CN216055666U - 功率放大器及高峰值脉冲光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种功率放大器及高峰值脉冲光纤激光器。功率放大器包括：信号源、至少两个泵浦源、双包层合束器、双包层增益光纤、石英端帽和球面反射镜。信号光注入双包层合束器的纤芯，泵浦光注入双包层合束器的内包层。双包层增益光纤吸收泵浦光，并对信号光进行放大。石英端帽将残余泵浦光导出至双包层增益光纤之外。球面反射镜将未完全吸收的泵浦光反射回双包层增益光纤，进行二次泵浦。球面反射镜还用于将放大的信号光导出。功率放大器中球面反射镜的设置，可有效的缩短光纤长度，抑制受激拉曼散射效应。

Description

功率放大器及高峰值脉冲光纤激光器

技术领域

本申请涉及光纤激光器技术领域，具体涉及一种功率放大器及高峰值脉冲光纤激光器。

背景技术

脉冲光纤激光器因其高灵活性、免维护、低能耗、高光束质量等优势，广泛应用于材料表面加工，薄金属切割/焊接等应用领域。目前脉冲光纤激光器通常采用脉冲种子源加光纤放大器的结构，其中光纤放大器可以为一级或者多级放大。最后一级的光纤放大器直接决定光纤激光器输出特性，由于光纤非线性效应的影响，光纤激光器脉冲能量受限，其中受激拉曼散射(SRS)效应对脉冲能量提升起到至关重要的限制作用。

全光纤的脉冲光纤激光器中，由于多个器件均需光纤耦合，使得激光脉冲经过的光纤长度过长，SRS效应难以抑制，最终导致输出脉冲能量受限。

实用新型内容

有鉴于此，本申请提供一种功率放大器及高峰值脉冲光纤激光器，可有效的缩短光纤长度，有效抑制受激拉曼散射效应。

一种功率放大器，包括：

信号源，用于提供信号光；

至少两个泵浦源，用于提供泵浦光；

双包层合束器，与所述信号源通过双包层信号光纤连接，以使得信号光通过所述双包层信号光纤注入所述双包层合束器的纤芯；所述双包层合束器与所述泵浦源通过泵浦光纤连接，以使得泵浦光通过所述泵浦光纤注入所述双包层合束器的内包层；

双包层增益光纤，与所述双包层合束器通过双包层无源光纤熔接；所述双包层增益光纤吸收泵浦光，并对信号光进行放大；

石英端帽，与所述双包层增益光纤熔接，用于将所述双包层增益光纤的纤芯中的信号光与所述双包层增益光纤的内包层中的残余泵浦光导出至所述双包层增益光纤之外；

球面反射镜，所述球面反射镜的中心与信号光的激光光轴重合，用于将所述双包层增益光纤中未完全吸收的泵浦光反射回所述双包层增益光纤，进行二次泵浦；所述球面反射镜设置有圆孔，用于将经过所述双包层增益光纤放大的信号光导出。

在一个实施例中，所述球面反射镜的球面中心位于所述石英端帽一侧，并且所述球面反射镜的球心与所述石英端帽中泵浦光的虚焦点重合。

在一个实施例中，所述石英端帽的长度为L1，所述球面反射镜的圆孔的中心与所述石英端帽后表面的距离为L2，所述石英端帽的折射率为n，所述双包层增益光纤的纤芯的数值孔径为NA，则所述球面反射镜的孔径大小D，满足：D＝(L1/n+L2)/2NA。

在一个实施例中，所述球面反射镜的圆孔内表面设置倒角，以使得信号光中的基模光通过圆孔，信号光中的杂散光由倒角散射，不再返回所述双包层增益光纤。

在一个实施例中，所述石英端帽远离所述双包层增益光纤的表面设置有双波长增透膜，用于增加信号光导出效率。

在一个实施例中，所述功率放大器还包括：

准直透镜，间隔设置于所述球面反射镜射出信号光的一侧，所述准直透镜的焦点与所述石英端帽中信号光的虚焦点重合，用于将经过所述双包层增益光纤放大后发散的信号光变为准直的信号光。

在一个实施例中，所述功率放大器还包括：

空间光隔离器，间隔设置于所述准直透镜远离所述球面反射镜的一侧，以使得放大后的信号光单向通过，避免回返光损伤所述功率放大器的其他结构件。

在一个实施例中，所述功率放大器还包括：

扩束透镜组，间隔设置于所述空间光隔离器远离所述准直透镜的一侧，用于对经过所述空间光隔离器的信号光进行扩束。

在一个实施例中，所述双包层增益光纤为掺镱光纤，所述掺镱光纤的纤芯中掺镱的稀土粒子吸收所述双包层增益光纤的内包层的泵浦光，并对信号光进行放大。

在一个实施例中，所述泵浦源为内置体布拉格光栅的光纤耦合半导体激光器，产生的泵浦光的波长为976nm。

一种高峰值脉冲光纤激光器，包括：

种子激光器，用于产生脉冲激光；

预放大光路，用于对所述种子激光器产生的激光脉冲进行预放大以形成信号光；以及

上述任一项所述的功率放大器，用于结合泵浦光对所述信号光再次进行放大，并输出。

本申请涉及一种功率放大器及高峰值脉冲光纤激光器。功率放大器包括：信号源、至少两个泵浦源、双包层合束器、双包层增益光纤、石英端帽和球面反射镜。信号光注入双包层合束器的纤芯，泵浦光注入双包层合束器的内包层。双包层增益光纤吸收泵浦光，并对信号光进行放大。石英端帽将残余泵浦光导出至双包层增益光纤之外。球面反射镜将未完全吸收的泵浦光反射回双包层增益光纤，进行二次泵浦。球面反射镜还用于将放大的信号光导出。功率放大器中球面反射镜的设置，可有效的缩短光纤长度，抑制受激拉曼散射效应。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例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申请的某些实施例，因此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为本申请一个实施例提供的功率放大器的结构示意图；

图2为本申请一个实施例提供的功率放大器的输出功率与传统技术方案输出功率的对比图；

图3为本申请一个实施例提供的高峰值脉冲光纤激光器的结构示意图。

附图标记说明：

功率放大器 10

信号源 11

泵浦源 12

双包层合束器 13

双包层增益光纤 14

石英端帽 15

球面反射镜 16

准直透镜 17

空间光隔离器 18

扩束透镜组 19

高峰值脉冲光纤激光器 20

种子激光器 21

预放大光路 22

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参阅图1，本申请提供一种功率放大器10，包括信号源11、至少两个泵浦源12、双包层合束器13、双包层增益光纤14和石英端帽15。

所述信号源11和至少两个所述泵浦源12分别用于提供信号光和泵浦光。所述信号源11产生的信号光可以是种子激光器产生种子激光，再经过一次或者多次放大后形成的信号激光。所述泵浦源12可以为多模半导体泵浦激光器。

上述信号光和泵浦光通过光纤输入至双包层合束器13，并且使得信号光通过双包层信号光纤注入所述双包层合束器13的纤芯，泵浦光通过所述泵浦光纤注入所述双包层合束器13的内包层。

所述双包层增益光纤14与所述双包层合束器13通过双包层无源光纤熔接。所述双包层增益光纤14吸收所述双包层合束器13的内包层的泵浦光，并对信号光进行放大。具体的，所述双包层增益光纤14可以包括掺杂纤芯、内包层、外包层、保护层4部分。激光增益介质(掺杂纤芯)在泵浦作用下，会发生自发辐射，自发辐射的光在介质中传输会发生受激辐射，产生光放大。由于所述双包层增益光纤14中腔镜的存在，只有垂直腔镜的光纤可以不断放大，最后输出。泵浦光泵浦的作用是给增益介质提供能量。

所述石英端帽15与所述双包层增益光纤14熔接。所述石英端帽15用于将所述双包层增益光纤14的纤芯中的信号光与所述双包层增益光纤14的内包层中的残余泵浦光导出至所述双包层增益光纤14之外。所述石英端帽15可以是柱状的石英结构。具体的，所述双包层增益光纤14与所述石英端帽15可以均置于匹配的金属凹槽中，由凹槽进行固定与散热。另外，本申请提供的所述功率放大器10的整体可以置于水冷板上进行散热。

所述球面反射镜16的中心与信号光的激光光轴重合，用于将所述双包层增益光纤14中未完全吸收的泵浦光反射回所述双包层增益光纤14，进行二次泵浦。所述球面反射镜16设置有圆孔，用于将经过所述双包层增益光纤14放大的信号光导出。本实施例中，所述球面反射镜16的圆孔设置能够允许激光通过即可，并没有确定的数值范围，可以根据所述功率放大器10中的器件结构进行调整。

一方面，本实施例中，采用所述双包层合束器13注入泵浦光，所述双包层合束器13为正向合束器，所述双包层合束器13中信号光的功率低，因此所述双包层合束器13中无源光纤不影响SRS散射。因此，本实施例中提供的所述功率放大器10输出信号光的脉冲能量较高。

另一方面，传统方案中的功率放大器包括泵浦光剥离器、无源光纤、和光纤耦合空间输出隔离器。并且泵浦光剥除器设置在增益光纤之后，并通过无源光纤与光纤耦合空间输出隔离器进行连接。传统方案中经过增益光纤放大后的信号光再输出前会经过无源光纤，导致非线性效应的增强，输出信号光的脉冲能量受限。而本实施例中，采用所述球面反射镜16替代传统方案中的泵浦光剥除器。所述球面反射镜16的剥除效率大于95％。所述球面反射镜16替代泵浦光剥除器之后，缩短了无源光纤的长度，抑制受激拉曼散射，有效减少了非线性效应，增强了输出信号光的脉冲能量。

第三方面，所述球面反射镜16可以将所述双包层增益光纤14中未完全吸收的泵浦光反射回所述双包层增益光纤14，进行二次泵浦，可以有效缩短有源光纤长度。即在所述双包层增益光纤14具有相同长度的前提下，本实施例中的所述功率放大器10输出的信号光的脉冲能量更强。再者，所述球面反射镜16还可以对掺杂光纤输出的信号光进行选模，并通过设置倒角避免杂散信号光反射，可以使所述功率放大器10输出单模高峰值功率脉冲。

请参阅图2，本申请实施例中提供的功率放大器10的输出功率与传统技术方案中功率放大器的输出功率的对比图。在使用同样掺杂光纤(所述双包层增益光纤14)的情况下，图2中明显可以看出，本申请实施例中提供的功率放大器10可以极大提升输出脉冲峰值功率。

在一个实施例中，所述球面反射镜16的球面中心位于所述石英端帽15一侧，并且所述球面反射镜16的球心与所述石英端帽15中泵浦光的虚焦点重合。

本实施例中，设置所述球面反射镜16的球心与所述石英端帽15中泵浦光的虚焦点重合可以增强所述球面反射镜16对于所述双包层增益光纤14中未完全吸收的泵浦光的反射作用，进一步提高所述双包层增益光纤14中未完全吸收的泵浦光的利用率。

在一个实施例中，所述石英端帽15的长度为L1，所述球面反射镜16的圆孔的中心与所述石英端帽15后表面的距离为L2，所述石英端帽15的折射率为n，所述双包层增益光纤14的纤芯的数值孔径为NA，则所述球面反射镜16的孔径大小D，满足：D＝(L1/n+L2)/2NA。

本实施例中，所述球面反射镜16的孔径大小可以根据所述功率放大器10中的其他器件的结构特质进行选择性的调整。所述球面反射镜16孔径大小的多种选择有利于所述功率放大器10满足更多的应用场景。

在一个实施例中，所述球面反射镜16的圆孔内表面设置倒角，以使得信号光中的基模光通过圆孔，信号光中的杂散光由倒角散射，不再返回所述双包层增益光纤14。

本实施例中，所述球面反射镜16设置倒角可以有效的避免杂散的信号光反射进入所述双包层增益光纤14。所述球面反射镜16中设置的倒角可以将信号光中的杂散光散射，使所述功率放大器10输出单模高峰值功率脉冲。

在一个实施例中，所述石英端帽15远离所述双包层增益光纤14的表面设置有双波长增透膜，用于增加放大后的信号光的输出效率。所述双波长增透膜是指有利于泵浦光波长与信号光波长的光透过的膜。在一个实施例中，双波长增透膜的两个波长分别为976nm和1064nm。其中，信号光波长也可能根据实际情况稍有变化。

本实施例中，双波长增透膜的设置，一方面更有利于将所述双包层增益光纤14的纤芯中的信号光导出至所述双包层增益光纤14之外；另一方面更有利于将所述双包层增益光纤14的内包层中的残余泵浦光导出至所述双包层增益光纤14之外。

在一个实施例中，所述功率放大器10还包括准直透镜17。

所述准直透镜17间隔设置于所述球面反射镜16射出信号光的一侧。所述准直透镜17的焦点与所述石英端帽15中信号光的虚焦点重合，用于将经过所述双包层增益光纤14放大后发散的信号光变为准直的信号光。

本实施例中，所述石英端帽15、所述球面反射镜16和所述准直透镜17均与信号光同轴，用于保证从所述准直透镜17中输出的信号光束具有良好的一致性。

在一个实施例中，所述功率放大器10还包括空间光隔离器18。

所述空间光隔离器18间隔设置于所述准直透镜17远离所述球面反射镜16的一侧，以使得放大后的信号光单向通过，避免回返光损伤所述功率放大器10的其他结构件。

本实施例中，所述空间光隔离器18与所述准直透镜17间隔的距离可以根据实际需求进行调整设置。所述空间光隔离器18能够控制放大后的信号光单向通过，避免回返光损伤所述功率放大器10的其他结构件即可。

在一个实施例中，所述功率放大器10还包括扩束透镜组19。

所述扩束透镜组19间隔设置于所述空间光隔离器18远离所述准直透镜17的一侧。所述扩束透镜组19用于对经过所述空间光隔离器18的信号光进行扩束。

本实施例中，所述扩束透镜组19可以包括凹透镜和凸透镜两个结构。如图1所示从左到右分别是凹透镜(发散透镜)和凸透镜(会聚透镜)，用于对经过所述空间光隔离器18的信号光进行扩束，以将放大后的信号光的光束扩大到合适的直径用于加工。

在一个实施例中，所述双包层增益光纤14为掺镱光纤。所述掺镱光纤的纤芯中掺镱的稀土粒子吸收所述双包层增益光纤14的内包层的泵浦光，并对信号光进行放大。

在一个实施例中，所述泵浦源12为内置体布拉格光栅的光纤耦合半导体激光器，产生的泵浦光的波长为976nm。所述泵浦源12可以为多模半导体泵浦激光器。

本实施例中，信号光(所述信号源11产生的激光)和泵浦光(所述泵浦源12产生的泵浦光)都是通过所述双包层合束器13注入所述双包层增益光纤14的，所述双包层合束器13通过光纤熔接就可以实现连接，操作简单，并且信号传递。

本实施例中，采用波长为976nm的激光器作为泵浦激光，波长976nm位于掺镱光纤(所述双包层增益光纤14)的吸收谱峰值，可以减短所述双包层增益光纤14的长度。

请参阅图3，本申请提供一种高峰值脉冲光纤激光器20，包括种子激光器21、预放大光路22和如上述任一项所述的功率放大器10。

所述种子激光器21用于产生脉冲激光。所述种子激光器21可以为单模半导体激光器，所述种子激光器21可以直接驱动产生百皮秒至纳秒级的激光脉冲。所述种子激光器21也可以为调Q光纤激光器、锁模皮秒光纤激光器或者其他能提供脉冲激光的激光器。

所述预放大光路22用于对所述种子激光器21产生的激光脉冲进行预放大以形成信号光。所述预放大光路22包括一级或多级双包层光纤放大器，用于对所述种子激光器21产生的脉冲激光进行一次或多次的预放大。当所述预放大光路22包括多级双包层光纤放大器时，每两级双包层光纤放大器之间设置有光纤耦合隔离器，用于防止反向光传输。比如，一级或多级所述双包层光纤放大器可以是掺镱的脉冲双包层光纤放大器。具体，所述双包层光纤放大器可以是商用的双包层掺镱光纤，典型的光纤型号可以是nufern公司的30/250掺镱光纤，或者其他类似规格的光纤都可以。所述预放大光路22也可以包括一级或多级单包层光纤放大器。

所述功率放大器10用于结合泵浦光对所述信号光再次进行放大，并将放大后的信号光输出。需要指出的是，上述实施例中所述功率放大器10中所包括的上述信号源11可以是经过所述种子激光器21和所述预放大光路22形成的初步放大后的信号激光，也可以是其他结构提供的初步放大或者没有经过初步放大的信号激光。

本实施例中，提供的所述高峰值脉冲光纤激光器20可以减少有源光纤长度，减少无源光纤长度，将所述双包层增益光纤14中未完全吸收的泵浦光反射回所述双包层增益光纤14进行二次泵浦，有效的抑制SRS效应，提高输出脉冲能量。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种功率放大器，其特征在于，包括：

信号源，用于提供信号光；

至少两个泵浦源，用于提供泵浦光；

双包层合束器，与所述信号源通过双包层信号光纤连接，以使得信号光通过所述双包层信号光纤注入所述双包层合束器的纤芯；所述双包层合束器与所述泵浦源通过泵浦光纤连接，以使得泵浦光通过所述泵浦光纤注入所述双包层合束器的内包层；

双包层增益光纤，与所述双包层合束器通过双包层无源光纤熔接；所述双包层增益光纤吸收泵浦光，并对信号光进行放大；

石英端帽，与所述双包层增益光纤熔接，用于将所述双包层增益光纤的纤芯中的信号光与所述双包层增益光纤的内包层中的残余泵浦光导出至所述双包层增益光纤之外；

球面反射镜，所述球面反射镜的中心与信号光的激光光轴重合，用于将所述双包层增益光纤中未完全吸收的泵浦光反射回所述双包层增益光纤，进行二次泵浦；所述球面反射镜设置有圆孔，用于将经过所述双包层增益光纤放大的信号光导出。

2.根据权利要求1所述的功率放大器，其特征在于，所述球面反射镜的球面中心位于所述石英端帽一侧，并且所述球面反射镜的球心与所述石英端帽中泵浦光的虚焦点重合。

3.根据权利要求2所述的功率放大器，其特征在于，所述石英端帽的长度为L1，所述球面反射镜的圆孔的中心与所述石英端帽后表面的距离为L2，所述石英端帽的折射率为n，所述双包层增益光纤的纤芯的数值孔径为NA，则所述球面反射镜的孔径大小D，满足：D＝(L1/n+L2)/2NA。

4.根据权利要求3所述的功率放大器，其特征在于，所述球面反射镜的圆孔内表面设置倒角，以使得信号光中的基模光通过圆孔，信号光中的杂散光由倒角散射，不再返回所述双包层增益光纤。

5.根据权利要求4所述的功率放大器，其特征在于，还包括：

准直透镜，间隔设置于所述球面反射镜射出信号光的一侧，所述准直透镜的焦点与所述石英端帽中信号光的虚焦点重合，用于将经过所述双包层增益光纤放大后发散的信号光变为准直的信号光。

6.根据权利要求5所述的功率放大器，其特征在于，还包括：

空间光隔离器，间隔设置于所述准直透镜远离所述球面反射镜的一侧，以使得放大后的信号光单向通过，避免回返光损伤所述功率放大器的其他结构件。

7.根据权利要求6所述的功率放大器，其特征在于，还包括：

扩束透镜组，间隔设置于所述空间光隔离器远离所述准直透镜的一侧，用于对经过所述空间光隔离器的信号光进行扩束。

8.根据权利要求7所述的功率放大器，其特征在于，所述双包层增益光纤为掺镱光纤，所述掺镱光纤的纤芯中掺镱的稀土粒子吸收所述双包层增益光纤的内包层的泵浦光，并对信号光进行放大。

9.根据权利要求8所述的功率放大器，其特征在于，所述泵浦源为内置体布拉格光栅的光纤耦合半导体激光器，产生的泵浦光的波长为976nm。

10.一种高峰值脉冲光纤激光器，其特征在于，包括：

种子激光器，用于产生脉冲激光；

预放大光路，用于对所述种子激光器产生的激光脉冲进行预放大以形成信号光；以及

如权利要求1-9中任一项所述的功率放大器，用于结合泵浦光对所述信号光再次进行放大，并输出。

Images