基于环形腔振荡器种子源的高功率窄线宽光纤激光器

本发明属于光纤激光设备领域，特别是涉及基于环形腔振荡器种子源的高功率窄线宽光纤激光器。

背景技术：

高功率窄线宽光纤激光器是光谱合成和相干合成的重要单元。现在流行的高功率窄线宽光纤激光器根据种子源类型的不同可以分为三种，即单频相位调制激光器、窄线宽振荡器以及超荧光或随机激光滤波种子源。

单频相位调制激光器由于单频激光线宽过窄，需要抑制功率放大过程中的受激布里渊散射效应，需要昂贵且精确的相位调制系统对其施加白噪声或者正弦信号相位调制使其光谱展宽；由于单频激光的输出功率低，往往还需要采用多级放大装置。

另外一种抑制受激布里渊散射的方法是直接对宽谱光源进行滤波后再进行放大，这样可以不用对其施加相位调制。超荧光滤波或随机激光滤波就利用这样的思想。但是，由于宽谱滤波光源的输出功率低，也无法避免采用多级放大装置。

窄线宽振荡器通过光纤布拉格光栅对搭建谐振腔，利用掺镱光纤作为增益介质，使用半导体激光器作为泵浦源，组成了一个完整的激光器结构。具有输出功率高，可采用一级放大的独特优势。但是振荡器中由于多纵模引起的自相位调制、交叉相位调制和四波混频非线性效应以及驻波场结构引起的空间烧孔效应会带来光谱展宽，这给高功率下线宽的控制带来了困难。另外，振荡器中的类弛豫振荡脉冲和自锁模脉冲会导致输出激光时序不稳定，在放大过程中会出现受激拉曼散射，抑制了功率的进一步提升。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种新的能够降低高功率窄线宽光纤激光系统复杂性而又能使功率进一步放大不受非线性效应抑制的光纤激光器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

基于环形腔振荡器种子源的高功率窄线宽光纤激光器,包括环形腔振荡器种子源、主激光放大器和主输出端，且所述环形腔振荡器种子源、主激光放大器和主输出端依次连接；

所述环形腔振荡器种子源包括滤波器件、激光输出模块和预激光放大器，且所述滤波器件、激光输出模块与预激光放大器设备依次相连形成环形结构，且所述环形振荡器种子源通过所述激光输出模块的一个输出端与所述主激光放大器连接。

上述的基于环形腔振荡器种子源的高功率窄线宽光纤激光器，作为优选,所述滤波器件包括高功率光纤环形器和高反光纤布拉格光栅，所述高功率光纤环形器的端口1连接所述预激光放大器，端口2与所述高反光纤布拉格光栅连接，端口3连接激光输出模块。

上述的基于环形腔振荡器种子源的高功率窄线宽光纤激光器，作为优选,所述预激光放大器包括泵浦源以及依次相连的泵浦/信号合束器、第一增益光纤和包层光滤除器，且所述泵浦/信号合束器的输入端分别与激光输出模块、泵浦源相连，所述包层光滤除器的输出端与滤波器件相连。

上述的基于环形腔振荡器种子源的高功率窄线宽光纤激光器，作为优选,所述激光输出模块包括高功率光纤隔离器和高功率光纤耦合器，所述高功率光纤隔离器的输入端与滤波器件连接，输出端与高功率光纤耦合器的输入端连接，所述高功率光纤耦合器的输出端分别与预激光放大器、主激光放大器连接。

上述的基于环形腔振荡器种子源的高功率窄线宽光纤激光器，作为优选,所述主激光放大器包括：模式匹配器、泵浦源、泵浦/信号合束器、增益光纤和包层光滤除器；所述泵浦/信号合束器、增益光纤和包层光滤除器依次连接，所述泵浦源与所述泵浦/信号合束器的泵浦输入臂连接；所述模式匹配器输入端与所述环形腔振荡器种子源连接。

上述的基于环形腔振荡器种子源的高功率窄线宽光纤激光器，作为优选,所述主激光放大器中，所述泵浦源包括前向泵浦源，所述泵浦/信号合束器包括前向泵浦/信号合束器，所述增益光纤包括第二增益光纤，所述包层光滤除器包括前向包层光滤除器；

且所述模式匹配器输出端连接前向泵浦/信号合束器的信号输入臂；所述前向泵浦源连接所述前向泵浦/信号合束器的泵浦输入臂；所述第二增益光纤连接前向泵浦/信号合束器的信号输出臂和前向包层光滤除器；所述前向包层光滤除器连接所述主输出端。

上述的基于环形腔振荡器种子源的高功率窄线宽光纤激光器，作为优选,所述主激光放大器中，所述泵浦源还包括后向泵浦源，所述泵浦/信号合束器还包括后向泵浦/信号合束器，所述包层光滤除器包括后向包层光滤除器；

且所述模式匹配器输出端通过后向包层光滤除器连接所述前向泵浦/信号合束器的信号输入臂；

所述第二增益光纤通过后向泵浦/信号合束器与所述前向包层光滤除器连接，且所述后向泵浦/信号合束器的信号输入端与第二增益光纤连接，所述后向泵浦/信号合束器的泵浦输入端与后向泵浦源连接，所述后向泵浦/信号合束器的输出端与前向包层光滤除器连接。

上述的基于环形腔振荡器种子源的高功率窄线宽光纤激光器，作为优选,所述主激光放大器中，所述泵浦源包括后向泵浦源，所述泵浦/信号合束器包括后向泵浦/信号合束器，所述增益光纤包括第二增益光纤，所述包层光滤除器包括后向包层光滤除器；

且所述模式匹配器输出端连接后向包层光滤除器；所述第二增益光纤连接后向包层光滤除器和后向泵浦/信号合束器的信号输入臂；后向泵浦/信号合束器的泵浦输入臂连接所述后向泵浦源，所述后向泵浦/信号合束器的输出端连接所述主输出端。

上述的基于环形腔振荡器种子源的高功率窄线宽光纤激光器，作为优选,所述泵浦源为半导体激光器，中心波长为915nm或976nm；

所述增益光纤为掺镱光纤；所述掺镱光纤为双包层大模场光纤，纤芯尺寸为15μm～50μm，内包层尺寸为250μm～900μm，吸收系数在976nm波长为1db/m～5db/m。

上述的基于环形腔振荡器种子源的高功率窄线宽光纤激光器，作为优选,所述主输出端的切角选择为大于8°，所述主输出端还包括针对激光波长具有大于99％透射率的端帽。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的高功率窄线宽光纤激光器，采用环形腔结构振荡器作为种子源，利用高功率光纤环形器和高反光纤布拉格光栅进行窄带滤波，使用行波场避免了传统线型腔结构由于驻波场存在而产生空间烧孔效应引起光谱展宽的缺点，也克服了单频相位调制种子源和超荧光滤波种子源采用多级放大而使得系统结构复杂的弱点，且本发明采用环形腔振荡器的输出激光时序比线型腔振荡器的输出激光时序更稳定，可以提高其在功率放大过程中受激拉曼散射的抑制能力。

2、使用行波场可以使得腔内光纤纤芯中光场分布均匀，克服了由于驻波存在导致光场分布不均匀而使非线性效应，诸如自相位调制、交叉相位调制、四波混频等引起的光谱展宽。

3、基于本结构，并利用现有成熟的数千瓦光纤放大器器件，能实现数千瓦级窄线宽光纤激光输出。同时本装置只采用一级放大，具有结构简单，性能可靠的优点。

附图说明

图1为本发明的基于环形腔振荡器种子源的高功率窄线宽光纤激光器的结构框图。

图2为第一种实施方式中的基于环形腔振荡器种子源的高功率窄线宽光纤激光器的结构示意图。

图3为第二种实施方式中的基于环形腔振荡器种子源的高功率窄线宽光纤激光器的结构示意图。

图4为第三种实施方式中的基于环形腔振荡器种子源的高功率窄线宽光纤激光器的结构示意图。

附图说明：

1、高功率光纤环形器；2、高功率光纤隔离器；3、高功率光纤耦合器；4、高反光纤布拉格光栅；5、泵浦/信号合束器；6、第一增益光|纤；7、包层光滤除器；8、模式匹配器；9、第二增益光纤；10、主输出端；21、泵浦源；30、前向泵浦/信号合束器；31、前向泵浦源；32、前向包层光滤除器；40、后向泵浦/信号合束器；41、后向泵浦源；42、后向包层光滤除器。

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，以下结合说明书附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。

本实施例提供一种基于环形腔振荡器种子源的高功率窄线宽光纤激光器,其结构框图如图1所示,包括环形腔振荡器种子源、主激光放大器和主输出端10，且所述环形腔振荡器种子源、主激光放大器和主输出端10依次连接；所述环形腔振荡器种子源包括滤波器件、激光输出模块和预激光放大器，且所述滤波器件、激光输出模块与预激光放大器设备依次相连形成环形结构，且所述环形振荡器种子源通过所述激光输出模块的一个输出端与所述主激光放大器连接。

其中预激光放大器的输出功率可以是50w量级，可以采用常规方式的光纤激光放大器，激光放大器接受小功率的种子激光(接收的种子激光量级通常在1-5w)和高功率的半导体激光泵浦源，将高功率的半导体激光泵浦源转化为与种子激光波长一样的激光，然后将该激光传输至滤波器件。滤波器件对激光进行中心波长的选择和线宽的压缩，经过滤波后的激光再传输至激光输出模块。激光输出模块将一定功率的激光输出，将其余部分的激光作为种子激光传输至激光放大器。这三个部分整体构成了一个环形腔结构。

作为一种实施方式，如图2所示，提供一种全光纤的基于环形腔振荡器种子源的高功率窄线宽激光器示意性结构图。其中滤波器件包括高功率光纤环形器1和高反光纤布拉格光栅4，高功率光纤环形器1的端口1连接预激光放大器，端口2与所述高反光纤布拉格光栅4连接，端口3连接激光输出模块。

预激光放大器包括泵浦源21以及依次相连的泵浦/信号合束器5、第一增益光纤6和包层光滤除器7，且所述泵浦/信号合束器5的输入端分别与激光输出模块、泵浦源21相连(其中泵浦/信号合束器5的信号输入臂连接激光输出模块，泵浦/信号合束器5的泵浦输入臂连接泵浦源21)，所述包层光滤除器7的输出端与滤波器件相连。其中泵浦源21可为多个，例如图2中为2个，其中泵浦/信号合束器5可以是(2+1)*1泵浦/信号合束器。

激光输出模块包括高功率光纤隔离器2和高功率光纤耦合器3，所述高功率光纤隔离器2的输入端与滤波器件连接，输出端与高功率光纤耦合器3的输入端连接，所述高功率光纤耦合器3的输出端分别与预激光放大器、主激光放大器连接。

本实施方式中，泵浦源21通过泵浦/信号合束器5的泵浦臂将泵浦光注入到第一增益光纤6中；高功率光纤耦合器3通过泵浦/信号合束器5的信号臂将信号光注入到第一增益光纤6中，将泵浦光转化为信号光波长的激光来进行信号光的放大。放大后的激光经过包层光滤除器7滤除掉多余的泵浦光过后进入高功率光纤环形器1的端口1，激光在端口2输出后被高反光纤布拉格光栅4进行波长的选择和线宽的压缩后再在端口3输出，输出后的激光通过高功率光纤隔离器2，其作用是防止后向传输的激光损坏前述高功率光纤环形器1，再通过高功率光纤耦合器3将一定功率的激光输出，并将剩余的激光作为信号光注入泵浦/信号合束器5的信号臂。

值得说明的是，本发明所展示为2泵浦输入臂的泵浦/信号合束器，可以根据需求，选择其它规格的泵浦/信号合束器，在此不对数量做出限定。

具体的，特定波长可以是1018nm～1100nm。

具体的，泵浦源也可以选择多种波长的泵浦源，例如：915nm波长泵浦源或者976nm波长泵浦源。

具体的，对应于特定波长为1018nm～1100nm，高反光纤布拉格光栅、高功率光纤环形器和高功率光纤隔离器的中心波长为1018nm～1100nm。

具体的，预激光放大器中的第一增益光纤为掺镱光纤，掺镱光纤为双包层大模场光纤，纤芯尺寸可以是10μm～30μm，内包层尺寸从125μm～400μm之间选择，吸收系数在976nm波长可以是1db/m～5db/m之间的数值。

作为一种实施方式，示意图如图2所示，主激光放大器为千瓦量级，主激光放大器包括模式匹配器8、前向泵浦源31、前向泵浦/信号合束器30、第二增益光纤9和前向包层光滤除器32；且模式匹配器8、前向泵浦/信号合束器30、第二增益光纤9和前向包层光滤除器32依次连接，模式匹配器8输入端与环形腔振荡器种子源连接，输出端连接前向泵浦/信号合束器30的信号输入臂，前向泵浦源31与前向泵浦/信号合束器30的泵浦输入臂连接；前向泵浦/信号合束器30的信号输出臂与第二增益光纤9连接，前向包层光滤除器32连接主输出端。其中前向泵浦源31的个数为多个，图中示出了6个，但是不限于6个，前向泵浦源31可以选择多种波长的泵浦源，例如：915nm波长泵浦源或者976nm波长泵浦源。

环形腔振荡器种子源输出的激光通过模式匹配器8注入到前向泵浦/信号合束器30的信号输入臂，前向泵浦源31通过前向泵浦/信号合束器30的泵浦臂将泵浦光注入到第二增益光纤9中；多余的泵浦光由前向包层光滤除器32滤除，增益光纤中，泵浦光通过受激辐射转换成与对应环形腔振荡器种子源输出激光波长的激光，实现光功率的放大，在主输出端10输出。

作为第二种具体实施方式，如图3所示，主激光放大器包括模式匹配器8、后向包层光滤除器42、前向泵浦源31、前向泵浦/信号合束器30、第二增益光纤9、后向泵浦/信号合束器40、后向泵浦源41和前向包层光滤除器32，且所述模式匹配器8、后向包层光滤除器42、前向泵浦/信号合束器30、第二增益光纤9、后向泵浦/信号合束器40和前向包层光滤除器32依次连接，所述模式匹配器8输入端与环形腔振荡器种子源连接，输出端连接后向包层光滤除器42，所述前向泵浦源31连接所述前向泵浦/信号合束器30的泵浦输入臂，所述后向包层光滤除器42连接所述前向泵浦/信号合束器30的信号输入臂，第二增益光纤9连接所述前向泵浦/信号合束器30的输出端与所述后向泵浦/信号合束器40的信号输入臂，所述后向泵浦/信号合束器40的泵浦输入端与后向泵浦源41连接，所述后向泵浦/信号合束器40的输出端与前向包层光滤除器32连接，所述前向包层光滤除器32输出端连接所述主输出端。其中，前向泵浦源31、后向泵浦源41均为多个，尽管图中示图为6个，但是可以并不限于6个，前向泵浦源31和后向泵浦源41可以选择多种波长的泵浦源，例如：915nm波长泵浦源或者976nm波长泵浦源。

本具体实施方式中，环形腔振荡器种子源输出的激光通过模式匹配器8和后向包层光滤除器42注入到前向泵浦/信号合束器30的信号输入臂，前向泵浦源31通过前向泵浦/信号合束器30的泵浦臂将泵浦光注入到第二增益光纤9中；后向泵浦源41通过后向泵浦/信号合束器40的泵浦臂将泵浦光注入到第二增益光纤9中；多余的泵浦光分别由前向包层光滤除器32和后向包层光滤除器42滤除；在第二增益光纤9中，泵浦光通过受激辐射转换成与对应环形腔振荡器种子源输出激光波长的激光，实现光功率的放大，在输出端10输出。

作为第三种实施方式，示意图如图4所示，主激光放大器包括模式匹配器8、后向包层光滤除器42、第二增益光纤9、后向泵浦/信号合束器40和后向泵浦源41，且模式匹配器8、后向包层光滤除器42、第二增益光纤9和后向泵浦/信号合束器40依次连接，所述模式匹配器8输入端与环形腔振荡器种子源连接，模式匹配器8输出端连接后向包层光滤除器42，后向泵浦/信号合束器40的信号输入臂与第二增益光纤9连接，后向泵浦/信号合束器40的泵浦输入臂连接后向泵浦源41，后向泵浦/信号合束器40的输出臂连接主输出端10，后向泵浦源41为多个，图中作为一个具体的示范的个数为6个，但是作为具体的实施方式可以不限于6个，后向泵浦源31可以选择多种波长的泵浦源，例如：915nm波长泵浦源或者976nm波长泵浦源。

环形腔振荡器种子源输出的激光通过模式匹配器8和后向包层光滤除器42注入到第二增益光纤9中；后向泵浦源41通过后向泵浦/信号合束器40的泵浦臂将泵浦光注入到第二增益光纤9中；多余的泵浦光分别由后向包层光滤除器42滤除；在第二增益光纤9中，泵浦光通过受激辐射转换成与对应环形腔振荡器种子源输出激光波长的激光，实现光功率的放大，在主输出端10输出。

其中，第二增益光纤为掺镱光纤，掺镱光纤为双包层大模场光纤，纤芯尺寸可以是10μm～30μm，内包层尺寸从125μm～400μm之间选择，吸收系数在976nm波长可以是1db/m～5db/m之间的数值。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。