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CN106711747B - 一种基于同带泵浦技术的复合腔结构光纤振荡器 - Google Patents

一种基于同带泵浦技术的复合腔结构光纤振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于同带泵浦的复合腔结构高功率光纤振荡器系统。该振荡器采用同带泵浦方案，利用1010nm～1030nm波段掺镱光纤激光器泵浦复合腔结构光纤振荡器，获得高功率、高效率的光纤激光输出。通过同带泵浦方案，有效提高了注入的泵浦光源亮度，增加了泵浦光的注入功率，从而提高振荡器输出功率水平。同时，利用多对光栅级联构成复合腔结构，通过引入多个波长的光有效降低了光纤内非线性作用强度，并且缩短了非线性效应的有效作用长度，提高非线性效应阈值，从而实现振荡器更高输出功率水平。

Description

一种基于同带泵浦技术的复合腔结构光纤振荡器
技术领域
本发明涉及一种光纤激光器，尤其是一种基于同带泵浦技术的复合腔结构光纤振荡器。
背景技术
光纤激光器以其光束质量好、转换效率高、结构稳定紧凑、热管理便利等优势，在激光医疗、生物工程、工业制造、国防建设等领域具有广阔应用前景。目前高功率光纤激光通常使用掺镱光纤实现，单纤单模输出功率已高达20kW，多模输出功率高达100kW。以上记录均由光纤放大器结构创造，而对于结构更加简单紧凑的光纤振荡器其最高功率在数千瓦量级，在1微米波段长波方向(>1120nm)最高功率仅为数百瓦。随着双包层光纤、光纤光栅等器件制作工艺的改进，光纤振荡器的功率不断提高，然而泵浦光源亮度不足、非线性效应、光纤热透镜效应等因素仍为其发展瓶颈。为了突破泵浦光源亮度对功率提升的限制，近年来研究人员提出同带泵浦方案，该方案首先利用常规半导体激光泵浦产生亮度较高的光纤激光，再以产生的激光继续泵浦产生亮度更高的光纤激光，这样通过二次泵浦过程有效提高了泵浦光源的亮度，增加了泵浦光的注入功率。同时，泵浦光与出射激光处于掺杂离子的同一能带中，其波长差较小，降低了能量转换过程中的量子亏损，可以缓解光纤内的热负担。因此同带泵浦方案在光纤激光更高功率输出方面表现出巨大优势。
虽然同带泵浦方案具有较大的功率提升潜力，但是振荡器功率仍会受到非线性效应的制约。在光纤振荡器结构中，光纤内激光功率密度较高时容易产生受激拉曼散射、受激布里渊散射等非线性效应，导致大部分能量转移至斯托克斯光，不但影响了振荡器中信号光功率的增长，并且后向传输的斯托克斯光会对前级系统安全造成威胁。如果在振荡器中同时使用多对光栅构成复合腔，不仅通过引入多个波长的光有效降低了光纤内非线性作用强度，并且缩短了非线性效应的有效作用长度，提高非线性效应阈值，因此将能够实现振荡器更高输出功率水平。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于同带泵浦的复合腔结构高功率光纤振荡器。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于同带泵浦技术的复合腔结构高功率光纤振荡器，利用半导体激光器泵浦，获得1010nm～1030nm波段掺镱光纤激光器，再利用其泵浦两对或多对光纤光栅构成的复合腔结构光纤振荡器，有效提高非线性效应阈值，实现更高功率的光纤激光输出。
具体地，所述1010nm～1030nm掺镱光纤激光器的结构包括依次连接的泵浦激光器、前级功率合束器、1010nm～1030nm高反光纤光栅、双包层掺镱光纤和1010nm～1030nm低反光纤光栅。
所述复合腔结构光纤振荡器的结构包括功率合束器、依次连接的中心波长为λ1、λ2、……λn的高反光纤光栅、双包层掺镱光纤、双包层被动光纤、依次连接的中心波长为λn、……λ2、λ1的低反光纤光栅。其中，高反光纤光栅、低反光纤光栅的波长位于1微米波段范围，中心波长λ1、λ2、……λn依次递增(n≥2)，且相邻波长的波长间隔均在拉曼增益谱范围内。
所述泵浦激光器可以是工作波长为976nm或915nm的半导体激光器。
所述前级功率合束器可以是n×1的合束器(n为正整数)，且泵浦臂光纤应与前级泵浦激光器输出端的光纤相匹配。
所述功率合束器可以是n×1的合束器(n为正整数)，且泵浦臂光纤应与1010nm～1030nm掺镱光纤激光器低反光纤光栅的光纤相匹配。
所述复合腔结构光纤振荡器中的高反光纤光栅、低反光纤光栅的中心波长可以在1微米波段选择，同时满足在镱离子的发射谱范围内；高反光纤光栅与低反光纤光栅数量相同，且中心波长一一对应；光纤光栅数量可以为2对或多对光栅；波长相邻的光纤光栅，其波长间隔在拉曼增益谱范围内。计算公式：
Figure BDA0001213703650000021
其中，Δυ为硅基质光纤中的拉曼频移，取值在13.2THz左右；c为光速。
所述的复合腔结构光纤振荡器中的被动光纤，其长度有一定取值，也可以为0。
本发明的工作工程是：
首先利用半导体激光泵浦，获得中心波长在1010nm～1030nm的高功率掺镱光纤激光，将该激光作为泵浦源注入复合腔结构光纤振荡器。以两对光纤光栅组成的复合腔结构为例，由于光纤光栅的选频作用，在腔内的掺镱光纤中可产生两个波长的激光，即信号光与拉曼光。由于镱离子的增益特性，拉曼光在掺镱光纤中的增益较小，信号光在掺镱光纤中的增益较大。泵浦功率较低时，信号光首先起振并得到主要增益。而在被动光纤中，在拉曼效应的作用下，信号光将逐渐转换为拉曼光，实现高功率激光输出。多对光纤光栅级联的复合腔结构同理，通过多次拉曼频移最终可以得到高功率光纤激光输出。
本发明的技术效果是：
本发明利用1010nm～1030nm波段掺镱光纤激光器泵浦复合腔结构混合增益光纤振荡器，获得高功率、高效率的光纤激光输出。通过同带泵浦方案，有效提高了注入的泵浦光源亮度，增加了泵浦光的注入功率，从而提高激光器输出功率水平。同时，利用多对光纤光栅级联构成复合腔结构，通过引入多个波长的光有效降低了光纤内非线性作用强度，并且缩短了非线性效应的有效作用长度，提高非线性效应阈值，从而实现振荡器更高输出功率水平。
附图说明
图1为本发明中的用于同带泵浦的1010nm～1030nm掺镱光纤激光器的结构示意图，图2为本发明中的基于同带泵浦的复合腔结构光纤激光器的结构示意图；
其中各标号表示：
1-1：1#泵浦激光器；1-2：2#泵浦激光器；1-3：3#泵浦激光器；1-4：4#泵浦激光器；1-5：5#泵浦激光器；1-6：6#泵浦激光器；1-7：7#泵浦激光器；1-8：前级功率合束器；1-9：1010nm～1030nm高反光纤光栅；1-10：双包层掺镱光纤；1-11：1010nm～1030nm低反光纤光栅；1-a：1#1010nm～1030nm掺镱光纤激光器；1-b：2#1010nm～1030nm掺镱光纤激光器；1-c：3#1010nm～1030nm掺镱光纤激光器；1-d：4#1010nm～1030nm掺镱光纤激光器；1-e：5#1010nm～1030nm掺镱光纤激光器；1-f：6#1010nm～1030nm掺镱光纤激光器；1-g：7#1010nm～1030nm掺镱光纤激光器；2：功率合束器；3：波长为λ1的高反光纤光栅：4：波长为λn的高反光纤光栅；5：双包层掺镱光纤；6：双包层被动光纤；7：波长为λn的低反光纤光栅；8：波长为λ1的低反光纤光栅。其中光栅数量可以为2对或多对，即n≥2。
具体实施方式
本发明利用1010nm～1030nm波段掺镱光纤激光器泵浦复合腔结构混合增益光纤振荡器，获得高功率、高效率的光纤激光输出。通过同带泵浦方案，有效解决了泵浦光源亮度不够的问题，增加了泵浦光的注入功率，从而提高振荡器输出功率水平。同时，利用多对光栅级联构成复合腔结构，通过引入多个波长的光有效降低了光纤内非线性作用强度，并且缩短了非线性效应的有效作用长度，提高非线性效应阈值，从而实现激光器更高输出功率水平。
参照图1，本发明中用于同带泵浦的1010nm～1030nm掺镱光纤激光器的结构示意图，所述基于1010nm～1030nm掺镱光纤激光器的结构包括依次连接的泵浦激光器、前级功率合束器1-8、1010nm～1030nm高反光纤光栅1-9、双包层掺镱光纤1-10、1010nm～1030nm低反光纤光栅1-11。其中泵浦激光器为7个，分别为1#泵浦激光器1-1、2#泵浦激光器1-2、3#泵浦激光器1-3、4#泵浦激光器1-4、5#泵浦激光器1-5、6#泵浦激光器1-6、7#泵浦激光器1-7。
参照图2，本发明中的基于同带泵浦的复合腔结构光纤振荡器的结构示意图，所述的基于同带泵浦的复合腔结构光纤振荡器的结构包括依次连接的1010nm～1030nm掺镱光纤激光器、功率合束器2、波长为λ1的高反光纤光栅3、波长为λn的高反光纤光栅4、双包层掺镱光纤5、双包层被动光纤6、波长为λn的低反光纤光栅7、波长为λ1的低反光纤光栅8。其中使用7个1010nm～1030nm掺镱光纤激光器，分别为1#1010nm～1030nm掺镱光纤激光器1-a、2#1010nm～1030nm掺镱光纤激光器1-b、3#1010nm～1030nm掺镱光纤激光器1-c、4#1010nm～1030nm掺镱光纤激光器1-d、5#1010nm～1030nm掺镱光纤激光器1-e、6#1010nm～1030nm掺镱光纤激光器1-f、7#1010nm～1030nm掺镱光纤激光器1-g。高反/低反光纤光栅可以为两对或多对光栅，即n≥2。
以上所述的所有器件均已全光纤化，各个器件通过光纤熔接组成一个整体。通过976nm半导体激光器泵浦1010nm～1030nm掺镱光纤激光器，获得高功率的1010nm～1030nm掺镱光纤激光输出，利用此激光泵浦1微米波段复合腔结构光纤振荡器，获得1微米波段高功率光纤激光输出。
实施方案举例：
以两对光纤光栅构成的基于同带泵浦的复合腔结构光纤振荡器为例进行说明。首先利用976nm半导体激光器泵浦中心波长为1018nm的掺镱光纤激光器，其中：单个976nm半导体激光器输出功率可达200W，输出尾纤为纤芯直径105μm、内包层直径125μm(105/125μm)多模光纤；使用7个976nm半导体激光器作为泵浦源，经由7×1前级功率合束器将泵浦光注入1018nm掺镱光纤激光器中；1018nm高反光栅反射率为99％、有效带宽2nm，低反光栅反射率15％、有效带宽0.7nm；双包层掺镱光纤使用20/130μm的双包层光纤，在976nm的吸收系数是6dB/m，长度4米；1018nm掺镱光纤激光器输出功率可达1000W。将7个1018nm光纤激光器通过7×1功率合束器合成一束输出，输出光纤为200/220μm光纤。单个激光器输出功率可达1000W，通过合束可以得到7000W左右的单路光纤激光输出。最后将合束输出的高功率1018nm光纤激光注入1070nm/1120nm复合腔光纤激光器，其中，1070nm高反光纤光栅反射率99％、带宽2nm，低反光纤光栅反射率50％、带宽1nm；1120nm高反光纤光栅反射率99％、带宽2nm，低反光纤光栅反射率50％、带宽1nm；掺镱光纤是20/400μm的双包层光纤，长度15m；被动光纤是20/400μm，长度30m。按照60％的转换效率，可以获得4200W左右的1120nm光纤激光输出。
与利用976纳米的半导体激光器泵浦源进行泵浦的方案进行对比：假定同样使用输出功率最高为200瓦左右的976纳米半导体激光器(尾纤为105/125微米)，通过上述的7×1的功率合束器可获得总共约1400瓦的泵浦功率，使用所得976nm泵浦光注入1070nm单一波长光纤振荡器。即使同样按照60％的转换效率(理论计算表明同带泵浦激光器的输出功率和效率高于976nm泵浦时的结果)，也只能得到约800瓦的1070nm功率输出，仅为1018nm泵浦方案获得的输出功率的五分之一左右。通过对比可以看出本发明在获得高功率掺镱光纤激光输出上的明显优势。
与基于同带泵浦的标准光纤振荡器结构对比：假定同样使用7个1018nm光纤激光器通过7×1功率合束器合成一束输出，可以获得约7000W的泵浦功率。将合束输出的高功率1018nm光纤激光注入单一1070nm波长的光纤振荡器，由于光纤内的非线性效应将在泵浦功率为4000W左右时产生拉曼光，即使按照70％的转换效率，也只能得到约2800W左右的1070nm功率输出，此后继续增加泵浦功率时拉曼光功率将不断提高，1070nm激光功率的继续增长受限。而对于1070nm/1120nm复合腔结构光纤激光器，由于引入多个波长的光，假定总功率相同的情况下，不同波长激光的拉曼作用强度降低。另一方面激光波长越长，拉曼增益系数越小，这样拉曼阈值也会更高。理论计算结果表明同带泵浦激光功率为7000W左右时复合腔结构光纤振荡器可以获得4200W左右的1120nm光纤激光输出，是单一1070nm波长光纤振荡器输出功率1.5倍左右。由此结果可见复合腔结构提高受激拉曼散射阈值、实现功率提升的优势。

Claims (3)

1.一种基于同带泵浦技术的复合腔结构光纤振荡器，其特征在于：利用半导体激光器泵浦，获得1010nm～1030nm波段掺镱光纤激光器，再使用其泵浦多对光纤光栅构成的复合腔结构光纤振荡器，有效提高非线性效应阈值，实现更高功率的光纤激光输出；
所述1010nm～1030nm掺镱光纤激光器的结构包括依次连接的泵浦激光器、前级功率合束器、1010nm～1030nm高反光纤光栅、双包层掺镱光纤和1010nm～1030nm低反光纤光栅；
所述复合腔结构光纤振荡器的结构包括功率合束器、依次连接的中心波长为λ1、λ2、……λn的高反光纤光栅、双包层掺镱光纤、双包层被动光纤、依次连接的中心波长为λn、……λ2、λ1的低反光纤光栅，其中，高反光纤光栅、低反光纤光栅的波长位于1微米波段范围，中心波长λ1、λ2、……λn依次递增，n≥2，且相邻波长的波长间隔均在拉曼增益谱范围内；
所述泵浦激光器是工作波长为976nm或915nm的半导体激光器；
所述的前级功率合束器是m×1的合束器，m为正整数，且泵浦臂光纤与泵浦激光器输出端的光纤相匹配。
2.根据权利要求1所述的一种基于同带泵浦技术的复合腔结构光纤振荡器，其特征在于：所述复合腔结构光纤振荡器的功率合束器是m’×1的合束器，m’为正整数，且泵浦臂光纤与1010nm～1030nm掺镱光纤激光器低反光纤光栅的光纤相匹配。
3.根据权利要求1所述的一种基于同带泵浦技术的复合腔结构光纤振荡器，其特征在于：所述的复合腔结构光纤振荡器中的高反光纤光栅及低反光纤光栅的中心波长在1微米波段选择，同时满足在镱离子的发射谱范围内；高反光纤光栅与低反光纤光栅数量相同，且中心波长一一对应；光纤光栅数量为多对光栅；波长相邻的光栅，其波长间隔在拉曼增益谱范围内，计算公式：
Figure QLYQS_1
其中，Δυ为硅基质光纤中的拉曼频移，近似为13.2THz；c为光速。
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