泵浦光高效吸收的光纤激光器

技术领域

本发明涉及高功率光纤激光器技术领域，尤其涉及一种泵浦光高效吸收的光纤激光器。

背景技术

高功率光纤激光器具有效率高、体积小、光束质量好等优点，在工业与国防领域得到了广泛的应用。大模场双包层光纤以及高亮度泵浦技术在光纤激光器的使用，使得光纤激光器技术飞速发展，光纤激光器的输出功率快速提升。但近年来，高功率单模光纤激光器的功率提升遇到了瓶颈，主要受限于横向模式不稳定效应（TMI）和非线性效应（如受激拉曼散射效应（SRS）和受激布里渊散射（SBS））。现有的理论研究表明TMI的产生是由增益纤的热效应引起的，TMI的出现会降低光束质量、限制功率提升甚至威胁激光器安全。为了抑制TMI，现行有效的办法是采用同带泵浦方案，但是同带泵浦的泵浦波长位于非吸收峰，为了保证足够的吸收，所需的增益纤较长，不利于非线性效应的抑制。抑制非线性效应的方法一般是通过增加光纤吸收系数、缩短增益纤长度来降低非线性效应的影响，但会增加单位长度上的产热，降低了TMI的阈值，同时由于高吸收还会带来光子暗化等问题，降低光纤的长时间可靠性。因此，传统高功率单模光纤激光器在抑制TMI和非线性效应方面存在矛盾。

公开号为CN113964632A的专利提供了一种高功率单模光纤激光器，该专利采用了低掺杂大模场低数值孔径增益纤，通过低掺杂导致的低吸收系数抑制了TMI；通过大模场、低数值孔径平衡了受激拉曼散射等非线性效应。但是，由于低数值孔径光纤容易受应力、弯曲等环境影响，将导致信号光泄露至包层；而且受限于光纤制造水平，纤芯尺寸一般不大于50μm，纤芯数值孔径不小于0.03，导致其制得的光纤激光器对TMI和非线性效应的阈值提升有限。

公开号为CN108683064A的专利提供了一种基于纤芯尺寸纵向渐变增益纤的全光纤激光振荡器，该专利通过利用纤芯直径沿光纤长度方向渐变的增益纤作为全光纤激光振荡器的增益介质，能够同时兼顾模式不稳定抑制和受激拉曼散射的抑制，突破纤芯尺寸沿光纤长度恒定不变的光纤激光振荡器中的功率限制，在提高全光纤激光振荡器的输出功率的同时保持良好的光束质量。但是，该专利对纤芯尺寸进行变化，难免会导致一部分信号光泄露到包层中，反而影响了激光器的输出功率，对激光器输出功率的提高效果不佳。

有鉴于此，有必要对现有的光纤激光器进行改进，以解决上述问题。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种泵浦光高效吸收的光纤激光器，通过采用泵浦增益一体化光纤，并将其中的增益纤设计成包层外径沿光纤长度方向先增大后减小的结构，再使泵浦纤与增益纤在其外径较大的区域相互紧密贴合，从而增大增益纤与泵浦纤的尺寸比值，以便泵浦光耦合进增益纤；同时使增益纤两端外径较小的区域分别连接内包层高反光纤光栅，构成泵浦腔结构，让泵浦光在增益纤中多程吸收，有效提高泵浦光的吸收效率。

为实现上述目的，本发明提供了一种泵浦光高效吸收的光纤激光器，包括同时含有泵浦纤和增益纤的泵浦增益一体化光纤、与所述泵浦纤的前端熔接的前向泵浦模块、与所述泵浦纤的后端熔接的后向泵浦模块、与所述增益纤的前端连接的前向内包层光纤光栅、与所述增益纤的后端连接的后向内包层光纤光栅、与所述后向内包层光纤光栅的后端连接的激光输出模块；所述增益纤包括沿光纤长度方向依次连接的第一区域、第二区域、第三区域、第四区域和第五区域，所述增益纤中各区域的横截面的外径大小排序为：第一区域＜第二区域＜第三区域，且第三区域＞第四区域＞第五区域；所述泵浦纤与所述增益纤的所述第三区域相贴合。

作为本发明的进一步改进，所述增益纤包括纤芯、包裹于所述纤芯外部的内包层以及包裹于所述内包层外部的外包层，所述泵浦纤与所述增益纤的所述第三区域中的所述内包层相贴合，所述泵浦纤与所述增益纤相贴合的区域被所述第三区域中的所述外包层包裹；所述泵浦纤的直径小于所述增益纤的所述第三区域中所述内包层横截面的外径，所述外包层的厚度大于所述泵浦纤的直径。

作为本发明的进一步改进，所述纤芯的直径沿光纤长度方向恒定不变；所述内包层和所述外包层中位于所述第一区域、所述第三区域和所述第五区域的横截面的外径分别沿光纤长度方向恒定不变；所述内包层和所述外包层中位于所述第二区域和所述第四区域的横截面的外径分别沿光纤长度方向按照相同的渐变率逐渐增大或逐渐减小，所述外包层的厚度恒定不变。

作为本发明的进一步改进，所述纤芯的直径为10~50μm，所述第一区域的内包层的外径为50~200μm，所述第三区域的内包层的外径为200~1000μm，所述外包层的厚度为200~2000μm，所述泵浦纤的直径为100~200μm。

作为本发明的进一步改进，所述第一区域和所述第五区域的长度均为0.5~2m；所述第二区域和所述第四区域的长度均为0.1~1m；所述第三区域的长度为1~10m。

作为本发明的进一步改进，所述纤芯的数值孔径沿光纤长度方向恒定不变，且位于0.03~0.08之间；所述内包层的数值孔径沿光纤长度方向恒定为0.46。

作为本发明的进一步改进，所述前向内包层光纤光栅和所述后向内包层光纤光栅由飞秒激光器在所述增益纤两端的内包层或无源光纤的内包层上刻写而成；所述前向内包层光纤光栅和所述后向内包层光纤光栅均为反射率＞99%的内包层高反射率光纤光栅，所述内包层高反射率光纤光栅的反射带宽为1~3 nm。

作为本发明的进一步改进，所述泵浦增益一体化光纤为N+1型，所述泵浦增益一体化光纤中所述泵浦纤的数量N≥1。

作为本发明的进一步改进，所述光纤激光器能够用作激光振荡器或激光放大器；当用作激光振荡器时，在所述前向内包层光纤光栅的前端还连接有反射率＞99%的高反射率光纤光栅，在所述后向内包层光纤光栅与所述激光输出模块之间还连接有反射率为5%~30%的低反射率光纤光栅；所述高反射率光纤光栅和所述低反射率光纤光栅的中心波长为1010~1100nm，所述高反射率光纤光栅的反射带宽为1~3nm，所述低反射率光纤光栅的反射带宽为0.1~2nm。

作为本发明的进一步改进，当用作激光放大器时，所述前向内包层光纤光栅的前端与种子源的输出光纤熔接，所述种子源的中心波长为1010~1100nm。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的泵浦光高效吸收的光纤激光器采用了泵浦增益一体化光纤，并将其中的增益纤设计成包层外径沿光纤长度方向先增大后减小的结构，在此基础上，一方面，通过将泵浦纤与增益纤在其外径较大的区域物理上相互紧密贴合，从而有效增大增益纤与泵浦纤的尺寸比值，有利于泵浦光耦合进增益纤；另一方面，通过将增益纤两端直径较小的区域分别连接内包层高反射率光纤光栅，能够构成泵浦腔结构，让泵浦光在增益纤中多程吸收，在大幅缩短增益纤的情况下仍能使泵浦光的吸收率达到100%。基于此，本发明能够在不增加增益纤掺杂浓度、长度的基础下提高泵浦光的吸收效率，尤其是对于非吸收峰泵浦情况，更能有效提高泵浦光的吸收效率。

2、基于本发明中设计的泵浦增益一体化光纤，不仅能够使本发明提供的泵浦光高效吸收的光纤激光器相比于传统的光纤激光器减少了泵浦信号合束器，有效简化光纤激光器的结构；还能够使得泵浦光在增益纤中分布更加均匀，均衡了热负荷，增强了增益饱和效应，从而有效抑制横向模式不稳定效应。并且，本发明提供的光纤激光器能够有效提高对泵浦光的吸收率，从而解决现有的泵浦增益一体化光纤由于耦合吸收效率低所导致的需要较长的光纤才能够将泵浦光吸收完全的问题，使增益纤长度大幅缩短，进而缩短了信号光在光纤中的传输距离，有效抑制了非线性效应。

3、本发明通过将泵浦增益一体化光纤的增益纤设计成包层外径沿光纤长度方向先增大后减小的结构，同时将增益纤两端的内包层的外径控制在较小的范围内，使得允许在内包层传输的泵浦光模式减少，进而使模式等效折射率减少，有效降低了高反射率内包层光纤光栅制作难度。

附图说明

图1为实施例1提供的用作激光振荡器的泵浦光高效吸收的光纤激光器的结构示意图。

图2为实施例1中的泵浦增益一体化光纤的结构示意图。

图3为实施例2提供的用作激光放大器的泵浦光高效吸收的光纤激光器的结构示意图。

附图标记

1-高反射率光纤光栅；2-前向内包层光纤光栅；3-泵浦增益一体化光纤；31-泵浦纤；32-增益纤；321-纤芯；322-内包层；323-外包层；324-第一区域；325-第二区域；326-第三区域；327-第四区域；328-第五区域；4-后向内包层光纤光栅；5-低反射率光纤光栅；6-激光输出模块；7-前向泵浦模块；8-后向泵浦模块；9-种子源。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种用作激光振荡器的泵浦光高效吸收的光纤激光器，包括高反射率光纤光栅1、前向内包层光纤光栅2、前向泵浦模块7、泵浦增益一体化光纤3、后向泵浦模块8、后向内包层光纤光栅4、低反射率光纤光栅5和激光输出模块6。其中，前向内包层光纤光栅2和后向内包层光纤光栅4均为内包层高反射率光纤光栅。

具体地，高反射率光纤光栅1 前端的端面斜切成8°角，高反射率光纤光栅1的后端与前向内包层光纤光栅2的前端连接，前向内包层光纤光栅2的后端与泵浦增益一体化光纤3中的增益纤32的前端连接，增益纤32的后端与后向内包层光纤光栅4的前端连接，泵浦增益一体化光纤3中的泵浦纤31的前端和后端分别与前向泵浦模块7和后向泵浦模块8通过光纤熔接，后向内包层光纤光栅4的后端与低反射率光纤光栅5的前端连接，低反射率光纤光栅5的后端与激光输出模块6连接，从而使信号光在高反射率光纤光栅1、增益纤32和低反射率光纤光栅5构成的谐振腔中产生，经激光输出模块6输出。

所述泵浦增益一体化光纤3的结构示意图如图2所示。泵浦增益一体化光纤3包括泵浦纤31和增益纤32；所述增益纤32包括沿光纤长度方向依次连接的第一区域324、第二区域325、第三区域326、第四区域327和第五区域328，所述增益纤32中各区域的横截面的外径大小排序为：第一区域324＜第二区域325＜第三区域326，且第三区域326＞第四区域327＞第五区域328；所述泵浦纤31与所述增益纤32的所述第三区域326相贴合。

如此设置，在激光器工作过程中，前向泵浦模块7和后向泵浦模块8输出的泵浦光分别经泵浦增益一体化光纤3中泵浦纤31的两端注入增益纤32中，由于泵浦纤31与增益纤32中外径最大的第三区域326相贴合，有效增大了增益纤32与泵浦纤31的尺寸比值，有利于泵浦光耦合进增益纤32；同时，增益纤32两端直径较小的第一区域324和第二区域325分别连接前向内包层光纤光栅2和后向内包层光纤光栅4，使泵浦光在由前向内包层光纤光栅2、增益纤32和后向内包层光纤光栅4构成的泵浦腔中反复被吸收，实现泵浦光在增益纤32中的多程吸收，有效提高了泵浦光的吸收效率。

具体地，所述增益纤32包括纤芯321、包裹于所述纤芯321外部的内包层322以及包裹于所述内包层322外部的外包层323，所述泵浦纤31与所述增益纤32的所述第三区域326中的所述内包层322相贴合，并被所述外包层323包覆；所述纤芯321、内包层322和外包层323的横截面的几何中心重合，所述纤芯321的折射率大于内包层322的折射率，内包层322的折射率大于外包层323的折射率。所述泵浦纤31的直径小于所述增益纤32的所述第三区域326中所述内包层322横截面的外径，以便增大增益纤32中内包层322的外径与泵浦纤31的直径之间的尺寸比值，从而促进泵浦光耦合进增益纤32。

所述纤芯321的直径沿光纤长度方向恒定不变；所述内包层322和所述外包层323中位于所述第一区域324、所述第三区域326和所述第五区域328的横截面的外径分别沿光纤长度方向恒定不变；所述内包层322和所述外包层323中位于所述第二区域325的横截面的外径沿光纤长度方向按照相同的渐变率逐渐增大，所述内包层322和所述外包层323中位于所述第四区域327的横截面的外径则沿光纤长度方向按照相同的渐变率逐渐减小，所述外包层的厚度恒定不变。

更具体地，在本实施例中，增益纤32为掺稀土离子的石英玻璃光纤，该稀土离子包括镱离子、铒离子、铥离子、钬离子中的一种或多种。该增益纤32的长度为10m，其中，第一区域324、第二区域325、第四区域327和第五区域328的长度分别为1m，第三区域326的长度为6m。该增益纤32中，纤芯321直径为20μm，数值孔径为0.04；位于第一区域324和第五区域328的内包层322的外径为125μm，数值孔径为0.46，位于第三区域326的内包层322的外径为500μm，数值孔径为0.46；位于第二区域325和第四区域327的内包层322中外径较小的一端的外径为125μm，分别与第一区域324和第五区域328连接，外径较大的一端的外径则为500μm，与第三区域326连接；在整个光纤长度方向上，外包层323厚度始终为200μm，泵浦纤31的直径为125μm，远小于第三区域326的内包层322的外径。

如此设置，一方面能够利用增益纤32中位于第三区域326的内包层322的外径与泵浦纤31的直径之间形成的大尺寸比，促进泵浦光耦合进增益纤32；另一方面，增益纤32两端直径较小的第一区域324和第五区域328分别连接前向内包层光纤光栅2和后向内包层光纤光栅4构成的泵浦腔结构，能够让泵浦光在增益纤32中多程吸收，有效提高泵浦光的吸收率，从而解决现有的泵浦增益一体化光纤3由于耦合吸收效率低所导致的需要较长的增益纤32才能够将泵浦光吸收完全的问题，相比于常规的泵浦增益一体化光纤所需要的长达数十米的增益纤32，本实施例提供的方法仅需使用10m的增益纤32，使增益纤32的长度大幅缩短，进而缩短了信号光在光纤中的传输距离，有效抑制了非线性效应。

在本实施例中，泵浦增益一体化光纤3为1+1型，即1根泵浦纤31+1根增益纤32。在本实施例的其他实施例中，所述泵浦增益一体化光纤3中所述泵浦纤31的数量可以是一个以上。

同时，本实施例中前向内包层光纤光栅2和后向内包层光纤光栅4均由飞秒激光器在无源光纤的内包层上刻写而成；刻写有前向内包层光纤光栅2的无源光纤的内包层的外径与增益纤32中位于第一区域324的内包层322的外径一致，刻写有后向内包层光纤光栅4的无源光纤的内包层的外径与增益纤32中位于第五区域328的内包层322的外径一致。在本发明的其他实施例中，前向内包层光纤光栅2和后向内包层光纤光栅4还可以由飞秒激光器分别刻写在增益纤32中位于第一区域324和第五区域328的内包层322上。

如此设置，由于第一区域324和第五区域328的内包层322的外径较小，使得允许在内包层322传输的泵浦光模式减少，进而使模式等效折射率减少，有效降低了内包层光纤光栅的制作难度。

在本实施例中，所述前向泵浦模块7和后向泵浦模块8中的泵浦激光器为976nm半导体激光器，总功率为6000W；所述前向内包层光纤光栅2和所述后向内包层光纤光栅4中心波长的范围与泵浦波长一致，且前向内包层光纤光栅2和所述后向内包层光纤光栅4的反射率均大于99%，反射带宽均为2 nm；所述高反射率光纤光栅1和所述低反射率光纤光栅5的中心波长均为1080nm，其中，高反射率光纤光栅1的反射率大于99%，反射带宽为1nm，低反射率光纤光栅5的反射率为10%，反射带宽为0.1nm。

通过上述方式，本实施例提供的泵浦光高效吸收光纤激光器能够促进泵浦光耦合进增益纤，同时使泵浦光在增益纤中多程吸收，实现了泵浦光的高效吸收，能够获得前向输出功率大于6kW的单模1080nm波段激光输出。

实施例2

请参阅图3，本实施例提供了一种用作激光放大器的泵浦光高效吸收的光纤激光器，与实施例1相比，不同之处在于未设置高反射率光纤光栅1和低反射率光纤光栅5，并将前向内包层光纤光栅2的前端与种子源9的输出光纤熔接，以便作为激光放大器使用；此外，本实施例中前向泵浦模块7和后向泵浦模块8中的泵浦激光器为1018nm光纤激光器，总功率为6000W；其余部分均与实施例1一致，在此不再赘述。

在本实施例中，所述种子源9的中心波长为1080nm，3dB带宽为0.1nm，功率为50W，输出光纤的纤芯直径为20μm、包层外径为125μm。如此设置，能够获得前向输出功率大于6kW的单模1080nm波段激光输出。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，光纤激光器中各结构的具体参数可以根据需要进行适当调整，均属于本发明的保护范围。在调整参数时，优选纤芯321的直径为10~50μm，纤芯321的数值孔径为0.03~0.08；第一区域324的内包层的外径为50~200μm，第三区域326的内包层的外径为200~1000μm，泵浦纤31的直径为100~200μm；第一区域324和第五区域328的长度均为0.5~2m，第二区域325和第四区域327的长度均为0.1~1m，第三区域326的长度为1~10m；前向内包层光纤光栅2、后向内包层光纤光栅4和高反射率光纤光栅1的反射带宽均为1~3nm，低反射率光纤光栅5的反射带宽为0.1~2 nm，高反射率光纤光栅1和低反射率光纤光栅5的中心波长为1010~1100 nm。

综上所述，本发明提供了一种泵浦光高效吸收的光纤激光器，包括同时含有泵浦纤31和增益纤32的泵浦增益一体化光纤3、与泵浦纤31的前端和后端分别熔接的前向泵浦模块7和后向泵浦模块8、与增益纤32的前端和后端分别连接的前向内包层光纤光栅2和后向内包层光纤光栅4、与后向内包层光纤光栅4的后端连接的激光输出模块6；增益纤32包括沿光纤长度方向依次连接的第一区域324、第二区域325、第三区域326、第四区域327和第五区域328，泵浦纤31与增益纤32中外径最大的第三区域326相贴合。通过上述方式，本发明能够有效增大增益纤32与泵浦纤31的尺寸比值，以便泵浦光耦合进增益纤32；同时构成泵浦腔结构，让泵浦光在增益纤32中多程吸收，有效提高泵浦光的吸收效率。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。