[實用新型]級聯(lián)泵浦鐿離子、拉曼混合增益高功率光纖激光放大器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201520030687.3
• 申請日: 2015-01-16
• 公開（公告）號: CN204333584U
• 公開（公告）日: 2015-05-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張漢偉;周樸;肖虎;王小林;粟榮濤;許將明;司磊;許曉軍;陳金寶;劉澤金
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: H01S3/067
• 分類號: H01S3/067;H01S3/30;H01S3/094
• 代理公司: 湖南省國防科技工業(yè)局專利中心 43102
• 代理人: 馮青

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光纖激光器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種在級聯(lián)泵浦光纖放大器中同時利用鐿離子和拉曼增益進行激光放大以抑制受激拉曼散射實現(xiàn)高功率輸出的新型技術(shù)方案。

背景技術(shù)

高平均功率的激光在工業(yè)加工、國防安全以及科學(xué)研究等領(lǐng)域有著重要而廣泛的用途。與傳統(tǒng)的固態(tài)激光器相比，光纖激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量優(yōu)良和熱管理方便等優(yōu)勢近年來得到迅猛發(fā)展。目前單根光纖單模輸出已超過2萬瓦，多模輸出已超過了10萬瓦。雖然光纖激光具有較大的表面積體積比從而利于散熱，但是在高功率下，光纖內(nèi)的熱效應(yīng)仍然是制約激光功率進一步提升的重要原因。另外，泵浦源的亮度和非線性效應(yīng)也是制約光纖激光器功率提升的主要限制。近年來利用光纖激光器進行級聯(lián)泵浦光纖激光器獲得高功率輸出的技術(shù)方案越來越受到研究人員的重視，一方面該方案首先把亮度較低的半導(dǎo)體泵浦源的能量轉(zhuǎn)換為亮度較高的光纖激光，再把光纖激光作為新的泵浦源注入到下一級光纖激光器中泵浦更高亮度的激光，這樣大大提高的泵浦源的亮度，理論上可以注入更多的功率到光纖中。另一方面，由于作為泵浦源的光纖激光的波長更接近最終激光的波長，能量轉(zhuǎn)換過程中的量子虧損相對更小，這樣在光纖中產(chǎn)生的熱量也相對更少，因此降低系統(tǒng)的熱負擔。綜合來看，級聯(lián)泵浦光纖激光器在高功率獲得上具有明顯的優(yōu)勢。

目前，光纖激光器高功率的輸出通常采用摻鐿光纖實現(xiàn)，這是由于摻鐿光纖能級結(jié)構(gòu)簡單、具有較寬的吸收發(fā)射譜，并且可以做到較高的摻雜濃度。傳統(tǒng)的摻鐿光纖激光器泵浦方案是用915nm或者976nm附近的半導(dǎo)體泵浦源進行泵浦以獲得1070~1090nm附近的激光輸出。如前所述，該方案一方面量子虧損大熱效應(yīng)相對嚴重，另一方面泵浦源亮度較低無法注入更多的泵浦能量。級聯(lián)泵浦方案就較好地解決了上述問題，具體來說就是先采用915nm或者976nm附近的半導(dǎo)體泵浦源泵浦摻鐿光纖產(chǎn)生1010nm~1030nm左右的光纖激光，再用其去泵浦產(chǎn)生1060nm~1090nm附近的激光。值得注意的是，級聯(lián)泵浦方案很好解決了在高功率獲得中泵浦源亮度不足和熱效應(yīng)嚴重的問題，但是作為級聯(lián)泵浦源的光纖激光其波長通常選擇在1010nm~1030nm附近，目前石英基質(zhì)的摻鐿光纖，對該波段的吸收相對較小，一般是976nm附近的1/20~1/30。因此在放大器結(jié)構(gòu)中，增益光纖的長度通常比傳統(tǒng)的放大器要長，一定程度上降低了系統(tǒng)非線性效應(yīng)產(chǎn)生的閾值。對于寬譜的光源來說其主要的非線性效應(yīng)是受激拉曼散射，該效應(yīng)的閾值主要與激光的峰值強度和光纖的有效長度成反比。由于拉曼散射可以從熱噪聲中產(chǎn)生，因此在光纖中產(chǎn)生的斯托克斯光會同時朝前向和后向傳輸，并且當功率大到一定程度時，斯托克斯光的功率會呈指數(shù)增長產(chǎn)生受激拉曼散射。而后向傳輸?shù)墓庠诠饫w系統(tǒng)中很難有效隔離，因此是非常危險的，必須極力避免。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明公開一種利用鐿離子和拉曼增益實現(xiàn)高功率輸出的的級聯(lián)泵浦光纖放大器方案，并給出一種計算方法，用以大幅提高級聯(lián)泵浦光纖激光器中非線性效應(yīng)的閾值，從而充分發(fā)揮級聯(lián)泵浦方案的優(yōu)勢，最終獲得高功率的光纖激光輸出。

本發(fā)明的目的是解決級聯(lián)泵浦方案中由于增益光纖較長引起受激拉曼散射閾值變低產(chǎn)生后向光從而限制更高功率光纖激光獲得的問題。其主要特點是在級聯(lián)泵浦放大器的種子里加入原始信號波長的一階斯托克斯光，人為地產(chǎn)生受激拉曼散射并引導(dǎo)其朝前向傳輸，這樣保證了系統(tǒng)的安全，使功率得以進一步提升。

本發(fā)明提出的級聯(lián)泵浦鐿離子、拉曼混合增益高功率光纖放大器的基本結(jié)構(gòu)是：種子源1由常規(guī)波段的光源8，波長范圍是1060nm~1090nm（如選擇波長為1080nm），與對應(yīng)的斯托克斯波段激光源9，波長范圍是1100nm~1160nm（如選擇波長為1120nm），通過一個波分復(fù)用器11合入同一根光纖構(gòu)成；種子源1的尾纖通過熔接點2與泵浦信號合束器4的信號臂相連，高功率的光纖激光泵浦源陣列3接入泵浦信號合束器4的泵浦臂，泵浦信號合束器4的輸出端與一段摻鐿光纖5連接，形成放大器結(jié)構(gòu)，在放大器的末端接入包層光剝除器6，濾除多余的包層光，最后通過端帽7輸出激光。

進一步，所述混合增益高功率光纖放大器還可以接入下一級放大器中進行級聯(lián)放大，以獲得更高的功率。

所述光纖激光泵浦源陣列3其波長選擇在1010nm~1030nm。例如可選擇1018nm，這是綜合考慮泵浦吸收和高功率泵浦源獲得的結(jié)果。進一步，其中為了保護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個隔離器10防止后向回光的影響。