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级联 泵浦镱离子、拉曼混合增益高功率光纤激光 放大器

阅读：48发布：2020-12-04

专利汇可以提供级联泵浦镱离子、拉曼混合增益高功率光纤激光放大器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种级联泵浦镱离子、拉曼混合增益高功率光纤激光放大器。该放大器在级联泵浦放大器的种子里加入原始信号波长的一阶斯托克斯光，人为地产生受激拉曼散射并引导其朝前向传输，这样保证了系统的安全，使功率得以进一步提升。通过理论模型的设计，选择斯托克斯光的具体波长和功率，可以有效抑制后向拉曼散射光和下一级拉曼斯托克斯光，从而实现级联泵浦光纤放大器的高功率输出。，下面是级联泵浦镱离子、拉曼混合增益高功率光纤激光放大器专利的具体信息内容。

权利要求

1.级联泵浦镱离子、拉曼混合增益高功率光纤激光放大器，在级联泵浦放大器的种子里加入原始信号波长的一阶斯托克斯光，其特征在于，种子源（1）的尾纤通过熔接点（2）与泵浦信号合束器（4）的信号臂相连，高功率的光纤激光泵浦源阵列（3）接入泵浦信号合束器（4）的泵浦臂，泵浦信号合束器（4）的输出端与一段掺镱光纤（5）连接，形成放大器结构，在放大器的末端接入包层光剥除器(6)，滤除多余的包层光，最后通过端帽（7）输出激光；
所述种子源（1）由常规波段的光源（8）波长范围是1060nm~1090nm，与对应的斯托克斯波段激光源（9）波长范围是1100nm~1160nm，通过一个波分复用器（11）合入同一根光纤构成。
2.根据权利要求1所述的级联泵浦镱离子、拉曼混合增益高功率光纤激光放大器，其特征在于，所述种子源中常规波段的光源和斯托克斯波段激光源的波长和功率比例设计方法采用如下模型进行分析：
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
其中，是光纤掺杂浓度沿轴向分布，是上能级粒子数浓度，为光纤中镱
离子的掺杂浓度，是波长为激光的功率轴向分布，下标对应第个波长分量，上标±对应传输方向，和分别是吸收发射截面，为纤芯的面积，为激光的填充因子，为普朗克常数，为镱离子上能级荧光寿命，为非线性系数，为拉曼效应对相位调制的贡献， ( 、 )表示拉曼增益系数，为相位失配量，对应光纤的传输损耗，为第k个波长的光频率， ( 、、 )是第k(1、2、3)个激光的波长，为真空中的光速，为自发辐射波长间隔，为单位虚数，、、分别为信号光及其一阶和二阶斯托克斯光的光场振幅，、、分别对应、、的非线性系数， ( 、、 )为镱离子对激光的增益系数、为轴向坐标，为激光的光场面积与镱离子掺杂面积的比例。
3.根据权利要求1所述的级联泵浦镱离子、拉曼混合增益高功率光纤激光放大器，其特征在于，所述光纤激光泵浦源阵列（3）其波长选择在1010nm~1030nm。
4.根据权利要求1所述的级联泵浦镱离子、拉曼混合增益高功率光纤激光放大器，其特征在于，进一步的，为保护斯托克斯波段激光源，在斯托克斯波段激光源（9）后加入一个隔离器（10）防止后向回光的影响。
5.根据权利要求1所述的级联泵浦镱离子、拉曼混合增益高功率光纤激光放大器，其特征在于，所述放大器的另一种结构为：斯托克斯波段激光源（9）通过熔接点与泵浦信号合束器（4）的信号臂相连，半导体泵浦源（14）接入泵浦信号合束器（4）的泵浦臂，泵浦信号合束器（4）的输出端与一段掺镱光纤（5）连接，形成放大器结构，在放大器的前端及末端都通过熔接点与光纤光栅（17）连接。
6.根据权利要求1所述的级联泵浦镱离子、拉曼混合增益高功率光纤激光放大器，其特征在于，进一步，所述放大器还可接入下一级放大器中进行级联放大，以获得更高的功率。

说明书全文

级联泵浦镱离子、拉曼混合增益高功率光纤激光 放大器

技术领域

[0001] 本发明属于光纤激光器技术领域，涉及一种在级联泵浦光纤放大器中同时利用镱离子和拉曼增益进行激光放大以抑制受激拉曼散射实现高功率输出的新型技术方案。

背景技术

[0002] 高平均功率的激光在工业加工、国防安全以及科学研究等领域有着重要而广泛的用途。与传统的固态激光器相比，光纤激光器具有结构紧凑、转换效率高、光束质量优良和热管理方便等优势近年来得到迅猛发展。目前单根光纤单模输出已超过2万瓦，多模输出已超过了10万瓦。虽然光纤激光具有较大的表面积体积比从而利于散热，但是在高功率下，光纤内的热效应仍然是制约激光功率进一步提升的重要原因。另外，泵浦源的亮度和非线性效应也是制约光纤激光器功率提升的主要限制。近年来利用光纤激光器进行级联泵浦光纤激光器获得高功率输出的技术方案越来越受到研究人员的重视，一方面该方案首先把亮度较低的半导体泵浦源的能量转换为亮度较高的光纤激光，再把光纤激光作为新的泵浦源注入到下一级光纤激光器中泵浦更高亮度的激光，这样大大提高的泵浦源的亮度，理论上可以注入更多的功率到光纤中。另一方面，由于作为泵浦源的光纤激光的波长更接近最终激光的波长，能量转换过程中的量子亏损相对更小，这样在光纤中产生的热量也相对更少，因此降低系统的热负担。综合来看，级联泵浦光纤激光器在高功率获得上具有明显的优势。

[0003] 目前，光纤激光器高功率的输出通常采用掺镱光纤实现，这是由于掺镱光纤能级结构简单、具有较宽的吸收发射谱，并且可以做到较高的掺杂浓度。传统的掺镱光纤激光器泵浦方案是用915nm或者976nm附近的半导体泵浦源进行泵浦以获得1070~1090nm附近的激光输出。如前所述，该方案一方面量子亏损大热效应相对严重，另一方面泵浦源亮度较低无法注入更多的泵浦能量。级联泵浦方案就较好地解决了上述问题，具体来说就是先采用915nm或者976nm附近的半导体泵浦源泵浦掺镱光纤产生1010nm~1030nm左右的光纤激光，再用其去泵浦产生1060nm~1090nm附近的激光。值得注意的是，级联泵浦方案很好解决了在高功率获得中泵浦源亮度不足和热效应严重的问题，但是作为级联泵浦源的光纤激光其波长通常选择在1010nm~1030nm附近，目前石英基质的掺镱光纤，对该波段的吸收相对较小，一般是976nm附近的1/20~1/30。因此在放大器结构中，增益光纤的长度通常比传统的放大器要长，一定程度上降低了系统非线性效应产生的阈值。对于宽谱的光源来说其主要的非线性效应是受激拉曼散射，该效应的阈值主要与激光的峰值强度和光纤的有效长度成反比。由于拉曼散射可以从热噪声中产生，因此在光纤中产生的斯托克斯光会同时朝前向和后向传输，并且当功率大到一定程度时，斯托克斯光的功率会呈指数增长产生受激拉曼散射。而后向传输的光在光纤系统中很难有效隔离，因此是非常危险的，必须极力避免。

发明内容

[0004] 本发明公开一种利用镱离子和拉曼增益实现高功率输出的的级联泵浦光纤放大器方案，并给出一种计算方法，用以大幅提高级联泵浦光纤激光器中非线性效应的阈值，从而充分发挥级联泵浦方案的优势，最终获得高功率的光纤激光输出。

[0005] 本发明的目的是解决级联泵浦方案中由于增益光纤较长引起受激拉曼散射阈值变低产生后向光从而限制更高功率光纤激光获得的问题。其主要特点是在级联泵浦放大器的种子里加入原始信号波长的一阶斯托克斯光，人为地产生受激拉曼散射并引导其朝前向传输，这样保证了系统的安全，使功率得以进一步提升。

[0006] 本发明提出的级联泵浦镱离子、拉曼混合增益高功率光纤放大器的基本结构是：种子源1由常规波段的光源8，波长范围是1060nm~1090nm（如选择波长为1080nm），与对应的斯托克斯波段激光源9，波长范围是1100nm~1160nm（如选择波长为1120nm），通过一个波分复用器11合入同一根光纤构成；种子源1的尾纤通过熔接点2与泵浦信号合束器4的信号臂相连，高功率的光纤激光泵浦源阵列3接入泵浦信号合束器4的泵浦臂，泵浦信号合束器4的输出端与一段掺镱光纤5连接，形成放大器结构，在放大器的末端接入包层光剥除器
6，滤除多余的包层光，最后通过端帽7输出激光。

[0007] 进一步，所述混合增益高功率光纤放大器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。

[0008] 所述光纤激光泵浦源阵列3其波长选择在1010nm~1030nm。例如可选择1018nm，这是综合考虑泵浦吸收和高功率泵浦源获得的结果。进一步，其中为了保护斯托克斯波段激光源，可以在斯托克斯波段激光源后加入一个隔离器10防止后向回光的影响。

[0009] 所述混合增益高功率光纤放大器的另一种结构为：斯托克斯波段激光源9通过熔接点与泵浦信号合束器4的信号臂相连，半导体泵浦源14接入泵浦信号合束器4的泵浦臂，泵浦信号合束器4的输出端与一段掺镱光纤5连接，形成放大器结构，在放大器的前端及末端都通过熔接点与光纤光栅17连接。

[0010] 所述种子源1：这是本发明的核心，即通过在种子中加入传统信号光的一阶斯托克斯光，其波长位于拉曼增益谱内，调节两个波长激光的功率比例，从而控制激光输出特性和抑制效果。

[0011] 所述光纤激光泵浦源阵列级联泵浦源：用于泵浦最终激光的光纤激光光源，其波长通常选择在1010nm~1030nm附近，这是综合考虑了光纤对其吸收和获得的难易程度的结果。

[0012] 放大器级：主要组成是合束器和一段掺镱光纤，重点是光纤的选择，要求既能保证注入足够的泵浦光又要对泵浦光具有较高的吸收系数。

[0013] 光纤中的自发拉曼是从热噪声中产生的，因此前后向都存在，当功率密度较高时，两个方向的自发拉曼光都会被放大，并进一步演化为受激拉曼放大，消耗信号光功率，更为严重的是后向光会威胁到整个激光系统的安全。因此在种子中注入信号光对应的斯托克斯光可以有效地抑制后向的斯托克斯光。理论上虽然加入了斯托克斯光会降低信号光对应拉曼散射的阈值，但是系统却能安全地输出更高功率，这是由于在相同总功率的情况下，通过设计输入斯托克斯光的功率和波长，可以控制输出激光中信号光和其斯托克斯光的功率比例，使其不会产生下一级拉曼散射。另一方面拉曼增益系数与波长成反比关系，波长越长拉曼增益系数越小，这样拉曼阈值也就会更高，这也一定程度上提高了下一级拉曼的阈值。

[0014] 对种子源中常规波段的光源和斯托克斯波段激光源的波长和功率比例设计是放大器实现高功率的关键。具体的设计方法可以采用如下模型进行分析：(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
其中，是光纤掺杂浓度沿轴向分布，是上能级粒子数浓度，为光纤中镱离子的掺杂浓度，是波长为激光的功率轴向分布，下标对应第个波长分量，上标±对应传输方向，和分别是吸收发射截面，为纤芯的面积，为激光的填充因子，为普朗克常数，为镱离子上能级荧光寿命，为非线性系数，为拉曼效应对相位调制的贡献， ( 、)表示拉曼增益系数，为相位失配量，对应光纤的传输损耗，为第k个波长的光频率， ( 、、 )是第k(1、2、3)个激光的波长，为真空中的光速，为自发辐射波长间隔，为单位虚数，、、分别为信号光及其一阶和二阶斯托克斯光的光场振幅，、、分别对应、、的非线性系数，( 、、 )为镱离子对激光的增益系数、为轴向坐标，为激光的光场面积与镱离子掺杂面积的比例。

[0015] 以上模型考虑了掺镱光纤激光器中放大自发辐射的影响，另外还包括了一阶、二阶拉曼效应和四波混频效应。具体的边界条件根据实验设计给出。利用上述模型可以方便地选取泵浦光、信号光和一阶斯托克斯光的波长和功率进行理论分析。特别的，对于传统的级联泵浦方案泵浦激光为1010nm~1030nm波段激光，信号波长为在1060nm~1090nm附近，可以选择的斯托克斯光波长范围为1100nm~1160nm，另外其功率也可以根据系统要求进行设计以达到最优，这里最优的标准是指下一级斯托克斯光功率最小，并且回光最小。与现有技术方案相比，本发明的优点在于：在种子源中加入了原始信号光的斯托克斯光作为新的种子注入放大器中，很好地抑制了自发拉曼产生的后向传输光，同时通过精细的理论分析和设计控制前向输出光中两个波长光的功率比例，从而有效提高了下一级拉曼光的阈值，克服了级联泵浦光纤激光器中拉曼效应严重的问题，同时又结合了其泵浦亮度高，热负担小的优势，有望发展成为一种具有较大潜力和市场前景的高功率光纤激光器方案。附图说明

[0016] 图1是本发明级联泵浦镱离子、拉曼混合增益高功率光纤放大器的基本结构图；图2是本发明放大器种子的另一种可能注入方式。

具体实施方式

[0017] 图1是本发明提出的级联泵浦镱离子、拉曼混合增益高功率光纤放大器的基本结构图。种子源的一种结构是：常规波段的光源8，波长范围是1060nm~1090nm（如选择波长为1080nm），与对应的斯托克斯波段的激光源9，波长范围是1100nm~1160nm（如选择波长为1120nm），功率水平可用前述的理论模型进行优化，通过一个波分复用器11合入同一根光纤。种子源1的尾纤通过熔接点2与泵浦信号合束器4的信号臂相连，高功率的光纤激光泵浦源阵列3接入合束器4的泵浦臂，合束器的输出端与一段掺镱光纤5连接，形成放大器结构，在放大器的末端接入包层光剥除器6，滤除多余的包层光，最后通过端帽7输出激光。为了获得更高的功率还可以接入下一级放大器中进行级联放大。对于光纤激光泵浦源3其波长选择可以在1010nm~1030nm，例如可选择1018nm，这是综合考虑泵浦吸收和高功率泵浦源获得的结果。其中为了保护斯托克斯波段种子源，可以在其后加入一个隔离器10防止后向回光的影响。

[0018] 图2是本发明放大器种子的另一种可能注入方式。斯托克斯光种子源9直接通过泵浦信号合束器4的信号臂接入常规波段激光器中。该激光器由半导体泵浦源14，泵浦信号合束器4，掺镱光纤5以及光纤光栅17组成。这种方式可以保证输出的种子功率稳定。

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