CN215221262U

CN215221262U - 免制冷大功率拉曼光纤激光系统

Info

Publication number: CN215221262U
Application number: CN202121676917.5U
Authority: CN
Inventors: 姚天甫; 范晨晨; 宋家鑫; 叶俊; 张扬; 马小雅; 冷进勇; 肖虎; 黄良金; 许将明; 刘伟; 周朴
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2021-07-22
Filing date: 2021-07-22
Publication date: 2021-12-17
Anticipated expiration: 2031-07-22

Abstract

一种免制冷大功率拉曼光纤激光系统，包括种子源、泵浦源阵列、泵浦信号合束器、拉曼增益光纤和光纤端帽，所述种子源与泵浦信号合束器的信号输入臂相连；所述泵浦源阵列中的各泵浦源分别接入泵浦信号合束器的各个泵浦输入臂；泵浦信号合束器的输出端与拉曼增益光纤的一端连接，拉曼增益光纤另一端连接光纤端帽，所述拉曼增益光纤、泵浦信号合束器的输出尾纤以及光纤端帽的输出尾纤均采用无稀土掺杂的金属涂覆层无源光纤。基于本实用新型的技术方案，所搭建的大功率拉曼光纤激光器无需制冷，将大大降低系统体积、重量以及复杂性。

Description

免制冷大功率拉曼光纤激光系统

技术领域

本实用新型属于光纤激光器技术领域，具体地涉及一种免制冷大功率拉曼光纤激光系统。

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，由于激光产生和放大过程中量子亏损、光纤吸收等因素，大功率拉曼光纤激光系统中的拉曼增益光纤本身温度随功率提升而升高。不仅如此，不同于掺镱光纤激光器，大功率拉曼光纤激光系统中合束器以及输出端帽等器件的输出尾纤往往选用和拉曼光纤相同的无源光纤，激光产生和放大过程将延续到这些无源光纤中，同样会导致温度提升。为防止激光系统中的热效应导致的亮度退化、功率滞涨以及光纤烧毁等问题，千瓦以上功率输出的拉曼光纤激光系统中的拉曼增益光纤以及器件输出尾纤等均需要主动制冷。主动制冷需要将光纤放置在通水的金属板或金属桶上，同时需要外置水冷机形成冷却流体回路。因此，主动制冷将会大大增加激光系统的复杂性以及体积和重量，从而影响大功率拉曼光纤激光在诸多对体积、重量、复杂性有较高要求领域的实际应用。

实用新型内容

针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型提出了一种免制冷大功率拉曼光纤激光系统。

为实现上述技术目的，本实用新型采用的具体技术方案如下：

一种免制冷大功率拉曼光纤激光系统，包括种子源、泵浦源阵列、泵浦信号合束器、拉曼增益光纤和光纤端帽，所述种子源与泵浦信号合束器的信号输入臂相连；所述泵浦源阵列中的各泵浦源分别接入泵浦信号合束器的各个泵浦输入臂；泵浦信号合束器的输出端与拉曼增益光纤的一端连接，拉曼增益光纤另一端连接光纤端帽，所述拉曼增益光纤、泵浦信号合束器的输出尾纤以及光纤端帽的输出尾纤均采用无稀土掺杂的金属涂覆层无源光纤。

进一步地，所述泵浦信号合束器的输出光纤采用与光纤端帽的输出光纤相同的无稀土掺杂的金属涂覆层光纤。

本实用新型中，所述种子源可以是半导体激光器、掺镱光纤激光器、拉曼光纤激光器。所述种子源其波长范围位于泵浦源阵列对应的一阶拉曼光增益谱内，例如频移13.2THz，对应的是石英拉曼增益光纤的最大拉曼增益系数。

本实用新型中，泵浦源阵列包括多个泵浦源，泵浦源采用半导体激光器或光纤激光器，泵浦源的中心波长在0.9至1.1微米范围内，例如，915-975nm，1018-1080nm。

本实用新型中，泵浦信号合束器为端泵合束器或者侧泵合束器。所述泵浦信号合束器的输出尾纤采用拉曼增益光纤相同的无稀土掺杂的金属涂覆层光纤纤。

本实用新型所述拉曼增益光纤、泵浦信号合束器的输出尾纤以及光纤端帽的输出尾纤所采用的金属涂覆层无源光纤的纤芯折射率分布呈抛物线形，即纤芯折射率与径向距离成平方律关系，随着径向距离的增大，折射率逐渐减小。

进一步地，本实用新型所采用的这种纤芯渐变折射率的无稀土掺杂的金属涂覆层无源光纤的纤芯尺寸任意，可以选用普通商用渐变折射率光纤，例如，纤芯直径为50微米、62.5微米或100微米。

本实用新型中，所述拉曼增益光纤、泵浦信号合束器的输出尾纤以及光纤端帽的输出尾纤所采用的金属涂覆层无源光纤是单包层金属涂覆层无源光纤，也可以是双包层金属涂覆层无源光纤或者三包层金属涂覆层无源光纤。进一步地，无稀土掺杂的双包层金属涂覆层无源光纤或者三包层金属涂覆层无源光纤可以是具有长波滤除功能的大模场光纤，即在纤芯与包层交界区域存在低折射率沟壑，如W型光纤、单个沟壑、多个沟壑型光纤等。

进一步地，采用无稀土掺杂的双包层金属涂覆层无源光纤或者三包层金属涂覆层无源光纤作为泵浦信号合束器的输出尾纤时，其输出的泵浦激光在光纤内包层中传输。

本实用新型还提供一种形式的免制冷大功率拉曼光纤激光系统，包括泵浦源阵列、泵浦合束器、一对光纤光栅、拉曼增益光纤和光纤端帽，泵浦源阵列中的各泵浦源分别接入泵浦合束器的各个泵浦输入臂；泵浦合束器的输出端与第一光纤光栅的输入端相连，第一光纤光栅的输出端与拉曼增益光纤的一端连接，拉曼增益光纤另一端连接第二光纤光栅的输入端，形成振荡器结构，第二光纤光栅的输出端连接光纤端帽，所述拉曼增益光纤、泵浦合束器的输出尾纤以及光纤端帽的输出尾纤均采用无稀土掺杂的金属涂覆层无源光纤。

为降低系统体积、重量以及复杂性，已有相关研究报道了将金属涂覆层光纤作为增益光纤的免制冷大功率掺镱光纤激光系统。常规光纤的涂覆层材料一般为聚合物，熔点低于100摄氏度，且热导率低。金属涂覆层光纤不同于常规光纤，其涂覆层材料为金属材料，通常为铝、铜或者金，具有熔点高以及热导率高的优点。然而，由于特殊的涂覆工艺，金属涂覆层掺镱光纤暂无商用产品，普通研究人员无法获取。另一方面，无稀土掺杂的金属涂覆层无源光纤拉制和金属涂覆工艺成熟，已有多种商用产品并广泛应用于传感领域。因此，利用无稀土掺杂的金属涂覆层无源光纤作为拉曼增益介质，能够实现免制冷的大功率拉曼光纤激光输出。本实用新型的有益效果如下：

1、本实用新型利用无稀土掺杂的金属涂覆层无源光纤作为拉曼增益光纤、泵浦信号合束器的输出尾纤以及光纤端帽的输出尾纤，最终实现免制冷的大功率拉曼光纤激光输出。

2、进一步地，所述泵浦信号合束器和光纤端帽的输出光纤和拉曼增益光纤均为相同的无稀土掺杂的金属涂覆层光纤。这样能够同时降低以上光纤器件尾纤中的拉曼增益所导致大量的热，以及熔接点的模场失配以保持激光亮度。

3、基于本实用新型的技术方案，所搭建的大功率拉曼光纤激光器无需制冷，将大大降低系统体积、重量以及复杂性。

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是一实施例免制冷大功率拉曼光纤激光系统的结构示意图；

图2是一实施例中端泵泵浦信号合束器其拉锥光纤束的结构示意图；

图3是一实施例中端泵泵浦信号合束器其拉锥光纤束的结构示意图；

图4是一实施例中侧泵泵浦信号合束器的结构示意图；

图5是无稀土掺杂金属涂覆层光纤横截面示意图；

图6是一实施例免制冷大功率拉曼光纤激光系统的结构示意图；

图中标号：

1、种子源；2、泵浦源阵列；3、泵浦信号合束器；4、拉曼增益光纤；5、光纤端帽；6、拉锥光纤束中心的输入臂；7、输送光纤；8、无稀土掺杂纤芯；9、无稀土掺杂包层；10、金属涂覆层；11、泵浦合束器；12、第一光纤光栅；13、第二光纤光栅。

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。

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。

实施例1：

参照图1，本实施例提供一种免制冷大功率拉曼光纤激光系统，包括种子源1、泵浦源阵列2、泵浦信号合束器3、拉曼增益光纤4和光纤端帽5。所述种子源1与泵浦信号合束器3的信号输入臂相连；所述泵浦源阵列2包括多个泵浦源，泵浦源采用半导体激光器或光纤激光器。泵浦源阵列2中的各泵浦源分别接入泵浦信号合束器3的各个泵浦输入臂；泵浦信号合束器3的输出尾纤与拉曼增益光纤4的一端连接，拉曼增益光纤4另一端连接光纤端帽5。所述拉曼增益光纤4、泵浦信号合束器3的输出尾纤以及光纤端帽5的输出尾纤均采用无稀土掺杂的金属涂覆层无源光纤。

实施例2：

一种免制冷大功率拉曼光纤激光系统，包括种子源1、泵浦源阵列2、泵浦信号合束器3、拉曼增益光纤4和光纤端帽5。所述种子源1与泵浦信号合束器3的信号输入臂相连；所述泵浦源阵列2包括多个泵浦源，泵浦源采用半导体激光器或光纤激光器。泵浦源阵列2中的各泵浦源分别接入泵浦信号合束器3的各个泵浦输入臂；泵浦信号合束器3的输出尾纤与拉曼增益光纤4的一端连接，拉曼增益光纤4另一端连接光纤端帽5。所述拉曼增益光纤4、泵浦信号合束器3的输出尾纤均采用光纤端帽5的输出尾纤相同的无稀土掺杂的金属涂覆层光纤。

上述实施例中，种子源1的类型不限，其波长范围位于泵浦源阵列对应的一阶拉曼光增益谱内，例如频移13.2THz，对应的是石英拉曼增益光纤的最大拉曼增益系数。

上述实施例中，泵浦源的中心波长在0.9至1.1微米范围内，例如，915-975nm，1018-1080nm。

泵浦信号合束器3可以采用端泵泵浦信号合束器。如图2和图3所示，给出了两种形式的端泵泵浦信号合束器其拉锥光纤束的结构示意图。在图2和图3所示的端泵泵浦信号合束器中，位于拉锥光纤束中心的输入臂6为信号臂，其余位于信号臂外围的均为泵浦输入臂，其中图2中泵浦输入臂数目为6，图3中泵浦输入臂数目为18。种子源1与信号臂相连，各泵浦源分别对应连接各个泵浦输入臂，经过泵浦信号合束器3输出，光束质量因子M²的退化比例尽可能小，例如，退化比例小于等于50％。

泵浦信号合束器3可以采用侧泵泵浦信号合束器。如图4所示，为一实施例中的侧泵泵浦信号合束器的结构示意图。在侧泵泵浦信号合束器中，输送光纤7为信号臂，其余位于信号臂侧边均为泵浦输入臂，种子源与信号臂相连，各泵浦源分别对应连接各个泵浦输入臂，经过泵浦信号合束器输出，光束质量因子M²的退化比例尽可能小，例如，退化比例小于等于50％。

本实用新型一实施例提供的免制冷大功率拉曼光纤激光系统中：拉曼增益光纤4、泵浦信号合束器3的输出尾纤以及光纤端帽5的输出光纤的纤芯折射率分布呈抛物线形，即纤芯折射率与径向距离成平方律关系，随着径向距离的增大，折射率逐渐减小。进一步地，渐变折射率光纤的纤芯尺寸任意，可以选用普通商用渐变折射率光纤，例如，纤芯直径为50微米、62.5微米或100微米。

本实用新型一实施例提供的免制冷大功率拉曼光纤激光系统中：所述拉曼增益光纤、泵浦信号合束器的输出尾纤以及光纤端帽的输出尾纤所采用的金属涂覆层无源光纤是单包层金属涂覆层无源光纤，也可以是双包层金属涂覆层无源光纤或者三包层金属涂覆层无源光纤。进一步地，双包层金属涂覆层无源光纤或者三包层金属涂覆层无源光纤可以是具有长波滤除功能的大模场光纤，即在纤芯与包层交界区域存在低折射率沟壑，如W型光纤、单个沟壑、多个沟壑型光纤等。进一步地，采用无稀土掺杂的双包层金属涂覆层无源光纤或者三包层金属涂覆层无源光纤作为泵浦信号合束器的输出尾纤时，其输出的泵浦激光在光纤内包层中传输。

参照图5，上述实施例中采用的无稀土掺杂的金属涂覆层无源光纤，包括无稀土掺杂纤芯8、无稀土掺杂包层9和金属涂覆层10，无稀土掺杂纤芯8的外侧依次包覆有无稀土掺杂包层9和金属涂覆层10，金属涂覆层10所采用的材料可以是铝、铜、金等。

参照图6，本实用新型一实施例中提供一种免制冷大功率拉曼光纤激光系统，包括泵浦源阵列2、泵浦合束器11、第一光纤光栅12、拉曼增益光纤4、第二光纤光栅13和光纤端帽5，泵浦源阵列2中的各泵浦源分别接入泵浦合束器11的各个泵浦输入臂；泵浦合束器11的输出端与第一光纤光栅12的输入端相连，第一光纤光栅12的输出端与拉曼增益光纤4的一端连接，拉曼增益光纤4另一端连接第二光纤光栅13的输入端，形成振荡器结构，第二光纤光栅13的输出端连接光纤端帽5，所述拉曼增益光纤4、泵浦合束器11的输出尾纤以及光纤端帽5的输出尾纤均采用同一种无稀土掺杂的金属涂覆层无源光纤。

综上所述，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本实用新型的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种免制冷大功率拉曼光纤激光系统，其特征在于，包括种子源、泵浦源阵列、泵浦信号合束器、拉曼增益光纤和光纤端帽，所述种子源与泵浦信号合束器的信号输入臂相连；所述泵浦源阵列中的各泵浦源分别接入泵浦信号合束器的各个泵浦输入臂；泵浦信号合束器的输出端与拉曼增益光纤的一端连接，拉曼增益光纤另一端连接光纤端帽，所述拉曼增益光纤、泵浦信号合束器的输出尾纤以及光纤端帽的输出尾纤均采用无稀土掺杂的金属涂覆层无源光纤。

2.根据权利要求1所述的免制冷大功率拉曼光纤激光系统，其特征在于：所述泵浦信号合束器的输出尾纤采用与光纤端帽的输出尾纤相同的无稀土掺杂的金属涂覆层光纤。

3.根据权利要求1所述的免制冷大功率拉曼光纤激光系统，其特征在于：所述泵浦信号合束器为端泵合束器或者侧泵合束器。

4.根据权利要求3所述的免制冷大功率拉曼光纤激光系统，其特征在于：所述泵浦信号合束器的输出尾纤采用拉曼增益光纤相同的无稀土掺杂的金属涂覆层光纤。

5.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的免制冷大功率拉曼光纤激光系统，其特征在于：所述种子源是半导体激光器、掺镱光纤激光器或者拉曼光纤激光器，种子源其波长范围位于泵浦源阵列对应的一阶拉曼光增益谱内。

6.根据权利要求5所述的免制冷大功率拉曼光纤激光系统，其特征在于：泵浦源阵列包括多个泵浦源，泵浦源采用半导体激光器或光纤激光器，泵浦源的中心波长在0.9至1.1微米范围内。

7.根据权利要求1所述的免制冷大功率拉曼光纤激光系统，其特征在于：所述拉曼增益光纤、泵浦信号合束器的输出尾纤以及光纤端帽的输出尾纤所采用金属涂覆层无源光纤的纤芯折射率分布呈抛物线形。

8.根据权利要求1所述的免制冷大功率拉曼光纤激光系统，其特征在于：所述拉曼增益光纤、泵浦信号合束器的输出尾纤以及光纤端帽的输出尾纤所采用的金属涂覆层无源光纤是单包层金属涂覆层无源光纤。

9.根据权利要求1所述的免制冷大功率拉曼光纤激光系统，其特征在于：所述拉曼增益光纤、泵浦信号合束器的输出尾纤以及光纤端帽的输出尾纤所采用的金属涂覆层无源光纤是双包层金属涂覆层无源光纤或者三包层金属涂覆层无源光纤。

10.免制冷大功率拉曼光纤激光系统，其特征在于：包括泵浦源阵列、泵浦合束器、一对光纤光栅、拉曼增益光纤和光纤端帽，泵浦源阵列中的各泵浦源分别接入泵浦合束器的各个泵浦输入臂；泵浦合束器的输出端与第一光纤光栅的输入端相连，第一光纤光栅的输出端与拉曼增益光纤的一端连接，拉曼增益光纤另一端连接第二光纤光栅的输入端，形成振荡器结构，第二光纤光栅的输出端连接光纤端帽，所述拉曼增益光纤、泵浦合束器的输出尾纤以及光纤端帽的输出尾纤均采用无稀土掺杂的金属涂覆层无源光纤。