CN215221260U - 高功率拉曼光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供高功率拉曼光纤激光器，通过在泵浦激光器、种子激光器的输出尾纤上熔接高功率回光隔离器，防止后向回光返回泵浦激光器或种子激光器，保护泵浦激光器、种子激光器。同时通过高功率回光隔离器隔离后向回光，不仅保护泵浦激光器，还能够稳定输入的泵浦模式和时域特性，继而抑制高阶拉曼和模式不稳定性。

Description

高功率拉曼光纤激光器

技术领域

本实用新型涉及激光光纤技术领域，尤其涉及一种高功率拉曼光纤激光器。

背景技术

受激拉曼散射作为一种重要的非线性效应，因其在波长转换、亮度提升等方面存在巨大的优势而备受关注。与掺稀土离子光纤激光器相比，基于受激拉曼散射的拉曼光纤激光器在波长选择方面更加灵活，且具有增益高、自发辐射噪声低以及热分布均匀等优点，有望成为新一代大功率激光输出的有效技术方案。目前，大功率拉曼光纤激光系统已实现数千瓦级功率输出。然而，随着输出功率的增加，由于纤芯中功率密度过高，导致四波混频、高阶拉曼效应等非线性效应与热效应产生，两者相互作用，导致输出功率迅速下降以及输出光束质量严重退化。此外，由于高阶拉曼效应导致后向回光增多，后向回光造成的影响主要有以下几个方面：一、与前向光相互影响形成折射率光栅，导致高阶模成分增多以至于产生模式不稳定；二、后向回光在泵浦激光器中进一步放大，导致泵浦激光器功率下降以及泵浦光束质量退化；三、极端情况下，放大的回光功率过高将导致泵浦激光器内部出现放电现象，从而出现烧毁炸裂等严重后果。因此，后向回光防护是高功率光纤激光器的研制关键技术之一。然而，目前拉曼光纤激光器尚未针对泵浦激光器的后向回光隔离相关研究，功率提升过程中泵浦激光器系统等同处于“裸奔”状态，十分危险。

目前，高功率激光器的后向回光隔离仅针对于放大器的种子源，且均基于分立的光学元件，插入损耗大，且承受功率仅为数十瓦，无法满足百瓦级以上泵浦源的后向回光隔离需求。

实用新型内容

针对现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种高功率拉曼光纤激光器。

为实现上述技术目的，本实用新型提出的技术方案为：

高功率拉曼光纤激光器，包括泵浦激光器、高功率回光隔离器、第一光纤光栅、增益光纤、第二光纤光栅以及输出端帽，泵浦激光器的输出尾纤熔接有高功率回光隔离器，所述高功率回光隔离器的另一端与刻写有第一光纤光栅的输入光纤熔接，第一光纤光栅之后依次连接增益光纤、第二光纤光栅以及输出端帽。

进一步地，所述高功率回光隔离器为锥形光纤，其中锥形光纤口径小的细端与泵浦激光器的输出尾纤熔接，锥形光纤口径小的粗端与刻写有第一光纤光栅的输入光纤熔接。这种具有拉锥比的锥形光纤，具有方向敏感性，泵浦激光从锥形光纤细端注入，从粗端输出，正向传输无损耗。当后向回光返回锥形光纤时，从粗端注入，从细端输出。当锥形光纤拉锥比足够大，将使得后向传输损耗增加，从而实现后向回光隔离作用。

进一步地，所述高功率回光隔离器为全固态微结构光纤，包括纤芯和微结构包层，所述纤芯为固态纤芯，微结构包层包覆在纤芯的外围，所述微结构包层包括位于正六边形点阵中的锗棒以及固态基底，正六边形点阵由内至外分布有多层，正六边形点阵中任意两相邻点的中心间距Λ相等，纤芯位于正六边形点阵的中心位置，多根锗棒呈稀疏结构排布在各层正六边形点阵上，其中锗棒之间填充有固态基底。利用其微结构包层结构本身产生的光子带隙效应直接在泵浦波长表现为低限制损耗，而在拉曼信号光表现为高限制损耗，无须借助弯曲、刻写倾斜光栅等其他技术手段就可具备天然的后向回光隔离效果。

高功率拉曼光纤激光器，包括多个泵浦激光器、多个高功率回光隔离器、泵浦合束器、第一光纤光栅、增益光纤、第二光纤光栅以及输出端帽，各泵浦激光器的输出尾纤均熔接有高功率回光隔离器，所述高功率回光隔离器的另一端与泵浦合束器的一输入光纤熔接，泵浦合束器的输出尾纤与刻写有第一光纤光栅的输入光纤熔接，第一光纤光栅之后依次连接增益光纤、第二光纤光栅以及输出端帽。

进一步地，所述高功率回光隔离器为锥形光纤，其中锥形光纤口径小的细端与泵浦激光器的输出尾纤熔接，锥形光纤口径小的粗端与泵浦合束器的一输入光纤熔接。

进一步地，所述高功率回光隔离器为全固态微结构光纤，包括纤芯和微结构包层，所述纤芯为固态纤芯，微结构包层包覆在纤芯的外围，所述微结构包层包括位于正六边形点阵中的锗棒以及固态基底，正六边形点阵由内至外分布有多层，正六边形点阵中任意两相邻点的中心间距Λ相等，纤芯位于正六边形点阵的中心位置，多根锗棒呈稀疏结构排布在各层正六边形点阵上，其中锗棒之间填充有固态基底。

高功率拉曼光纤激光器，包括种子激光器、泵浦激光器、高功率回光隔离器、泵浦信号合束器、增益光纤以及输出端帽，种子激光器的输出尾纤熔接有高功率回光隔离器，泵浦激光器的输出尾纤熔接有高功率回光隔离器，所述高功率回光隔离器的另一端与泵浦信号合束器的一输入光纤熔接，泵浦信号合束器的输出尾纤与增益光纤的一端熔接，增益光纤的另一端熔接输出端帽。

进一步地，所述高功率回光隔离器为锥形光纤，其中锥形光纤口径小的细端与泵浦激光器或种子激光器的输出尾纤熔接，锥形光纤口径小的粗端与泵浦信号合束器的一输入光纤熔接。这种具有拉锥比的锥形光纤，具有方向敏感性，泵浦激光或者种子激光从锥形光纤细端注入，从粗端输出，正向传输无损耗。当后向回光返回锥形光纤时，从粗端注入，从细端输出。当锥形光纤拉锥比足够大，将使得后向传输损耗增加，从而实现后向回光隔离作用。

进一步地，所述高功率回光隔离器为全固态微结构光纤，包括纤芯和微结构包层，所述纤芯为固态纤芯，微结构包层包覆在纤芯的外围，所述微结构包层包括位于正六边形点阵中的锗棒以及固态基底，正六边形点阵由内至外分布有多层，正六边形点阵中任意两相邻点的中心间距Λ相等，纤芯位于正六边形点阵的中心位置，多根锗棒呈稀疏结构排布在各层正六边形点阵上，其中锗棒之间填充有固态基底。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

本实用新型利用高功率回光隔离器实现后向回光隔离，能够抑制高阶拉曼效应以及模式不稳定抑制，可实现高功率准单模拉曼激光输出。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例1的结构示意图；

图2是本实用新型实施例2的结构示意图；

图3是本实用新型实施例3的结构示意图；

图4是本实用新型提供的第一种结构的高功率回光隔离器的结构示意图；

图5是本实用新型提供的第二种结构的高功率回光隔离器的结构示意图；

本实用新型目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；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，除非另有明确的限定。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。

另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

参照图1，本实用新型实施例1提供一种高功率拉曼光纤激光器，包括泵浦激光器1、高功率回光隔离器2、第一光纤光栅3、增益光纤4、第二光纤光栅5以及输出端帽6，泵浦激光器1的输出尾纤熔接有高功率回光隔离器2，所述高功率回光隔离器2的另一端与刻写有第一光纤光栅3的输入光纤熔接，第一光纤光栅3之后依次连接增益光纤4、第二光纤光栅5以及输出端帽6。

参照图4，本实用新型实施例1可以采用这种结构的高功率回光隔离器。所述高功率回光隔离器2为锥形光纤，其中锥形光纤口径小的细端201与泵浦激光器1的输出尾纤熔接，锥形光纤口径小的粗端202与刻写有第一光纤光栅3的输入光纤熔接。这种具有拉锥比的锥形光纤，具有方向敏感性，泵浦激光从锥形光纤细端注入，从粗端输出，正向传输无损耗。当后向回光返回锥形光纤时，从粗端注入，从细端输出。当锥形光纤拉锥比足够大，将使得后向传输损耗增加，从而实现后向回光隔离作用。

参照图5，本实用新型实施例1也可以采用这种结构的高功率回光隔离器。所述高功率回光隔离器2为全固态微结构光纤，包括纤芯203和微结构包层204，所述纤芯203为固态纤芯，微结构包层204包覆在纤芯203的外围，所述微结构包层包括位于正六边形点阵中的锗棒205以及固态基底206，正六边形点阵由内至外分布有多层，正六边形点阵中任意两相邻点的中心间距Λ相等，纤芯203位于正六边形点阵的中心位置，多根锗棒205呈稀疏结构排布在各层正六边形点阵上，其中锗棒205之间填充有固态基底206，所有锗棒205的直径尺寸完全相同，直径为d。利用其微结构包层结构本身产生的光子带隙效应直接在泵浦波长表现为低限制损耗，而在拉曼信号光表现为高限制损耗，无须借助弯曲、刻写倾斜光栅等其他技术手段就可具备天然的后向回光隔离效果。

图4和图5所提供的高功率回光隔离器，起到隔离作用，对前向(正向)光插损低，后向光插损高比前向高30dB以上；由于滤除器为全光纤结构，不含有分立光学元件，可以承受百瓦级以上功率传输。在高功率拉曼光纤激光器的泵浦激光器输出尾纤上熔接所述全光纤结构高功率回光隔离器将后向回光进行滤除，防止后向回光返回泵浦激光器，保护泵浦激光器。

参照图2，本实用新型实施例2提供一种高功率拉曼光纤激光器，包括多个泵浦激光器1、多个高功率回光隔离器2、泵浦合束器7、第一光纤光栅3、增益光纤4、第二光纤光栅5以及输出端帽6，各泵浦激光器1的输出尾纤均熔接有高功率回光隔离器2，所述高功率回光隔离器2的另一端与泵浦合束器7的一输入光纤熔接，泵浦合束器7的输出尾纤与刻写有第一光纤光栅3的输入光纤熔接，第一光纤光栅3之后依次连接增益光纤4、第二光纤光栅5以及输出端帽6。

本实用新型实施例2可以采用图4所示结构的高功率回光隔离器，高功率回光隔离器2为锥形光纤，其中锥形光纤口径小的细端201与泵浦激光器1的输出尾纤熔接，锥形光纤口径小的粗端202与泵浦合束器7的一输入光纤熔接。这种具有拉锥比的锥形光纤，具有方向敏感性，泵浦激光从锥形光纤细端注入，从粗端输出，正向传输无损耗。当后向回光返回锥形光纤时，从粗端注入，从细端输出。当锥形光纤拉锥比足够大，将使得后向传输损耗增加，从而实现后向回光隔离作用。

本实用新型实施例2也可以采用图5所示的结构的高功率回光隔离器。

参照图3，本实用新型实施例3提供一种高功率拉曼光纤激光器，包括种子激光器8、泵浦激光器1、高功率回光隔离器2、泵浦信号合束器9、增益光纤4以及输出端帽6，种子激光器8的输出尾纤熔接有高功率回光隔离器2，泵浦激光器1的输出尾纤熔接有高功率回光隔离器2，所述高功率回光隔离器2的另一端与泵浦信号合束器9的一输入光纤熔接，泵浦信号合束器9的输出尾纤与增益光纤4的一端熔接，增益光纤4的另一端熔接输出端帽6。

本实用新型实施例3可以采用图4所示结构的高功率回光隔离器，所述高功率回光隔离器2为锥形光纤，其中锥形光纤口径小的细端201与泵浦激光器1或种子激光器8的输出尾纤熔接，锥形光纤口径小的粗端202与泵浦信号合束器9的一输入光纤熔接。这种具有拉锥比的锥形光纤，具有方向敏感性，泵浦激光或者种子激光从锥形光纤细端注入，从粗端输出，正向传输无损耗。当后向回光返回锥形光纤时，从粗端注入，从细端输出。当锥形光纤拉锥比足够大，将使得后向传输损耗增加，从而实现后向回光隔离作用。

本实用新型实施例3也可以采用图5所示的结构的高功率回光隔离器。

图4和图5所提供的高功率回光隔离器，起到隔离作用，对前向(正向)光插损低，后向光插损高比前向高30dB以上；由于滤除器为全光纤结构，不含有分立光学元件，可以承受百瓦级以上功率传输。在高功率拉曼光纤激光器的泵浦激光器输出尾纤上熔接所述全光纤结构高功率回光隔离器将后向回光进行滤除，防止后向回光返回泵浦激光器，保护泵浦激光器。高功率回光隔离器同样可以熔接在高功率拉曼光纤放大器的种子激光器输出尾纤上，防止后向回光返回种子激光器，保护种子激光器。

上述任一实施例中提供的高功率拉曼光纤激光器中的增益光纤可以为无掺杂稀土元素的渐变折射率光纤，纤芯折射率分布为抛物线型，典型的纤芯直径包括50、62.5、100微米等，纤芯最大折射率对应的数值孔径范围为0.1至0.3.

上述任一实施例中提供的高功率拉曼光纤激光器中的增益光纤可以为无掺杂稀土元素的双包层或三包层结构光纤。

本实用新型图4以及图5所示结构的高功率回光隔离器，可用于其他类型激光器中，包括但不限于掺杂光纤激光器、随机光纤激光器、混合增益光纤激光器等，还可适用于激光器应用过程中的回光防护。

本实用新型上述方案基于的原理是：后向回光导致高阶拉曼以及模式不稳定的物理机理为：由于拉曼散射产生的拉曼光可以在前向、和后向两个方向传输，其中对于前向泵浦方式，与泵浦光传输方向相同前向拉曼光的入射功率较高，受激拉曼散射导致的拉曼增益占优，经激光器放大后从输出端输出。相比于前向拉曼光，后向拉曼光的入射功率基本为零，主要为自发辐射产生，且带宽较宽。对于振荡器结构，后向自发拉曼的带宽超过高反光栅带宽的光谱部分将反向传输回泵浦激光器；或者对于放大器结构，没有隔离后向自发拉曼的器件，后向回光基本上将全部传输至泵浦激光器中。

当泵浦能量密度较高时，后向拉曼光能量相应增加，返回至泵浦激光器后，作为种子，将导致泵浦激光中产生受激拉曼散射，一方面导致泵浦激光输出功率下降，另一方面，与拉曼噪声相互叠加将导致泵浦激光出现模式不稳定性，使得输出泵浦模式以及时域特性发生改变，导致由其泵浦的拉曼光纤激光器中高阶模式增加、四波混频等其他非线性效应阈值降低，从而产生高阶拉曼并伴随输出模式的不稳定。因此，通过隔离后向回光，不仅保护泵浦激光器，还能够稳定输入的泵浦模式和时域特性，继而抑制高阶拉曼和模式不稳定性。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.高功率拉曼光纤激光器，其特征在于：包括泵浦激光器、高功率回光隔离器、第一光纤光栅、增益光纤、第二光纤光栅以及输出端帽，泵浦激光器的输出尾纤熔接有高功率回光隔离器，所述高功率回光隔离器的另一端与刻写有第一光纤光栅的输入光纤熔接，第一光纤光栅之后依次连接增益光纤、第二光纤光栅以及输出端帽。

2.根据权利要求1所述的高功率拉曼光纤激光器，其特征在于：所述高功率回光隔离器为锥形光纤，其中锥形光纤口径小的细端与泵浦激光器的输出尾纤熔接，锥形光纤口径小的粗端与刻写有第一光纤光栅的输入光纤熔接。

3.根据权利要求1所述的高功率拉曼光纤激光器，其特征在于：所述高功率回光隔离器为全固态微结构光纤，包括纤芯和微结构包层，所述纤芯为固态纤芯，微结构包层包覆在纤芯的外围，所述微结构包层包括位于正六边形点阵中的锗棒以及固态基底，正六边形点阵由内至外分布有多层，正六边形点阵中任意两相邻点的中心间距Λ相等，纤芯位于正六边形点阵的中心位置，多根锗棒呈稀疏结构排布在各层正六边形点阵上，其中锗棒之间填充有固态基底。

4.根据权利要求1所述的高功率拉曼光纤激光器，其特征在于：增益光为无掺杂稀土元素的双包层或三包层结构光纤。

5.高功率拉曼光纤激光器，其特征在于：包括多个泵浦激光器、多个高功率回光隔离器、泵浦合束器、第一光纤光栅、增益光纤、第二光纤光栅以及输出端帽，各泵浦激光器的输出尾纤均熔接有高功率回光隔离器，所述高功率回光隔离器的另一端与泵浦合束器的一输入光纤熔接，泵浦合束器的输出尾纤与刻写有第一光纤光栅的输入光纤熔接，第一光纤光栅之后依次连接增益光纤、第二光纤光栅以及输出端帽。

6.根据权利要求5所述的高功率拉曼光纤激光器，其特征在于：所述高功率回光隔离器为锥形光纤，其中锥形光纤口径小的细端与泵浦激光器的输出尾纤熔接，锥形光纤口径小的粗端与泵浦合束器的一输入光纤熔接。

7.根据权利要求6所述的高功率拉曼光纤激光器，其特征在于：所述高功率回光隔离器为全固态微结构光纤，包括纤芯和微结构包层，所述纤芯为固态纤芯，微结构包层包覆在纤芯的外围，所述微结构包层包括位于正六边形点阵中的锗棒以及固态基底，正六边形点阵由内至外分布有多层，正六边形点阵中任意两相邻点的中心间距Λ相等，纤芯位于正六边形点阵的中心位置，多根锗棒呈稀疏结构排布在各层正六边形点阵上，其中锗棒之间填充有固态基底。

8.高功率拉曼光纤激光器，其特征在于：包括种子激光器、泵浦激光器、高功率回光隔离器、泵浦信号合束器、增益光纤以及输出端帽，种子激光器的输出尾纤熔接有高功率回光隔离器，泵浦激光器的输出尾纤熔接有高功率回光隔离器，所述高功率回光隔离器的另一端与泵浦信号合束器的一输入光纤熔接，泵浦信号合束器的输出尾纤与增益光纤的一端熔接，增益光纤的另一端熔接输出端帽。

9.根据权利要求8所述的高功率拉曼光纤激光器，其特征在于：所述高功率回光隔离器为锥形光纤，其中锥形光纤口径小的细端与泵浦激光器或种子激光器的输出尾纤熔接，锥形光纤口径小的粗端与泵浦信号合束器的一输入光纤熔接。

10.根据权利要求8所述的高功率拉曼光纤激光器，其特征在于：所述高功率回光隔离器为全固态微结构光纤，包括纤芯和微结构包层，所述纤芯为固态纤芯，微结构包层包覆在纤芯的外围，所述微结构包层包括位于正六边形点阵中的锗棒以及固态基底，正六边形点阵由内至外分布有多层，正六边形点阵中任意两相邻点的中心间距Λ相等，纤芯位于正六边形点阵的中心位置，多根锗棒呈稀疏结构排布在各层正六边形点阵上，其中锗棒之间填充有固态基底。

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