高功率光纤激光振荡器系统

1.本实用新型涉及高功率光纤激光器技术领域，具体涉及一种可同时抑制受激拉曼散射与横向模式不稳定性的光纤振荡器系统。


背景技术：

2.光纤激光器具有结构紧凑、效率高、光束质量好等优势，其在工业加工以及国防事业中扮演着越来越重要的角色。光纤激光振荡器相对于放大器在结构上更为简单，可有效的降低成本。
3.目前已报道的近单模振荡器最高输出功率已超过8kw。受激拉曼散射(srs)是限制振荡器功率进一步提高的限制因素之一。为了提高srs效应的阈值，光纤的有效模场面积需要适当增大，即纤芯直径需要增大，此时单模传输条件无法保证，纤芯中能同时传输两个模式(lp
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与lp
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)，两个模式相干涉沿光纤轴向形成强弱交替的光场，由于光热效应会形成周期为干涉拍长的折射率长周期光栅，当系统内存在噪声时，热致长周期光栅与干涉场不再同步，热致长周期光栅发生移动，造成横向模式不稳定效应(tmi)，tmi效应的出现会造成激光器光束质量急剧下降，且继续提高泵浦功率，输出功率不升反降。
4.为了进一步提升振荡器的输出功率，同时抑制srs效应与tmi效应十分必要。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的缺陷，本实用新型提出了一种高功率光纤激光振荡器系统。
6.为实现上述技术目的，本实用新型采用的具体技术方案如下：
7.一种高功率光纤激光振荡器系统，包括正向泵浦单元、输入传能光纤、高反射光栅、增益光纤、低反射光栅、反向泵浦单元、输出传能光纤。正向泵浦单元中的各泵浦光源的泵浦光纤以拉锥烧合到输入传能光纤上的方式组成正向侧面泵浦合束器，高反射光栅直接刻写在输入传能光纤上；输入光能光纤熔接增益光纤的一端，增益光纤上刻写有抑制腔内的受激拉曼效应的第一光栅；增益光纤的另一端熔接输出传能光纤的一端；低反射光栅直接刻写在输出传能光纤上，反向泵浦单元中的各泵浦光源的泵浦光纤以拉锥烧合到输出传能光纤上的方式组成反向侧面泵浦合束器；输出传能光纤上刻写有抑制srs效应的第二光栅。
8.优选地，本实用新型中的所述高反射光栅为通过飞秒直接刻写在输入传能光纤上的高反射光纤布拉格光栅；所述低反射光栅为通过飞秒直接刻写在输出传能光纤上的低反射光纤布拉格光栅。
9.优选地，本实用新型中的所述高反射光纤布拉格光栅以及低反射光纤布拉格光栅的纤芯中设置有与纤芯同心的圆形折射率调制区，折射率调制区的半径小于纤芯半径，折射率调制区与光纤矢量模式均呈现出圆对称，lp
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模与lp
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模不会发生互耦合，且lp
11
模的自耦合系数低于lp
01
模的自耦合系数，lp
11
模的反射率低于lp
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模的反射率。
10.优选地，本实用新型中的第一光栅是通过飞秒刻写在增益光纤上的啁啾倾斜光纤
布拉格光栅。利用飞秒激光加工光纤光栅，避免了光纤载氢且可以直接在增益光纤上进行加工。
11.优选地，本实用新型中的增益光纤上的啁啾倾斜光纤布拉格光栅分布有多个，增益光纤上的多个啁啾倾斜光纤布拉格光栅组成级联啁啾倾斜光纤布拉格光栅。或者，整根增益光纤上均刻写有啁啾倾斜光纤布拉格光栅，形成分布式啁啾倾斜光纤布拉格光栅。
12.优选地，本实用新型中的第一光栅是通过飞秒刻写在增益光纤上的长周期光纤光栅。
13.优选地，本实用新型中的第二光栅是利用飞秒激光或紫外曝光法在输出传能光纤上刻写啁啾倾斜光纤布拉格光栅。
14.优选地，本实用新型中的输出传能光纤上的啁啾倾斜光纤布拉格光栅分布有多个，输出传能光纤上的多个啁啾倾斜光纤布拉格光栅组成级联啁啾倾斜光纤布拉格光栅。或者，整根输出传能光纤上均刻写有啁啾倾斜光纤布拉格光栅，形成分布式啁啾倾斜光纤布拉格光栅。
15.优选地，本实用新型中的第二光栅是通过飞秒激光或紫外曝光法或co2激光刻写的长周期光纤光栅。
16.优选地，本实用新型中的所述增益光纤采用掺镱光纤。
17.本实用新型的有益技术效果如下：
18.(1)本实用新型同时具有srs效应和tmi效应的抑制功能，输出功率能够得到提升。
19.(2)本实用新型中的所有器件一体化制备，有效的减少了系统中熔点的数量，避免了熔点的额外发热。
20.(3)本实用新型对高反射光纤布拉格光栅以及低反射光纤布拉格光栅进一步设计，可以让lp
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模的反射率较高而lp
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模的反射率较低，且无模式互耦合过程发生，极大程度的降低了lp
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模的光子寿命，提升tmi效应的阈值。
21.(4)本实用新型泵浦合束器可采用侧面泵浦合束器的方式，可进一步提升系统的效率。
附图说明
22.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
23.图1为实施例1的光路图。
24.图2为高反射光纤布拉格光栅以及低反射光纤布拉格光栅的横向截面折射率分布示意图；
25.图3为级联啁啾倾斜光纤布拉格光栅示意图。
26.图4为分布式啁啾倾斜光纤布拉格光栅示意图。
27.图5为串联啁啾倾斜光纤布拉格光栅示意图。
28.图中标号说明：
29.1：正向侧面泵浦合束器；2：高反射光纤布拉格光栅；3：掺镱光纤；4：第一光栅；5：
低反射光纤布拉格光栅；6：反向侧面泵浦合束器；7：第二光栅；8：熔接点；9：泵浦光纤。
具体实施方式
30.为了使本实用新型的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
31.实施例1：
32.参照图1，本实施例提供一种高功率光纤激光振荡器系统，包括正向泵浦单元、输入传能光纤、高反射光纤布拉格光栅2、掺镱光纤3、低反射光纤布拉格光栅5、反向泵浦单元、输出传能光纤。
33.正向泵浦单元中的各泵浦光源的泵浦光纤9以拉锥烧合到输入传能光纤上的方式组成正向侧面泵浦合束器1。反向泵浦单元中的各泵浦光源的泵浦光纤9以拉锥烧合到输出传能光纤上的方式组成反向侧面泵浦合束器6。
34.正向泵浦单元以及反向泵浦单元中的各泵浦光源输出976nm的泵浦光通过正向侧面泵浦合束器1和反向侧面泵浦合束器6注入到振荡器谐振腔。
35.正向侧面泵浦合束器1与高反射光纤布拉格光栅2相连，正向侧面泵浦合束器1与高反射光纤布拉格光栅2均在输入传能光纤上。高反射光纤布拉格光栅2通过飞秒直接刻写在输入传能光纤上。输入传能光纤的另一端与掺镱光纤3相连，输入传能光纤和掺镱光纤3之间存在一个熔接点8。
36.掺镱光纤3上刻写有抑制腔内的受激拉曼效应的第一光栅4，第一光栅4是通过飞秒刻写在掺镱光纤3上的啁啾倾斜光纤布拉格光栅。啁啾倾斜光纤布拉格光栅可有效的抑制腔内的受激拉曼效应，啁啾倾斜光纤布拉格光栅可以分布于掺镱光纤的任意位置。第一光栅4亦可为通过飞秒刻写的长周期光纤光栅。
37.掺镱光纤3的另一端与低反射光纤布拉格光栅5相连进行激光的输出。掺镱光纤3与低反射光纤布拉格光栅5之间存在一个熔接点8，激光通过反向侧面泵浦合束器6进行输出。输出传能光纤上刻写有抑制srs效应的第二光栅7。低反射光纤布拉格光栅5、反向侧面泵浦合束器6、第二光栅7在同一根光纤即输出传能光纤上。
38.第二光栅7为利用飞秒激光或紫外曝光法在输出传能光纤上刻写的啁啾倾斜光纤布拉格光栅，通过啁啾倾斜光纤布拉格光栅对srs进行抑制，激光通过啁啾倾斜光纤布拉格光栅后进行输出，啁啾倾斜光纤布拉格光栅可以分布于输出传能光纤的任意位置。第二光栅7亦可为通过飞秒激光或紫外曝光法或co2激光刻写的长周期光纤光栅。
39.若需要振荡器的输出功率超过5kw，泵浦光纤9为20/400光纤等，若振荡器的输出功率超过10kw，泵浦光纤10为220/242光纤等，另外可增加泵浦臂的数量以提升泵浦功率，根据实际情况侧面泵浦合束器可替换为端面泵浦合束器。
40.通过飞秒激光可在掺镱光纤上进行器件加工，可有效的减少熔点的数量，避免了熔点的发热。本实用新型泵浦合束器可采用侧面泵浦合束器的方式，可进一步提升系统的效率。该振荡器结构具有集成度高、熔点少等优势，可降低srs效应和tmi效应对系统的影响，避免了额外的熔点发热，从而提升振荡器的输出功率。
41.参照图2，为高反射光纤布拉格光栅以及低反射光纤布拉格光栅的横向截面折射
率分布示意图。高反射光纤布拉格光栅以及低反射光纤布拉格光栅的纤芯中设置有与纤芯同心的圆形折射率调制区，折射率调制区的半径小于纤芯半径，折射率调制区与光纤矢量模式均呈现出圆对称，lp
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模与lp
11
模不会发生互耦合，且lp
11
模的自耦合系数低于lp
01
模的自耦合系数，lp
11
模的反射率低于lp
01
模的反射率。
42.为了抑制tmi效应，作为腔镜的高反射光纤布拉格光栅以及低反射光纤布拉格光栅需要对lp
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模具有较高的反射，对lp
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模的反射率较低，由于lp
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模的中心位置为相位奇点，该点附近的强度分布趋近于0，而lp
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模呈现出类高斯分布，中心附近的强度最大，因而高反射光纤布拉格光栅以及低反射光纤布拉格光栅横向折射率分布为与纤芯同心的圆，可保证lp
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模的反射率高于lp
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模的反射率，且在这种折射率分布下，两个纤芯模式之间不能发生互耦合以避免lp
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模向lp
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模的转化，通过这种方式提升振荡腔内lp
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模起振的阈值，且保证了lp
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模的起振阈值较低，使lp
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模在横向模式竞争中处于优势，从而抑制tmi效应的发生。
43.图3为级联啁啾倾斜光纤布拉格光栅示意图。图1中的第一光栅可以为分布在掺镱光纤上的多个啁啾倾斜光纤布拉格光栅组成，形成级联啁啾倾斜光纤布拉格光栅。同样的，图1中的第二光栅可以为分布在输出传能光纤上的多个啁啾倾斜光纤布拉格光栅组成，形成级联啁啾倾斜光纤布拉格光栅。
44.各啁啾倾斜光纤布拉格光栅的谐振波长可以相同，以增加对srs抑制的深度，各啁啾倾斜光纤布拉格光栅的谐振波长间也可以存在一定的间隔以增加抑制带宽，级联的啁啾倾斜光纤布拉格光栅数量可以是两个、三个、甚至更多，掺镱光纤上的级联啁啾倾斜光纤布拉格光栅通过飞秒激光刻写，输出传能光纤上的级联啁啾倾斜光纤布拉格光栅通过飞秒激光刻写或紫外曝光法刻写。
45.图4为分布式啁啾倾斜光纤布拉格光栅示意图，图1中的第一光栅可以为分布在整根掺镱光纤上的啁啾倾斜光纤布拉格光栅构成，形成分布式啁啾倾斜光纤布拉格光栅。同样的，图1中的第二光栅可以为分布在整根输出传能光纤上的啁啾倾斜光纤布拉格光栅构成，形成分布式啁啾倾斜光纤布拉格光栅。
46.由于srs效应可发生于振荡器的任何位置，通过飞秒激光在掺镱光纤或传能光纤刻上刻写分布式的啁啾倾斜光纤布拉格光栅在光纤的任意位置都可有效的抑制srs效应。
47.图5为串联啁啾倾斜光纤布拉格光栅示意图，不同于图3中级联啁啾倾斜光纤布拉格光栅，在串联结构中的任意两个啁啾倾斜光纤布拉格光栅之间都可以存在一定距离的光纤。各啁啾倾斜光纤布拉格光栅的谐振波长可以相同，以增加对srs抑制的深度。各啁啾倾斜光纤布拉格光栅的谐振波长间也可以存在一定的间隔以增加抑制带宽，串联的啁啾倾斜光纤布拉格光栅数量可以是由两个、三个、甚至更多。掺镱光纤上的串联的啁啾倾斜光纤布拉格光栅通过飞秒激光刻写，输出传能光纤上的串联的啁啾倾斜光纤布拉格光栅通过飞秒激光刻写或紫外曝光法刻写。
48.综上所述，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本实用新型的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。