CN108683064B - 一种基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器 - Google Patents
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Abstract
一种基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器，包括纤芯尺寸纵向渐变增益光纤(1)、高反射光纤光栅(2)、低反射光纤光栅(3)、光纤耦合半导体激光器(4)、泵浦合束器(5)、信号传能光纤(6)、泵浦传能光纤(7)、包层光滤除器(8)、光纤端帽(9)；其中高反射光纤光栅、纤芯尺寸纵向渐变增益光纤、低反射光纤光栅通过信号传能光纤依次连接形成光纤激光谐振腔；光纤耦合半导体激光器输出激光经过泵浦传能光纤注入泵浦合束器，然后通过信号传能光纤注入到所述光纤激光谐振腔中；光纤激光谐振腔输出激光经过包层光滤除器后，由光纤端帽扩束输出；其中纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的纤芯直径沿光纤长度方向先变大后变小。
Description
技术领域
本发明总体地涉及光纤激光器领域，尤其涉及一种基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器。
背景技术
与主振荡功率放大结构光纤激光器相比，全光纤激光振荡器具有成本低廉、结构紧凑、控制逻辑简单、性能稳定、抗反射回光能力强等优点，在工业加工中有着广泛的应用。随着应用领域的扩展，对光纤激光振荡器的功率需求越来越高。当前，影响全光纤激光振荡器输出功率提升的主要物理限制因素包括模式不稳定效应和受激拉曼散射效应。一般而言，为了抑制模式不稳定，一般需要采用纤芯直径和模场面积较小、归一化频率较低的增益光纤来抑制高阶模式的产生，从而提高激光器输出功率。但是，为了抑制非线性效应、提升受激拉曼散射的阈值，需要采用纤芯直径和模场面积较大的增益光纤。
因此，一般而言，抑制横向模式不稳定和受激拉曼散射对于增益光纤模场面积的需求是相互矛盾的，普通结构的全光纤激光器难以平衡此矛盾，进一步提升全光纤激光振荡器的功率遇到了明显的技术瓶颈。
当前，全光纤激光器振荡器大都采用纤芯直径沿光纤长度方向均匀变化的增益光纤作为激光器的增益介质，难以平衡模式不稳定效应和受激拉曼散射效应抑制的矛盾。
公开报道利用纤芯直径纵向渐变光纤构成激光器，主要是利用拉锥光纤置于激光谐振腔中：专利CN201310069242.1利用拉锥区域轴向长度为1.5～2厘米、相邻两个拉锥区的轴向中心之间间隔4～6米的、总长度大于或等于80m的多锥段光纤，在环形腔激光器中实现稳定的单频激光运转；专利CN201410106212.8利用拉锥光纤锥区直径为4～10微米，长度为0.5～2厘米的锥形光纤固定在可调谐装置上，通过调整装置对拉锥光纤施加不同的应力，在环形激光器中实现不同波长的调谐输出；专利CN201610567283.7利用调制周期为6.8～7.2纳米，锥腰为7.0～7.5微米的拉锥光纤，通过微位移光纤夹上拉伸锥形光纤的长度，在掺铥光纤环形腔中实现激光纵模竞争的抑制和实现波长的调谐，实现了基于拉锥光纤的可调谐2微米波段双波长锁模光纤激光输出。
当前利用拉锥光纤构建激光器时，拉锥光纤都是单模光纤、且锥区长度都在2厘米以下，主要通过控制锥区的长度或应力来实现波长调谐的或线宽控制，由于这些激光器中光纤纤芯和包层都随着光纤长度变化，泵浦光在包层传输时存在较大的损耗，严重时激光器可能烧毁，不适合高功率光纤激光器的应用；同时，当前这类基于锥形光纤的激光器，未涉及横向模式控制和受激拉曼散射抑制。
发明内容
针对上述已有技术的不足，本发明提供了一种基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器，利用纤芯直径沿光纤长度方向(称为纵向)渐变的增益光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。
本发明的技术方案是，一种基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器，其特征在于，它包括纤芯尺寸纵向渐变增益光纤、高反射光纤光栅、低反射光纤光栅、光纤耦合半导体激光器、泵浦合束器、信号传能光纤、泵浦传能光纤、包层光滤除器、光纤端帽；所述高反射光纤光栅、纤芯直径纵向渐变增益光纤、低反射光纤光栅通过信号传能光纤依次连接，形成光纤激光谐振腔；所述光纤耦合半导体激光器输出激光经过泵浦传能光纤注入泵浦合束器，然后从泵浦合束器输出，通过信号传能光纤注入到所述光纤激光谐振腔中；光纤激光谐振腔输出激光经过包层光滤除器后，由光纤端帽扩束输出；所述纤芯尺寸纵向渐变增益光纤包括纤芯、内包层、外包层，所述内包层包裹住纤芯，外包层包在内包层外，整体构成增益光纤，纤芯和外包层横截面为圆形、内包层横截面为圆形或正八边形，纤芯的直径沿光纤长度方向先变大后变小，所述内包层横截面及其对应外接圆直径沿光纤长度方向恒定不变，所述外包层直径沿光纤长度方向恒定不变。
进一步的，上述纤芯包括两段小直径区域、一段大直径区域和两段过渡直径区域，所述小直径区域、过渡直径区域、大直径区域、过渡直径区域、小直径区域依次连接形成直径沿光纤方向先变大后变小的纤芯。
更进一步的，上述两段小直径区域的直径相同且沿光纤长度方向恒定，长度均在1～10米范围内、归一化频率小于3.8；大直径区域的长度1～10米、直径沿光纤长度方向为定值且不小于30微米；两段过渡直径区域的长度均在0.01～1米范围内，两者的直径渐变率相同且直径和归一化频率沿光纤长度变化，其小端的尺寸和归一化频率不小于小直径区域的尺寸和归一化频率、大端的尺寸和归一化频率不大于大直径区域的尺寸和归一化频率。
本发明的基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器还可以包括后向泵浦信号合束器，所述后向泵浦信号合束器设置在低反射光纤光栅和包层光滤除器之间；所述后向泵浦信号合束器包括一个信号输入臂、一个信号输出臂，一个或多个泵浦输入臂；所述后向泵浦信号合束器的输出信号臂与低反射光纤光栅通过信号传能光纤连接，其信号输入臂与包层光滤除器通过信号传能光纤连接，其泵浦输入臂与另外一组光纤耦合半导体激光器通过泵浦传能光纤连接。
进一步的，上述纤芯尺寸纵向渐变增益光纤为掺稀土离子的增益光纤，用于激光产生和传输的光纤；且光纤的横截面结构选自双包层或三包层结构的光纤横截面结构中的一种；当纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的横截面结构为双包层结构时，内包层直径或内包层外接圆直径在100～1000微米之间；外包层的直径在250～2000微米之间。
进一步的，上述高反射光纤光栅是激光谐振腔的高反射器件，其反射率大于90％，反射中心波长与所述低反射光纤光栅匹配，高反射光纤光栅的光纤纤芯直径与信号传能光纤的直径匹配，用于将信号激光的绝大部分反射会谐振腔内。
进一步的，上述低反射光纤光栅的反射率在4％～50％范围内，纤芯直径与信号传能光纤的直径匹配，是激光谐振腔的低反射与输出端，用于将部分信号反射会谐振腔内，大部分激光输出到谐振腔外。
进一步的，上述光纤耦合半导体激光器是纤芯直径纵向渐变增益光纤产生上能级粒子的激励源，它包括与纤芯直径纵向渐变增益光纤吸收峰匹配的各个波段的半导体激光器，所述各个波段的半导体激光器包括波段为808纳米、915纳米、940纳米、976纳米、1550纳米中的一个或多个的组合。
进一步的，上述泵浦信号合束器有单个或多个泵浦臂、一个信号输出臂，一组光纤耦合半导体激光器通过泵浦传能光纤连接至泵浦信号合束器的泵浦臂，以使光纤耦合半导体激光器发出的泵浦光通过泵浦臂耦合到泵浦信号合束器的信号输出臂的光纤内包层中，最终实现泵浦光在泵浦信号合束器的中传输；所述信号传能光纤为用于激光传输的非掺稀土离子光纤，其横截面结构为双包层或三包层结构；其纤芯直径在10～1000微米，内包层直径在100～2000微米之间；外包层直径在250～3000微米之间；所述泵浦传能光纤为用于泵浦激光传输的非掺稀土离子光纤，其横截面结构为单包层结构；其纤芯直径在10～1000微米，包层直径在100～2000微米之间。
进一步的，上述包层光滤除器用于滤除信号光纤中的残留泵浦光和高阶模式，其几何尺寸与信号传能光纤几何尺寸一致；所述光纤端帽用于将信号传能光纤中的信号光扩束输出，降低输出端面的功率密度，提高激光器的可靠性。
采用本发明可以达到以下技术效果：
1、有效抑制光纤振荡器中的模式不稳定：利用纤芯尺寸纵向渐变增益光纤小直径区域，仅支撑不到2个模式、同时通过控制单模增益光纤的弯曲直径小于一定值，可以有效抑制振荡器中的高阶模式产生，保证单模运转、有效抑制光纤激光器中的横向模式不稳定效应。
2、有效抑制光纤振荡器中的受激拉曼散射：利用纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的大直径区域，可以降低纤芯中的有效功率密度，提高受激拉曼散射的阈值。
3、获得高功率高光束质量的激光输出：利用激光谐振腔的自在现效应，可同时兼顾模式不稳定抑制、受激拉曼散射的抑制，突破纤芯尺寸沿光纤长度恒定不变光纤中的功率限制，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。
附图说明
从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：
图1是本发明实施例的一种基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器示意图；
图2是本发明实施例1中纤芯尺寸纵向渐变增益光纤结构示意图；
图3是本发明实施例的一种基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的双端泵浦全光纤激光振荡器示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器，结构示意图如图1所示，包括纤芯直径纵向渐变增益光纤1、高反射光纤光栅2、低反射光纤光栅3、光纤耦合半导体激光器4、泵浦合束器5、信号传能光纤6、泵浦传能光纤7、包层光滤除器8、光纤端帽9；其中高反射光纤光栅2、纤芯直径纵向渐变增益光纤1、低反射光纤光栅3通过信号传能光纤6依次连接形成光纤激光谐振腔，光纤耦合半导体激光器4输出激光经过泵浦传能光纤7注入泵浦合束器5，然后经由泵浦合束器5注入到光纤激光谐振腔，光纤激光谐振腔输出激光经过包层光滤除器8后，由光纤端帽9扩束输出。
本实施例的基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器中，纤芯直径纵向渐变增益光纤1从内到外包括纤芯1-1、内包层1-2、外包层1-3，内包层1-2包裹住纤芯1-1，外包层1-3包在内包层1-2外，整体构成增益光纤，纤芯1-1和外包层1-3横截面为圆形、内包层1-2横截面为圆形或正八边形，纤芯1-1的直径沿光纤长度方向先变大后变小，内包层1-2横截面形态及其对应外接圆直径沿光纤长度方向恒定不变，外包层1-3直径沿光纤长度方向恒定不变。
纤芯1-1的尺寸沿光纤长度方向先变大后变小的具体设计为：纤芯1-1包括两段小直径区域1-4、1-8，一段大直径区域1-5和两段过渡直径区域1-6、1-7；纤芯的小直径区域1-4、过渡直径区域1-6、大直径区域1-5、过渡直径区域1-7、小直径区域1-8依次连接；内包层1-2和外包层1-3的尺寸沿光纤长度方向恒定不变。小直径区域1-4、1-8的长度10米、直径为15微米、数值孔径0.055；大直径区域1-5的长度10米、直径为50微米、数值孔径0.065；过渡直径区域1-6、1-7的长度均为1米、小端的直径为15微米、与小直径区域1-4、1-8连接，大端的直径为50微米，与大直径区域1-5连接。
在具体实施中，由于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤(1)的小尺寸区域1-4中的归一化频率小于2.4，小直径区域1-4增益光纤为严格单模光纤，仅支持基模在激光谐振腔中运转，可不需要特殊的光纤弯曲即以实现有效的模式不稳定的抑制。
实施例2
一种纤芯尺寸纵向渐变增益光纤1，其结构如图2所示，从内到外包括纤芯1-1、内包层1-2、外包层1-3；其中纤芯1-1包括两段小直径区域1-4、1-8，一段大直径区域1-5和两段过渡直径区域1-6、1-7，上述小直径区域1-4、过渡直径区域1-6、大直径区域1-5、过渡直径区域1-7、小直径区域1-8依次连接，内包层1-2和外包层1-3的尺寸沿光纤长度方向恒定不变，但纤芯1-1整体上直径是纵向渐变的：小直径区域1-4、1-8的长度1～10米、直径沿光纤长度方向恒定不变且不大于20微米，归一化频率小于3.8；大直径区域1-5的长度10米、直径沿光纤长度方向恒定不变且不小于30微米；过渡直径区域1-6、1-7的长度0.01～1m，直径和归一化频率沿光纤长度变化，过渡区域1-6、1-7的直径渐变率可以相同也可以不同，其小端的直径和归一化频率不小于小直径区域1-4、1-8的直径和归一化频率，大端的直径和归一化频率不大于大直径区域1-5的直径和归一化频率。
实施例3
一种基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的双端泵浦全光纤激光振荡器，结构示意图如图3所示，包括纤芯尺寸纵向渐变增益光纤1、高反射光纤光栅2、低反射光纤光栅3、光纤耦合半导体激光器4、前向泵浦合束器5、信号传能光纤6、泵浦传能光纤7、包层光滤除器8、光纤端帽9、后向泵浦信号合束器10，该激光振荡器的结构与实施例1中的结构基本相同，不同之处在于，在低反射光纤光栅3和包层光滤除器8之间插入后向泵浦信号合束器10，后向泵浦信号合束器10包括一个信号输入臂、一个信号输出臂，一个或多个泵浦输入臂。高反射光纤光栅2、纤芯直径纵向渐变增益光纤1、低反射光纤光栅3通过信号传能光纤6依次连接形成光纤激光谐振腔，光纤耦合半导体激光器4输出激光经过泵浦传能光纤7注入泵浦合束器5，然后经由泵浦合束器5注入到光纤激光谐振腔，光纤激光谐振腔输出激光经过包层光滤除器8后，由光纤端帽9扩束输出；另一组光纤耦合半导体激光器4输出激光经过泵浦传能光纤7注入后向泵浦信号合束器10，经由后向泵浦信号合束器10注入光纤激光谐振腔中。
本实施例中的纤芯尺寸纵向渐变增益光纤1从内到外包括纤芯1-1、内包层1-2、外包层1-3；纤芯1-1包括两段小直径区域1-4、1-8，一段大直径区域1-5和两段过渡直径区域1-6、1-7；纤芯1-1的小直径区域1-4、过渡直径区域1-6、大直径区域1-5、过渡直径区域1-7、小直径区域1-8依次连接；内包层1-2和外包层1-3的尺寸沿光纤长度方向恒定不变，纤芯直径纵向渐变的具体设计为：小直径区域1-4、1-8的长度10米、直径为20微米、数值孔径0.06，大直径区域1-5的长度10米、直径为50微米、数值孔径0.065；过渡直径区域1-6、1-7的长度1米、小端的尺寸为20微米、小端与小直径区域1-4、1-8连接，大端的尺寸为50微米，大端与大直径区域1-5连接。
在本具体实施中，纤芯尺寸纵向渐变增益光纤(1)的小直径区域1-4的归一化频率在2.4到3.8之间，支持LP01和LP11两个模式，需要将小直径区域1-4弯曲为直径小于12厘米的圆环来增加高阶模式的损耗、抑制模式不稳定效应、实现有效的基模LP01运转。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器，其特征在于，它包括纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤(1)、高反射光纤光栅(2)、低反射光纤光栅(3)、光纤耦合半导体激光器(4)、泵浦合束器(5)、信号传能光纤(6)、泵浦传能光纤(7)、包层光滤除器(8)、光纤端帽(9)；
所述高反射光纤光栅(2)、纤芯尺寸纵向渐变增益光纤(1)、低反射光纤光栅(3)通过信号传能光纤(6)依次连接，形成光纤激光谐振腔；
所述光纤耦合半导体激光器(4)输出激光经过泵浦传能光纤(7)注入泵浦合束器(5)，然后从泵浦合束器(5)传出，通过信号传能光纤(6)注入到所述光纤激光谐振腔中；
光纤激光谐振腔输出激光经过包层光滤除器(8)后，由光纤端帽(9)扩束输出；
所述纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤(1)包括纤芯(1-1)、内包层(1-2)、外包层(1-3)，所述内包层(1-2)包裹住纤芯(1-1)，外包层(1-3)包在内包层(1-2)外，整体构成增益光纤，纤芯(1-1)和外包层(1-3)横截面为圆形、内包层(1-2)横截面为圆形或正八边形，纤芯(1-1)的尺寸沿光纤长度方向先变大后变小，所述内包层(1-2)沿光纤长度方向的横截面及横截面的外接圆直径沿光纤长度方向恒定不变，所述外包层(1-3)的直径沿光纤长度方向恒定不变。
2.如权利要求1所述的基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器，其特征在于，所述纤芯(1-1)包括第一小直径区域(1-4)、第二小直径区域(1-8)、一段大直径区域(1-5)、第一过渡直径区域(1-6)、第二过渡直径区域(1-7)，所述第一小直径区域(1-4)、第一过渡直径区域(1-6)、大直径区域(1-5)、第二过渡直径区域(1-7)、第二小直径区域(1-8)依次连接形成直径沿光纤方向先变大后变小的纤芯(1-1)。
3.如权利要求2所述的基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器，其特征在于，所述第一小直径区域(1-4)、第二小直径区域(1-8)的直径相同且沿光纤长度方向恒定，长度均在1～10米范围内、归一化频率小于3.8；大直径区域(1-5)的长度1～10米、直径沿光纤长度方向为定值且不小于30微米；第一过渡直径区域(1-6)、第二过渡直径区域(1-7)的长度均在0.01～1米范围内，两者的直径渐变率相同且直径和归一化频率沿光纤长度变化，其小端的尺寸和归一化频率不小于第一小直径区域(1-4)、第二小直径区域(1-8)的尺寸和归一化频率、大端的尺寸和归一化频率不大于大直径区域(1-5)的尺寸和归一化频率。
4.根据权利要求3所述的基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器，其特征在于，还包括后向泵浦信号合束器(10)，所述后向泵浦信号合束器(10)设置在低反射光纤光栅(3)和包层光滤除器(8)之间；所述后向泵浦信号合束器(10)包括一个信号输入臂、一个信号输出臂，一个或多个泵浦输入臂；所述后向泵浦信号合束器(10)的输出信号臂与低反射光纤光栅(3)通过信号传能光纤(6)连接，其信号输入臂与包层光滤除器(8)通过信号传能光纤(6)连接，其泵浦输入臂与另外一组光纤耦合半导体激光器(4)通过泵浦传能光纤(7)连接。
5.根据权利要求3所述的基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器，其特征在于，所述纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤(1)为掺稀土离子的增益光纤，用于激光产生和传输的光纤；且光纤的横截面结构选自双包层或三包层结构的光纤横截面结构中的一种；当所述纤芯尺寸纵向渐变增益光纤(1)的横截面结构为双包层结构时，内包层(1-2)直径或外接圆直径在100～1000微米之间；外包层(1-3)的直径在250～2000微米之间。
6.根据权利要求3所述的基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器，其特征在于，所述高反射光纤光栅(2)是激光谐振腔的高反射器件，其反射率大于90％，反射中心波长与所述低反射光纤光栅(3)的中心波长匹配，高反射光纤光栅(2)的光纤纤芯直径与信号传能光纤(6)的直径匹配，用于将信号激光的绝大部分反射会谐振腔内。
7.根据权利要求3所述的基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器，其特征在于，所述低反射光纤光栅(3)的反射率在4％～50％范围内，其纤芯直径与信号传能光纤(6)的直径匹配，是激光谐振腔的低反射与输出端，用于将部分信号反射会谐振腔内，大部分激光输出到谐振腔外。
8.根据权利要求3所述的基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器，其特征在于，所述光纤耦合半导体激光器(4)是纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤(1)产生上能级粒子的激励源，它包括与纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤(1)吸收峰匹配的各个波段的半导体激光器，所述各个波段的半导体激光器包括波段为808纳米、915纳米、940纳米、976纳米、1550纳米中的一个或多个的组合。
9.根据权利要求3所述的基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器，其特征在于，所述泵浦合束器(5)有单个或多个泵浦臂、一个信号输出臂，一组光纤耦合半导体激光器(4)通过泵浦传能光纤(7)连接至泵浦合束器(5)的泵浦臂，以使光纤耦合半导体激光器(4)发出的泵浦光通过泵浦臂耦合到泵浦合束器(5)的信号输出臂的光纤内包层中，最终实现泵浦光在泵浦合束器(5)的中传输；所述信号传能光纤(6)为用于激光传输的非掺稀土离子光纤，其横截面结构为双包层或三包层结构；其纤芯直径在10～1000微米，内包层直径在100～2000微米之间；外包层直径在250～3000微米之间；所述泵浦传能光纤(7)为用于泵浦激光传输的非掺稀土子光纤，其横截面结构为单包层结构；其纤芯直径在10～1000微米，包层直径在100～2000微米之间。
10.根据权利要求3所述的基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器，其特征在于，所述包层光滤除器(8)的几何尺寸与信号传能光纤几何尺寸一致，用于滤除信号光纤中的残留泵浦光和高阶模式；所述光纤端帽(9)用于将信号传能光纤(6)中的信号光扩束输出，降低输出端面的功率密度，提高激光器的可靠性。
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