一种高功率柱矢量光纤激光器的制作方法

本发明涉及光纤激光器技术领域，具体公开了一种高功率柱矢量光纤激光器。

背景技术：

柱矢量光束由于由于其独特环形电场分布和轴对称偏振性质，使其在许多领域都有着广泛的应用。在表面等离子体激发方面，当径向偏振光入射到金属表面时，其任一纵向剖面对于材料表面而言都是p偏振的，可以通过表面结构增强形成强聚焦的表面等离子体激发并形成增强的局域场。在粒子操控方面，因为粒子表面散射的存在使得通过激光光束去完成对磁性粒子的三维操控非常困难，而角向偏振光束在聚焦后为中空的环形光斑并且只存在角向偏振分量，可以实现对磁性粒子强有力的束缚。在激光加工方面，径向偏振光束是激光切割中最想的偏振态，在大纵深金属加工应用中，径向偏振光束的加工效率是线偏振光和圆偏振光的1.5-2倍，提高了激光加工的效率和质量。激光加工对于激光的功率要求十分高，而目前的柱矢量激光器输出功率低，稳定性差，无法满足实用性的要求，为此我们设计了一种高功率柱矢量光纤激光器满足实际应用的要求。

技术实现要素：

解决的技术问题

本发明的目的是为了解决现有柱矢量光纤激光器稳定性差，输出功率低的缺陷，设计了一种高功率单一柱矢量光纤激光器输出高功率高稳定性的柱矢量激光。

技术方案

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种高功率单一柱矢量光纤激光器，其特征在于，包括单一柱矢量模式输出的光纤激光器，一级放大器，二级放大器，三级放大器以及输出端件，所述单一柱矢量模式输出的光纤激光器输出端的尾纤熔接在一级放大器的信号端尾纤上，所述二级放大器熔接在一级放大器和三级放大器之间，且所述三级放大器的另一尾纤端与输出端件熔接。

单一柱矢量模式输出的光纤激光器可以采用以下三种不同结构的光纤激光器；

第一种为线型腔单一柱矢量模式连续光纤激光器，其包括依次通过尾纤熔接的泵浦源、波分复用器、输入光栅、增益光纤、光纤模式过滤器以及输出光栅，且所述输出光栅另一尾纤端作为激光器的输出端；

所述输入光栅采用刻制在环形芯光纤上的光栅，其对1064nm波段的lp11模式的反射率为50％-100％，而对于975nm波段的泵浦光完全透过，所述输出光栅采用刻制在环形芯光纤上的光栅，其对lp11模式的反射率为10％-99％；

所述增益光纤为在环形芯光纤的导模层中掺杂稀土元素制作而成；所述光纤模式过滤器是通过将环形芯光纤的包层腐蚀至0.5-3μm厚，再在包层表面镀上50-500nm厚的金属膜层制成的；

所述环形芯光纤的纤芯部分是环形的导模层，导模层内部为低折射率层，导模层外部为包层，其中，所述导模层通过在二氧化硅中掺锗制作而成，所述低折射率层材料为空气或普通二氧化硅，所述包层为纯二氧化硅，且所述导模层的折射率与包层折射率之差为0.02-0.04，且所述导模层厚度为1μm-3μm；

通过采用环形芯光纤，降低了lp11模式的简并度，大大减少了lp11内矢量模式间的相互耦合，使得te01模式在激光腔内稳定存在；激光器谐振腔内加入光纤模式过滤器，使得te01模式在腔内发生谐振，并通过光栅输出，泵浦源用于提供能量，波分复用器用于将泵浦光与信号光分离和复合，输入光栅用于透射泵浦光并反射信号光，增益光纤用于提供增益，产生信号光，光纤模式过滤器用于衰减光纤中te01模式以外的模式，输出光栅用于输出激光。

第二种为线型腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器，包括依次通过尾纤熔接的泵浦源，波分复用器，输入光栅，增益光纤、光纤模式过滤器、可饱和吸收体以及输出光栅，且所述输出光栅另一尾纤端作为激光器的输出端；

所述输入光栅采用刻制在环形芯光纤上的光栅，其对1064nm波段的lp11模式的反射率为50％-100％，而对于975nm波段的泵浦光完全透过，所述输出光栅采用刻制在环形芯光纤上的光栅，其对lp11模式的反射率为10％-99％。

所述增益光纤为在环形芯光纤的导模层中掺杂稀土元素制作而成；所述光纤模式过滤器是通过将环形芯光纤的包层腐蚀至0.5-3μm厚，再在包层表面镀上50-500nm厚的金属膜层制成的；

所述可饱和吸收体是先将环形芯光纤侧面抛磨或腐蚀，使得环形芯光纤的包层厚度减少至0-3μm，然后将可饱和吸收体薄膜覆盖在环形芯光纤抛磨面而制成。

所述环形芯光纤的纤芯部分是环形的导模层，导模层内部为低折射率层，导模层外部为包层，其中，所述导模层通过在二氧化硅中掺锗制作而成，所述低折射率层材料为空气或普通二氧化硅，所述包层为纯二氧化硅，且所述导模层的折射率与包层折射率之差为0.02-0.04，且所述导模层厚度为1μm-3μm；

通过采用环形芯光纤，降低了lp11模式的简并度，减少了te01模式与lp11其它模式的相互耦合，使得te01模式能够在激光腔内稳定存在。激光器谐振腔内加入了光纤模式过滤器，使得te01模式在模式竞争中成为优势模，并通过可饱和吸收体产生te01模式的脉冲激光，最后通过光栅输出。

第三种为环腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器，包括依次通过尾纤熔接相连的泵浦源，波分模分复用器，增益光纤、光纤模式过滤器、可饱和吸收体、隔离器和耦合器，且所述耦合器另一尾纤端作为激光器的输出端；

所述波分模分复用器通过将普通单模光纤与环形芯光纤熔融拉锥或侧边抛磨熔接制作而成；

所述增益光纤为在环形芯光纤的导模层中掺杂稀土元素制作而成；所述光纤模式过滤器是通过将环形芯光纤的包层腐蚀至0.5-3μm厚，再在包层表面镀上50-500nm厚的金属膜层制成的；

所述可饱和吸收体是先将环形芯光纤侧面抛磨或腐蚀，使得环形芯光纤的包层厚度减少至0-3μm，然后将可饱和吸收体薄膜覆盖在环形芯光纤抛磨面而制成；

所述隔离器的尾纤是环形芯光纤；

所述耦合器是通过两根环形芯光纤熔融拉锥或侧边抛磨后熔接制作而成，输出比为1％-90％；

通过采用环形芯光纤，抑制了te01模式与lp11其它模式的相互耦合，使得te01模式能够在激光腔内稳定存在。激光器谐振腔内加入了光纤模式过滤器，使得te01模式在模式竞争中成为优势模，并通过可饱和吸收体产生te01模式的脉冲激光，最后通过耦合器输出。

所述一级放大器，二级放大器以及三级放大器均由依次通过尾纤熔接的(n+1)泵浦合束器，第二隔离器和双包层大模场环形芯掺镱光纤构成，其中，n取1或2-8中的偶数值，且所述(n+1)泵浦合束器采用多根多模光纤与一根双包层环形无源光纤侧边抛磨熔接制作而成，所述第二隔离器尾纤为双包层环形无源光纤，第二隔离器用于隔离反向传输的信号光；

所述双包层大模场环形芯掺镱光纤包括依次由内向外设置的纤芯、导模层、内包层以及涂覆层，且所述导模层为多层掺镱高折射率层与多层低折射率层交错排列，其中所述高折射率层与低折射率层的折射率之差大于0.02，每一层的厚度在0.5μm-3μm；所述双包层环形无源光纤与双包层大模场环形芯掺镱光纤的区别在于其高折射率层并未掺杂镱。

当单一柱矢量模式输出的光纤激光器采用线型腔单一柱矢量模式输出连续光纤激光器时，其输出端件通过在三级放大器输出光纤端面熔接一个石英块，并在石英块输出端面镀上增透膜制作而成；

当单一柱矢量模式输出的光纤激光器采用线型腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器或环腔单一柱矢量模式输出脉冲光纤激光器时，在单一柱矢量模式输出的光纤激光器和一级放大器之间还熔接有啁啾光纤光栅，其输出端件包括熔接在三级放大器输出光纤端面的石英块，体光栅对、高反镜以及反射镜，且在石英输出端面镀增透膜。

通过在石英输出端面镀增透膜，提高光纤输出端面耐受功率，减少反射光，实现高功率激光的安全输出。

通过采用双包层大模场环形芯光纤，其导模层为高折射率层与低折射率层交错排布，该结构可以降低lp11模式的简并度，减少te01模式与其它模式间的耦合，使得te01模式在放大器中稳定存在。

本发明与现有技术相比的优点为：

(1)本发明放大器部分与单一柱矢量模式输出的光纤激光器部分的所有器件均通过尾纤熔接的方式相连，实现了全光纤集成，结构简单紧凑。

(2)本发明采用单一柱矢量模式输出的连续光纤激光器或脉冲光纤激光器作为单一柱矢量模式输出的光纤激光器，并通过大模场双包层环形芯光纤降低lp11模式的简并度，减少了te01模式与其它模式间的耦合，实现了高功率的单一柱矢量连续激光或脉冲激光输出，实用性强。

附图说明

图1为本发明的一种高功率单一柱矢量光纤激光器结构示意图。

图2为本发明的一种高功率单一柱矢量脉冲光纤激光器结构示意图。

图3为本发明的双包层大模场环形芯光纤横截面示意图。

图4为本发明的双包层大模场环形芯光纤折射率剖面示意图。

图5为本发明的环形芯光纤结构示意图。

图6为本发明的光纤模式过滤器结构示意图。

图7为本发明的单一柱矢量模式输出的光纤激光器——线型腔单一柱矢量连续光纤激光器结构示意图。

图8为本发明的单一柱矢量模式输出的光纤激光器——线型腔单一柱矢量脉冲光纤激光器结构示意图。

图9为本发明的单一柱矢量模式输出的光纤激光器——环腔单一柱矢量脉冲光纤激光器结构示意图。

图10为本发明的单一柱矢量模式输出的光纤激光器中的可饱和吸收体。

图中的附图标记解释为：1-单一柱矢量模式输出的光纤激光器，2-一级放大器，3-二级放大器，4-三级放大器，5-输出端件，21,31,41-泵浦合束器，22,32,42-第二隔离器，23,33,43-双包层大模场环形芯掺镱光纤，6-啁啾光纤光栅，7-反射镜，81,82-体光栅对，9-高反镜，10-涂覆层，11-内包层，121-第一低折射率层，122-第二低折射率层，123-第三低折射率层，131-第一高折射率层，132-第二高折射率层，133-第三高折射率层，14-纤芯，15-包层，16-导模层，17-低折射率层，18-金属层，201-泵浦源，202-波分复用器，203-输入光栅，204-增益光纤，205-光纤模式过滤器，206-输出光栅，301-泵浦源，302-波分复用器，303-输入光栅端，304-增益光纤，305-光纤模式过滤器，306-可饱和吸收体，307-输出光栅端，401-泵浦源，402-波分复用器，403-增益光纤，404-光纤模式过滤器，405-可饱和吸收体，406-隔离器，407-耦合器，501-侧边抛磨的环形芯光纤，502-可饱和吸收体薄膜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细描叙。

本发明针对目前柱矢量光纤激光器模式稳定性差，输出功率低等缺陷，引入了可支持te01模式稳定传输的双包层大模场环形芯光纤，并通过多级放大系统，实现了高功率高稳定性的单一柱矢量连续激光或脉冲激光输出。

实施例1

参照图1，为本发明的一个应用实例——高功率柱矢量连续光纤激光器，单一柱矢量模式输出的光纤激光器1为线性腔单一柱矢量模式输出的连续光纤激光器，参照图7。该激光器中，泵浦源201采用中心波长为975nm的半导体激光器，通过尾纤熔接连接在波分复用器202的泵浦端，波分复用器202采用975nm/1064nm波分复用器，通过尾纤熔接连接在输入光栅203的尾纤上，输入光栅203采用刻制在环形芯光纤上的光栅，其对1064nm波段的lp11模式的反射率接近100％，而对于975nm波段的泵浦光完全透过，然后通过熔接的方式与增益光纤204相连。

环形芯光纤结构参照图5，其导模层16为环形分布掺锗二氧化硅，中心部分低折射率层17为普通二氧化硅。

增益光纤204结构参照图5为掺镱的环形芯光纤，其导模层16掺杂了高浓度镱离子，可以吸收泵浦光，产生信号光，

光纤模式过滤205结构参照图6是通过将环形芯光纤的包层腐蚀至1μm厚，再在包层15表面镀上200nm厚的铝膜，然后通过尾纤熔接在增益光纤204与输出光栅206之间，输出光栅206为刻制在环形芯光纤上的光栅，其对lp11模式的反射率为80％，激光器通过输出光栅206右端的尾纤输出激光。

通过计算机模拟，所设计的光纤模式过滤器205对于te01模式的损耗小于0.03db/cm，而对于其它模式的损耗大于15db/cm，当泵浦光进入增益光纤204后会产生不同模式的信号光，这些不同模式的信号光在通过光纤模式过滤器205后会经历不同程度的损耗，其中te01模式的损耗最小，在模式竞争中成为优势模，光束在激光腔内不断振荡最终只有te01模式存在，并通过输出光栅206的尾纤输出te01模式的连续激光。

泵浦合束器21两臂分别接入一个最大功率10w的975nm半导体泵浦源，最大泵浦功率为20w。第二隔离器22尾纤为双包层大模场环形芯无源光纤，最大承受功率30w。双包层大模场环形芯掺镱光纤23的纤芯23内径5μm，外径15μm，长度5米。泵浦合束器31四条臂分别接入一个最大功率50w的975nm半导体泵浦源，最大泵浦功率为200w。第二隔离器32尾纤为双包层大模场环形芯无源光纤，最大承受功率300w。双包层大模场环形芯掺镱光纤纤芯33内径5μm，外径15μm，长度10米。泵浦合束器41八条臂分别接入一个最大功率250w的975nm半导体泵浦源，最大泵浦功率为2000w。第二隔离器42尾纤为双包层大模场环形芯无源光纤，最大承受功率3000w。双包层大模场环形芯掺镱光纤纤芯43内径10μm，外径30μm，长度15米。

输出端件5通过在双包层大模场环形芯无源光纤端面熔接一个石英块，并在石英输出端面镀增透膜制作而成。平均功率100mw的种子信号光在经过一级放大器2后平均功率可放大至10w，再经过二级放大器3后平均功率可放大至100w以上，最后经过三级放大器4平均功率可达1000w以上，最后通过端帽5输出高功率高稳定性的柱矢量连续激光。

双包层大模场环形芯无源光纤及双包层大模场环形芯掺镱光纤的结构示意图与折射率剖面图分别参照图3、图4，其导模层为高折射率层与低折射率层交错排布，中心部分为普通二氧化硅，该结构的光纤可以降低lp11模式间的简并度，减少te01模式去其它模式间的耦合，使得te01模式在放大器中稳定存在。

实施例2

参照图2，为本发明的一个应用实例——高功率柱矢量脉冲光纤激光器，单一柱矢量模式输出的光纤激光器1为线性腔单一柱矢量模式输出的脉冲光纤激光器，参照图8，该激光器中，泵浦源301采用中心波长为975nm的半导体激光器，波分复用器302采用975nm/1064nm波分复用器，泵浦源301的尾纤通过熔接的方式与波分复用器302的泵浦端相连。输入光栅303采用刻制在环形芯光纤上的光栅，其对1064nm波段的lp11模式的反射率接近100％，而对于975nm波段的泵浦光完全透过。

环形芯光纤结构参照图5，其导模层16为环形分布掺锗二氧化硅，中心部分低折射率层17为普通二氧化硅。

增益光纤304结构参照图5，为导模层掺杂镱离子的环形芯光纤，其可以吸收泵浦光，产生信号光。输入光栅303两端分别采用尾纤熔接的方式与波分复用器302及增益光纤304相连。

光纤模式过滤器305结构参照图6，是通过将环形芯光纤的包层15腐蚀至1.5μm厚，再在包层表面镀上100nm厚的铝膜。

可饱和吸收体306结构参照图10，是先将环形芯光纤侧面抛磨，使得光纤包层15厚度减少至0-3μm，这个厚度范围使得可饱和吸收体可以对包层15中的倏逝波产生影响，然后将石墨烯聚合物薄膜覆盖在光纤抛磨面，通过石墨烯与倏逝场的作用产生脉冲。

光纤模式过滤器305两端分别用熔接的方式与增益光纤304及可饱和吸收体306相连。输出光栅307为刻制在环形芯光纤上的光栅，其对1064nm波段的lp11模式的反射率为90％，其左端的尾纤与可饱和吸收体306通过熔接连接，右端的尾纤作为激光器的输出。

所设计的光纤模式过滤器305对于te01模式的损耗最小，并且与其它模式的损耗差大于15db/cm。当泵浦光进入增益光纤304后会产生不同模式的信号光，这些不同模式的信号光在通过光纤模式过滤器305后会经历不同程度的损耗，其中te01模式的损耗最小，在模式竞争中成为优势模，光束在激光腔内不断振荡最终只有te01模式存在，并通过可饱和吸收体306产生脉冲激光，最终从输出光栅307输出。

单一柱矢量模式输出的光纤激光器1输出端的尾纤熔接在啁啾光纤光栅6的尾纤上，啁啾光纤光栅6为刻写在双包层大模场环形芯无源光纤上的光栅，用于将脉冲展宽，啁啾光纤光栅6的尾纤与泵浦合束器21的信号输入端的尾纤相熔接，泵浦合束器21一臂接入一个功率5w的975nm半导体泵浦源。第二隔离器22尾纤为双包层大模场环形芯无源光纤，最大承受峰值功率5kw。双包层环形芯掺镱光纤纤芯23内径5μm，外径12μm，长度5米。泵浦合束器31两条臂分别接入一个最大功率20w的975nm半导体泵浦源，最大泵浦功率为40w。第二隔离器32尾纤为大模场双包层环形芯无源光纤，最大承受峰值功率60kw。大模场双包层环形芯掺镱光纤纤芯23内径10μm，外径20μm，长度10米。泵浦合束器41四条臂分别接入一个最大功率50w的975nm半导体泵浦源，最大泵浦功率为200w。第二隔离器42尾纤为大模场双包层环形芯无源光纤，最大承受峰值功率1mw。大模场双包层环形芯掺镱光纤纤芯43内径15μm，外径40μm，长度15米。

在大模场双包层环形芯无源光纤端面熔接一个石英块，并在石英输出端面镀增透膜。平均功率10mw的种子信号光在经过一级放大器2后平均功率可放大至1w以上，再经过二级放大器3后平均功率可放大至10w以上，最后经过三级放大器4平均功率可达100w以上，最后通过石英输出端面输出的光束经过体光栅对81,82将脉宽压缩，高反镜9用于将通过体光栅对81,82的光束全部反射回去，并从反射镜7输出。

双包层大模场环形芯无源光纤及双包层大模场环形芯掺镱光纤的结构示意图与折射率剖面图分别参照图3、图4，其导模层为高折射率层与低折射率层交错排布，中心部分为普通二氧化硅，该结构的光纤可以降低lp11模式间的简并度，减少te01模式去其它模式间的耦合，使得te01模式在放大器中稳定存在。

实施例3

参照图2，为本发明的一个应用实例——高功率柱矢量脉冲光纤激光器，单一柱矢量模式输出的光纤激光器1为一种环腔单一柱矢量模式输出的脉冲光纤激光器。该激光器中，泵浦源401采用中心波长为975nm的半导体激光器，波分模分复用器402采用hi1060光纤与环形芯光纤熔融拉锥制作而成，其可以实现980nm/1064nm波长的复用，并且将hi1060光纤中的中心波长为980nm的lp01模式耦合至环形芯光纤中的te01模式。泵浦源401的尾纤与波分模分复用器402的泵浦端的尾纤相熔接。

环形芯光纤结构参照图5，其导模层16为环形分布掺锗二氧化硅，中心部分低折射率层17为普通二氧化硅。

增益光纤403结构参照图5，为导模层掺杂镱离子的环形芯光纤，其可以吸收泵浦光，产生信号光，其尾纤与波分模分复用器402的尾纤通过熔接的方式相连。

光纤模式过滤器404结构参照图6，是通过将环形芯光纤的包层腐蚀至11μm厚，再在包层表面镀上200nm厚的铝膜制作而成，其尾纤与增益光纤403的尾纤通过熔接的方式相连。

可饱和吸收体405结构参照图10，是先将环形芯光纤侧面抛磨，使得光纤包层厚度减少至1μm，然后将碳纳米管覆盖在光纤抛磨后的表面制作而成，其尾纤与光纤过滤器404的尾纤通过熔接的方式相连。隔离器406的尾纤为环形芯光纤，只允许正向传输的光通过，对反向传输的光损耗很高。耦合器407是通过将两根环形芯光纤熔融拉制制作而成，输出耦407合比为20％，其尾纤与可饱和吸收体405的尾纤通过熔接的方式相连。

所设计的光纤模式过滤器404对于te01模式的损耗最小，并且与其它模式的损耗差大于15db/cm。当泵浦源401产生的980nm泵浦光通过波分模分复用器402后会耦合至te01模式，进入增益光纤后会产生te01模式的1064nm波段的信号光，光纤模式过滤器404会过滤掉非te01模式的光束，使得te01模式在激光腔内谐振，并通过可饱和吸收体405产生脉冲激光，最终从耦合器407的输出端口输出。

单一柱矢量模式输出的光纤激光器1输出端的尾纤熔接在啁啾光纤光栅6的尾纤上，啁啾光纤光栅6为刻写在双包层大模场环形芯无源光纤上的光栅，用于将脉冲展宽，啁啾光纤光栅6的尾纤与泵浦合束器21的信号输入端的尾纤相熔接，泵浦合束器21一臂接入一个功率5w的975nm半导体泵浦源。第二隔离器22尾纤为双包层大模场环形芯无源光纤，最大承受峰值功率5kw。双包层环形芯掺镱光纤纤芯23内径5μm，外径12μm，长度5米。泵浦合束器31两条臂分别接入一个最大功率20w的975nm半导体泵浦源，最大泵浦功率为40w。第二隔离器32尾纤为大模场双包层环形芯无源光纤，最大承受峰值功率60kw。大模场双包层环形芯掺镱光纤纤芯23内径10μm，外径20μm，长度10米。泵浦合束器41四条臂分别接入一个最大功率50w的975nm半导体泵浦源，最大泵浦功率为200w。

第二隔离器42尾纤为大模场双包层环形芯无源光纤，最大承受峰值功率1mw。大模场双包层环形芯掺镱光纤纤芯43内径15μm，外径40μm，长度15米，然后在大模场双包层环形芯无源光纤端面熔接一个石英块，并在石英输出端面镀增透膜。

双包层大模场环形芯无源光纤及双包层大模场环形芯掺镱光纤的结构示意图与折射率剖面图分别参照图3、图4，其导模层为高折射率层与低折射率层交错排布，中心部分为普通二氧化硅，该结构的光纤可以降低lp11模式间的简并度，减少te01模式去其它模式间的耦合，使得te01模式在放大器中稳定存在。

平均功率10mw的种子信号光在经过一级放大器2后平均功率可放大至1w以上，再经过二级放大器3后平均功率可放大至10w以上，最后经过三级放大器4平均功率可达100w以上，最后通过石英输出端面输出的光束经过体光栅对81,82将脉宽压缩，高反镜9用于将通过体光栅对81,82的光束全部反射回去，并从反射镜7输出。

本发明的优势在于采用双包层大模场环形芯光纤，使得te01模式能够在光纤放大器中稳定存在。并采用了单一柱矢量模式输出的单一柱矢量模式输出的光纤激光器作为稳定的柱矢量模式种子光，并通过多级放大实现了千瓦级平均功率的单一柱矢量连续激光和百瓦级平均功率的单一柱矢量超短脉冲激光输出。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。