CN221009480U - 一种高功率掺铥光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型实施例公开了一种高功率掺铥光纤激光器。该激光器包括N路激光输出结构和N×1功率合束器，每路激光输出结构的输出端与N×1功率合束器的一个输入端对应连接，N×1功率合束器的输出端输出合束后的激光；激光输出结构包括种子源和至少一级放大器，种子源包括第一光纤光栅、第一掺铥光纤、第二光纤光栅、第一泵浦合束器和至少一个第一泵浦源；放大器包括第二掺铥光纤、第二泵浦合束器和至少一个第二泵浦源；其中，N为大于或等于2的整数。本实用新型实施例的技术方案，采用MOPA+功率合成技术高性能输出1908nm波段激光，在光谱学、医学、通信、遥感、环境监测及红外对抗领域有着广泛而重要的应用前景。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光器技术领域，尤其涉及一种高功率掺铥光纤激光器。
背景技术
2μm波段的激光在光谱学、医学、通信、遥感、环境监测及红外对抗领域等领域有着广泛的应用，也可用于作为中红外参量放大器的泵浦源。而且2μm为人眼安全波段，所以在医疗可做眼睛方面治疗，且2μm波段中存在1940nm附近水的吸收峰，故也可做激光手术刀，肿瘤组织的切割。
但以往的无论是商用还是民用高功率(通常100W及以上)掺铥光纤激光器，无论采用直腔结构还是半导体加放大结构，均存在输出功率低且稳定性较差，效率低且不线性，在直腔中易出现双峰现象，这限制了激光器实现高功率输出。
实用新型内容
本实用新型提供了一种高功率掺铥光纤激光器，该高功率掺铥光纤激光器采用MOPA+功率合成技术高性能输出1908nm波段激光，能解决现有技术中输出功率低、稳定性差、输出效率低且输出功率线性度差的问题，在光谱学、医学、通信、遥感、环境监测及红外对抗领域有着广泛而重要的应用前景。
本实用新型提供了一种高功率掺铥光纤激光器，包括N路激光输出结构和N×1功率合束器，每路所述激光输出结构的输出端与所述N×1功率合束器的一个输入端对应连接，所述N×1功率合束器的输出端输出合束后的激光；
所述激光输出结构包括种子源和至少一级放大器，所述种子源包括第一光纤光栅、第一掺铥光纤、第二光纤光栅、第一泵浦合束器和至少一个第一泵浦源，所述第一光纤光栅、所述第一掺铥光纤和所述第二光纤光栅组成线性腔，所述第一光纤光栅的反射率大于所述第二光纤光栅的反射率，所述第一泵浦源输出的泵浦光经过所述第一泵浦合束器传输至所述线性腔激发种子光；
所述放大器包括第二掺铥光纤、第二泵浦合束器和至少一个第二泵浦源，所述第二泵浦源输出的泵浦光经过所述第二泵浦合束器传输至所述第二掺铥光纤，将所述种子光的功率放大；
其中，N为大于或等于2的整数。
可选的，所述第一泵浦合束器与所述第二光纤光栅的输出端连接，所述第二泵浦合束器与所述第二掺铥光纤的输出端连接，所述种子源和所述放大器的泵浦方式均为反向泵浦。
可选的，还包括至少一个包层光剥离器，所述包层光剥离器连接于所述第一光纤光栅与所述第一掺铥光纤之间、连接于所述种子源和所述第二掺铥光纤之间或者所述放大器与所述N×1功率合束器之间。
可选的，还包括光纤分束器和光电探测器，所述光纤分束器的输入端与所述种子源的输出端连接，所述光纤分束器的第一输出端与所述放大器连接，所述光纤分束器的第二输出端与所述光电探测器连接。
可选的，还包括光隔离器，所述光隔离器的输入端与所述种子源的输出端连接，所述光隔离器的输出端与所述放大器的输入端连接。
可选的，还包括环行器和功率计，所述环行器的第一端与所述种子源的输出端连接，第二端与所述放大器的输入端连接，第三端与所述功率计连接。
可选的，还包括连接于所述种子源与所述放大器之间的光纤模场适配器。
可选的，所述第一光纤光栅的反射率大于或等于99％，所述第二光纤光栅的反射率小于或等于10％。
可选的，所述第一泵浦源输出的泵浦光波长和所述第二泵浦源输出的泵浦光波长相同，所述第一泵浦源输出的泵浦光功率小于所述第二泵浦源输出的泵浦光功率。
可选的，N＝5，每路所述激光输出结构的输出功率大于100W，所述N×1功率合束器的输出功率大于500W。
本实用新型实施例提供的高功率掺铥光纤激光器，包括N路激光输出结构和N×1功率合束器，每路激光输出结构的输出端与N×1功率合束器的一个输入端对应连接，N×1功率合束器的输出端输出合束后的激光；激光输出结构包括种子源和至少一级放大器，种子源包括第一光纤光栅、第一掺铥光纤、第二光纤光栅、第一泵浦合束器和至少一个第一泵浦源，第一光纤光栅、第一掺铥光纤和第二光纤光栅组成线性腔，第一光纤光栅的反射率大于第二光纤光栅的反射率，第一泵浦源输出的泵浦光经过第一泵浦合束器传输至线性腔激发种子光；放大器包括第二掺铥光纤、第二泵浦合束器和至少一个第二泵浦源，第二泵浦源输出的泵浦光经过第二泵浦合束器传输至第二掺铥光纤，将种子光的功率放大；其中，N为大于或等于2的整数。通过种子源产生种子光，通过至少一级放大器将种子光的功率放大，通过功率合束器将N束光合束为一束大功率激光，即采用MOPA+功率合成技术高性能输出1908nm波段激光，在光谱学、医学、通信、遥感、环境监测及红外对抗领域有着广泛而重要的应用前景。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本实用新型的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本实用新型的范围。本实用新型的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例提供的一种高功率掺铥光纤激光器的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的另一种高功率掺铥光纤激光器的结构示意图；
图3为本实用新型实施例提供的又一种高功率掺铥光纤激光器的结构示意图；
图4为本实用新型实施例提供的又一种高功率掺铥光纤激光器的结构示意图；
图5为本实用新型实施例提供的又一种高功率掺铥光纤激光器的结构示意图；
图6为本实用新型实施例提供的又一种高功率掺铥光纤激光器的结构示意图；
图7为本实用新型实施例提供的又一种高功率掺铥光纤激光器的结构示意图；
图8为本实用新型实施例提供的高功率掺铥光纤激光器中种子源的输出光谱示意图；
图9为本实用新型实施例提供的高功率掺铥光纤激光器输出功率稳定性示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，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一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
图1为本实用新型实施例提供的一种高功率掺铥光纤激光器的结构示意图，参考图1，本实施例提供的高功率掺铥光纤激光器包括N路激光输出结构10和N×1功率合束器20(图1以N＝2为例，并不是对本实用新型实施例的限定)，每路激光输出结构10的输出端与N×1功率合束器20的一个输入端对应连接，N×1功率合束器20的输出端输出合束后的激光；激光输出结构10包括种子源11和至少一级放大器12(图1中以一级放大器为例，并不是对本实用新型实施例的限定)，种子源11包括第一光纤光栅111、第一掺铥光纤112、第二光纤光栅113、第一泵浦合束器114和至少一个第一泵浦源115(图1中示例性示出一个第一泵浦源115)，第一光纤光栅111、第一掺铥光纤112和第二光纤光栅113组成线性腔，第一光纤光栅111的反射率大于第二光纤光栅113的反射率，第一泵浦源115输出的泵浦光经过第一泵浦合束器114传输至线性腔激发种子光；放大器12包括第二掺铥光纤121、第二泵浦合束器122和至少一个第二泵浦源123(图1中示例性示出两个第二泵浦源123)，第二泵浦源123输出的泵浦光经过第二泵浦合束器122传输至第二掺铥光纤121，将种子光的功率放大；其中，N为大于或等于2的整数。
其中，第一光纤光栅111为高反射率光栅，第二光纤光栅113为低反射率光栅，两个光栅作为谐振腔的腔镜，第一光纤光栅111、第一掺铥光纤112和第二光纤光栅113依次连接形成线性腔结构，本实施例中，可选的，第一光纤光栅111的反射率大于或等于99％，第二光纤光栅113的反射率小于或等于10％，具体实施时可以根据实际情况设计。例如在某一实施例中，产生的种子光波长为1908nm，第一光纤光栅111为中心波长1908nm，带宽2nm，反射率99％的光纤布拉格光栅，第二光纤光栅113为中心波长1908nm，带宽1nm，反射率10％的光纤布拉格光栅。第一泵浦源115和第二泵浦源123可以采用同种波长的半导体激光二极管，可选的，第一泵浦源115输出的泵浦光波长和第二泵浦源123输出的泵浦光波长相同，第一泵浦源115输出的泵浦光功率小于第二泵浦源123输出的泵浦光功率。例如第一泵浦源115可以为793nm，20W的半导体激光二极管，第二泵浦源可以为793nm，50W的半导体激光二极管。
本实用新型实施例的技术方案，通过种子源产生种子光，通过至少一级放大器将种子光的功率放大，通过功率合束器将N束光合束为一束大功率激光，即采用MOPA+功率合成技术高性能输出1908nm波段激光，在光谱学、医学、通信、遥感、环境监测及红外对抗领域有着广泛而重要的应用前景。
继续参考图1，可选的，第一泵浦合束器114与第二光纤光栅113的输出端连接，第二泵浦合束器122与第二掺铥光纤121的输出端连接，种子源11和放大器12的泵浦方式均为反向泵浦。
通过设置种子源11和放大器12均采用反向泵浦的方式，可以有效提高泵浦效率，降低功耗。
可选的，本实施例提供的高功率掺铥光纤激光器还包括至少一个包层光剥离器，包层光剥离器连接于第一光纤光栅与第一掺铥光纤之间、连接于种子源和第二掺铥光纤之间或者放大器与N×1功率合束器之间。
其中，高功率激光器中的掺铥光纤一般采用双包层光纤，包层光剥离器(CPS)用于将在内包层传输的泵浦光与纤芯泄漏到包层的信号光剥离，以激光器包括三个包层光剥离器为例，图2为本实用新型实施例提供的另一种高功率掺铥光纤激光器的结构示意图，参考图2，本实施例提供的高功率掺铥光纤激光器还包括第一包层光剥离器131、第二包层光剥离器132和第三包层光剥离器133，第一包层光剥离器131连接于第一光纤光栅111与第一掺铥光纤112之间，第二包层光剥离器132连接于种子源11和第二掺铥光纤121之间，第三包层光剥离器133位于放大器12与N×1功率合束器20之间。在其他实施例中，一路激光输出结构还可以设置一个或两个包层光剥离器，具体实施时可以根据实际情况选择。
图3为本实用新型实施例提供的又一种高功率掺铥光纤激光器的结构示意图，参考图3，可选的，本实施例提供的高功率掺铥光纤激光器还包括光纤分束器141和光电探测器142，光纤分束器141的输入端与种子源11的输出端连接，光纤分束器141的第一输出端与放大器12连接，光纤分束器141的第二输出端与光电探测器142连接。
其中，光纤分束器141可以为1/999光纤耦合器，光电探测器142可以为PIN光电二极管，光纤分束器141的第二输出端输出种子光0.1％的功率被光电探测器142接收，用于实现种子光的监测，光纤分束器141的第一输出端输出种子光99.9％的功率进入放大器12实现功率放大。
图4为本实用新型实施例提供的又一种高功率掺铥光纤激光器的结构示意图，参考图4，可选的，本实施例提供的高功率掺铥光纤激光器还包括光隔离器15，光隔离器15的输入端与种子源11的输出端连接，光隔离器15的输出端与放大器12的输入端连接。
其中，光隔离器15用于保证激光单向传输，避免放大器12中的回光对种子源11产生干扰，从而提升种子源11的输出稳定性。
图5为本实用新型实施例提供的又一种高功率掺铥光纤激光器的结构示意图，参考图5，可选的，本实施例提供的高功率掺铥光纤激光器还包括环行器161和功率计162，环行器161的第一端与种子源11的输出端连接，第二端与放大器12的输入端连接，第三端与功率计162连接。
其中，环行器为一种多端口的具有非互易特性的光器件。光信号由任一端口输入时，都能按端口顺序从下一端口以很小的损耗输出，而该端口通向所有其他端口的损耗都很大，成为不相通端口。通过设置环行器161，其第三端可以检测放大器12的回光。
图6为本实用新型实施例提供的又一种高功率掺铥光纤激光器的结构示意图，参考图6，可选的，本实施例提供的高功率掺铥光纤激光器还包括连接于种子源11与放大器12之间的光纤模场适配器17。通过设置光纤模场适配器17，可以提升光束传输性能，有利于高功率的产生。
需要说明的是，以上图2～图6的实施例中提到的附加光学器件，可以根据实际需要组合形成更多的实施例，具体实施时可以根据实际情况设计。在某一具体实施例中，可选的，N＝5，每路激光输出结构的输出功率大于100W，N×1功率合束器的输出功率大于500W。
示例性的，图7为本实用新型实施例提供的又一种高功率掺铥光纤激光器的结构示意图，参考图7，本实施例中，种子源11采用直腔反向泵浦结构：第一光纤光栅111为中心波长1908nm，带宽2nm，反射率99％的高反光栅，第二光纤光栅113为中心波长1908nm，带宽1nm，反射率为10％的低反光栅，光栅制作光纤均为nufern SM-GDF-10/130-15M。第一掺铥光纤112型号为SM-TDF-10/130NA:0.14，长度为2.3m，并将第一掺铥光纤112盘绕在9cm的直径的圆柱上，有利于散热和滤除高阶模，第一泵浦合束器114采用(2+1)×1承受功率25W，输入输出均为SM-GDF-10/130-15M光纤，泵浦端光纤为MM-S105/125NA:0.22。第一泵浦合束器114输出端与第一掺铥光纤112熔接为低折点做涂覆处理，第一泵浦合束器114输入信号端接一个2μm高功率1/999光纤分束器141，制作光纤为SM-GDF-10/130-15M，承受功率10W，其中0.1％接入光电探测器142做保护，99.9％输出后接入一个2μm 10W光隔离器15，目的是避免放大回光对种子源11产生干扰，光隔离器15后需要接入一个高功率环行器161，制作光纤为SM-GDF-10/130-15M，环行器161第二端接入放大器12，第三端接功率计162检测高功率下的回光。第一泵浦源115采用793nm波长，20W功率，输出光纤采用MM-S105/125NA:0.22的半导体激光二极管，与第一泵浦合束器114泵浦端光纤兼容，并带TEC进行控温，来控制泵浦波长，当泵浦19W时，输出5.6W的种子光，效率为29.4％，为高功率高稳定性做好铺垫。
放大器12也采用反向泵浦方式，其中光纤模场适配器17的输入光纤为SM-GDF-10/130-15M，输出光纤为LMA-GDF-25/250-09M，包层光剥离器(CPS)132制作光纤为LMA-GDF-25/250-09M，使用氢氟酸(HF)把内包层腐蚀，将其在内包层传输的泵浦光与纤芯泄漏到包层信号光剥离，第二掺铥光纤121为LMA-TDF-25/250NA:0.1，长度2.8m，将第二掺铥光纤121放在10cm的铝盘内并涂抹高热硅脂让光纤与铝盘充分接触，第二泵浦合束器122采用(6+1)×1端口合束器，输入输出采用BD-G25/250-11FA，6个泵浦端采用MM-S105/125NA:0.22，承受功率100W，第二泵浦源123采用793nm波长，50W输出功率，输出光纤采用MM-S105/125NA:0.22的半导体激光二极管，数量为5个(图中仅示例性示出两个)，并带TEC进行控温，来控制泵浦波长，当泵浦输入243W时，输出106W 1908nm激光，效率高达43.6％。整个放大过程输出功率随泵浦线性增加，第二泵浦合束器122输出再接一个腐蚀的CPS使用光纤为BD-G25/250-11FA，目的是为了剥离放大和合束器产生的包层光，提高光束质量和系统的稳定性。
5个单路输出的106W 1908nm激光器通过一个5×1功率合束器20合束输出500W，合束端光纤为BD-G25/250-11FA，输出采用匀化多模光纤MM-550/600/750三包层光纤，每路耦合效率大于94.3％，合束输出再接一个Endcap并通过水冷散热。
综上，种子源产生5.6W 1908nm激光，放大后单路输出106W，将5路耦合后输出500W，整个系统散热方式为水冷，放大中通过环行器未观察到非线性的产生。
图8为本实用新型实施例提供的高功率掺铥光纤激光器中种子源的输出光谱示意图，图9为本实用新型实施例提供的高功率掺铥光纤激光器输出功率稳定性示意图。本实施例提供的高功率掺铥光纤激光器具有以下优点：
1)采用2.3m SM-TDF-10/130搭建线性腔输出波长稳定且单峰(如图8)，因低反光栅采用温度补偿技术故输出波长不随温度变化，为后续高功率高稳定性做好铺垫；
2)放大采用反向泵浦，光路和电路均采用水冷方式，因1908nm在LMA-TDF-25/250Z增益光纤边带，通过优化增益光纤2.8m，最终单路输出106W效率高达43.6％；
3)功率合束效率较高，每路耦合效率大于94.3％，确保5路合束后功率大于500W，耦合后1小时不稳定度达到±0.9％(如图9)。
本实用新型实施例输出高性能1908nm波段激光，可做固体激光器例如Fe：ZnSe晶体、MgO：PPLN晶体，以及ZGP晶体的泵浦源，产生3μm～5μm波段的中红外激光。由于1908nm处于大气窗口波段，同时又是众多原子及分子的吸收峰，因此在光谱学、医学、通信、遥感、环境监测及红外对抗领域有着广泛而重要的应用前景。
上述具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高功率掺铥光纤激光器，其特征在于，包括N路激光输出结构和N×1功率合束器，每路所述激光输出结构的输出端与所述N×1功率合束器的一个输入端对应连接，所述N×1功率合束器的输出端输出合束后的激光；
所述激光输出结构包括种子源和至少一级放大器，所述种子源包括第一光纤光栅、第一掺铥光纤、第二光纤光栅、第一泵浦合束器和至少一个第一泵浦源，所述第一光纤光栅、所述第一掺铥光纤和所述第二光纤光栅组成线性腔，所述第一光纤光栅的反射率大于所述第二光纤光栅的反射率，所述第一泵浦源输出的泵浦光经过所述第一泵浦合束器传输至所述线性腔激发种子光；
所述放大器包括第二掺铥光纤、第二泵浦合束器和至少一个第二泵浦源，所述第二泵浦源输出的泵浦光经过所述第二泵浦合束器传输至所述第二掺铥光纤，将所述种子光的功率放大；
其中，N为大于或等于2的整数。
2.根据权利要求1所述的高功率掺铥光纤激光器，其特征在于，所述第一泵浦合束器与所述第二光纤光栅的输出端连接，所述第二泵浦合束器与所述第二掺铥光纤的输出端连接，所述种子源和所述放大器的泵浦方式均为反向泵浦。
3.根据权利要求1所述的高功率掺铥光纤激光器，其特征在于，还包括至少一个包层光剥离器，所述包层光剥离器连接于所述第一光纤光栅与所述第一掺铥光纤之间、连接于所述种子源和所述第二掺铥光纤之间或者所述放大器与所述N×1功率合束器之间。
4.根据权利要求1所述的高功率掺铥光纤激光器，其特征在于，还包括光纤分束器和光电探测器，所述光纤分束器的输入端与所述种子源的输出端连接，所述光纤分束器的第一输出端与所述放大器连接，所述光纤分束器的第二输出端与所述光电探测器连接。
5.根据权利要求1所述的高功率掺铥光纤激光器，其特征在于，还包括光隔离器，所述光隔离器的输入端与所述种子源的输出端连接，所述光隔离器的输出端与所述放大器的输入端连接。
6.根据权利要求1所述的高功率掺铥光纤激光器，其特征在于，还包括环行器和功率计，所述环行器的第一端与所述种子源的输出端连接，第二端与所述放大器的输入端连接，第三端与所述功率计连接。
7.根据权利要求1所述的高功率掺铥光纤激光器，其特征在于，还包括连接于所述种子源与所述放大器之间的光纤模场适配器。
8.根据权利要求1所述的高功率掺铥光纤激光器，其特征在于，所述第一光纤光栅的反射率大于或等于99％，所述第二光纤光栅的反射率小于或等于10％。
9.根据权利要求1所述的高功率掺铥光纤激光器，其特征在于，所述第一泵浦源输出的泵浦光波长和所述第二泵浦源输出的泵浦光波长相同，所述第一泵浦源输出的泵浦光功率小于所述第二泵浦源输出的泵浦光功率。
10.根据权利要求1所述的高功率掺铥光纤激光器，其特征在于，N＝5，每路所述激光输出结构的输出功率大于100W，所述N×1功率合束器的输出功率大于500W。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202321262217.0U CN221009480U (zh) | 2023-05-23 | 2023-05-23 | 一种高功率掺铥光纤激光器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202321262217.0U CN221009480U (zh) | 2023-05-23 | 2023-05-23 | 一种高功率掺铥光纤激光器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN221009480U true CN221009480U (zh) | 2024-05-24 |
Family
ID=91089933
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202321262217.0U Active CN221009480U (zh) | 2023-05-23 | 2023-05-23 | 一种高功率掺铥光纤激光器 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN221009480U (zh) |
-
2023
- 2023-05-23 CN CN202321262217.0U patent/CN221009480U/zh active Active
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