高效光纤激光器的制作方法

1.本发明涉及高功率光纤激光器技术领域，尤其涉及一种高效光纤激光器。


背景技术：

2.高功率单模光纤激光是工业加工应用的重要光源，近年来，高亮度单路光纤激光器功率提升主要受限于横向模式不稳定效应(tmi)和非线性效应（如受激拉曼散射效应(srs)和受激布里渊散射（sbs））。理论研究表明，tmi的产生是由增益光纤的热效应引起的，tmi的出现会降低光束质量、限制功率提升甚至威胁激光器安全。为了抑制tmi，现行有效的办法是采用同带泵浦方案，但是同带泵浦的泵浦波长位于非吸收峰，为了保证足够的吸收，所需的增益光纤较长，不利于非线性效应的抑制。现有一般通过增加光纤吸收系数、缩短增益光纤长度以降低非线性效应的影响，然而，该种操作会增加单位长度上的产热，从而降低tmi的阈值，同时高吸收还会带来光子暗化等问题，降低光纤的长时间可靠性。因此传统高功率单模光纤激光器在抑制tmi和非线性效应方面存在矛盾。
3.泵浦增益一体化光纤，是一种基于倏逝场耦合的光纤，可以有效抑制横向模式不稳定效应，但是泵浦增益一体化光纤耦合吸收效率较低，一般需要较长的光纤才可以把泵浦光吸收完全，其非线性效应阈值较低。
4.现有技术中，公开号为cn 216251598 u的专利公开了一种高功率单模光纤激光器，通过采用低掺杂大模场低数值孔径增益光纤，利用低掺杂导致的低吸收系数实现低纤芯数值孔径，结合大纤芯直径设计，可以在不明显增加光纤纤芯支持模式数量的前提下，提高增益光纤模式不稳定效应的阈值，从而抑制模式不稳定效应，同时纤芯直径的增大可以很好缓解由于吸收减弱带来的光纤长度增加，以平衡受激拉曼散射等非线性效应。然而，低数值孔径光纤容易受应力、弯曲等环境影响导致信号光泄露至包层，而且受限于光纤制造水平，纤芯尺寸一般不大于50um，纤芯数值孔径不小于0.03，从而导致光纤激光器tmi和非线性效应阈值提升有限。
5.有鉴于此，有必要设计一种高效光纤激光器，以解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种利用泵浦光的均匀分布增强的增益饱和效应以及通过泵浦光在反射腔中反复反射提高泵浦光吸收，使得在增益光纤长度大幅缩短的情况下，泵浦光的吸收在理论上能达到100%，从而提高激光器的吸收效率，有效抑制横向模式不稳定和非线性效应的高效光纤激光器。
7.为实现上述发明目的，本发明提供了一种高效光纤激光器，所述高效光纤激光器包括（n+1）泵浦增益一体化光纤、与所述（n+1）泵浦增益一体化光纤的泵浦纤通路的前后端分别通过光纤熔接的前向泵浦模块和后向泵浦模块、与所述（n+1）泵浦增益一体化光纤的增益纤前端熔接的前向高反射率内包层光纤光栅以及与所述增益纤另一端熔接的后向高反射率内包层光纤光栅，所述后向高反射率内包层光纤光栅的输出端光纤和激光输出模块
通过光纤熔接连接成一体；其中，所述增益纤位于所述（n+1）泵浦增益一体化光纤的中心位置，所述泵浦纤分布在所述增益纤周围，且所述泵浦纤相连形成通路。
8.作为本发明的进一步改进，所述（n+1）泵浦增益一体化光纤的泵浦纤数量n≥2，所述泵浦纤依序相接形成的通路数量l的范围为1≤l＜n。
9.作为本发明的进一步改进，所述（n+1）泵浦增益一体化光纤的增益光纤为掺有稀土离子的石英玻璃光纤，所述稀土离子包括镱离子、铒离子、铥离子和钬离子中的一种或几种。
10.作为本发明的进一步改进，所述增益纤包括纤芯、包裹于所述纤芯外部的内包层以及包裹于所述内包层外部的外包层，所述增益纤的纤芯直径为10μm~100μm，内包层直径为100μm~1000μm，外包层的厚度为200~2000μm；所述泵浦纤与所述增益纤的内包层相贴合，并被所述外包层包覆，所述泵浦纤的直径为100μm~300μm；所述外包层的厚度大于所述泵浦纤的直径；所述泵浦纤的直径不大于所述增益纤的内包层直径。
11.作为本发明的进一步改进，所述前向泵浦模块和所述后向泵浦模块光学结构相同，均设置有泵浦激光器和泵浦耦合器，所述泵浦激光器输出的泵浦光通过所述泵浦耦合器注入所述（n+1）泵浦增益一体化光纤；所述泵浦激光器为半导体激光器或光纤激光器，泵浦波长为 900～1100nm。
12.作为本发明的进一步改进，所述高效光纤激光器的泵浦方式为单端泵浦或者双端泵浦。
13.作为本发明的进一步改进，所述前向高反射率内包层光纤光栅和所述后向高反射率内包层光纤光栅的中心波长范围与所述泵浦波长范围一致，所述前向高反射率内包层光纤光栅和后向高反射率内包层光纤光栅的反射率》99％，反射带宽为1nm~3nm；所述前向高反射率内包层光纤光栅和所述后向高反射率内包层光纤光栅由飞秒激光器在所述增益光纤或与所述增益光纤两端连接的无源光纤上刻写平面型或凹面型内包层光栅。
14.作为本发明的进一步改进，所述高效光纤激光器能够用于激光振荡器，当用作激光振荡器时，在所述前向高反射率内包层光纤光栅远离所述（n+1）泵浦增益一体化光纤一侧插入高反射率光纤光栅，在所述后向高反射率内包层光纤光栅远离所述（n+1）泵浦增益一体化光纤一侧插入低反射率光纤光栅。
15.作为本发明的进一步改进，所述低反射率光纤光栅和所述高反射率光纤光栅的中心波长范围为1010nm~1100nm，所述高反射率光纤光栅的反射率》99％，反射带宽为1nm~3nm，所述低反射率光纤光栅的反射率为30％~5％，反射带宽为0 .1nm~2nm；所述低反射率光纤光栅的反射带宽低于所述高反射率光纤光栅的反射带宽。
16.作为本发明的进一步改进，所述高效光纤激光器能够用作激光放大器，当用作激光放大器时，所述激光放大器还包括种子源，所述种子源的输出光纤与所述前向高反射率内包层光纤光栅的输入端光纤熔接成一体；所述种子源的中心波长范围为1010nm~1100nm。
17.本发明的有益效果是：1. 本发明的高效光纤激光器，采用（n+1）泵浦增益一体化光纤结构，使增益纤位于中心位置，泵浦纤分布在增益纤周围，且首尾相连形成通路，使得泵浦光在增益光纤中分布更加均匀，均衡了热负荷，可以有效抑制横向不稳定模式，同时在（n+1）泵浦增益一体化光纤的信号纤两端分别连接高反射率内包层光纤光栅，形成一个由前向高反射率内包层光
纤光栅、增益纤和后向高反射率内包层光纤光栅构成的反射腔，结合利用泵浦光在增益纤中分布更加均匀而增强的增益饱和效应以及通过泵浦光在反射腔中反复反射提高泵浦光吸收，使得在增益光纤长度大幅缩短的情况下，泵浦光的吸收在理论上能达到100%，从而提高激光器的吸收效率，有效抑制非线性效应。
18.2. 本发明通过将泵浦模块分别与（n+1）泵浦增益一体化光纤的泵浦纤通路的端点连接，不需要使用泵浦信号合束器，从而在增益光纤长度大幅度缩短的情况下，进一步缩短信号光在光纤中的传输距离，有效抑制非线性效应。
19.3. 本发明公开的高效光纤激光器，在不增加增益光纤掺杂浓度、长度的基础上，提高了泵浦光吸收效率，尤其是位于非吸收峰的泵浦，从而消除了泵浦光吸收对增益光纤长度的限制，使得光纤激光器在设计上有了更大的自由度。
附图说明
20.图1为本发明实施例1的高效光纤激光振荡器的结构示意图。
21.图2为本发明实施例1的（3+1）泵浦增益一体化光纤的泵浦纤通路连接结构示意图。
22.图3为本发明实施例2的高效光纤激光放大器的结构示意图。
23.图4为本发明实施例2的（4+1）泵浦增益一体化光纤的泵浦纤通路连接结构示意图。
24.附图标记11、高反射率光纤光栅；12、低反射率光纤光栅；21、前向高反射率内包层光纤光栅；22、后向高反射率内包层光纤光栅；31、（3+1）泵浦增益一体化光纤；311、第一泵浦纤；312、第二泵浦纤；313、第三泵浦纤；32、（4+1）泵浦增益一体化光纤；321、第四泵浦纤；322、第五泵浦纤；323、第六泵浦纤；324、第七泵浦纤；33、增益纤；34、外包层；41、前向泵浦模块；42、后向泵浦模块；50、激光输出模块；60、种子源。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
26.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
27.另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
28.本发明提供了一种高效光纤激光器，包括前向高反射率内包层光纤光栅21、前向泵浦模块41、（n+1）泵浦增益一体化光纤、后向泵浦模块42、后向高反射率内包层光纤光栅22和激光输出模块50；其中，增益纤33位于（n+1）泵浦增益一体化光纤的中心位置，泵浦纤则均匀环绕分布在增益纤33四周，且相连形成通路；前向泵浦模块41的光输出光纤与（n+1）
泵浦增益一体化光纤的泵浦纤通路的前端通过光纤熔接连接成一体；后向泵浦模块42的光输出光纤与（n+1）泵浦增益一体化光纤的泵浦纤通路的后端通过光纤熔接连接成一体；前向高反射率内包层光纤光栅21和（n+1）泵浦增益一体化光纤（3）的增益纤33前端熔接；后向高反射率内包层光纤光栅22和（n+1）泵浦增益一体化光纤的增益纤33另一端熔接；后向高反射率内包层光纤光栅22的输出端光纤和激光输出模块50通过光纤熔接连接成一体。
29.具体的，（n+1）泵浦增益一体化光纤的泵浦纤数量n≥2，泵浦纤首尾依序相接形成的通路数量l的范围为1≤l＜n；（n+1）泵浦增益一体化光纤的增益光纤为掺有稀土离子的石英玻璃光纤，所述稀土离子包括镱离子、铒离子、铥离子和钬离子中的一种或几种。
30.具体的，增益纤33包括纤芯、包裹于纤芯外部的内包层以及包裹于内包层外部的外包层34，所述增益纤33的纤芯直径为10μm~100μm，内包层直径为100μm~1000μm，外包层34的厚度为200~2000μm；泵浦纤与增益纤33的内包层相贴合，并被外包层34包覆，所述泵浦纤的直径为100μm~300μm；所述外包层34的厚度大于泵浦纤的直径；泵浦纤的直径不大于增益纤33的内包层直径。
31.具体的，前向泵浦模块41和后向泵浦模块42光学结构相同，均设置有泵浦激光器和泵浦耦合器，泵浦激光器输出的泵浦光通过泵浦耦合器注入（n+1）泵浦增益一体化光纤；泵浦激光器为半导体激光器或光纤激光器，泵浦波长为 900～1100nm。
32.具体的，高效光纤激光器的泵浦方式为单端泵浦或者双端泵浦。
33.具体的，前向高反射率内包层光纤光栅21和后向高反射率内包层光纤光栅22的中心波长范围与泵浦波长范围一致，前向高反射率内包层光纤光栅21和后向高反射率内包层光纤光栅22的反射率》99％，反射带宽为1nm~3nm；前向高反射率内包层光纤光栅21和后向高反射率内包层光纤光栅22由飞秒激光器在增益光纤或与增益光纤两端连接的无源光纤上刻写平面型或凹面型内包层光栅。
34.具体的，高效光纤激光器能够用于激光振荡器，当用作激光振荡器时，在前向高反射率内包层光纤光栅21远离（n+1）泵浦增益一体化光纤一侧插入高反射率光纤光栅11，在后向高反射率内包层光纤光栅22远离（n+1）泵浦增益一体化光纤一侧插入低反射率光纤光栅12。
35.具体的，低反射率光纤光栅12和高反射率光纤光栅11的中心波长范围为1010nm~1100nm，高反射率光纤光栅11的反射率》99％，反射带宽为1nm~3nm，低反射率光纤光栅12的反射率为30％~5％，反射带宽为0 .1nm~2nm；所述低反射率光纤光栅的反射带宽低于所述高反射率光纤光栅的反射带宽。
36.具体的，高效光纤激光器能够用作激光放大器，当用作激光放大器时，所述激光放大器还包括种子源60，种子源60的输出光纤与前向高反射率内包层光纤光栅21的输入端光纤熔接成一体；种子源60的中心波长范围为1010nm~1100nm。
37.下面结合具体的实施例对本发明提供的高效光纤激光器进行说明。
38.实施例1本实施例提供了一种高效光纤激光振荡器，如图1所示，包括高反射率光纤光栅11、前向高反射率内包层光纤光栅21、前向泵浦模块41、（3+1）泵浦增益一体化光纤31、后向泵浦模块42、后向高反射率内包层光纤光栅22、低反射率光纤光栅12和激光输出模块50；其中，增益纤33位于（3+1）泵浦增益一体化光纤31的中心位置，第一泵浦纤311、第二泵浦纤
312和第三泵浦纤313则环绕分布在增益纤33四周，且首尾依序相连形成通路，如图2所示。
39.高反射率光纤光栅11左端的端面斜切成8
°
角，右端则与前向高反射率内包层光纤光栅21连接；（3+1）泵浦增益一体化光纤31的增益纤33左端与前向高反射率内包层光纤光栅21输出端连接，右端与后向高反射率内包层光纤光栅22连接，同时，后向高反射率内包层光纤光栅22的输出端与低反射率光纤光栅12和激光输出模块50依次连接，信号光经激光输出模块50输出；前向泵浦模块41与（3+1）泵浦增益一体化光纤31的第一泵浦纤311连接，后向泵浦模块42与（3+1）泵浦增益一体化光纤31的第三泵浦纤313连接。
40.在激光器工作过程中，前向泵浦模块41和后向泵浦模块42输出的泵浦光分别经（3+1）泵浦增益一体化光纤31的第一泵浦纤311和第三泵浦纤313注入（3+1）泵浦增益一体化光纤31的增益纤33，泵浦光在前向高反射率内包层光纤光栅21，增益纤33和后向高反射率内包层光纤光栅22构成的反射腔中反复反射被吸收。信号光在高反射率光纤光栅11，增益纤33和低反射率光纤光栅12构成的谐振腔中产生，经激光输出模块50输出。
41.所述前向泵浦模块41和后向泵浦模块42中的泵浦激光器为976nm半导体激光器，总功率6000w。前向高反射率内包层光纤光栅21和后向高反射率内包层光纤光栅22的中心波长与泵浦波长一致，前向高反射率内包层光纤光栅21和后向高反射率内包层光纤光栅22的反射率为99.5％，反射带宽为2nm。
42.所述低反射率光纤光栅12和高反射率光纤光栅11的中心波长为1080nm，高反射率光纤光栅11的反射率为99.5％，反射带宽为1nm，低反射率光纤光栅12的反射率为10％，反射带宽为0 .1nm。
43.所述（3+1）泵浦增益一体化光纤31为掺镱光纤，增益纤33的结构参数为30/250 μm，泵浦纤的直径为130 μm，外包层34厚度始终为200μm，耦合系数为1.3db/m，传统结构的光纤激光器其泵浦光完全耦合进增益纤33的增益纤33长度为15m。本发明的高效光纤激光振荡器，其泵浦光完全耦合进增益纤33需要耦合3次，耦合长度缩短为5m。
44.利用该实施例可以获得前向输出功率大于6kw的单模1080nm波段激光输出。
45.实施例2实施例2提供了一种高效光纤激光放大器，如图3所示，包括种子源60、前向高反射率内包层光纤光栅21、前向泵浦模块41、（4+1）泵浦增益一体化光纤32、后向泵浦模块42、后向高反射率内包层光纤光栅22和激光输出模块50；其中，增益纤33位于（4+1）泵浦增益一体化光纤32的中心位置，第四泵浦纤321、第五泵浦纤322、第六泵浦纤323和第七泵浦纤324则环绕分布在增益纤33四周，且第四泵浦纤321和第五泵浦纤322首尾依序相接形成一条通路，第六泵浦纤323和第七泵浦纤324首尾依序相接形成一条通路，如图4所示。
46.种子源60输出端与前向高反射率内包层光纤光栅21连接，前向高反射率内包层光纤光栅21输出端与（4+1）泵浦增益一体化光纤32的增益纤33左端连接，后向高反射率内包层光纤光栅22与（4+1）泵浦增益一体化光纤32的增益纤33右端连接，后向高反射率内包层光纤光栅22的输出端与激光输出模块50连接，信号光经激光输出模块50输出。前向泵浦模块41分别与（4+1）泵浦增益一体化光纤32的第四泵浦纤321和第六泵浦纤323连接，后向泵浦模块42与（4+1）泵浦增益一体化光纤32的第五泵浦纤322和第七泵浦纤324连接。
47.在激光器工作过程中，前向泵浦模块41和后向泵浦模块42输出的泵浦光分别经第四泵浦纤321、第六泵浦纤323和第五泵浦纤322、第七泵浦纤324注入（4+1）泵浦增益一体化
光纤32的增益纤33，泵浦光在前向高反射率内包层光纤光栅21，增益纤33和后向高反射率内包层光纤光栅22构成的反射腔中反复反射被吸收。信号光经激光输出模块50输出。
48.所述前向泵浦模块41和后向泵浦模块42中的泵浦激光器为1018nm光纤激光器，总功率6000w。前向高反射率内包层光纤光栅21和后向高反射率内包层光纤光栅22的中心波长与泵浦波长一致，前向高反射率内包层光纤光栅21和后向高反射率内包层光纤光栅22的反射率为99.5％，反射带宽为2nm。
49.所述种子源60的中心波长为1080 nm，3db带宽为0 .1 nm，功率为50w，输出光纤为20/400 μm。
50.所述（4+1）泵浦增益一体化光纤32为掺镱光纤，增益纤33的结构参数为20/400 μm，泵浦纤的直径为242 μm，，外包层34厚度始终为400μm耦合系数1.3db/m，传统结构的光纤激光器其泵浦光完全耦合进增益纤33的增益纤33长度为15m。本发明的高效光纤激光振荡器，其泵浦光完全耦合进增益纤33需要耦合2次，耦合长度缩短为7.5m。
51.利用该实施例可以获得前向输出功率大于6kw的单模1080nm波段激光输出。
52.综上所述，本发明公开的高效光纤激光器，采用（n+1）泵浦增益一体化光纤结构，使增益纤33位于中心位置，泵浦纤环绕分布在增益纤33四周，且首尾相连形成通路，使得泵浦光在增益光纤中分布更加均匀，均衡了热负荷，可以有效抑制横向不稳定模式，同时在（n+1）泵浦增益一体化光纤的信号纤两端分别连接高反射率内包层光纤光栅，形成一个由前向高反射率内包层光纤光栅21、增益纤33和后向高反射率内包层光纤光栅22构成的反射腔，结合利用泵浦光在增益纤33中分布更加均匀而增强的增益饱和效应以及通过泵浦光在反射腔中反复反射提高泵浦光吸收，使得在增益光纤长度大幅缩短的情况下，泵浦光的吸收在理论上能达到100%，从而提高激光器的吸收效率，有效抑制非线性效应。另外，通过将泵浦模块分别与（n+1）泵浦增益一体化光纤的泵浦纤通路的端点连接，不需要使用泵浦信号合束器，从而在增益光纤长度大幅度缩短的情况下，进一步缩短信号光在光纤中的传输距离，有效抑制非线性效应。此外，本发明公开的高效光纤激光器，在不增加增益光纤掺杂浓度、长度的基础上，提高了泵浦光吸收效率，尤其是位于非吸收峰的泵浦，从而消除了泵浦光吸收对增益光纤长度的限制，使得光纤激光器在设计上有了更大的自由度。
53.需要说明的是，本发明的高效光纤激光器中，所述稀土离子不限于镱离子、铒离子、铥离子和钬离子；所述泵浦激光器不限于半导体激光器和光纤激光器，还可以是其他类型的固体激光器。
54.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。