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制造技术

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，包括纤芯尺寸纵向渐变增益光纤(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)；其中高反射光纤光栅、纤芯尺寸纵向渐变增益光纤、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；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合束器，然后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；其中纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的纤芯直径沿光纤长度方向先变大后变小。

【技术实现步骤摘要】
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
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尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器。
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。当前利用拉锥光纤构建激光器时，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，由于这些激光器中光纤纤芯和包层都随着光纤长度变化，泵浦光在包层传输时存在较大的损耗，严重时激光器可能烧毁，不适合高功率光纤激光器的应用；同时，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。
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尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器，利用纤芯直径沿光纤长度方向(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。本专利技术的技术方案是，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，其特征在于，它包括纤芯尺寸纵向渐变增益光纤、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、纤芯直径纵向渐变增益光纤、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合束器，然后从泵浦合束器输出，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；所述纤芯尺寸纵向渐变增益光纤包括纤芯、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，纤芯和外包层横截面为圆形、内包层横截面为圆形或正八边形，纤芯的直径沿光纤长度方向先变大后变小，所述内包层横截面及其对应外接圆直径沿光纤长度方向恒定不变，所述外包层直径沿光纤长度方向恒定不变。进一步的，上述纤芯包括两段小直径区域、一段大直径区域和两段过渡直径区域，所述小直径区域、过渡直径区域、大直径区域、过渡直径区域、小直径区域依次连接形成直径沿光纤方向先变大后变小的纤芯。更进一步的，上述两段小直径区域的直径相同且沿光纤长度方向恒定，长度均在1～10米范围内、归一化频率小于3.8；大直径区域的长度1～10米、直径沿光纤长度方向为定值且不小于30微米；两段过渡直径区域的长度均在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，其小端的尺寸和归一化频率不小于小直径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大直径区域的尺寸和归一化频率。本专利技术的基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器还可以包括后向泵浦信号合束器，所述后向泵浦信号合束器设置在低反射光纤光栅和包层光滤除器之间；所述后向泵浦信号合束器包括一个信号输入臂、一个信号输出臂，一个或多个泵浦输入臂；所述后向泵浦信号合束器的输出信号臂与低反射光纤光栅通过信号传能光纤连接，其信号输入臂与包层光滤除器通过信号传能光纤连接，其泵浦输入臂与另外一组光纤耦合半导体激光器通过泵浦传能光纤连接。进一步的，上述纤芯尺寸纵向渐变增益光纤为掺稀土离子的增益光纤，用于激光产生和传输的光纤；且光纤的横截面结构选自双包层或三包层结构的光纤横截面结构中的一种；当纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的横截面结构为双包层结构时，内包层直径或内包层外接圆直径在100～1000微米之间；外包层的直径在250～2000微米之间。进一步的，上述高反射光纤光栅是激光谐振腔的高反射器件，其反射率大于90％，反射中心波长与所述低反射光纤光栅匹配，高反射光纤光栅的光纤纤芯直径与信号传能光纤的直径匹配，用于将信号激光的绝大部分反射会谐振腔内。进一步的，上述低反射光纤光栅的反射率在4％～50％范围内，纤芯直径与信号传能光纤的直径匹配，是激光谐振腔的低反射与输出端，用于将部分信号反射会谐振腔内，大部分激光输出到谐振腔外。进一步的，上述光纤耦合半导体激光器是纤芯直径纵向渐变增益光纤产生上能级粒子的激励源，它包括与纤芯直径纵向渐变增益光纤吸收峰匹配的各个波段的半导体激光器，所述各个波段的半导体激光器包括波段为808纳米、915纳米、940纳米、976纳米、1550纳米中的一个或多个的组合。进一步的，上述泵浦信号合束器有单个或多个泵浦臂、一个信号输出臂，一组光纤耦合半导体激光器通过泵浦传能光纤连接至泵浦信号合束器的泵浦臂，以使光纤耦合半导体激光器发出的泵浦光通过泵浦臂耦合到泵浦信号合束器的信号输出臂的光纤内包层中，最终实现泵浦光在泵浦信号合束器的中传输；所述信号传能光纤为用于激光传输的非掺稀土离子光纤，其横截面结构为双包层或三包层结构；其纤芯直径在10～1000微米，内包层直径在100～2000微米之间；外包层直径在250～3000微米之间；所述泵浦传能光纤为用于泵浦激光传输的非掺稀土离子光纤，其横截面结构为单包层结构；其纤芯直径在10～1000微米，包层直径在100～2000微米之间。进一步的，上述包层光滤除器用于滤除信号光纤中的残留泵浦光和高阶模式，其几何尺寸与信号传能光纤几何尺寸一致；所述光纤端帽用于将信号传能光纤中的信号光扩束输出，降低输出端本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器，其特征在于，它包括纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤(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)、纤芯尺寸纵向渐变增益光纤(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)注入泵浦合束器(5)，然后从泵浦合束器(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；所述纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤(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，纤芯(1‑1)和外包层(1‑3)横截面为圆形、内包层(1‑2)横截面为圆形或正八边形，纤芯(1‑1)的尺寸沿光纤长度方向先变大后变小，所述内包层(1‑2)沿光纤长度方向的横截面及横截面的外接圆直径沿光纤长度方向恒定不变，所述外包层(1‑3)的直径沿光纤长度方向恒定不变。...

【技术特征摘要】
1.一种基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器，其特征在于，它包括纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤(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)、纤芯尺寸纵向渐变增益光纤(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)注入泵浦合束器(5)，然后从泵浦合束器(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；所述纤芯尺寸纵向渐变的增益光纤(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，纤芯(1-1)和外包层(1-3)横截面为圆形、内包层(1-2)横截面为圆形或正八边形，纤芯(1-1)的尺寸沿光纤长度方向先变大后变小，所述内包层(1-2)沿光纤长度方向的横截面及横截面的外接圆直径沿光纤长度方向恒定不变，所述外包层(1-3)的直径沿光纤长度方向恒定不变。2.如权利要求1所述的基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器，其特征在于，所述纤芯(1-1)包括两段小直径区域(1-4、1-8)、一段大直径区域(1-5)和两段过渡直径区域(1-6、1-7)，所述小直径区域(1-4)、过渡直径区域(1-6)、大直径区域(1-5)、过渡直径区域(1-7)、小直径区域(1-8)依次连接形成直径沿光纤方向先变大后变小的纤芯(1-1)。3.如权利要求2所述的基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器，其特征在于，所述两段小直径区域(1-4、1-8)的直径相同且沿光纤长度方向恒定，长度均在1～10米范围内、归一化频率小于3.8；大直径区域(1-5)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；两段过渡直径区域(1-6、1-7)的长度均在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，其小端的尺寸和归一化频率不小于小直径区域(1-4、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大直径区域(1-5)的尺寸和归一化频率。4.根据权利要求3所述的基于纤芯尺寸纵向渐变增益光纤的全光纤激光振荡器，其特征在于，还包括后向泵浦信号合束器(10)，所述后向泵浦信号合束器(10)设置在低反射光纤光栅(3)和包层光滤除器(8)之间；所述后向泵浦信号合束器(10)包括一个信号输入臂、一个信号输出臂，一个或多个泵浦输入臂；所述后向泵浦信号合束器(10)的输出信号臂与低反射光纤光栅(3)通过信号传能光纤(6)连接，其信号输入臂与包层光滤除器(8)通过信号传能光纤(6)连接，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：王小林，叶云，史尘，曾令筏，张汉伟，许晓军，奚小明，韩凯，周朴，司磊，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