CN202423818U

CN202423818U - 一种基于复合环形腔的相干组束高功率光纤激光器

Info

Publication number: CN202423818U
Application number: CN2011205426765U
Authority: CN
Inventors: 冯亭; 温晓东; 延凤平; 李琦; 彭万敬; 谭思宇
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2021-12-22

Abstract

本实用新型公开了一种基于复合环形腔的相干组束高功率光纤激光器，包括种子光源部分、三级放大部分和组束部分；其中种子光源部分包括第一泵浦源、第一波分复用器、第一铒/镱共掺光纤、第一耦合器、全光纤隔离器、第二耦合器、光纤光栅、光纤法布里波罗标准具；三级放大部分包括第二泵浦源、第三泵浦源、第四泵浦源、第二波分复用器、第三波分复用器、第四波分复用器、第二铒/镱共掺光纤、第三铒/镱共掺光纤、第四铒/镱共掺光纤、第三耦合器、第四耦合器、第五耦合器、第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器、第一相位调制器、第二相位调制器、第三相位调制器；组束部分包括第一单模光纤、第二单模光纤、第三单模光纤、组束装置，连接成至少三级放大结构。适用于激光武器、空间光通信、激光加工、遥感、激光雷达等要求激光输出功率高且光束质量好的领域。

Description

一种基于复合环形腔的相干组束高功率光纤激光器

技术领域

本实用新型涉及激光器领域，尤其涉及一种基于复合环形腔的相干组束高功率光纤激光器。

背景技术

高功率激光器的产生和发展大大推动了工业生产和国防建设，尤其是固体激光器以其结构紧凑、能量转换效率高的优势发展迅猛，其中光纤激光器成为后起之秀。由于光纤激光器结构上的特点，使得其光束质量要远远高于其它激光器，但大功率方面略显不足。随着技术的进步，光纤激光器在高功率的研制进程中不断有新的方法提出。

首先，基于包层抽运技术的光纤激光器以其光束质量好、转换效率高以及结构紧凑等特点吸引了人们的广泛关注。2004年光纤激光器的单纤输出功率达到千瓦量级，2009年IPG公司报道已实现了单纤万瓦的单模激光输出。但随着功率的增加，SBS、SRS和FWM等各种非线性效应使得光束质量严重降低，并且成为进一步增加激光功率的巨大障碍。大模场面积光纤的提出成为一种可行的方法，在保持光功率密度不变的情况下，增大光纤半径可以有效增加光纤所能承载的光功率，为大功率光纤激光器的制备提供了必要的前提。但由于光纤半径增加幅度有限，过大的光纤半径使得模场变的复杂，光束质量得不到保证，因此该方法能够解决的问题受到光纤尺寸的限制。主控振荡器的功率放大器，可以有效增加激光器功率，而且输出激光的质量很高，但同样受到单根光纤光功率承载能力的限制。

目前，多路光纤激光的组束成为一种实现大功率激光输出的更为有效的方法。为了在增加输出功率的同时最大程度地保证输出激光的光束质量，可以通过调整各路激光的偏振态和相位使各路输出激光的偏振态相同、相位同步，组束效率和激光稳定性都很高。

但目前已有的激光相干方案中输出光谱较宽，结构复杂，稳定性差。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题在于提供一种基于复合环形腔的相干组束高功率光纤激光器，此激光器具有结构简单、稳定性高、高功率、窄线宽输出等优点。

为了解决以上问题，本实用新型提供了一种基于复合环形腔的相干组束高功率光纤激光器，包括种子光源部分、三级放大部分和组束部分；其中种子光源部分包括第一泵浦源101、第一波分复用器102、第一铒/镱共掺光纤103、第一耦合器104、全光纤隔离器105、第二耦合器106、光纤光栅107、光纤法布里波罗标准具108；三级放大部分包括第二泵浦源201、第三泵浦源202、第四泵浦源203、第二波分复用器204、第三波分复用器205、第四波分复用器206、第二铒/镱共掺光纤207、第三铒/镱共掺光纤208、第四铒/镱共掺光纤209、第三耦合器210、第四耦合器211、第五耦合器212、第一滤波器213、第二滤波器214、第三滤波器215、第一偏振控制器216、第二偏振控制器217、第三偏振控制器218、第一相位调制器219、第二相位调制器220、第三相位调制器221；组束部分包括第一单模光纤301、第二单模光纤302、第三单模光纤303、组束装置304，其中第一泵浦源101的输出端接第一波分复用器102的1021端口，第一波分复用器102的1023端口接第一铒/镱共掺光纤103的一端，第一铒/镱共掺光纤103的另一端接第一耦合器104的1042端口，第一耦合器104的1041端口和1044端口接起来构成次环形腔，第一耦合器104的1043端口接全光纤隔离器105的输入端，全光纤隔离器105的输出端接第二耦合器106的1061端口，第二耦合器106的1063端口接光纤光栅107的一端，光纤光栅107的另一端不作处理，第二耦合器106的1062端口接光纤法布里波罗标准具108的一端，光纤法布里波罗标准具108的另一端接第一波分复用器102的1022端口，构成主环形腔；第二耦合器106的1064端口接第二波分复用器204的2042端口，第二波分复用器204的2041端口接第二泵浦源201的输出端，第二波分复用器204的2043端口接第二铒/镱共掺光纤207的一端，第二铒/镱共掺光纤207的另一端接第三耦合器210的2102端口，第三耦合器210的2103端口接第三波分复用器205的2052端口，第三耦合器210的2104端口接第一滤波器213的一端，第一滤波器213的另一端接第一偏振控制器216的一端，第一偏振控制器216的另一端接第一相位调制器219的一端，第一相位调制器219的另一端接第一单模光纤301的一端，第一单模光纤301的另一端装在组束装置304上；第三波分复用器205的2051端口接第三泵浦源202的输出端，第三波分复用器205的2053端口接第三铒/镱共掺光纤208的一端，第三铒/镱共掺光纤208的另一端接第四耦合器211的2112端口，第四耦合器211的2113端口接第四波分复用器206的2062端口，第四耦合器211的2114端口接第二滤波器214的一端，第二滤波器214的另一端接第二偏振控制器217的一端，第二偏振控制器217的另一端接第二相位调制器220的一端，第二相位调制器220的另一端接第二单模光纤302的一端，第二单模光纤302的另一端装在组束装置304上；第四波分复用器206的2061端口接第四泵浦源203的输出端，第四波分复用器206的2063端口接第四铒/镱共掺光纤209的一端，第四铒/镱共掺光纤209的另一端接第五耦合器212的2122端口，第五耦合器212的2124端口接第三滤波器215的一端，第三滤波器215的另一端接第三偏振控制器218的一端，第三偏振控制器218的另一端接第三相位调制器221的一端，第三相位调制器221的另一端接第三单模光纤303的一端，第三单模光纤303的另一端装在组束装置304上；连接成三级放大结构，第一单模光纤301、第二单模光纤302、第三单模光纤303输出端通过组束装置304进行不同形式的排列，连接成至少三级放大结构，第一泵浦源101、第二泵浦源201、第三泵浦源202和第四泵浦源203均为相同波长激光器。

本实用新型和已有技术相比所具有如下有益效果：复合环形腔配合光纤法布里波罗标准具滤波可以产生稳定的超窄线宽单频激光信号，其光束质量非常好；后续的各级放大均由此复合环形腔的输出激光作为种子光，使得每一路输出的激光的频率完全一致，而后通过偏振控制器和相位调制器分别调整各路输出激光的偏振态和相位，使得每路输出激光具有完全相同的相位和偏振态，相干性强，可以有效地实现相干组束的高功率、高光束质量的激光输出。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本实用新型以及容易得知其中许多伴随的优点，此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定，其中：

图1基于复合环形腔的相干组束高功率光纤激光器示意图；

图2光纤输出端排布方式。

图中：101、第一泵浦源；102、第一波分复用器；103、第一铒/镱共掺光纤；104、第一耦合器；105、全光纤隔离器；106、第二耦合器；107、光纤光栅；108、光纤法布里波罗标准具；201、第二泵浦源；202、第三泵浦源；203、第四泵浦源；204、第二波分复用器；205、第三波分复用器；206、第四波分复用器；207、第二铒/镱共掺光纤；208、第三铒/镱共掺光纤；209、第四铒/镱共掺光纤；210、第三耦合器；211、第四耦合器；212、第五耦合器；213、第一滤波器；214、第二滤波器；215、第三滤波器；216、第一偏振控制器；217、第二偏振控制器；218、第三偏振控制器；219、第一相位控制器；220、第二相位控制器；221、第三相位控制器；301、第一单模光纤；302、第二单模光纤；303、第三单模光纤；304、组束装置。

具体实施方式

以下参照图1-2对本实用新型的实施例进行说明。

为使上述目的、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实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，本实用新型的结构包括种子光源部分、三级放大部分和组束部分；其中种子光源部分包括第一泵浦源101、第一波分复用器102、第一铒/镱共掺光纤103、第一耦合器104、全光纤隔离器105、第二耦合器106、光纤光栅107、光纤法布里波罗标准具108；三级放大部分包括第二泵浦源201、第三泵浦源202、第四泵浦源203、第二波分复用器204、第三波分复用器205、第四波分复用器206、第二铒/镱共掺光纤207、第三铒/镱共掺光纤208、第四铒/镱共掺光纤209、第三耦合器210、第四耦合器211、第五耦合器212、第一滤波器213、第二滤波器214、第三滤波器215、第一偏振控制器216、第二偏振控制器217、第三偏振控制器218、第一相位调制器219、第二相位调制器220、第三相位调制器221；组束部分包括第一单模光纤301、第二单模光纤302、第三单模光纤303、组束装置304，其中第一泵浦源101的输出端接第一波分复用器102的1021端口，第一波分复用器102的1023端口接第一铒/镱共掺光纤103的一端，第一铒/镱共掺光纤103的另一端接第一耦合器104的1042端口，第一耦合器104的1041端口和1044端口接起来构成次环形腔，第一耦合器104的1043端口接全光纤隔离器105的输入端，全光纤隔离器105的输出端接第二耦合器106的1061端口，第二耦合器106的1063端口接光纤光栅107的一端，光纤光栅107的另一端不作处理，第二耦合器106的1062端口接光纤法布里波罗标准具108的一端，光纤法布里波罗标准具108的另一端接第一波分复用器102的1022端口，构成主环形腔；第二耦合器106的1064端口接第二波分复用器204的2042端口，第二波分复用器204的2041端口接第二泵浦源201的输出端，第二波分复用器204的2043端口接第二铒/镱共掺光纤207的一端，第二铒/镱共掺光纤207的另一端接第三耦合器210的2102端口，第三耦合器210的2103端口接第三波分复用器205的2052端口，第三耦合器210的2104端口接第一滤波器213的一端，第一滤波器213的另一端接第一偏振控制器216的一端，第一偏振控制器216的另一端接第一相位调制器219的一端，第一相位调制器219的另一端接第一单模光纤301的一端，第一单模光纤301的另一端装在组束装置304上；第三波分复用器205的2051端口接第三泵浦源202的输出端，第三波分复用器205的2053端口接第三铒/镱共掺光纤208的一端，第三铒/镱共掺光纤208的另一端接第四耦合器211的2112端口，第四耦合器211的2113端口接第四波分复用器206的2062端口，第四耦合器211的2114端口接第二滤波器214的一端，第二滤波器214的另一端接第二偏振控制器217的一端，第二偏振控制器217的另一端接第二相位调制器220的一端，第二相位调制器220的另一端接第二单模光纤302的一端，第二单模光纤302的另一端装在组束装置304上；第四波分复用器206的2061端口接第四泵浦源203的输出端，第四波分复用器206的2063端口接第四铒/镱共掺光纤209的一端，第四铒/镱共掺光纤209的另一端接第五耦合器212的2122端口，第五耦合器212的2124端口接第三滤波器215的一端，第三滤波器215的另一端接第三偏振控制器218的一端，第三偏振控制器218的另一端接第三相位调制器221的一端，第三相位调制器221的另一端接第三单模光纤303的一端，第三单模光纤303的另一端装在组束装置304上；连接成三级放大结构，第一单模光纤301、第二单模光纤302、第三单模光纤303输出端通过组束装置304进行不同形式的排列，连接成至少三级放大结构，第一泵浦源101、第二泵浦源201、第三泵浦源202和第四泵浦源203均为相同波长激光器。

本实用新型中的第一泵浦源101、第二泵浦源201、第三泵浦源202和第四泵浦源203均为980nm半导体激光器，激光输出功率可以根据实际需要进行选择。

光纤光栅102为均匀布拉格光栅，其谐振波长峰值反射率为99％，3dB线宽0.06nm左右。

光纤法布里波罗标准具108由两个相距为2mm的谐振波长峰值反射率为99％的均匀光纤光栅构成，两个均匀光纤光栅完全相同。光纤法布里波罗标准具108在环形腔中充当窄带滤波器的作用。

光纤法布里波罗标准具108的透射峰值波长和光纤光栅102的反射峰值波长相匹配。

第一铒/镱共掺光纤103的长度一般为2～4米。第二铒/镱共掺光纤207、第三铒/镱共掺光纤208和第四铒/镱共掺光纤209的长度一般小于10米，具体长度根据实际选择的泵浦源201、202和203而定。

第一耦合器104、第二耦合器106均为3dB耦合器，输出耦合比均为50∶50。

第三耦合器210、第四耦合器211和第五耦合器212的输出耦合比均为95∶5，即从2端口输入的光的95％分量从4端口输出，5％的分量从3端口输出。

第一滤波器213、第二滤波器214和第三滤波器215可以滤除掉光纤中残余的980nm泵浦光而使产生的信号光完全通过。

第一偏振控制器216、第二偏振控制器217和第三偏振控制器218可以调节三路输出的激光的偏振态，使三路输出光具有相同的输出偏振态。

如附图2所示，组束装置304将3根单模光纤输出端排列成正三角形分布。

第一相位调制器219、第二相位调制器220和第三相位调制器221可以调节三路输出的激光的相位，使它们在输出端具有相同的相位。

本实用新型的具体实现方式为：第一泵浦源101、第一波分复用器102、第一铒/镱共掺光纤103、第一耦合器104、全光纤隔离器105、第二耦合器106、光纤光栅107和光纤法布里波罗标准具108构成复合型环形腔，如图1所示。本复合环形腔中主环形腔和次环形腔的腔长相差较大。根据已有结论，复合环形腔的各纵模间距即自由光谱范围(FSR)为主环形腔和此环形腔的FSR的最小公倍数，而FSR又和腔长成反比，当主、次环形腔的腔长相差较大时，其FSR就相差很大，于是二者最小公倍数就很大。当复合环形腔的FSR大于铒离子的增益谱范围时，整个环形腔中就只有一个纵模振荡。在此基础上，本实用新型又在复合环形腔中引入光纤法布里波罗标准具108作为窄带滤波器，其滤波效果极好。于是可以在第二耦合器106的4端口输出高稳定性、超窄线宽、单频、单偏振的高质量激光。然后将此高质量激光作为种子光输入系统的放大部分。种子光首先和给定功率的第二泵浦源201的输出激光共同通过第一波分复用器204进入第二铒/镱掺杂光纤中，此时种子光被放大，放大后的激光和种子光同频率。放大后的激光通过第一耦合器210后95％的光进入到第一滤波器213，5％的光作为种子光进入下一级放大系统中，依次类推。分别有放大后的95％的光进入第一滤波器213、第二滤波器214和第三滤波器215，分别滤掉光路中残留的980nm泵浦光。三路光信号同为单频单偏振激光，但可能偏振态不一样，于是分别通过第一偏振控制器121、第二偏振控制器122和第三偏振控制器123调节三路激光的偏振态得到三路同频同偏振激光。然后，通过调节第一相位控制器124、第二相位控制器125和第三相位控制器126分别调节三路激光的相位，使得三路激光分别通过第一单模光纤301、第二单模光纤302和第三单模光纤303后具有相同的输出相位，而后三路单模光纤输出端由光纤组束装置304进行组束，输出端成正三角形排列分布(如附图2所示)。最后可以得到频率稳定度高、超窄线宽、高功率和高亮度的激光。

本实用新型中所述的三级放大结构，不仅限于三级，可以根据实际需要采用更多级放大结构，且输出端可以根据实际需要通过组束装置304进行不同形式的排列。

如上所述，对本实用新型的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本实用新型的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于复合环形腔的相干组束高功率光纤激光器，其特征在于，包括种子光源部分、三级放大部分和组束部分；其中种子光源部分包括第一泵浦源(101)、第一波分复用器(102)、第一铒/镱共掺光纤(103)、第一耦合器(104)、全光纤隔离器(105)、第二耦合器(106)、光纤光栅(107)、光纤法布里波罗标准具(108)；三级放大部分包括第二泵浦源(201)、第三泵浦源(202)、第四泵浦源(203)、第二波分复用器(204)、第三波分复用器(205)、第四波分复用器(206)、第二铒/镱共掺光纤(207)、第三铒/镱共掺光纤(208)、第四铒/镱共掺光纤(209)、第三耦合器(210)、第四耦合器(211)、第五耦合器(212)、第一滤波器(213)、第二滤波器(214)、第三滤波器(215)、第一偏振控制器(216)、第二偏振控制器(217)、第三偏振控制器(218)、第一相位调制器(219)、第二相位调制器(220)、第三相位调制器(221)；组束部分包括第一单模光纤(301)、第二单模光纤(302)、第三单模光纤(303)、组束装置(304)，其中第一泵浦源(101)的输出端接第一波分复用器(102)的(1021)端口，第一波分复用器(102)的(1023)端口接第一铒/镱共掺光纤(103)的一端，第一铒/镱共掺光纤(103)的另一端接第一耦合器(104)的(1042)端口，第一耦合器(104)的(1041)端口和(1044)端口接起来构成次环形腔，第一耦合器(104)的(1043)端口接全光纤隔离器(105)的输入端，全光纤隔离器(105)的输出端接第二耦合器(106)的(1061)端口，第二耦合器(106)的(1063)端口接光纤光栅(107)的一端，光纤光栅(107)的另一端不作处理，第二耦合器(106)的(1062)端口接光纤法布里波罗标准具(108)的一端，光纤法布里波罗标准具(108)的另一端接第一波分复用器(102)的(1022)端口，构成主环形腔；第二耦合器(106)的(1064)端口接第二波分复用器(204)的(2042)端口，第二波分复用器(204)的(2041)端口接第二泵浦源(201)的输出端，第二波分复用器(204)的(2043)端口接第二铒/镱共掺光纤(207)的一端，第二铒/镱共掺光纤(207)的另一端接第三耦合器(210)的(2102)端口，第三耦合器(210)的(2103)端口接第三波分复用器(205)的(2052)端口，第三耦合器(210)的(2104)端口接第一滤波器(213)的一端，第一滤波器(213)的另一端接第一偏振控制器(216)的一端，第一偏振控制器(216)的另一端接第一相位调制器(219)的一端，第一相位调制器(219)的另一端接第一单模光纤(301)的一端，第一单模光纤(301)的另一端装在组束装置(304)上；第三波分复用器(205)的(2051)端口接第三泵浦源(202)的输出端，第三波分复用器(205)的(2053)端口接第三铒/镱共掺光纤(208)的一端，第三铒/镱共掺光纤(208)的另一端接第四耦合器(211)的(2112)端口，第四耦合器(211)的(2113)端口接第四波分复用器(206)的(2062)端口，第四耦合器(211)的(2114)端口接第二滤波器(214)的一端，第二滤波器(214)的另一端接第二偏振控制器(217)的一端，第二偏振控制器(217)的另一端接第二相位调制器(220)的一端，第二相位调制器(220)的另一端接第二单模光纤(302)的一端，第二单模光纤(302)的另一端装在组束装置(304)上；第四波分复用器(206)的(2061)端口接第四泵浦源(203)的输出端，第四波分复用器(206)的(2063)端口接第四铒/镱共掺光纤(209)的一端，第四铒/镱共掺光纤(209)的另一端接第五耦合器(212)的(2122)端口，第五耦合器(212)的(2124)端口接第三滤波器(215)的一端，第三滤波器(215)的另一端接第三偏振控制器(218)的一端，第三偏振控制器(218)的另一端接第三相位调制器(221)的一端，第三相位调制器(221)的另一端接第三单模光纤(303)的一端，第三单模光纤(303)的另一端装在组束装置(304)上；第一单模光纤(301)、第二单模光纤(302)、第三单模光纤(303)输出端通过组束装置(304)进行不同形式的排列，连接成至少三级放大结构，第一泵浦源(101)、第二泵浦源(201)、第三泵浦源(202)和第四泵浦源(203)均为相同波长激光器。

2.如权利要求1所述一种基于复合环形腔的相干组束高功率光纤激光器，其特征在于，所述放大结构为三级放大，且组束装置(304)将第一单模光纤(301)、第二单模光纤(302)、第三单模光纤(303)输出端横截面排列成正三角形分布。

3.如权利要求1所述一种基于复合环形腔的相干组束高功率光纤激光器，其特征在于，所述第一泵浦源(101)、第二泵浦源(201)、第三泵浦源(202)和第四泵浦源(203)均为980nm波长半导体激光器。

4.如权利要求1所述一种基于复合环形腔的相干组束高功率光纤激光器，其特征在于，所述光纤光栅(102)为均匀布拉格光栅，其谐振波长峰值反射率为99％，3dB线宽0.06nm。

5.如权利要求1所述一种基于复合环形腔的相干组束高功率光纤激光器，其特征在于，所述光纤法布里波罗标准具(108)由两个相距为2mm的谐振波长峰值反射率为99％，完全相同的均匀光纤光栅构成。

6.如权利要求1所述一种基于复合环形腔的相干组束高功率光纤激光器，其特征在于，所述光纤法布里波罗标准具(108)的透射峰值波长和光纤光栅(102)的反射峰值波长相匹配。

7.如权利要求1所述一种基于复合环形腔的相干组束高功率光纤激光器，其特征在于，第一铒/镱共掺光纤(103)的长度为2～4米。第二铒/镱共掺光纤(207)、第三铒/镱共掺光纤(208)和第四铒/镱共掺光纤(209)的长度小于10米。

8.如权利要求1所述一种基于复合环形腔的相干组束高功率光纤激光器，其特征在于，所述第一耦合器(104)、第二耦合器(106)均为3dB耦合器，输出耦合比均为50∶50。

9.如权利要求1所述一种基于复合环形腔的相干组束高功率光纤激光器，其特征在于，从所述第三耦合器(210)、第四耦合器(211)和第五耦合器(212)的(2102)端口、(2112)端口、(2122)端口输入的光的95％分量从(2104)端口、(2114)端口、(2124)端口输出，5％的分量从(2103)端口、(2113)端口、(2123)端口输出。

10.如权利要求1所述一种基于复合环形腔的相干组束高功率光纤激光器，其特征在于，第一滤波器(213)、第二滤波器(214)和第三滤波器(215)滤除掉光纤中残余的980nm泵浦光而使产生的信号光完全通过。