专利名称：基于多线性腔结构的相干合束光纤激光器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及ー种光纤激光器，适用于エ业加工及国防等需要高功率激光器的领域。
背景技术：
激光作为ー种人造光相比普通光源有很多优势，例如相干性强、亮度高，方向性强等。因而从其问世之日起就受到广大科研工作者的青睐，尤其是在高功率激光器方向研究进展迅猛。目前，大功率的光纤激光器被广泛应用于精密焊接和切割等エ业领域中，并在军事领域呈现出广阔的应用前景。近年来，光纤激光器的输出功率快速提升，多种提高激光输出功率的方法已经被提出。首先，基于包层抽运技术的光纤激光器以其光束质量好、转换效率高以及结构紧 凑等特点吸引了人们的广泛关注。2004年光纤激光器的单纤输出功率达到千瓦量级，2009年IPG公司报道已实现了单纤万瓦的单模激光输出。但随着功率的增加，SBS、SRS和FWM等各种非线性效应使得光束质量严重降低，并且成为进一歩增加激光功率的巨大障碍。大模场面积(LMA)光纤的提出成为ー种可行的方法，在保持光功率密度不变的情况下，增大光纤半径可以有效増加光纤所能承载的光功率，为大功率光纤激光器的制备提供了必要的前提。但由于光纤半径増加幅度有限，过大的光纤半径使得模场变的复杂，光束质量得不到保证，因此该方法能够解决的问题受到光纤尺寸的限制。另ー种方法为主控振荡器的功率放大器(MOPA),这种方法可以有效增加激光器功率，而且输出激光的质量很高，但同样受到单根光纤光功率承载能力的限制。相比之下，多路光纤激光的合束成为ー种实现大功率激光输出的更为有效的方法。为了增加输出功率的同时在一定程度上保证输出激光的光束质量，相干合束技术成为首选，相干合束又分为主动相位锁定和被动相位锁定。主动相位锁定需要较为复杂的外部调相器件，而且稳定性较差，相比之下，被动相位锁定不需要复杂的调相设备，完全依靠激光器自身的设备被动调整各路激光相位，达到各路激光同相位的目的，效率和稳定性都较高。但就目前已有被动相位锁定的实现方法而言，输出激光的频带宽，光路数量少，输出功率低，结构复杂。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是已有被动相位锁定的实现方法，输出激光的频带宽，光路数量少，输出功率低，结构复杂。本实用新型的技术方案为基于多线性腔结构的相干合束光纤激光器，该激光器包括第一至第N有源单模光纤、第一至第N+1光纤光栅、第一至第N耦合器、第一至第N泵浦源、第一至第N单模光纤和第一至第N波分复用器。第一光纤光栅接第一波分复用器的第二端ロ，第一波分复用器的第一端ロ接第一泵浦源，第一波分复用器的第三端ロ接第一有源单模光纤的一端，第一有源单模光纤的另一端接第一稱合器的第一端ロ，第一稱合器的第二端ロ接第二光纤光栅的一端，第一 I禹合器的第三端ロ接第一单模光纤的一端，激光从第一单模光纤的另一端输出。第二光纤光栅的另一端接第二波分复用器的第二端ロ，第二波分复用器的第一端ロ接第二泵浦源，第二波分复用器的第三端ロ接第二有源单模光纤的一端，第二有源单模光纤的另一端接第二耦合器的第一端ロ，第二耦合器的第二端ロ接第三光纤光栅的一端，第二耦合器的第三端ロ接第二单模光纤的一端，激光从第二单模光纤的另一端输出。...... 第N光纤光栅的另一端接第N波分复用器的第二端ロ，第N波分复用器的第一端ロ接第N泵浦源，第N波分复用器的第三端ロ接第N有源单模光纤的一端，第N有源单模光纤的另一端接第N耦合器的第一端ロ，第N耦合器的第二端ロ接第N+1光纤光栅，第N耦合器的第三端ロ接第N单模光纤的一端，激光从第N单模光纤的另一端输出。第一至第N单模光纤的另一端位于同一平面内。N= 2 100 的整数。本实用新型和已有技术相比所具有的有益效果本实用新型利用线性腔结构实现多段有源光纤的连接，任意线性腔两端的光纤光栅中心波长一致，保证产生的激光信号谱带有重叠的部分，以使各线性腔之间激光频率的一致，使得各个线性腔共同作用而谐振于同一频带，产生的激光频带窄，相干性強。所用到的各器件价格低，稳定性强，通过简单的增加线性腔的数量来达到增加光路数量和总输出功率的目的，结构简单。
图I为N个线性腔的基于多线性腔结构的相干合束光纤激光器。图2为两个线性腔的基于多线性腔结构的相干合束光纤激光器。图3为十个线性腔的基于多线性腔结构的相干合束光纤激光器。图4为ー百个线性腔的基于多线性腔结构的相干合束光纤激光器。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进ー步描述。实施方式一基于多线性腔结构的相干合束光纤激光器，如图I，该激光器包括第一至第N有源单模光纤11、12、……、1N，第一至第N+1光纤光栅21、22、23、……、2N、2 (N+1)，第一至第N耦合器31、32、……、3N，第一至第N泵浦源41、42、……、4N，第一至第N单模光纤51、52、......、5N和第一至第N波分复用器61、62、......、6N。第一光纤光栅21接第一波分复用器61的第二端ロ，第一波分复用器61的第一端ロ接第一泵浦源41，第一波分复用器61的第三端ロ接第一有源单模光纤11的一端，第一有源单模光纤11的另一端接第一耦合器31的第一端ロ，第一耦合器31的第二端ロ接第二光纤光栅22的一端,第一稱合器31的第三端ロ接第一单模光纤51的一端,激光从第一单模光纤51的另一端输出，构成第一个线性腔。[0025]第二光纤光栅22的另一端接第二波分复用器62的第二端ロ，第二波分复用器62的第一端ロ接第二泵浦源42，第二波分复用器62的第三端ロ接第二有源单模光纤12的一端，第二有源单模光纤12的另一端接第二耦合器32的第一端ロ，第二耦合器32的第二端ロ接第三光纤光栅23的一端，第二耦合器32的第三端ロ接第二单模光纤52的一端，激光从第二单模光纤52的另一端输出，构成第二个线性腔。......第N光纤光栅2N的另一端接第N波分复用器6N的第二端ロ，第N波分复用器6N的第一端ロ接第N泵浦源4N，第N波分复用器6N的第三端ロ接第N有源单模光纤IN的一端，第N有源单模光纤IN的另一端接第N稱合器3N的第一端ロ，第N稱合器3N的第二端ロ接第N+1光纤光栅2 (N+1)，第N耦合器3N的第三端ロ接第N单模光纤5N的一端，激光从第N单模光纤5N的另一端输出，构成第N个线性腔。第一至第N单模光纤51、52、......、5N的另一端位于同一平面内。N = 2 100 的整数。所述的第一至第N有源单模光纤11、12、……、1N的纤芯中均掺杂稀土离子，包括铒离子、镱离子、钕离子、铥离子或钦离子。所述的第一至第N+1光纤光栅21、22、23、......、2N、2(N+1)的中心波长均相同。第一和第N+1光纤光栅21、2(N+1)的中心波长反射率为大于99%。第二至第N光纤光栅22、23、……、2N的中心波长反射率为50% 90%。实施方式ニ基于多线性腔结构的相干合束光纤激光器，如图2，该激光器包括第一、第二有源单模光纤11、12,第一、第二、第三光纤光栅21、22、23,第一、第二稱合器31、32,第一、第二泵浦源41、42，第一、第二单模光纤51、52和第一、第二波分复用器61、62。第一光纤光栅21接第一波分复用器61的第二端ロ，第一波分复用器61的第一端ロ接第一泵浦源41，第一波分复用器61的第三端ロ接第一有源单模光纤11的一端，第一有源单模光纤11的另一端接第一耦合器31的第一端ロ，第一耦合器31的第二端ロ接第二光纤光栅22的一端,第一稱合器31的第三端ロ接第一单模光纤51的一端,激光从第一单模光纤51的另一端输出，构成第一个线性腔。第二光纤光栅22的另一端接第二波分复用器62的第二端ロ，第二波分复用器62的第一端ロ接第二泵浦源42，第二波分复用器62的第三端ロ接第二有源单模光纤12的一端，第二有源单模光纤12的另一端接第二耦合器32的第一端ロ，第二耦合器32的第二端ロ接第三光纤光栅23的一端，第二耦合器32的第三端ロ接第二单模光纤52的一端，激光从第二单模光纤52的另一端输出，构成第二个线性腔。第一、第二单模光纤51、52的另一端位于同一平面内。所述的第一、第二有源单模光纤11、12的纤芯中均掺铒离子。所述的第一至第三光纤光栅21、22、23的中心波长均相同。第一和第三光纤光栅21、23的中心波长反射率为99. 1%。第二光纤光栅22的中心波长反射率为50%。实施方式三实施方式三，如图3，与实施方式ニ区别、[0045]线性腔的数量为十个。第一至第十单模光纤51、52、……、510的另一端位于同一平面内。所述的第一至第十有源单模光纤11、12、……、110的纤芯中均掺铥离子。所述的第一至第i^一光纤光栅21、22、23、......、210、211的中心波长均相同。第一和第i^一光纤光栅21、211的中心波长反射率为99. 9%。第二至第十光纤光栅22、23、......、210的中心波长反射率为90%。实施方式四实施方式四，如图4，与实施方式ニ区别线性腔的数量为ー百个。第一至第一百单模光纤51、52、......、5100的另一端位于同一平面内。所述的第一至第一百有源单模光纤11、12、……、1100的纤芯中均掺镱离子。所述的第一至第一百零一光纤光栅21、22、23、……、2100、2101的中心波长均相
同。 第一和第一百零一光纤光栅21、2101的中心波长反射率为99. 5%。第二至第一百光纤光栅22、23、......、2100的中心波长反射率为70%。
权利要求1.基于多线性腔结构的相干合束光纤激光器，其特征在于该激光器包括第一至第N有源单模光纤(11、12、……、1N)，第一至第N+1光纤光栅(21、22、23、……、2N、2 (N+1))，第一至第N耦合器(31、32、……、3N)，第一至第N泵浦源(41、42、……、4N)，第一至第N单模光纤(51、52、......、5N)和第一至第N波分复用器(61、62、......、6N); 第一光纤光栅(21)接第一波分复用器(61)的第二端ロ，第一波分复用器(61)的第一端ロ接第一泵浦源(41)，第一波分复用器(61)的第三端ロ接第一有源单模光纤(11)的一端，第一有源单模光纤(11)的另一端接第一稱合器(31)的第一端ロ，第一稱合器(31)的第ニ端ロ接第二光纤光栅(22)的一端，第一耦合器(31)的第三端ロ接第一单模光纤(51)的一端，激光从第一单模光纤(51)的另一端输出； 第二光纤光栅(22)的另一端接第二波分复用器(62)的第二端ロ，第二波分复用器 (62)的第一端ロ接第二泵浦源(42)，第二波分复用器(62)的第三端ロ接第二有源单模光纤(12)的一端，第二有源单模光纤(12)的另一端接第二耦合器(32)的第一端ロ，第二耦合器(32)的第二端ロ接第三光纤光栅(23)的一端，第二耦合器(32)的第三端ロ接第二单模光纤(52)的一端,激光从第二单模光纤(52)的另一端输出； 第N光纤光栅(2N)的另一端接第N波分复用器(6N)的第二端ロ，第N波分复用器(6N)的第一端ロ接第N泵浦源(4N)，第N波分复用器(6N)的第三端ロ接第N有源单模光纤(IN)的一端，第N有源单模光纤(IN)的另一端接第N稱合器(3N)的第一端ロ，第N稱合器(3N)的第二端ロ接第N+1光纤光栅(2(N+1 ))，第N耦合器(3N)的第三端ロ接第N单模光纤(5N)的一端，激光从第N单模光纤(5N)的另一端输出； 第一至第N单模光纤(51、52、……、5N)的另一端位于同一平面内； N=2 100的整数。
2.根据权利要求I所述的基于多线性腔结构的相干合束光纤激光器，其特征在于 所述的第一至第N+1光纤光栅(21、22、23、……、2N、2 (N+1))的中心波长均相同; 所述的第一和第N+1光纤光栅(21、2 (N+1))的中心波长反射率为大于99% ； 所述的第二至第N光纤光栅(22、23、……、2N)的中心波长反射率为50% 90%。
专利摘要基于多线性腔结构的相干合束光纤激光器，涉及一种激光器，解决了目前已有被动相位锁定方法中输出激光的频带宽，光路数量少，输出功率低，结构复杂的问题。第一至第N有源单模光纤(11、12、……、1N)，第一至第N+1光纤光栅(21、22、23、……、2N、2(N+1))，第一至第N耦合器(31、32、……、3N)，第一至第N泵浦源(41、42、……、4N)，第一至第N单模光纤(51、52、……、5N)和第一至第N波分复用器(61、62、……、6N)构成N个线性腔的相干合束光纤激光器。N＝2～100的整数。通过N个线性腔的串联使得各线性腔谐振在同一频带，由N根单模光纤将激光信号导出，相干得到大功率的相干激光。适用于工业加工及国防等需要高功率激光器的领域。
文档编号H01S3/067GK202423816SQ20112050980
公开日2012年9月5日 申请日期2011年12月8日 优先权日2011年12月8日
发明者宁提纲, 李超, 温晓东, 王春灿, 裴丽, 谭中伟, 郑晶晶 申请人:北京交通大学