CN116865077A - 一种多芯多通棒状光子晶体光纤放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多芯多通棒状光子晶体光纤放大器，包括沿光路依次设置的双色镜、耦合透镜、多芯棒状光子晶体光纤和折返式端帽，双色镜与耦合透镜呈45°倾斜设置，信号光源设于双色镜的正上方，泵浦光源设于双色镜的前方，双色镜用于反射信号光和透射泵浦光，反射的信号光和透射的泵浦光经过耦合透镜聚焦后进入多芯棒状光子晶体光纤，折返式端帽用于反射信号。通过多芯棒状光子晶体光纤将信号放大一次后，再由折返式端帽将信号折返进行第二次放大，通过多芯棒状光子晶体光纤内设置多个纤芯，利用折返式端帽使信号在多个纤芯内往返放大，有效的增加了信号的增益长度，在相同泵浦功率的条件下提高了信号增益，增加了泵浦光的吸收，提高泵浦效率。
Description
技术领域
本发明涉及激光器的技术领域，尤其涉及一种多芯多通棒状光子晶体光纤放大器。
背景技术
光子晶体光纤是指具有光子晶体结构的光纤，通过控制光子晶体结构的分布与设计，可以实现许多传统光纤所不具备的特性，在许多领域都有很广泛的应用。高功率光纤放大器具有效率高，易维护等优点，目前在科研和工业领域得到了广泛的应用，尤其是超快高功率光纤激光器，在微加工、物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中具有广泛应用，比如：在精密加工领域中的精密的切割、打孔、雕刻，能应用的材料范围包括玻璃、蓝宝石、金属薄膜、高分子有机材料薄膜、复合薄膜、半导体晶圆、陶瓷和金刚石的等等。
棒状光子晶体光纤通常使用在超快高功率光纤放大器中，该光纤通常具有大纤芯，纤芯掺杂铒或镱等稀土元素，作为放大器的增益介质，光纤的纤芯支持大模场的单模的信号传输，从而实现信号的高功率高能量放大，光纤通常使用空气包层的设计结构，用来传导泵浦，在空气包层的外部使用较厚的石英外壁。外观呈棒状，在使用时也是直着平放，不像普通光纤一样可以弯曲盘绕。棒状光子晶体光纤放大器可以采用正向泵浦、反向泵浦，或者双向泵浦结构。以正向泵浦为例，该放大器通常使用一个双色镜加一个透镜的结构，实现对泵浦与光纤包层，以及信号与光纤纤芯的耦合。
光纤的纤芯基材为石英玻璃，这导致了稀土元素的掺杂浓度不能过高，因此单芯棒状光子晶体光纤的泵浦吸收系数通常在10dB/m以下。泵浦吸收系数的高低在一定程度上决定了光纤的使用长度。单芯棒状光子晶体光纤的使用长度通常在1米左右。这种使用长度为光纤放大器带来了许多不便。一方面，由于单芯棒状光子晶体光纤使用时需要平置，导致放大器体积过长，激光器体积过大，不利于加工设备的集成。另一方面，单芯棒状光子晶体光纤对应力很敏感，对机械稳定性要求很高。长达1米的长度不利于保持机械稳定性。激光器在外界环境变化时会导致单芯棒状光子晶体光纤受力变形，激光器性能发生变化。
现有技术中，例如公告号为US20200373727A1提出了一种多级放大的方法，首先使用叠加多个放大器的方式解决单级放大器以实现高功率的问题，其次在放大器中，让信号横向多次经过增益介质，增加了有效增益长度。其中描述的多级放大器是单级放大器的复制叠加，增加了器件成本与体积，叠加了激光器的信号耦合与泵浦耦合，使光路更加复杂更容易漂移。因此并没有解决减小体积提高稳定性的功能。该专利还提出了让信号光在晶体内沿折线方式多次经过晶体传输，相对于直线传输，增加了信号在增益介质中的传输长度。这是以晶体材料为增益介质的放大器领域内常见的方法，但晶体材料受限于制造工艺，通常长度在几个厘米，信号在晶体材料里的传输形式为空间传输，该方法并不适用于光纤放大器。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种多芯多通棒状光子晶体光纤放大器，旨在解决现有棒状光子晶体光纤长度短、泵浦吸收系数低、稳定性差的问题。
本发明的实施例提供一种多芯多通棒状光子晶体光纤放大器，包括沿光路依次设置的双色镜、耦合透镜、多芯棒状光子晶体光纤和折返式端帽，所述双色镜与所述耦合透镜呈45°倾斜设置，所述双色镜、所述耦合透镜、所述多芯棒状光子晶体光纤和所述折返式端帽处于同一光轴，信号光源设于所述双色镜的正上方，泵浦光源设于所述双色镜的前方，所述双色镜用于反射信号光和透射泵浦光，反射的所述信号光和透射的所述泵浦光经过所述耦合透镜聚焦后进入所述多芯棒状光子晶体光纤，所述折返式端帽用于反射信号。
进一步地，所述多芯棒状光子晶体光纤为具有光子晶体结构的棒状光纤，所述多芯棒状光子晶体光纤包括至少两条纤芯、包层和石英玻璃棒，所述纤芯的直径为40-100微米，所述包层的直径为200-600微米，所述石英玻璃棒的直径大于1毫米。
进一步地，所述棒状光子晶体光纤的纤芯掺杂稀土元素铒、镱、钕、钬中的一种或者超过一种。
进一步地，所述多芯棒状光子晶体光纤包括两条或四条纤芯，所述折返式端帽包括两个折返面，两个所述折返面垂直设置。
进一步地，所述所述折返式端帽靠近所述多芯棒状光子晶体光纤一端为圆柱形并与所述多芯棒状光子晶体光纤熔接。
进一步地，所述所述折返式端帽的制成材料为石英玻璃；和/或，
所述折返式端帽的表面抛光，或镀泵浦透射膜和信号反射膜。
进一步地，所述信号光源为全光纤锁模种子源激光器，所述信号光源的中心波长为1030nm，光谱宽度为15nm，平均功率为100mW，重复频率为40MHz,脉冲宽度为500ps，直径为0.5mm的准直光斑。
进一步地，所述泵浦光源为多模光纤尾纤输出的半导体激光器，所述泵浦光源的平均功率为300W，中心波长为976nm，尾纤的直径为200um。
进一步地，所述信号光和所述泵浦光同向输入或反向输入。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的一种多芯多通棒状光子晶体光纤放大器中信号光源发射的信号光经过双色镜后被反射，由耦合透镜聚焦进入多芯棒状光子晶体光纤内，泵浦光源发射的泵浦光透过双色镜后，由耦合透镜聚焦进入多芯棒状光子晶体光纤内，多芯棒状光子晶体光纤将信号放大一次后，再由多芯棒状光子晶体光纤端部的折返式端帽将信号折返进入多芯棒状光子晶体光纤内进行第二次放大，通过多芯棒状光子晶体光纤内设置多个纤芯，利用折返式端帽使信号在多个纤芯内往返放大，有效的增加了信号的增益长度，在相同泵浦功率的条件下提高了信号增益，使激光器效率更高，增加了泵浦光的吸收，提高泵浦效率，还可以降低光纤长度。
附图说明
图1是本发明提供的多芯多通棒状光子晶体光纤放大器一实施例的结构示意图；
图2是图1中的折返式端帽的结构示意图；
图3是图1中的多芯多通棒状光子晶体光纤的第一实施例的结构示意图；
图4是图1中的多芯多通棒状光子晶体光纤的第二实施例的结构示意图。
图中：100、多芯多通棒状光子晶体光纤放大器；1、双色镜；2、耦合透镜；3、多芯棒状光子晶体光纤；31、纤芯；32、包层；33、石英玻璃棒；4、折返式端帽；41、折返面。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1-图4所示，本发明的实施例提供的一种多芯多通棒状光子晶体光纤放大器100，包括沿光路依次设置的双色镜1、耦合透镜2、多芯棒状光子晶体光纤3和折返式端帽4，所述双色镜1与所述耦合透镜2呈45°倾斜设置，所述双色镜1、所述耦合透镜2、所述多芯棒状光子晶体光纤3和所述折返式端帽4处于同一光轴，信号光源设于所述双色镜1的正上方，泵浦光源设于所述双色镜1的前方，所述双色镜1用于反射信号光和透射泵浦光，反射的所述信号光和透射的所述泵浦光经过所述耦合透镜2聚焦后进入所述多芯棒状光子晶体光纤3，所述折返式端帽4用于反射信号。
信号光源发射的信号光经过双色镜1后被反射，由耦合透镜2聚焦进入多芯棒状光子晶体光纤3内，泵浦光源发射的泵浦光透过双色镜1后，由耦合透镜2聚焦进入多芯棒状光子晶体光纤3内，多芯棒状光子晶体光纤3将信号放大一次后，再由多芯棒状光子晶体光纤3端部的折返式端帽4将信号折返进入多芯棒状光子晶体光纤3内进行第二次放大，通过多芯棒状光子晶体光纤3内设置多个纤芯31，利用折返式端帽4使信号在多个纤芯31内往返放大，有效的增加了信号的增益长度，在相同泵浦功率的条件下提高了信号增益，使激光器效率更高，增加了泵浦光的吸收，提高泵浦效率，还可以降低光纤长度。
具体地，所述多芯棒状光子晶体光纤3为具有光子晶体结构的棒状光纤，所述多芯棒状光子晶体光纤3包括至少两条纤芯31、包层32和石英玻璃棒33，所述纤芯31的直径为40-100微米，所述包层32的直径为200-600微米，所述石英玻璃棒33的直径大于1毫米。优选地，本实施例中，包括两条并列分布的纤芯31，纤芯31的中心点距离光纤的几何中线点距离是80um,两个纤芯31的直径为80um。
纤芯31的周围是光子晶体结构，由规则分布的空气小孔组成，其作用是控制包层32的折射率，并对纤芯31中的信号形成光波导。最外层的一圈空气孔组成的光纤的包层32，其直径为250um，数值孔径NA为0.6。泵浦光耦合进入这个直径为250um的区域传输并被纤芯31吸收，包层32外是石英玻璃棒33，其作用是使光纤坚固，不易受外界应力。
进一步地，所述棒状光子晶体光纤的纤芯31掺杂稀土元素铒、镱、钕、钬中的一种或者超过一种。例如，纤芯31掺镱，对泵浦吸收系数是20dB/m，信号光通过双色镜1和耦合透镜2进入纤芯31，在纤芯31中传输并被放大。
优选地，参照图2-图4所示，所述多芯棒状光子晶体光纤3包括两条或四条纤芯31，所述折返式端帽4包括两个折返面41，两个所述折返面41垂直设置。两条或四条纤芯31时，折返式端帽4一端为圆柱形，与芯棒状光子晶体光纤相连，另一端将圆柱体侧向抛平形成两个折返面41，使其中心为尖角，夹角为90度，两条纤芯31正好各对一个折返面41。当多芯棒状光子晶体光纤3包括四条纤芯31，可以每两条纤芯31正对一个折返面41，四条纤芯31的横截面形成一个矩形结构。
值得注意的是，本申请中，折返式端帽4并不限于只有两个折返面41，多芯棒状光子晶体光纤3也不限于只有两条或四条纤芯31，可以包含三条纤芯31，将折返式端帽4的折返面41设置成适合三条纤芯31折射的形状，也可以包含多条纤芯31，将折返式端帽4与多芯棒状光子晶体光纤3相适配即可，此处，不做限制。
具体地，所述所述折返式端帽4靠近所述多芯棒状光子晶体光纤3一端为圆柱形并与所述多芯棒状光子晶体光纤3熔接。折返式端帽4通过二氧化碳熔接机与多芯棒状光子晶体光纤3熔接，经过纤芯31放大后的信号进入折返式端帽4，在折返面41发生全反射后进入另一个纤芯31，再经过该纤芯31继续放大。信号在不同的纤芯31中的传输方向相反，经过第一个纤芯31放大后的信号反向经过耦合透镜2和双色镜1，完成信号放大。此处，值得注意的的是，所述信号光和所述泵浦光同向输入或反向输入，折返式端帽4可以熔接在多芯棒状光子晶体光纤3的一端，完成一次反射，也可以熔接在多芯棒状光子晶体光纤3的两端，完成多次反射。
具体地，所述所述折返式端帽4的制成材料为石英玻璃；和/或，所述折返式端帽4的表面抛光，或镀泵浦透射膜和信号反射膜。这种折返式端帽4的设计结构紧凑，不需要调节，没有复杂的耦合光路，使激光器稳定可靠，不会发生位置位移。
优选地，所述信号光源为全光纤锁模种子源激光器，所述信号光源的中心波长为1030nm，光谱宽度为15nm，平均功率为100mW，重复频率为40MHz,脉冲宽度为500ps，直径为0.5mm的准直光斑。
具体地，本实施例中，双色镜1反射中心波长为1030nm的信号光，透射中心波长为976nm的泵浦光。双色镜1的直径为25nm，中心波长为1030nm,光斑直径为0.5mm的准直的信号光与双色镜1的夹角为45°,信号光经双色镜1反射后的出射光与入射光的夹角为90°，反射后的信号光经过耦合透镜2进入光子晶体光纤的纤芯31。
耦合透镜2的焦距为30mm，直径为25mm。光斑直径为0.5mm的准直的信号光经过耦合透镜2后的聚焦光斑大小约为80um。
所述泵浦光源为多模光纤尾纤输出的半导体激光器，所述泵浦光源的平均功率为300W，中心波长为976nm，尾纤的直径为200um，NA为0.22的多模光纤。泵浦光源的光纤输出用焦距为30mm，直径为25mm准直后，经过双色镜1，传输方向不发生变化，在经过耦合透镜2后的聚焦光斑大小约为200um。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种多芯多通棒状光子晶体光纤放大器，其特征在于，包括沿光路依次设置的双色镜、耦合透镜、多芯棒状光子晶体光纤和折返式端帽，所述双色镜与所述耦合透镜呈45°倾斜设置，所述双色镜、所述耦合透镜、所述多芯棒状光子晶体光纤和所述折返式端帽处于同一光轴，信号光源设于所述双色镜的正上方，泵浦光源设于所述双色镜的前方，所述双色镜用于反射信号光和透射泵浦光，反射的所述信号光和透射的所述泵浦光经过所述耦合透镜聚焦后进入所述多芯棒状光子晶体光纤，所述折返式端帽用于反射信号。
2.如权利要求1所述的多芯多通棒状光子晶体光纤放大器，其特征在于，所述多芯棒状光子晶体光纤为具有光子晶体结构的棒状光纤，所述多芯棒状光子晶体光纤包括至少两条纤芯、包层和石英玻璃棒，所述纤芯的直径为40-100微米，所述包层的直径为200-600微米，所述石英玻璃棒的直径大于1毫米。
3.如权利要求2所述的多芯多通棒状光子晶体光纤放大器，其特征在于，所述棒状光子晶体光纤的纤芯掺杂稀土元素铒、镱、钕、钬中的一种或者超过一种。
4.如权利要求2所述的多芯多通棒状光子晶体光纤放大器，其特征在于，所述多芯棒状光子晶体光纤包括两条或四条纤芯，所述折返式端帽包括两个折返面，两个所述折返面垂直设置。
5.如权利要求1所述的多芯多通棒状光子晶体光纤放大器，其特征在于，所述所述折返式端帽靠近所述多芯棒状光子晶体光纤一端为圆柱形并与所述多芯棒状光子晶体光纤熔接。
6.如权利要求1所述的多芯多通棒状光子晶体光纤放大器，其特征在于，所述所述折返式端帽的制成材料为石英玻璃；和/或，
所述折返式端帽的表面抛光，或镀泵浦透射膜和信号反射膜。
7.如权利要求1所述的多芯多通棒状光子晶体光纤放大器，其特征在于，所述信号光源为全光纤锁模种子源激光器，所述信号光源的中心波长为1030nm，光谱宽度为15nm，平均功率为100mW，重复频率为40MHz,脉冲宽度为500ps，直径为0.5mm的准直光斑。
8.如权利要求1所述的多芯多通棒状光子晶体光纤放大器，其特征在于，所述泵浦光源为多模光纤尾纤输出的半导体激光器，所述泵浦光源的平均功率为300W，中心波长为976nm，尾纤的直径为200um。
9.如权利要求1所述的多芯多通棒状光子晶体光纤放大器，其特征在于，所述信号光和所述泵浦光同向输入或反向输入。
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2023
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