CN220985115U - 一种千瓦量级单模掺镱光纤振荡器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种千瓦量级单模掺镱光纤振荡器，目的是解决现有振荡器在功率提升方面的问题。本实用新型由增益模块、泵浦模块、2个包层光滤除器、高反光纤光栅、低反光纤光栅和输出耦合端组成。增益模块由泵浦耦合模块和双包层掺镱光纤组成，泵浦耦合模块采用双向、前向或后向泵浦结构；泵浦模块与增益模块的泵浦光输入端相连；第一包层光滤除器和第二包层光滤除器输入端分别与增益模块信号光输出端相连；第一包层光滤除器输出端与高反光纤光栅输入端相连；第二包层光滤除器输出端与低反光纤光栅输入端相连，输出耦合端输入端与低反光纤光栅输出端相连。本实用新型实现了千瓦量级单模掺镱光纤振荡器，实现了非线性效应的有效抑制。

Description

一种千瓦量级单模掺镱光纤振荡器

技术领域

本实用新型涉及一种光纤振荡器，尤其涉及一种输出模式为单一的基模、输出功率大于1kW的高功率掺镱光纤振荡器。

背景技术

输出激光仅含有一种横向模式(即为基模)，而不包含其它横向模式的光纤激光器称为严格单模光纤激光器。严格单模光纤激光器具有近乎完美的光束质量，具有发散角小、光斑稳定性好等优点，不仅可以作为高功率光纤激光系统的种子光源，在光束合成、频率转换、工业加工、材料处理等领域也有广泛的应用前景。不过，要实现高功率严格单模光纤激光器却并不容易，这主要是受到非线性效应的影响。现阶段常用的解决方案是通过增加增益光纤纤芯的直径来增加光纤模场面积，从而削弱非线性效应的影响。但是，增益光纤纤芯直径的增加会导致光纤能够支持的模式增加，这使得在增益光纤中不仅可以产生基模光场，还会产生其它高阶横向模式的光场，从而使得激光器无法保证单模输出。尽管通过光纤设计以及弯曲等手段，可以在一定程度上削弱其它高阶横向模式，光束质量(M²因子)可以达到1.3以下，但是，已有研究表明：此时仍有少量高阶横向模式存在，激光器仍非严格意义上的单模输出。不仅如此，这些少量的高阶横向模式还会对输出激光的光斑稳定性造成不利的影响。

实现严格单模光纤激光器的最佳方式，就是采用单模光纤(即光纤只能够支持基模传输)，令激光器的谐振器内只允许传输单一模式，从而可以通过光纤的波导结构，保证激光器的单模输出。但是，要实现光纤的单模传输，就对光纤的纤芯结构提出了限制，即归一化频率(正比于纤芯直径和数值孔径的乘积)要小于2.405。这就对纤芯直径和数值孔径提出了要求。如何在保证纤芯直径和数值孔径满足要求的前提下，有效控制非线性效应并实现激光器的功率提升，是单模高功率掺镱光纤振荡器的设计方案中需要解决的核心问题。

现阶段，单模掺镱光纤振荡器主要是利用纤芯和包层直径分别为10微米和125微米的双包层掺镱光纤实现，该光纤采用10微米直径的纤芯直径，一方面有利于实现单模输出，另一方面，保证了一定的模场面积，以实现对于非线性效应的抑制。现阶段，利用该光纤，已经实现了323W的单模激光输出。这一功率水平主要受限于泵浦光功率，该方案采用976nm稳波长半导体激光器作为泵浦光源，实现了大于400W的泵浦光功率注入，但是，要实现泵浦光功率的进一步提升仍面临较大难度，这主要是由于125微米的包层直径限制了泵浦光耦合能力，如果进一步增加包层直径可以实现泵浦光功率提升，但是，包层直径的增加会降低掺镱光纤的吸收系数，这就使得需要更长的光纤来实现泵浦光的充分吸收，会导致非线性效应增强，从而限制输出功率的提升。

另一种公知的泵浦方案是采用1018nm光纤激光器作为级联泵浦光源。1018nm级联泵浦光源比半导体激光器具有更高的亮度，因此，有望在125微米直径的内包层中注入更高功率的泵浦光。不过，由于镱离子在1018nm波段的吸收截面要远小于976nm，这就使得要充分实现泵浦光的吸收，同样需要增加光纤长度，也就同样面临非线性效应加剧、输出功率受限的问题。

要在保持光纤单模传输的基础上，抑制非线性效应的抑制，现阶段公知的方法是在增加掺镱光纤纤芯直径的同时，降低掺镱光纤纤芯的数值孔径。前者有助于增加模场面积，从而抑制非线性效应；后者则可以控制光纤归一化频率，使其满足单模传输的要求。但是，降低数值孔径会面临以下几个方面的问题：首先，光纤纤芯数值孔径的降低，会受到光纤掺杂工艺的限制，现阶段实现的掺镱光纤最小数值孔径约为0.35，进一步降低数值孔径挑战巨大；其次，随着数值孔径的减少，对于纤芯掺杂横向均匀性的要求也越高，这也为低数值孔径光纤的研制带来了难度；再者，随着数值孔径的降低，光纤抗弯曲的能力也会随之大幅衰减，这不仅不利于发挥光纤激光器在紧凑化和便携性方面的优势，还使得激光器的抗干扰能力大幅下降。因此，通过大幅减低数值孔径，来提高光纤的模场面积，也不是理想的解决方案。

综上所述，现有严格单模掺镱光纤振荡器方案普遍面临泵浦光耦合、非线性效应抑制以及模场拓展潜力有限等三个方面的问题无法兼顾的缺陷，使得单模掺镱光纤振荡器的功率水平仍然较低，仅为300W量级，功率水平的进一步提升面临巨大挑战。如何实现千瓦量级严格单模掺镱光纤振荡器，是本领域技术人员极为关注的技术问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有单模掺镱光纤振荡器方案的不足，提供一种基于双包层掺镱光纤的千瓦量级单模光纤振荡器，解决现有方案在功率提升方面面临的问题，使该振荡器在保证严格单模输出的同时，具有千瓦量级以上的功率输出能力。

本实用新型的技术方案是：

本实用新型由增益模块、泵浦模块、第一包层光滤除器、第二包层光滤除器、高反光纤光栅、低反光纤光栅和输出耦合端组成。泵浦模块与增益模块的泵浦光输入端相连。第一包层光滤除器和第二包层光滤除器的输入端分别与增益模块的信号光输出端相连。第一包层光滤除器的输出端与高反光纤光栅的输入端相连。第二包层光滤除器的输出端与低反光纤光栅的输入端相连。输出耦合端的输入端与低反光纤光栅的输出端相连。本实用新型中不同器件之间的连接是通过光纤熔接来实现的。

本实用新型的增益模块由泵浦耦合模块和双包层掺镱光纤组成。泵浦耦合模块将泵浦光耦合到双包层掺镱光纤中，并对双包层掺镱光纤中的镱离子进行泵浦，从而产生特定波段(特定波段为高反光纤光栅中心波段，也为低反光纤光栅中心波段)的光场。双包层掺镱光纤的纤芯直径为10-15微米，归一化频率小于2.405，包层直径不大于150微米。

所述泵浦耦合模块可采用双向泵浦结构、前向泵浦结构或后向泵浦结构。采用双向泵浦结构时，泵浦耦合模块由第一信号泵浦合束器和第二信号泵浦合束器组成。其中，第一信号泵浦合束器和第二信号泵浦合束器均包含多个泵浦光输入端、1个信号光输入端和1个输出端。第一信号泵浦合束器的信号光输入端和第二信号泵浦合束器的信号光输入端即为增益模块的2个信号光输出端。第一信号泵浦合束器的输出端和第二信号泵浦合束器的输出端与双包层掺镱光纤的两端分别相连。要求第一信号泵浦合束器的输出端光纤、第二信号泵浦合束器的输出端光纤和双包层掺镱光纤的纤芯包层几何尺寸相同。第一信号泵浦合束器的N个泵浦光输入端和第二信号泵浦合束器的M个泵浦光输入端即为增益模块的泵浦光输入端(M和N均≥1)。N为第一信号泵浦合束器的泵浦光输入端个数，M为第二信号泵浦合束器的泵浦光输入端个数。

所述泵浦耦合模块采用前向泵浦结构时，泵浦耦合模块仅由第一信号泵浦合束器组成。其中，第一信号泵浦合束器包含多个泵浦光输入端、1个信号光输入端和1个输出端。第一信号泵浦合束器的信号光输入端和双包层掺镱光纤靠近第二包层光滤除器的一端即为增益模块的2个信号光输出端。第一信号泵浦合束器的输出端与双包层掺镱光纤的远离第二包层光滤除器的一端相连。要求第一信号泵浦合束器的输出端光纤与双包层掺镱光纤的纤芯包层几何尺寸相同。第一信号泵浦合束器的N个泵浦光输入端即为增益模块的泵浦光输入端(N≥1)。N为第一信号泵浦合束器的泵浦光输入端个数。

所述泵浦耦合模块可采用后向泵浦结构时，泵浦耦合模块仅由第二信号泵浦合束器组成。其中，第二信号泵浦合束器包含多个泵浦光输入端、1个信号光输入端和1个输出端。第二信号泵浦合束器的信号光输入端和双包层掺镱光纤靠近第一包层光滤除器的一端即为增益模块的2个信号光输出端。第二信号泵浦合束器的输出端与双包层掺镱光纤的远离第一包层光滤除器的一端相连。要求第二信号泵浦合束器的输出端光纤双包层掺镱光纤的纤芯包层几何尺寸相同。第二信号泵浦合束器的M个泵浦光输入端即为增益模块的泵浦光输入端(M≥1)。M为第一信号泵浦合束器的泵浦光输入端个数。

本实用新型的泵浦模块在双向泵浦结构中由第一泵浦模块和第二泵浦模块组成。第一泵浦模块和第二泵浦模块均包含多个泵浦子模块。其中，第一泵浦模块的泵浦子模块数量N1应满足1≤N1≤N，第二泵浦模块的泵浦子模块的数量M1应满足1≤M1≤M。

本实用新型的泵浦模块在前向泵浦结构中仅由第一泵浦模块组成。第一泵浦模块包含多个泵浦子模块。其中，第一泵浦模块的泵浦子模块数量N1应满足1≤N1≤N。

本实用新型的泵浦模块在后向泵浦结构中仅由第二泵浦模块组成。第二泵浦模块包含多个泵浦子模块。其中，第二泵浦模块的泵浦子模块数量M1应满足1≤M1≤M。

所述多个泵浦子模块选用980nm波段光纤激光器，980nm波段光纤激光器的中心波长应不大于980nm(优选的，应不大于978nm)，1030nm波段放大自发辐射抑制应大于30dB。此时，980nm波段光纤激光器的输出端光纤即为泵浦子模块的输出光纤。构成第一泵浦模块的所有泵浦子模块的输出光纤即为第一泵浦模块的输出光纤，且与第一信号泵浦合束器的N1个泵浦光输入端相连。构成第二泵浦模块的所有泵浦子模块的输出光纤即为第二泵浦模块的输出光纤，且与第二信号泵浦合束器的M1个泵浦光输入端相连。要求不管是在双向泵浦结构、前向泵浦结构还是后向泵浦结构中，所有泵浦子模块提供的注入到双包层掺镱光纤中的总泵浦光功率均应≥1.4kW。第一泵浦模块的输出光纤直径应≤第一信号泵浦合束器的泵浦光输入端光纤的直径；第一泵浦模块的输出光纤的数值孔径应≤第一信号泵浦合束器的泵浦光输入端光纤的数值孔径。第二泵浦模块的输出光纤直径应≤第二信号泵浦合束器的泵浦光输入端光纤的直径；第二泵浦模块的输出光纤的数值孔径应≤第二信号泵浦合束器的泵浦光输入端光纤的数值孔径。

本实用新型的第一包层光滤除器和第二包层光滤除器，主要用于滤除残余泵浦光。第一包层光滤除器和第二包层光滤除器的纤芯直径应与增益模块的两个信号光输出端的纤芯直径相等。第一包层光滤除器和第二包层光滤除器的包层直径应与增益模块的两个信号光输出端的包层直径相等。

本实用新型的高反光纤光栅的中心波长位于1060-1100nm之间，且在中心波长的反射率应大于等于99％。高反光纤光栅的输出端光纤抑制光纤端面对于光场的反射，可采用但不限于常见的斜角切割。

本实用新型的低反光纤光栅的中心波长与高反光纤光栅的中心波长近似相等(偏差应小于1nm)，且在中心波长的反射率为5％～15％。

本实用新型的输出耦合端的输入端光纤与低反光纤光栅的输出端光纤的纤芯包层几何尺寸相等，输出耦合端可采用光纤输出端帽。

本实用新型的工作过程是：

增益模块10中的泵浦耦合模块111将泵浦模块20中的980nm波段光纤激光器产生的泵浦光耦合到双包层掺镱光纤12中，并对双包层掺镱光纤12纤芯中的镱离子进行泵浦，从而产生特定波段(特定波段为高反光纤光栅41中心波段，也为低反光纤光栅42中心波段)的光场。然后该波段的光场在高反光纤光栅41和低反光纤光栅42构成的谐振腔内形成激光振荡，由低反光纤光栅42透射输出。最后在输出耦合端50输出特定波段激光。在此过程中，第一包层光滤除器31和第二包层光滤除器32将残余泵浦光滤除以使输出耦合端50输出特定波段激光。

采用本实用新型可以达到以下技术效果：

1.本实用新型输出激光仅含有一种横向模式，不包含其它横向模式的光纤激光器，属于严格单模光纤激光器，实现了千瓦量级单模掺镱光纤振荡器，确切的说，是实现了千瓦量级严格单模掺镱光纤振荡器，采用纤芯直径为10-15微米的双包层掺镱光纤，使得保持单模传输的同时，纤芯的数值孔径不至于过低，从而保证了光纤的抗弯曲能力，也降低了光纤的制造难度；

2.采用包层直径不大于150微米的设计，确保了双包层掺镱光纤的泵浦光吸收能力，从而使得在保证泵浦光能够得到充分吸收的同时，实现双包层掺镱光纤长度的有效控制，从而实现非线性效应的有效抑制；

3.采用980nm波段光纤激光器作为泵浦光源，在发挥掺镱光纤980nm波段强吸收优势的同时，大幅提升了注入到增益光纤内包层的泵浦光功率水平，为千瓦量级的功率输出奠定了基础；

4.通过采用信号泵浦合束器，实现了泵浦光的腔内注入(即不经过光纤光栅，直接注入到增益光纤中)，从而有效降低了对于光纤光栅功率承受能力的要求，也消除了光纤光栅的功率承受能力对于泵浦光功率提升的限制；

5.本实用新型能够在保证输出光场为严格单模的前提下，实现千瓦量级的功率输出。

附图说明

图1为本实用新型一种千瓦量级单模掺镱光纤振荡器的实施1(双向泵浦方式)总体结构示意图。

图2为描述图1各部件具体结构的示意图。

图3为本实用新型一种千瓦量级单模掺镱光纤振荡器的实施2(前向泵浦方式)具体结构示意图。

图4为本实用新型一种千瓦量级单模掺镱光纤振荡器的实施3(后向泵浦方式)具体结构示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步描述。

如图1所示，本实用新型由增益模块10(增益模块有两个信号光输出端，在图1中有两个泵浦光输入端，在图3和图4中均有一个泵浦光输入端)、泵浦模块20(图1中泵浦模块有两个，图3和图4中泵浦模块有一个)、第一包层光滤除器31、第二包层光滤除器32、高反光纤光栅41、低反光纤光栅42和输出耦合端50组成。泵浦模块20与增益模块10的泵浦光输入端相连。第一包层光滤除器31和第二包层光滤除器32的输入端分别与增益模块10的信号光输出端相连。第一包层光滤除器31的输出端与高反光纤光栅41的输入端相连。第二包层光滤除器32的输出端与低反光纤光栅42的输入端相连。输出耦合端50的输入端与低反光纤光栅42的输出端相连。本实用新型中不同器件之间的连接是通过光纤熔接来实现的。

如图2所示，本实用新型的增益模块10由泵浦耦合模块11和双包层掺镱光纤12组成。泵浦耦合模块11将泵浦光耦合到双包层掺镱光纤12中，并对双包层掺镱光纤12中的镱离子进行泵浦，从而产生特定波段(特定波段为高反光纤光栅41中心波段，等于低反光纤光栅42中心波段)的光场。双包层掺镱光纤12的纤芯直径为10～15微米，归一化频率小于2.405，包层直径≤150微米。

所述泵浦耦合模块11可采用双向泵浦结构、前向泵浦结构或后向泵浦结构。双向泵浦结构如图2所示。泵浦耦合模块11由第一信号泵浦合束器111和第二信号泵浦合束器112组成。其中，第一信号泵浦合束器111和第二信号泵浦合束器112均包含多个泵浦光输入端、1个信号光输入端和1个输出端。第一信号泵浦合束器111的信号光输入端1111和第二信号泵浦合束器112的信号光输入端1121即为增益模块10的2个信号光输出端。第一信号泵浦合束器111的输出端1112和第二信号泵浦合束器112的输出端1122与双包层掺镱光纤12的两端分别相连。要求第一信号泵浦合束器111的输出端1112、第二信号泵浦合束器112的输出端1122和双包层掺镱光纤12的纤芯包层几何尺寸相同。第一信号泵浦合束器111的N个泵浦光输入端(编号为11131-1113N，N为第一信号泵浦合束器111的泵浦光输入端个数，N≥1)和第二信号泵浦合束器112的M个泵浦光输入端(编号为11231-1123M，M为第二信号泵浦合束器112的泵浦光输入端个数，M≥1)即为增益模块10的泵浦光输入端(共N+M个)。

所述前向泵浦结构如图3所示，泵浦耦合模块11仅由第一信号泵浦合束器111组成。其中，第一信号泵浦合束器111包含多个泵浦光输入端、1个信号光输入端和1个输出端。第一信号泵浦合束器111的信号光输入端1111和双包层掺镱光纤12靠近第二包层光滤除器32的一端即为增益模块10的2个信号光输出端。第一信号泵浦合束器111的输出端1112与双包层掺镱光纤12远离第二包层光滤除器32的一端相连。要求第一信号泵浦合束器111的输出端光纤1112与双包层掺镱光纤12的纤芯包层几何尺寸相同。第一信号泵浦合束器111的N个泵浦光输入端(编号为11131-1113N，N为第一信号泵浦合束器111的泵浦光输入端个数，N≥1)即为增益模块10的泵浦光输入端。

所述后向泵浦结构如图4所示，泵浦耦合模块11仅由第二信号泵浦合束器112组成。其中，第二信号泵浦合束器112包含多个泵浦光输入端、1个信号光输入端和1个输出端。第二信号泵浦合束器112的信号光输入端1121和双包层掺镱光纤12靠近第一包层光滤除器31的一端即为增益模块10的2个信号光输出端。第二信号泵浦合束器112的输出端1122与双包层掺镱光纤12的远离第一包层光滤除器31的一端相连。要求第二信号泵浦合束器112的输出端光纤1122与双包层掺镱光纤12的纤芯包层几何尺寸均相同。第二信号泵浦合束器112的M个泵浦光输入端(编号为11231-1123M，M为第二信号泵浦合束器112的泵浦光输入端个数，M大于等于1)即为增益模块10的泵浦光输入端。

如图2所示，本实用新型的泵浦模块20在双向泵浦结构中由第一泵浦模块21和第二泵浦模块22组成。第一泵浦模块21和第二泵浦模块22均包含多个泵浦子模块。其中，第一泵浦模块21的泵浦子模块数量1≤N1≤N，第二泵浦模块22的泵浦子模块的数量1≤M1≤M。

如图3所示，本实用新型的泵浦模块20在前向泵浦结构仅由第一泵浦模块21组成。第一泵浦模块21包含N1个泵浦子模块。其中，第一泵浦模块21的泵浦子模块数量1≤N1≤N。

如图4所示，本实用新型的泵浦模块20在后向泵浦结构仅由第二泵浦模块22组成。第二泵浦模块22包含M1个泵浦子模块。其中，第二泵浦模块22的泵浦子模块数量1≤M1≤M。

所述泵浦子模块选用980nm波段光纤激光器(如图2所示实施例1中的泵浦子模块，编号为211-21N1和221-22M1；图3所示实施例2中的泵浦子模块，编号为211-21N1；图4所示实施例4中的泵浦子模块，编号为221-22M2；)，980nm波段光纤激光器的中心波长应不大于980nm(优选的，应不大于978nm)，1030nm波段放大自发辐射抑制应大于30dB。此时，980nm波段光纤激光器的输出端光纤即为泵浦子模块的输出光纤。构成第一泵浦模块21的所有泵浦子模块的输出光纤即为第一泵浦模块21的输出光纤，且与第一信号泵浦合束器111的N1个泵浦光输入端相连。构成第二泵浦模块22的所有泵浦子模块的输出光纤即为第二泵浦模块22的输出光纤，且与第二信号泵浦合束器112的M1个泵浦光输入端相连。要求不管在在双向泵浦结构(如图2所示)、前向泵浦结构(如图3所示)还是后向泵浦结构(如图4所示)中，所有泵浦子模块提供的注入到双包层掺镱光纤12的总泵浦光功率均应≥1.4kW。第一泵浦模块21的输出光纤直径应≤第一信号泵浦合束器111的泵浦光输入端光纤的直径；第一泵浦模块21的输出光纤的数值孔径应≤第一信号泵浦合束器111的泵浦光输入端光纤的数值孔径。第二泵浦模块22的输出光纤直径应≤第二信号泵浦合束器112的泵浦光输入端光纤的直径；第二泵浦模块22的输出光纤的数值孔径应≤第二信号泵浦合束器112的泵浦光输入端光纤的数值孔径。

如图1所示，本实用新型的第一包层光滤除器31和第二包层光滤除器32，主要用于滤除残余泵浦光。第一包层光滤除器31和第二包层光滤除器32的纤芯直径应与增益模块10的两个信号光输出端的纤芯直径相等，第一包层光滤除器31和第二包层光滤除器32的包层直径应与增益模块10的两个信号光输出端的包层直径相等。

本实用新型的高反光纤光栅41的中心波长位于1060-1100nm之间，且在中心波长的反射率应≥99％。高反光纤光栅41的输出端光纤抑制光纤端面对于光场的反射，可采用但不限于常见的斜角切割。

本实用新型的低反光纤光栅42的中心波长与高反光纤光栅41的中心波长近似相等(偏差应小于1nm)，且在中心波长的反射率为5％～15％。

本实用新型的输出耦合端50的输入端光纤与低反光纤光栅42的输出端光纤的纤芯包层几何尺寸相等，输出耦合端50可采用光纤输出端帽。

为验证本实用新型的效果，选定图2所示实施例1各部件的选型和参数为：增益模块10的双包层掺镱光纤12的纤芯直径为10微米，包层直径为125微米；第一信号泵浦合束器111和第二信号泵浦合束器112均具有2个泵浦光输入端(即N＝M＝2)。第一泵浦模块21包含2个泵浦子模块，即第一泵浦子模块211和第二泵浦子模块212，每个泵浦子模块均由一个980nm波段光纤激光器构成。第二泵浦模块22包含2个泵浦子模块，即第三泵浦子模块221和第四泵浦子模块222，每个泵浦子模块均由一个980nm波段光纤激光器构成。第一包层光滤除器31和第二包层光滤除器32用来滤除残余泵光。高反光纤光栅41中心波长为1080nm，中心波长的反射率为99.5％；低反光纤光栅42中心波长为1080nm，中心波长的反射率为10％。将高反光纤光栅42的输出端切割成斜角以抑制端面反馈。将低反光纤光栅42与输出耦合端50(采用光纤输出端帽)相连。实施例1在泵浦模块21和泵浦模块22提供总泵浦光功率为1.4kW的情况下，在1080nm波段输出激光的功率达到1.05kW，达到了千瓦以上。

选定图3所示实施例2各部件的选型和参数为：增益模块10的双包层掺镱光纤12的纤芯直径为10微米，包层直径为125微米；第一信号泵浦合束器111具有2个泵浦光输入端(即N＝2)。第一泵浦模块21包含2个泵浦子模块，即第一泵浦子模块211和第二泵浦子模块212，每个泵浦子模块均由一个980nm波段光纤激光器构成。第一包层光滤除器31和第二包层光滤除器32用来滤除残余泵光。高反光纤光栅41中心波长为1080nm，中心波长的反射率为99.5％；低反光纤光栅42中心波长为1080nm，中心波长的反射率为10％。将高反光纤光栅42的输出端切割成斜角以抑制端面反馈。将低反光纤光栅42与输出耦合端50(采用光纤输出端帽相连)。实施例2在泵浦模块21提供1.4kW泵浦光的情况下，在1080nm波段输出激光的功率为1.02kW，达到了千瓦以上。

选定图4所示实施例3各部件的选型和参数为：增益模块10的双包层掺镱光纤12的纤芯直径为10微米，包层直径为125微米；第二信号泵浦合束器112具有2个泵浦光输入端(即M＝2)。第二泵浦模块22包含2个泵浦子模块，即第三泵浦子模块221和第四泵浦子模块222，每个泵浦子模块均由一个980nm波段光纤激光器构成。第一包层光滤除器31和第二包层光滤除器32用来滤除残余泵光。高反光纤光栅41中心波长为1080nm，中心波长的反射率为99.5％；低反光纤光栅42中心波长为1080nm，中心波长的反射率为10％。将高反光纤光栅42的输出端切割成斜角以抑制端面反馈。将低反光纤光栅42与输出耦合端50(采用光纤输出端帽相连)。实施例3在泵浦模块22提供1.4kW泵浦光的情况下，在1080nm波段输出激光的功率为1.04kW，达到了千瓦以上。可见本实用新型可以实现千瓦量级严格单模的1080nm波段激光输出。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种千瓦量级单模掺镱光纤振荡器，其特征在于千瓦量级单模掺镱光纤振荡器由增益模块(10)、泵浦模块(20)、第一包层光滤除器(31)、第二包层光滤除器(32)、高反光纤光栅(41)、低反光纤光栅(42)和输出耦合端(50)组成；泵浦模块(20)与增益模块(10)的泵浦光输入端相连；第一包层光滤除器(31)和第二包层光滤除器(32)的输入端分别与增益模块(10)的信号光输出端相连；第一包层光滤除器(31)的输出端与高反光纤光栅(41)的输入端相连；第二包层光滤除器(32)的输出端与低反光纤光栅(42)的输入端相连；输出耦合端(50)的输入端与低反光纤光栅(42)的输出端相连；不同器件之间通过光纤熔接实现连接；

增益模块(10)由泵浦耦合模块(11)和双包层掺镱光纤(12)组成；泵浦耦合模块(11)将泵浦光耦合到双包层掺镱光纤(12)中，并对双包层掺镱光纤(12)中的镱离子进行泵浦，产生与高反光纤光栅(41)中心波段相同的光场；

所述泵浦耦合模块(11)采用双向泵浦结构，泵浦耦合模块(11)由第一信号泵浦合束器(111)和第二信号泵浦合束器(112)组成；第一信号泵浦合束器(111)和第二信号泵浦合束器(112)均包含多个泵浦光输入端、1个信号光输入端和1个输出端；第一信号泵浦合束器(111)的信号光输入端和第二信号泵浦合束器(112)的信号光输入端即为增益模块(10)的2个信号光输出端；第一信号泵浦合束器(111)的输出端和第二信号泵浦合束器(112)的输出端与双包层掺镱光纤(12)的两端分别相连；第一信号泵浦合束器(111)的输出端、第二信号泵浦合束器(112)的输出端和双包层掺镱光纤(12)的纤芯包层几何尺寸相同；第一信号泵浦合束器(111)的N个泵浦光输入端和第二信号泵浦合束器(112)的M个泵浦光输入端即为增益模块(10)的泵浦光输入端；N为第一信号泵浦合束器(111)的泵浦光输入端个数，N≥1，N个泵浦光输入端的编号为11131-1113N，M为第二信号泵浦合束器(112)的泵浦光输入端个数，M≥1，M个泵浦光输入端编号为11231-1123M；

泵浦模块(20)由第一泵浦模块(21)和第二泵浦模块(22)组成；第一泵浦模块(21)和第二泵浦模块(22)均包含多个泵浦子模块；其中，第一泵浦模块(21)的泵浦子模块数量1≤N1≤N，第二泵浦模块(22)的泵浦子模块的数量1≤M1≤M；

所述泵浦子模块选用980nm波段光纤激光器，980nm波段光纤激光器的中心波长不大于980nm，1030nm波段放大自发辐射抑制大于30dB；此时，980nm波段光纤激光器的输出端光纤即为泵浦子模块的输出光纤；构成第一泵浦模块(21)的所有泵浦子模块的输出光纤即为第一泵浦模块(21)的输出光纤，且与第一信号泵浦合束器(111)的N1个泵浦光输入端相连；构成第二泵浦模块(22)的所有泵浦子模块的输出光纤即为第二泵浦模块(22)的输出光纤，且与第二信号泵浦合束器(112)的M1个泵浦光输入端相连；

第一包层光滤除器(31)和第二包层光滤除器(32)用于滤除残余泵浦光；

高反光纤光栅(41)的中心波长位于1060-1100nm之间，且在中心波长的反射率≥99％；高反光纤光栅(41)的输出端光纤抑制光纤端面对于光场的反射；

低反光纤光栅(42)的中心波长与高反光纤光栅(41)的中心波长近似相等，且在中心波长的反射率为5％～15％；

输出耦合端(50)的输入端光纤与低反光纤光栅(42)的输出端光纤的纤芯包层几何尺寸相等。

2.如权利要求1所述的一种千瓦量级单模掺镱光纤振荡器，其特征在于所述增益模块(10)的双包层掺镱光纤(12)的纤芯直径为10～15微米，归一化频率小于2.405，包层直径≤150微米。

3.如权利要求1所述的一种千瓦量级单模掺镱光纤振荡器，其特征在于所述泵浦耦合模块(11)采用前向泵浦结构，泵浦耦合模块(11)由第一信号泵浦合束器(111)组成；其中，第一信号泵浦合束器(111)包含多个泵浦光输入端、1个信号光输入端和1个输出端；第一信号泵浦合束器(111)的信号光输入端和双包层掺镱光纤(12)靠近第二包层光滤除器(32)的一端即为增益模块(10)的2个信号光输出端；第一信号泵浦合束器(111)的输出端与双包层掺镱光纤(12)远离第二包层光滤除器(32)的一端相连；第一信号泵浦合束器(111)的输出端与双包层掺镱光纤(12)的纤芯包层几何尺寸相同；第一信号泵浦合束器(111)的N个泵浦光输入端即为增益模块(10)的泵浦光输入端；N个泵浦光输入端编号为11131-1113N，N为第一信号泵浦合束器(111)的泵浦光输入端个数，N≥1；所述泵浦模块(20)由第一泵浦模块(21)组成；第一泵浦模块(21)包含N1个泵浦子模块；第一泵浦模块(21)的泵浦子模块数量1≤N1≤N。

4.如权利要求1所述的一种千瓦量级单模掺镱光纤振荡器，其特征在于所述泵浦耦合模块(11)采用后向泵浦结构，泵浦耦合模块(11)由第二信号泵浦合束器(112)组成；其中，第二信号泵浦合束器(112)包含多个泵浦光输入端、1个信号光输入端和1个输出端；第二信号泵浦合束器(112)的信号光输入端和双包层掺镱光纤(12)靠近第一包层光滤除器(31)的一端即为增益模块(10)的2个信号光输出端；第二信号泵浦合束器(112)的输出端与双包层掺镱光纤(12)的远离第一包层光滤除器(31)的一端相连；第二信号泵浦合束器(112)的输出端与双包层掺镱光纤(12)的纤芯包层几何尺寸均相同；第二信号泵浦合束器(112)的M个泵浦光输入端即为增益模块(10)的泵浦光输入端，M个泵浦光输入端编号为11231-1123M，M为第二信号泵浦合束器(112)的泵浦光输入端个数，M≥1；泵浦模块(20)由第二泵浦模块(22)组成；第二泵浦模块(22)包含M1个泵浦子模块；第二泵浦模块(22)的泵浦子模块数量1≤M1≤M。

5.如权利要求1或3或4所述的一种千瓦量级单模掺镱光纤振荡器，其特征在于所述泵浦模块(20)中的泵浦子模块选用的980nm波段光纤激光器的中心波长不大于978nm，所有泵浦子模块提供的注入到双包层掺镱光纤(12)的总泵浦光功率均≥1.4kW。

6.如权利要求1或3所述的一种千瓦量级单模掺镱光纤振荡器，其特征在于所述泵浦模块(20)中的第一泵浦模块(21)的输出光纤直径≤第一信号泵浦合束器(111)的泵浦光输入端光纤的直径；第一泵浦模块(21)的输出光纤的数值孔径≤第一信号泵浦合束器(111)的泵浦光输入端光纤的数值孔径。

7.如权利要求1或4所述的一种千瓦量级单模掺镱光纤振荡器，其特征在于所述泵浦模块(20)中的第二泵浦模块(22)的输出光纤直径≤第二信号泵浦合束器(112)的泵浦光输入端光纤的直径；第二泵浦模块(22)的输出光纤的数值孔径≤第二信号泵浦合束器(112)的泵浦光输入端光纤的数值孔径。

8.如权利要求1或3或4所述的一种千瓦量级单模掺镱光纤振荡器，其特征在于所述第一包层光滤除器(31)和第二包层光滤除器(32)的纤芯直径与增益模块(10)的两个信号光输出端的纤芯直径相等，第一包层光滤除器(31)和第二包层光滤除器(32)的包层直径与增益模块(10)的两个信号光输出端的包层直径相等。

9.如权利要求1或3或4所述的一种千瓦量级单模掺镱光纤振荡器，其特征在于所述高反光纤光栅(41)采用斜角切割，所述低反光纤光栅(42)的中心波长与高反光纤光栅(41)的中心波长偏差小于1nm。

10.如权利要求1或3或4所述的一种千瓦量级单模掺镱光纤振荡器，其特征在于所述输出耦合端(50)采用光纤输出端帽。