CN211295686U - 一种基于侧面泵浦技术的脉冲光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于光电子技术领域，尤其是涉及一种基于侧面泵浦技术的脉冲光纤激光器。本实用新型包括：种子源产生单元、预放大单元和主放大单元；所述种子源产生单元、预放大单元、主放大单元依次连接；所述种子源产生单元包括谐振腔、声光调制器、和第一合束器；谐振腔包括高反光栅、第一有源光纤和低反输出光栅；所述高反光栅、声光调制器、第一有源光纤、低反输出光栅、第一合束器依次连接。本实用新型通过采用侧面泵浦光纤搭建全新的脉冲激光器系统，来抑制脉冲激光输出过程中极易出现的ASE以及非线性效应。

Description

一种基于侧面泵浦技术的脉冲光纤激光器

技术领域

本实用新型属于光电子技术领域，尤其是涉及一种基于侧面泵浦技术的脉冲光纤激光器。

背景技术

全光纤激光器具有结构紧凑、散热性能好、转换效率高、光束质量优良和性能稳定等优点已经逐步取代固体激光器、化学激光器和气体激光器成为当前激光市场上的主流产品。而全光纤结构的千瓦级光纤激光器大多采用下列三种激光谐振腔结构，1)通过正向泵浦合束器，多个相同泵源单向泵浦单纤珐珀腔结构；2)通过两个泵浦合束器，其中反向泵浦/信号合束器为侧面泵浦结构，采用多个相同泵源双向泵浦单纤珐珀腔结构；3)采用种子源加放大器的主振荡器功率放大器(MOPA)结构。第一种单向泵浦光纤激光器腔体结构在腔内有源光纤前段部分存在泵浦功率过高，受激自发辐射严重，温度过高，容易导致光纤非线性效应，产生克尔效应和受激拉曼散射，甚至出现多模振荡，影响了激光器的稳定。第二种双向泵浦光纤激光器腔体结构在腔内有源光纤上泵浦光功率分布和温度均匀性较第一种显著改善，但是由于有源光纤纤芯本身对于正向和反向传输泵浦光的有限吸收，内包层中正向传输和反向传输的泵浦光都存在部分残余泵浦光，这些残余泵浦光将通过正向泵浦信号合束器和反向泵浦信号合束器传输到泵浦光纤，进入泵源，从而对泵源芯片造成干扰和伤害，影响泵源的寿命和光纤激光器的稳定性。第三种MOPA结构的光纤激光器由于分为两级，其电路控制及光路结构都较前两种复杂，在脉冲工作状态下其成本、光束质量和工作稳定性逊于单腔结构的光纤激光器。

现有技术公开的1.CN103579895A，高功率调Q脉冲光纤激光器，所述脉冲型激光器种子部分采用正向泵浦方式产生激光，功率阈值不高。输出装置采用23准直器直接输出，不具备隔离功能，难以实现返回光的抑制。放大级采用合束器端泵方式实现激光放大，焊点较多；泵浦注入较弱、对ASE抑制效果不好。

现有技术公开CN103944056B，一种MOPA结构的声光调Q脉冲光纤激光器；该专利中种子源采用腔内注入泵浦光，谐振腔内焊点较多；放大级采用合束器端泵方式实现激光放大，焊点较多；泵浦注入较弱、对ASE抑制效果不好。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种基于侧面泵浦技术的脉冲光纤激光器，以解决现有技术存在的技术问题，克服现有端泵方案的脉冲光纤激光器的不足，通过采用侧面泵浦光纤搭建全新的脉冲激光器系统，来抑制脉冲激光输出过程中极易出现的ASE以及非线性效应。

本实用新型包括以下技术方案：

一种基于侧面泵浦技术的脉冲光纤激光器包括：种子源产生单元、预放大单元和主放大单元；所述种子源产生单元、预放大单元、主放大单元依次连接；所述种子源产生单元包括谐振腔、声光调制器、和第一合束器；谐振腔包括高反光栅、第一有源光纤和低反输出光栅；所述高反光栅、声光调制器、第一有源光纤、低反输出光栅、第一合束器依次连接。

优选的，LD泵浦源通过第一合束器反向注入到谐振腔中实现激光震荡，使种子源产生单元具备激光产生的能力；谐振腔内，高反光栅与有源纤之间接入声光调制器，通过电驱动器驱动声光调制器对谐振腔内的损耗进行脉冲型调制使得种子源产生单元输出脉冲型激光。

优选的，所述预放大单元包含第二合束器和第二有源光纤；种子光产生单元、第二合束器、第二有源光纤依次连接；当所述脉冲型激光通过第二合束器注入到第二有源光纤中，LD泵浦源同时通过所述第二合束器注入到第二有源光纤中实现脉冲型激光增益放大。

优选的，所述的脉冲光纤激光器还包括用于输出所述二次放大后的脉冲型激光的激光输出头。

优选的，所述主放大单元指的是侧面泵浦光纤；LD泵源注入所述侧面泵浦光纤的泵浦光纤输入端、泵浦光纤输出端，通过侧面泵浦光纤中的第三有源光纤对预放大单元输出的脉冲型激光进行放大。

优选的，所述的脉冲光纤激光器还包括隔离器，所述隔离器设置在第1种情况和/或第2种情况；

第1种情况：隔离器设置在种子源产生单元与预放大单元之间；

第2种情况：隔离器设置在预放大单元与主放大单元之间。

优选的，所述种子源产生单元还包括包层光剥离器，所述包层光剥离器设置第11种情况、第12种情况和/或第13种情况；

第11种情况：包层光剥离器设置在种子源产生单元与靠近种子源产生单元的隔离器之间；

第12种情况：包层光剥离器设置在预放大单元与远离种子源产生单元的隔离器之间；

第13种情况，包层光剥离器设置在主放大单元输出端与激光输出头之间。

优选的，所述高反光栅光纤纤芯直径、低反输出光栅光纤纤芯直径范围是 5-30μm；高反光栅光纤端面直径和低反输出光栅光纤端面直径参数范围是 125-400μm。

优选的，所述侧面泵浦光纤的第三有源光纤为掺杂稀土元素的增益光纤；侧面泵浦光纤的第三有源光纤端面直径范围是250-1000μm；侧面泵浦光纤的第三有源光纤芯范围是15-300μm；侧面泵浦光纤泵浦输入端与输出端纤芯尺寸为105-400μm，侧面泵浦光纤的泵浦输入端端面直径、输出端端面直径尺寸为125-440μm。

优选的，所述LD泵浦源尾纤纤芯范围105-400μm；LD泵浦源尾纤包层范围为125-440μm。

由于采用了上述技术方案，本实用新型具有以下有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型方式的技术方案，下面对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因为不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请实施例提供的侧面泵浦的脉冲光纤激光器分块示意图；

图2为本申请实施例提供的侧面泵浦的脉冲光纤激光器结构示意图；

图3为本申请实施例提供的侧面泵浦光纤结构示意图；

图4是本发明一实施例提供的侧面泵浦光纤截面示意图；

图5(a)、(b)是本发明又一实施例提供的侧面泵浦光纤截面示意图；

图6(a)、(b)是本发明再一实施例提供的侧面泵浦光纤截面示意图。

图标：

1-种子源产生单元 2-预放大单元 3-主放大单元

4-激光输出头 5-高反光栅HR 6-声光调制器AOM

7-驱动电源Driver 8-第一有源光纤 9-低反输出光栅OC

10-第一、第二合束器 11-LD泵浦源 12-包层光剥离器

13-隔离器 14-第二有源光纤 15-侧面泵浦光纤

16-激光输出头 17-一级涂覆层 18-二级涂覆层

151-侧面泵浦光纤中第三有源光纤输入端

152-侧面泵浦光纤中第三有源光纤输出端

153-侧面泵浦光纤中泵浦光纤输入端

154-侧面泵浦光纤中泵浦光纤输出端。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

如图1、2所示，本申请提供一种基于侧面泵浦技术的脉冲光纤激光器，应用于各个需要应用场景，例如；材料表面清洗、激光打孔等方面。

具体的，基于侧面泵浦技术的脉冲光纤激光器包括：种子源产生单元、预放大单元和主放大单元；所述种子源产生单元、预放大单元、主放大单元依次连接；所述种子源产生单元包括谐振腔、声光调制器、和第一合束器；谐振腔包括高反光栅、第一有源光纤和低反输出光栅；所述高反光栅、声光调制器、第一有源光纤、低反输出光栅、第一合束器依次连接。

工作过程：LD泵浦光通过第一合束器输入到谐振腔中实现激光震荡，使种子源产生单元具备激光产生的能力。在谐振腔内，高反光栅与第一有源光纤之间接入声光调制器AOM，通过电驱动器驱动声光调制器对谐振腔内的损耗进行脉冲型调制使得种子源产生单元输出脉冲型激光。

其中，1)声光调制器可以通过驱动电源驱动。

2)第一有源光纤是增益光纤，用以实现激光的产生。第一合束器是具有反向功能的泵浦合束器，防止反向激光损伤。

3)激光输出头是QBH输出头。QBH输出头能耐受＞5000W信号激光输出。

为了详述上述实施例公开的脉冲光纤激光器，所述第三有源光纤纤芯范围15-300μm；第三有源光纤包层最大直径范围250-1000μm。

为了详述上述实施例公开的脉冲光纤激光器，所述第三有源光纤纤芯/包层最大直径15μm/250μm或者20μm/270μm等各种型号的第三有源光纤。

为了详述上述实施例公开的脉冲光纤激光器，所述高反光栅反射率＞99％，低反光栅反射率为10％-30％。高反保护光栅、低反输出光栅是对于特定波长具有一定反射率的光纤光栅，能够将返回的激光反射回去，主要用于保护激光器。

驱动电源驱动声光调制器实现种子源脉冲激光的产生。经过包层光剥离器，将残余的包层光剥离，最终通过隔离器后注入到预放大级中。

为了详述上述实施例公开的脉冲光纤激光器，所述预放大单元包含第二合束器和第二有源光纤；种子光产生单元、第二合束器、第二有源光纤依次连接；当所述脉冲型激光通过第二合束器注入到第二有源光纤中，LD泵浦源同时通过所述第二合束器注入到第二有源光纤中实现脉冲型激光增益放大。

其中，第二有源光纤是增益光纤，用以实现脉冲型激光的预放大。

第二合束器具有反向功能的泵浦合束器，用以提升非线性效应阈值。

为了详述上述实施例公开的脉冲光纤激光器，所述脉冲光纤激光器还包括用于输出所述二次放大后的脉冲型激光的激光输出头。

为了详述上述实施例公开的脉冲光纤激光器，所述主放大单元包括侧面泵浦光纤；LD泵源注入所述侧面泵浦光纤的泵浦光纤输入端(正向泵浦尾纤)、泵浦光纤输出端(反向泵浦尾纤)，通过侧面泵浦光纤的第三有源光纤对预放大单元输出的激光信号进行放大；所述当所述LD泵浦源与侧面泵浦光纤中的泵浦光纤输入端连接，用以达到多路泵源的正向注入；当所述LD泵浦源与侧面泵浦光纤中的泵浦光纤输出端连接，用以达到多路泵源的反向注入；当所述 LD泵浦源同时与侧面泵浦光纤中的泵浦光纤输入端、侧面泵浦光纤中的泵浦光纤输出端连接时，用于实现侧面泵浦光纤双向注入。所述LD泵浦源与侧面泵浦光纤的泵浦光纤输入端、泵浦光纤输出端通过无源光纤连接。

其中，当所述LD泵浦源与侧面泵浦光纤中的泵浦光纤输入端连接，泵浦光注入到泵浦光纤中，泵浦光纤与有源成熔融贴附状态，通过倏逝波耦合的方式将泵浦纤里的泵浦光耦合入有源纤中，用以达到多路泵源的正向注入的过程；

当所述LD泵浦源与侧面泵浦光纤中的泵浦光纤输出端连接，泵浦光注入到泵浦光纤中，泵浦光纤与有源成熔融贴附状态，通过倏逝波耦合的方式将泵浦纤里的泵浦光耦合入有源纤中，用以达到多路泵源的反向注入的过程。

当所述LD泵浦源同时与侧面泵浦光纤中的泵浦光纤输入端、侧面泵浦光纤泵浦光纤输出端连接时，泵浦光注入到泵浦光纤中，泵浦光纤与有源成熔融贴附状态，通过倏逝波耦合的方式将泵浦纤里的泵浦光耦合入有源纤中，用于实现侧面泵浦光纤双向注入的过程。

为了详述上述实施例公开的脉冲光纤激光器，所述侧面泵浦光纤的第三有源光纤为掺杂稀土元素的增益光纤；侧面泵浦光纤的外径范围是250-1000μm；侧面泵浦光纤的纤芯范围是15-3000μm。例如纤芯为稀土元素掺杂的石英玻璃，稀土元素为镱、铒、铥、钬、镨、铷中的至少一种。侧面泵浦中第三有源光纤为掺杂有稀土元素的增益光纤。

为了详述上述实施例公开的脉冲光纤激光器，所述侧面泵浦光纤侧面泵浦光纤具体结构：如图3所述，侧面泵浦光纤具有中部熔接合束区B及位于中部熔接合束区B两端的分开区域A和分开区域C(为双包层或多包层结构。中部熔接合束区B外径为250μm-1000μm，芯区直径为15-300μm。侧面泵浦光纤包括至少一根第三有源光纤和至少一根泵浦光纤，所述泵浦光纤围绕第三有源光纤轴向扭转缠绕并实现侧面熔接，形成侧面泵浦光纤纤芯(指的是第三有源光纤的纤芯)和侧面泵浦光纤(指的是第三有源光纤除过纤芯之外的包层和泵浦光纤的溶解部分、一级涂覆层和二级涂覆层)。所述第三有源光纤包括有源纤芯和有源包层，且所述纤芯的折射率小于包层的折射率；所述泵浦光纤为无芯光纤，所述泵浦光纤的折射率小于或等于第三有源光纤包层的折射率。

进一步的，所述泵浦光纤绕第三有源光纤轴向缠绕并熔接为一体，且其中部熔接合束区设有一级涂覆层和二级涂覆层。一级涂覆层可选用低折射率涂料沿复合功能光纤熔接合束区周向包裹涂覆，二级涂覆层可选用有机涂料沿一级涂覆层外层周向包裹涂覆，纤芯为稀土元素掺杂的石英玻璃，稀土元素为镱、铒、铥、钬、镨、铷中的至少一种。

进一步的，所述第三有源光纤(如图2、3、4和5中的第三有源光纤输入端151和第三有源光纤输出端152，第三有源光纤输入端151与第三有源光纤输出端152是第三有源光纤两端)和泵浦光纤(如图2、3、4、和5中的泵浦光纤输入端153和泵浦光纤输出端154，泵浦光纤输入端153和泵浦光纤输出端154是泵浦光纤两端)的截面形状为圆形或者多边形结构。例如可以为D形、圆形、正六边形、正八边形、正十二边形或梅花形等，可适应多种第三有源光纤和泵浦光纤平整或不平整包层表面结构，均可通过泵浦光纤围绕第三有源光纤轴向扭转缠绕并进行侧面熔接为一体而达到泵浦光纤与第三有源光纤较好的熔融合束效果，降低对第三有源光纤和泵浦光纤包层表面处理要求，其中泵浦光纤为无芯光纤，各泵浦光纤包层折射率无差异。

优点1、本专利中侧面泵浦光纤实现了传统的光纤合束器和第三有源光纤两者的功能，更容易消除熔接合束区中的空气层，实现激光从泵浦光纤到第三有源光纤高效耦合，使其形成为一体，并可有效保证耦合结构的稳定性。

优点2、本专利中侧面泵浦光纤熔接合束区各光纤均匀熔融，泵浦光纤的泵浦光沿第三有源光纤侧向均匀注入热量，以使复合功能光纤注入的泵浦光产生的热量分布更加均匀，单根泵浦臂可实现千瓦级的泵浦注入，并可实现同时双端泵浦，具有更好的实用性。

为了详述上述实施例公开的脉冲光纤激光器，所述脉冲光纤激光器还包括隔离器，所述隔离器设置在第1种情况和/或第2种情况；

第1种情况：隔离器设置在种子源产生单元与预放大单元之间；

第2种情况：隔离器设置在预放大单元与主放大单元之间。

为了详述上述实施例公开的脉冲光纤激光器，所述种子源产生单元还包括包层光剥离器，所述包层光剥离器设置第11种情况、第12种情况和/或第13 种情况；

第11种情况：包层光剥离器设置在种子源产生单元与靠近种子源产生单元的隔离器之间，通过包层剥离器完成包层光剥离最终通过隔离输出头完成激光输出；

第12种情况：包层光剥离器设置在预放大单元与远离种子源产生单元的隔离器之间，通过包层剥离器完成包层光剥离最终通过隔离输出头完成激光输出；

第13种情况，包层光剥离器设置在主放大单元输出端与激光输出头之间，通过包层剥离器完成包层光剥离最终通过隔离输出头完成激光输出。

其中，包层光剥离器能实现500W包层光剥离，信号承受功率＞3000W。

为了详述上述实施例公开的脉冲光纤激光器，所述高反光栅光纤尾纤纤芯直径、低反输出光栅光纤尾纤纤芯直径范围是5-30μm；高反光栅光纤尾纤包层直径和低反输出光栅光纤尾纤包层直径参数范围是125-400μm。

例如：高反光栅光纤纤芯、低反输出光栅光纤纤芯为5μm、6μm、7μm、 8μm、……、28μm、29μm、30μm等以及大于或者小于上述步进的各种纤芯尺寸。高反光栅光纤包层和低反输出光栅包层为125μm、140μm、155μm、……、 355μm、370μm、385μm、400μm等以及大于或者小于上述步进的各种包层尺寸。

为了详述上述实施例公开的脉冲光纤激光器，为了详述上述实施例公开的脉冲光纤激光器，所述LD泵浦源尾纤纤芯范围105-400μm；LD泵浦源尾纤包层范围为125-440μm。LD泵浦源纤芯尺寸小于LD泵浦源包层尺寸。

例如：LD泵浦源纤芯尺寸/LD泵浦源包层尺寸为105μm/125μm、150μ m/180μm、236μm/278μm、300μm/370μm、350μm/400μm、……、400μm/440 μm等以及大于或者小于上述步进的各种包层尺寸各种尺寸。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于侧面泵浦技术的脉冲光纤激光器，其特征在于，包括：种子源产生单元、预放大单元和主放大单元；所述种子源产生单元、预放大单元、主放大单元依次连接；所述种子源产生单元包括谐振腔、声光调制器、和第一合束器；谐振腔包括高反光栅、第一有源光纤和低反输出光栅；所述高反光栅、声光调制器、第一有源光纤、低反输出光栅、第一合束器依次连接。

2.如权利要求1所述的脉冲光纤激光器，其特征在于LD泵浦源通过第一合束器反向注入到谐振腔中实现激光震荡，使种子源产生单元具备激光产生的能力；谐振腔内，高反光栅与第一有源纤之间接入声光调制器，通过电驱动器驱动声光调制器对谐振腔内的损耗进行脉冲型调制使得种子源产生单元输出脉冲型激光。

3.如权利要求1或2所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述预放大单元包含第二合束器和第二有源光纤；种子光产生单元、第二合束器、第二有源光纤依次连接；当所述脉冲型激光通过第二合束器注入到第二有源光纤中，LD泵浦源同时通过所述第二合束器注入到第二有源光纤中实现脉冲型激光增益放大。

4.如权利要求3所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，还包括用于输出二次放大后的脉冲型激光的激光输出头。

5.如权利要求1、2或4所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述主放大单元指的是侧面泵浦光纤；LD泵源注入所述侧面泵浦光纤的泵浦光纤输入端、泵浦光纤输出端，通过侧面泵浦光纤的第三有源光纤对预放大单元输出的脉冲型激光进行放大。

6.如权利要求5所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，还包括隔离器，所述隔离器设置在第1种情况和/或第2种情况；

第1种情况：隔离器设置在种子源产生单元与预放大单元之间；

第2种情况：隔离器设置在预放大单元与主放大单元之间。

7.如权利要求6所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述种子源产生单元还包括包层光剥离器，所述包层光剥离器设置第11种情况、第12种情况和/或第13种情况；

第11种情况：包层光剥离器设置在种子源产生单元与靠近种子源产生单元的隔离器之间；

第12种情况：包层光剥离器设置在预放大单元与远离种子源产生单元的隔离器之间；

第13种情况，包层光剥离器设置在主放大单元输出端与激光输出头之间。

8.如权利要求2所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述高反光栅光纤纤芯直径、低反输出光栅光纤纤芯直径范围是5-30μm；高反光栅光纤端面直径和低反输出光栅光纤端面直径参数范围是125-400μm。

9.如权利要求5所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述侧面泵浦光纤的第三有源光纤为掺杂稀土元素的增益光纤；侧面泵浦光纤的第三有源光纤包层范围是250-1000μm；侧面泵浦光纤的第三有源光纤芯范围是15-300μm；侧面泵浦光纤泵浦输入端与输出端纤芯尺寸为105-400μm，侧面泵浦光纤的泵浦输入端端面直径、输出端端面直径尺寸为125-440μm。

10.如权利要求7所述的脉冲光纤激光器，其特征在于，所述LD泵浦源尾纤纤芯范围105-400μm；LD泵浦源尾纤包层范围为125-440μm。

Images