CN202602078U

CN202602078U - 渐近芯耦合主动锁相大功率光纤激光器

Info

Publication number: CN202602078U
Application number: CN 201220261084
Authority: CN
Inventors: 宁提纲; 温晓东; 郑晶晶
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2012-06-04
Filing date: 2012-06-04
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2022-06-04

Abstract

渐近芯耦合主动锁相大功率光纤激光器，涉及一种激光器，适用于国防和工业加工领域。解决了目前的光纤激光器难以实现低成本的单模大功率激光输出的问题。该激光器包括多芯有源光纤（1），第一至第N纤芯（11、12、……、1（N-1）、1N），分别刻写在第一至第N纤芯（11、12、……、1（N-1）、1N）一端的第一至第N泵浦端光栅（211、212、……、21（N-1）、21N），分别刻写在第一至第N纤芯（11、12、……、1（N-1）、1N）另一端的第一至第N输出端光栅（221、222、……、22（N-1）、22N）和泵浦源（3）；泵浦源（3）的能量从刻写有第一至第N泵浦端光栅（211、212、……、21（N-1）、21N）的一端输入，激光从另一端输出。

Description

渐近芯耦合主动锁相大功率光纤激光器

技术领域

本实用新型涉及一种激光器，适用于工业加工及国防领域。

背景技术

由于光纤激光器高亮度、高光束质量、高紧凑度等的优势，使得其应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接（铜焊、淬水、包层以及深度焊接）、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设等等。

光束质量和输出功率是衡量光纤激光器性能的主要指标，光纤激光器的高性能很大程度上得益于光纤的结构，首先，光纤径向尺寸较小，轴向则很长，使得输出激光的发散角很小，能量集中度很高，尤其是在单模光纤激光器中，光束质量达到极致。但是也正是因为其光纤尺寸的限制，令大功率光纤激光器的研制中存在许多难题。光纤中横向模式的能量分布主要取决于光纤的芯包折射率差和纤芯尺寸，小的芯包折射率差和纤芯尺寸有益于能量的集中，模式减少，甚至实现单模输出。但是由于光纤所能承载的功率密度是有上限的，当功率密度接近甚至超过这个限度时，将会带来对光纤的永久损伤，为了实现大功率激光输出，只能相应的增大纤芯的尺寸，随之而来的就是多模的出现，能量的集中度下降，总的输出功率虽然有所增加，但亮度却降低。这对矛盾一直限制着大功率单模光纤激光器的发展。

而相对应不同的应用领域，对光纤激光器各指标参数的要求也不尽相同，例如在通信系统中，作为信号源的光纤激光器在功率的要求上较低，但光束质量、稳定性和紧凑程度是在设计过程中主要考虑的问题；但对于大功率激光器的应用场合，例如工业加工和军事等领域对其输出功率的要求更为严格，也是设计的重点，相应的光束质量可以在一定程度内打个折扣，例如采用多模光纤，虽然模式增加了，但功率确实也大大提升。显然，这都不是最优的解决措施，最好的结果是在提升功率的同时，输出激光仍然能够保持单模输出。

目前，一种有效的解决办法就是研制大模场面积的单模光纤。在光纤中满足单模传输的条件由下式决定：

V = \frac{2 πa}{λ} \sqrt{{n_{1}}^{2} - {n_{2}}^{2}} \leq 2.4048

其中V为归一化频率，a为纤芯半径，λ为所传播的光信号波长，n₁和n₂分别为光纤的纤芯和包层折射率。要实现单模传输，需要归一化频率小于2.4048。由式中关系可以看出，在传输波长固定的情况下，只有a、n₁和n₂是可变量，要使在增大a的同时依然满足单模条件，n₁和n₂的差必须有所减小。随着n₁和n₂差的减小，光纤对光的束缚能力越来越弱，最终导致光纤的轻微弯曲将会使光信号耦合到光纤外，另外，普通的单模光纤的纤芯和包层折射率差已经达到千分之几的量级，如果进一步减小对制造工艺也是严峻的考验。光子晶体光纤在理论上可以实现无尽单模的传输，但理论设计和制作工艺复杂，成本很高，因而实际制得的光纤效果并非十分理想。

因此，目前在大功率单模光纤激光器的研制过程中面临的问题是：制作成本高、单模的模场面积受限。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：目前的光纤激光器难以实现低成本的单模大功率激光输出。

本实用新型的技术方案为：

渐近芯耦合主动锁相大功率光纤激光器，其特征在于：该激光器包括多芯有源光纤，第一至第N纤芯，分别刻写在第一至第N纤芯一端的第一至第N泵浦端光栅，分别刻写在第一至第N纤芯另一端的第一至第N输出端光栅和泵浦源；泵浦源的能量从刻写有第一至第N泵浦端光栅的一端输入，激光从另一端输出。

多芯有源光纤中第一至第N纤芯半径依次递增，并且保证在第一至第N纤芯中与第j纤芯距离最近的两个为第j-1和第j+1纤芯,其中2≤j≤N；这里的距离最近指两纤芯中心距离减去各自的半径所得的数值最小；第一纤芯为单模纤芯，第二至第N纤芯为多模纤芯。

第一至第N泵浦端光栅和第一至第N输出端光栅均为Bragg光栅，中心波长和反射带宽均相同，第一至第N泵浦端光栅和第一至第N-1输出端光栅的中心波长处的反射率大于99%，第N输出端光栅中心波长处的反射率为1%～40%。

所述的N=3～100的整数。

本实用新型和已有技术相比所具有的有益效果：

相比传统以降低纤芯和包层折射率差的方法来提高单模光纤纤芯半径的方法而实现的大模场面积单模光纤激光信号的产生，本实用新型以单模纤芯控制多模纤芯模式分布的方法实现单模激光输出，在输出单模激光的模场面积上大大提高，并保持光纤对光信号的束缚能力不变。相比以光子晶体光纤实现单模大模场面积的激光输出，本实用新型采用多芯光纤的制作技术，制作难度和成本都大大降低。本实用新型通过简单的增加多模纤芯的直径和数量来增加输出单模激光的模场面积，可扩展能力强，功率的增加不受限制。

附图说明

图1为渐近芯耦合主动锁相大功率光纤激光器主视图。

图2为多芯光纤截面图。

图3为纤芯中心连接互相垂直的多芯光纤截面图。

图4为纤芯环形排列的多芯光纤截面图。

图5为纤芯线形排列的多芯光纤截面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施方式一

渐近芯耦合主动锁相大功率光纤激光器，如图1、2所示，该激光器包括多芯有源光纤1，第一至第N纤芯11、12、……、1（N-1）、1N，分别刻写在第一至第N纤芯11、12、……、1（N-1）、1N一端的第一至第N泵浦端光栅211、212、……、21（N-1）、21N，分别刻写在第一至第N纤芯11、12、……、1（N-1）、1N另一端的第一至第N输出端光栅221、222、……、22（N-1）、22N和泵浦源3；泵浦源3的能量从刻写有第一至第N泵浦端光栅211、212、……、21（N-1）、21N的一端输入；

多芯有源光纤1中第一至第N纤芯11、12、……、1（N-1）、1N半径依次递增，并且保证在第一至第N纤芯11、12、……、1（N-1）、1N中与第j纤芯距离最近的两个为第j-1和第j+1纤芯1（j-1）、1（j+1）,其中2≤j≤N；这里的距离最近指两纤芯中心距离减去各自的半径所得的数值最小；第一纤芯11为单模纤芯，第二至第N纤芯12、……、1（N-1）、1N为多模纤芯；

第一至第N泵浦端光栅211、212、……、21（N-1）、21N和第一至第N输出端光栅221、222、……、22（N-1）、22N均为Bragg光栅，中心波长和反射带宽均相同，第一至第N泵浦端光栅211、212、……、21（N-1）、21N和第一至第N-1输出端光栅221、222、……、22（N-1）的中心波长处的反射率大于99%，第N输出端光栅2N中心波长处的反射率为1%～40%。

所述的N=3～100的整数。

实施方式二

渐近芯耦合主动锁相大功率光纤激光器，如图3所示，实施方式二与实施方式一的区别在于：

实施方式二的多芯有源光纤1包括第一至第三纤芯11、12、13，纤芯的排列方式为第一纤芯11和第二纤芯12的轴心连线垂直与第二纤芯12和第三纤芯13的轴心连线。

实施方式三

渐近芯耦合主动锁相大功率光纤激光器，如图4所示，实施方式三与实施方式一的区别在于：

实施方式三的多芯有源光纤1包括第一至第十纤芯11、12、13、14、15、16、17、18、19、110，纤芯的排列方式为第一至第九纤芯11、12、13、14、15、16、17、18、19的轴心在一个以多芯有源光纤1的轴心为圆心的圆上，第十纤芯110与多芯有源光纤1共轴心。

实施方式四

渐近芯耦合主动锁相大功率光纤激光器，如图5所示，实施方式四与实施方式一的区别在于：

实施方式四的多芯有源光纤1包括第一至第一百纤芯11、12……、199、1100。

Claims

1.渐近芯耦合主动锁相大功率光纤激光器，其特征在于：该激光器包括多芯有源光纤（1），第一至第N纤芯（11、12、……、1（N-1）、1N），分别刻写在第一至第N纤芯（11、12、……、1（N-1）、1N）一端的第一至第N泵浦端光栅（211、212、……、21（N-1）、21N），分别刻写在第一至第N纤芯（11、12、……、1（N-1）、1N）另一端的第一至第N输出端光栅（221、222、……、22（N-1）、22N）和泵浦源（3）；泵浦源（3）的能量从刻写有第一至第N泵浦端光栅（211、212、……、21（N-1）、21N）的一端输入，激光从另一端输出；

多芯有源光纤（1）中第一至第N纤芯（11、12、……、1（N-1）、1N）半径依次递增，并且保证在第一至第N纤芯（11、12、……、1（N-1）、1N）中与第j纤芯距离最近的两个为第j-1和第j+1纤芯（1（j-1）、1（j+1））,其中2≤j≤N；这里的距离最近指两纤芯中心距离减去各自的半径所得的数值最小；第一纤芯（11）为单模纤芯，第二至第N纤芯（12、……、1（N-1）、1N）为多模纤芯；

第一至第N泵浦端光栅（211、212、……、21（N-1）、21N）和第一至第N输出端光栅（221、222、……、22（N-1）、22N）均为Bragg光栅，中心波长和反射带宽均相同，第一至第N泵浦端光栅（211、212、……、21（N-1）、21N）和第一至第N-1输出端光栅（221、222、……、22（N-1））的中心波长处的反射率大于99%，第N输出端光栅（2N）中心波长处的反射率为1%～40%。

2.根据权利要求1所述的渐近芯耦合主动锁相大功率光纤激光器，其特征在于：

所述的N=3～100的整数。