CN116759875A - 一种光纤激光放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤激光放大器，光纤激光放大器包括信号源、泵浦源和增益光纤，信号源输出的信号光从增益光纤的输入端输入，在增益光纤中放大后从增益光纤的输出端输出；增益光纤包括有源纤、泵浦纤和涂覆层；有源纤包括主纤芯、侧纤芯和包层，侧纤芯以主纤芯为中心轴沿着主纤芯的轴向周期性地螺旋盘绕在主纤芯周围；泵浦源用于向泵浦纤注入泵浦光，泵浦纤与包层贴合。该光纤激光放大器可实现输出激光高阶模式滤除，用以提高输出激光的光束质量；拉曼波长激光的损耗，用以提高拉曼抑制比；以及高泵浦光注入能力。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光放大器领域，具体涉及一种基于手性耦合纤芯和泵浦-增益一体化技术的光纤激光放大器。
背景技术
随着工业加工应用的不断普及，对光纤激光输出的激光功率、光束质量、拉曼抑制比等主要光学技术参数不断提出了更高的要求。为了获得满足要求的高功率光纤激光，主要需要解决高阶膜抑制、高功率泵浦功率注入能力和高效的热管理三项关键技术。目前，众多科研工作者开展了相关技术探索与研究，并衍生出具有大模场的低数值孔径(NA)阶跃折射率型光纤(大模场双包层光纤)、光子晶体光纤、光子晶体棒状光纤、泄漏通道光子晶体光纤、大间距光子晶体纤等技术，这些技术得到了快速的发展。
其中，大模场低NA阶跃折射率由于其为了只支持单模或少模激光传输，于是要求该类光纤NA一般要求小于0.06，然而目前成熟的MCVD光纤预制棒制造技术较难实现对该较小数值孔径的精确控制，因此目前多包层大模场光纤数值孔径被限制在约为0.06，导致了大模场光纤为一般支持多模输出，在使用过程中，容易引起模式不稳定性，阻碍功率进一步提升。同时，具有低的数值孔径，导致其耐弯特性较差。因此，该种类特种光纤在使用过程中，光纤弯曲易导致其产生纤芯漏光，增加传输插入损耗。关于大模场光子晶体、光子晶体棒状、泄漏通道光子晶体、大间距光子晶体等光纤，其采用周期空气孔微结构来实现对纤芯NA的精确控制，因此，其可同时具有大模场和低NA的特性。虽然这些年该类光纤被广泛关注与研究，但是光子晶体因空气孔热塌缩效应一直存在与常规阶跃折射率型光纤熔接具有高插损的缺陷问题，导致其较难实现高功率光纤激光器相关器件一体化、小型化，因此，限制其被广泛使用。
综上，以上技术都存在一定的固有缺陷，导致其在工业激光器应用方面都存在一些技术问题，特别是在获得单纤超高功率(万瓦级)方面。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于泵浦-增益一体化和手性耦合纤芯技术的高功率光纤激光放大器，用以获得高功率、高光束质量、高拉曼抑制比的单纤激光输出。
为了达到上述目的，本发明提供了一种光纤激光放大器，所述光纤激光放大器包括信号源、泵浦源和增益光纤，所述信号源输出的信号光从所述增益光纤的输入端输入，在增益光纤中放大后从所述增益光纤的输出端输出；所述增益光纤包括有源纤、泵浦纤和涂覆层；所述有源纤包括主纤芯、侧纤芯和包层，所述侧纤芯以所述主纤芯为中心轴沿着所述主纤芯的轴向周期性地螺旋盘绕在所述主纤芯周围；所述泵浦源用于向所述泵浦纤注入泵浦光，所述泵浦纤与所述包层贴合；所述光纤激光放大器能够用于输出万瓦级别的激光。
优选地，所述主纤芯与侧纤芯的传输模式之间符合准相位匹配条件，所述准相位匹配条件为，其中，β1为所述侧纤芯内激光传播常数，β2为所述主纤芯内激光传播常数，R为所述侧纤芯和主纤芯的中心距离，∧为所述侧纤芯的轴向螺旋周期，l为所述主纤芯传输模式的角向阶数。
优选地，所述有源纤对振荡激光的透过率低于对拉曼激光的透过率。
优选地，所述有源纤为多模光纤。
优选地，所述泵浦纤的数量为多个，且每个泵浦纤与所述包层贴合。
优选地，所述泵浦源对所述泵浦纤进行双向注入泵浦光。
优选地，所述信号源为单模输出振荡器，所述单模输出振荡器的输出光纤与所述增益光纤通过模式匹配器进行低插损熔接。
优选地，所述主纤芯和侧纤芯为稀土掺杂纤芯，所述泵浦纤为无芯石英光纤；所述涂覆层的材料为丙烯酸树脂。
优选地，所述主纤芯的数值孔径为0.06，直径为35μm，归一化频率为6.1；所述侧纤芯的数值孔径为0.1，直径为17μm；所述包层的数值孔径为0.46，直径为400μm；所述主纤芯与所述侧纤芯之间的间距为4μm。
优选地，所述泵浦纤的数值孔径为0.46，直径为250μm。
本发明的有益效果在于：
采用泵浦-增益一体化和手性耦合纤芯两项光纤技术，相互配合使得本专利所对应的光纤能够实现单纤万瓦级别的功率输出。此外，实现了输出激光高阶模式滤除，用以提高输出激光的光束质量；实现拉曼波长激光的损耗，用以提高拉曼抑制比；以及实现高泵浦光注入能力。此外，该光纤还具有与常规阶跃折射率型光纤具有较高熔接兼容性，即匹配性良好，可实现低插损熔接，利于提高激光器光路结构安全系数。
附图说明
图1是本发明提出的光纤激光放大器的示意图；
图2是本发明提出的增益光纤沿A-A’方向的径向截面图；
图3是有源纤的轴向截面图；
图4a是有源纤沿B-B’方向的径向截面图；图4b是泵浦纤的径向截面图。
图中：1-信号源；21～24-泵浦源；3-增益光纤；31-有源纤；311-主纤芯；312-侧纤芯；313-包层；32-泵浦纤；33-涂覆层。
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放大器，该光纤激光放大器包括信号源1、泵浦源21～24和增益光纤3。信号源1输出的信号光从增益光纤3的输入端输入，在增益光纤3中放大后从输出端输出。泵浦源21～24用于对增益光纤3的泵浦光注入，提供增益。
在一个实施方式中，信号源1通过单模输出振荡器获得，为了实现信号光的放大输出，将单模输出振荡器的输出纤与增益光纤3通过模式匹配器进行低插损熔接，并将该信号光注入至增益光纤3中，实现信号光注入。光纤熔接可采用CO2激光或者电极放电熔接方法或其他公知的技术。
泵浦源21～24分别由一组激光二极管(LD)组成，将每组中的泵浦LD进行合束并分别耦合至增益光纤3中的泵浦纤32中，从而实现对增益光纤3的泵浦光注入，提供增益。其中，泵浦源21和22用于提供正向泵浦，泵浦源23和24用于提供反向泵浦。值得一提的是，虽然在该实施方式中为四组泵浦源，但本发明对于泵浦源的数量并不做限定。
如图2-4b所示，增益光纤3主要包括有源纤31、泵浦纤32和涂覆层33。有源纤31的包层313和泵浦纤32直径都为圆形结构，且每根泵浦纤32分别与有源纤31的包层313贴合。因此，泵浦光可以通过泵浦纤32与有源纤31因包层贴合而产生的倏逝波耦合效应来实现泵浦光从泵浦纤32至有源纤31的耦合或导入。值得一提的是，本发明对泵浦纤的数量不做限定。涂覆层33包覆在有源纤31和泵浦纤32的周围。
有源纤31为圆形包层手性耦合纤芯结构光纤，该有源纤31包括主纤芯311、侧纤芯312和包层313。其中，侧纤芯312以主光纤311为中心轴，按照∧周期沿着所述中心轴螺旋纵向盘绕在主纤芯311周围。包层313包覆在主纤芯311和侧纤芯312的周围。可选地，主纤芯311可掺杂镱、铥、铒、钬等稀土离子。
有源纤31主要通过主纤芯311和侧纤芯312的传输模式之间的准相位匹配条件来实现两纤芯之间的模式耦合作用，进而实现主纤芯311的高阶模式滤除并优化光束质量。准相位匹配条件为：
其中β1为侧纤芯312内激光传播常数，β2为主纤芯311内激光传播常数，R为主、侧纤芯中心距离，∧为侧纤芯312的轴向螺旋周期，l为主纤芯传输模式的角向阶数。通过主、侧纤芯之间的模式耦合效应，可对通过主纤芯311的激光实现约0.1dB/m低插损传输，而对高阶模式具有大于约100dB/m的传输损耗，即具有高阶抑制作用。同时，由于以上主、侧纤芯之间的耦合效应，该光纤对相同模式条件下不同波长激光的传输效率也不同。因此，可通过此效应来设计对信号光高透而对拉曼波长激光具有高传输损耗的增益光纤。
该有源纤31预制棒可通过气相沉积法获得，在光纤拉制过程中，可通过以主纤芯为轴扭转预制棒来实现侧纤芯的围绕主纤芯的纵向螺旋盘绕。泵浦纤32可由纯石英预制棒拉制而成，在拉制过程，预制棒无需扭转而直接拉制。
实施例1
信号源1为单模输出振荡器，其工作波长为1080nm，输出光纤参数NA为0.075，纤芯直径为10μm，包层直径为125μm。采用CO2激光将单模输出振荡器的输出光纤与增益光纤3通过模式匹配器进行低插损熔接。
泵浦源21～24由工作波长为915或976nm的LD组成，其中，单只LD模块输出纤可以选择为105/125/0.22，135/155/0.22，200/220/0.22三种标准泵浦光纤中的其中一款。
有源纤31的主纤芯311为稀土镱离子掺杂纤芯，其NA参数为0.06，光纤纤芯直径为35μm，归一化频率V为6.1，因此为多模光纤，可支持多模输出。侧纤芯312为稀土掺杂纤芯，其NA为0.1，光纤纤芯直径为17μm。圆形包层313的NA为0.46，直径为a＝400μm。同时，主纤芯311与侧纤芯312之间的间距为4μm。该有源纤31对1080nm振荡激光具有约-0.1dB/m透过率，而对1130nm拉曼激光存在约-5dB/m的透过率，因此，该光纤可起到对拉曼波长裁剪的效果，对拉曼激光进行滤除，净化输出激光成分。
泵浦纤32为无芯石英光纤，该光纤为直径为b＝250μm，NA为0.46。增益光纤3中泵浦纤32的数量为8根，且8根泵浦纤32分别与有源纤31的包层313贴合。该8根泵浦纤32可为泵浦源提供正向8个和反向8个泵浦光注入泵浦纤输入端，可很大程度地降低对泵浦光的亮度要求，有利于应用于高功率工业光纤激光器。相对于目前常用的双向端面泵浦方案，由于该泵浦结构减少了正、反向合束器的使用，将大大减少主纤芯的光路插损，便于提高激光器的光电转换效率并提高光路系统安全性。
增益光纤3的涂覆层33由具有低折射率的丙烯酸树脂材料组成，且直径为1000μm。
本发明提出的光纤激光放大器，采用了泵浦-增益一体化和手性耦合纤芯两项光纤技术相结合的光纤激光技术。其中，泵浦-增益一体化技术可提高增益光纤的泵浦功率的注入能力，降低光路插损提高整体效率，避免涂覆层因泵浦光泄露发热。手性耦合纤芯技术可利用主纤芯与侧纤芯的模式耦合效应，将主纤芯内的高阶光纤模式进行滤除，因此该增益光纤可减少激光模式输出，以提高输出激光光束质量；同时，该增益光纤抑制了传统大模场光纤所存在的易产生多模激光输出效应，利于主纤芯直径的进一步增加，且保持单模激光传输，最终提高系统的输出功率。另一方面，通过光纤结构设计，该增益光纤可实现对信号激光高透，而对拉曼波长激光具有较高损耗，即拉曼波长裁剪。此外，本发明提出的增益光纤具有良好的散热性能。泵浦-增益一体化和手性耦合纤芯两项光纤技术的相互配合使得本专利所对应的光纤能够实现单纤万瓦功率输出。
以上结合具体实施例描述了本发明，这些描述只是为了解释本发明，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)
1.一种光纤激光放大器，其特征在于，所述光纤激光放大器包括信号源、泵浦源和增益光纤，所述信号源输出的信号光从所述增益光纤的输入端输入，在增益光纤中放大后从所述增益光纤的输出端输出；所述增益光纤包括有源纤、泵浦纤和涂覆层；所述有源纤包括主纤芯、侧纤芯和包层，所述侧纤芯以所述主纤芯为中心轴沿着所述主纤芯的轴向周期性地螺旋盘绕在所述主纤芯周围；所述泵浦源用于向所述泵浦纤注入泵浦光，所述泵浦纤与所述包层贴合；所述光纤激光放大器能够用于输出万瓦级别的激光。
2.根据权利要求1所述的光纤激光放大器，其特征在于，所述主纤芯与侧纤芯的传输模式之间符合准相位匹配条件，所述准相位匹配条件为其中，β1为所述侧纤芯内激光传播常数，β2为所述主纤芯内激光传播常数，R为所述侧纤芯和主纤芯的中心距离，∧为所述侧纤芯的轴向螺旋周期，l为所述主纤芯传输模式的角向阶数。
3.根据权利要求2所述的光纤激光放大器，其特征在于，所述有源纤对振荡激光的透过率低于对拉曼激光的透过率。
4.根据权利要求1所述的光纤激光放大器，其特征在于，所述有源纤为多模光纤。
5.根据权利要求1所述的光纤激光放大器，其特征在于，所述泵浦纤的数量为多个，且每个泵浦纤与所述包层贴合。
6.根据权利要求1所述的光纤激光放大器，其特征在于，所述泵浦源对所述泵浦纤进行双向注入泵浦光。
7.根据权利要求1所述的光纤激光放大器，其特征在于，所述信号源为单模输出振荡器，所述单模输出振荡器的输出光纤与所述增益光纤通过模式匹配器进行低插损熔接。
8.根据权利要求1所述的光纤激光放大器，其特征在于，所述主纤芯和侧纤芯为稀土掺杂纤芯，所述泵浦纤为无芯石英光纤；所述涂覆层的材料为丙烯酸树脂。
9.根据权利要求1所述的光纤激光放大器，其特征在于，所述主纤芯的数值孔径为0.06，直径为35μm，归一化频率为6.1；所述侧纤芯的数值孔径为0.1，直径为17μm；所述包层的数值孔径为0.46，直径为400μm；所述主纤芯与所述侧纤芯之间的间距为4μm。
10.根据权利要求1所述的光纤激光放大器，其特征在于，所述泵浦纤的数值孔径为0.46，直径为250μm。
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| CN202310456274.0A Pending CN116759875A (zh) | 2023-04-25 | 2023-04-25 | 一种光纤激光放大器 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN116759875A (zh) |
-
2023
- 2023-04-25 CN CN202310456274.0A patent/CN116759875A/zh active Pending
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Legal Events
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