CN105140763B - 一种全光纤高功率光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
一种全光纤高功率光纤激光器，包括正向合束器、掺杂光纤光路模块、反向合束器、端帽、第一泵浦激光器以及第二泵浦激光器，整个光路上仅有两个熔接点。本发明通过将多个器件集成于掺杂光纤光路模块，可在同一掺杂光纤上获得激光器振荡级和放大级，有效减少熔接点个数，避免因熔接导致的光纤纤芯光泄露和因泄露导致的光光转换效率降低和熔接点发热问题，并可直接采用双端泵浦结构，提高输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种全光纤高功率光纤激光器，属于光电子技术领域。
背景技术
全光纤激光器具有结构紧凑、散热性能好、转换效率高、光束质量优良和性能稳定等优点受到广泛关注。随着大功率半导体激光技术发展及双包层光纤发明，极大的提高了光纤激光器输出功率水平，迄今，通过激光振荡级加放大方案，已经实现单纤输出具有良好光束质量的千瓦级全光纤激光器，并通过光束合束技术，高功率光纤激光器的输出功率已超万瓦，被广泛应用于汽车制造、船舶工业、铁路机车制造、军事加工、金属材料加工等各个工业加工行业，并不断向更为广阔的应用领域拓展。
在目前报道的全光纤千瓦级光纤激光器中，一般采用将各个分离器件熔接组成振荡级输出千瓦级高功率，如文献《Experimental study on kilowatt fiber laser in anall-fiber configuration》(Chinese Optics Letters，Vol.8，021404-1)和文献《1kW全光纤激光器实验研究》(《激光与红外》Vol.42，1127-1130)，或采用各个分离器件熔接组成振荡级加放大级输出千瓦级高功率，如文献《1.1kW Ytterbium Monolithic Fiber Laserwith Assembled End-pump Scheme to Couple High Brightness Single Emitters》(IEEE Photonics Technology Letters，VOL.23，697-699)。在这些方案中，器件的熔接会导致整个光路上出现多个熔接点，各熔接点发热和信号光泄露到包层成为制约提升全光纤千瓦级激光器输出功率、光光转换效率和劣化光束质量的关键因素之一。
文献《1-kilowatt CW all-fiber laser oscillator pumped with wavelengthbeam-combined diode stacks》(Optics Express，Vol.20，3296-3301)采用将高反光纤光栅和正向泵浦合束器合并为一个器件及将包层光剥除器、输出光栅级端面合并为一个器件，将振荡级熔接点减少为两个，获得千瓦级高功率单振荡级光纤激光器输出。但这种方案在腔内仍然存在两个有源光纤和无源光纤熔接点，激光在腔内多次来回反射会在两个熔接点出发热和泄露信号光，且这种方案只能用于单向泵浦和单振荡级。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种全光纤高功率光纤激光器，这种激光器在振荡级和放大级之间无熔接点，利于获得高功率。
本发明的技术解决方案是：一种全光纤高功率光纤激光器，包括正向合束器、掺杂光纤光路模块、反向合束器、端帽、第一泵浦激光器以及第二泵浦激光器；
所述正向合束器包括N个泵浦输入光纤，一个信号输入光纤和一个信号输出光纤，其中正向合束器的泵浦输入光纤和信号输入光纤同侧，第二泵浦激光器熔接在正向合束器的泵浦输入光纤上；
反向合束器包括N个泵浦输入光纤，一个信号输入光纤和一个信号输出光纤，其中反向合束器的泵浦输入光纤和信号输出光纤同侧，第一泵浦激光器熔接在反向合束器的泵浦输入光纤上，端帽制作于反向合束器的信号输出光纤上；
掺杂光纤光路模块包括掺杂光纤、包层光剥离器、低反射率光栅以及高反射率双包层光栅；正向合束器的信号输出光纤与掺杂光纤的一端熔接泵浦，掺杂光纤的另一端与反向合束器的信号输入光纤熔接泵浦；
高反射率双包层光栅刻于掺杂光纤或正向合束器的信号输出光纤上，低反射率光栅刻于掺杂光纤的中部，包层光剥离器制作在掺杂光纤上，包层光剥离器与低反射率光栅之间的距离大于10cm，小于1m；
所述低反射率光栅的反射率小于30％，高反射率双包层光栅的反射率大于99％。
所述包层光剥离器承受信号光功率大于500W，可剥除泵浦功率大于50W，剥除效率大于13dB；
所述掺杂光纤为双包层或多包层掺杂光纤，内包层直径为200-800微米，纤芯直径为20-80微米，纤芯掺杂稀土离子为镱、铒、铥中一种或多种的组合。
所述正向合束器的信号输出光纤和反向合束器的信号输入光纤的包层直径均与掺杂光纤光路模块中掺杂光纤的包层直径相同，反向合束器信号输入光纤的纤芯直径大于或等于掺杂光纤的纤芯直径。
若高反射率双包层光栅位于掺杂光纤光路模块中，则正向合束器的信号输出光纤与高反射率双包层光栅之间的掺杂光纤不超过50cm，正向合束器信号输出光纤的纤芯直径大于或等于掺杂光纤的纤芯直径；
若高反射率双包层光栅刻于正向合束器的信号输出光纤上，则正向合束器信号输出光纤的纤芯直径等于掺杂光纤的纤芯直径。
正向合束器对第二泵浦激光器输出激光的插入损耗小于0.2dB，反向合束器对通过反向合束器的信号输入光纤输入的信号激光的插入损耗小于0.1dB。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过将低反射率光栅、包层光剥离器等集成到掺杂光纤之上，直接减少熔接点个数，减小了因多个光纤熔接点，特别是谐振腔内多个有源光纤和无源光纤熔接导致的信号光泄露和发热问题。
(2)本发明通过将振荡级和放大级集成至一根掺杂光纤，并通过前向和后向泵浦，有效提升了输出功率。
(3)本发明通过将高功率包层功率剥离器制作于低反射率光栅附近，并保证包层光剥离器承受信号光功率大于500W，可剥除泵浦功率大于50W，剥除效率大于13dB，能够防止包层光进入第一泵浦激光器和第二泵浦激光器，从而避免对第一泵浦激光器和第二泵浦激光器可能造成的损坏，保证了激光器可靠性。
(4)本发明中若高反射率双包层光栅位于掺杂光纤光路模块中时，正向合束器的信号输出光纤和反向合束器的信号输入光纤的包层直径与掺杂光纤的包层直径相同，正向合束器信号输出光纤的纤芯直径大于或等于掺杂光纤的纤芯直径，有效避免了泵浦光和信号光在熔接点的泄露，提升了信号光的输出功率。
(5)本发明中若高反射率双包层光栅位于正向合束器的信号输出光纤上时，正向合束器信号输出光纤的纤芯直径等于掺杂光纤的纤芯直径，避免了因模场不匹配导致的信号光泄露以及熔接点发热，并提升了效率。
附图说明
图1高功率光纤激光器结构示意图；
图2掺杂光纤光路模块示意图；
图3正向合束器示意图；
图4反向合束器示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种全光纤高功率光纤激光器，包括正向合束器11、掺杂光纤光路模块12、反向合束器13、端帽14、第一泵浦激光器15、第二泵浦激光器16；
所述正向合束器11包括N个泵浦输入光纤33，一个信号输入光纤31和一个信号输出光纤32，其中泵浦输入光纤33和信号输入光纤31同侧，第二泵浦激光器16熔接在泵浦输入光纤33上；
反向合束器13包括N个泵浦输入光纤34，一个信号输入光纤35和一个信号输出光纤36，其中泵浦输入光纤34和信号输出光纤36同侧，第一泵浦激光器15熔接在反向合束器13的泵浦输入光纤34上，端帽14制作于反向合束器13的信号输出光纤36上。
如图2所示，掺杂光纤光路模块12包括掺杂光纤21、包层光剥离器22、低反射率光栅23，高反射率双包层光栅24，高反射率双包层光栅24刻于掺杂光纤或正向合束器11的信号输出光纤上，其反射率大于99％。低反射率光栅23直接刻于掺杂光纤21中部，反射率小于30％，在低反射率光栅23之前或之后直接在掺杂光纤上制作包层光剥离器22，包层光剥离器22与低反射率光栅23之间的距离大于10cm，小于1m。包层光剥离器可承受信号光功率大于500W，可剥除泵浦功率大于50W，剥除效率大于13dB。高功率光纤激光器采用双端泵浦结构，振荡级采用正向合束器11的信号输出光纤32与掺杂光纤光路模块12熔接泵浦，放大级采用反向合束器13的信号输入光纤35与掺杂光纤光路模块12熔接泵浦。高功率激光器振荡级和放大级在同一根掺杂光纤上，掺杂光纤光路12中无熔接点。若高反射率双包层光栅24位于掺杂光纤光路模块12中，则正向合束器11与高反射率双包层光栅24之间的掺杂光纤不超过50cm，正向合束器11的信号输出光纤32和反向合束器13的信号输入光纤35的包层直径均与掺杂光纤光路模块12中掺杂光纤21的包层直径相同，正向合束器11的信号输出光纤32的纤芯直径大于或等于掺杂光纤21的纤芯直径，反向合束器13信号输入光纤35的纤芯直径大于或等于掺杂光纤21的纤芯直径。
若高反射率双包层光栅24刻于正向合束器11的信号输出光纤32上，正向合束器11的信号输出光纤32直接与掺杂光纤光路模块12熔接。正向合束器11的信号输出光纤32和反向合束器13的信号输入光纤35的包层直径均与掺杂光纤光路模块12中掺杂光纤21的包层直径相同，正向合束器11的信号输出光纤32的纤芯直径等于掺杂光纤21的纤芯直径，反向合束器13信号输入光纤35的纤芯直径大于或等于掺杂光纤21的纤芯直径。正向合束器11对第二泵浦激光器16输出激光的插入损耗小于0.2dB，反向合束器13对信号激光的插入损耗小于0.1dB。
实施例：
一种全光纤高功率光纤激光器，包括正向合束器11、掺杂光纤光路模块12、反向合束器13、端帽14、第一泵浦激光器15、第二泵浦激光器16。
如图3所示，正向合束器11包括6个多模泵浦输入光纤33，一个信号输入光纤31和一个信号输出光纤32，其中泵浦输入光纤33和信号输入光纤31同侧，第二泵浦激光器16熔接在泵浦输入光纤33上。如图4所示，反向合束器13包括6个多模泵浦输入光纤34，一个信号输入光纤35和一个信号输出光纤36，其中泵浦输入光纤34和信号输出光纤36同侧，第一泵浦激光器15熔接在反向合束器13的泵浦输入光纤34上，端帽14制作于反向合束器13的信号输出光纤36上。
整个光路包括振荡级和放大级上仅有的两个熔接点17。掺杂光纤光路模块12包括掺杂光纤21、包层光剥离器22、低反射率光栅23，高反射率双包层光栅24。高反射率双包层光栅24刻于掺杂光纤21上。掺杂光纤21为双包层掺镱光纤，内包层直径为400微米，纤芯直径为20微米，长度为35m。高反射率双包层光栅24反射率为99.3％，低反射率光栅23距高反射率双包层光栅20m，反射率为9.4％。在低反射率光栅23之前制作包层光剥离器22，包层光剥离器22与低反射率光栅23之间的距离为20cm。制作的包层光剥离器22可承受信号光功率为1000W，可剥除包层光功率为200W，剥除效率为13.6dB。采用双端泵浦结构进行泵浦，振荡级采用正向合束器11与掺杂光纤光路模块12熔接进行泵浦，放大级采用反向合束器13与掺杂光纤光路模块12熔接泵浦。正向合束器11与高反射率双包层光栅24之间的掺杂光纤为10cm。正向合束器11和反向合束器13分别包含6个多模泵浦输入光纤33、34，正向合束器11对第二泵浦激光器16输出的插入损耗为0.1dB，反向合束器13对通过信号输入光纤35输入的信号激光的插入损耗为0.05dB。。
多模泵浦输入光纤33和多模泵浦输入光纤34的包层和纤芯直径分别为220和200微米。信号输入光纤31、信号输出光纤32、信号输入光纤35和信号输出光纤36的包层直径均与掺杂光纤21的包层直径相同，纤芯直径均为30um。第一泵浦激光器15和第二泵浦激光器16均采用最大输出功率为180W的976nm光纤耦合半导体激光器，该半导体激光器输出耦合光纤包层和纤芯直径分别为220和200微米。
本发明通过将多个器件集成于掺杂光纤光路模块，可在同一掺杂光纤上获得激光器振荡级和放大级，有效减少熔接点个数，避免因熔接导致的光纤纤芯光泄露和因泄露导致的光光转换效率降低和熔接点发热问题，并可直接采用双端泵浦结构，提高输出功率。
以上是本专利的具体实施方式，但并不仅限于此种实施方式。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.一种全光纤高功率光纤激光器，其特征在于：包括正向合束器(11)、掺杂光纤光路模块(12)、反向合束器(13)、端帽(14)、第一泵浦激光器(15)以及第二泵浦激光器(16)；
所述正向合束器(11)包括N个泵浦输入光纤，一个信号输入光纤和一个信号输出光纤，其中正向合束器(11)的泵浦输入光纤和信号输入光纤同侧，第二泵浦激光器(16)熔接在正向合束器(11)的泵浦输入光纤上；
反向合束器(13)包括N个泵浦输入光纤，一个信号输入光纤和一个信号输出光纤，其中反向合束器(13)的泵浦输入光纤和信号输出光纤同侧，第一泵浦激光器(15)熔接在反向合束器(13)的泵浦输入光纤上，端帽(14)制作于反向合束器(13)的信号输出光纤上；
掺杂光纤光路模块(12)包括掺杂光纤(21)、包层光剥离器(22)、低反射率光栅(23)以及高反射率双包层光栅(24)；正向合束器(11)的信号输出光纤与掺杂光纤(21)的一端熔接泵浦，掺杂光纤(21)的另一端与反向合束器(13)的信号输入光纤熔接泵浦；
高反射率双包层光栅(24)刻于掺杂光纤(21)或正向合束器(11)的信号输出光纤上，低反射率光栅(23)刻于掺杂光纤(21)的中部，包层光剥离器(22)制作在掺杂光纤(21)上，包层光剥离器(22)与低反射率光栅(23)之间的距离大于10cm，小于1m；
所述低反射率光栅(23)的反射率小于30％，高反射率双包层光栅(24)的反射率大于99％。
2.根据权利要求1所述的一种全光纤高功率光纤激光器，其特征在于：所述包层光剥离器(22)承受信号光功率大于500W，可剥除泵浦功率大于50W，剥除效率大于13dB。
3.根据权利要求1或2所述的一种全光纤高功率光纤激光器，其特征在于：所述掺杂光纤(21)为双包层或多包层掺杂光纤，内包层直径为200-800 微米，纤芯直径为20-80微米，纤芯掺杂稀土离子为镱、铒、铥中一种或多种的组合。
4.根据权利要求1所述的一种全光纤高功率光纤激光器，其特征在于：所述正向合束器(11)的信号输出光纤和反向合束器(13)的信号输入光纤的包层直径均与掺杂光纤光路模块(12)中掺杂光纤(21)的包层直径相同，反向合束器(13)信号输入光纤的纤芯直径大于或等于掺杂光纤(21)的纤芯直径。
5.根据权利要求4所述的一种全光纤高功率光纤激光器，其特征在于：若高反射率双包层光栅(24)位于掺杂光纤光路模块(12)中，则正向合束器(11)的信号输出光纤与高反射率双包层光栅(24)之间的掺杂光纤不超过50cm，正向合束器(11)信号输出光纤的纤芯直径大于或等于掺杂光纤(21)的纤芯直径；
若高反射率双包层光栅(24)刻于正向合束器(11)的信号输出光纤上，则正向合束器(11)信号输出光纤的纤芯直径等于掺杂光纤(21)的纤芯直径。
6.根据权利要求1所述的一种全光纤高功率光纤激光器，其特征在于：正向合束器(11)对第二泵浦激光器(16)输出激光的插入损耗小于0.2dB，反向合束器(13)对通过反向合束器(13)的信号输入光纤输入的信号激光的插入损耗小于0.1dB。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |