本发明涉及激光技术领域，尤其涉及高功率光纤激光技术领域。
背景技术：
光纤激光器在工业加工、国防军事等领域有着广泛的应用，主要受益于其具备结构紧凑、转换效率高、散热性能好、光束质量比传统固体激光器好的优点。
高功率光纤激光技术的进步，也带动了制造技术的进步，尤其在3d打印、船舶工业、汽车制造、飞机制造等涉及大型复杂机械结构件的制造行业。
但是，目前高功率光纤激光器的主要泵浦方式是半导体激光器(ld)直接泵浦，其受限于ld的亮度低、量子亏损大、热效应、非线性效应等因素的限制。目前，3kw及以上功率的单模全光纤激光器均采用级联泵浦方式实现，其中ipg已经实现万瓦量级的单纤单模输出，其为高功率级联泵浦方式的典型代表。基于商业技术保护，ipg目前并没有公布其高功率级联泵浦技术细节，只是报道了技术指标[e.stiles,newdevelopmentsinipgfiberlasertechnology.inproceedingsofthe5thinternationalworkshoponfiberlasers.2009]。
以ipg的万瓦单模全光纤为例，其级联泵浦用的全光纤激光器输出波长为1018nm，输出激光波长为1070nm，对应的量子亏损约为5％，该数值约为976nm半导体激光器直接泵浦时的量子亏损的一半。此外采用级联泵浦的方式，可以很大程度上降低光纤掺杂粒子的光子暗化速率，并提高增益光纤的使用寿命[ieeej.quantumelectron.21(7):1212-1214,2010.]。受益于级联泵浦技术的诸多优势，目前商业化的3kw以上的高亮度全光纤激光器均采用级联泵浦方式实现。
ld直接泵浦的大功率全光纤激光器在高功率激光输出时很难保持高亮度特性。目前的商业化百瓦功率量级的ld输出尾纤的纤芯大多数在百微米及以上，泵浦亮度在10-1～10-2w/(μm·sr)2之间，而相同功率下的光纤激光器的输出亮度比ld的亮度高2～3个数量级。ld其主要波段在980nm附近，其泵浦增益离子的粒子数转换与掺镱光纤的激光波长1080nm波段的构成准二能级结构，量子亏损约为10％，这些量子亏损在高功率泵浦时都转化为热积累，增加高功率全光纤激光器的散热管理难度。
为此，本发明提供一种高功率全光纤级联放大器，其结构简单，仅有一个放大级，既可实现高功率激光输出，又可以保持高亮度。采级联泵浦技术实现掺镱光纤放大器的高亮度高功率输出，具备高光束质量的优势，最高可实现单级放大器万瓦量级的单模激光功率输出。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种高功率全光纤级联放大器，从而解决现有技术中存在的前述问题。本发明的目的是为了解决技术背景中存在的问题以及目前商业化的高功率光纤激光器的亮度低的问题，级联放大的全光纤激光器具备高功率输出并保持高光束质量的优点。同时光纤激光器的级联泵浦方式具备泵浦光亮度高、量子亏损小的优势，可以实现高功率高亮度激光输出。其特征是采用级联泵浦技术实现掺镱光纤放大器的高亮度高功率激光输出，具备高光束质量的优势，最高可实现单级放大器万瓦量级的激光功率输出。本发明的高功率全光纤级联放大器结构是采用种子源加一级放大器，结构简单。本发明的放大级中采用双端级联泵浦结构，降低散热难度，同时可以进一步从反向注入级联泵浦激光功率，提高总的放大输出功率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高功率全光纤级联放大器，包括种子源(1)、放大级(2)、输出端(3)，其中，种子源(1)的输出端连接放大级(2)的输出端，放大级(2)的输出端连接输出端(3)；种子源(1)包括泵浦合束器(12)、高反光栅(13)、低反光栅(14)、增益光纤(15)、包层光滤除器(16)、半导体激光器(110)、半导体激光器(111)、半导体激光器(112)、半导体激光器(113)；放大级(2)包括前向泵浦合束器(21)、后向泵浦合束器(22)、增益光纤(23)，合束器(241)、合束器(242)、合束器(243)……合束器(24n)，其中n≥6，合束器(251)、合束器(252)、合束器(253)、合束器(253)、合束器(254)、合束器(255)、合束器(256)、若干级联泵浦用全光纤激光器；所述泵浦合束缚器(12)的泵浦臂分别与所述半导体激光器(110)、所述半导体激光器(111)、所述半导体激光器(112)和所述半导体激光器(113)的尾纤相连接，所述泵浦合束器(12)的信号纤与所述高反光栅(13)的非反馈端相连接，所述高反光栅(13)的反馈端与所述增益光纤(15)的一端相连接，所述增益光纤(15)的另一端连接所述低反光栅(14)的反馈端，所述低反光栅(14)的输出端与所述包层光滤除器(16)的输入端相连接，所述包层光滤除器(16)的输出端即为种子源(1)的输出端；所述前向泵浦合束器(21)的输入端连接种子源(1)的输出端，所述前向泵浦合束器(21)的输出端连接所述增益光纤(23)，所述增益光纤(23)的另一端连接所述后向泵浦合束器(22)的泵浦输出端，所述后向泵浦合束器(22)的信号输出端是放大级(2)的输出端，与输出端(3)相连接。
优选的，所述前向泵浦合束器(21)的每个泵浦臂上分别连接所述合束器(24n)，所述合束器(241)、所述合束器(242)、所述合束器(243)……所述合束器(24n)的每个臂上都熔接一个级联泵浦用全光纤激光器；所述后向泵浦合束器(22)的每个臂上分别熔接所述合束器(251)、所述合束器(252)、所述合束器(253)、所述合束器(254)、所述合束器(255)、所述合束器(256)，所述合束器(251)、所述合束器(252)、所述合束器(253)、所述合束器(254)、所述合束器(255)、所述合束器(256)的每个臂上都熔接一个级联泵浦用全光纤激光器；所述合束器(241)、所述合束器(242)、……所述合束器(24n)都为n×1型合束器，其中，n≥6，其单臂耐受功率不低于300w；所述合束器(251)、所述合束器(252)、所述合束器(253)、所述合束器(254)、所述合束器(255)、所述合束器(256)都为n×1型合束器，其中n≥3，其单臂耐受功率不低于300w。
优选的，所述输出端(3)是高功率石英端帽，可以耐受万瓦级的连续激光输出。
优选的，所述的泵浦合束器(12)为(n+1)×1型，其中n≥4，其单臂耐受功率不低于250w，其各个泵浦臂与所述半导体激光器(110)、所述半导体激光器(111)、所述半导体激光器(112)和所述半导体激光器(113)的尾纤通过熔接相连接。
优选的，所述的高反光栅(13)的反射率不低于90％，中心波长的范围为1065～1085nm，耐受功率不低于1kw；所述低反光栅(14)的反射率不高于30％，中心波长的范围为1065～1085nm，耐受功率不低于1kw。
优选的，所述增益光纤(15)、所述增益光纤(23)均为双包层光纤，其掺杂粒子为镱离子。
优选的，所述包层光滤除器(16)的包层光剥离能力不低于200w。
优选的，所述半导体激光器(110)、半导体激光器(111)、半导体激光器(112)、半导体激光器(113)都为带尾纤输出，输出功率不低于150w。
优选的，所述前向泵浦合束器(21)为(n+1)×1型，其中n≥6，其单臂耐受高亮度激光功率不低于1kw；所述后向泵浦合束器(22)为(n+1)×1型，其中n≥6，单臂耐受高亮度激光功率不低于800w。
优选的，所述若干级联泵浦用全光纤激光器为直接谐振腔结构输出的全光纤激光器，其激光中心波长的范围为1013～1023nm，输出功率不低于250w，输出尾纤为双包层传能光纤。
本发明的有益效果是：本发明采用级联泵浦技术实现掺镱光纤放大器的高亮度高功率激光输出，提供一种可操作性强的高功率和高亮度激光输出的技术方案；提供一种高功率级联放大系统，具备高功率输出能力，兼具亮度保持；采用简单的mopa结构，仅需一级放大可突破万瓦高亮度激光输出；放大级采用双端泵浦结构，降低散热难度；易实现商业化生产。
附图说明
图1是高功率全光纤级联放大器结构示意图，其中，1是种子源，2是放大级，3是输出端；12是泵浦合束器，13是高反光栅，14是低反光栅，15是增益光纤，16是包层光滤除器，110、111、112、113分别是是半导体激光器；21是前向泵浦合束器，22是后向泵浦合束器，23是增益光纤，241、242、243……24n，251、252、253、254、255、256分别是合束器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明公开一种高功率全光纤级联放大器，其特征是采级联泵浦技术实现掺镱光纤放大器的高亮度高功率激光输出，具备高光束质量的优势，最高可实现单级放大器万瓦量级的激光功率输出。其结构示意图如图1所示，其结构装置包括一种子源1、一放大级2、一输出端3。其中种子源1的输出端连接放大级2的输入端，放大级2的输出端连接输出端3。
种子源1是直线腔型谐振腔结构，为放大级提供种子信号光源。其结构包括一泵浦合束其器12、一高反光栅13、一增益光纤15、一低反光栅14、一包层光滤除器16、一半导体激光器110、一半导体激光器111、一半导体激光器112、一半导体激光器113。
其中泵浦合束缚器12的泵浦臂分别与半导体激光器110、半导体激光器111、半导体激光器112、半导体激光器113的尾纤相连接，泵浦合束器12为(n+1)×1型(n≥4)，单臂耐受功率不低于250w，其各个泵浦臂与半导体激光器的尾纤通过熔接相连接，泵浦臂的尾纤与半导体激光器的尾纤参数如纤径、数值孔径都一致，通常为105μm，na.0.15或200μm，na.0.22。半导体激光器110、半导体激光器111、半导体激光器112、半导体激光器113都为带尾纤输出，输出功率不低于150w，半导体激光器的个数不低于4个。泵浦合束器12的信号纤与高反光栅13的非反馈端通过熔接相连接，其为布拉格光纤光栅，反射率不低于90％，中心波长为1075±10nm，耐受功率不低于1kw，其采用的光纤参数与泵浦合束器12的信号纤参数一致，通常为15/130μm，na.0.06/0.46；20/400μm，na.0.06/0.46等规格。
高反光栅13的反馈端与增益光纤15的一端相连接，增益光纤15为双包层光纤，其掺杂粒子为镱离子，掺杂方式可为溶液掺杂或纳米颗粒掺杂，掺杂浓度不低于6000ppm。增益光纤15的另一端连接低反光栅14的反馈端，其为布拉格光纤光栅，反射率不高于30％，中心波长为1075±10nm，耐受功率不低于1kw。低反光栅14的输出端与包层光滤除器16的输入端相连接，包层光滤除器16的包层光剥离能力不低于200w，其采用折射率匹配液剥离包层光，其底部通有水冷保护措施。包层光滤除器16的输出端即为种子源1的输出端，种子源输出的激光功率不低于350w，激光中心波长为1075±10nm。
放大级2是双端泵浦结构的放大器。其包括一前向泵浦合束器21、一后向泵浦合束器22、一增益光纤23、一合束器241、一合束器242、…一合束器24n，一合束器251、一合束器252、一合束器253、一合束器253、一合束器254、一合束器255、一合束器256、若干级联泵浦用全光纤激光器。
其中前向泵浦合束器21的输入端连接种子源1的输出端，前向泵浦合束器21为(n+1)×1型(n≥6)，其每个单臂耐受高亮度激光功率不低于1kw，前向泵浦合束器21的每个泵浦臂上都熔接一合束器241、合束器242、…合束器24n(n≥6)，合束器24n的每个臂上都熔接一个级联泵浦用全光纤激光器，该合束器24n的每个泵浦臂可耐受激光功率高于300w，该级联泵浦用全光纤激光器为直接谐振腔结构输出的全光纤激光器，其激光中心波长为1018±5nm，输出功率不低于250w，输出尾纤为双包层传能光纤。
前向泵浦合束器21的输出端连接增益光纤23，其为双包层掺镱光纤，其光纤的纤径参数与前向泵浦合束器21的信号纤一致，一般为30/250μm，na.0.06/0.46；20/400μm，na.0.06/0.46等规格。增益光纤23的另一端连接后向泵浦合束器22的泵浦输出端，后向泵浦合束器22为(n+1)×1型(n≥6)，单臂耐受高亮度激光功率不低于800w，后向泵浦合束器22的每个臂上都熔接一合束缚器251－合束器256，合束器251、合束器252、合束器253、合束器253、合束器254、合束器255、合束器256都为n×1(n≥3)型合束器，单臂耐受功率不低于300w。合束器251――合束器256的每个臂上都熔接一个级联泵浦用全光纤激光器，该级联泵浦用全光纤激光器和合束器24n的泵浦臂上熔接的型号参数一致，级联泵浦用全光纤激光器的数量由总体合束器24n的数量和合束器251、合束器252、合束器253、合束器253、合束器254、合束器255、合束器256决定。
后向泵浦合束器22的信号输出端是放大级2的输出端，其与输出端3相连接。输出端3是一高功率石英端帽，可以耐受万瓦级的连续激光输出。
前向可导入的级联泵浦光的功率不低于：250w×6×6＝9000w；
后向可导入的级联泵浦光的功率不低于：250w×6×3＝4500w；
除去前向的熔点和器件自身损耗共计5％(经实验验证该项损耗低于4％，前向泵浦合束器12(n+1)×1(n≥6)的单个泵浦臂可导入1800w激光功率)，其可导入到放大级的级联泵浦光功率为8550w；后向的熔点和器件自身损耗共计8％，其可导入到放大级的级联泵浦光功率为4140w，根据实验验证，级联泵浦光的转化效率高于84％，则放大级可得到的激光功率为(8550+4140)w×84％＝10659.5w，加上种子源部分的350w激光功率，再扣除整体熔点的2％损耗，总输出可以得到10500w以上的功率输出。由于级联泵浦的量子损耗低，以上都是保守计算数据，实际实验验证的级联泵浦光的转化效率可达90％，所以本方案的单级放大器可以实现万瓦量级的激光功率输出。在低功率种子源1部分，可以通过谐振腔的优化设计，同时对包层光进行滤除措施，可以保障单模输出。而级联泵浦方式由于量子亏损低，热负荷低，基本可以保持高亮度的激光输出。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：简单更换级联泵浦全光纤激光器的输出功率、波长以及数量，都落在本发明的保护范围之内。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：提供一种可操作性强的高功率和高亮度激光输出的技术方案；提供一种高功率级联放大系统，具备高功率输出能力，兼具亮度保持；采用简单的mopa结构，仅需一级放大可突破万瓦高亮度激光输出；放大级采用双端泵浦结构，降低散热难度；易实现商业化生产。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。