CN117673874A - 一种高功率光纤激光器及使用方法 - Google Patents
一种高功率光纤激光器及使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种高功率光纤激光器及使用方法，装置包括：种子源，所述种子源包括第一增益光纤（1）、设于所述第一增益光纤（1）的输入端的低反光纤光栅（2）以及设于所述第一增益光纤（1）输出端的高反光纤光栅（3）；设于所述种子源输出端的放大器，包括设于所述种子源输出端的第二增益光纤（4）、设于所述第二增益光纤（4）输出端的无源光纤（5）以及设于所述无源光纤（5）输出端的反谐振空心光纤（6）；泵浦源（7）；以及合束器（8）。将双包层增益手性螺旋光纤、单包层无源手性螺旋光纤和反谐振空心光纤合成使用，保证耦合效率，实现在相同线宽的情况下提供更高功率、更长距离、更好光束质量、无非线性效应的光纤激光传输。
Description
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，更具体地，涉及一种高功率光纤激光器及使用方法。
背景技术
高功率、窄线宽光纤激光器作为高功率激光领域重要的组成部分，其具有优良的光束质量、极窄的线宽、较高的光功率密度诸多优点。随着激光应用的不断拓宽及相关产业的快速发展，对高功率、窄线宽光纤激光器提出了更高要求，功率水平需进一步提高，线宽进一步窄化，光束质量进一步提高，但随之而来的是光纤非线性效应、模式不稳定效应、光束质量劣化、无法长距离传输等问题，严重制约了光纤激光器功率水平的进一步提高。针对此问题，各国学者提出特种光纤、模式控制、信号调制等诸多解决方案。
公开号为CN218828398U的中国专利公开了一种双包层增益光纤级联的全光纤激光器，包括：泵浦源，及沿激光正向传输的方向依次连接的高反光纤光栅、合束器、第一双包层增益光纤、低反光纤光栅、第二双包层增益光纤，所述泵浦源的泵浦输出端与所述合束器的泵浦输入端连接，所述第一双包层增益光纤、第二双包层增益光纤的纤芯的直径为20～30μm，内包层的等效直径为125～155μm，所述第一双包层增益光纤的长度为0.5～1m，所述第二双包层增益光纤的长度为4～6m。采用增益光纤级联，可提高泵浦光的吸收率、减小非线性效应，及通过所述第二双包层增益光纤对谐振腔内产生的激光进行功率放大，以获取大功率激光。
但公开号为CN218828398U的中国专利，仍然面临着非线性效应和模式不稳定效应不能同时实现有效抑制、控制系统繁琐复杂、调试过程冗长、无法有效实现光束质量的良好控制等诸多问题。针对上述问题，本领域亟需提出一种高功率光纤激光器，既可以实现非线性效应和模式不稳定效应的同时有效抑制，并具有良好的操作性，又可与现有光纤激光体系实现良好兼容。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种高功率光纤激光器及使用方法，在种子源以及放大器中进行多次泵浦，增加信号光的输出功率，将双包层增益手性螺旋光纤、单包层无源手性螺旋光纤和反谐振空心光纤合成使用，构建出新型的光纤激光器结构，实现实芯-空芯光纤之间熔接损耗的降低，保证了其耦合效率，最终实现在相同线宽的情况下提供更高功率、更长距离、更好光束质量、无非线性效应的光纤激光传输。
为实现以上目的，按照本发明的第一方面，提供一种高功率光纤激光器，包括：
泵浦源；
种子源，所述种子源包括第一增益光纤、设于所述第一增益光纤的输入端的低反光纤光栅以及设于所述第一增益光纤输出端的高反光纤光栅；
设于所述种子源输出端的放大器，所述放大器包括设于所述种子源输出端的第二增益光纤、设于所述第二增益光纤输出端的无源光纤以及设于所述无源光纤输出端的反谐振空心光纤；
以及合束器，在所述种子源以及放大器中进行多次泵浦，增加信号光的输出功率，实现在相同线宽的情况下提供更高功率、更长距离、更好光束质量、无非线性效应的光纤激光传输。
进一步地，所述第二增益光纤为双包层手性螺旋光纤，包括：
第一纤芯，所述第一纤芯为稀土掺杂纤芯，直径为20-40um。
进一步地，所述第二增益光纤还包括：
包覆于所述第一纤芯外周的内包层，所述内包层折射率低于所述第一纤芯，有效直径为250-400um。
进一步地，所述第二增益光纤还包括：
包覆于所述内包层外周的外包层，所述外包层为低折射率涂覆层。
进一步地，所述第二增益光纤还包括：
涂覆与所述外包层外周的第一涂覆层。
进一步地，所述无源光纤为单包层手性螺旋光纤，包括：
第二纤芯，所述第二纤芯直径为20-40um。
进一步地，所述无源光纤包括包覆于所述第二纤芯外周的单包层，所述单包层由折射率高于所述第二纤芯的材料制成，有效直径为250-400um。
进一步地，所述无源光纤包括涂覆于单包层外周的第二涂覆层，所述第二涂覆层为高折射率涂覆层。
进一步地，所述反谐振空心光纤为反谐振空心光纤，无实体传输介质，表面涂覆有第三涂覆层。
进一步地，所述低反光纤光栅输入端与高反光纤光栅输出端均连接有所述合束器；
所述低反光纤光栅输入端合束器与泵浦源的泵浦输出端相连接；
所述高反光纤光栅输出端合束器与泵浦源的泵浦输出端相连接。
进一步地，所述第二增益光纤输入端与种子源输出端之间还连接有合束器，该合束器输入端还连接有泵浦源。
按照本发明实施例的第二方面，提供一种高功率光纤激光器的使用方法，包括：
S100、由种子源输入端注入信号光，同时种子源中的泵浦源对其输入泵浦，多路泵浦光经合束器耦合至激光器的光纤中，共同作用于第一增益光纤，并通过低反光纤光栅与高反光纤光栅，获得高功率、窄线宽的信号光输出；
S200、种子源输出的激光进入第二增益光纤中，放大器中的泵浦源对其输入泵浦，多路泵浦光经合束器耦合至第二增益光纤，共同作用于第二增益光纤，再次对信号光进行增益放大，同时进行模式筛选；
S300、第二增益光纤输出信号光进入无源光纤，剥除信号光中的泵浦光以及部分高阶模，输出质量不大于1.3的、功率为3.5-6.2kW、线宽小于0.1nm的信号光；
S400、无源光纤输出的信号光进入反谐振空心光纤，抑制高功率激光所带来的非线性效应，进一步滤除高阶模，抑制模式不稳定效应，输出光束质量不大于1.5、功率为3.5-6kW的信号光。
进一步地，所述步骤S200中，泵浦源输出的泵浦光波长为915-1018nm中的多种组合，所述泵浦源采用单端泵浦或双端泵浦。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1.本发明的一种高功率光纤激光器，在种子源以及放大器中进行多次泵浦，增加信号光的输出功率，且将双包层增益手性螺旋光纤、单包层无源手性螺旋光纤和反谐振空心光纤合成使用，构建出新型的光纤激光器结构，实现实芯-空芯光纤之间熔接损耗的降低，保证了其耦合效率，最终实现在相同线宽的情况下提供更高功率、更长距离、更好光束质量、无非线性效应的光纤激光传输。
2.本发明的第二增益光纤，加入内外包层后，光纤的整体截面面积变大，有利于泵浦光耦合进掺杂光纤的内包层中，且内包层的折射率和外包层不同，使得泵浦光能在内包层和外包层之间产生全反射，从而保证光束质量好的单模激光输出。于纤芯中掺杂稀土离子，提高光纤的包括折射率和吸收系数在内的光学性能，稀土元素与光纤材料中的原子发生相互作用，改变光纤的光学性质，实现更好的光信号传输和控制，且实现对光信号的放大和激光振荡。
3.本发明的无源光纤，在传输过程中通过所述第二纤芯与单包层之间不同的折射率进一步对高阶模进行抑制、滤除，同时剥除包层中的泵浦光以及螺旋侧芯中的部分高阶模，保证传输光束的模式纯度以及质量。
4.本发明的反谐振空心光纤，具有极高的非线性效应阈值，有效抑制高功率激光所带来的包括高功率激光所面临的受激布里渊、受激拉曼在内的非线性效应，进一步提升功率水平，同时由于其具有一定的模式筛选功能，可以在传输过程中，进一步滤除高阶模，抑制模式不稳定效应，保证光束质量。
附图说明
图1为本发明实施例一种高功率光纤激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例一种高功率光纤激光器的放大器结构示意图；
图3为本发明实施例一种高功率光纤激光器与传统激光器输出激光的功率、线宽对比曲线图；
图4为本发明实施例一种高功率光纤激光器与传统光纤激光器的输出参数对比图；
图5为本发明实施例一种高功率光纤激光器的输出激光的光斑效果图；
图6为本发明实施例一种高功率光纤激光器的使用方法示意图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-第一增益光纤、2-低反光纤光栅、3-高反光纤光栅、4-第二增益光纤、41-第一纤芯、42-内包层、43-外包层、44-第一涂覆层、5-无源光纤、51-第二纤芯、52-单包层、53-第二涂覆层、6-反谐振空心光纤、61-第三涂覆层、7-泵浦源、8-合束器。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明以下实施例中的输入端和输出端，均表示激光输入端和激光输出端，特别说明除外，例如：泵浦输入端和泵浦输出端。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供一种高功率光纤激光器，包括：种子源、连接于所述种子源输出端的放大器、泵浦源7以及合束器8。其中，所述种子源包括第一增益光纤1、低反光纤光栅2以及高反光纤光栅3；所述放大器包括第二增益光纤4、无源光纤5、反谐振空心光纤6。将双包层增益手性螺旋光纤、单包层无源手性螺旋光纤和反谐振空心光纤合成使用，构建出新型的光纤激光器结构，最终实现更高功率、更窄线宽、更长距离、更好光束质量、无非线性效应的光纤激光传输。
所述低反光纤光栅2连接于所述第一增益光纤1的输入端，所述高反光纤光栅3连接于所述第一增益光纤1的输出端，所述低反光纤光栅2输入端与所述高反光纤光栅3输出端均连接有合束器8。所述低反光纤光栅2输入端合束器8与泵浦源7的泵浦输出端相连接，所述高反光纤光栅3输出端合束器8与泵浦源7的泵浦输出端相连接，所述多个合束器8将多路泵浦光耦合至激光器的光纤中，使其同时作用在所述第一增益光纤1上，增加激光的能量密度，获得更高的激光输出功率。
通过将低反光纤光栅2与高反光纤光栅3串联，获得高功率、窄线宽的光纤激光输出，与输入端以及种子源输出端的合束器8同时作用，实现高效稳定的激光输出。
优选的，所述低反光纤光栅2与高反光纤光栅3位置可互换，即所述高反光纤光栅3连接于所述第一增益光纤1的输入端，所述低反光纤光栅2连接于所述第一增益光纤1的输出端。
如图2所示，所述放大器连接于所述种子源的输出端，包括连接于所述种子源输出端的第二增益光纤4、连接于所述第二增益光纤4输出端的无源光纤5以及连接于所述无源光纤5输出端的反谐振空心光纤6。其中，所述第二增益光纤4输入端与种子源输出端之间还连接有合束器8，该合束器8输入端还连接有泵浦源7，所述第二增益光纤4为双包层手性螺旋光纤，包括第一纤芯41、包覆于所述第一纤芯41外周的内包层42、包覆于所述内包层42外周的外包层43以及涂覆与所述外包层43外周的第一涂覆层44，所述第一纤芯41为稀土掺杂纤芯，所掺杂的稀土为Yb，直径为20-40um。所述内包层42折射率低于所述第一纤芯41，包裹于所述第一纤芯41周围，有效直径为250-400um，所述外包层43包裹于所述内包层42周围，所述第一涂覆层44为低折射率涂覆层，涂覆于所述外包层43周围。
加入内外包层后，光纤的整体截面面积变大，有利于泵浦光耦合进掺杂光纤的内包层中，且内包层的折射率和外包层不同，使得泵浦光能在内包层和外包层之间产生全反射，从而保证光束质量好的单模激光输出。于纤芯中掺杂稀土离子，提高光纤的包括折射率和吸收系数在内的光学性能，稀土元素与光纤材料中的原子发生相互作用，改变光纤的光学性质，实现更好的光信号传输和控制，且实现对光信号的放大和激光振荡。
所述放大器中泵浦源7与合束器8以及第二增益光纤4对种子源输出的激光再次进行泵浦增益，进一步增大激光的能量密度，增加激光的输出功率。并且通过所述内包层42与外包层43之间不同的折射率，激光在二者之间产生全反射，在激光放大的同时实现模式筛选，保证光束质量好的单模激光输出。
所述无源光纤5连接于所述第二增益光纤4的输出端，为单包层手性螺旋光纤，包括第二纤芯51、包覆于所述第二纤芯51外周的单包层52以及涂覆于单包层52外周的第二涂覆层53。其中，所述第二纤芯51直径为20-40um，所述单包层52由折射率高于所述第二纤芯51的材料制成，包覆于所述第二纤芯51周围，有效直径为250-400um，限制激光在纤芯中的传输。所述第二涂覆层53为高折射率涂覆层，涂覆于所述单包层52周围。所述无源光纤5作为传输光纤，在传输过程中通过所述第二纤芯51与单包层52之间不同的折射率进一步对高阶模进行抑制、滤除，同时剥除包层中的泵浦光以及螺旋侧芯中的部分高阶模，保证传输光束的模式纯度以及质量。
所述反谐振空心光纤6为空心反谐振空心光纤，连接于所述无源光纤5的输出端，作为长距离传输光纤，高功率激光传输距离可实现百米量级，甚至公里量级，所述反谐振空心光纤6无实体传输介质，具有极高的非线性效应阈值，有效抑制高功率激光所带来的包括高功率激光所面临的受激布里渊、受激拉曼在内的非线性效应，进一步提升功率水平，同时由于其具有一定的模式筛选功能，可以在传输过程中，进一步滤除高阶模，抑制模式不稳定效应，保证光束质量。
所述反谐振空心光纤6表面涂覆有第三涂覆层61，所述第三涂覆层61为低折射率涂覆层或高折射率涂覆层。
优选的，所述无源光纤5剥离泵浦光及侧心泄露出的高阶模，保证了输出光斑的纯净及良好的光束质量，降低其与所述反谐振空心光纤6之间实芯-空芯光纤的熔接损耗，为其耦合效率提供了保证。
优选的，不同种类光纤的熔接处增加包括水冷和风冷在内的冷却装置，保证散热，防止在激光器在使用过程中因温度过高造成激光质量降低的情况发生。
如图3-5所示，现有光纤激光器的输出功率普遍小于3.5kW，输出激光的线宽小于0.1nm，输出激光的光束质量为1.6左右；本发明实施例提供的一种高功率光纤激光器，输出功率最高可达6kW，输出激光的线宽小于0.1nm，输出激光的光束质量为1.3左右；相比之下，本发明提供的激光器，输出激光在保持与传统激光器相同的线宽时，实现更高的输出功率以及更好的激光输出质量。
实施例2
如图6所示，本发明实施例提供一种高功率光纤激光器的使用方法，包括以下步骤：
S100、由种子源输入端注入信号光，同时种子源中的泵浦源7对其输入泵浦，多路泵浦光经合束器8耦合至激光器的光纤中，共同作用于第一增益光纤1，并通过低反光纤光栅2与高反光纤光栅3，获得高功率、窄线宽的信号光输出；
S200、种子源输出的激光进入第二增益光纤4中，放大器中的泵浦源7对其输入泵浦，多路泵浦光经合束器8耦合至第二增益光纤4，共同作用于第二增益光纤4，再次对信号光进行增益放大，同时进行模式筛选；
S300、第二增益光纤4输出信号光进入无源光纤5，剥除信号光中的泵浦光以及部分高阶模，输出质量不大于1.3的、功率为3.5-6.2kW、线宽小于0.1nm的信号光；
S400、无源光纤5输出的信号光进入反谐振空心光纤6，抑制高功率激光所带来的非线性效应，进一步滤除高阶模，抑制模式不稳定效应，输出光束质量不大于1.5、功率为3.5-6kW的信号光。
所述步骤S200中，泵浦源7输出的泵浦光波长为915-1018nm中的多种组合，所述泵浦源7采用单端泵浦或双端泵浦。
工作过程中，应均未见非线性效应以及模式不稳定。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种高功率光纤激光器，其特征在于，包括：
泵浦源（7）；
种子源，所述种子源包括第一增益光纤（1）、设于所述第一增益光纤（1）的输入端的低反光纤光栅（2）以及设于所述第一增益光纤（1）输出端的高反光纤光栅（3）；
设于所述种子源输出端的放大器，所述放大器包括设于所述种子源输出端的第二增益光纤（4）、设于所述第二增益光纤（4）输出端的无源光纤（5）以及设于所述无源光纤（5）输出端的反谐振空心光纤（6）；所述第二增益光纤（4）为双包层增益手性螺旋光纤，所述无源光纤（5）为单包层无源手性螺旋光纤，所述反谐振空心光纤（6）为反谐振空心光纤；
以及合束器（8），在所述种子源以及放大器中进行多次泵浦。
2.根据权利要求1所述的一种高功率光纤激光器，其特征在于，所述第二增益光纤（4）包括：
第一纤芯（41），所述第一纤芯（41）为稀土掺杂纤芯，直径为20-40um。
3.根据权利要求2所述的一种高功率光纤激光器，其特征在于，所述第二增益光纤（4）还包括：
包覆于所述第一纤芯（41）外周的内包层（42），所述内包层（42）折射率低于所述第一纤芯（41），有效直径为250-400um。
4.根据权利要求3所述的一种高功率光纤激光器，其特征在于，所述第二增益光纤（4）还包括：
包覆于所述内包层（42）外周的外包层（43），所述外包层（43）为低折射率涂覆层。
5.根据权利要求4所述的一种高功率光纤激光器，其特征在于，所述第二增益光纤（4）还包括：
涂覆与所述外包层（43）外周的第一涂覆层（44）。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种高功率光纤激光器，其特征在于，所述无源光纤（5）包括：
第二纤芯（51），所述第二纤芯（51）直径为20-40um。
7.根据权利要求6所述的一种高功率光纤激光器，其特征在于，所述无源光纤（5）包括包覆于所述第二纤芯（51）外周的单包层（52），所述单包层（52）由折射率高于所述第二纤芯（51）的材料制成，有效直径为250-400um。
8.根据权利要求7所述的一种高功率光纤激光器，其特征在于，所述无源光纤（5）包括涂覆于单包层（52）外周的第二涂覆层（53），所述第二涂覆层（53）为高折射率涂覆层。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的一种高功率光纤激光器，其特征在于，所述反谐振空心光纤（6）无实体传输介质，表面涂覆有第三涂覆层（61）。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的一种高功率光纤激光器，其特征在于，所述低反光纤光栅（2）输入端与高反光纤光栅（3）输出端均连接有所述合束器（8）；
所述低反光纤光栅（2）输入端合束器（8）与泵浦源（7）的泵浦输出端相连接；
所述高反光纤光栅（3）输出端合束器（8）与泵浦源（7）的泵浦输出端相连接。
11.根据权利要求1-5中任一项所述的一种高功率光纤激光器，其特征在于，所述第二增益光纤（4）输入端与种子源输出端之间还连接有合束器（8），该合束器（8）输入端还连接有泵浦源（7）。
12.一种如权利要求1-11中任一项所述的一种高功率光纤激光器的使用方法，其特征在于，包括：
S100、由种子源输入端注入信号光，同时种子源中的泵浦源（7）对其输入泵浦，多路泵浦光经合束器（8）耦合至激光器的光纤中，共同作用于第一增益光纤（1），并通过低反光纤光栅（2）与高反光纤光栅（3），获得高功率、窄线宽的信号光输出；
S200、种子源输出的激光进入第二增益光纤（4）中，放大器中的泵浦源（7）对其输入泵浦，多路泵浦光经合束器（8）耦合至第二增益光纤（4），共同作用于第二增益光纤（4），再次对信号光进行增益放大，同时进行模式筛选；
S300、第二增益光纤（4）输出信号光进入无源光纤（5），剥除信号光中的泵浦光以及部分高阶模，输出质量不大于1.3的、功率为3.5-6.2kW、线宽小于0.1nm的信号光；
S400、无源光纤（5）输出的信号光进入反谐振空心光纤（6），抑制高功率激光所带来的非线性效应，进一步滤除高阶模，抑制模式不稳定效应，输出光束质量不大于1.5、功率为3.5-6kW的信号光。
13.根据权利要求12所述的一种高功率光纤激光器的使用方法，其特征在于，所述步骤S200中，泵浦源（7）输出的泵浦光波长为915-1018nm中的多种组合，所述泵浦源（7）采用单端泵浦或双端泵浦。
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