CN218182700U - 一种振荡放大一体化光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种振荡放大一体化光纤激光器，所述光纤激光器包括一个激光振荡级和两个激光放大单元；所述激光振荡级和所述激光放大单元均包含：一段预定长度的增益光纤、至少一个泵浦信号合束器，至少一个泵浦源；泵浦信号合束器具有一个泵浦输出光纤，一个信号输出光纤和至少一个泵浦输入光纤；所述泵浦源连接泵浦信号合束器的泵浦输入光纤；所述激光振荡级的增益光纤具有两个光信号输出端，每个光信号输出端设置一个光纤光栅，所述激光放大单元的增益光纤具有两个光纤端，光输入端连接所述激光振荡级的增益光纤的一个光信号输出端，光输出端依次连接包层光滤除器和光纤端帽；从光纤端帽提供放大的激光输出。

Description

一种振荡放大一体化光纤激光器

技术领域

本实用新型属光纤激光器领域，尤其涉及一种振荡放大一体化光纤激光器。

背景技术

常规全光纤结构的光纤激光器一般包括光纤激光放大器和光纤激光振荡器两种结构，随着光纤以及光纤器件工艺的发展，两种结构的光纤激光器都能够实现高功率的光纤激光输出，得到了广泛的应用。上述两种常规结构的光纤激光器的共同特点是只能够单端输出激光。对于基于主振荡功率放大结构的光纤激光放大器而言，信号光只能够从激光器的放大级的输出端输出。对于常规结构的光纤激光振荡器，高反光栅的反射率一般都在99％以上，只有极少量的信号光透过，且无法被利用。在常规结构光纤激光器的基础上，若同时需要两路激光，则需要两台独立的光纤激光器，包括与其配套的各种设备，系统体积较大、成本高。而具有双端输出功能的光纤激光器则能够使用一台激光器同时满足双路激光输出的要求，极大地降低了系统体积和成本。

目前，在光纤激光器领域，已经有部分公开的具有双端输出功能的激光器。专利CN201710869709提出了一种单光纤直线腔双端输出全光纤激光器，采用掺杂双芯光纤作为激光器的增益介质，两条纤芯分别传输泵浦光和信号光，采用光纤光栅为谐振腔提供反馈以及从激光器的两端输出信号。专利 CN201821644616提出了一种双端输出功率可调的线性腔全光纤激光振荡器，采用掺稀土离子作为增益光纤，采用中心波长可调的光纤光栅作为激光器的谐振腔的反射器件和输出耦合器件，通过改变可调光纤光栅的中心波长调节光纤的有效反射率，实现振荡器前后两端的输出功率可调。此外，专利CN202020907186 提出了一种可双端输出不同种类激光的全光纤激光器，其核心在于采用没有通光方向要求的高反射光纤光栅作为两个激光谐振腔的共用高反光栅，在两个谐振腔中设置激光调制组件来实现双端输出不同种类的激光。上述几种全光纤结构的双端输出激光器中，专利CN202020907186的本质上还是两个激光谐振腔，每一个单独的谐振腔都是单端输出的光纤激光器，两个谐振腔之间几乎没有任何关联性。而专利CN201710869709和CN201821644616则是基于一个谐振腔实现双端激光输出，输出的两束激光光束状态完全相同，相干性好，应用潜力巨大。但上述两种结构的光纤激光器都是基于传统的光纤激光振荡器结构。对于传统的光纤激光振荡器，其具有泵浦控制逻辑特性好，抗回光能力强等特点。但由于输出端输出耦合光纤光栅的部分反射，使得激光器的光光转化效率普遍低于常规结构的光纤激光放大器，不利于降低产品成本。在功率调节能力上，专利CN201710869709中提出的激光器结构不具备调节双端输出激光功率的能力，而专利CN201821644616中提出的方案是通过调节光纤光栅的中心波长改变光栅反射率，从而改变输出激光功率，操作起来不够方便，且激光波长的改变易给系统带来额外的影响。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提出了一种振荡放大一体化的光纤激光器，所述光纤激光器包括一个激光振荡级和两个激光放大单元；

所述激光振荡级和所述激光放大单元均包含：一段预定长度的增益光纤、至少一个泵浦信号合束器，至少一个泵浦源；

所述泵浦信号合束器具有一个泵浦输出光纤，一个信号输出光纤和至少一个泵浦输入光纤；

所述泵浦源的泵浦光输出连接泵浦信号合束器的泵浦输入光纤；

所述激光振荡级的增益光纤具有两个光信号输出端，每个光信号输出端设置一个光纤光栅，所述激光振荡级的增益光纤的至少一个光信号输出端与一个所述泵浦信号合束器的泵浦输出光纤连接；

所述激光放大单元的增益光纤具有两个光纤端，所述激光放大单元的增益光纤的一个光纤端是光输入端，所述光输入端连接所述激光振荡级的增益光纤的一个光信号输出端，所述激光放大单元的增益光纤的另一个光纤端是光输出端，所述光输出端依次连接包层光滤除器和光纤端帽；从光纤端帽提供放大的激光输出；

所述激光放大单元的增益光纤的至少一个光纤端与一个所述泵浦信号合束器的一个泵浦输出光纤连接。

进一步的，所述增益光纤是纤芯掺杂稀土离子的单包层、双包层、三包层或预制有特定层叠结构的多包层增益光纤。

进一步的，所述增益光纤为包层尺寸相互匹配的常规均匀尺寸光纤、以锥形光纤为代表的纵向尺寸渐变光纤或以限制掺杂光纤为代表的横向结构优化的光纤；

纤芯、包层的几何形态以预设的几何形状搭配，所述激光放大单元的增益光纤的纤芯直径大于等于所述激光振荡级的增益光纤的纤芯直径。

进一步的，所述多个泵浦源为光纤耦合半导体激光器，所述半导体激光器输出波长对应所述增益光纤的掺稀土粒子的吸收波段。

进一步的，所述激光振荡级的光纤光栅的纤芯和包层直径与所述激光振荡级的增益光纤匹配，光纤光栅中心波长范围为1000～1100nm，光栅反射率范围 1％～100％。

进一步的，所述激光振荡级的光纤光栅是在所述激光振荡级的增益光纤的两个光纤输出端上直接制成。

进一步的，所述激光振荡级的两个光信号输出端分别与一个所述泵浦信号合束器的泵浦输出光纤连接；该泵浦信号合束器的信号输出光纤与一个所述激光放大单元的光输入端连接；两个激光放大单元分别提供两路放大的激光输出。

进一步的，所述包层光滤除器直接连接所述激光放大单元的增益光纤的光输出端，或者所述包层光滤除器连接激光放大单元的泵浦信号合束器的信号输出光纤。

进一步的，所述光纤端帽用于将信号光扩束输出，所述光纤端帽的纤芯和包层直径大于等于包层光滤除器的纤芯和包层直径。

进一步的，所述包层光滤除器纤芯和包层直径大于等于所述激光放大单元的增益光纤的纤芯和包层直径，或者所述包层光滤除器纤芯和包层直径大于等于所述泵浦信号合束器的信号输出光纤的纤芯和包层直径。

采用本实用新型的方案，可以达到：

1、基于一套系统实现两路激光输出，对于需要两路激光的应用场景来说，极大地减小了系统的体积以及成本。激光器输出的两路激光产生于同一激光谐振腔中，光束状态可控，在光束合成领域中具有突出的优势。激光器的两端的输出功率可以通过控制两个放大单元中的泵浦功率进行控制，控制方式非常灵活，应用拓展能力强。且激光器中的每一放大单元都可与振荡单元组成独立的激光器，每一端的输出都能够达到单独激光器的功率极限，通过合束之后能够理论上能够突破单台光纤激光器的功率极限。同时，结构的改变对于激光器中的SRS和TMI也会有影响。

2、激光器的振荡单元与两端的A放大单元和B放大单元分别构成了振荡放大一体化结构。与常规的光纤激光振荡器相比，该结构的激光输出端没有输出耦合光栅的反射损耗，能够保证较高的光光效率。与常规的光纤激光放大器相比，其具有更好的抗反射回光能力，以及更安全的泵浦控制逻辑特性。该结构仍然能够兼顾常规光纤激光振荡器和光纤激光放大器的优势。

附图说明

图1是本申请实施例的一种双端输出振荡放大一体化光纤激光器；

图2是本申请实施例的一种包含拉曼光栅的双端输出振荡放大一体化光纤激光器；

图3是本申请实施例的一种基于双端输出振荡放大一体化光纤激光器的功率合束光纤激光器；

图4是本申请实施例的一种基于双端输出振荡放大一体化光纤激光器的偏振合成光纤激光器；

具体实施方式

一种双端输出振荡放大一体化光纤激光器，其特征在于，包括振荡单元1)、A放大单元2与B放大单元3；

所述振荡单元1由第一泵浦信号合束器14、第一光纤光栅12、第一增益光纤11、第二光纤光栅13、第二泵浦信号合束器15依次连接构成，第一泵浦源 16与第一泵浦信号合束器14的泵浦输入光纤连接，第二泵浦源17与第二泵浦信号合束器15的泵浦输入光纤连接；

所述A放大单元2由第二增益光纤21、第三泵浦信号合束器22、第一包层光滤除器24与第一光纤端帽25依次连接构成，第三泵浦源23与第三泵浦信号合束器22的泵浦输入光纤连接；

所述B放大单元3由第三增益光纤31、第四泵浦信号合束器32、第二包层光滤除器34与第二光纤端帽35依次连接构成，第四泵浦源33与第四泵浦信号合束器32的泵浦输入光纤连接；

所述A放大单元2中的第二增益光纤21与所述振荡单元1的第一泵浦信号合束器14的信号输出光纤直接连接，所述B放大单元3中的第三增益光纤31 与所述振荡单元1的第二泵浦信号合束器15的信号输出光纤直接连接；

所述第一增益光纤11、所述第二增益光纤21和所述第三增益光纤31为纤芯掺杂稀土离子的单包层、双包层、三包层或特殊的多包层增益光纤。

所述第一增益光纤11、所述第二增益光纤21和所述第三增益光纤31为包层尺寸相互匹配的常规均匀尺寸光纤、以锥形光纤为代表的纵向尺寸渐变光纤或以限制掺杂光纤为代表的横向结构优化的光纤，纤芯、包层的几何形态以任意几何形状搭配，所述第二增益光纤21和所述第三增益光纤31的纤芯直径不小于第一增益光纤11的纤芯直径。

所述第一泵浦源16、第二泵浦源17、第三泵浦源23、第四泵浦源33为光纤耦合半导体激光器，输出波长对应第一增益光纤11、第二增益光纤21、第三增益光纤31的中掺稀土粒子的吸收波段。

所述第一光纤光栅12和第二光纤光栅13的纤芯和包层直径与第一增益光纤11匹配，中心波长范围为1000～1100nm，光栅反射率范围1％～100％，第一光纤光栅12和第二光纤光栅13的中心波长匹配，反射率在可选范围内随意搭配。

所述第一泵浦信号合束器14和第二泵浦信号合束器15的泵浦输出光纤和信号输出光纤的纤芯和包层直径保持一致，包层直径与第一增益光纤11的包层直径保持一致，纤芯直径不小于第一增益光纤11的纤芯直径，泵浦输入光纤的纤芯和包层直径不小于的第一泵浦源16和第二泵浦源17中的光纤耦合半导体激光器的输出光纤的纤芯和包层直径。

所述第三泵浦信号合束器22和第四泵浦信号合束器32具有一个泵浦输出光纤，一个信号输出光纤和多个泵浦输入光纤，泵浦输出光纤和信号输出光纤的纤芯直径不小于第二增益光纤21和第三增益光纤31的纤芯直径，泵浦输出光纤的包层直径与第二增益光纤21和第三增益光纤31的包层直径保持一致，泵浦输入光纤的纤芯和包层直径不小于第三泵浦源23和第四泵浦源33中的光纤耦合半导体激光器的输出光纤的纤芯和包层直径。

第一包层光滤除器24和第二包层光滤除器34的纤芯和包层直径不小于第三泵浦信号合束器22和第四泵浦信号合束器32的信号输出光纤的纤芯和包层直径。

第一光纤端帽25和第二光纤端帽35用于将信号光扩束输出，其纤芯和包层直径不小于第一包层光滤除器24和第二包层光滤除器34的纤芯和包层直径。

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作出详细说明。

实施例1：

一种双端输出振荡放大一体化光纤激光器，它包括振荡单元1、A放大单元 2与B放大单元3；振荡单元1包括第一泵浦信号合束器14、第一光纤光栅12、第一增益光纤11、第二光纤光栅13、第二泵浦信号合束器15、第一泵浦源16、第二泵浦源17；A放大单元2包括第二增益光纤21、第三泵浦信号合束器22、第一包层光滤除器24、第一光纤端帽25、第三泵浦源23；B放大单元3包括第三增益光纤31、第四泵浦信号合束器32、第二包层光滤除器34、第二光纤端帽 35、第四泵浦源33。

实施过程中，第一泵浦源16与第一泵浦信号合束器14的泵浦输入光纤连接，第二泵浦源17与第二泵浦信号合束器15的泵浦输入光纤连接，第一泵浦信号合束器14的泵浦输出光纤与第一光纤光栅12、第一增益光纤11、第二光纤光栅13依次连接，第二光纤光栅13与第二泵浦信号合束器15的泵浦输出光纤连接，第二泵浦源17与第二泵浦信号合束器15的泵浦输入光纤连接，构成激光器的振荡单元1；第二增益光纤21与第一泵浦信号合束器14的信号输出光纤连接，另一端与第三泵浦信号合束器22的泵浦输出光纤连接，第三泵浦信号合束器22的信号输出光纤与第一包层光滤除器24、第一光纤端帽25依次连接，第三泵浦源23与第三泵浦信号合束器22的泵浦输入光纤连接，构成激光器的A 放大单元2；第三增益光纤31与第二泵浦信号合束器15的信号输出光纤连接，另一端与第四泵浦信号合束器32的泵浦输出光纤连接，第四泵浦信号合束器32 的信号输出光纤与第二包层光滤除器34、第二光纤端帽35依次连接，第四泵浦源33与第四泵浦信号合束器32的泵浦输入光纤连接，构成激光器的B放大单元3。

连接好后，在激光器工作过程中，任意一个泵浦源产生的泵浦光进入到激光器的振荡单元1中，产生的信号激光分别从振荡单元1的第一泵浦信号合束器14和第二泵浦信号合束器15的信号输出光纤输出，分别进入到A放大单元 2和B放大单元3中，两束激光分别在两个放大单元中进行放大，最后依次通过两个放大单元中的包层光滤除器后由光纤端帽扩束输出。

实施例2：

如图2所示，在实施例1提供的一种双端输出振荡放大一体化光纤激光器的基础上，进一步的，在振荡单元1与A放大单元2之间增加一个具有受激拉曼散射抑制功能且不限制振荡单元与放大单元之间的信号、泵浦传输特性的第一拉曼光栅26；在振荡单元1与B放大单元3之间增加一个具有受激拉曼散射抑制功能且不限制振荡单元与放大单元之间的信号、泵浦传输特性的第二拉曼光栅36。第一拉曼光栅26和第二拉曼光栅36采用的光纤尺寸与各自放大单元中的光纤尺寸保持一致，对于信号光对应的斯托克斯光波段具有滤波效果，能够抑制光纤激光器中的受激拉曼散射，改善输出激光特性，提升输出功率。

实施例3：

在实施例1的基础上提出了一种基于双端输出振荡放大一体化光纤激光器的功率合束光纤激光器，它包含一个双端输出振荡放大一体化光纤激光器1、一个功率合束器2和一个光纤端帽3，功率合束器具有两个信号输入臂以及一个信号输出臂。双端输出振荡放大一体化光纤激光器1的两端分别与功率合束器2 的两个信号输入臂连接，将两路激光进行合束后通过光纤端帽扩束输出。双端输出的振荡放大一体化光纤激光器的每一个放大单元都可与振荡单元组成一台单独的激光器，功率合成后的激光器能够突破单台光纤激光器的输出功率极限，且比用两台单独激光器的合束系统拥有更小的体积以及系统成本，满足有更高输出功率要求的实际应用场景。

实施例4：

一种基于双端输出振荡放大一体化光纤激光器的偏振合成光纤激光器，它包含一个实施例1中提供的一种双端输出振荡放大一体化光纤激光器1、第一相位调制器2、第二相位调制器3、一个偏振合束器4和光纤端帽5。所述双端输出振荡放大一体化光纤激光器全部采用保偏光纤以及基于保偏光纤的器件，保证其输出激光为线偏振光。所述偏振合束器具有两个信号输入端和一个信号输出端。双端输出振荡放大一体化光纤激光器的两端分别于两个相位调制器连接，对输出激光的相位进行控制，再分别与偏振合束器的两个信号输入端连接。通过相位调制器的控制，保证合束后激光仍然是偏振光。与实施例3中一样，该激光器中的每一个放大单元都可与振荡单元组成一台单独的激光器，通过偏振合束可以得到更高功率的偏振光输出，满足更多的应用场景。

最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本实用新型实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本实用新型实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本实用新型实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种振荡放大一体化光纤激光器，该光纤激光器为从两端提供激光输出的振荡放大一体化的光纤激光器，其特征在于，所述激光器包括一个激光振荡级和两个激光放大单元；

所述激光振荡级和所述激光放大单元均包含：一段预定长度的增益光纤、至少一个泵浦信号合束器，至少一个泵浦源；

所述泵浦信号合束器具有一个泵浦输出光纤，一个信号输出光纤和至少一个泵浦输入光纤；

所述泵浦源的泵浦光输出连接泵浦信号合束器的泵浦输入光纤；

所述激光振荡级的增益光纤具有两个光信号输出端，每个光信号输出端设置一个光纤光栅，所述激光振荡级的增益光纤的至少一个光信号输出端与一个所述泵浦信号合束器的泵浦输出光纤连接；

所述激光放大单元的增益光纤具有两个光纤端，所述激光放大单元的增益光纤的一个光纤端是光输入端，所述光输入端连接所述激光振荡级的增益光纤的一个光信号输出端，所述激光放大单元的增益光纤的另一个光纤端是光输出端，所述光输出端依次连接包层光滤除器和光纤端帽；从光纤端帽提供放大的激光输出；

所述激光放大单元的增益光纤的至少一个光纤端与一个所述泵浦信号合束器的一个泵浦输出光纤连接。

2.如权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤是纤芯掺杂稀土离子的单包层、双包层、三包层或预制有特定层叠结构的多包层增益光纤。

3.如权利要求2所述的光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤为包层尺寸相互匹配的常规均匀尺寸光纤、以锥形光纤为代表的纵向尺寸渐变光纤或以限制掺杂光纤为代表的横向结构优化的光纤；

纤芯、包层的几何形态以预设的几何形状搭配，所述激光放大单元的增益光纤的纤芯直径大于等于所述激光振荡级的增益光纤的纤芯直径。

4.如权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述多个泵浦源为光纤耦合半导体激光器，所述半导体激光器输出波长对应所述增益光纤的掺稀土粒子的吸收波段。

5.如权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述激光振荡级的光纤光栅的纤芯和包层直径与所述激光振荡级的增益光纤匹配，光纤光栅中心波长范围为1000～1100nm，光栅反射率范围1％～100％。

6.如权利要求5所述的光纤激光器，其特征在于，所述激光振荡级的光纤光栅是在所述激光振荡级的增益光纤的两个光纤输出端上直接制成。

7.如权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述激光振荡级的两个光信号输出端分别与一个所述泵浦信号合束器的泵浦输出光纤连接；该泵浦信号合束器的信号输出光纤与一个所述激光放大单元的光输入端连接；两个激光放大单元分别提供两路放大的激光输出。

8.如权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述包层光滤除器直接连接所述激光放大单元的增益光纤的光输出端，或者所述包层光滤除器连接激光放大单元的泵浦信号合束器的信号输出光纤。

9.如权利要求8所述的光纤激光器，其特征在于，所述光纤端帽用于将信号光扩束输出，所述光纤端帽的纤芯和包层直径大于等于包层光滤除器的纤芯和包层直径。

10.如权利要求8所述的光纤激光器，其特征在于，所述包层光滤除器纤芯和包层直径大于等于所述激光放大单元的增益光纤的纤芯和包层直径，或者所述包层光滤除器纤芯和包层直径大于等于所述泵浦信号合束器的信号输出光纤的纤芯和包层直径。

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