一种基于包层泵浦的大功率拉曼光纤放大器的制作方法

本发明总体地属于光纤激光器技术领域，具体地涉及一种基于包层泵浦的大功率拉曼光纤放大器。

背景技术：

大部分激光应用不仅对激光功率和波长，还对亮度有着严格要求。亮度的定义为单位面积、单位立体角内发射的激光功率，代表了光束可被聚焦的能力。一般来说，对于功率相同的激光，亮度越高，光束质量越好，作用效果越好。常用m²因子评价激光光束质量，其理想值为1，在光纤中对应的是基模；数值越大则表明光束质量越差。

包层泵浦拉曼光纤激光器中的光束净化是指通过双包层结构无源光纤中的受激拉曼散射产生激光增益，利用纤芯中的激光器反馈或者种子源，使纤芯中的拉曼增益占优，从而将在包层中传输的低亮度泵浦光转化成纤芯中传输的高亮度信号光输出。包层泵浦拉曼光纤激光器允许采用功率较高但亮度较低的泵浦光，能够同时实现高功率、高光束质量激光输出，光束净化效果良好。

目前，基于包层泵浦的全光纤结构拉曼光纤振荡器实现了7倍的亮度提升，输出功率达到1200w。然而，光纤振荡器需要特殊定制基于双包层光纤的光纤光栅，成本高昂，高功率下的光束净化受温度影响，进一步的亮度提高存在较大困难。另一方面，无需光纤光栅的拉曼光纤放大器具有功率放大的潜力，然而其种子与泵浦的注入基于的是功率合束器，缺乏对种子激光亮度保持的考虑，在经过功率合束器后种子亮度下降严重，导致放大后的激光亮度较低，光束净化效果不明显。

技术实现要素：

本发明的目的是保持拉曼光纤放大器输入的种子亮度，将基于包层泵浦的光束净化效果最大化。其主要特点是在拉曼光纤放大器的输入端，使用泵浦信号合束器将泵浦激光与种子激光进行合束，将种子激光与合束器的中心信号臂连接，并且泵浦信号合束器的输出光纤、端帽尾纤均为与拉曼光纤相同的双包层无源光纤。由于泵浦信号合束器的输出光纤、端帽尾纤均为与拉曼光纤相同的双包层无源光纤，在熔接点不存在模场失配，同样有利于保持输入激光亮度。

本发明的技术方案是，一种基于包层泵浦的大功率拉曼光纤放大器，它包括种子源、高功率光纤激光泵浦源阵列、泵浦信号合束器、拉曼光纤和端帽；所述种子源为信号光波长的激光源，它与泵浦信号合束器的中心信号臂相连；所述高功率光纤激光泵浦源阵列的输出臂分别接入泵浦信号合束器的泵浦输入臂；所述泵浦信号合束器的输出端与拉曼光纤连接，拉曼光纤的另一端与端帽连接，并通过端帽输出拉曼激光，所述拉曼光纤为双包层无源光纤；所述泵浦信号合束器的输出光纤和端帽尾纤均为与拉曼光纤相同的双包层无源光纤。

进一步的，本发明的基于包层泵浦的大功率拉曼光纤放大器包括光纤光栅，所述光纤光栅的一端连接在泵浦信号合束器的输出光纤与拉曼光纤的熔接点上，另一端连接在拉曼光纤与端帽之间的熔接点上，以使光纤光栅和拉曼光纤并联在泵浦信号合束器与端帽之间。

进一步的，本发明的基于包层泵浦的大功率拉曼光纤放大器还包括下一级放大器，所述下一级放大器包括隔离器、第二高功率光纤激光泵浦源阵列、第二泵浦信号合束器和第二拉曼光纤，其中，所述拉曼光纤的输出端与隔离器输入臂相连，隔离器输出臂依次连接第二高功率光纤激光泵浦源阵列、第二泵浦信号合束器、第二拉曼光纤，第二拉曼光纤的输出端与端帽相连接，隔离器的作用是防止下一级放大器的后向回光损伤。

更进一步的，上述种子源是半导体激光器、掺镱光纤激光器、拉曼光纤激光器中的一种，其信号光波长位于所述高功率光纤激光泵浦源阵列波长对应的拉曼增益谱内，例如频移13.2thz，对应的是石英光纤最大拉曼增益系数；其信号光光束质量因子m²小于高功率光纤激光泵浦源阵列激光光束质量因子m²，例如，m²小于等于3。

更进一步的，上述高功率光纤激光泵浦源阵列由一个或多个激光器组成，所述激光器为半导体激光器和/或掺镱光纤激光器；所述高功率光纤激光泵浦源阵列的波长范围在0.9微米至1.1微米之间。

更进一步的，上述泵浦信号合束器为端泵合束器或侧泵合束器，其输出光纤与拉曼光纤相同，均为双包层无源光纤。

还进一步的，上述泵浦信号合束器为端泵泵浦信号合束器时，其输入光纤根数为7或者19，其中一根为信号输入臂，其余为泵浦输入臂。

还进一步的，上述信号输入臂位于拉锥光纤束中心臂，种子源与信号输入臂相连，经过泵浦信号合束器输出，种子源功率损耗小于等于90％，光束质量因子m²的退化比例小于等于50％。

还进一步的，上述泵浦信号合束器为侧泵泵浦信号合束器时，其输入光纤根数为3，其中一根为信号输入臂，其余两根泵浦输入臂，种子源与信号输入臂相连，经过泵浦信号合束器输出，种子源功率损耗小于等于90％，光束质量因子m²的退化比例小于等于50％。

还进一步的，上述拉曼光纤、泵浦信号合束器输出光纤以及端帽的尾纤均为双包层无源光纤，其纤芯的折射率分布是阶跃型或者呈平方率分布的渐变型，其芯包面积比小于等于20，最优值范围为小于等于8。

进一步的，上述双包层无源光纤是具有长波滤除功能的大模场光纤，在纤芯与包层交界区域存在低折射率沟壑，比如为w型光纤、单个沟壑、多个沟壑型光纤中的一种或多种。

本发明相比现有技术的先进点在于：

1)通过使用双包层无源光纤作为拉曼光纤，利用其中的受激拉曼散射散射效应，能够产生并放大拉曼增益，将低亮度泵浦光转换为高亮度拉曼激光输出。

2)使用泵浦信号合束器，种子源与泵浦信号合束器的中心信号臂相连，使得种子亮度得到保持。

3)泵浦信号合束器输出光纤、端帽尾纤均为与放大器中拉曼光纤相同的双包层无源光纤。

附图说明

从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：

图1为本发明基于包层泵浦的大功率拉曼光纤放大器的结构组成示意图；

图2为本发明基于包层泵浦的大功率拉曼光纤放大器的泵浦信号合束器为端泵泵浦信号合束器时输入光纤的结构示意图；

图3为本发明基于包层泵浦的大功率拉曼光纤放大器的泵浦信号合束器为侧泵泵浦信号合束器时输入光纤的结构示意图；

图4为本发明基于包层泵浦的大功率拉曼光纤放大器中单个沟壑型光纤示意图；

图5为本发明基于包层泵浦的大功率拉曼光纤放大器中包括与拉曼光纤并联的光纤光栅8时的结构示意图；

图6为本发明基于包层泵浦的大功率拉曼光纤放大器中包括下一级放大器结构的拉曼光纤放大器结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

实施例1

一种基于包层泵浦的大功率拉曼光纤放大器，其结构如图1所示，它包括种子源1、高功率光纤激光泵浦源阵列2、泵浦信号合束器3、拉曼光纤4和端帽5；所述种子源1为信号光波长的激光源，它与泵浦信号合束器3的中心信号臂相连；所述高功率光纤激光泵浦源阵列2的输出臂分别接入泵浦信号合束器3的泵浦输入臂；所述泵浦信号合束器3的输出端与拉曼光纤4连接，拉曼光纤4的另一端与端帽5连接，并通过端帽5输出拉曼激光，所述拉曼光纤4为双包层无源光纤；所述泵浦信号合束器3的输出光纤和端帽5的尾纤均为双包层无源光纤；各部分的具体结构和特性如下：

种子源1是半导体激光器、掺镱光纤激光器、拉曼光纤激光器中的一种，其信号光波长位于所述高功率光纤激光泵浦源阵列2波长对应的拉曼增益谱内；其信号光光束质量因子m²小于高功率光纤激光泵浦源阵列2激光光束质量因子m²。

高功率光纤激光泵浦源阵列2由一个或多个激光器组成，所述激光器为半导体激光器和/或掺镱光纤激光器；所述高功率光纤激光泵浦源阵列2的波长范围在0.9微米至1.1微米之间。

泵浦信号合束器3为端泵合束器或侧泵合束器：当泵浦信号合束器3为端泵泵浦信号合束器时，其输入光纤(如图2所示)根数为7或者19，其中一根为信号输入臂6，其余为泵浦输入臂，优选信号输入臂6位于拉锥光纤束中心臂，种子源1与信号输入臂6相连，经过泵浦信号合束器3输出，种子源1功率损耗小于等于90％，光束质量因子m²的退化比例小于等于50％，退化比例最优值为小于等于10％；当泵浦信号合束器3为侧泵泵浦信号合束器时，其输入光纤根数(如图3所示)为3，其中一根为信号输入臂6，其余两根泵浦输入臂，种子源1与信号输入臂6相连，经过泵浦信号合束器3输出，种子源功率损耗小于等于90％，光束质量因子m²的退化比例小于等于50％，退化比例最优值为小于等于10％。

对于种子源1功率损耗小于等于90％，光束质量因子m²的退化比例小于等于10％，根据亮度计算公式，亮度等于功率除以光束质量因子m²的平方，估算出种子亮度退化比例小于等于72.9％。对于拉曼光纤放大器，常规增益可达到10-13db,因此经放大器输出的种子和种子源亮度相比，可提高7.29-14.58倍。相比于现有技术，具有显著的光束净化效果，具有明显的技术进步。

拉曼光纤4、泵浦信号合束器3输出光纤以及端帽5的尾纤均为双包层无源光纤，其芯包面积比小于等于20，其纤芯的折射率分布是阶跃型或者呈平方率分布的渐变型；双包层无源光纤可以是具有长波滤除功能的大模场光纤，在纤芯与包层交界区域存在低折射率沟壑，如w型光纤、单个沟壑、多个沟壑型光纤(如图4所示，其中的r为光纤半径，n(r)为光纤折射率)等。

实施例2

一种基于包层泵浦的大功率拉曼光纤放大器，其结构如图5所示，除了具有上述实施例1中的部件外，还包括光纤光栅8，所述光纤光栅8的一端连接在泵浦信号合束器3的输出光纤与拉曼光纤4的熔接点上，另一端连接在拉曼光纤4与端帽5之间的熔接点上，以使光纤光栅8和拉曼光纤4并联在泵浦信号合束器3与端帽5之间。

实施例3

一种基于包层泵浦的大功率拉曼光纤放大器，其结构如图6所示，除了具有上述实施例1或2中的部件外，包括下一级放大器，所述下一级放大器包括隔离器9、第二高功率光纤激光泵浦源阵列10、第二泵浦信号合束器11和第二拉曼光纤12，当基于实施例1中的放大器作为种子源时，所述拉曼光纤4的输出端与隔离器9输入臂相连，隔离器9输出臂与第二泵浦信号合束器11的中心信号臂连接，第二泵浦信号合束器11的其余泵浦臂与第二高功率光纤激光泵浦源阵列10连接，第二泵浦信号合束器11的输出光纤依次与第二拉曼光纤12、端帽5相连接。第二泵浦信号合束器11的输出光纤、第二拉曼光纤12、端帽5的尾纤均为相同种类的双包层无源光纤。隔离器9的作用是防止下一级放大器的后向回光损伤，以进行级联放大；实施例1中的基于包层泵浦的大功率拉曼光纤放大器可以作为下一级放大器的种子源以进行级联放大；当基于实施例2中的放大器作为种子源时，隔离器9的输入端与光栅光纤8的输出端连接，隔离器9的输出端与第二泵浦信号合束器11的中心信号臂连接，其余部件连接方式相同。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。