一种使用特定波长段泵浦的掺镱光纤激光放大器

一种使用特定波长段泵浦的掺镱光纤激光放大器
1.本实用新型是中国已授权实用新型202021903014.1，实用新型名称“一种使用特定波长段泵浦的掺镱光纤激光振荡器”的分案申请，原申请的申请日2020 年9月3日。
技术领域
2.本实用新型属于光纤激光领域，特别涉及一种使用特定波长段泵浦的掺镱光纤激光放大器。


背景技术：

3.光纤激光器作为新一代激光器的代表，具有结构紧凑、转换效率高、光束质量好以及热管理方便等优点，近年来在工业制造和科学研究等领域取得了飞速的发展和应用。在光转化的过程中，光纤激光器的增益介质(增益光纤)通过吸收泵浦光实现上能级粒子数反转，并通过受激辐射的方式实现信号激光的输出与放大。吸收和发射的光子之间的能量差决定了光纤激光器的量子亏损，这些损耗的能量转化为热量耗散在光纤中。根据不同增益光纤的掺杂离子特性，不同的增益介质对应了不同的吸收曲线和发射曲线，决定了相应的泵浦光波长和发射激光波长。由于镱离子的特殊性能，掺镱光纤在高功率光纤激光器方面存在较大优势，是当今高功率光纤激光器的首选。随着应用领域的扩展，对掺镱光纤激光器输出功率的要求越来越高。然而，在实际的激光器研制过程中，受激拉曼散射 (srs)效应和横向模式不稳定效应(tmi)效应严重的阻碍了激光器功率的提升。在影响光纤激光器srs和tmi效应的诸多因素中，泵浦波长是其中较为关键的一个。目前，掺镱光纤激光器主要有两种泵浦方式，一种是基于高亮度的光纤耦合半导体激光器(ld)泵浦方式，一般采用与掺镱光纤吸收截面峰值匹配的中心波长为976nm ld进行泵浦，或者采用吸收截面较为平坦的中心波长为 915nm、940nm ld进行泵浦；另一种泵浦方式是采用更高亮度的光纤激光器作为泵浦源，在该方案中，目前主流的用作泵浦源的光纤激光器的波长为1018nm。考虑到掺镱光纤的吸收特性和实际ld的制作工艺，目前尚缺少其他波段100w 以上ld的用于掺镱光纤激光泵浦的报道。
4.在掺镱光纤激光器中，srs的阈值与增益光纤长度成反比，增益光纤越长， srs越强，激光器输出功率越低。在光纤激光器研制过程中，在相同光纤参数情况下，由于掺镱光纤对915nm和940nm波段的吸收系数较低(一般的，光纤在 915nm附近的吸收系数为976nm附近的1/3左右，在940nm附近的吸收系数为 976nm附近的1/4左右)，使得采用915nm和940nm的ld泵浦光纤激光器时，所需要的增益光纤长度要大于976nm ld泵浦情况，导致光纤激光器srs阈值较低，影响激光器功率的提升；另一方面，对于采用1018nm光纤激光泵浦的方式，在相同光纤纤芯尺寸下，由于掺镱光纤在1018nm的吸收系数是 915nm/976nm波段ld的吸收系数的1/6或1/18左右，所需要的增益光纤长度比915nm和940nm泵浦时更长，srs阈值也更低。此外，在掺镱光纤激光器中， tmi效应与增益光纤单位长度内的热量成正比，在采用976nm的ld作为掺镱光纤的泵浦源时，由于增益光纤在976nm处的吸收系数是915nm、940nm波段吸收系数的3倍～4倍左右，使得增益光纤单位长度的热负荷较915nm高，导致采用
976nm泵浦光纤激光器的tmi阈值比915nm泵浦光纤激光器的tmi阈值低。因此，在目前的泵浦方案中，1018nm级联泵浦、915nm/940nm ld泵浦的光纤激光器，主要受到srs效应的限制；976nm ld泵浦的光纤激光器，主要受到tmi效应的限制，导致光纤激光器功率进一步提升较为困难。


技术实现要素：

5.考虑到现有泵浦方案存在问题，本实用新型在掺镱光纤吸收/发射曲线范围内，通过综合考虑了tmi效应、srs效应的抑制，优选了一种可以平衡tmi 效应和srs效应的泵浦波长，实现光纤激光器功率和效率的进一步提升。
6.本实用新型提供了一种使用特定波长段泵浦的掺镱光纤激光振荡器，包括特定波长段光泵浦源(11)、光纤泵浦合束器(12)、高反光纤光栅(13)、掺镱光纤(14)、低反光纤光栅(15)、包层光滤除器(16)、光纤帽(17)，其中所述的泵浦源输出的激光通过光纤泵浦合束器注入到掺镱光纤中；依次连接的高反光纤光栅、掺镱光纤和低反光纤光栅组成谐振腔，低反光纤光栅输出侧依次连接包层光滤除器和光纤帽；掺镱光纤受激输出中心波长1020
‑ꢀ
1150nm的激光振荡输出；光纤泵浦合束器串联在所述的光栅和掺镱光纤之间；其特征在于：泵浦源采用中心波长位于978nm
‑
1010nm，3db光谱宽度 0.01
‑
50nm的高亮度光源。激光通过高反射光纤光栅和低反射光纤光栅进行波长选择后，输出预定定波长的激光；所述的激光输出经过包层光滤除器滤除包层光后，由光纤帽扩束输出。
7.优选的，所述的光纤光栅的反射谱的中心波长在1020nm—1150nm。
8.本实用新型还提供一种使用特定波长段泵浦的掺镱光纤激光放大器，包括特定波长段光泵浦源(11)、光纤泵浦合束器(12)、包层光滤除器(16)、光纤帽(17)、种子源(18)、模场匹配器(19)；所述的掺镱光纤激光放大器由依次连接的种子源、模场匹配器、光纤泵浦合束器、包层光滤除器、光纤帽构成；(19)种子源输出的激光决定了所述的掺镱光纤激光放大器输出激光的波长，模场匹配器用于种子源与放大器光纤的模场适配；其中所述的泵浦源输出的激光通过光纤泵浦合束器注入到掺镱光纤中；掺镱光纤对种子源的激光输出做功率放大；光纤泵浦合束器串联在所述的掺镱光纤一侧或两侧；其特征在于：泵浦源采用中心波长位于978nm
‑
1010nm，3db光谱宽度0.01
‑
50nm的高亮度光源，并实现中心波长在1020
‑
1150nm附近激光的放大输出，所述的掺镱光纤激光放大器输出的激光经过包层光滤除器滤除包层光后，由光纤帽扩束输出。
9.优选的，所述种子源的中心波长1060
‑
1090nm，输出功率为10w—1000w。
10.进一步的，泵浦的结构为前向泵浦、后向泵浦结构或双向泵浦。
11.进一步的，所述掺镱光纤激光振荡器或掺镱光纤激光放大器的输出激光为连续型激光或脉冲型激光，所述的脉冲激光的脉冲宽度1ns—100fs。
12.进一步的，所述的泵浦源包括半导体激光器、光纤激光器和固体激光器；所述泵浦源的输出激光为连续激光、准连续激光或脉冲激光。
13.优选的，所述的半导体激光器包括稳波长半导体激光器和非稳波长的半导体激光器。
14.进一步的，所述掺镱光纤的结构包括纤芯、内包层和涂覆层；所述的内包层结构包括单包层、双包层或三包层，内包层直径50
‑
2000微米，数值孔径0.12
‑
0.6；所述掺镱光纤的
纤芯直径3
‑
1000微米，数值孔径在0.03
‑
0.30 之间；所述的包层光剥除器能够将光纤内包层中的残余泵浦光以及内包层中的信号光耦合到包层外；所述的光纤帽通过在光纤的端面上熔接玻璃锥棒，实现输出激光的扩束输出。
15.采用本实用新型的激光器，在采用相同光纤参数进行激光器设计时，可以达到以下技术效果：
16.1.能够实现比现有的915nm、940nm、976nm等常规泵浦方式更高的光光转换效率：本实用新型的泵浦波长在978
‑
1010nm之间，距离激光发射波段1030
‑ꢀ
1150nm的距离比915nm、940nm、976nm更近，具有更小的量子亏损，能够实现更高的光光转换效率。
17.2.能够实现比现有的1018nm泵浦方式更高的srs阈值：由于掺镱光纤的吸收系数在978
‑
1030nm单调递减，本实用新型的泵浦波长978
‑
1010nm比1018nm 具有更高的吸收系数，激光器所需的光纤长度更短，因此基于该方案设计的光纤激光器具有更高的srs阈值。
18.3.能够实现比现有的976nm常规泵浦方式更高tmi阈值：由于掺镱光纤的吸收截面在978
‑
1010nm单调递减，978
‑
1010nm波段的吸收系数小于976nm，能够实现比现有的976nm泵浦方式具有更高的tmi阈值。
19.4.通过中心波长优化，有望同时实现比976nm泵浦方式获得更高的tmi阈值、比915nm、940nm、976nm泵浦方式具有更高的srs阈值，极大地提升当前泵浦方式下的激光输出功率。
附图说明
20.图1掺镱光纤的吸收曲线和典型的泵浦波长位置；
21.图2本实用新型优化的泵浦波长范围；
22.图3相同条件下976nm和990nm泵浦时掺镱光纤纤芯温度特性对比；
23.图4相同条件下990nm和1018nm泵浦放大器输出光谱对比；
24.图5一种特殊波长激光双端泵浦的掺镱光纤振荡器示意图；
25.图6一种特殊波长激光双端泵浦掺镱光纤放大器示意图。
26.图中标号：
27.11
‑
泵浦源，12
‑
光纤泵浦合束器，13
‑
高反光纤光栅，14
‑
掺镱光纤，15
‑
低反光纤光栅，16
‑
包层光剥除器，17
‑
光纤端帽，18
‑
种子源，19
‑
模场匹配器。
具体实施方式
28.在掺镱光纤激光器中，影响激光输出功率最主要的是srs效应和tmi效应。其中，srs效应的阈值为
[0029][0030]
从(1)式可知，光纤激光器中的srs阈值与拉曼增益g
r
、光纤有效模场面积a
eff
和有效相互作用长度l
eff
决定。使用同一款光纤设计激光时，g
r
和a
eff
相同；考虑不同波长泵浦源进行激光器设计时，一般要确保增益光纤对泵浦光的总吸收系数相当，那么由于不同泵浦波长对应的吸收系数不同，使用的增益光纤长度不同，使得有效相互作用长度l
eff
不同，导致srs的阈值不同。如果简单利用增益光纤长度作为有效相互作用长度进行估算，得到几种
典型泵浦波长的光纤激光器归一化srs阈值如表1所示。可以看到，采用1018nm泵浦时的srs阈值最低，采用976nm泵浦时的srs阈值最高。因此，原则上，为了抑制srs，应该选择吸收系数较大的波长对应的泵浦源。
[0031]
表1 几种典型泵浦波长对应的所需光纤长度和srs阈值(同款光纤)
[0032][0033]
然而，实际激光器功率提升还受限于tmi效应。理论和实验表明，tmi效应与增益光纤内部各个位置的产生的热量成正相关，在光纤纤芯中，热源可以描述为：
[0034][0035]
这里，q为热量，n0为掺杂粒子浓度，ν
p
和ν
s
为泵浦光和信号光频率，σ
ap
和σ
ep
为泵浦光吸收发射截面，n
u
为上能级粒子数比例，p
p
(r,z)为泵浦光功率， a
p
为传输泵浦光的内包层面积，α
s
(r)为信号光吸收损耗系数，i
s
(r,z)为信号光强。
[0036]
当前的理论模型中，一般的热量表达式采用式(2)描述。为了考虑与激光器实际设计常用的参数——泵浦包层吸收系数相关联，我们考虑计常用的参数——泵浦包层吸收系数相关联，我们考虑进行变量代换，得到热量为：
[0037][0038]
这里，λ
s
和λ
p
为泵浦光和信号光波长，β
p
(λ)为泵浦光的吸收系数，k0为常数4.34，γ
p
为泵浦填充因子。该式表明，掺镱光纤激光器中的热量不仅与量子亏损有关，还与泵浦光的包层吸收系数β
p
(λ)正相关，即与吸收发射截面正相关。因此，要提高tmi阈值，必须降低光纤内热量，另一方面可以降低泵浦吸收系数。而这两方面都与泵浦源的波长选择有关。因此，优选978
‑
1010nm的泵浦源，一方面可以提高量子效率，另一面通过可以降低泵浦吸收系数，能够提高模式不稳定阈值。
[0039]
以下结合附图1
‑
6对本实用新型作出详细说明。
[0040]
图1为掺镱光纤14的吸收曲线与典型的泵浦波长位置，图中显示掺镱光纤 14的吸收曲线包括两个吸收峰，分别位于915nm和976nm附近。图中标注了常见的泵浦波长915nm、940nm、976nm和1018nm，其中976nm泵浦能够提供最大的吸收系数，与其他波长相比，所需要的光纤长度最短，理论上能够获得最高的srs阈值。但是由于热量较为集中，tmi阈值也较低。与之相反，915nm、 940nm和1018nm泵浦波长由于吸收系数较小，热分布较为均匀，tmi阈
值较高，但是所需的光纤较长，导致srs阈值较低。
[0041]
图2为本实用新型优化的泵浦波长位置。优化波长的位置在978nm
‑
1010nm 范围，该波段的泵浦源波长与输出激光的波长更近，能够提供比976nm和915nm 泵浦源更高的转换效率，同时由于吸收系数合适，光纤内部的热量分布较976nm 泵浦更为均匀，能够提供更高的tmi阈值。
[0042]
图3为相同条件下976nm和990nm泵浦时掺镱光纤纤芯温度特性对比。 990nm属于本实用新型优化的泵浦波长范围。仿真结果表明，在相同光纤类型、相同泵浦功率以及相同光纤长度的情况下，本实用新型提供的方案能够实现更低且分布更均匀的温度特性。
[0043]
图4为相同条件下1018nm和990nm泵浦放大器输出光谱中srs特性对比。990nm属于本实用新型优化的泵浦波长范围。仿真结果表明，在相同光纤类型、相同泵浦功率以及相同吸收量等情况下，本实用新型的方案能够实现比 1018nm泵浦方案更低的srs。
[0044]
图5为一种基于特殊波长激光泵浦掺镱光纤振荡器的方法，包括泵浦源11、光纤泵浦合束器12、高反光纤光栅13、掺镱光纤14、低反光纤光栅15、包层光滤除器16和光纤端帽17。所述泵浦源11为优选的特殊波长泵浦源，中心波长位于978nm～1100nm，3db带宽0.01nm
‑
50nm。泵浦源11输出的激光通过光纤泵浦合束器12注入到掺镱光纤14中，高反光纤光栅13、掺镱光纤14和低反光纤光栅15组成谐振腔，高反光栅和低反光栅的中心波长位于1070nm附近。泵浦光在谐振腔内受激辐射放大作用下转换为信号光，高功率光纤激光经过包层光滤除器16后，由光纤端帽扩束17后输出。
[0045]
图6为一种基于特殊波长激光泵浦掺镱光纤放大器的方法，包括种子源18、模场适配器19、泵浦源11、光纤泵浦合束器12、掺镱光纤14、包层光滤除器16 和光纤端帽17。所述种子源18的中心波长位于1070nm附近，输出功率为 50w～1000w，所述泵浦源11为优选的特殊波长泵浦源，中心波长位于 978nm～1100nm，3db带宽0.01nm
‑
50nm。种子源18输出的信号激光和泵浦源11 输出的激光通过模场适配器19和光纤泵浦合束器12注入到掺镱光纤中。信号激光在经过掺镱光纤14后被放大，放大后的高功率光纤激光经过包层光滤除器 16滤除多余的泵浦光和包层中的信号光，最后从光纤端帽17进行输出。
[0046]
最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本实用新型实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本实用新型实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本实用新型实施例的技术方案的精神和范围。