一种基于大模场光纤的单模高功率放大装置的制作方法

本发明涉及光纤技术领域，更具体地，涉及一种基于大模场光纤的单模高功率放大装置。

背景技术：

在功率放大技术领域中，现有的双包层光纤在放大过程中采取熔接方式实现全光纤化，但由于泵浦光和种子光在光纤内均形成波导传输以及较低的模场面积，会带来严重的非线性效应和较差的模式输出。

为了克服上述限制获取大功率和能量的光纤输出，棒状光子晶体光纤被广泛采用，特别在飞秒光纤激光领域。棒状光子晶体光纤拥有较大模场面积且特殊的构造使得激光在放大过程中保持基模传输，但无单模截止特性使得棒状光子晶体光纤不能弯曲，空间的紧凑性受到很大的限制，而且光子晶体价格也相当昂贵。

相比棒状光子晶体光纤，单晶光纤具有更大的增益直径和更短的长度，单晶光纤由于能保证种子光直通不碰壁传输和泵浦光波导传输，是优质的激光增益材料。但受限于单晶光纤光谱增益范围较窄，制作工艺难度大，目前国内还没有高质量的单晶光纤。对单晶光纤激光器的研究也只限于较低功率和较小能量，仅有少数国外研究机构有较为成熟的产品。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的基于大模场光纤的单模高功率放大装置。

本发明提供了一种基于大模场光纤的单模高功率放大装置，包括沿泵浦光路方向依次设置的泵浦源、耦合透镜组、第一双色镜以及沿种子光路方向依次设置的种子源、准直透镜组和第二双色镜，光路在大模场增益光纤处交叠；泵浦源发射的泵浦光经过耦合透镜组聚焦后透射第一双色镜，并进入大模场增益光纤传播形成波导，种子源发射种子光经过准直透镜组准直后透射第二双色镜，并进入大模场增益光纤准直传播，形成波导的泵浦光和准直的种子光在大模场增益光纤中共同作用，对种子光进行功率的放大，功率放大后的种子光经过第一双色镜的反射输出，完成对种子光的放大。

本发明的有益效果为：种子光在经过准直透镜组准直后能满足在一定长度下的大模场增益光纤的纤芯内准直不碰壁的传播，而泵浦光在耦合透镜组的作用下在大模场增益光纤内形成波导，在这种传输方式下，种子光不会形成波导传输会保持良好的模式放大输出，同时泵浦光的波导传输能够形成对种子光极大的增益，综合了光纤放大器较大的放大功能和固体放大器较好的激光模式和光束质量；采用的大口径大模场增益光纤，使得激光在放大过程中有着较大的模场面积，从而降低单位面积的峰值功率起到抑制光纤非线性作用。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作如下改进。

进一步的，还包括隔离器，所述隔离器设置在第二双色镜和准直透镜组之间，以阻止泵浦光或者反射后的种子光透射。

进一步的，所述泵浦源采用半导体激光器、固体激光器或者光纤激光器。

进一步的，所述耦合透镜组采用两片焦距分别为40mm和150mm的聚焦透镜组合而成，所述耦合透镜组镀有976nm的增透膜。

进一步的，所述准直透镜组采用两片焦距均为500mm的聚焦透镜组合而成。

进一步的，所述第一双色镜和第二双色镜均采用镀膜镜片或光纤光栅或光纤端镜，所述第一双色镜和第二双色镜对大于1000nm的波长高通、低于1000nm的波长截止。

进一步的，所述种子源采用不同波长的光纤或者固体激光光源。

进一步的，所述大模场增益光纤包括大模场增益光纤纤芯、包裹在所述大模场增益光纤纤芯外侧的包层以及包裹在大模场增益光纤包层外侧的涂覆层，其中，所述大模场增益光纤的基质采用石英玻璃或多组分玻璃或者多组分聚合物。

进一步的，所述种子源为纤芯直径d0为6um的单模光纤，数值孔径na为0.12，准直光斑高斯束腰直径2ω为500um；大模场增益光纤纤芯的直径d1为800um，包层的直径为900um，涂覆层的直径为1200um。

进一步的，可通过如下公式计算大模场增益光纤的最大长度：

则通过计算选取的大模场增益光纤的长度不超过33cm。

附图说明

图1为本发明一个实施例的基于大模场光纤的单模高功率放大装置结构示意图；

图2为大模场增益光纤横截面示意图；

图3为种子光和泵浦光通过大模场增益光纤的光路示意图。

附图中，各标号所代表的部件名称如下：

101、泵浦源，102、耦合透镜组，103、第一双色镜，104、大模场增益光纤，105、第二双色镜，106，隔离器，107，准直透镜组，108、种子源，201、大模场增益光纤纤芯，202、大模场增益光纤包层，203、大模场增益光纤涂覆层，204、在大模场增益光纤中传播的泵浦光，205、在大模场增益光纤中传播的种子光。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1，提供了本发明一个实施例的基于大模场光纤的单模高功率放大装置，包括沿泵浦光路方向依次设置的泵浦源101、耦合透镜组102、第一双色镜103以及沿种子光路方向依次设置的种子源108、准直透镜组107和第二双色镜105，光路在大模场增益光纤104处交叠。整个装置的整个工作原理为：泵浦源101发射的泵浦光经过耦合透镜组102聚焦后透射第一双色镜103，并进入大模场增益光纤104传播形成波导，种子源108发射种子光经过准直透镜组107准直后透射第二双色镜105，并进入大模场增益光纤104准直传播，通过形成波导的泵浦光和准直的种子光在大模场光纤中的共同作用，对种子光进行功率的放大，功率放大后的种子光经过第一双色镜103的反射输出，完成种子光的放大。

本实施例中种子光在经过准直透镜组107准直后能满足在一定长度下的大模场增益光纤纤芯201内准直不碰壁的传播，而泵浦光在耦合透镜组102的作用下在大模场增益光纤纤芯201和大模场增益光纤包层202内形成波导，在这种传输方式下，种子光不会形成波导传输而在大模场增益光纤104中准直传播，会保持良好的模式放大输出，同时泵浦光的波导传输能够形成对种子光极大的增益，综合了光纤放大器较大的放大功能和固体放大器较好的激光模式和光束质量；另外，采用大模场增益光纤104，抑制了高功率激光器中存在的非线性效应。

在上述实施例的基础上，本发明的一个实施例中，还包括隔离器106，所述隔离器106设置在第二双色镜105和准直透镜组107之间，以阻止泵浦光或者反射后的种子光透射。

其中，在第二双色镜105和准直透镜组107之间设置隔离器106，设置隔离器106的主要作用是防止泵浦光经过大模场增益光纤104入射种子源108，以及种子光经过第二双色镜105的反射入射种子源108，泵浦光和种子光对种子源108的照射会损害种子源108，因此，在第二双色镜105和准直透镜组107之间设置隔离器106，起到了保护种子源108的作用。

在上述各个实施例的基础上，本发明的另一个实施例中，泵浦源101采用半导体激光器、固体激光器或者光纤激光器。

在上述各个实施例的基础上，本发明的一个实施例中，耦合透镜组102和准直透镜组107可以为单个、两个或者多个各类面型曲率不同的透镜组合而成能达到耦合作用或者准直作用的透镜组。具体配置时，耦合透镜组102采用两片焦距分别为40mm和150mm的聚焦透镜组合而成，且在耦合透镜组102外面镀有976nm的增透膜，以增加耦合透镜组102的透射能力。准直透镜组107采用两片焦距均为500mm的聚焦透镜组合而成，也可以采取其它不同的组合，能够达到准直要求即可。

在上述各个实施例的基础上，本发明的一个实施例中，第一双色镜103和第二双色镜105均采用镀膜镜片或光纤光栅或光纤端镜，第一双色镜103和第二双色镜105对大于1000nm的波长高通、低于1000nm的波长截止。

在本实施例中，第一双色镜103和第二双色镜105可以充当高通滤波器，即波长大的波可以通过，波长小的波不可以通过。

在上述各个实施例的基础上，本发明的另一个实施例中，可参见图2，大模场增益光纤104包括大模场增益光纤纤芯201、包裹在大模场增益光纤纤芯201外侧的大模场增益光纤包层202以及包裹在大模场增益光纤包层202外侧的大模场增益光纤涂覆层203。

其中，大模场增益光纤104的基质采用石英玻璃或多组分玻璃或者多组分聚合物，大模场增益光纤104纤芯的掺杂离子为yb、nd、er、ho、tm中的一种或几种组合。

在上述各实施例的基础上，本发明的一个实施例中，种子源108采用不同波长的光纤或者固体激光光源。种子源108采用单模光纤，种子源108的纤芯直径d0为6um，数值孔径na为0.12，准直光斑高斯束腰直径2ω为500um。大模场增益光纤104纤芯的直径d1为800um，大模场增益光纤104包层的直径为900um，所述涂覆层的直径为1200um。

需要说明的是，种子源108产生的种子光经过准直透镜组107之后，虽然进行了准直，但是只有进入一定长度的大模场增益光纤之后，才能保持在整个大模场增益光纤104的纤芯中准直通过，如果大模场增益光纤104的长度太大，则无法保证种子光能够在其中准直传播。因此，需要设计种子源108的光纤参数和大模场增益光纤104的参数，两者的参数配合才能达到很好的效果。其中，对种子源108的参数进行了配置之后，根据种子源108的光纤参数和大模场增益光纤104的参数可以确定出大模场增益光纤104的合适长度，具体的，可通过如下公式计算大模场增益光纤104的最大长度：

根据计算出来的长度来配置大模场增益光纤104，满足种子光只在大模场增益光纤104的纤芯中传播不碰壁的要求。在上述各个实施例的基础上，根据上述公式计算得到大模场增益光纤104的长度不超过33cm。

其中，种子光和泵浦光在大模场增益光纤中的传输路径如图3所示，泵浦源101发射的976nm泵浦光经过耦合透镜组102聚焦后经过45°双色镜103进入大模场增益光纤104内，形成在大模场增益光纤104中传播的泵浦光204。大模场增益光纤104吸收泵浦光，提供足够的粒子数反转。同时种子光元108发射的种子光通过准直透镜组107准直，隔离器106起到阻止反向光保护种子源的作用。种子光通过第二双色镜105滤除种子光掺杂的泵浦光。种子光在进入大模场增益光纤104后，形成在大模场增益光纤104中传播的种子光205，在粒子数反转基础上引发受激辐射，上能级粒子下降到下能级，对种子信号光进行增益放大。放大后的种子信号光在第一双色镜103作用下反射输出，完成对种子信号光的放大。

本发明提供的一种基于大模场光纤的单模高功率放大装置，种子光在经过准直透镜组准直后能满足在一定长度下的大模场增益光纤纤芯内准直不碰壁的传播，而泵浦光在耦合透镜组的作用下在大模场增益光纤内形成波导，在这种传输方式下，种子光不会形成波导传输会保持良好的模式放大输出，同时泵浦光的波导传输能够形成对种子光极大的增益，综合了光纤放大器较大的放大功能和固体放大器较好的激光模式和光束质量；采用的大口径大模场增益光纤，使得激光在放大过程中有着较大的模场面积，从而降低单位面积的峰值功率起到抑制光纤非线性作用；种子光类似于固体放大中的不碰壁放大传输，使输出拥有较好的激光模式和光束质量；泵浦光类似于光纤放大中的波导传输，较大的光程使激光获得较大的增益系数，起到了提高光纤放大器特别是超快领域中的光纤脉冲啁啾放大器输出功率的作用。

本发明实施例中选取了单程后向泵浦结构的行波放大器，其他工作方式的行波放大器，如单程前向泵浦或单程双向泵浦，多程放大器，比如含有谐振腔，再生放大器等激光器结构都可应用本发明技术。在上述不同结构放大器中，通过对种子源光纤参数、大模场增益光纤参数、放大光路的合理设计，同样可以实现基于大模场光纤的单模高功率放大。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。