一种分段式增益结构的光纤激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种分段式增益结构的光纤激光器。

背景技术

光纤激光器是以掺杂光纤作激光介质的一种新型固体激光器，具有散热性好和光束质量高等优点。

和传统的固体、气体激光器一样。光纤激光器基本也是由泵浦源、增益介质、谐振腔三个基本的要素组成。泵浦源一般采用高功率半导体激光器(LD)，增益介质为掺杂光纤或普通非线性光纤，谐振腔可以由光纤光栅等光学反馈元件构成各种直线型谐振腔，泵浦光经适当的光学耦合系统耦合进入增益光纤，增益光纤在吸收泵浦光后形成粒子数反转经受激放大和谐振腔的选模作用后，最终形成稳定激光输出。

增益介质为掺杂稀土离子的光纤芯，掺杂光纤夹在2个反射镜之间，从而构成F-P谐振腔。

掺稀土元素的光纤放大器促进了光纤激光器的发展，因为光纤放大器可以通过适当的反馈机理形成光纤激光器。当泵浦光通过光纤中的稀土离子时就会被稀土离子吸收。这是吸收光子能量的稀土原子电子就会激励到较高激射能级，从而实现离子数反转，反转后的离子数就会以辐射形式从高能级转移到基态，并释放出能量，完成受激辐射。

目前，高功率连续光纤激光器多采用两种方式光路，第一种为MOPA结构通过采用种子源加放大器结构实现高功率连续光输出，第二种为采用光栅作为谐振腔直接输出。在高功率连续光纤激光器中，输出激光的光束质量直接影响到激光器的使用，第一种光束质量优于第二种方式，但第一种受限于复杂光路结构，成本高后期维护性差，目前光纤激光器多采用第二种方式实现高功率连续光输出。即现有技术为了光路简化后期易维护故多采用线性腔结构，光束质量低于MOPA结构光路。

发明内容

针对以上技术的缺点，本发明提出了一种分段式结构光纤光路，解决了传统MOPA结构中光路复杂维护性差的缺点，可以实现基于器件数量少于传统线性腔下器件数量的情况下，实现MOPA结构的高光束质量高功率连续激光输出。

本发明提供的一种分段式增益结构的光纤激光器，包括高反光栅、前段增益光纤、低反光栅、后段增益光纤、合束器、输出器件QBH；

将原有线性腔的掺镱Yb光纤分为两部分，前半部分为线性腔种子源部分，包括高反光栅、前段增益光纤、低反光栅，用来产生高光束质量的种子激光；后半部分为放大器包括后段增益光纤、合束器、QBH，所述后半部分的放大器用来进行放大，所述放大器吸收系数为15dB，由于放大器采用后向泵浦，残余泵浦光会进入所述线性腔种子源；

所述线性腔种子源为线性腔结构，所述残余泵浦光经过所述线性种子源吸收，能够利用所述残余泵浦光产生高光束质量，因此不需要采用光纤包层光剥除器CPS进行包层光滤除。

进一步，所述线性种子源吸收系数低，但由于采用种子源+放大的光路结构，所述线性种子源仅需输出低功率。

进一步，所述线性种子源使用10m掺镱Yb光纤，所述放大器使用20m掺镱Yb光纤。

本发明还提供一种采用所述分段式增益结构的光纤激光器的操作方法，包括：在原有的线性腔光学器件不变的情况下，通过器件的种子源+放大的光路结构的重新组合，构成一种主振荡功率放大MOPA结构的高功率光纤激光器。

本发明方法具有如下优点：

本发明基于线性腔器件采用种子源加放大器结构可输出高光束质量连续光，并且由于可以合理利用泵浦光，与传统线性腔比较可以去掉CPS，减少光纤器件便于后期维护。

附图说明

图1为线性腔光路图；

图2为MOPA光路图；

图3为分段式增益结构。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的，并不是用来限制本发明的保护范围。本领域的技术人员在不背离本发明的宗旨和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和替换，所有这些修改和替换都落入了本发明权利要求书请求保护的范围内。

光束质量是指输出激光定义：衡量激光光束的聚焦程度

激光光束的光束质量具有多个定义，通常被用来衡量激光光束在特定情况下(例如，有限的光束发散角的情况下)聚焦的程度。

LD，Laser diode半导体激光器；

MOPA，Master OscillatorPower-Amplifier，主振荡功率放大；

CPS，CladdingPower Stripper，光纤包层光剥除器；

QBH，QuartzBlockHead，石英输出头；

吸收系数，增益光纤对泵浦光的吸收能力，吸收系数

激光器在设计上吸收系数通常为20dB即99％；

放大器在设计上吸收系数通常大于15dB，约为97％。

线性腔光路如图1所示，通过高反光栅和低反光栅组成光学谐振腔，通过合束器将LD的泵浦光，波长一般为976nm或915nm，泵浦光进入谐振腔通过增益光纤时镱离子吸收能量产生离子数翻转，上能级离子自发辐射产生激光，通过谐振腔对波长进行选择，最终产生受激辐射的1080nm激光。产生3kW连续光，需要用到7种光纤器件。器件较少，但光束质量较差。

MOPA光路原理如图2所示，是采用一个低功率种子光加放大器结构输出高功率激光。

以输出3kW激光为例，种子光功率为100W,放大器放大倍数为30倍，最终输出3kW激光。产生3kW连续光，需要用到11种光纤器件。器件较多，但光束质量高。

本发明设计了一种分段式增益结构的光纤激光器，如图3所示，产生3kW连续光，需要用到6种光纤器件。

高反光栅：对于输出激光波长的反射率为99.9％，与低反光栅共同组成光学谐振腔。

前段增益光纤：作为前段光学谐振腔中的增益光纤使用，可以利用后向LD的残余泵浦光，形成粒子数反转，与高低反光栅共同组成光学谐振腔，提供高光束质量的种子光。

低反光栅：对于输出激光波长的反射率为10％，与高反光栅共同组成光学谐振腔，可以利用残余泵浦光，产生受激辐射的激光。

后段增益光纤：作为放大器中的增益光纤，利用后向泵浦光，将种子光进行功率放大产生3kW的高功率激光。

合束器：可以将多个数百瓦的LD进行能量合束，为放大器提供足够得泵浦功率。

QBH：作为输出器件，可以将激光进行任意方向的输出。

上述器件均为目前的成熟器件，本发明只是在这些器件的基础上，对光路进行重新组合，形成了一种类似于MOPA的光路结构，此结构比传统MOPA结构器件更少。

将原有线性腔的掺镱Yb光纤分为两部分，前半部分为线性腔种子源部分，包括高反光栅、前段增益光纤、低反光栅，用来产生高光束质量的种子激光；后半部分为放大器包括后段增益光纤、合束器、QBH，所述后半部分的放大器用来进行放大，吸收系数约为15dB，由于放大器采用后向泵浦残余泵浦光会进入种子源，种子源为线性腔结构可以利用此残余泵浦光产生高光束质量，因此不需要采用CPS进行包层光滤除。

种子源部分吸收系数低，但由于采用种子+放大的光路结构，种子源仅需输出较低功率即可，放大器部分残余泵浦光经过种子源吸收，因此种子部分不需要增加滤除。

分段式增益结构，是指将原有的线性腔中的器件，按照新的方式进行组合。所谓的“分段式增益”指的是将原有线性腔中的光纤分为2段，一段用来产生高光束质量的种子激光，另一段用来进行放大。这种有“种子源+放大器”的结构与传统的MOPA结构原理相同但光路上简化，分段式增益结构器件少，系统稳定便于后期维护。

原有线性腔中的增益光纤吸收系数20dB，按照30m 20/400光纤估算，分段式增益结构种子源使用10m掺镱Yb光纤，放大器使用20m掺镱Yb光纤，即可实现分段式增益结构光路，可以实现高光束质量激光输出。分段式增益结构器件少，光束质量高。

本发明提供一种分段式增益结构的光纤激光器的实现方法，包括：

在原有的线性腔光学器件不变的情况下，通过器件的重新组合，构成一种MOPA结构的高功率光纤激光器，新的光路结构定义为分段式增益结构。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。