、后向泵浦/信号合束器、后向泵浦源、第二高阶模滤除器、低反光栅、光纤端帽、激光器激光输出端；其中，所述第一高阶模滤除器和所述第二高阶模滤除器均包括含涂覆层的输入端双包层光纤、剥除涂覆层后的输入端光纤、输入端包层光剥离区、输入端锥区、腰区、输出端锥区、输出端包层光剥离区、剥除涂覆层后的输出端光纤、含涂覆层的输出端双包层光纤；所述输入端包层光剥离区、输入端锥区、腰区、输出端锥区、输出端包层光剥离区构成包层光剥离区。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体地为一种腔内高阶模滤除的单模光纤激光器。
背景技术
光纤激光器具有高效率、低热负荷、高光束质量、可柔性传输等优点，在工业加工、材料处理、国防科研等领域具有广泛的应用前景。与主振荡功率放大结构的光纤放大器相比，光纤振荡器具有结构紧凑、控制逻辑简单、成本低廉、抗反射回光能力强、稳定性好等优点。随着光纤器件和工艺的发展，光纤振荡器的输出功率和光束质量不断提升，在科研和工业领域都得到了广泛的关注和应用。
随着光纤激光功率的不断提升，纤芯内会形成极高的能量密度，引起各种有害的非线性效应，如受激拉曼散射。增大光纤纤芯尺寸、降低纤芯内的功率密度是避免非线性效应的有效方法之一。然而，增大光纤纤芯尺寸会使光纤支持多个模式。如果增益光纤支持多个模式，会产生另一种有害效应：模式不稳效应。模式不稳定效应是指输出的信号光功率超过一定阈值后，光纤激光的输出模式由稳定的基模变为基模和高阶模相对成分随时间迅速随机变化的非稳态模式，输出光的光束质量会严重恶化，对激光器的应用产生恶劣影响。
自2010年模式不稳定效应被发现以来，其成为近单模高光束质量光纤激光器功率增大的重要限制因素。早期对于模式不稳效应的研究主要针对大芯径光纤放大器，随着研究的深入，在大芯径光纤振荡器结构中同样也发现了模式不稳现象，为了进一步提高振荡器的输出功率，抑制模式不稳效应十分必要。
目前普遍认为大芯径光纤中基模和高阶模之间模间干涉，诱导的热致折射率光栅是产生模式不稳定效应产生的原因。因此，抑制大芯径光纤中高阶模的能量占比，可以提升光纤激光器的模式不稳定阈值。研究人员提出了设计新型光纤、弯曲增益光纤抑制高阶模等方式抑制光纤中的高阶模，在放大器结构中还可以通过优化进入放大器的种子光中基模能量占比来提升其模式不稳定阈值。
弯曲增益光纤抑制高阶模是最常用的实现高光束质量输出的方法，通过弯曲增益光纤，使增益光纤中的高阶模损耗增大，减少高阶模的产生。然而光纤弯曲直径太大，起不到很好的高阶模滤除作用，弯曲直径太小则会使得光纤基模损耗增大，让部分基模泄露到光纤包层中，使得激光器效率变低。
通过设计变芯径增益光纤，可在抑制光纤非线性效应的同时，保持激光器输出的光束质量，抑制模式不稳定效应。专利CN209640528U中提出的一种纤芯包层尺寸纵向连续渐变的纺锤形增益光纤，通过限制增益光纤两端的纤芯尺寸，减少高阶模的激发，抑制受激拉曼散射和模式不稳定效应。专利CN214069074U中提出一种马鞍形增益光纤及基于马鞍形增益光纤的全光纤振荡器，增益光纤的纤芯的直径在长度方向上呈中间直径小、两端直径大分布，采用光纤端帽进行激光反馈，具有较强的基模保持能力和非线性抑制能力。但是变芯径增益光纤的拉制工艺比较复杂、成本高，目前难以大规模应用。
专利CN206096546U提出一种光纤高阶模式剥离器件，通过光纤拉锥对光纤高阶模式进行剥离，然而并未涉及光纤振荡器受激拉曼散射抑制和模式不稳定抑制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种腔内高阶模滤除的单模光纤激光器，在较粗纤芯的少模光纤振荡器中，减少激光器对增益光纤小盘绕半径的依赖，实现只有LP01模式的单模输出，在保持少模光纤较好的非线性效应抑制的同时，提高光纤振荡器的模式不稳定阈值和输出光束质量。
本发明所要解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种腔内高阶模滤除的单模光纤激光器,包括高反光栅、第一高阶模滤除器、前向泵浦源、前向泵浦/信号合束器、增益光纤、后向泵浦/信号合束器、后向泵浦源、第二高阶模滤除器、低反光栅、光纤端帽、激光器激光输出端；其中，所述第一高阶模滤除器和所述第二高阶模滤除器均包括含涂覆层的输入端双包层光纤、剥除涂覆层后的输入端光纤、输入端包层光剥离区、输入端锥区、腰区、输出端锥区、输出端包层光剥离区、剥除涂覆层后的输出端光纤、含涂覆层的输出端双包层光纤；所述输入端包层光剥离区、输入端锥区、腰区、输出端锥区、输出端包层光剥离区构成包层光剥离区。
在一个实施方式中，所述输入端锥区、腰区、输出端锥区的长度均为20mm。
在一个实施方式中，所述输入端锥区和所述输出端锥区长度均大于10mm。
在一个实施方式中，所述腰区长度均大于10mm。
在一个实施方式中，所述高反光栅的输出端与所述第一高阶模滤除器的输入端熔接，所述第一高阶模滤除器的输出端与所述前向泵浦/信号合束器的输入端熔接，所述前向泵浦源的输出端与所述前向泵浦/信号合束器的泵浦臂熔接。
在一个实施方式中，所述前向泵浦/信号合束器的输出端与所述增益光纤的输入端熔接，所述增益光纤的输出端与所述后向泵浦/信号合束器的输入端熔接，所述后向泵浦源的输出端与所述后向泵浦/信号合束器的泵浦臂熔接。
在一个实施方式中，所述后向泵浦/信号合束器的输出端与所述第二高阶模滤除器的输入端熔接，所述第二高阶模滤除器的输出端低反光栅的输入端熔接，所述低反光栅的输出端与所述光纤端帽输入端熔接。
本发明的有益效果如下：
1.本发明通过第一高阶模滤除器/第二高阶模滤除器加入谐振腔内部，腔内高阶模在通过器件时完全截止，增大了高阶模的腔内损耗，提高输出激光的光束质量。
2.本发明的腔内高阶模滤除的单模光纤激光器相较于盘绕光纤滤除高阶模，通过第一高阶模滤除器/第二高阶模滤除器来控制腔内模式，可以实现更大的基模-高阶模损耗比，从而可以减少激光器对增益光纤小盘绕直径的依赖，放大增益光纤的盘绕直径，减少因光纤盘绕带来的基模损耗，提高激光器效率。
附图说明
图1为本发明实施例1的腔内高阶模滤除的单模光纤激光器的结构示意图；
图2为本发明图1的第一高阶模滤除器/第二高阶模滤除器的结构示意图；
图3为本发明实施例1的LP01和LP11模式通过率与腰区纤芯直径关系图。
图中：1、含涂覆层的输入端双包层光纤，2、剥除涂覆层后的输入端光纤，3、输入端包层光剥离，4、输入端锥区，5、腰区，6、输出端锥区,7、输出端包层光剥离区，8、剥除涂覆层后的输出端光，9、含涂覆层的输出端双包层光纤，101、高反光栅，102、第一高阶模滤除器，110、前向泵浦源，103、前向泵浦/信号合束器，104、增益光纤，105、后向泵浦/信号合束器，111、后向泵浦源，106，第二高阶模滤除器，107、低反光栅，108、光纤端帽，109、激光器激光输出端。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，本实施例包括高反光栅101、第一高阶模滤除器102、前向泵浦源110、前向泵浦/信号合束器103、增益光纤104、后向泵浦/信号合束器105、后向泵浦源111、第二高阶模滤除器106、低反光栅107、光纤端帽108、激光器激光输出端109；其中，高反光栅101的输出端与第一高阶模滤除器102的输入端熔接，第一高阶模滤除器102的输出端与前向泵浦/信号合束器103的泵浦臂熔接，前向泵浦源110的输出端与所述前向泵浦/信号合束器103的输入端熔接；前向泵浦/信号合束器103的输出端与增益光纤104的输入端熔接，增益光纤104的输出端与后向泵浦/信号合束器105的泵浦臂熔接，后向泵浦源111的输出端与后向泵浦/信号合束器105的输出端熔接；后向泵浦/信号合束器105的输出端与第二高阶模滤除器106的输入端熔接，第二高阶模滤除器106的输出端低反光栅107的输入端熔接，低反光栅107的输出端与所述光纤端帽108输入端熔接。
如图2所示，第一高阶模滤除器102和第二高阶模滤除器106均包括含涂覆层的输入端双包层光纤1、剥除涂覆层后的输入端光纤2、输入端包层光剥离区3、输入端锥区4、腰区5、输出端锥区6、输出端包层光剥离区7、剥除涂覆层后的输出端光纤8、含涂覆层的输出端双包层光纤9；所述输入端包层光剥离区3、输入端锥区4、腰区5、输出端锥区6、输出端包层光剥离区7构成包层光剥离区10；
第一高阶模滤除器102和第二高阶模滤除器106所用各器件光纤的纤芯直径为20μm、内包层直径为400μm、纤芯NA为0.065、激光波长为1080nm。
第一高阶模滤除器102和第二高阶模滤除器106的输入端锥区4、腰区5、输出端锥区6的长度均为20mm；腰区5纤芯直径拉锥到10μm，输入端包层光剥离区3的部分区域、输入端锥区4、腰区5、输出端锥区6、输出端包层光剥离区7的部分区域通过玻璃蒙砂膏腐蚀制备包层光滤除区，总长度90mm，如图3所示，LP01模的通过率大于98％；LP11模的通过率小于1％，可实现高阶模的充分抑制。
在一个实施方式中，输入端包层光剥离区3、输入端锥区4、腰区5、输出端锥区6、输出端包层光剥离区7内均设置包层光滤除器；
后向泵浦源111输出的泵浦光波长为976nm，以加强泵浦吸收，提高激光器效率。
后向泵浦源输出111的泵浦光，经后向泵浦/信号合束器105，注入到双包层增益光纤104，增益光纤104中的镱离子吸收泵浦光，之后通过受激辐射产生纤芯信号光，不同模式的纤芯信号光经过增益光纤104放大后通过第一高阶模滤除器102，只有LP01模能经高反光栅101反射，反射后信号光再次经过第一高阶模滤除器102往前传输，经增益光纤104放大后，再由第二高阶模滤除器108，滤除前向传输放大中可能产生的高阶模，只有LP01模才能经低反光栅107后由光纤端帽108输出，输出激光只有基模成分，同时部分光能量被低反光栅107反射回到腔内作为反馈继续放大。
在振荡放大过程中，因为进入到增益光纤104中的信号光主要都是LP01模式，光纤中的绝大部分能量都被提取到LP01模式中，提升了激光器的模式不稳定阈值，进而实现高功率、高效率的单模激光输出。
同时第一高阶模滤除器102和第二高阶模滤除器108中设置了包层光滤除区，可滤除纤芯泄露到包层中的光，避免了包层光对输出光束质量的影响，也可在低反光栅107和输出光纤端帽108之间加入包层光滤除器，进一步对包层光进行滤除。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明技术方案进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。
Claims (7)
1.一种腔内高阶模滤除的单模光纤激光器,其特征在于：包括高反光栅(101)、第一高阶模滤除器(102)、前向泵浦源(110)、前向泵浦/信号合束器(103)、增益光纤(104)、后向泵浦/信号合束器(105)、后向泵浦源(111)、第二高阶模滤除器(106)、低反光栅(107)、光纤端帽(108)、激光器激光输出端(109)；其中，所述第一高阶模滤除器(102)和所述第二高阶模滤除器(106)均包括含涂覆层的输入端双包层光纤(1)、剥除涂覆层后的输入端光纤(2)、输入端包层光剥离区(3)、输入端锥区(4)、腰区(5)、输出端锥区(6)、输出端包层光剥离区(7)、剥除涂覆层后的输出端光纤(8)、含涂覆层的输出端双包层光纤(9)；所述输入端包层光剥离区(3)、输入端锥区(4)、腰区(5)、输出端锥区(6)、输出端包层光剥离区(7)构成包层光剥离区(10)。
2.根据权利要求1所述的腔内高阶模滤除的单模光纤激光器,其特征在于：所述输入端锥区(4)、腰区(5)、输出端锥区(6)的长度均为20mm。
3.根据权利要求1所述的腔内高阶模滤除的单模光纤激光器,其特征在于：所述输入端锥区(4)和所述输出端锥区(6)长度均大于10mm。
4.根据权利要求1所述的腔内高阶模滤除的单模光纤激光器,其特征在于：所述腰区(5)长度大于10mm。
5.根据权利要求2-4任意一项所述的腔内高阶模滤除的单模光纤激光器,其特征在于：所述高反光栅(101)的输出端与所述第一高阶模滤除器(102)的输入端熔接，所述第一高阶模滤除器(102)的输出端与所述前向泵浦/信号合束器(103)的输入端熔接，所述前向泵浦源(110)的输出端与所述前向泵浦/信号合束器(103)的泵浦臂熔接。
6.根据权利要求5所述的腔内高阶模滤除的单模光纤激光器,其特征在于：所述前向泵浦/信号合束器(103)的输出端与所述增益光纤(104)的输入端熔接，所述增益光纤(104)的输出端与所述后向泵浦/信号合束器(105)的输入端熔接，所述后向泵浦源(111)的输出端与所述后向泵浦/信号合束器(105)的泵浦臂熔接。
7.根据权利要求6所述的腔内高阶模滤除的单模光纤激光器,其特征在于：所述后向泵浦/信号合束器(105)的输出端与所述第二高阶模滤除器(106)的输入端熔接，所述第二高阶模滤除器(106)的输出端低反光栅(107)的输入端熔接，所述低反光栅(107)的输出端与所述光纤端帽(108)输入端熔接。
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