基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器制造技术

一种基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器，包括纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤(1)、高反射光纤光栅(2)、低反射光纤光栅(3)、光纤耦合半导体激光器(4)、泵浦信号合束器(5)、信号传能光纤(6)、泵浦传能光纤(7)、包层光滤除器(8)、光纤端帽(9)；激光被光纤耦合半导体激光器输出后依次经泵浦信号合束器、高反射光纤光栅、纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤、低反射光纤光栅光纤、包层光滤除器，最后从光纤端帽扩束输出；其中纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤的纤芯和内包层横截面外围尺寸同步沿光纤长度方向以分区域渐变方式先变大后变小。

Laser Oscillator Based on Core Cladding Dimension Piecewise Gradual Spindle Gain Fiber

【技术实现步骤摘要】
基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器
本专利技术总体地涉及光纤激光器领域，尤其涉及一种基于纤芯包层尺寸分段域渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器。
技术介绍
与主振荡功率放大结构光纤激光器相比，全光纤激光振荡器具有成本低廉、结构紧凑、控制逻辑简单、性能稳定、抗反射回光能力强等优点，在工业加工中有着广泛的应用。随着应用领域的扩展，对光纤激光振荡器的功率需求越来越高。当前，影响全光纤激光振荡器输出功率提升的主要物理限制因素包括模式不稳定效应和受激拉曼散射效应。一般而言，为了抑制模式不稳定，一般需要采用纤芯直径和模场面积较小、归一化频率较低的增益光纤来抑制高阶模式的产生，从而提高激光器输出功率。但是，为了抑制非线性效应、提升受激拉曼散射的阈值，需要采用纤芯直径和模场面积较大的增益光纤。因此，一般而言，抑制横向模式不稳定和受激拉曼散射对于增益光纤模场面积的需求是相互矛盾的，普通结构的全光纤激光器难以平衡此矛盾，进一步提升全光纤激光振荡器的功率遇到了明显的技术瓶颈。当前，全光纤激光器振荡器大都采用纤芯直径沿光纤长度方向均匀变化的增益光纤作为激光器的增益介质，难以平衡模式不稳定效应和受激拉曼散射效应抑制的矛盾。公开报道利用纤芯直径纵向渐变光纤构成激光器，主要是利用拉锥光纤置于激光谐振腔中：专利CN201310069242.1利用拉锥区域轴向长度为1.5～2厘米、相邻两个拉锥区的轴向中心之间间隔4～6米的、总长度大于或等于80m的多锥段光纤，在环形腔激光器中实现稳定的单频激光运转；专利CN201410106212.8利用拉锥光纤锥区直径为4～10微米，长度为0.5～2厘米的锥形光纤固定在可调谐装置上，通过调整装置对拉锥光纤施加不同的应力，在环形激光器中实现不同波长的调谐输出；专利CN201610567283.7利用调制周期为6.8～7.2纳米，锥腰为7.0～7.5微米的拉锥光纤，通过微位移光纤夹上拉伸锥形光纤的长度，在掺铥光纤环形腔中实现激光纵模竞争的抑制和实现波长的调谐，实现了基于拉锥光纤的可调谐2微米波段双波长锁模光纤激光输出。上述利用拉锥光纤构建激光器的方案，拉锥光纤都是单模光纤、且锥区长度都在2厘米以下，主要通过控制锥区的长度或应力来实现波长调谐的或线宽控制，当前这类基于锥形光纤的激光器，未涉及横向模式控制和受激拉曼散射抑制。针对上述问题，专利一种基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器(CN201810801634)提出了一种新的全光纤激光振荡器方案，其使用的增益光纤纤芯尺寸沿着光纤长度方向先增大后减小，内包层尺寸沿着光纤长度方向恒定不变，能够达到同时抑制模式不稳定与受激拉曼散射的效果。但该专利中的增益光纤在直径渐变的区域以及大直径区域芯包比显著增大，因为泵浦吸收系数与光纤芯包比的平方成正比，所以变化的芯包比使得增益光纤的吸收系数可测性、可实施性较差；同时，芯包比改变的增益光纤无法用常规的预制棒拉制出来，其生产过程需要在预制棒的制作上做出改变，生产难度大。
技术实现思路
针对上述已有技术的不足，本专利技术提供了一种基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器，利用纤芯和包层尺寸沿光纤长度方向(称为纵向)渐变的增益光纤作为全光纤激光振荡器的增益介质，能够同时兼顾模式不稳定抑制和受激拉曼散射的抑制，突破纤芯尺寸沿光纤长度恒定不变光纤激光振荡器中的功率限制，在提高全光纤激光振荡器的输出功率的同时保持良好的光束质量；并且本专利技术中使用的纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤，其沿光纤方向具有恒定的芯包比，既能够实现沿着增益光纤纵向有着恒定不变的泵浦吸收系数，同时可以利用普通的均匀的预制棒通过控制拉丝速度拉制，能够降低光纤制作的难度，从而降低振荡器的成本。本专利技术的技术方案是，一种基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器，其特征在于，它包括纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤、高反射光纤光栅、低反射光纤光栅、光纤耦合半导体激光器、泵浦信号合束器、信号传能光纤、泵浦传能光纤、包层光滤除器、光纤端帽；所述高反射光纤光栅、纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤、低反射光纤光栅通过信号传能光纤依次连接，形成光纤激光谐振腔；所述光纤耦合半导体激光器输出激光经过泵浦传能光纤注入泵浦信号合束器，然后从泵浦信号合束器传出，通过信号传能光纤注入到所述光纤激光谐振腔中；光纤激光谐振腔输出激光经过包层光滤除器后，由光纤端帽扩束输出；所述纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤包括纤芯、内包层、外包层，所述内包层包裹住纤芯，外包层包在内包层外，整体构成增益光纤，所述纤芯和内包层横截面的外围尺寸同步地沿光纤长度方向以分区域渐变方式先增大后减小，所述外包层横截面的外围尺寸沿光纤长度方向恒定不变；所述纤芯的折射率大于内包层的折射率，所述内包层的折射率大于外包层的折射率，只有满足纤芯折射率大于内包层折射率，内包层折射率大于外包层折射率，才能够达到全反射条件，光才能在光纤中传输。纤芯和内包层在整个光纤长度方向上对应位置的横截面的外围尺寸比恒定。进一步的，上述纤芯的横截面为圆形、正多边形、椭圆形、半圆形中的一种但不限于所述形状；所述内包层的横截面和外包层的横截面为圆框、正多边形框、椭圆形框、半圆形框中的一种但不限于所述形状；纤芯、内包层和外包层三者横截面的几何中心重合。横截面采用多边形能够减少传播过程中泵浦光出现螺旋光从而导致吸收减弱。进一步的，上述纤芯包括依次连接的纤芯第一小尺寸区域、纤芯第一过渡尺寸区域、纤芯大尺寸区域、纤芯第二过渡尺寸区域和纤芯第二小尺寸区域；所述内包层包括依次连接的内包层第一小尺寸区域、内包层第一过渡尺寸区域、内包层大尺寸区域、内包层第二过渡尺寸区域、内包层第二小尺寸区域。进一步的，上述纤芯的横截面为圆形，所述内包层的横截面为圆框；所述纤芯的纤芯第一小尺寸区域和纤芯第二小尺寸区域横截面的直径相同，沿光纤长度方向恒定不变且不大于20微米，两者的数值孔径均沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.08之间；两者长度均在1～10米范围内、归一化频率小于3.8；所述纤芯的纤芯第一过渡尺寸区域和纤芯第二过渡尺寸区域的直径渐变率相同，均沿光纤长度方向逐渐变化，其小端的直径不小于与之连接的纤芯第一小尺寸区域和纤芯第二小尺寸区域的直径，其大端的直径不大于所述纤芯大尺寸区域的直径；所述纤芯第一过渡尺寸区域和纤芯第二过渡尺寸区域的数值孔径沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.08之间；长度均在0.01～1米范围内，两者的直径渐变率相同且直径和归一化频率沿光纤长度变化；两者小端的尺寸和归一化频率不小于纤芯第一小尺寸区域和纤芯第二小尺寸区域的尺寸和归一化频率、大端的尺寸和归一化频率不大于纤芯大尺寸区域的尺寸和归一化频率；所述纤芯大尺寸区域的长度1～10米，直径沿光纤长度方向为定值且不小于30微米。进一步的，上述内包层的内包层第一小尺寸区域和内包层第二小尺寸区域横截面的外直径相同，其外直径沿光纤长度方向恒定不变且不大于400微米，两者的数值孔径均沿光纤长度方向恒定不变为0.46；所述内包层的内包层第一过渡尺寸区域和内包层第二过渡尺寸区域的外直径渐变率相同，均沿光纤长度方向逐渐变化；其小端的外直径不小于与之连接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器，其特征在于，它包括纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤(1)、高反射光纤光栅(2)、低反射光纤光栅(3)、光纤耦合半导体激光器(4)、泵浦信号合束器(5)、信号传能光纤(6)、泵浦传能光纤(7)、包层光滤除器(8)、光纤端帽(9)；所述高反射光纤光栅(2)、纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤(1)、低反射光纤光栅(3)通过信号传能光纤(6)依次连接，形成光纤激光谐振腔；所述光纤耦合半导体激光器(4)输出激光经过泵浦传能光纤(7)注入泵浦信号合束器(5)，然后从泵浦信号合束器(5)传出，通过信号传能光纤(6)注入到所述光纤激光谐振腔中；光纤激光谐振腔输出激光经过包层光滤除器(8)后，由光纤端帽(9)扩束输出；所述纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤(1)包括纤芯(1‑1)、内包层(1‑2)、外包层(1‑3)，所述内包层(1‑2)包裹住纤芯(1‑1)，外包层(1‑3)包在内包层(1‑2)外，整体构成增益光纤，所述纤芯(1‑1)和内包层(1‑2)横截面的外围尺寸同步地沿光纤长度方向以分区域渐变方式先增大后减小，所述外包层(1‑3)横截面的外围尺寸沿光纤长度方向恒定不变；所述纤芯(1‑1)的折射率大于内包层(1‑2)的折射率，所述内包层(1‑2)的折射率大于外包层(1‑3)的折射率；纤芯(1‑1)和内包层(1‑2)在整个光纤长度方向上对应位置的横截面的外围尺寸比恒定。...

【技术特征摘要】
1.一种基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器，其特征在于，它包括纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤(1)、高反射光纤光栅(2)、低反射光纤光栅(3)、光纤耦合半导体激光器(4)、泵浦信号合束器(5)、信号传能光纤(6)、泵浦传能光纤(7)、包层光滤除器(8)、光纤端帽(9)；所述高反射光纤光栅(2)、纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤(1)、低反射光纤光栅(3)通过信号传能光纤(6)依次连接，形成光纤激光谐振腔；所述光纤耦合半导体激光器(4)输出激光经过泵浦传能光纤(7)注入泵浦信号合束器(5)，然后从泵浦信号合束器(5)传出，通过信号传能光纤(6)注入到所述光纤激光谐振腔中；光纤激光谐振腔输出激光经过包层光滤除器(8)后，由光纤端帽(9)扩束输出；所述纤芯包层尺寸纵向分区域渐变的纺锤形增益光纤(1)包括纤芯(1-1)、内包层(1-2)、外包层(1-3)，所述内包层(1-2)包裹住纤芯(1-1)，外包层(1-3)包在内包层(1-2)外，整体构成增益光纤，所述纤芯(1-1)和内包层(1-2)横截面的外围尺寸同步地沿光纤长度方向以分区域渐变方式先增大后减小，所述外包层(1-3)横截面的外围尺寸沿光纤长度方向恒定不变；所述纤芯(1-1)的折射率大于内包层(1-2)的折射率，所述内包层(1-2)的折射率大于外包层(1-3)的折射率；纤芯(1-1)和内包层(1-2)在整个光纤长度方向上对应位置的横截面的外围尺寸比恒定。2.如权利要求1所述的基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器，其特征在于，所述纤芯(1-1)的横截面为圆形、正多边形、椭圆形、半圆形中的一种；所述内包层(1-2)的横截面和外包层(1-3)的横截面为圆框、正多边形框、椭圆形框、半圆形框中的一种；纤芯(1-1)、内包层(1-2)和外包层(1-3)三者横截面的几何中心重合。3.如权利要求2所述的基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器，其特征在于，所述纤芯(1-1)包括依次连接的纤芯第一小尺寸区域(1-4)、纤芯第一过渡尺寸区域(1-5)、纤芯大尺寸区域(1-6)、纤芯第二过渡尺寸区域(1-7)和纤芯第二小尺寸区域(1-8)；所述内包层(1-2)包括依次连接的内包层第一小尺寸区域(1-9)、内包层第一过渡尺寸区域(1-10)、内包层大尺寸区域(1-11)、内包层第二过渡尺寸区域(1-12)、内包层第二小尺寸区域(1-13)。4.如权利要求3所述的基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器，其特征在于，所述纤芯(1-1)的横截面为圆形，所述内包层(1-2)的横截面为圆框；所述纤芯(1-1)的纤芯第一小尺寸区域(1-4)和纤芯第二小尺寸区域(1-8)横截面的直径相同，沿光纤长度方向恒定不变且不大于20微米，两者的归一化频率小于3.8；两者数值孔径均沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.08之间、长度均在1～10米范围内、；所述纤芯(1-1)的纤芯第一过渡尺寸区域(1-5)和纤芯第二过渡尺寸区域(1-7)的直径渐变率相同，均沿光纤长度方向逐渐变化，其小端的直径不小于与之连接的纤芯第一小尺寸区域(1-4)和纤芯第二小尺寸区域(1-8)的直径，其大端的直径不大于所述纤芯大尺寸区域(1-6)的直径；所述纤芯第一过渡尺寸区域(1-5)和纤芯第二过渡尺寸区域(1-7)的数值孔径沿光纤长度方向恒定不变且在0.03-0.08之间；长度均在0.01～1米范围内，两者的直径渐变率相同且直径和归一化频率沿光纤长度变化；两者小端的尺寸和归一化频率不小于纤芯第一小尺寸区域(1-4)和纤芯第二小尺寸区域(1-8)的尺寸和归一化频率、大端的尺寸和归一化频率不大于纤芯大尺寸区域(1-6)的尺寸和归一化频率；所述纤芯大尺寸区域(1-6)的长度1～10米，直径沿光纤长度方向为定值且不小于30微米。5.如权利要求3所述的基于纤芯包层尺寸分段渐变纺锤形增益光纤的激光振荡器，其特征在于，所述内包层(1-2)的内包层第一小尺寸区域(1-9)和内包层第二小尺寸区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：王小林，曾令筏，杨保来，奚小明，史尘，张汉伟，王泽锋，周朴，司磊，许晓军，陈金宝，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43