級聯(lián)泵浦鐿離子、拉曼混合增益高功率光纖激光放大器的制造方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于光纖激光器技術(shù)領域，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)】
[0002] 高平均功率的激光在工業(yè)加工、國防安全以及科學研宄等領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)方案越來越受到研宄人員的重視，一方面該方案首先把 亮度較低的半導體泵浦源的能量轉(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。
[0003] 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)非線性效應產(chǎn)生的閾值。對于寬譜的光源來說其主要 的非線性效應是受激拉曼散射，該效應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】

[0004] 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。
[0005]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。
[0006] 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 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。
[0007]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。
[0008] 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。
[0009] 所述混合增益高功率光纖放大器的另一種結(jié)構(gòu)為：斯托克斯波段激光源9通過熔 接點與泵浦信號合束器4的信號臂相連，半導體泵浦源14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)，在放大器的前端 及末端都通過熔接點與光纖光柵17連接。
[0010] 所述種子源1:這是本發(fā)明的核心，即通過在種子中加入傳統(tǒng)信號光的一階斯托 克斯光，其波長位于拉曼增益譜內(nèi)，調(diào)節(jié)兩個波長激光的功率比例，從而控制激光輸出特性 和抑制效果。
[0011] 所述光纖激光泵浦源陣列級聯(lián)泵浦源：用于泵浦最終激光的光纖激光光源，其波 長通常選擇在1010nm~1030nm附近，這是綜合考慮了光纖對其吸收和獲得的難易程度的結(jié) 果。
[0012] 放大器級：主要組成是合束器和一段摻鐿光纖，重點是光纖的選擇，要求既能保證 注入足夠的泵浦光又要對泵浦光具有較高的吸收系數(shù)。
[0013]光纖中的自發(fā)拉曼是從熱噪聲中產(chǎn)生的，因此前后向都存在，當功率密度較高時， 兩個方向的自發(fā)拉曼光都會被放大，并進一步演化為受激拉曼放大，消耗信號光功率，更為 嚴重的是后向光會威脅到整個激光系統(tǒng)的安全。因此在種子中注入信號光對應的斯托克斯 光可以有效地抑制后向的斯托克斯光。理論上雖然加入了斯托克斯光會降低信號光對應拉 曼散射的閾值，但是系統(tǒng)卻能安全地輸出更高功率，這是由于在相同總功率的情況下，通過 設計輸入斯托克斯光的功率和波長，可以控制輸出激光中信號光和其斯托克斯光的功率比 例，使其不會產(chǎn)生下一級拉曼散射。另一方面拉曼增益系數(shù)與波長成反比關系，波長越長拉 曼增益系數(shù)越小，這樣拉曼閾值也就會更高，這也一定程度上提高了下一級拉曼的閾值。
[0014]對種子源中常規(guī)波段的光源和斯托克斯波段激光源的波長和功率比例設計是放 大器實現(xiàn)高功率的關鍵。具體的設計方法可以采用如下模型進行分析：
【主權(quán)項】
1. 級聯(lián)泵浦鐿離子、拉曼混合增益高功率光纖激光放大器，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，其特征在于，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； 所述種子源（1)由常規(guī)波段的光源（8)波長范圍是1060nm~1090nm，與對應的斯托克斯 波段激光源（9)波長范圍是1100nm~1160nm，通過一個波分復用器（11)合入同一根光纖構(gòu) 成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的級聯(lián)泵浦鐿離子、拉曼混合增益高功率光纖激光放大器，其 特征在于，所述光纖激光泵浦源陣列（3)其波長選擇在1010nm~1030nm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的級聯(lián)泵浦鐿離子、拉曼混合增益高功率光纖激光放大器，其 特征在于，進一步的，為保護斯托克斯波段激光源，在斯托克斯波段激光源（9)后加入一個 隔離器（10)防止后向回光的影響。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的級聯(lián)泵浦鐿離子、拉曼混合增益高功率光纖激光放大器，其 特征在于，所述放大器的另一種結(jié)構(gòu)為：斯托克斯波段激光源（9)通過熔接點與泵浦信號 合束器（4)的信號臂相連，半導體泵浦源（14)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)，在放大器的前端及末端都 通過熔接點與光纖光柵（17)連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的級聯(lián)泵浦鐿離子、拉曼混合增益高功率光纖激光放大器，其 特征在于，進一步，所述放大器還可接入下一級放大器中進行級聯(lián)放大，以獲得更高的功 率。
【專利摘要】本實用新型涉及一種級聯(lián)泵浦鐿離子、拉曼混合增益高功率光纖激光放大器。該放大器在級聯(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。通過理論模型的設計，選擇斯托克斯光的具體波長和功率，可以有效抑制后向拉曼散射光和下一級拉曼斯托克斯光，從而實現(xiàn)級聯(lián)泵浦光纖放大器的高功率輸出。
【IPC分類】H01S3-067, H01S3-30, H01S3-094
【公開號】CN204333584
【申請?zhí)枴緾N201520030687
【發(fā)明人】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
【申請人】中國人民解放軍國防科學技術(shù)大學
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年1月16日