CN117239520A - 一种级联谐振腔光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种级联谐振腔光纤激光器，本发明涉及光纤激光器设计技术领域。包括与正向泵浦模块相连接的正向泵浦合束模块和与反向泵浦合束模块相连接的反向泵浦模块，所述正向泵浦合束模块和所述反向泵浦合束模块之间设有多级谐振腔。反射激光在通过每一级谐振腔时功率都会根据光栅反射率逐级衰减，从而提高了整个激光系统抵抗反射激光的损伤阈值。

Description

一种级联谐振腔光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器设计技术领域，具体的是一种级联谐振腔光纤激光器。

背景技术

光纤激光器是掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，具有输出光束质量好、效率高及结构紧凑等优点，光纤激光器以自身优点特性被广泛应用于激光切割、激光焊接、激光熔覆等激光加工市场。

近些年来，随着双包层光纤设计和制造工艺的改进以及半导体激光泵浦技术的发展，光纤激光器的输出功率已经从百瓦级提升到目前的万瓦级，不断提升的功率能够覆盖更多的应用场景，同时激光器的非线性效应、热致模式不稳定性等限制激光功率提升的问题凸显，近些年来，技术人员针对高功率激光如何抑制非线性线性投入了大量研究。

在高反材料的激光加工领域，例如铜、铝等高反材料的激光切割及焊接时无可避免的产生激光反射，部分反射的激光会返回激光器光路内部造成激光器失效。目前，光纤激光器在减少回光的影响一般通过处理光纤包层来滤除光纤包层的回光，而光纤纤芯内部的回光的处理目前还没有效的解决方案。

发明内容

基于目前高功率激光器中存在的非线性效应、热致模式不稳定、反射光会对激光器谐振腔造成损害的技术问题，而提出了一种级联谐振腔激光器。目前的光纤激光器都为单谐振腔振荡，受激拉曼等非线性效应及热致模式不稳定现象为限制目前功率单谐振腔的技术问题，因此本发明的一种级联谐振腔激光器具有至少两级激光谐振，每一级可以单独控制低反光栅对信号光的反射率和谐振腔内的有源增益光纤长度，从而提升非线性效应的功率阈值；反向泵浦相比于前向泵浦发生热致不稳定的阈值要高，可以通过调控每一级增益光纤的长度来控制前向泵浦和反向泵浦的激光功率，从而提升热致模式不稳定发生的功率阈值；这种多谐振腔的激光器相比单谐振腔激光器具有多个用于对不同的激光波长进行反射的光纤光栅，反射激光在通过每一级谐振腔时功率都会根据光栅反射率逐级衰减，从而提高了整个激光系统抵抗反射激光的损伤阈值。本发明通过如下技术方案实现：

一种级联谐振腔光纤激光器，包括与正向泵浦模块相连接的正向泵浦合束模块和与反向泵浦合束模块相连接的反向泵浦模块，所述正向泵浦合束模块和所述反向泵浦合束模块之间设有多级谐振腔。

可选的，谐振腔具体包括第一激光谐振腔、第二激光谐振腔……第n激光谐振腔，第一光栅模块、第一增益模块和第二光栅模块组成一个光纤结构的第一激光谐振腔、第二光栅模块、第二增益模块和第三光栅模块组成一个光纤结构的第二激光谐振腔……第n-1光栅模块、第n-1增益模块和第n光栅模块组成一个光纤结构的第n激光谐振腔。

在本实施例中，包括依次连接的正向泵浦模块、正向泵浦合束模块、第一光栅模块、第一增益模块、第二光栅模块、第二增益模块、第三光栅模块、第三增益模块、第n-1光栅模块、第n-1增益模块、第n光栅模块、反向泵浦合束模块、包层光剥除模块和激光输出模块，反向泵浦合束模块连接有反向泵浦模块。正向泵浦模块与正向泵浦合束模块的输入端连接，正向泵浦合束模块的输出端连接第一光栅模块的输入端，第一光栅模块的输出端连接第一增益模块的输入端，第一增益模块的输出端连接第二光栅模块的输入端，第二光栅模块的输出端连接第二增益模块的输入端，第二增益模块的输出端连接第三光栅模块7的输入端，第三光栅模块的输出端连接第三增益模块的输入端，第三增益模块的输出端连接第n-1光栅模块的输入端，第n-1光栅模块的输出端连接第n-1增益模块的输入端连接，第n-1增益模块的输出端连接第n光栅模块的输入端，第n光栅模块的输出端连接反向泵浦合束模块的输入端，反向泵浦合束模块的输出端连接反向泵浦模块，反向泵浦合束模块的输出端还连接包层光剥除模块的输入端，包层光剥除模块的输出端连接激光输出模块。

可选的，正向泵浦模块为半导体激光器泵浦源，为激光谐振提供泵浦激励光源，带有输出泵浦光纤，发射激光波长在800nm~1100nm之间，输出功率≥1W，所述输出泵浦光纤与正向泵浦合束模块的输入泵浦光纤连接。

可选的，正向泵浦合束模块为（N+1）×1或N×1正向光纤合束器，正向泵浦合束模块用于将正向泵浦模块1发射的激光实现合束输出，所述正向泵浦合束模块的输入泵浦光纤与所述正向泵浦模块的输出光纤匹配连接，所述正向泵浦合束模块的输出光纤与第一光栅模块的输入光纤连接。

可选的，第一光栅模块、第二光栅模块、第三光栅模块、第n-1光栅模块和第n光栅模块均为布拉格光纤光栅，所述布拉格光纤光栅的栅区的纤芯折射率周期性变化，对输出目标波长激光的反射率≥99%，所述布拉格光纤光栅的纤芯尺寸与第一增益模块的纤芯尺寸匹配。

第二光栅模块为布拉格光纤光栅，所述布拉格光纤光栅的栅区的纤芯折射率周期性变化，对输出目标波长激光的反射率为＞1%且＜99%，所述布拉格光纤光栅的纤芯尺寸与第一增益模块的纤芯尺寸匹配；第一光栅模块、第一增益模块和第二光栅模块组成一个光纤结构的第一激光谐振腔。

第三光栅模块为布拉格光纤光栅，所述拉格光纤光栅的栅区的纤芯折射率周期性变化，对输出目标波长激光的反射率为＞1%且＜99%，所述拉格光纤光栅的纤芯尺寸与第一增益模块的纤芯尺寸匹配；第二光栅模块、第二增益模块和第三光栅模块组成一个光纤结构的第二激光谐振腔。

第n-1光栅模块为布拉格光纤光栅，所述布拉格光纤光栅的栅区的纤芯折射率周期性变化，对输出目标波长激光的反射率为＞1%且＜99%，所述布拉格光纤光栅的纤芯尺寸与第一增益模块的纤芯尺寸匹配。

第n光栅模块为布拉格光纤光栅，栅区的纤芯折射率周期性变化，对输出目标波长激光的反射率为＞1%且＜99%，其纤芯尺寸与第一增益模块的纤芯尺寸匹配；第n-1光栅模块、第n-1增益模块和第n光栅模块组成一个光纤结构的第n激光谐振腔。

可选的，第一增益模块、第二增益模块、第三增益模块和第n-1增益模块均为掺杂有源物质的增益光纤，所述有源物质为具有多能级结构的稀土金属元素离子，在吸收泵浦激光时实现粒子数反转。

可选的，第一光栅模块对目标输出激光波长反射率为R1；第二光栅模块对目标输出激光波长反射率为R2；第三光栅模块对目标输出激光波长反射率为R3；以此类推，第n光栅模块对目标输出激光波长反射率为Rn，每一个光栅模块对目标输出激光波长反射率关系为：R1＞99%＞R2＞R3＞……＞Rn＞1%（n≥3）。

可选的，反向泵浦合束模块为（N+1）*1反向光纤合束器，主要作用为将反向泵浦模块发射的激光实现合束输出，其输入泵浦光纤与反向泵浦模块出光纤匹配连接，其输出光纤为与包层光剥除模块光纤连接。

可选的，反向泵浦模块为半导体激光器泵浦源，为激光谐振提供泵浦激励光源，带有光纤尾纤输出，发射激光波长在800nm~1100nm之间，输出功率在≥1W，所述反向泵浦模块的输出泵浦光纤与正向泵浦合束模块的输入泵浦光纤连接。

包层光剥除模块为包层光功率剥除器件，用于剥除未被增益模块吸收的泵浦光及激光器工作时在包层的反射激光，减少器件的发热及回光的损害。

可选的，激光输出模块为激光输出头，激光输出模块为带有石英端帽的激光输出头，石英端帽出射面镀有输出目标激光波长的增透膜。

有益效果：一种级联谐振腔激光器具有至少两级激光谐振，每一级可以单独控制低反光栅对信号光的反射率和谐振腔内的有源增益光纤长度，从而提升非线性效应的功率阈值；反向泵浦相比于前向泵浦发生热致不稳定的阈值要高，可以通过调控每一级增益光纤的长度来控制前向泵浦和反向泵浦的激光功率，从而提升热致模式不稳定发生的功率阈值；这种多谐振腔的激光器相比单谐振腔激光器具有多个对信号反射激光波长的光纤光栅，反射激光在通过每一级谐振腔时功率都会根据光栅反射率逐级衰减，从而提高了整个激光系统抵抗反射激光的损伤阈值。

附图说明

图1为联谐振腔激光器示意图；

图2为单谐振腔接收反射光示意图；

图3级联谐振腔接收反射光示意图；

1为正向泵浦模块；2为正向泵浦合束模块；3为第一光栅模块；4为第一增益模块；5为第二光栅模块；6为第二增益模块；7为第三光栅模块；8为第三增益模块；9为第n-1光栅模块；10为第n-1增益模块；11为第n光栅模块；12为反向泵浦合束模块；13为反向泵浦模块；14为包层光剥除模块；15为激光输出模块；101为高反光纤光栅；103为低反光纤光栅；A为纤芯回光功率。

具体实施方式

下面对照附图1-3，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明。一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

实施例1：本发明提供了一种级联谐振腔光纤激光器，包括正向泵浦模块1、正向泵浦合束模块2、第一光栅模块3、第一增益模块4、第二光栅模块5、第二增益模块6、第三光栅模块7、第三增益模块8、第n-1光栅模块9、第n-1增益模块10、第n光栅模块11、反向泵浦合束模块12、反向泵浦模块13、包层光剥除模块14、激光输出模块15。

正向泵浦模块1为半导体激光器泵浦源，发射激光波长在900~930nm范围，输出功率为300W,带有光纤尾纤输出，输出泵浦光纤纤芯直径为200um，输出泵浦光纤与正向泵浦合束模块2的输入泵浦光纤连接；正向泵浦合束模块2为（6+1）×1正向光纤合束器，其输入泵浦光纤与正向泵浦模块1输出光纤匹配连接，其输入信号光纤为纤芯20um、包层250um，其输出光纤纤芯20um，包层400um的双包层光纤，为与第一光栅模块3的输入光纤匹配连接；第一光栅模块3为20/400布拉格光纤光栅，布拉格光纤光栅的栅区的纤芯折射率周期性变化，对1080nm激光的反射率为99.6%，带宽3nm，其纤芯尺寸为20um与第一增益模块的纤芯尺寸匹配；第一增益模块4为掺杂镱离子的增益光纤，纤芯为20um包层400um的增益光纤，长度20M；第二光栅模块520/400为布拉格光纤光栅，对1080nm激光的反射率为70%，带宽1.5nm，其纤芯尺寸与第一增益模块的纤芯尺寸匹配；第一光栅模块3、第一增益模块4和第二光栅模块5组成一个光纤结构的激光谐振腔；第二增益模块6为掺杂镱离子的增益光纤，纤芯为20um包层400um的增益光纤，长度20M；第三光栅模块7为20/400为布拉格光纤光栅，对1080nm激光的反射率为10%，带宽1nm，第二光栅模块5、第二增益模块6和第三光栅模块7组成一个光纤结构的激光谐振腔；反向泵浦合束模块12为为（6+1）×1反向光纤合束器，其输入泵浦光纤与14正向泵浦模块输出光纤匹配连接，其输入信号光纤为纤芯20um、包层400um，其输出光纤纤芯20um，包层400um的双包层光纤；反向泵浦模块13为半导体激光器泵浦源，发射激光波长在900~930nm范围，输出功率为300W,带有光纤尾纤输出，输出泵浦光纤纤芯直径为200um，输出泵浦光纤与13反向泵浦合束模块的输入泵浦光纤连接；包层光剥除模块14为纤芯20um、包层400um的包层光剥除器，包层光功率剥除效率大于20dB；激光输出模块15为纤芯20um、包层400um的水冷激光QBH，QBH的石英端帽出射面镀有1080nm增透膜。

忽略反射激光在纤芯传输时的熔接损耗，器件损耗，实施例中的激光器在应用加工时进入反射光的功率假定为50W,可以计算得知，进入第二光栅模块5、第二增益模块6和第三光栅模块7组成一个光纤结构的激光谐振腔的反射光功率为50*（1-10%）=45W,进入第一光栅模块3、第一增益模块4和第二光栅模块5组成一个光纤结构的激光谐振腔的反射光功率为45*(1-70%)=13.5W。

实施例2：级联谐振腔光纤激光器减少反射激光对谐振腔的损伤的示例说明：现有单谐振腔接收回光意图和本发明提供的级联谐振腔接收回光示意图，101高反光纤光栅为对信号激光波长反射率大于99%；102级联光纤光栅对信号激光波长的反射率为b(99%＞b＞10%)；103低反光纤光栅为对信号激光波长的反射率10%；A纤芯回光功率为在应用加工时，反射的激光进入光纤纤芯传输的功率值；忽略反射激光在纤芯传输时的熔接损耗，器件损耗，单谐振腔激光器接收的反射光和级联谐振腔接收的反射光的值都为A。在单谐振腔和级联谐振腔中，反射光功率A经过103低反光纤光栅，将会有10%的激光功率被反射，而进入激光器谐振腔的反射光功率则有90%A，在单级谐振腔中，反射的激光会被放大而造成激光器谐振腔损伤；而在级联谐振腔中，进入102级联光纤光栅和103低反光纤光栅组成的第二谐振腔的功率为90%A,而进入101高反光纤光栅和102级联光纤光栅组成的第一谐振腔的功率为90%A（1-b），其中(99%＞b＞10%)；此外还可以通过调节两级谐振腔的有源增益光纤长度来控制反射光的损伤阈值，有源光纤长度越长，反射光的损伤就越大；级联谐振腔激光器可以通过多级谐振腔来逐渐减弱反射光的功率，可以有效减少反射光对光纤器件的及谐振腔的损伤。

谐振腔发生非线性效应的功率阈值可由以下公式计算：

=/>

其中：为受激拉曼功率阈值；/>为模场半径；L光纤长度；/>为拉曼峰值增益系数；/>为LD泵浦光损耗系数；/>为拉曼泵浦光损耗系数；/>为高反光栅反射率；/>为低反光栅反射率；

单谐振腔的有源增益光纤长度和级联谐振腔的有源增益光纤长度一样的情况下，在单谐振腔中，有源光纤的长度L将更长，因此谐振腔的非线性效应的功率阈值也将越低，而级联谐振腔可以将有源增益光纤长度L分段于每一级谐振腔，在每一级谐振腔中，光纤越短，非线性效应的功率阈值将提高。

在一实施例中，本发明提供了一种级联谐振腔光纤激光器，包括正向泵浦模块1、正向泵浦合束模块2、第一光栅模块3、第一增益模块4、第二光栅模块5、第二增益模块6、第三光栅模块7、第三增益模块8、第n-1光栅模块9、第n-1增益模块10、第n光栅模块11、反向泵浦合束模块12、反向泵浦模块13、包层光剥除模块14、激光输出模块15。

正向泵浦模块1为半导体激光器泵浦源，为激光谐振提供泵浦激励光源，带有光纤尾纤输出，发射激光波长在800nm~1100nm之间，输出功率在≥1W，其输出泵浦光纤与正向泵浦合束模块2的输入泵浦光纤连接；

正向泵浦合束模块2为（N+1）×1或N×1正向光纤合束器，主要作用为将正向泵浦模块1发射的激光实现合束输出，其输入泵浦光纤与正向泵浦模块1输出光纤匹配连接，其输出光纤为与第一光栅模块3的输入光纤连接；

第一光栅模块3为布拉格光纤光栅，栅区的纤芯折射率周期性变化，对输出目标波长激光≥99%的反射率，其纤芯尺寸与第一增益模块的纤芯尺寸匹配；

第一增益模块4为掺杂有源物质的增益光纤，有源物质为具有多能级结构的稀土金属元素离子，在吸收泵浦激光时可以实现粒子数反转；

第二光栅模块5为布拉格光纤光栅，栅区的纤芯折射率周期性变化，对输出目标波长激光的反射率为＞1%、＜99%，其纤芯尺寸与第一增益模块的纤芯尺寸匹配；第一光栅模块3、第一增益模块4和第二光栅模块5组成一个光纤结构的激光谐振腔；

第二增益模块6为掺杂有源物质的增益光纤，有源物质为具有多能级结构的稀土金属元素离子，在吸收泵浦激光时可以实现粒子数反转；

第三光栅模块7为布拉格光纤光栅，栅区的纤芯折射率周期性变化，对输出目标波长激光的反射率为＞1%、＜99%，其纤芯尺寸与第一增益模块的纤芯尺寸匹配；第二光栅模块5、第二增益模块6和第三光栅模块7组成一个光纤结构的激光谐振腔；

第三增益模块8为掺杂有源物质的增益光纤，有源物质为具有多能级结构的稀土金属元素离子，在吸收泵浦激光时可以实现粒子数反转；

第n-1光栅模块9为布拉格光纤光栅，栅区的纤芯折射率周期性变化，对输出目标波长激光的反射率为＞1%、＜99%，其纤芯尺寸与第一增益模块的纤芯尺寸匹配；

第n-1增益模块10为掺杂有源物质的增益光纤，有源物质为具有多能级结构的稀土金属元素离子，在吸收泵浦激光时可以实现粒子数反转；

第n光栅模块11为布拉格光纤光栅，栅区的纤芯折射率周期性变化，对输出目标波长激光的反射率为＞1%、＜99%，其纤芯尺寸与第一增益模块的纤芯尺寸匹配；第n-1光栅模块9、第n-1增益模块10和第n光栅模块11组成一个光纤结构的激光谐振腔；

第一光栅模块3对目标输出激光波长反射率为R1;第二光栅模块5对目标输出激光波长反射率为R2；第三光栅模块7对目标输出激光波长反射率为R3；以此类推，第n光栅模块11对目标输出激光波长反射率为Rn，每一个光栅模块对目标输出激光波长反射率有如下关系；R1＞99%＞R2＞R3＞...＞Rn＞1%（n≥3）；

反向泵浦合束模块12为（N+1）×1反向光纤合束器，主要作用为将反向泵浦模块13发射的激光实现合束输出，其输入泵浦光纤与反向泵浦模块13出光纤匹配连接，其输出光纤为与包层光剥除模块14光纤连接；

反向泵浦模块13为半导体激光器泵浦源，为激光谐振提供泵浦激励光源，带有光纤尾纤输出，发射激光波长在800nm~1100nm之间，输出功率在≥1W，其输出泵浦光纤与正向泵浦合束模块2的输入泵浦光纤连接；

包层光剥除模块14为包层光功率剥除器件，主要作用为剥除未被增益模块吸收的泵浦光及激光器工作时在包层的反射激光，减少器件的发热及回光的损害；

激光输出模块15为激光输出头，激光输出模块可为水冷QBH，风冷QBH,QD等带有石英端帽的激光输出头，石英端帽出射面镀有输出目标激光波长的增透膜，也可为SMA905、D80接口的光纤输出头。

上面结合附图对本发明实施例进行了示例性描述，显然本发明实施例具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种级联谐振腔光纤激光器，其特征在于，包括与正向泵浦模块（1）相连接的正向泵浦合束模块（2）和与反向泵浦合束模块（12）相连接的反向泵浦模块（13），所述正向泵浦合束模块（2）和所述反向泵浦合束模块（12）之间设有多级谐振腔。

2.根据权利要求1所述的级联谐振腔光纤激光器，其特征在于，谐振腔具体包括第一激光谐振腔、第二激光谐振腔……第n激光谐振腔，第一光栅模块（3）、第一增益模块（4）和第二光栅模块（5）组成一个光纤结构的第一激光谐振腔、第二光栅模块（5）、第二增益模块（6）和第三光栅模块（7）组成一个光纤结构的第二激光谐振腔……第n-1光栅模块（9）、第n-1增益模块（10）和第n光栅模块（11）组成一个光纤结构的第n激光谐振腔。

3.根据权利要求2所述的级联谐振腔光纤激光器，其特征在于，正向泵浦模块（1）为半导体激光器泵浦源，为激光谐振提供泵浦激励光源，带有输出泵浦光纤，发射激光波长在800nm~1100nm之间，输出功率≥1W，所述输出泵浦光纤与正向泵浦合束模块（2）的输入泵浦光纤连接。

4.根据权利要求2所述的级联谐振腔光纤激光器，其特征在于，正向泵浦合束模块（2）为（N+1）×1或N×1正向光纤合束器，正向泵浦合束模块（2）用于将正向泵浦模块（1）发射的激光实现合束输出，所述正向泵浦合束模块（2）的输入泵浦光纤与所述正向泵浦模块（1）的输出光纤匹配连接，所述正向泵浦合束模块（2）的输出光纤与第一光栅模块（3）的输入光纤连接。

5.根据权利要求2所述的级联谐振腔光纤激光器，其特征在于，第一光栅模块（3）、第二光栅模块（5）、第三光栅模块（7）、第n-1光栅模块（9）和第n光栅模块（11）均为布拉格光纤光栅，所述布拉格光纤光栅的栅区的纤芯折射率周期性变化，对输出目标波长激光的反射率≥99%，所述布拉格光纤光栅的纤芯尺寸与第一增益模块（4）的纤芯尺寸匹配。

6.根据权利要求2所述的级联谐振腔光纤激光器，其特征在于，第一增益模块（4）、第二增益模块（6）、第三增益模块（8）和第n-1增益模块（10）均为掺杂有源物质的增益光纤，所述有源物质为具有多能级结构的稀土金属元素离子，在吸收泵浦激光时实现粒子数反转。

7.根据权利要求2所述的级联谐振腔光纤激光器，其特征在于，第一光栅模块（3）对目标输出激光波长反射率为R1；第二光栅模块（5）对目标输出激光波长反射率为R2；第三光栅模块（7）对目标输出激光波长反射率为R3；以此类推，第n光栅模块（11）对目标输出激光波长反射率为Rn，每一个光栅模块对目标输出激光波长反射率关系为：R1＞99%＞R2＞R3＞……＞Rn＞1%（n≥3）。

8.根据权利要求2所述的级联谐振腔光纤激光器，其特征在于，反向泵浦合束模块（12）为（N+1）*1反向光纤合束器，主要作用为将反向泵浦模块（13）发射的激光实现合束输出，其输入泵浦光纤与反向泵浦模块（13）出光纤匹配连接，其输出光纤为与包层光剥除模块（14）光纤连接。

9.根据权利要求2所述的级联谐振腔光纤激光器，其特征在于，反向泵浦模块（13）为半导体激光器泵浦源，为激光谐振提供泵浦激励光源，带有光纤尾纤输出，发射激光波长在800nm~1100nm之间，输出功率在≥1W，所述反向泵浦模块（13）的输出泵浦光纤与正向泵浦合束模块（2）的输入泵浦光纤连接。

10.根据权利要求2所述的级联谐振腔光纤激光器，其特征在于，激光输出模块（15）为激光输出头，激光输出模块（15）为带有石英端帽的激光输出头，石英端帽出射面镀有输出目标激光波长的增透膜。