CN117410810B - 一种抗反射级联泵浦光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种抗反射级联泵浦光纤激光器，涉及光纤激光器领域，激光器中所述第一激光器与所述泵浦源正向包层功率剥离器连接；所述种子源激光器和所述信号纤反向包层功率剥离器连接；所述泵浦源正向包层功率剥离器和所述信号纤反向包层功率剥离器均与所述增益光纤的一端连接；所述泵浦源反向包层功率剥离器、所述泵浦源倾斜光栅和所述第二激光器依次连接；所述信号纤正向包层功率剥离器和所述放大器连接；所述泵浦源反向包层功率剥离器和所述信号纤正向包层功率剥离器均与所述增益光纤的另一端连接。本发明能安全地滤除泵浦信号泵浦臂漏光。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器领域，特别是涉及一种抗反射级联泵浦光纤激光器。
背景技术
传统的光纤激光器通常采用半导体激光器（LD）作为泵浦源，激发增益光纤中的掺杂稀土离子通过受激辐射来产生激光。镱离子在石英玻璃基质中具有溶解度高、能级结构简单、吸收和发射带较宽等物理特性，相比其他稀土元素更容易实现高功率激光输出。商用光纤激光器通常以输出976/915 nm波长的LD作为泵浦源，以掺镱光纤增益产生目标波长1000~1100 nm波段的红外激光。
LD泵浦方案结构简单，集成便捷，在低功率情况下使用极为方便，可以实现小型化和轻量化，发挥光纤激光器的优势。但其仍然存在较大的弊端，亮度较低且量子亏损较大，这就导致在数十千瓦量级的高功率领域泵浦注入极难，同时热负载严重。
级联泵浦方案正是为了解决这一难题而提出的。在传统一次泵浦（对应一次波长转换）之上增加了一级中间过渡波长，通过两次级联转换实现目标波长的激光输出，该方案因此被称为二次泵浦，又叫级联泵浦和同带泵浦（二次泵浦波长和目标波长位于同一能带）。如图1和图2所示，在掺镱光纤激光器中，常规泵浦波长为976 nm，目标波长为1080 nm，增加的中间过渡波长为1018 nm。在级联泵浦的第一阶段泵浦中，其原理同一次泵浦，仅是目标波长的变化。在第二阶段的泵浦中，泵浦光由原来的低亮度LD激光变为较高亮度的光纤激光（亮度高约3个数量级），在不改变光纤参数的前提下，相比LD可以注入近2~3个数量级倍数的泵浦激光，解决了高功率注入的问题。此外，由于1018与1080之间的波长差小于976与1080，对应波长转换过程中的量子亏损产热前者也更小（前者产热仅为6%，后者为10.6%），因此1018相较于976更适合应用于高功率的激光应用场景中。而在实际应用中，美国IPG公司分别在2009年和2012年基于级联泵浦实现了单纤单模10kW和20kW的超高功率产品。
传统高功率连续光纤激光器主要有光纤振荡器和光纤放大器两种结构。前者通过一对光纤光栅和增益光纤构成光学谐振腔，具有结构简单的特点。后者一般基于主振荡功率放大（Master oscillator power amplifier，简称MOPA）结构，以振荡器为种子源，通过光纤放大器进行一级或多级功率实现功率大幅放大，具有结构灵活及参数调控多样化的优势。级联泵浦由于只改变泵浦源的结构和波长，不会影响信号增益部分的光纤结构，因此既能直接用于光纤振荡器也能用于光纤放大器。
基于级联泵浦技术，无论是振荡器还是放大器均提出了诸多高功率光纤激光器新型设计。但是，这些设计有意或无意中均忽略了其中两个重要的问题。
第一个问题是在信号光（1080 nm）与泵浦光（1018 nm）传播方向相反的反向泵浦或双向泵浦的反向部分中，部分信号光会在泵浦信号合束器（通常为（6+1）×1或（18+1）×1，以下简称合束器）中泄露至泵浦臂，尤其是在光束质量较差的情况下该现象会极为严重，泄露的1080 nm波长激光会沿着泵浦光纤传输至1018 nm激光器并进入1018 nm谐振腔中进而产生寄生振荡，破坏1018 nm谐振腔的正常运转，严重情况下会出现烧毁。在传统LD泵浦情形下泵浦光（波长为976/915 nm）也会沿着泵浦臂泄露至泵浦源，但此时泵浦源为LD，大多数LD抗反射能力都很强，因此该问题可以被忽略。但级联泵浦情况下泵浦源为一个谐振腔，其单谐振腔抗反射阈值极低（经过实际测试中经验总结，300 W输出功率的1018 nm谐振腔在回光1 W时即有很大可能出现故障而无法出光，经检查内部已烧毁），高功率下该问题无法再被简单忽略，必须重视。
如图3所示，第二个问题是在双向泵浦过程中，由于1018 nm吸收截面过低，即使通过高浓度掺杂和增大纤芯等手段，增益光纤1018 nm总吸收强度百分比通常也只能达到10dB左右量级，这就意味着有近10%左右的1018 nm残余泵浦激光无法被吸收，会在对应的反向合束器泄露至泵浦臂（正向残余从反向合束器泵浦臂泄露，反向残余泵浦从正向合束器泵浦臂泄露），然后同样顺着泵浦臂进入1018 nm激光器谐振腔，当功率上升到一定程度时损坏谐振腔，导致泵浦源无法工作。
因此，在级联泵浦技术实际应用时，当无法较好地在合束器制备中控制激光泄漏时，实验者更倾向于选择使用单向泵浦方案，尤其是正向泵浦方案来避免上述两个重要问题的出现。但是众所周知，反向泵浦在受激拉曼散射和受激布里渊散射等非线性抑制上相比正向泵浦具有显著改善，双向泵浦在模式不稳定阈值方面也有一定改善，从光学特性上看其重要性高于正向泵浦。考虑到该因素，如何将级联泵浦技术安全地应用在反向和双向泵浦技术，成为级联泵浦技术研究中的关键问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种抗反射级联泵浦光纤激光器，可安全地滤除泵浦信号泵浦臂漏光。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种抗反射级联泵浦光纤激光器，包括：种子源激光器、信号纤反向包层功率剥离器、第一激光器、泵浦源正向包层功率剥离器、增益光纤、泵浦源反向包层功率剥离器、泵浦源倾斜光栅、第二激光器、信号纤正向包层功率剥离器和放大器；
所述第一激光器与所述泵浦源正向包层功率剥离器连接；所述种子源激光器和所述信号纤反向包层功率剥离器连接；所述泵浦源正向包层功率剥离器和所述信号纤反向包层功率剥离器均与所述增益光纤的一端连接；所述泵浦源反向包层功率剥离器、所述泵浦源倾斜光栅和所述第二激光器依次连接；所述信号纤正向包层功率剥离器和所述放大器连接；所述泵浦源反向包层功率剥离器和所述信号纤正向包层功率剥离器均与所述增益光纤的另一端连接。
可选地，还包括第一合束器；所述第一合束器的一端与所述泵浦源正向包层功率剥离器连接；所述第一合束器的另一端与所述增益光纤连接。
可选地，所述第一激光器、所述泵浦源正向包层功率剥离器和所述第一合束器均有多个；所述第一激光器与所述泵浦源正向包层功率剥离器的数量相同；所述第一合束器的数量是所述第一激光器数量的一半。
可选地，还包括模场适配器；所述模场适配器的一端与所述种子源激光器连接；所述模场适配器的另一端与所述信号纤反向包层功率剥离器连接。
可选地，还包括第二合束器；所述第一合束器和所述信号纤反向包层功率剥离器均与所述第二合束器的一端连接；所述第二合束器的另一端与所述增益光纤连接。
可选地，还包括第三合束器；所述第三合束器的一端与所述增益光纤连接；所述第三合束器的另一端分别与所述泵浦源反向包层功率剥离器和所述信号纤正向包层功率剥离器连接。
可选地，还包括第四合束器；所述第四合束器的一端与所述第三合束器的另一端连接；所述第四合束器的另一端与所述泵浦源反向包层功率剥离器连接。
可选地，所述第四合束器、所述泵浦源反向包层功率剥离器、所述泵浦源倾斜光栅和所述第二激光器均设有多个；所述泵浦源反向包层功率剥离器、所述泵浦源倾斜光栅和所述第二激光器的数量相同；所述第四合束器的数量为所述第二激光器数量的一半。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种抗反射级联泵浦光纤激光器，包括：种子源激光器、信号纤反向包层功率剥离器、第一激光器、泵浦源正向包层功率剥离器、增益光纤、泵浦源反向包层功率剥离器、泵浦源倾斜光栅、第二激光器、信号纤正向包层功率剥离器和放大器；所述第一激光器与所述泵浦源正向包层功率剥离器连接；所述种子源激光器和所述信号纤反向包层功率剥离器连接；所述泵浦源正向包层功率剥离器和所述信号纤反向包层功率剥离器均与所述增益光纤的一端连接；所述泵浦源反向包层功率剥离器、所述泵浦源倾斜光栅和所述第二激光器依次连接；所述信号纤正向包层功率剥离器和所述放大器连接；所述泵浦源反向包层功率剥离器和所述信号纤正向包层功率剥离器均与所述增益光纤的另一端连接。通过泵浦源正向包层功率剥离器保护第一激光器的谐振腔，阻止未系统的激光对第一激光器的破坏。通过泵浦源倾斜光栅实现安全地滤除泵浦信号泵浦臂漏光。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为LD泵浦（一次泵浦）示意图；
图2为级联泵浦（二次泵浦）示意图；
图3为传统双向泵浦激光器结构示意图；
图4为本发明提供的抗反射级联泵浦光纤激光器示意图；
图5为正向泵浦源部分示意图；
图6为反向泵浦源部分示意图；
图7为分布式侧面双向级联泵浦方案示意图；
图8为级联泵浦振荡器方案示意图。
符号说明：
种子源激光器-1，模场适配器-2，信号纤反向包层功率剥离器-3，第一激光器-4，泵浦源正向包层功率剥离器-5，第一合束器-6，第二合束器-7，增益光纤-8，第三合束器-9，第四合束器-10，泵浦源反向包层功率剥离器-11，泵浦源倾斜光栅-12，第二激光器-13，信号纤正向包层功率剥离器-14，放大器输出石英端帽-15。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种抗反射级联泵浦光纤激光器，可安全地滤除泵浦信号泵浦臂漏光。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明在级联泵浦方案中，从结构设计上安全地滤除泵浦信号泵浦臂漏光，阻止其进入1018 nm激光器谐振腔引起寄生振荡造成泵浦源损坏，让级联泵浦安全可靠地应用于反向泵浦和双向泵浦方案的光纤振荡器和放大器中，实现功率瓶颈的突破，推动光纤激光技术的发展进程。
本发明有别于其他任何级联泵浦光纤激光器的特征是其在正反双向泵浦中均具有对残余泵浦的抗反射性能，对由泵浦臂泄漏的激光可以进行有效剥离，阻止其进入1018nm激光器谐振腔引起寄生振荡破坏1018 nm激光器。其主要变化为增加了图中编号为泵浦源正向包层功率剥离器、泵浦源反向包层功率剥离器和泵浦源倾斜光栅的光纤元器件，实现了泄漏激光滤除。如图4所示，本发明提供的一种抗反射级联泵浦光纤激光器，包括：种子源激光器1（Seed）、信号纤反向包层功率剥离器3（CPS）、第一激光器4、泵浦源正向包层功率剥离器5（CPS）、增益光纤8（YDF）、泵浦源反向包层功率剥离器11（CPS）、泵浦源倾斜光栅12（CTFBG）、第二激光器13、信号纤正向包层功率剥离器14（CPS）和放大器。第一激光器4为正向1018 nm激光器。本发明中的增益光纤8为放大器增益光纤。第二激光器13为反向1018 nm激光器。增益光纤8为掺镱增益光纤。
所述第一激光器4与所述泵浦源正向包层功率剥离器5连接；所述种子源激光器1和所述信号纤反向包层功率剥离器3连接；所述泵浦源正向包层功率剥离器5和所述信号纤反向包层功率剥离器3均与所述增益光纤8的一端连接；所述泵浦源反向包层功率剥离器11、所述泵浦源倾斜光栅12和所述第二激光器13依次连接；所述信号纤正向包层功率剥离器14和所述放大器连接；所述泵浦源反向包层功率剥离器11和所述信号纤正向包层功率剥离器14均与所述增益光纤8的另一端连接。信号纤正向包层功率剥离器14的另一端具体与放大器输出石英端帽15（QBH）连接。
抗反射级联泵浦光纤激光器还包括第一合束器6；所述第一合束器6的一端与所述泵浦源正向包层功率剥离器5连接；所述第一合束器6的另一端与所述增益光纤8连接。本发明中的第一合束器6为正向19×1合束器。
所述第一激光器4、所述泵浦源正向包层功率剥离器5和所述第一合束器6均有多个；所述第一激光器4与所述泵浦源正向包层功率剥离器5的数量相同；所述第一合束器6的数量是所述第一激光器4数量的一半。多个所述第一激光器4、所述泵浦源正向包层功率剥离器5和所述第一合束器6级联设置。
抗反射级联泵浦光纤激光器还包括模场适配器2（MFA）；所述模场适配器2的一端与所述种子源激光器1连接；所述模场适配器2的另一端与所述信号纤反向包层功率剥离器3连接。
抗反射级联泵浦光纤激光器还包括第二合束器7；所述第一合束器6和所述信号纤反向包层功率剥离器3均与所述第二合束器7的一端连接；所述第二合束器7的另一端与所述增益光纤8连接。本发明中第二合束器7为正向（6+1）×1泵浦信号合束器。
抗反射级联泵浦光纤激光器还包括第三合束器9；所述第三合束器9的一端与所述增益光纤8连接；所述第三合束器9的另一端分别与所述泵浦源反向包层功率剥离器11和所述信号纤正向包层功率剥离器14连接。本发明中的第三合束器9为反向（6+1）×1泵浦信号合束器。
抗反射级联泵浦光纤激光器还包括第四合束器10；所述第四合束器10的一端与所述第三合束器9的另一端连接；所述第四合束器10的另一端与所述泵浦源反向包层功率剥离器11连接。本发明中的第四合束器10为反向19×1合束器。
所述第四合束器10、所述泵浦源反向包层功率剥离器11、所述泵浦源倾斜光栅12和所述第二激光器13均设有多个；所述泵浦源反向包层功率剥离器11、所述泵浦源倾斜光栅12和所述第二激光器13的数量相同；所述第四合束器10的数量为所述第二激光器13数量的一半。多个所述第四合束器10、所述泵浦源反向包层功率剥离器11、所述泵浦源倾斜光栅12和所述第二激光器13级联设置。
对正向和反向结构中如何剥离漏光进行详细说明，首先针对编号为第一激光器4、泵浦源正向包层功率剥离器5、第一合束器6的正向泵浦源进行说明，当采用双向泵浦结构时需采用第一激光器4、泵浦源正向包层功率剥离器5、第一合束器6的结构，如图3所示第一激光器4为一台1018 nm激光器，其内部为一对光纤光栅（高反光栅HR、低反光栅OC）和增益光纤（YDF）组成的光学谐振腔，产生数百瓦级1018 nm激光。泵浦源正向包层功率剥离器5为包层功率剥离器，用于剥离在包层中传输的激光。第一合束器6为19×1合束器，其左侧输入光纤为少模20/130 μm，右侧为135/155 μm多模光纤。由第一激光器4产生的正常1018 nm激光在20/130 μm光纤纤芯中正向传输（图5中黑色实线标记），其在纤芯中传输，不受泵浦源正向包层功率剥离器5影响，至第一合束器6后经合束由右侧多模光纤输出，进入后续放大器，此为泵浦源正常时的正常1018 nm激光传输过程。
但是在双向泵浦系统中，由反向泵浦源-第二激光器13产生的1018 nm激光在经过增益光纤8吸收后无法被吸收完毕，会经由第二合束器7泄露至与第一合束器6连接的多模泵浦臂光纤中，也即图5中反向传输的“未吸收1018 nm激光”（灰色虚线标记）。此处需要注意的是，在第一合束器6反向传输的“未吸收1018 nm激光”在由右侧1根135/155 μm光纤进入左侧19根20/130 μm时，绝大多数功率会耦合进入20/130 μm的包层之中，然后在泵浦源正向包层功率剥离器5处被剥离，转换成热的形式散发掉，这样即保护了第一激光器4中脆弱的1018 nm谐振腔，阻止了“未吸收1018 nm激光”对第一激光器4的破坏。
以图6为例说明在反向泵浦源部分的滤波特性与原理。
图6中主体结构第四合束器10、泵浦源反向包层功率剥离器11、第二激光器13同图5，其区别仅在于激光正反方向进行了调转。此处由第二激光器13产生的正常1018 nm激光反向经泵浦源反向包层功率剥离器11和第四合束器10后进入增益光纤8中，泵浦源反向包层功率剥离器11要滤除的是产生于第一激光器4的，经由第三合束器9泄露的正向未吸收激光，也即图6中的“未吸收1018 nm激光”，这一部分原理同图5中所述。
但是，这里不同于图5中的结构在于增加了泵浦源倾斜光栅12，其具备一定带宽滤波特性，滤波中心波长位于1080 nm，其特征是将纤芯中1080 nm波长的激光由纤芯反射到包层中，反射后在包层中与原方向相反进行传播，至器件泵浦源反向包层功率剥离器11后被剥离，以热的形式散发掉。
由于反向泵浦信号合束器-第三合束器9中1080 nm信号光存在也泄漏，这一部分激光反向传输至器件第四合束器10后不仅会像“未吸收1018 nm激光”一样进入第四合束器10右侧光纤20/130 μm包层中，也会进入到纤芯中。进入包层的直接会同“未吸收1018 nm激光”一样被直接剥离，进入纤芯的会被泵浦源倾斜光栅12反射至包层后剥离，因此该设计可以完全阻止在反向泵浦中1080 nm信号光泄漏进入反向泵浦源破坏其谐振腔的现象发生。
本发明不仅可以应于传统端面泵浦的级联泵浦激光器，也适用于另一种分布式侧面泵浦的级联泵浦激光器，其使用的增益光纤8为分布式侧面耦合包层泵浦光纤（Distributed side-coupled cladding-pumped，简称DSCCP，又称为GTwave等），其通常包含1根信号纤和若干根泵浦纤组成，应用本发明的光学示意图如图7所示，其关键的防泄露光破坏泵浦源的思路同上所述。
本发明不仅可以应于采用级联泵浦的光纤放大器，也可应用于采用级联泵浦的光纤振荡器，如图8所示，其使用高反光纤光栅（HR）和低反光纤光栅以及增益光纤（YDF）组成光学谐振腔，其正向和反向泵浦源通过正向和反向（6+1）×1泵浦信号合束器注入光学谐振腔产生激光，其关键的防泄露光破坏泵浦源的思路同上所述。
在实际应用中，将种子源激光器1可以替换为任意能输出激光的设备或部件；将第一激光器4和第二激光器13所产生的1018 nm波长替换为任意其他波长；将种子源激光器1产生的1080 nm波长替换为任意其他波长；将掺镱增益光纤替换为掺入铒、钍、铥等其他稀土元素且具有增益功能的光纤；将第一合束器6从19×1替换为任意其他数目的合束器；将（6+1）×1泵浦信号合束器替换为任意其他数量的泵浦信号合束器或其他具备泵浦信号合束性质的器件，比如（2+1）×1或者（18+1）×1等；将泵浦源倾斜光栅12的滤波波长从1080nm替换为其他任意波长，其带宽调整至数nm至数十nm；将全光纤结构替换为带有相似功能空间组件或结构的激光器。
本发明通过插入包层功率剥离器和特定波长滤波功能的倾斜光纤光栅，系统性解决了经由泵浦信号合束器泄漏的未吸收泵浦和信号光对泵浦源的破坏问题，不仅可以将反向泵浦应用于级联泵浦方案中，也可以将双向泵浦应用于级联泵浦方案中，大幅提升了级联泵浦方案中的非线性抑制能力和功率拓展能力。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (5)
1.一种抗反射级联泵浦光纤激光器，其特征在于，包括：种子源激光器、信号纤反向包层功率剥离器、第一激光器、泵浦源正向包层功率剥离器、增益光纤、泵浦源反向包层功率剥离器、泵浦源倾斜光栅、第二激光器和信号纤正向包层功率剥离器；
所述第一激光器与所述泵浦源正向包层功率剥离器连接；所述种子源激光器和所述信号纤反向包层功率剥离器连接；所述泵浦源正向包层功率剥离器和所述信号纤反向包层功率剥离器均与所述增益光纤的一端连接；所述泵浦源反向包层功率剥离器、所述泵浦源倾斜光栅和所述第二激光器依次连接；所述泵浦源反向包层功率剥离器和所述信号纤正向包层功率剥离器均与所述增益光纤的另一端连接；
还包括第一合束器；所述第一合束器的一端与所述泵浦源正向包层功率剥离器连接；所述第一合束器的另一端与所述增益光纤连接；
还包括第三合束器；所述第三合束器的一端与所述增益光纤连接；所述第三合束器的另一端分别与所述泵浦源反向包层功率剥离器和所述信号纤正向包层功率剥离器连接；
还包括第四合束器；所述第四合束器的一端与所述第三合束器的另一端连接；所述第四合束器的另一端与所述泵浦源反向包层功率剥离器连接。
2.根据权利要求1所述的抗反射级联泵浦光纤激光器，其特征在于，所述第一激光器、所述泵浦源正向包层功率剥离器和所述第一合束器均有多个；所述第一激光器与所述泵浦源正向包层功率剥离器的数量相同；所述第一合束器的数量是所述第一激光器数量的一半。
3.根据权利要求1所述的抗反射级联泵浦光纤激光器，其特征在于，还包括模场适配器；所述模场适配器的一端与所述种子源激光器连接；所述模场适配器的另一端与所述信号纤反向包层功率剥离器连接。
4.根据权利要求1所述的抗反射级联泵浦光纤激光器，其特征在于，还包括第二合束器；所述第一合束器和所述信号纤反向包层功率剥离器均与所述第二合束器的一端连接；所述第二合束器的另一端与所述增益光纤连接。
5.根据权利要求1所述的抗反射级联泵浦光纤激光器，其特征在于，所述第四合束器、所述泵浦源反向包层功率剥离器、所述泵浦源倾斜光栅和所述第二激光器均设有多个；所述泵浦源反向包层功率剥离器、所述泵浦源倾斜光栅和所述第二激光器的数量相同；所述第四合束器的数量为所述第二激光器数量的一半。
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