一种高功率单模光纤激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种高功率单模光纤激光器，包括振荡器和放大器两种结构，其中振荡器结构组成包括前向泵浦模块(1)、高反射率光纤光栅(2)、低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)、低反射率光纤光栅(4)、后向泵浦模块(5)和激光输出模块(6)。放大器结构组成包括种子源(7)、前向泵浦模块(1)、低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)、后向泵浦模块(5)、激光输出模块(6)。其中，低掺杂大模场低数值孔径增益光纤是在最大吸收系数波长处的吸收系数较低、纤芯模场直径较大、数值孔径较小的掺稀土离子光纤。本发明专利技术同时抑制模式不稳定效应和受激拉曼散射效应，并且具有更低的光子暗化效果。并且具有更低的光子暗化效果。并且具有更低的光子暗化效果。

【技术实现步骤摘要】
一种高功率单模光纤激光器


[0001]本技术属于高功率光纤激光
，涉及一种高功率单模光纤激光器的新方案。

技术介绍

[0002]高功率单模光纤激光是工业加工应用的重要光源，当前，高亮度单路功率提升主要受限于横向模式不稳定效应(TMI)和受激拉曼散射效应(SRS)。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；而SRS的出现一方面会诱发TMI的产生，另一方面会降低系统效率、光谱纯度和光束质量。传统观念认为增加光纤吸收系数可以缩短增益光纤长度从而可以降低非线性效应的影响。但是对于高功率光纤激光器，TMI效应的阈值通常更低，首先发生的是TMI效应而不是非线性效应，因此继续沿用传统增益光纤搭建高功率光纤激光器，无法获得高光束质量的激光输出。同时由于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。理论研究认为TMI主要来源于热负载引起的模式耦合，因此降低热负载有利于抑制TMI。为了有效抑制TMI效应，有研究人员采用低吸收系数波长的半导体泵浦源进行泵浦，从而降低单位长度上的产热，但是该方法为了获得足够的吸收又必须增加光纤长度，从而增强了非线性效应，因此传统高功率单模光纤激光器功率提升的矛盾非常尖锐。

技术实现思路

[0003]本技术提供一种高功率单模光纤激光器，所述单模光纤激光器至少包括：前向泵浦模块(1)，低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)、后向泵浦模块(5)和激光输出模块(6)；其中前向泵浦模块(1)和后向泵浦模块(5)均包括光输出光纤和输入端光纤，前向泵浦模块(1)的光输出光纤与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)的一端通过光纤熔接连接成一体；后向泵浦模块(5)光输出光纤与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)的另一端连接通过光纤熔接连接成一体，后向泵浦模块(5)的输入端光纤和激光输出模块(6)通过光纤熔接连接成一体；所述低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)为掺单一稀土离子的石英玻璃光纤，所述低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)在泵浦吸收最强波长处的包层吸收系数为0.3dB/m
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0.8dB/m，纤芯直径为25μm
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50μm，包层直径为400μm
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1000μm，纤芯数值孔径为0.03
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0.055。。
[0004]进一步的，所述的稀土离子包括镱离子、铒离子、铥离子、钬离子。
[0005]进一步的，所述的单模光纤激光器能够用于激光振荡器，当用作激光振荡器时，分别在前向泵浦模块(1)与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)之间的光纤上插入高反射率光纤光栅(2)；在低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)和后向泵浦模块(5)之间插入低反射率光纤光栅(4)。
[0006]进一步的，所述高反射率光纤光栅(2)的中心波长对应低掺杂大模场低数值孔径增益光纤增益最大的波长范围，所述高反射率光纤光栅(2)的反射率为>99％，反射带宽为
1nm
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3nm，光纤纤芯、包层直径和数值孔径参数与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)相同，所述低反射率光纤光栅(4)的中心波长与高反射率光纤光栅(1)中心波长相同；低反射率光纤光栅的反射率为15％
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5％，反射带宽为0.1nm
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2nm，光纤纤芯、包层直径和数值孔径参数与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)相同，所述两种光纤光栅通过光纤熔接分别与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)和前向泵浦模块(1)或后向泵浦模块(5)连接。
[0007]进一步的，所述低反射率光纤光栅(4)和高反射率光纤光栅(1)中心波长的范围为1060nm
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1090nm。
[0008]进一步的，所述的单模光纤激光器能够用作激光放大器，所激光放大器包括：种子源(7)；种子源(7)的输出光纤与前向泵浦模块(1)输入端光纤熔接成一体；所述种子源(7)的中心波长对应低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)增益最大的波长范围，种子源的输出功率50W
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300W。
[0009]进一步的，所述激光输出模块(6)包含包层光滤除器和光纤输出端帽，所述激光输出模块(6)使用光纤的纤芯直径与数值孔径不小于后向泵浦模块(5)信号光输出光纤的纤芯直径与数值孔径。
[0010]进一步的，所述前向泵浦模块(1)和后向泵浦模块(5)光学结构相同，具有光输出光纤、输入端光纤和泵浦信号耦合器，泵浦光通过泵浦信号耦合器注入光输出光纤的光纤内包层中，进而传导进入低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)；输入端光纤能够传到种子源输出的信号光或者将低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)的光输出通过纤芯传导到激光输出模块(6)，输入端光纤的纤芯数值孔径与纤芯直径不小于低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)的纤芯数值孔径与纤芯直径。
[0011]进一步的，所述前向泵浦模块(1)和后向泵浦模块(5)的输出光的中心波长为976nm。
[0012]采用本方案可以达到以下技术效果：
[0013]低掺杂增益光纤可以轻易地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；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。本方案通过低掺杂导致的低吸收系数抑制了模式不稳定效应；通过大模场、低数值孔径平衡了受激拉曼散射等非线性效应。通过上述设计很好地把限制单模光纤激光器功率提升的两大问题缓解了，同时不会增加光纤制备的难度，也可以较好地改善光子暗化等高浓度掺杂光纤的不足。
附图说明
[0014]图1是一种高功率单模光纤激光器新方案的结构示意图之一。
[0015]图2是一种高功率单模光纤激光器新方案的结构示意图之二。
[0016]图中标记：1
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前向泵浦模块，2
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高反射率光纤光栅，3
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低掺杂大模场低数值孔径增益光纤，4
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低反射率光纤光栅，5
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后向泵浦模块，6
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激光输出模块，7
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种子源。
具体实施方式
[0017]本技术的目的是公开一种高功率单模光纤激光器新方案，从光纤制备的角度出发，通过设计低掺杂、大模场、低数值孔径光纤来同时抑制模式不稳定效应和受激拉曼散
射效应。首先利用低掺杂光纤来控制泵浦光的吸收强度，从而使增益光纤的热负载得到缓和，对于降低吸收系数带来的增益光纤增长，以及非线性效应(SRS)增强，是通过增大模场面积进行控制。与传统增益光纤相比，低掺杂自然会带来低数值孔径，低掺杂光纤可以轻易地将纤芯的数值孔径做得更小，例如0.04，这样增大模场面积的同时不会显著增加纤芯支持的模式数量，从而在保持光束质量的前提下弱化非线性效应，实现对两种物理限制的同时抑制。从工艺实现上也比传统低数值孔径增益光纤制造方法更简单。另外，由于掺杂浓度的减小，会使光子暗化效应减弱，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高功率单模光纤激光器，其特征在于，所述单模光纤激光器至少包括：前向泵浦模块(1)，低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)、后向泵浦模块(5)和激光输出模块(6)；其中前向泵浦模块(1)和后向泵浦模块(5)均包括光输出光纤和输入端光纤，前向泵浦模块(1)的光输出光纤与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)的一端通过光纤熔接连接成一体；后向泵浦模块(5)光输出光纤与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)的另一端连接通过光纤熔接连接成一体，后向泵浦模块(5)的输入端光纤和激光输出模块(6)通过光纤熔接连接成一体；所述低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)为掺单一稀土离子的石英玻璃光纤，所述低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)在泵浦吸收最强波长处的包层吸收系数为0.3dB/m
‑
0.8dB/m，纤芯直径为25μm
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50μm，包层直径为400μm
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1000μm，纤芯数值孔径为0.03
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0.055。2.如权利要求1所述的单模光纤激光器，其特征在于，所述的稀土离子包括镱离子、铒离子、铥离子、钬离子。3.如权利要求1所述的单模光纤激光器，其特征在于，所述的单模光纤激光器能够用于激光振荡器，当用作激光振荡器时，分别在前向泵浦模块(1)与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)之间的光纤上插入高反射率光纤光栅(2)；在低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)和后向泵浦模块(5)之间插入低反射率光纤光栅(4)。4.如权利要求3所述的单模光纤激光器，其特征在于，所述高反射率光纤光栅(2)的中心波长对应低掺杂大模场低数值孔径增益光纤增益最大的波长范围，所述高反射率光纤光栅(2)的反射率为>99％，反射带宽为1nm
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3nm，光纤纤芯、包层直径和数值孔径参数与低掺杂大模场低数值孔径增益光纤(3)相同，所述低反射率光纤光栅(4)的中心波长与高反射率光纤光栅(2)中心波长相同；低反射率光纤光栅的反射率为15％
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5％，反射带宽为0.1nm
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【专利技术属性】
技术研发人员：张汉伟，王小林，奚小明，杨保来，王鹏，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：新型
国别省市：