抑制窄线宽掺镱光纤放大器中热致模式不稳定的系统的制作方法

本实用新型属于强激光技术领域，特别是涉及一种抑制窄线宽掺镱光纤放大器中热致模式不稳定的系统。

背景技术：

高亮度窄线宽光纤激光在相干合成、光谱合成、非线性频率变换、地球科学、原子分子物理等诸多应用领域具有广泛的应用需求。然而，随着功率的不断提升，窄线宽光纤放大器中会由于热的存在产生模式的突然畸变，即热致模式不稳定。自2010年热致模式不稳定现象首次报道后，其作为一种限制当前光纤激光进一步亮度提升的重要因素备受国内外多家单位的广泛关注。

研究结果表明：当光纤激光输出功率超过一定阈值功率，输出激光模式会发生从基模到高阶模式的动态相互耦合和跳变，并伴随着光束质量的急剧下降，严重影响系统的输出亮度。此外，模式不稳定发生后，激光的输出时域特性会出现明显的起伏。进一步研究结果表明模式不稳定阈值与光纤结构、信号/泵浦波长、光子暗化等多种因素有关。

目前，国际上关于热致模式不稳定产生的物理机理已基本达成共识，即基模和高阶模式在光纤中发生干涉，引起沿增益光纤纵向分布的反转粒子数呈现周期性分布。反转粒子数的周期性分布通过 Kramers-Kronig效应导致光纤中形成折射率调制光栅。当折射率光栅与光场干涉存在相移时，能量将在基模和高阶模之间发生耦合。关于相移的产生，目前主流的解释认为基模和高阶模式之间存在频移，因此导致调制光栅移动产生相移。

基于上述产生机理，国内外多家研究单位已经提出若干抑制热致模式不稳定的技术方案，主要包括：控制高阶模式激发消除调制折射率光栅、减少光纤激光放大器的量子亏损、通过改变信号/泵浦波长增强光纤激光放大器的增益饱和效应、增加高阶模式的相对损耗(减弱高阶模式和基模的相互作用)等。

然而，尽管研究者们已经提出了上述多种抑制方法，热致模式不稳定效应仍然是限制当前高亮度窄线宽光纤放大器的关键因素之一。因此，从光纤放大器系统设计着手，基于热致模式不稳定产生的物理机理，追本溯源提出新的抑制新方法对于推动窄线宽光纤放大器的进一步亮度提升具有重要的科学意义和现实需要。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本实用新型基于模式不稳定阈值与信号光波长之间的依赖关系和不同波长信号光吸收发射截面的差异，提供一种抑制窄线宽掺镱光纤放大器中热致模式不稳定的系统，其在窄线宽掺镱光纤放大器中采用双波长注入，依赖增益竞争同时实现单一波长有效放大和热致模式不稳定效应抑制，为相干合成、光谱合成、非线性频率变换等领域提供性能可靠、结构紧凑的高性能光纤光源设计方案，推动大功率窄线宽光纤激光的整体性能提升和应用领域的进一步发展。

为实现上述技术目的，本实用新型的技术方案是：

一种抑制窄线宽掺镱光纤放大器中热致模式不稳定的系统，在窄线宽掺镱光纤放大器中同时注入一束中心波长为λ2的短波段激光和一束中心波长为λ1的窄线宽长波长激光，其中λ2<λ1；通过在增益光纤内形成增益竞争，实现热致模式不稳定效应的有效抑制和单波长窄线宽激光的有效输出。

系统包括中心波长为λ1的窄线宽光纤激光种子源、中心波长为λ2的光纤激光器、全光纤高功率波分复用器、掺镱主放大器、光纤端帽、准直器、二色镜、功率接收器I、高反镜、功率接收器II、分束器、光电信号采集显示模块和光束质量监测模块；

中心波长为λ1的窄线宽光纤激光种子源发出的激光束与由中心波长为λ2的光纤激光器发出的激光束经光纤高功率波分复用器合成为一束双波长激光后输出，双波长激光注入到掺镱主放大器进行增益竞争和功率放大，经过掺镱主放大器功率放大后输出的激光经光纤端帽传输至准直器准直后输出到自由空间。准直输出的光束经过二色镜后，增益竞争残余的中心波长为λ2的激光注入到功率接收器I，波长为λ1的激光经过反射入射到高反镜；经高反镜反射出的激光被功率接收器 II接收，经高反镜透射出的激光经过分束器后分为两束，其中经分束器透射出的激光入射到光电信号采集显示模块，经分束器反射出的激光入射到光束质量监测模块。

本实用新型中：还包括级联掺镱光纤预放大器，中心波长为λ1的窄线宽光纤激光种子源发出的激光束经级联掺镱光纤预放大器进行预放大，预放大之后的激光束与由中心波长为λ2的光纤激光器发出的激光束经光纤高功率波分复用器合成为一束双波长激光后输出。所述的级联掺镱光纤预放大器其预放大的级数由预期放大倍数确定。一般而言，对于百毫瓦级单级光纤预放大器，其放大倍数约为30-50倍，对于数十瓦级预放大器，其放大倍数可>100倍。

本实用新型中:所述的中心波长为λ1的窄线宽光纤激光种子源实现方式不限，可以是单频种子施加相位调制产生的窄线宽激光光源、窄带滤波超荧光光源、直接窄线宽振荡器、窄带滤波随机光纤激光器，也可以是窄线宽半导体激光器或窄线宽固体激光器经过光纤耦合输出的激光光源。中心波长λ1的具体值不限，一般是覆盖1060nm到 1090nm波段范围内的任意波长。

本实用新型所述的中心波长为λ2的光纤激光器实现方式不限，可以是直接高功率振荡器、超荧光光源、随机光纤激光器等，也可以是多级级联的主振荡功率放大系统。所述的中心波长为λ2的光纤激光器线宽不限，可以是窄线宽光纤激光器，也可以是宽谱光纤激光器。

本实用新型所述的高功率波分复用器实现方式不限，可以是膜片式波分复用器，也可以是熔融拉锥式波分复用器，其作用为将中心波长为λ1的光纤激光和中心波长为λ2的光纤激光合束为一束激光输出。

本实用新型所述的掺镱主放大器包括泵浦源、高功率信号-泵浦合束器、掺杂光纤、包层光滤除器等部分组成。泵浦源波长可有多种选择，可以是976nm、915nm、960nm等，考虑数千瓦级高功率输出，高功率信号-泵浦合束器一般是(6+1)×1结构，掺杂光纤可有多种选择，纤芯直径一般>20μm、包层厚度一般>200μm。包层光滤除器的作用是将残余的泵浦光和包层光滤除到自由空间，防止包层光对输出器件造成损坏，保证高光束质量输出。

本实用新型所述的光纤端帽为采用光纤与熔石英头经过熔融拉锥制作的激光传输发射器件，可有效降低输出端面的激光功率密度，防止发生光学放电。

本实用新型所述的准直器用于激光束准直，可以由一个或多个透镜组合实现激光的准直发射，透镜的材料选择多样，可以是熔石英、 ZnSe、CaF2等，透镜增透膜镀膜方式选择多样，可以是单层镀膜或多层镀。

本实用新型所述的二色镜用于将残余的中心波长为λ2的激光和中心波长为λ1的主激光分离，最终得到纯的中心波长为λ1的窄线宽激光，其构成材料不限，可以是熔石英、K9等，具体根据辐照激光功率密度选择。反射-透射波长范围由输出激光波段范围确定。

本实用新型所述的功率接收器I和功率接收器II实现方式不限，可以是传统的功率计、锥形废光收集器等。

本实用新型所述的高反镜实现中心波长为λ1的窄线宽激光的高反射功能，其反射率一般>99％；高反镜的构成材料不限，以是熔石英、 K9等，具体根据辐照激光功率密度选择。

本实用新型所述的分束器实现方式多样，可以是白片(反射率4％)、楔形镜、固定分束比的分束镜等，分束器的构成材料不限，可以是熔石英、K9、ZnSe、CaF2等。

本实用新型所述的光电信号采集显示模块将入射激光接收后将光信号转变为电信号，并将入射激光的时域信号和频域信号显示在终端，以便实时观察由于热致模式不稳定效应引起的时域起伏和确定热致模式不稳定效应发生的阈值。该模块一般由光电探测器和示波器组成。

本实用新型所述的光束质量监测模块用于监视和测量入射激光的光束质量，用于观察功率提升过程中，尤其是热致模式不稳定效应发生后的光束质量变化。

本实用新型实现热致模式不稳定效应抑制的原理如下：

目前关于模式不稳定阈值与信号光中心波长之间依赖关系的研究结果表明：对于常规的大模场双包层掺镱光纤，当中心波长从1030 nm附近调谐到1090nm附近时，随着中心波长向长波段调谐，由于信号光发射截面呈近指数减小，导致上能级反转粒子数不断增加，增益饱和效应不断由强变弱，模式不稳定阈值呈现指数型下降。上述研究结果表明仅针对热致模式不稳定效应而言，当窄线宽光纤放大器工作在短波波段附近时，热致模式不稳定阈值可以得到显著提高。然而，由于受限于自发辐射效应的影响，1030nm短波附近功率提升至数千瓦级异常困难。为了实现数千瓦级功率输出，光纤放大器中心波长一般需选择在1060nm～1090nm波段范围内。该波段内激光放大可有效抑制自发辐射对输出功率的影响，但热致模式不稳定效应又会成为亮度提升的主要受限因素。

基于上述考虑，利用掺镱光纤在短波附近(λ2)和长波附近(λ1) 处吸收发射截面的差异，通过在增益光纤内形成增益竞争，最终可实现热致模式不稳定效应的有效抑制和单波长窄线宽激光的有效输出。具体而言，在主放大器中同时注入一束中心波长为λ2的短波段激光和一束中心波长为λ1的窄线宽长波长激光，中心波长为λ2的短波长激光在主放大器增益光纤前半部分会有效提取反转粒子数，增强系统的增益饱和效应，达到抑制热致模式不稳定的作用。在主放大器增益光纤后端部分，随着泵浦功率的降低，中心波长为λ2的短波段激光的增益逐渐减小，最终会使得其吸收和损耗大于增益，功率开始降低。与此同时，掺杂离子吸收中心波长为λ2的短波长激光后，形成粒子数反转，为中心波长为λ1的长波长激光提供增益。通过合理设置短波长激光和长波长激光的功率配比和掺杂光纤长度，可以使得中心波长为λ2的短波长激光基本被完全转化，窄线宽光纤放大器最终输出激光中包含绝大部分中心波长为λ1的长波长窄线宽激光和极少量未被完全转化的λ2短波长激光。需要说明的是，为了有效抑制四波混频对放大过程的影响，λ1和λ2之间的波长间隔需大于10nm。此外，除了镱离子本身的增益，为了有效利用拉曼增益实现λ2到λ1的快速转化，λ1和λ2之间波长间隔的最佳值应为拉曼频移量(对于掺镱光纤一般为13.2THz)。

与现有技术相比，本实用新型能够产生以下技术效果：

1、本实用新型利用掺镱光纤在短波附近和长波附近处吸收发射截面的差异，通过在主光纤放大器中注入双波长激光，形成增益竞争，短波长激光在主放大器增益光纤前半部分会有效提取反转粒子数，增强系统的增益饱和效应，实现模式不稳定的有效抑制；在主放大器增益光纤后端部分，短波激光形成的粒子数反转为长波长激光提供增益，最终实现高亮度长波长的窄线宽光纤激光输出。

2、本实用新型具备通用性：就可放大波长范围而言，该方法可用于1060nm～1090nm任意波长的放大。注入的短波激光的波长范围灵活，可以是1030nm～1050nm波段内任意波长的激光。

3、本实用新型中，中心波长为λ1的窄线宽光纤激光种子源的实现方式多样，可以是单频种子施加相位调制产生的窄线宽激光光源、窄带滤波超荧光光源、直接窄线宽振荡器、窄带滤波随机光纤激光器，也可以是窄线宽半导体激光器或窄线宽固体激光器经过光纤耦合输出的激光光源。

4、本实用新型中，波长为λ2的短波光纤激光器的实现方式多样，可以是直接高功率振荡器、超荧光光源、随机光纤激光器等，也可以是多级级联的主振荡功率放大系统。所述的中心波长为λ2的短波光纤激光器线宽不限，可以是窄线宽光纤激光器，也可以是宽谱光纤激光器。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构示意图。

图中包括：

中心波长为λ1的窄线宽光纤激光种子源1-1、级联掺镱光纤预放大器1-2、中心波长为λ2(λ2<λ1)的光纤激光器1-3、全光纤高功率波分复用器1-4、掺镱主放大器1-5、光纤端帽1-6、准直器1-7、二色镜1-8、功率接收器I 1-9、高反镜1-10、功率接收器II 1-11、分束器 1-12、光电信号采集显示模块1-13、光束质量监测模块1-14。

图2为本实用新型的一个典型应用示例图：3kW级1083nm窄线宽光纤放大器热致模式不稳定抑制系统结构示意图。

图中包括：中心波长为1083nm的窄线宽光纤激光器2-1、级联掺镱光纤预放大器2-2(包括2-21和2-22两级级联掺镱光纤预放大器)、中心波长为1033nm的光纤激光器2-3、全光纤高功率波分复用器2-4、掺镱主放大器2-5、光纤端帽2-6、准直器2-7、二色镜2-8、功率接收器I 2-9、高反镜2-10、功率接收器II 2-11、分束器2-12、光电信号采集显示模块2-13、光束质量监测模块2-14。

其中：

2-21为200mW级预放大器，主要包括600mW级976nm泵浦源2-211、1W级波分复用器2-212、纤芯包层比为6/125μm的增益光纤2-213、100mW级包层光滤除器2-214、200mW级光纤隔离器 2-215、200mW级带通滤波器2-216；

2-22为30W级预放大器，主要包括60W级976nm泵浦源2-221、 (2+1)×1信号-泵浦合束器2-222、纤芯包层比为10/125μm的增益光纤2-223、10W级包层光滤除器2-224、30W级光纤隔离器2-225；

掺镱主放大器2-5主要包括6个700W 976nm泵浦源2-51、(6+1) ×1高功率信号-泵浦合束器2-52、掺杂光纤2-53、千瓦级包层光滤除器2-54。

具体实施方式

图1为本实用新型的系统结构示意图，包括：中心波长为λ1的窄线宽光纤激光种子源1-1、级联掺镱光纤预放大器1-2、中心波长为λ2(λ2<λ1)的光纤激光器1-3、全光纤高功率波分复用器1-4、掺镱主放大器1-5、光纤端帽1-6、准直器1-7、二色镜1-8、功率接收器I 1-9、高反镜1-10、功率接收器II 1-11、分束器1-12、光电信号采集显示模块1-13、光束质量监测模块1-14。

从中心波长为λ1的窄线宽光纤激光种子源1-1输出的激光首先注入到级联掺镱光纤预放大器1-2中进行预放大。预放大器的结构和级数根据窄线宽光纤激光种子源1-1的功率和预期预放大功率指标确定。若窄线宽光纤激光种子源1-1的输出功率已可以满足后续放大，则级联掺镱光纤预放大器1-2可以省去。预放大后的光束与中心波长为λ2 (λ2<λ1)的激光器1-3产生的激光通过全光纤高功率波分复用器1-4合成为一束双波长激光，随后注入到掺镱主放大器1-5进行增益竞争和功率放大。经过掺镱主放大器1-5功率放大后的激光经过光纤端帽1-6 和准直器1-7后输出到自由空间。准直输出的光束经过二色镜1-8后，增益竞争残余的中心波长为λ2的激光注入到功率接收器I 1-9，波长为λ1的激光经过反射入射到高反镜1-10；经高反镜反射的激光被功率接收器II 1-11接收，透射激光经过分束器1-12后分为两束。经分束器1-12透射的激光入射到光电信号采集显示模块1-13，以实时观察由于模式不稳定效应引起的时域起伏和确定热致模式不稳定发生的阈值；经分束器1-12反射的光束入射到光束质量监测模块1-14，用于观察功率提升过程中，尤其是热致模式不稳定发生后的光束质量变化。

下面将结合一个典型的应用示例—3kW级1083nm窄线宽光纤放大器热致模式不稳定抑制(系统结构示意图如附图2所示)，对该技术实用新型的具体实施过程进行说明，技术实用新型的适用范围不局限于该典型示例。

在图2中，从中心波长为1083nm的窄线宽光纤激光种子源2-1 输出的激光首先注入到第一级级联掺镱光纤预放大器2-21中进行预放大。经过第一级级联掺镱光纤预放大器2-21预放大的激光注入到第二级级联掺镱光纤预放大器2-22中进行进一步功率提升。

经过第二级级联掺镱光纤预放大器2-22后的光束与中心波长为 1033nm的激光器2-3产生的激光通过全光纤高功率波分复用器2-4 合成为一束双波长激光，随后注入到掺镱主放大器2-5进行增益竞争和功率放大。掺镱主放大器2-5由6个700W 976nm泵浦源2-51、(6+1) ×1高功率信号-泵浦合束器2-52、掺杂光纤2-53、千瓦级包层光滤除器2-54组成；其中，6个700W 976nm泵浦源2-51产生的泵浦光通过(6+1)×1高功率信号-泵浦合束器2-52泵浦掺杂光纤2-53，将激光功率放大至3kW量级。放大后的激光经过千瓦级包层光滤除器 2-54滤除残余泵浦光和包层光后经过光纤端帽2-6和准直器2-7输出到自由空间；准直输出的激光经过二色镜2-8后，增益竞争残余的中心波长为1033nm的激光注入到功率接收器I 2-9，波长为1083nm 的激光经过反射入射到高反镜2-10；经高反镜2-10反射出的1083nm 激光被功率接收器II 2-11接收，经高反镜2-10透射出的1083nm激光经过分束器2-12后分为两束。经分束器2-12透射的1083nm激光入射到光电信号采集显示模块2-13，以实时观察由于模式不稳定效应引起的时域起伏和确定热致模式不稳定发生的阈值；经分束器2-12 反射的1083nm激光入射到光束质量监测模块2-14，用于观察功率提升过程中的光束质量变化。

其中：第一级级联掺镱光纤预放大器2-21为200mW级预放大器，由600mW级976nm泵浦源2-211、1W级波分复用器2-212、纤芯包层比为6/125μm的增益光纤2-213、100mW级包层光滤除器 2-214、200mW级光纤隔离器2-215、200mW级带通滤波器2-216 组成。其中，600mW级976nm泵浦源2-211产生的泵浦光通过1W 级波分复用器2-212泵浦纤芯包层比为6/125μm的增益光纤2-213，将种子源功率提升至200mW量级；产生的放大激光经过100mW级包层光滤除器2-214滤除残余泵浦光和包层光后注入到200mW级光纤隔离器2-215和200mW级带通滤波器2-216。200mW级光纤隔离器2-215用于阻止后续放大过程中的返回光进入前级系统造成系统损坏。200mW级带通滤波器2-216用于滤除1083nm信号光波段范围外的放大杂散光，提高1083nm激光光谱信噪比。

第二级级联掺镱光纤预放大器2-22为30W级预放大器，由60W 级976nm泵浦源2-221、(2+1)××信号-泵浦合束器2-222、纤芯包层比为10/125μm的增益光纤2-223、10W级包层光滤除器2-224、 30W级光纤隔离器2-225组成；其中，60W级976nm泵浦源2-221 产生的泵浦光通过(2+1)×1信号-泵浦合束器2-222泵浦纤芯包层比为10/125μm的增益光纤2-223，将激光功率放大至30W量级。产生的30W级放大激光经过10W级包层光滤除器2-224滤除残余泵浦光和包层光后注入到30W级光纤隔离器2-225；30W级光纤隔离器 2-225用于阻止后续放大过程中的返回光进入前级系统造成系统损坏。

在实际系统搭建时，通过合理配比1083nm激光与1033nm激光进入掺镱主放大器2-5的功率比例和优化掺镱主放大器2-5中掺杂光纤2-53的长度，能够完成整个系统优化，最终使得中心波长为1033 nm的短波长激光基本被完全转化，达到最佳的热致模式不稳定抑制效果。

以上所述仅为本实用新型的优选的实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。