CN208904396U - 一种基于mopa结构的光纤激光器及其种子光源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于MOPA结构的光纤激光器及其种子光源，包括种子光源和与所述种子光源连接的光纤放大器，所述种子光源用于产生第一激光，所述第一激光为信号光，所述光纤放大器包括放大器泵浦源，第二增益光纤及放大器输出装置，所述放大器泵浦源、第二增益光纤及放大器输出装置依次通过传输光纤连接。所述种子光源产生稳定且高质量的种子激光即信号光，传输至所述光纤放大器放大进而获得功率较高的光纤激光，此外，所述的种子光源采用由布拉格光纤光栅和增益光纤构成的光纤结构谐振腔，用于形成激光振荡并输出激光，同时所述光纤结构的谐振腔所用光纤为单模光纤，进而形成结构简单且功率高、光束质量好的全光纤单模激光器。

Description

一种基于MOPA结构的光纤激光器及其种子光源

技术领域

本实用新型涉及激光器领域，特别是涉及基于MOPA结构的光纤激光器及其种子光源。

背景技术

光纤激光器是以掺稀土元素玻璃光纤为介质的激光器，与传统激光器相比，光纤激光器具有效率高、光束质量好、体积紧凑、易于集成、抗干扰能力强、散热性号等优点。近年来，光纤激光器的输出功率得到很大提高，已经在材料处理、医疗、激光测距等许多领域有了重要的应用。其中以掺铥光纤为增益介质的掺铥光纤激光器以其在2um波段的重要地位，已在医疗、激光遥感、激光测距、光谱分析、空间光通信和军事等方面凸显优势，成为相关领域的研究热点。

掺铥光纤激光器作为光纤激光器的一种,不仅继承了光纤激光器的上述优点,而且铥离子丰富的能级结构和光谱特性决定了掺铥光纤激光器在2um波段光纤激光器研究领域的重要地位。由于水分子在2um波段的激光附近有很强的中红外吸收峰,因此,利用该波段的激光器进行手术时,激光照射部位血液会迅速凝固,手术创面小,止血性好,加上该波段激光对人眼是安全的,所以2um掺铥光纤激光器在医疗和生物学研究方面具有广泛的应用前景。

目前，25W2um高功率光纤激光器的方案主要有以下几种：

①线型腔结构:双包层高反光栅、多模泵浦合束器、增益光纤、CPS双包层低反光栅、高功率隔离器相结合。

优点：结构简单，容易实现高功率输出；

缺点：上述结构中，增益光纤的光纤类型为LMA-TDF-25P/400-HE，其他器件的尾纤类型为LMA-GDF-25/400-09M，这两种光纤均具有大芯径(25um)、大模场的特点，制作中对光纤的盘绕等处理要求较高，处理不好会出现双峰甚至多峰的现象(如下图1所示)；且输出激光的模式较多、光束质量较差。

②半导体激光器与三级TDFA相结合。

优点：线宽窄(<1nm)，能实现高功率输出；

缺点：结构复杂，需要一级纤芯放大以及两级双包层放大，其中一级纤芯放大需要的泵浦为1550nm波段的W级激光器，因此制作一级放大光路时需要先制作1550nm的高功率激光器，加上后面两级放大光路，使得整个光路结构非常复杂；此外，半导体激光器本身价格昂贵，加上三级TDFA需要的器件众多，导致这种结构的激光器成本非常高。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种基于MOPA结构的光纤激光器及其种子光源。

一种基于MOPA结构的光纤激光器的种子光源，所述的种子光源包括：

第一泵浦源，用于产生多模泵浦光；

光纤结构的谐振腔，接收所述多模泵浦光，用于形成激光振荡并输出激光；

其中所述第一泵浦源与所述光纤结构的谐振腔通过第一合束器连接，所述光纤结构的谐振腔包括布拉格光纤光栅和第一增益光纤，所述布拉格光纤光栅与所述第一增益光纤连接，所述光纤结构的谐振腔所用光纤以及第一合束器的光纤均为单模光纤。

在其中一个实施例中，所述布拉格光纤光栅数量为两个，且连接与所述第一增益光纤的两端，分别为第一光纤布拉格光纤光栅和第二光纤布拉格光纤光栅；

所述第一光纤布拉格光纤光栅连接所述第一合束器，用于接收所述多模泵浦光；

所述第二光纤布拉格光纤光栅连接所述第一增益光纤，用于与所述第一光纤布拉格光纤光栅构成所述反馈回路。

在其中一个实施例中，两个所述光纤布拉格光纤光栅和所述第一增益光纤为双包层光纤结构，其中，

所述第一增益光纤双包层结构用于形成光子跃迁及辐射，释放光子；

所述光纤布拉格光纤光栅的双包层光纤结构用于连接所述第一增益光纤，且与所述第一增益光纤形成反馈回路，形成激光振荡，进而形成第一激光，所述第一激光为信号光。

在其中一个实施例中，所述第一光纤布拉格光纤光栅对所述信号光具有高反射率，对所述多模泵浦光具有高透过率；

所述第二光纤布拉格光纤光栅对所述信号光具有低反射率，对所述多模泵浦光具有高透过率。

在其中一个实施例中，所述的种子光源还包括第一输出装置，所述第一输出装置连接所述光纤结构的谐振腔，用于输出所述光纤结构的谐振腔产生的激光。

在其中一个实施例中，所述第一输出装置包括第一包层泵浦剥离器和第一隔离器，所述第一包层泵浦剥离器包括两端，其中一端与所述光纤结构的谐振腔连接，另一端与所述第一隔离器连接。

一种基于MOPA结构的光纤激光器，包括所述的种子光源和与所述种子光源连接的光纤放大器，所述种子光源用于产生第一激光，所述第一激光为信号光，所述光纤放大器包括放大器泵浦源，第二增益光纤及放大器输出装置，所述放大器泵浦源、第二增益光纤及放大器输出装置依次通过传输光纤连接。

在其中一个实施例中，所述种子光源和所述光纤放大器通过环形器连接，所述环形器第一端口连接所述种子光源，所述环形器的第二端口连接所述光纤放大器，所述环形器的第三端口连接示波器，所述示波器用于检测所述光纤放大器的后向散射光功率。

在其中一个实施例中，所述光纤放大器采用包层放大技术实现高功率的激光输出，所述包层放大技术原理为：所述信号光在所述第二增益光纤的纤芯传输，所述放大器泵浦源在所述第二增益光纤的内包层传输，所述放大器泵浦源将以斜入射的方式注入到所述第二增益光纤的内包层，并以折线的方式反复穿越纤芯，从而导致所述放大器泵浦源被所述第二增益光纤的纤芯中的离子吸收，实现高功率的激光输出。

在其中一个实施例中，所述传输光纤和第二增益光纤为单模光纤。

上述基于MOPA结构的高功率光纤激光器，包括种子光源和与所述种子光源连接的光纤放大器，所述种子光源用于产生第一激光，所述第一激光为信号光，所述光纤放大器包括放大器泵浦源，第二增益光纤及放大器输出装置，所述放大器泵浦源、第二增益光纤及放大器输出装置依次通过传输光纤连接。所述种子光源产生稳定且高质量的种子激光即信号光，传输至所述光纤放大器放大进而获得功率较高的光纤激光，此外，所述的种子光源采用由布拉格光纤光栅和增益光纤构成的光纤结构谐振腔，用于形成激光振荡并输出激光，同时所述光纤结构的谐振腔所用光纤为单模光纤，进而形成结构简单且功率高、光束质量好的全光纤单模激光器。

附图说明

图1为本实用新型的光谱仪上观察到的双峰现象示意图；

图2为本实用新型的线型腔种子光源的结构原理图；

图3为本实用新型的种子光源与光纤放大器结合的结构原理图；

图4为本实用新型的示波器上观察输出光和后向散射光的瞬时特性；

图5为本实用新型的实测激光器最终输出的光谱图。

具体实施方式

下面结合具体实施例以及附图说明对本实用新型进行详细的描述。

如图2和3所示，一种基于MOPA结构的光纤激光器，包括种子光源和与所述种子光源连接的光纤放大器，所述光纤放大器包括放大器泵浦源Pump2，第二合束器COM2，第二增益光纤TDF2,第二包层泵浦剥离器CPS2，第二隔离器ISO2 及传输光纤TF。其中，所述第二包层泵浦剥离器CPS2、第二隔离器ISO2及传输光纤TF构成放大器输出装置；所述MOPA为Master Oscillator Power-Amplifier即主控振荡器的功率放大器。

如图2所示，所述种子光源包括：第一泵浦源Pump1、第一合束器COM1、第一光纤布拉格光纤光栅FBG1、第二光纤布拉格光纤光栅FBG2、第一增益光纤 TDF1、第一包层泵浦剥离器CPS1和第一隔离器ISO1，其中，第一光纤布拉格光纤光栅FBG1、第二光纤布拉格光纤光栅FBG2、第一增益光纤TDF1构成光纤结构的谐振腔，第一包层泵浦剥离器CPS1和第一隔离器ISO1构成第一输出装置，所述第一泵浦源Pump1用于产生第一泵浦光，所述光纤结构的谐振腔用于形成激光振荡进而产生激光，其中所述第一泵浦源Pump1与所述光纤结构的谐振腔通过第一合束器COM1连接，所述第一输出装置连接所述光纤结构的谐振腔，用于输出所述光纤结构的谐振腔产生的激光。

在本实施例中，所述种子光源又称线型腔光纤激光器种子源，结构原理图如图2所示，结构中采用了经典的线型直腔光路结构。

所述第一泵浦源Pump1为793多模激光器，其功率为20W。所用第一泵浦源 Pump1通过第一合束器COM1将第一泵浦光耦合进光纤结构的谐振腔。

所述光纤结构的谐振腔包括布拉格光纤光栅和第一增益光纤TDF1，所述布拉格光纤光栅数量为两个，且分别连接于所述第一增益光纤TDF1的两端，在本实施例中，所述第一增益光纤TDF1选用掺铥的增益光纤，所述两个布拉格光纤光栅分别命名为第一光纤布拉格光纤光栅FBG1和第二光纤布拉格光纤光栅 FBG2；所述第一光纤布拉格光纤光栅FBG1连接所述第一合束器COM1，用于接收所述第一泵浦光；所述第二光纤布拉格光纤光栅FBG2连接所述第一增益光纤 TDF1，用于与所述第一光纤布拉格光纤光栅FBG1构成所述反馈回路，其中所述布拉格光纤光栅及所述第一增益光纤TDF1为双包层光纤结构，故此可以直接熔接。在本实施例中，第一光纤布拉格光纤光栅FBG1为高反光栅；第二光纤布拉格光纤光栅FBG2为低反光栅。

一般来说，光纤结构的谐振腔结构是由两平行放置的反射率经过选择的介质镜组成，两个介质镜可以放置在增益光纤两端，也可以直接镀在增益光纤的端面上，本专利选用光纤布拉格光纤光栅代替所述介质镜，可实现全光纤结构的激光器输出，使得谐振腔进一步优化。

形成激光振荡并输出激光的原理:

第一泵浦光经第一合束器COM1并通过第一光纤布拉格光纤光栅FBG1，将所述第一泵浦光耦合进增益光纤TDF1，进入第一增益光纤TDF1包层的第一泵浦光在所述第一增益光纤TDF1的包层内传输，传输过程中不断穿入所述第一增益光纤TDF1纤芯，被纤芯内的稀土离子吸收，吸收了光能量的稀土离子跃迁到上能级，形成激光的上下两个能级之间形成粒子数反转，反转后的粒子数又以自发辐射或者受激辐射的形式跃迁到激光下能级并释放光子，当加入第一光纤布拉格光纤光栅FBG1和第二光纤布拉格光纤光栅FBG2形成反馈回路的谐振腔后，形成激光振荡,进而形成第一激光，所述第一激光为信号光。

所述第一输出装置包括第一包层泵浦剥离器CPS1和第一隔离器ISO1。

在本实施例中，所述第一包层泵浦剥离器CPS1连接所述光纤结构的谐振腔，即连接所述第二光纤布拉格光纤光栅FBG2，用于剥除没有用尽的第一泵浦光和高阶模的信号光，以保证输出激光的单模特性；所述第一隔离器ISO1连接所述第一包层泵浦剥离器CPS1，用于输出稳定且高质量的种子激光，其中所述第一隔离器ISO1尾纤切成8°斜角(AC)，起到有效抑制平角形成振荡产生的激光的作用。

在搭建光学平台时，所述掺铥的第一增益光纤TDF1为Nufern公司的 SM-TDF-10P/130-HE光纤，吸收为3dB/m@793nm，长度约4m，制作时将其盘绕在直径为8cm的铝盘(图中未示)上，以此来得到光束质量好的单模激光输出。所述FBG1和所述FBG2为ITF公司的光栅，其光纤类型为SM-GDF-10/130-15M。 FBG1的具体参数：中心波长1940.64nm，反射率99.5％，带宽1.85nm；FBG2的具体参数：中心波长1940.58nm，反射率13％，带宽0.39nm。当第一泵浦源Pump1 功率8W时，输出激光功率为1.7W。当然根据设计需要，所述掺铥的第一增益光纤TDF1和所述光纤布拉格光纤光栅的选型不限于上述公司，其所选长度及相对应的光学特性(反射率、中心波长、带宽等)不限于上述所设定的参数值，只要能够实现谐振腔的功能，形成激光振荡输出激光即可。

光纤放大器，其结构原理图如下图3所示。所述光纤放大器采用正向泵浦及双包层放大技术将种子源功率从1W放大到25W，此过程需要很高的泵浦功率，故此散热是必须要解决的问题，因此整个后级光路需要在散热盘上进行。

所述种子光源和所述光纤放大器通过环形器CIR连接，所述环形器CIR第一端口Port1连接所述种子光源，所述环形器的第二端口Port2连接所述光纤放大器，所述环形器的第三端口Port3连接示波器，所述环形器三端口Port3 用于检测所述光纤放大器的后向散射光功率和瞬时特性。

所述光纤放大器包括放大器泵浦源Pump2，第二增益光纤TDF2及放大器输出装置，所述放大器传输装置包括第二包层泵浦剥离器CPS2，第二隔离器ISO2 及传输光纤TF。

在本实施例中，将所述光纤结构的谐振腔产生的激光成为信号光。所述放大器泵浦源Pump2产生放大器泵浦源。

所述包层放大技术原理为：所述信号光在所述第二增益光纤TDF2的纤芯传输，所述放大器泵浦源在所述第二增益光纤TDF2的内包层传输，所述放大器泵浦源将以斜入射的方式注入到所述第二增益光纤TDF2的内包层，并以折线的方式反复穿越纤芯，从而导致所述放大器泵浦源被所述第二增益光纤TDF2的纤芯中的离子吸收，实现高功率的激光输出。

在本实施例中，所述放大器泵浦源Pump2产生放大器泵浦源，所述放大器泵浦源为793nm多模泵浦光，所述放大器泵浦源Pump2与所述第二增益光纤TDF2 通过第二合束器COM2连接，所述第二增益光纤TDF2连接所述放大器输出装置，其中，所述放大器输出装置内的第二包层泵浦剥离器CPS2和第二隔离器ISO2 依次连接并经传输光纤TF输出。其中，所述第二增益光纤TDF2和传输光纤TF 均为单模光纤即均为10/130光纤，以保证最终输出的光源是单模传输。

在本实施例中，所述第二合束器COM2为(2+1)×1类型的合束器，即两输入端口，一输出端口或一输入端口两输出端口类型。在本实施例中，所述第二合束器COM2的尾纤SM-GDF-10/130-15M。

两个放大器泵浦源Pump2输出放大器泵浦源通过第二合束器COM2注入到第二增益光纤TDF2，所述第二增益光纤TDF2的型号为SM-TDF-10P/130-HE，再经过第二包层泵浦剥离器CPS2和第二高功率隔离器ISO2进行输出。当放大器泵浦源功率为60W时，输出激光的功率为25W，此时所述光纤放大器的后向散射光功率为7mW，从示波器上检测输出光和后向散射光，均没有观察到自脉冲和弛豫振荡现象，如图4所示。当放大器泵浦源功率62W时，放大器输出功率25W，斜线效率为40.3％。实测激光器最终输出光谱图如下图5所示。

由于第二合束器COM2的尾纤的类型为SM-GDF-10/130-15M与第二增益光纤 TDF2的类型为SM-TDF-10P/130-HE(TDF2)的熔接点最大会有约60瓦的放大器泵浦源通过，为了确保放大器泵浦源不外溢，并且能使之散热良好，在对此点进行熔接的优化处理后涂上了低折射率的胶水，并将其置于热沉上散热；在盘绕第二增益光纤TDF2时，由于实际工作时第二增益光纤TDF2发热量比较大，所以需要把有源光纤以一定的秩序盘绕在定制的圆柱体铝盘上；第二增益光纤 TDF2的输出端与第二隔离器ISO2之间使用了优化的第二包层泵浦玻璃器CPS2 来进行泵浦剥离及热处理，在输出功率达到25W时，监测几个小时后输出功率稳定在2％的范围内，并且第二包层泵浦玻璃器CPS2的温度维持在37.5摄氏度几乎不变。

以自制的线型腔结构的光纤激光器作为种子光源，种子光源与光纤放大器结合的技术，经过MOPA结构放大后获得了中心波长为1940.64nm、功率为25W、单模输出的全光纤激光器，输出斜率效率达到40.3％。在整个输出功率范围内，没有观察到自脉冲和弛豫振荡现象。后期采用更高功率的泵浦有望得到更高功率的单模激光输出。本专利中采用自制的线型腔结构种子源，经过MOPA结构放大，获得了功率为25W、单模输出的全光纤激光器，为国内研究2um高功率激光器提供了参考价值，也为实现更高功率的2um激光输出提供了可能。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于MOPA结构的光纤激光器的种子光源，其特征在于，所述的种子光源包括：

第一泵浦源，用于产生多模泵浦光；

光纤结构的谐振腔，接收所述多模泵浦光，用于形成激光振荡并输出激光；

其中所述第一泵浦源与所述光纤结构的谐振腔通过第一合束器连接，所述光纤结构的谐振腔包括布拉格光纤光栅和第一增益光纤，所述布拉格光纤光栅与所述第一增益光纤连接，所述光纤结构的谐振腔所用光纤以及第一合束器的光纤均为单模光纤。

2.根据权利要求1所述的基于MOPA结构的光纤激光器的种子光源，其特征在于，所述布拉格光纤光栅数量为两个，且连接与所述第一增益光纤的两端，分别为第一光纤布拉格光纤光栅和第二光纤布拉格光纤光栅；

所述第一光纤布拉格光纤光栅连接所述第一合束器，用于接收所述多模泵浦光；

所述第二光纤布拉格光纤光栅连接所述第一增益光纤，用于与所述第一光纤布拉格光纤光栅构成反馈回路。

3.根据权利要求2所述的基于MOPA结构的光纤激光器的种子光源，其特征在于，两个所述光纤布拉格光纤光栅和所述第一增益光纤为双包层光纤结构，其中，

所述第一增益光纤双包层结构用于形成光子跃迁及辐射，释放光子；

所述光纤布拉格光纤光栅的双包层光纤结构用于连接所述第一增益光纤，且与所述第一增益光纤形成反馈回路，形成激光振荡，进而形成第一激光，所述第一激光为信号光。

4.根据权利要求3所述的基于MOPA结构的光纤激光器的种子光源，其特征在于，所述第一光纤布拉格光纤光栅对所述信号光具有高反射率，对所述多模泵浦光具有高透过率；

所述第二光纤布拉格光纤光栅对所述信号光具有低反射率，对所述多模泵浦光具有高透过率。

5.根据权利要求1所述的基于MOPA结构的光纤激光器的种子光源，其特征在于，所述的种子光源还包括第一输出装置，所述第一输出装置连接所述光纤结构的谐振腔，用于输出所述光纤结构的谐振腔产生的激光。

6.根据权利要求5所述的基于MOPA结构的光纤激光器的种子光源，其特征在于，所述第一输出装置包括第一包层泵浦剥离器和第一隔离器，所述第一包层泵浦剥离器包括两端，其中一端与所述光纤结构的谐振腔连接，另一端与所述第一隔离器连接。

7.一种基于MOPA结构的光纤激光器，包括如权利要求1-6任一项所述的种子光源和与所述种子光源连接的光纤放大器，所述种子光源用于产生第一激光，所述第一激光为信号光，其特征在于，所述光纤放大器包括放大器泵浦源，第二增益光纤及放大器输出装置，所述放大器泵浦源、第二增益光纤及放大器输出装置依次通过传输光纤连接。

8.根据权利要求7所述的基于MOPA结构的光纤激光器，其特征在于，所述种子光源和所述光纤放大器通过环形器连接，所述环形器第一端口连接所述种子光源，所述环形器的第二端口连接所述光纤放大器，所述环形器的第三端口连接示波器，所述示波器用于检测所述光纤放大器的后向散射光功率。

9.根据权利要求7所述的基于MOPA结构的光纤激光器，其特征在于，所述光纤放大器采用包层放大技术实现高功率的激光输出，所述包层放大技术原理为：所述信号光在所述第二增益光纤的纤芯传输，所述放大器泵浦源在所述第二增益光纤的内包层传输，所述放大器泵浦源将以斜入射的方式注入到所述第二增益光纤的内包层，并以折线的方式反复穿越纤芯，从而导致所述放大器泵浦源被所述第二增益光纤的纤芯中的离子吸收，实现高功率的激光输出。

10.根据权利要求7所述的基于MOPA结构的光纤激光器，其特征在于，所述传输光纤和第二增益光纤为单模光纤。