WO2020155997A1

WO2020155997A1 - 光纤激光器

Info

Publication number: WO2020155997A1
Application number: PCT/CN2019/129634
Authority: WO
Inventors: 周焕先; 朱江杰; 强瑞荣
Original assignee: 深圳市杰普特光电股份有限公司
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2019-12-28
Publication date: 2020-08-06
Also published as: CN109687270A

Abstract

一种光纤激光器（100），包括用于输出初始激光的种子源（20）、用于预放大的第一级放大器（30）、用于第二次放大的第二级放大器（40）、及用于第三次放大的第三级放大器（50）；第一级放大器（30）包括第一有源光纤（32）、第一合束器（33）、及第一泵浦源（34）；无源光纤（31）、第一有源光纤（32）、及第一合束器（33）连接在种子源（20）与第二级放大器（40）之间；第一泵浦源（34）连接第一合束器（33）；第二级放大器（40）包括第二有源光纤（41）、第二合束器（42）、及第二泵浦源（43）；第二有源光纤（41）及第二合束器（42）连接在第一级放大器（30）与第三级放大器（50）之间。通过对初始激光进行多次放大，在相同的目标功率下，总增益分别分配到第一级放大器（30）、第二级放大器（40）、第三级放大器（50）上，降低了各级的单独增益，从而降低了各放大级的自发辐射及光子暗化的影响，有利于提高工作寿命。

Description

光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光技术，特别是涉及一种光纤激光器。

背景技术

光纤激光器因具有光束质量高、成本低、转换效率高、稳定性好、体积小、兼容性强、寿命长和散热快等优点而备受关注，而采用MOPA结构级联放大技术的光纤激光器更是因其高功率、高重复频率及窄线宽在工业应用的优势而成为研究热点。随着工业应用对效率越来越高的要求，平均功率不断提高，在单个放大级的增益提升后，有源光纤的光子暗化效应导致激光器在长期工作中会出现功率衰减的现象、及红光的固有损耗增大，影响激光器的工作寿命。

发明内容

基于此，有必要针对工作寿命问题，提供一种光纤激光器。

一种光纤激光器，包括：用于输出初始激光的种子源、用于对初始激光进行预放大的第一级放大器、用于对初始激光进行第二次放大的第二级放大器、及用于对初始激光进行第三次放大的第三级放大器；所述第一级放大器包括第一有源光纤、第一合束器、及第一泵浦源；所述第一有源光纤、及所述第一合束器连接在所述种子源与所述第二级放大器之间；所述第一泵浦源连接所述第一合束器；所述第二级放大器包括第二有源光纤、第二合束器、及第二泵浦源；所述第二有源光纤及所述第二合束器连接在所述第一级放大器与所述第三级放大器之间；所述第二泵浦源连接所述第二合束器。

上述光纤激光器，通过设置第一级放大器、第二级放大器、第三级放大器，对初始激光进行多次放大，在相同的目标功率下，总增益分别分配到第一级放大器、第二级放大器、第三级放大器上，降低了第一级放大器、第二级放大器、第三级放大器的单独增益，从而降低了各放大级的自发辐射及光子暗化的影响，有利于提高激光器的工作寿命。

在其中一个实施例中，还包括红光组件，所述红光组件包括连接在所述第二级放大器与所述第三级放大器之间的WDM耦合器、及连接所述WDM耦合器的红光激光器。

在其中一个实施例中，所述第三级放大器包括第三有源光纤、第三合束器、及第三泵浦源；所述第三有源光纤、及所述第三合束器连接在所述第二级放大器与所述光纤激光器的输出端之间；所述第三泵浦源与所述第三合束器的泵浦臂连接。

在其中一个实施例中，所述第三级放大器还包括连接其输入端的级间隔离组件，所述第三有源光纤、及所述第三合束器连接在所述级间隔离组件与所述第三级放大器的输出端之间；所述级间隔离组件包括串联连接的所述第一在线隔离器、及所述第二在线隔离器。

在其中一个实施例中，所述级间隔离组件还包括输入光纤及输出光纤；所述第一在线隔离器通过所述输入光纤与所述第三级放大器的输入端连接，所述第二在线隔离器通过所述输出光纤与所述第三合束器连接。

在其中一个实施例中，所述第三级放大器还包括剥模器，所述剥模器与所述第三级放大器的输出端连接。

在其中一个实施例中，所述第三有源光纤为30/250μm大模场双包层掺镱光纤，所述第三泵浦源为多个，所述第三合束器为(6+1)*1结构。

在其中一个实施例中，所述第一级放大器还包括第一双级隔离器；所述第一双级隔离器、所述第一有源光纤、及所述第一合束器连接在所述第一级放大器的输入端与输出端之间。

在其中一个实施例中，所述第一有源光纤为7/128um双包层掺镱光纤。

在其中一个实施例中，所述第二级放大器还包括第二双级隔离器；所述第二双级隔离器、所述第二有源光纤、及所述第二合束器依次连接在所述第二级放大器的输入端与输出端之间。

附图说明

图1为本发明的一较佳实施例的光纤激光器的光学结构示意图；

图2为光纤激光器的功率稳定性测试效果图；

图3为光纤激光器的寿命测试效果图；

图4为光纤激光器的红光寿命测试效果图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，为本发明一较佳实施方式的光纤激光器100，用于产生输出激光。该光纤激光器100包括用于输出初始激光的种子源20、用于对初始激光进行预放大的第一级放大器30、用于对初始激光进行第二次放大的第二级放大器40、及用于对初始激光进行第三次放大的第三级放大器50；第一级放大器30包括第一有源光纤32、第一合束器33、及第一泵浦源34；第一有源光纤32、及第一合束器33连接在种子源20与第二级放大器40之间；第一泵浦源34连接第一合束器33；第二级放大器40包括第二有源光纤41、第二合束器42、及第二泵浦源43；第二有源光纤41及第二合束器42连接在第一级放大器30与第三级放大器50之间；第二泵浦源43连接第二合束器42。

通过设置第一级放大器30、第二级放大器40、第三级放大器50，对初始激光进行多次放大，在相同的目标功率下，总增益分别分配到第一级放大器30、第二级放大器40、第三级放大器50上，降低了第一级放大器30、第二级放大器40、第三级放大器50的单独增益，从而降低了各放大级的自发辐射及光子暗化的影响，有利于提高激光器的工作寿命。

在其中一个实施方式中，为对光纤激光器100的输出激光进行标记，以确认光纤激光器100输出端的瞄准位置，光纤激光器100还包括红光组件60，红光组件60包括连接在第二级放大器40与第三级放大器50之间的WDM耦合器61、及连接WDM耦合器61的红光激光器62；通过WDM耦合器61将红光激光耦合到光纤激光器100的主光路中，令红光激光与放大后的初始激光共同由光纤激光器100的输出端输出，从而起到指示标记的作用。

在其中一个实施方式中，第三级放大器50包括第三有源光纤51、第三合束器52、及第三泵浦源53；第三有源光纤51、及第三合束器52连接在第二级放大器40与光纤激光器100的输出端之间；第三泵浦源53与第三合束器52的泵浦臂连接。

在其中一个实施方式中，为在较高激光功率下实现第三级放大器50与第二级放大器40之间的隔离，第三级放大器50还包括连接其输入端的级间隔离组件54，第三有源光纤51、及第三合束器52连接在级间隔离组件54与第三级放大器50的输出端之间；级间隔离组件54包括串联连接的第一在线隔离器55、及第二在线隔离器56；具体地，通过第一在线隔离器55及第二在线隔离器56串联在第三级放大器50的输入端，从而提供了更高的隔离度，以及提高可承受的激光功率，在0～40℃范围内能保持一致的隔离度、及保持较低的插损，令进入第三级放大器50的脉冲光保持稳定。

在其中一个实施方式中，为方便实现级间隔离组件54与第二级放大器40、第三合束器52的匹配，级间隔离组件54还包括输入光纤及输出光纤；第一在线隔离器55通过输入光纤与第三级放大器50的输入端连接，第二在线隔离器56通过输出光纤与第三合束器52连接；具体地，输入光纤、输出光纤为20/140μm单包层光纤；第一在线隔离器55与第二在线隔离器56之间通过20/140μm单包层光纤连接。

在其中一个实施方式中，为保证光纤激光器100的输出激光的质量，第三级放大器50还包括剥模器57，剥模器57与第三级放大器50的输出端连接；剥模器57对第三级放大器50中的包层传输的泵浦光进行过滤，从而保证输出激光的质量。

在其中一个实施方式中，第三有源光纤51为30/250μm大模场双包层掺镱光纤，第三泵浦源53为多个，第三合束器52为(6+1)*1结构；具体地，为对初始激光进行最终放大，第三泵浦源53为波长915nm、功率85W的半导体泵浦激光器。

在其中一个实施方式中，为避免种子源20受损，第一级放大器30还包括第一双级隔离器35；第一双级隔离器35、第一有源光纤32、及第一合束器33依次连接在第一级放大器30的输入端与输出端之间；从而避免经第一级放大器30放大后产生的反向光，或经第二级放大器40、第三级放大器50放大后产生的反向光射入到种子源20上，造成种子源20受损。

在其中一个实施方式中，第一有源光纤32为7/128um双包层掺镱光纤；具体地，为实现对种子源20的预放大，第一合束器33为(1+1)*1结构；第一泵浦源34为960nm、10W泵浦激光器；第一双级隔离器35采用400mW功率等级。

在其中一个实施方式中，为避免第一级放大器30受到第二级放大器40或第三级放大器50所产生的反向光的影响，第二级放大器40还包括第二双级隔离器44；第二双级隔离器44、第二有源光纤41、及第二合束器42依次连接在第二级放大器40的输入端与输出端之间；从而避免经第二级放大器40或第三级放大器50放大后产生的反向光射入到第一级放大器30上，造成第一级放大器30的不稳定或受损；具体地，为对初始激光进行第二次放大，第二泵浦源43采用915nm、30W半导体泵浦激光器；第二合束器42采用(2+1)*1结构。

在其中一个实施方式中，为避免光纤激光器100的输出激光在外部受到反射后，造成第三级放大器50受损，光纤激光器100还包括输出隔离器70，输出隔离器70与第三级放大器50的输出端连接。

具体地，种子源20输出波长为1064nm，3dB谱宽为13nm，种子源20的脉冲宽度和频率独立可调，种子源20的脉冲宽度可在连续模式、8ns、13ns、20ns、30ns、45ns、60ns、80ns、100ns、150ns、200ns、250ns、350ns、500ns之间切换；种子源20所产生的初始激光经过波形优化、降低峰值功率后，能抑制第一级放大器30、第二级放大器40、第三级放大器50中的激光的非线性，提高单脉冲能量；初始激光的功率为5～15mW。

初始激光在第一级放大器30中进行预防大及滤波，经第一级放大器30的调整，令初始激光平滑稳定，同时避免了受激拉曼散射、非线性效应、自激辐射、及受激布里渊散射等情况的产生；进一步地，第一级放大器30还包括无源光纤31，无源光纤31、第一双级隔离器35、第一有源光纤32、及第一合束器33依次连接在第一级放大器30的输入端与输出端之间；无源光纤31使反向激光与种子源20产生的正向激光错开，起到保护有源光纤的作用，避免种子源20、第一有源光纤32、第二有源光纤41、或第三有源光纤51受损；具体地，无源光纤31的型号为HI1060。

初始激光经第一级放大器30放大后进入至第二级放大器40，为保证第二级放大器40的输出基模传输(M ²＝1.1～1.2)、向第三级放大器50提供高光束质量的信号光，第二级放大器40的输出端的光纤熔接点作高折射率胶滤模处理。

在其中一种实施方式中，光纤激光器100的输出功率为200W，第二有源光纤41采用20/130μm双包层掺镱光纤，从而降低了第二有源光纤41中的功率密度，抑制第二级放大器40中的非线性，令第二级放大器40输出光束保持优良的质量及亮度，向第三级放大器50注入更高功率更稳定的信号光，从而抑制光子暗化效应，提高功率稳定性，延长光纤激光器100的寿命。

第三级放大器50对初始激光进行最终放大，在剥模器57的作用下，输出近单模激光，M ²＜1.6，非线性效应及自激峰均抑制在极低的值，光纤激光器100可在0～40℃的工作环境里长时间稳定工作；进一步地，为在电路或光路出现异常、光纤激光器100无法提供输出激光时，能及时监控及停止光纤激光器100的运行，光纤激光器100还包括与剥模器57对应设置的光电探测器80，以接收剥模器57滤出的激光光线，当光纤激光器100异常运行时，光电探测器80接收到的激光光线产生异常，从而能根据滤出的激光光线的异常及时停止光纤激光器100的运行，剥模器57同时起到光束质量提升及提供检测分光的作用。

请参阅图2及表1，光纤激光器100在长时间功率稳定性测试前，输出功率为214.7W，在长时间运行后，输出功率为214.6W，功率波动为0.47％，输出功率保持稳定，可得，本实施方式中的光纤激光器100的功率在长期工作后衰减较少，具有较长的使用寿命。

表1

请参阅图3，本实施方式中的光纤激光器100在寿命测试开始时功率为215.6W，经过650个小时的连续寿命测试后功率为211.7W，下降3.9W，功率衰减1.81％，且趋于稳定，长期工作的功率衰减少，可见本实施方式中的光纤激光器100输出功率稳定性高，工作寿命长。

请参阅图4，光纤激光器100在650小时的红光寿命测试后，红光功率保持在0.86mW，较为明亮，能为光纤激光器100的打标应用提供精准的指示。

本实施例中，通过设置第一级放大器、第二级放大器、第三级放大器，对初始激光进行多次放大，在相同的目标功率下，总增益分别分配到第一级放大器、第二级放大器、第三级放大器上，降低了第一级放大器、第二级放大器、第三级放大器的单独增益，从而降低了各放大级的自发辐射及光子暗化的影响，有利于提高激光器的工作寿命。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

一种光纤激光器，其特征在于，包括：用于输出初始激光的种子源、用于对初始激光进行预放大的第一级放大器、用于对初始激光进行第二次放大的第二级放大器、及用于对初始激光进行第三次放大的第三级放大器；所述第一级放大器包括第一有源光纤、第一合束器、及第一泵浦源；所述第一有源光纤、及所述第一合束器连接在所述种子源与所述第二级放大器之间；所述第一泵浦源连接所述第一合束器；所述第二级放大器包括第二有源光纤、第二合束器、及第二泵浦源；所述第二有源光纤及所述第二合束器连接在所述第一级放大器与所述第三级放大器之间；所述第二泵浦源连接所述第二合束器。
根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，还包括红光组件，所述红光组件包括连接在所述第二级放大器与所述第三级放大器之间的WDM耦合器、及连接所述WDM耦合器的红光激光器。
根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述第三级放大器包括第三有源光纤、第三合束器、及第三泵浦源；所述第三有源光纤、及所述第三合束器连接在所述第二级放大器与所述光纤激光器的输出端之间；所述第三泵浦源与所述第三合束器的泵浦臂连接。
根据权利要求3所述的光纤激光器，其特征在于，所述第三级放大器还包括连接其输入端的级间隔离组件，所述第三有源光纤、及所述第三合束器连接在所述级间隔离组件与所述第三级放大器的输出端之间；所述级间隔离组件包括串联连接的所述第一在线隔离器、及所述第二在线隔离器。
根据权利要求4所述的光纤激光器，其特征在于，所述级间隔离组件还包括输入光纤及输出光纤；所述第一在线隔离器通过所述输入光纤与所述第三级放大器的输入端连接，所述第二在线隔离器通过所述输出光纤与所述第三合束器连接。
根据权利要求3所述的光纤激光器，其特征在于，所述第三级放大器还包括剥模器，所述剥模器与所述第三级放大器的输出端连接。
根据权利要求3所述的光纤激光器，其特征在于，所述第三有源光纤为30/250μm大模场双包层掺镱光纤，所述第三泵浦源为多个，所述第三合束器为(6+1)*1结构。
根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述第一级放大器还包括第一双级隔离器；所述第一双级隔离器、所述第一有源光纤、及所述第一合束器连接在所述第一级放大器的输入端与输出端之间。
根据权利要求8所述的光纤激光器，其特征在于，所述第一有源光纤为7/128um双包层掺镱光纤。
根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述第二级放大器还包括第二双级隔离器；所述第二双级隔离器、所述第二有源光纤、及所述第二合束器依次连接在所述第二级放大器的输入端与输出端之间。