一种1907nm单模保偏全光纤激光器

1.本发明涉及一种1907nm单模保偏全光纤激光器，属于光学领域。


背景技术：

2.光纤激光器是继传统气体激光器和固体激光器后的第三代新型激光器，具有结构紧凑、功率稳定、寿命长、免维护、热管理出色和光束质量佳等优点。光纤激光器的应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接(铜焊、淬水、包层以及深度焊接)、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设，作为其他激光器的泵浦源等等，其中较为特别的单模保偏光纤激光器主要可应用于通信和激光测量。
3.工作于1.9μm人眼安全特殊波段的高功率掺铥连续光纤激光器，增益带宽覆盖1.7～2.1μm，通常可利用输出波长为1550nm的铒镱共掺光纤激光器，纤芯泵浦掺铥光纤来获得1.7～1.9μm的激光，但是采用成熟的790nm激光二极管包层泵浦铥光纤时的理论量子效率高，相比铒镱共掺光纤激光器作为泵浦源具有更高的电光效率，在输出功率方面也更加有优势，因此一直都是高功率激光技术领域的重要方向之一。目前，随机偏振的多模掺铥光纤放大器已经可以实现千瓦量级的功率输出，随机偏振的单模掺铥光纤激光器的功率水平也已经推进到300w量级，可以满足特种材料加工、临床手术、中远距激光雷达、掺钬固体激光器及中红外谱产生等很多领域的要求。
4.但是，现有掺铥保偏单模光纤激光器存在输出功率低的问题。
5.掺铥光纤激光器的输出波长小于1950nm时，由于掺铥光纤的吸收谱与发射谱重叠，这些波长存在重吸收损耗，降低了激光器的输出效率。相比之下，大于1950nm的激光波长可以获得更大的增益，导致掺铥激光器在短波长运转时容易产生放大的自发辐射和寄生振荡，无法获得高功率输出。同时，目前存在的大模场增益光纤，均为少模光纤，高阶模式可以在纤芯中存在并获得增益实现放大，但是在高功率强非线性工作状态，由于该类光纤的模场直径纤芯直径比(mfd/d)值小于1，纤芯横截面上的信号光场面积小于纤芯面积，激光能量密度大，多个模式间非线性相位差与功率相关联，自相位调制和交叉相位调制使得多个模式相干叠加，会导致输出光斑分布不再是高斯线型，甚至激发模式不稳定现象，输出激光的指向和光束质量随机性演化，限制功率进一步提升。


技术实现要素：

6.本发明目的是为了解决现有保偏单模掺铥光纤激光器输出功率低的问题，提供了一种1907nm单模保偏全光纤激光器。
7.本发明提出的一种1907nm单模保偏全光纤激光器，它包括：光纤振荡器和光纤放大器；
8.所述光纤振荡器包括高反射率光纤布拉格光栅、第一前向泵浦光合束器、第一泵浦光源、第一低掺杂单模掺铥增益光纤和低反射率光纤布拉格光栅；
9.所述光纤放大器包括第一包层泵浦光剥离器、第二包层泵浦光剥离器、光隔离器、模场适配器、第二前向泵浦光合束器、第二低掺杂单模掺铥增益光纤和第二泵浦光源；
10.高反射率光纤布拉格光栅的输出端连接第一前向泵浦光合束器的输入端，第一泵浦光源连接第一前向泵浦光合束器的泵浦光纤，第一前向泵浦光合束器的输出端连接第一低掺杂单模掺铥增益光纤的一端，第一低掺杂单模掺铥增益光纤的另一端连接低反射率光纤布拉格光栅的输入端；
11.低反射率光纤布拉格光栅的输出端连接第一包层泵浦光剥离器的输入端；
12.第一包层泵浦光剥离器的输出端连接光隔离器，光隔离器的输出尾纤连接模场适配器，模场适配器的输出端连接第二前向泵浦光合束器，第二泵浦光源连接第二前向泵浦光合束器的泵浦光纤，第二前向泵浦光合束器的信号光输出尾纤连接第二低掺杂单模掺铥增益光纤的一端，第二低掺杂单模掺铥增益光纤的另一端连接第二包层泵浦光剥离器的输出端；光隔离器尾纤的慢轴上输出线偏振光；
13.所有器件均为保偏器件。
14.优选的，所述高反射率光纤布拉格光栅、低反射率光纤布拉格光栅、第一低掺杂单模掺铥增益光纤和第二低掺杂单模掺铥增益光纤分别固定在散热底座上。
15.优选的，所述高反射率光纤布拉格光栅和低反射率光纤布拉格光栅分别固定设置在不同的冷却平台上，冷却平台均采用半导体制冷器进行制冷，温控范围为-5～40℃。
16.优选的，所述第一低掺杂单模掺铥增益光纤的另一端与低反射率光纤布拉格光栅的输入端进行正交熔接；
17.低反射率光纤布拉格光栅的输出端与第一包层泵浦光剥离器的输入端进行正交熔接；
18.其他器件之间进行水平熔接。
19.优选的，所述高反射率光纤布拉格光栅的快轴布拉格波长为1907nm
±
0.2nm，反射率》99.5％，透过带宽为0.5nm
±
0.1nm，可承受泵浦功率高于200w；
20.所述低反射率光纤布拉格光栅的慢轴布拉格波长为1907nm
±
0.2nm，反射率＝10
±
2％，反射带宽为0.3nm
±
0.1nm，可承受的最高信号光功率为50w；
21.光谱边模抑制比＞20db，快轴和慢轴的布拉格波长失配《0.1nm。
22.优选的，所述第一前向泵浦光合束器为(6+1)
×
1合束器，泵浦效率》95％，信号光传输损耗《0.7db，合束器信号纤的纤芯直径和包层直径为10/130μm，泵浦纤为105/125μm；
23.所述第二前向泵浦光合束器为(6+1)
×
1合束器，泵浦效率》95％，信号光传输损耗《2db，偏振消光比》18db，单臂承受功率》150w，信号纤为15/250μm，泵浦纤为200/220μm。
24.优选的，所述第一低掺杂单模掺铥增益光纤的纤芯/包层为10/130μm，纤芯和包层的数值孔径分别为0.14和0.46，包层对793nm泵浦光的吸收系数为4.5-4.7db/m，长度为1.8m；
25.所述第二低掺杂单模掺铥增益光纤的纤芯/包层为15/250μm，纤芯和包层的数值孔径分别为0.11和0.46，包层对793nm泵浦光的吸收系数为2.0-2.1db/m，长度为3.0m。
26.优选的，所述第一包层泵浦光剥离器的纤芯/包层为10/130μm，信号光的传输损耗《0.2db，泵浦光剥离效率》22db，偏振消光比》20db；
27.所述第二包层泵浦光剥离器的纤芯/包层为15/250μm，信号光的传输损耗《0.2db，
泵浦光剥离效率》20db，偏振消光比》18db。
28.优选的，所述光隔离器的偏振隔离度》20db，单臂承受功率20w，信号纤的纤芯/包层为10/130μm，尾纤的慢轴上输出线偏振光。
29.优选的，所述模场适配器的消光比》16db，掺入损耗《0.9db，输入端尾纤的纤芯/包层为10/130μm，输出端为15/250μm。
30.本发明提出的一种1907nm单模保偏全光纤激光器，具有如下优点：
31.1、采用保偏器件，各器件之间采用水平或正交的保偏熔接方式，在保偏光栅的作用下，输出激光为线偏光。
32.2、采用半导体制冷器(tec)对光纤光栅施加温控，通过改变光栅冷却温度优化光谱偏移量，从而提高掺铥光纤激光器的偏振消光比，同时可在光栅中心波长0.5nm范围内进行一定的波长调谐。
33.3、采用790nm激光二极管作为泵浦源，比同波段的半导体激光器、光纤激光器在输出功率方面更加有优势。
34.4、对保偏大模场增益光纤结构进行了优化设计，使光纤激光器获得高功率保偏单模激光输出；通过优化mfd/d同样可提升激光器泵浦效率和光束质量，提高激光输出效率。
附图说明
35.图1是本发明所述一种1907nm单模保偏全光纤激光器的结构示意图；
36.图2是双pm-fbg以0
°
熔接的保偏光栅对的选偏原理图；
37.图3是双pm-fbg以90
°
熔接的保偏光栅对的选偏原理图；
38.图4是本发明中掺铥单模保偏振荡器种子源的输出功率曲线；
39.图5是本发明中掺铥单模保偏全光纤放大器的输出功率曲线；
40.图6是本发明中掺铥单模保偏全光纤放大器的输出光谱图；
41.图7是本发明中掺铥单模保偏全光纤放大器的光束质量和光斑轮廓。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
44.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
45.实施例1：
46.下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种1907nm单模保偏全光纤激光器，它包括：光纤振荡器和光纤放大器；
47.所述光纤振荡器包括高反射率光纤布拉格光栅1、第一前向泵浦光合束器3-i、第一泵浦光源5-i、第一低掺杂单模掺铥增益光纤4-i和低反射率光纤布拉格光栅2；
48.所述光纤放大器包括第一包层泵浦光剥离器6-i、第二包层泵浦光剥离器6-ii、光
隔离器7、模场适配器8、第二前向泵浦光合束器3-ii、第二低掺杂单模掺铥增益光纤4-ii和第二泵浦光源5-ii；
49.高反射率光纤布拉格光栅1的输出端连接第一前向泵浦光合束器3-i的输入端，第一泵浦光源5-i连接第一前向泵浦光合束器3-i的泵浦光纤，第一前向泵浦光合束器3-i的输出端连接第一低掺杂单模掺铥增益光纤4-i的一端，第一低掺杂单模掺铥增益光纤4-i的另一端连接低反射率光纤布拉格光栅2的输入端；
50.低反射率光纤布拉格光栅2的输出端连接第一包层泵浦光剥离器6-i的输入端；
51.第一包层泵浦光剥离器6-i的输出端连接光隔离器7，光隔离器7的输出尾纤连接模场适配器8，模场适配器8的输出端连接第二前向泵浦光合束器3-ii，第二泵浦光源5-ii连接第二前向泵浦光合束器3-ii的泵浦光纤，第二前向泵浦光合束器3-ii的信号光输出尾纤连接第二低掺杂单模掺铥增益光纤4-ii的一端，第二低掺杂单模掺铥增益光纤4-ii的另一端连接第二包层泵浦光剥离器6-ii的输出端；光隔离器7尾纤的慢轴上输出线偏振光；
52.所有器件均为保偏器件。
53.进一步的，所述高反射率光纤布拉格光栅1、低反射率光纤布拉格光栅2、第一低掺杂单模掺铥增益光纤4-i和第二低掺杂单模掺铥增益光纤4-ii分别固定在散热底座上。
54.再进一步的，所述高反射率光纤布拉格光栅1和低反射率光纤布拉格光栅2分别固定设置在不同的冷却平台上，冷却平台均采用半导体制冷器进行制冷，温控范围为-5～40℃。
55.再进一步的，所述第一低掺杂单模掺铥增益光纤4-i的另一端与低反射率光纤布拉格光栅2的输入端进行正交熔接；
56.低反射率光纤布拉格光栅2的输出端与第一包层泵浦光剥离器6-i的输入端进行正交熔接；
57.其他器件之间进行水平熔接。
58.本实施方式中，第一低掺杂单模掺铥增益光纤4-i的慢轴与低反射率光纤布拉格光栅2尾纤的快轴进行熔接。
59.本实施方式中，低反射率光纤布拉格光栅2尾纤的慢轴与第一包层泵浦光剥离器6-i的快轴相熔接。
60.本实施方式中，其他器件之间进行水平熔接，也就是各尾纤的慢轴与慢轴对应，快轴与快轴对应熔接。
61.实施例2：
62.下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种1907nm单模保偏全光纤激光器，它包括：光纤振荡器和光纤放大器；
63.所述光纤振荡器包括高反射率光纤布拉格光栅1、第一前向泵浦光合束器3-i、第一泵浦光源5-i、第一低掺杂单模掺铥增益光纤4-i和低反射率光纤布拉格光栅2；
64.所述光纤放大器包括第一包层泵浦光剥离器6-i、第二包层泵浦光剥离器6-ii、光隔离器7、模场适配器8、第二前向泵浦光合束器3-ii、第二低掺杂单模掺铥增益光纤4-ii和第二泵浦光源5-ii；
65.高反射率光纤布拉格光栅1的输出端连接第一前向泵浦光合束器3-i的输入端，第一泵浦光源5-i连接第一前向泵浦光合束器3-i的泵浦光纤，第一前向泵浦光合束器3-i的
输出端连接第一低掺杂单模掺铥增益光纤4-i的一端，第一低掺杂单模掺铥增益光纤4-i的另一端连接低反射率光纤布拉格光栅2的输入端；
66.低反射率光纤布拉格光栅2的输出端连接第一包层泵浦光剥离器6-i的输入端；
67.第一包层泵浦光剥离器6-i的输出端连接光隔离器7，光隔离器7的输出尾纤连接模场适配器8，模场适配器8的输出端连接第二前向泵浦光合束器3-ii，第二泵浦光源5-ii连接第二前向泵浦光合束器3-ii的泵浦光纤，第二前向泵浦光合束器3-ii的信号光输出尾纤连接第二低掺杂单模掺铥增益光纤4-ii的一端，第二低掺杂单模掺铥增益光纤4-ii的另一端连接第二包层泵浦光剥离器6-ii的输出端；光隔离器7尾纤的慢轴上输出线偏振光；
68.所有器件均为保偏器件。
69.进一步的，所述高反射率光纤布拉格光栅1的快轴布拉格波长为1907nm
±
0.2nm，反射率》99.5％，透过带宽为0.5nm
±
0.1nm，可承受泵浦功率高于200w；
70.所述低反射率光纤布拉格光栅2的慢轴布拉格波长为1907nm
±
0.2nm，反射率＝10
±
2％，反射带宽为0.3nm
±
0.1nm，可承受的最高信号光功率为50w；
71.光谱边模抑制比＞20db，快轴和慢轴的布拉格波长失配《0.1nm。
72.再进一步的，所述第一前向泵浦光合束器3-i为(6+1)
×
1合束器，泵浦效率》95％，信号光传输损耗《0.7db，合束器信号纤的纤芯直径和包层直径为10/130μm，泵浦纤为105/125μm；
73.所述第二前向泵浦光合束器3-ii为(6+1)
×
1合束器，泵浦效率》95％，信号光传输损耗《2db，偏振消光比》18db，单臂承受功率》150w，信号纤为15/250μm，泵浦纤为200/220μm。
74.再进一步的，所述第一低掺杂单模掺铥增益光纤4-i的纤芯/包层为10/130μm，纤芯和包层的数值孔径分别为0.14和0.46，包层对793nm泵浦光的吸收系数为4.5-4.7db/m，长度为1.8m；
75.所述第二低掺杂单模掺铥增益光纤4-ii的纤芯/包层为15/250μm，纤芯和包层的数值孔径分别为0.11和0.46，包层对793nm泵浦光的吸收系数为2.0-2.1db/m，长度为3.0m。
76.再进一步的，所述第一包层泵浦光剥离器6-i的纤芯/包层为10/130μm，信号光的传输损耗《0.2db，泵浦光剥离效率》22db，偏振消光比》20db；
77.所述第二包层泵浦光剥离器6-ii的纤芯/包层为15/250μm，信号光的传输损耗《0.2db，泵浦光剥离效率》20db，偏振消光比》18db。
78.再进一步的，所述光隔离器7的偏振隔离度》20db，单臂承受功率20w，信号纤的纤芯/包层为10/130μm，尾纤的慢轴上输出线偏振光。
79.再进一步的，所述模场适配器8的消光比》16db，掺入损耗《0.9db，输入端尾纤的纤芯/包层为10/130μm，输出端为15/250μm。
80.下面结合图1说明本发明的工作原理：
81.根据单模光纤模场直径公式：
[0082][0083]
由上式可以得到模场直径纤芯直径比(mfd/d)与归一化频率v值存在单调递减关系。为了获得单模激光输出，首先需要保证纤芯v值小于2.4048，计算可得此时mfd/d的值为
1.099，这是单模光纤范畴可实现的最优模式匹配。
[0084]
以常见的大模场面积掺铥光纤为例，其纤芯na典型值为0.09，因此，保证1900nm激光单模传输的纤芯直径最大值约为16.2μm。考虑到激光器传输信号光为线偏光，mfd/d过大会导致大部分信号光在包层内传输，降低其偏振消光比，因此定制单模光纤纤芯直径需综合考虑mfd/d及偏振消光比两方面。
[0085]
为获得更高的激光效率，纤芯需要精细的成分设计获得较高掺杂浓度同时降低na，但是低na和高掺杂浓度相矛盾，高效的掺铥光纤成分设计关于大模场面积同时保证低na的设计要求是掺铥光纤制造长久以来的技术难点，这是高掺杂光纤的设计难点，是限制目前掺铥光纤激光器的效率比理论量子效率小很多的主要原因之一。为提高泵浦吸收效率和光-光转化效率，可以适当增大掺杂浓度和芯包直径比，但太高的掺杂浓度，使得低纤芯na光纤的制造难度加大，且发生光子暗化，使光纤效率退化，同时考虑到太小的纤芯na，在光纤激光器集成化时，不利于包层泵浦光在纤芯中的传输，影响泵浦的吸收效率。若na设计为0.096，此时保证波长大于1.9μm的光能单模传输的最大单模纤芯直径设计值15.1μm。因此，我们设计本研究方案中的光纤参数如下：纤芯na＝0.08，纤芯直径15μm，包层na＝0.48，内包层直径250μm，模场直径mfd＝16.4μm，v值约为2.0。综合考虑增益光纤区的热管理，ase抑制和效率问题，增益光纤包层吸收系数设计为2.00db/m@793nm。
[0086]
本发明在注入793nm泵浦光功率475w时，实现了207.6w的连续激光输出，激光中心波长为1907.8nm，光光转换效率为43.7％，偏振消光比为16.6db，光束质量为1.52。
[0087]
下面结合图2和图3说明双fbg选偏振原理：
[0088]
在保偏光纤的纤芯区域刻写fbg，等效于沿快慢主轴写入光栅周期一样的fbg，保偏光纤固有的高双折射特性使得快、慢主轴的布拉格波长λf和λs稍有不同，存在微小布拉格波长偏移δλb，且δλb＝2bλ，其中，b为保偏光纤的模式双折射度，b＝δn＝n
s-nf，ns和nf分别为慢轴和快轴上偏振态的模折射率，b数量级为10-4
，无量纲。λ数量级为102nm，δλb典型值分布范围为0.1～0.6nm。由于两波长分别出现在快慢轴上，波长表现出偏振相关特性。
[0089]
在采用双pm-fbg直线腔光纤连续激光器中，若双pm-fbg以0
°
熔接，如图2所示，忽略制作过程中引入的误差，λ
fb-hr
＝λ
fb-lr
，λ
sb-hr
＝λ
sb-lr
，根据双fbg波长选择，会出现一对强度相当，波长间隔δλb的双波长特征光谱，短波长对应双pm-fbg的快轴，长波长对应双pm-fbg的慢轴，输出激光为椭圆偏振光，即使双fbg位于腔内不同位置，所受泵浦光功率大小不同，两者的非线性大小不同，但是由于双波长强度近似，因此双波长基本同时出现，双波长可以通过偏振分束器进行分离。
[0090]
若双pm-fbg以90
°
熔接，如图3所示，通过精细的快慢主轴布拉格波长和带宽设计或者对fbg施加温度控制，保证hr-fbg的慢轴λ
sb-hr
与lr-fbg的快轴λ
fb-lr
对应，可以同时抑制hr-fbg的快轴λ
fb-hr
和lr-fbg的慢轴λ
sb-lr
的振荡，最终得的一个在hr-fbg慢轴和lr-fbg快轴之间振荡的线偏振光输出。
[0091]
下面结合图4、图5、图6和图7说明本发明的输出参数：
[0092]
图4表示本发明中种子源振荡器的输出功率曲线，横坐标表示注入合束器中的半导体激光器的泵浦功率，纵坐标表示1907nm单模保偏全光纤振荡器的输出功率。当注入793nm泵浦光功率为33.7w时，振荡器的输出功率为12.5w，斜率效率为41.1％，此时的激光波长为1907.78nm，经过iso后的偏振消光比为19.6db。
[0093]
图5为1907nm单模保偏全光纤放大器的输出曲线，其横坐标表示放大级吸收的泵浦功率，纵坐标表示放大器的输出功率。当注入793nm泵浦光功率为475w时，本发明实现了207.6w的连续激光输出，斜率效率为43.4％。
[0094]
图6表示放大器的激光波长，横坐标表示波长大小，纵坐标表示无量纲的光谱强度。放大器的中心波长与振荡器相同，稳定在1907.8nm，光谱的半波全宽为0.19nm，最高功率下的偏振消光比为16.6db。
[0095]
图7表示放大器最高功率下的光束质量和光斑分布情况，横坐标表示激光传输方向的位置，纵坐标表示光斑半径，光束质量通过刀口法测得，拟合曲线可得放大器最高功率下的x方向的光束质量为1.52，y方向的光束质量为1.50。
[0096]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。