CN116667121A - 一种窄线宽全光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种窄线宽全光纤激光器，包括种子源、至少两级放大模块、多路环形器、光耦合器和泵浦驱动模块；种子源和每一级放大模块中的增益光纤顺次连接多路环形器的端口，构成多级双程放大结构；每一级放大模块中的窄线宽高反射率光栅分别通过光耦合器与泵浦驱动模块连接，相邻放大模块对应的光耦合器相互连接，使得前一级放大模块放大的脉冲光通过光耦合器反向注入到后一级放大模块中，在后一级放大模块形成双向三程放大；种子源发出的脉冲光依次经过各级放大模块被逐级放大，从多路环形器的最后一个端口输出。本发明减少了耦合器、模式适配器、在线隔离器等器件的使用，极大的简化了光路结构和控制系统，并且极大提高激光器的稳定可靠性。

Description

一种窄线宽全光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光器领域，尤其涉及一种窄线宽全光纤激光器。
背景技术
现阶段国产脉冲光纤激光器产品与市场迅速发展，各大激光器厂商争先推出更高功率、更小体积、更高性能的激光器，传统分级结构激光器光路结构和控制系统复杂，系统包含的器件种类和数量较多，部分核心器件的良品率和长期稳定性很难保证，导致激光器整体的体积、成本很难进一步压缩。为适应市场需求、拓展光纤激光应用场景，亟需减小器件、电路控制的数量，在降低成本的同时，提升系统的性能指标。
目前市面上光纤激光器中的放大结构大多采用多级耦合，各级泵浦经过各级耦合器进入逐级单程放大，由于放大倍数受限于光谱展宽、ASE激发等因素，导致传统多级结构的器件数量较多，同时高功率放大受限于耦合器制作、增益光纤热积累，容易导致光束质量和光谱劣化、效率低、光纤损坏等问题。因此，优化激光器产品的放大结构尤为重要。
目前纳秒脉冲高功率激光器受限于散热和光谱展宽等问题，已有双向耦合器泵浦结构，能够解决光纤前段散热问题，但受限于反向耦合器插入损耗和光斑劣化等器件问题。另外目前已有利用少路环形器+高反光栅提高单路放大程数的技术方案，大部分泵浦能量仍然依靠耦合器进入增益光纤,放大方式与传统方式类似，整机效率和光谱提升有限。
发明内容
本发明主要目的在于：提供一种窄线宽全光纤激光器，优化放大结构，同时提高激光器性能。
本发明所采用的技术方案是：一种窄线宽全光纤激光器，包括种子源和光功率放大模块，还包括多路环形器、光耦合器和泵浦驱动模块；
所述的光功率放大模块包括至少两级放大模块，每一级放大模块中均包括增益光纤和窄线宽高反射率光栅，所述的种子源和每一级放大模块中的增益光纤顺次连接所述多路环形器的端口，利用多路环形器与每一级放大模块的窄线宽高反射率光栅构成多级双程放大结构；
每一级放大模块中的窄线宽高反射率光栅分别通过一个光耦合器与所述的泵浦驱动模块连接，相邻放大模块对应的光耦合器之间通过信号端相互连接，使得前一级放大模块放大的脉冲光通过光耦合器反向注入到后一级放大模块中，在所述后一级放大模块形成双向三程放大；
在每一级放大模块中，增益光纤吸收泵浦能量后形成激发态粒子数反转集聚能量，进入每一级放大模块的脉冲光反向放大吸收大部分泵浦能量后，被窄线宽高反射率光栅返回正向放大吸收剩余泵浦能量；
种子源发出的脉冲光依次经过各级放大模块被逐级放大后，从多路环形器的最后一个端口输出。
按上述方案，所述的至少两级放大模块包括一级主放大级光功率放大模块和二级主放大级光功率放大模块；所述的光耦合器包括第一光耦合器和第二光耦合器；其中，
一级主放大级光功率放大模块包括一级主放大第一增益光纤和一级主放大窄线宽高反射率光栅；二级主放大级光功率放大模块包括二级主放大增益光纤和二级主放大窄线宽高反射率光栅；所述泵浦驱动模块分别通过第一光耦合器和第二光耦合器与所述一级主放大窄线宽高反射率光栅和二级主放大窄线宽高反射率光栅连接，第一光耦合器与第二光耦合器通过信号端相互连接；所述的一级主放大第一增益光纤接入所述多路环形器的端口，所述二级主放大增益光纤连接包层光剥模器后接入所述多路环形器的端口。
按上述方案，所述的一级主放大级光功率放大模块还包括一级主放大第二增益光纤，串接在所述一级主放大窄线宽高反射率光栅与第一光耦合器之间，用于将一级主放大级光功率放大模块放大之后的脉冲光再次放大。
按上述方案，所述的光功率放大模块还包括预放大级光功率放大模块，在所述至少两级放大模块之前接入所述多路环形器的端口；
预放大级光功率放大模块包括预放大增益光纤和预放大窄线宽高反射率光栅，其中预放大增益光纤接入所述多路环形器的端口，预放大窄线宽高反射率光栅与所述泵浦驱动模块连接。
按上述方案，所述的泵浦驱动模块包括泵浦源和泵浦分束器，泵浦源发出的泵浦光通过泵浦分束器后分束，分别通过对应的光耦合器接入各级放大模块。
按上述方案，所述的种子源为纳秒、皮秒、飞秒种子源或连续种子源。
按上述方案，所述的窄线宽高反射率光栅的中心波长为1064nm或1550nm。
按上述方案，所述的窄线宽高反射率光栅的反射光谱3dB带宽为2nm或5nm。
按上述方案，所述的增益光纤为保偏光纤、非保偏光纤或光子晶体光纤。
按上述方案，所述的泵浦源的中心波长为915nm或976nm；泵浦分束器的分束比根据各级放大模块输出功率需求设置。
本发明产生的有益效果是：
1、利用多路环形器与窄线宽高反射率光栅构成多级双程放大，减少了耦合器、模式适配器、在线隔离器等器件的使用，极大的简化了光路结构和控制系统，并且多路环形器各级隔离度高，提升了系统抗高反能力，且输出端口与放大模块隔离，接输出光隔后具有多级抗高反能力，从而极大提高激光器的稳定可靠性；采用双程放大结构，在相同的放大倍数下能够缩短光纤的长度，反向放大及窄线宽高反射率光栅能够极大优化光谱，能够抑制非线性和高阶模的产生，提高了每一级的功率可调范围。
2、利用泵浦分束器将泵浦光分束后给各级放大模块，只需要控制泵浦分束器的分束比即可，减少了泵浦源的数量，简化了电路控制难度，节省了激光器成本和体积。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明一实施例的光路结构示意图。
图中：1-种子源，2-多路环形器，3-预放大级光功率放大模块，4-一级主放大级光功率放大模块，5-二级主放大级光功率放大模块，6-泵浦分束器，7-泵浦源，8-第一光耦合器，9-第二光耦合器，3-1-预放大增益光纤，3-2-预放大窄线宽高反射率光栅，4-1-一级主放大第一增益光纤，4-2-一级主放大窄线宽高反射率光栅，4-3-一级主放大第二增益光纤，5-1-二级主放大增益光纤，5-2-二级主放大窄线宽高反射率光栅，5-4-包层光剥模器。
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。
如图1所示，本发明提供一种窄线宽全光纤激光器，包括种子源1、多路环形器2、光功率放大模块、光耦合器和泵浦驱动模块。所述的光功率放大模块包括至少两级放大模块，每一级放大模块中均包括增益光纤和窄线宽高反射率光栅，所述的种子源1和每一放大模块中的增益光纤顺次连接所述多路环形器2的端口，利用多路环形器与每一级放大模块的窄线宽高反射率光栅构成多级双程放大结构。
每一级放大模块中的窄线宽高反射率光栅分别通过一个光耦合器与所述的泵浦驱动模块连接，相邻放大模块对应的光耦合器之间通过信号端相互连接，使得前一级放大模块放大的脉冲光通过光耦合器反向注入到后一级放大模块中，在所述后一级放大模块形成双向三程放大。
本实施例中，所述的光功率放大模块包括预放大级光功率放大模块3、一级主放大级光功率放大模块4和二级主放大级光功率放大模块5。
预放大级光功率放大模块3包括预放大增益光纤3-1和预放大窄线宽高反射率光栅3-2，其中预放大增益光纤3-1接入所述多路环形器2的端口，预放大窄线宽高反射率光栅3-2与所述泵浦驱动模块连接。
一级主放大级光功率放大模块4包括一级主放大第一增益光纤4-1和一级主放大窄线宽高反射率光栅4-2；二级主放大级光功率放大模块5包括二级主放大增益光纤5-1和二级主放大窄线宽高反射率光栅5-2。
所述泵浦驱动模块分别通过第一光耦合器8和第二光耦合器9与所述一级主放大窄线宽高反射率光栅4-2和二级主放大窄线宽高反射率光栅5-2连接，第一光耦合器8与第二光耦合器9通过信号端相互连接，用于反向耦合，提供泵浦源输入的同时，将一级主放大级光功率放大模块4中预放大脉冲光反向注入二级主放大级光功率放大模块5；所述的一级主放大第一增益光纤4-1接入所述多路环形器2的端口，所述二级主放大增益光纤5-1连接包层光剥模器后5-4接入所述多路环形器2的端口。
在每一级放大模块中，增益光纤吸收泵浦能量后形成激发态粒子数反转集聚能量，进入每一级放大模块的脉冲光反向放大吸收大部分泵浦能量后，被窄线宽高反射率光栅返回正向放大吸收剩余泵浦能量，提高放大效率的同时抑制非线性效应。
种子源1发出的脉冲光从多路环形器的I端口输入，经过II端口连接预放大级光功率放大模块进行功率预放大，脉冲光与背向耦合泵浦光形成反向放大，预放大增益光纤3-1吸收泵浦后形成激发态粒子数反转集聚能量，脉冲光反向放大吸收大部分能量后，将被预放大窄线宽高反射率光栅3-2返回正向放大吸收剩余泵浦能量。然后通过Ⅲ、Ⅳ端口连接一级主放大级光功率放大模块4、二级主放大级光功率放大模块5进行逐级主功率放大，调节各级输出功率，优化输出光谱，利用结构优势最大化输出指标。最后从多路环形器2的Ⅴ端口输出，可直接连接端帽作为整机输出。
所述的种子源可以为纳秒、皮秒、飞秒种子源或连续种子源，依据多路光纤环形器顺序出光、高隔离度的特性，种子光将依次进入预放大级光功率放大模块3、一级主放大级光功率放大模块4和二级主放大级光功率放大模块5进行放大，取代了传统结构每一级都需要的隔离器及在线光隔的使用，可直接连接端帽输出,或链接输出光隔组成多级隔离。环形器端口数量可定制，能够支持高功率多级放大，且各端口可匹配10/130μm、30/250μm、100/400μm等双包层光纤，足够适配于各种单模小纤芯、多模大纤芯用途的使用。
本发明的每一级放大模块利用高反射率光栅回返光形成单级双程放大结构，泵浦背向耦合进入增益光纤，信号光方向与泵浦光形成反向放大，反向放大提高放大效率的同时抑制了非线性效应，相较于传统正向放大光谱具有明显优势，解决了传统反向耦合器效率、光束质量低的问题。窄线宽光栅同时也能进一步约束光谱展宽，防止由于过高的放大倍数产生其他波长自激和ASE，同时各级可调功率范围增大。
优选的，所述的一级主放大级光功率放大模块4还包括一级主放大第二增益光纤4-3，串接在所述一级主放大窄线宽高反射率光栅4-2与第一光耦合器之间8，用于将一级主放大级光功率放大模块4放大之后的脉冲光再次放大，提升一级主放大级光功率放大模块4的注入种子功率。
进一步优选的，所述的泵浦驱动模块包括泵浦源7和泵浦分束器6，泵浦源7发出的泵浦光通过泵浦分束器6后分束分别接入各级放大模块。所述的泵浦源7的中心波长为915nm或976nm；泵浦分束器6的分束比根据各级放大模块输出功率需求设置。本发明将传统结构的多级泵浦替换成单一泵浦源，利用分束器将泵浦源分束成各放大模块的泵浦光，分束比根据各级输出功率需求，分束比可为1:1:8、1:3:6或其他任意比例。通常单一泵浦由于不同百分比输出的各级功率将不同，前级功率不能满足预放，因此无法调节输出功率百分比。本发明结构预放大级输出功率可调范围较大，一定功率之上能够达到预放要求，输出功率随百分比可调。同样拐点频率以下能够实现变功率输出。泵浦源数量根据整机功率选择，高功率输出时，可将多个泵浦先经过合束再分束按比例分配。目前单个半导体泵浦管功率逐渐提升，一般脉冲激光器利用单一或者少量泵浦足够提供能量，将极大节省成本，简化电路控制，可压缩系统体积，能够极大推动了小型化、产业化的发展。
本实施例中，预放大窄线宽高反射率光栅3-2和二级主放大窄线宽高反射率光栅5-2的反射率为99.99％，一级主放大窄线宽高反射率光栅的反射率和透射率各50％或其他透射比。通过第一光耦合器8、第二光耦合器9将泵浦光分别注入一级主放大级光功率放大模块4、二级主放大级光功率放大模块5，同时一级主放大级光功率放大模块4的透射光将被一级主放大第二增益光纤4-3放大后反向输出注入至二级主放大级光功率放大模块5中。一级主放大级光功率放大模块4双向输出结构的双向功率能够分别达到最大，提升了单向输出的阈值限制，同时也提升了泵浦吸收效率，简化了一般形式的双向输出光路。
所述的窄线宽高反射率光栅的中心波长为1064nm、1550nm或者其他波长，光栅反射光谱3dB带宽在0.5nm以上，优选2nm或5nm。光栅的选择能够影响基模的成分占比，减少高阶模的产生和传输。
所述的增益光纤为保偏光纤、非保偏光纤或光子晶体光纤。双程放大结构增益光纤长度可缩短一半以上，进一步提高了非线性阈值。尤其对于主放大级，较短光纤扔保持较高吸收效率，较传统结构输出光谱明显优化。
在两级放大模块中，一级主放大级光功率放大模块为未达到光纤阈值功率，但由于光谱展宽、放大倍数的限制，进行的前级低功率放大。而在传统技术中，通常受限于种子光功率偏低，前级低功率放大光谱劣化迅速、输出功率较低，因此，前级低功率放大一般采用两级预放结构才能达到主放大级输入功率，然后再进行主放大。本发明通过窄带光栅、缩短增益光纤长度、反向放大等措施，提升了预放大级功率，只需要一级前级低功率放大(即一级主放大级光功率放大模块)即可直接达到主功率放大的输入功率要求，缩短了放大级数。双程放大结构的一级主放大级光功率放大模块不仅提升了效率，还可减小预防大级剥模器的使用，将预放大利用部分反射光栅形成双向放大输出，适配于后续主放大级光功率放大模块(即二级主放大级光功率放大模块)的双向注入，相当于提升了预放大级功率，更有利于主放大级放大效率提升。
具备双向注入结构的主放大级光功率放大模块(即二级主放大级光功率放大模块)，预放脉冲将从两端吸收泵浦光放大形成双向三程放大，可极大减小单端泵浦放大熔接点和前段光纤发热问题，同时二级主放大窄线宽高反射率光栅能够优化输出光谱。
本发明提供的一种窄线宽全光纤激光器，利用多路环形器顺序出光，结合高反光栅背向耦合泵浦放大，双程通过增益光纤效率增加，结合窄线宽高反光栅可极大优化光谱提升放大倍率。同时主放大级(即二级主放大级光功率放大模块)采用双向注入方式，形成双向三程放大结构，进一步提高吸收效率，解决主放单向放大产生的熔接点和光纤热效应问题，主放级温度减小系统将更加稳定，能够实现更高平均功率放大。显然，多路环形器将替代掉多个器件而不仅仅是增加放大倍数，整个系统将减少模式适配器、隔离器、滤波器等器件使用，多级放大仅需要单个泵浦管，极大节约了成本，同时也简化了电路控制。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种窄线宽全光纤激光器，包括种子源和光功率放大模块，其特征在于，还包括多路环形器、光耦合器和泵浦驱动模块；
所述的光功率放大模块包括至少两级放大模块，每一级放大模块中均包括增益光纤和窄线宽高反射率光栅，所述的种子源和每一级放大模块中的增益光纤顺次连接所述多路环形器的端口，利用多路环形器与每一级放大模块的窄线宽高反射率光栅构成多级双程放大结构；
每一级放大模块中的窄线宽高反射率光栅分别通过一个光耦合器与所述的泵浦驱动模块连接，相邻放大模块对应的光耦合器之间通过信号端相互连接，使得前一级放大模块放大的脉冲光通过光耦合器反向注入到后一级放大模块中，在所述后一级放大模块形成双向三程放大；
在每一级放大模块中，增益光纤吸收泵浦能量后形成激发态粒子数反转集聚能量，进入每一级放大模块的脉冲光反向放大吸收大部分泵浦能量后，被窄线宽高反射率光栅返回正向放大吸收剩余泵浦能量；
种子源发出的脉冲光依次经过各级放大模块被逐级放大后，从多路环形器的最后一个端口输出。
2.根据权利要求1所述的窄线宽全光纤激光器，其特征在于，所述的至少两级放大模块包括一级主放大级光功率放大模块和二级主放大级光功率放大模块；所述的光耦合器包括第一光耦合器和第二光耦合器；其中，
一级主放大级光功率放大模块包括一级主放大第一增益光纤和一级主放大窄线宽高反射率光栅；二级主放大级光功率放大模块包括二级主放大增益光纤和二级主放大窄线宽高反射率光栅；所述泵浦驱动模块分别通过第一光耦合器和第二光耦合器与所述一级主放大窄线宽高反射率光栅和二级主放大窄线宽高反射率光栅连接，第一光耦合器与第二光耦合器通过信号端相互连接；所述的一级主放大第一增益光纤接入所述多路环形器的端口，所述二级主放大增益光纤连接包层光剥模器后接入所述多路环形器的端口。
3.根据权利要求2所述的窄线宽全光纤激光器，其特征在于，所述的一级主放大级光功率放大模块还包括一级主放大第二增益光纤，串接在所述一级主放大窄线宽高反射率光栅与第一光耦合器之间，用于将一级主放大级光功率放大模块放大之后的脉冲光再次放大。
4.根据权利要求1或2所述的窄线宽全光纤激光器，其特征在于，所述的光功率放大模块还包括预放大级光功率放大模块，在所述至少两级放大模块之前接入所述多路环形器的端口；
预放大级光功率放大模块包括预放大增益光纤和预放大窄线宽高反射率光栅，其中预放大增益光纤接入所述多路环形器的端口，预放大窄线宽高反射率光栅与所述泵浦驱动模块连接。
5.根据权利要求1所述的窄线宽全光纤激光器，其特征在于，所述的泵浦驱动模块包括泵浦源和泵浦分束器，泵浦源发出的泵浦光通过泵浦分束器后分束，分别通过对应的光耦合器接入各级放大模块。
6.根据权利要求1所述的窄线宽全光纤激光器，其特征在于，所述的种子源为纳秒、皮秒、飞秒种子源或连续种子源。
7.根据权利要求1所述的窄线宽全光纤激光器，其特征在于，所述的窄线宽高反射率光栅的中心波长为1064nm或1550nm；所述的窄线宽高反射率光栅的反射光谱3dB带宽在0.5nm以上。
8.根据权利要求2所述的窄线宽全光纤激光器，其特征在于，所述的一级主放大窄线宽高反射率光栅的反射率和透射率各50％。
9.根据权利要求1所述的窄线宽全光纤激光器，其特征在于，所述的增益光纤为保偏光纤、非保偏光纤或光子晶体光纤。
10.根据权利要求5所述的窄线宽全光纤激光器，其特征在于，所述的泵浦源的中心波长为915nm或976nm；泵浦分束器的分束比根据各级放大模块输出功率需求设置。
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CN117691444A (zh) * 2024-02-04 2024-03-12 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种多级复用的窄线宽光纤激光器预放大结构

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