一种选择性激发高阶模的大功率拉曼光纤激光系统技术方案

一种选择性激发高阶模的大功率拉曼光纤激光系统，1#种子源输出基模信号波长种子光；2#种子源输出高阶模高阶拉曼波长种子光；1#种子源、2#种子源的输出尾纤分别连接功率合束器的一个输入臂，光纤激光泵浦源阵列中的各光纤激光泵浦源分别接入功率合束器的其他各输入臂，功率合束器的输出臂连接拉曼光纤，拉曼光纤螺旋弯曲形成放大器结构，拉曼光纤的末端通过端帽输出拉曼激光。本发明专利技术在拉曼光纤放大器中同时加入基模信号波长种子光和高阶模高阶拉曼波长种子光，利用级联受激拉曼散射额外产生高阶模的高阶拉曼，并引导其朝前向传输，在传输的过程中利用拉曼光纤的弯曲损耗再将高阶模高阶拉曼滤除，从而达到了抑制高阶拉曼的效果。

A High Power Raman Fiber Laser System with Selective Excitation of Higher Order Mode

【技术实现步骤摘要】
一种选择性激发高阶模的大功率拉曼光纤激光系统
本专利技术属于光纤激光器
，涉及一种在高功率拉曼光纤放大器中同时利用基模信号增益以及高阶模高阶拉曼增益以抑制高阶拉曼的激光器系统。
技术介绍
拉曼光纤放大器利用光纤中的受激拉曼散射效应产生激光增益，对泵浦波长没有限制，且不受增益饱和、放大自发辐射以及光子暗化效应等影响，在光通信、超连续谱产生及特殊波段光源获取、医疗等重要领域有着广泛应用。得益于高亮度泵浦技术的发展，拉曼光纤放大器已经实现了千瓦级连续激光输出。目前，限制拉曼光纤放大器进一步功率提升的主要因素来自于高阶拉曼产生，即信号光对应的一阶斯托克斯光。这是由于当信号波长激光功率达到高阶拉曼的泵浦阈值功率时，信号波长激光作为泵浦光将功率转换至高阶拉曼波长，导致输出功率滞涨甚至下降。目前，在抑制受激拉曼散射方面的技术主要分为三种：一种是采用本身具有波长选择性的增益光纤，如W型光纤等等，但这种光纤拉制工艺复杂，成本高，传输损耗大(～7.5dB/km@λ＝1μm)，且较难实现全光纤结构。第二种是使用光谱滤除性光学器件，如空间结构低通滤光片、长周期光栅和倾斜光栅将纤芯模耦合到包层模、保偏光纤45度错位熔接技术等等。其存在的缺陷是：空间结构低通滤光片存在耦合损耗，且不是全光纤结构，系统稳定性较低。长周期光栅和倾斜光栅目前只用于单个种子注入，抑制能力有限。保偏光纤45度错位熔接技术只适用于线偏振拉曼光纤激光器。第三种是级联泵浦混合增益，通过同时注入相同模式的信号光和拉曼光作为种子，但只能抑制后向受激拉曼散射，不仅不能抑制甚至促进了前向受激拉曼散射的产生。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种选择性激发高阶模的大功率拉曼光纤激光系统。本专利技术同时利用基模信号增益以及高阶模高阶拉曼增益以抑制高阶拉曼，用以大幅提高拉曼光纤放大器中非线性效应的阈值，最终获得高功率的拉曼光纤激光输出。本专利技术不仅适用于拉曼光纤放大器的高阶拉曼抑制，还是用于掺镱光纤放大器的拉曼抑制。为实现上述技术目的，本专利技术的技术方案是：一种选择性激发高阶模的大功率拉曼光纤激光系统，包括1#种子源、2#种子源、光纤激光泵浦源阵列、功率合束器以及拉曼光纤。1#种子源输出基模信号种子光；2#种子源输出高阶模高阶拉曼波长种子光；光纤激光泵浦源阵列包括呈阵列分布的多个光纤激光泵浦源；1#种子源、2#种子源的输出尾纤分别连接功率合束器的一个输入臂，光纤激光泵浦源阵列中的各光纤激光泵浦源分别接入功率合束器的其他各个输入臂，功率合束器的输出臂连接拉曼光纤，拉曼光纤螺旋弯曲形成放大器结构，拉曼光纤的末端通过端帽输出拉曼激光。本专利技术通过2#种子源注入高阶模高阶拉曼种子光，诱导产生的高阶拉曼光为高阶模高阶拉曼光。当拉曼光纤螺旋弯曲时，各个模式的光在拉曼光纤的纤芯包层交界面的入射角都会变大。其中：模式的阶数越高，在纤芯包层交界面的入射角越大，越接近全反射临界角，对应的弯曲损耗越大。高阶模高阶拉曼光的入射角将接近全反射临界角，高阶模高阶拉曼光的弯曲损耗大于基模信号种子光的弯曲损耗，使得高阶模高阶拉曼光一边产生一边被滤除，基模信号种子光一直被放大，在传输过程中实现高阶拉曼的抑制。进一步地，可以针对不同结构的拉曼光纤，设计不同的螺旋弯曲直径，使得高阶模高阶拉曼光和基模信号种子光的弯曲损耗之差更大，这样将更有利于高阶模高阶拉曼光的滤除，基模信号种子光的放大。这是因为，当拉曼光纤螺旋弯曲直径过小时，基模信号种子光的弯曲损耗也将增加，这样基模信号种子光和高阶模高阶拉曼光的弯曲损耗之差减小，将不利于基模信号种子光的放大。本专利技术中光纤激光泵浦源阵列中的各光纤激光泵浦源的类型不限，波长不限。光纤激光泵浦源可以是光纤激光器，也可以是其他激光器，如固体激光器、半导体激光器等。如选用光纤激光器作为光纤激光泵浦源，优选波长范围1018nm至1080nm。如选用半导体激光器作为光纤激光泵浦源，其优选波长范围为915nm至976nm。本专利技术中的拉曼光纤为阶跃折射率分布光纤，或其他折射率分布的大模场光纤，如W型光纤、STF光纤等。本专利技术中的1#种子源为基模信号种子源，2#种子源为高阶模高阶拉曼种子源，2#种子源波长位于1#种子源波长对应的斯托克斯波段内。例如频移13.2THz，对应的是石英光纤最大拉曼增益系数。2#种子源为高阶模高阶拉曼种子源，其高阶模指的是LP02模以上的横模，高阶模模式成分不低于90％。2#种子源的实现方式有：2#种子源可以通过基于高阶模光纤光栅的振荡器直接输出高阶模高阶拉曼波长种子光。2#种子源也可以将基模高阶拉曼种子源激发成高阶模高阶拉曼波长种子光，如在功率合束器的输出臂与拉曼光纤的连接处增设高阶拉曼波长对应的长周期光纤光栅、倾斜光栅或者声致光纤光栅，将基模的高阶拉曼种子激发成高阶模高阶拉曼波长种子光。为了保护1#种子源和2#种子源，可以分别在两个种子源的输出尾纤上增设一个隔离器，防止后向回光的影响。本专利技术通过调节两个种子源的功率配比以及拉曼光纤的螺旋弯曲直径从而控制激光输出特性和抑制效果。本专利技术中功率合束器尾纤以及拉曼光纤的纤芯能够支持高阶拉曼波长的高阶模传输。作为优选技术方案，本专利技术中的功率合束器的输出臂与拉曼光纤的连接处通过熔接点连接有光纤光栅，拉曼光纤的末端通过熔接点连接有光纤光栅后通过端帽输出拉曼激光。本专利技术还可以接入下一级放大器中进行级联放大，以获得更高的功率。与现有技术相比，本专利技术能够产生以下技术效果：本专利技术的目的是抑制拉曼光纤放大器中高阶拉曼产生。其主要特点是在拉曼光纤放大器中同时加入基模信号种子光和高阶模高阶拉曼波长种子光，利用级联受激拉曼散射人为地额外产生高阶模的高阶拉曼，并引导其朝前向传输，在传输的过程中利用拉曼光纤的弯曲损耗再将高阶模高阶拉曼滤除，这样既保证了系统的安全，又能够提高高阶拉曼阈值，使功率得以进一步提升。附图说明图1为本专利技术实施例1的结构示意图。图2为本专利技术实施例2的结构示意图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的实施方式进行进一步的详细说明。由于高功率拉曼光纤放大器一般采用少模或多模的阶跃折射率光纤，纤芯支持的模式包括基模和高阶模；并且光纤长度较长(几十米以上)需要进行螺旋弯曲处理，而高阶模以及长波长的模场面积和弯曲损耗远大于基模和短波长的。因此，本专利技术通过额外激发高阶模的高阶拉曼能够抑制高阶拉曼的基模产生，产生的高阶模的高阶拉曼又能够在之后的传输过程中通过弯曲损耗滤除掉，从而达到了抑制高阶拉曼的效果，有利于信号光功率的进一步提高。参照图1，为本专利技术实施例1的结构示意图。一种选择性激发高阶模的大功率拉曼光纤激光系统，包括1#种子源1、2#种子源2、光纤激光泵浦源阵列3、功率合束器4以及拉曼光纤5。1#种子源输出基模信号种子光；2#种子源输出高阶模高阶拉曼波长种子光；光纤激光泵浦源阵列包括呈阵列分布的多个光纤激光泵浦源。本专利技术对光纤激光泵浦源种类和波长都没有要求，可以是光纤激光器，也可以是其他激光器，如固体激光器、半导体激光器等。1#种子源1、2#种子源2的输出尾纤上分别连接有1#隔离器9、2#隔离器10，隔离器可以保护1#种子源1和2#种子源2，防止受到后向回光的影响。1#种子源1、2#种子源2分别连接功率合束器4的一个输入臂，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种选择性激发高阶模的大功率拉曼光纤激光系统，其特征在于：包括1#种子源、2#种子源、光纤激光泵浦源阵列、功率合束器以及拉曼光纤；1#种子源输出基模信号种子光；2#种子源输出高阶模高阶拉曼波长种子光；光纤激光泵浦源阵列包括呈阵列分布的多个光纤激光泵浦源；1#种子源、2#种子源的输出尾纤分别连接功率合束器的一个输入臂，光纤激光泵浦源阵列中的各光纤激光泵浦源分别接入功率合束器的其他各个输入臂，功率合束器的输出臂连接拉曼光纤，拉曼光纤螺旋弯曲形成放大器结构，拉曼光纤的末端通过端帽输出拉曼激光。

【技术特征摘要】
1.一种选择性激发高阶模的大功率拉曼光纤激光系统，其特征在于：包括1#种子源、2#种子源、光纤激光泵浦源阵列、功率合束器以及拉曼光纤；1#种子源输出基模信号种子光；2#种子源输出高阶模高阶拉曼波长种子光；光纤激光泵浦源阵列包括呈阵列分布的多个光纤激光泵浦源；1#种子源、2#种子源的输出尾纤分别连接功率合束器的一个输入臂，光纤激光泵浦源阵列中的各光纤激光泵浦源分别接入功率合束器的其他各个输入臂，功率合束器的输出臂连接拉曼光纤，拉曼光纤螺旋弯曲形成放大器结构，拉曼光纤的末端通过端帽输出拉曼激光。2.根据权利要求1所述的选择性激发高阶模的大功率拉曼光纤激光系统，其特征在于：通过2#种子源注入高阶模高阶拉曼种子光，诱导产生的高阶拉曼光为高阶模高阶拉曼光；当拉曼光纤螺旋弯曲时，各个模式的光在拉曼光纤的纤芯包层交界面的入射角都会变大，其中高阶模高阶拉曼光的入射角将接近全反射临界角，高阶模高阶拉曼光的弯曲损耗大于基模信号种子光的弯曲损耗，使得高阶模高阶拉曼光一边产生一边被滤除，基模信号种子光一直被放大，在传输过程中实现高阶拉曼的抑制。3.根据权利要求1所述的选择性激发高阶模的大功率拉曼光纤激光系统，其特征在于：1#种子源为基模信号种子源，2#种子源为高阶模高阶拉曼种子源，2#种子源波长位于1#种子源波长对应的斯托克斯波段内。4.根据权利要求3所述的选择性激发高阶模的大功率拉曼光纤激光系统，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚天甫，陈薏竹，宋家鑫，叶俊，张扬，冷进勇，肖虎，黄良金，许将明，刘伟，周朴，
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