CN110663146B - 大功率包层泵浦单模光纤拉曼激光器 - Google Patents

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Abstract

一种拉曼光纤激光源被配置有馈送光纤，馈送光纤将MM泵浦辐射传送到双包层MM拉曼光纤激光器的内包层。MM泵浦光束辐射具有足够的功率以在MM拉曼光纤中产生拉曼散射，从而将泵浦辐射转换为拉曼频移波长λram的MM信号辐射，该波长λram长于泵浦辐射的波长λpump。拉曼激光源还具有一对间隔开的反射器，在反射器之间限定了针对第一阶斯托克斯波长的信号辐射的谐振器，并位于拉曼光纤的MM纤芯的至少一部分处的侧面，MM纤芯设置有中心纤芯区域，所述中心纤芯区域掺杂有杂质以增强拉曼过程。反射器和中心纤芯区域的尺寸被确定为对应于拉曼光纤输出的MM信号辐射的基模，该MM信号辐射的功率范围在几kW至几十kW之间且M2因子≤1.1。

Description

大功率包层泵浦单模光纤拉曼激光器
技术领域
本公开涉及大功率连续波(CW)拉曼光纤激光器***，其可操作以输出功率范围在几千瓦(kW)至数十kW之间的单模(SM)激光束。特别地，本发明公开了一种输出多模(MM)泵浦光的大功率光纤激光泵，该大功率光纤激光泵端面耦合到能够输出M2≤1.1的kW级SM信号光的多模(MM)拉曼光纤的包层中。
背景技术
光纤激光器用于将多模激光二极管(LD)传递的劣质泵浦辐射有效转换为高质量激光束。在大功率光纤激光器中，通常将几个功能强大的多模LD(例如，通过泵合束器)耦合到纤芯掺杂有例如(Yb)、铒(Er)等的稀土元素的双包层有源光纤的二氧化硅包层。由光纤包层引导的泵浦辐射激发纤芯中的掺杂剂，从而为纤芯引导的光提供了放大，如果光纤的几何形状满足某些条件，则所述纤芯引导的光是以基横模辐射发射的，且具有近似高斯光束轮廓。已知的全光纤激光器配置的特点是在大范围的输出功率范围中产生高质量的激光束。
众所周知，由于泵浦辐射的非弹性拉曼散射导致对移位散射光的放大，有可能在无源光纤中产生激光。当两个不同波长的激光束——泵浦(pump)光和信号光——一起传播通过拉曼活性介质时，较长波长的光(即斯托克斯波)可以以较短波长的泵浦光束为代价经历光放大——这种现象被称为受激拉曼辐射(SRS)。SRS的独特特性之一包括：光束清理(beam clean-up)，即通过MM光纤中的SRS而增强亮度；以及泵浦和拉曼信号光之间的快速能量传递。因此，SRS提供了一种吸引人的解决方案，将MM光转换为CW制式和脉冲制式两者的SM激光输出。
由于光纤拉曼激光器/放大器(FRL和FRA)分别基于无源光纤中泵浦引起的拉曼增益，因此与掺杂稀土元素的光纤相比，这些设备的激射特性存在根本差异，即，其特征为一阶斯托克斯的小量子缺陷、增益对泵浦变化的快速响应、低背景自发辐射和缺少光暗化效应，缺少光暗化效应的问题在短波长下在掺杂型有源光纤中尤其严重。
常规的纤芯泵浦(core-pumped)SM拉曼光纤激光器的输出功率受大功率SM二极管激光器(DL)的可用性的限制。通过使用MM多包层拉曼光纤作为增益介质和大功率MM泵浦光，使功率等级显著提高，该大功率MM泵浦光被端面泵浦进入拉曼光纤的内包层中。Codemard等人在“High power CW cladding pumped Raman fiber laser”OpticsLetters/Vol.31，No.15,8/1/2006中报道了利用包层泵浦拉曼光纤的多种配置之一。通过使用MM光纤激光泵浦，本文所公开的RFL的特征在于双包层拉曼光纤具有MM纤芯、掺锗的内包层和二氧化硅外包层，该MM纤芯仅支持期望斯托克斯波长的基模(FM)。拉曼增益出现在整个MM纤芯和内包层中。通过光纤布拉格光栅(FBG)实现FM选择，其中针对FM的有效折射率调整间距。如本领域中惯常的那样，纤芯具有提高的折射率，这是由于对于已知用于增强拉曼过程的高浓度的掺杂剂，例如锗。
本文公开的RFL能够以SM输出几瓦特。通过使用与拉曼光纤的端部熔接的真正SM输出光纤来实现单模态。配置相应拉曼光纤和输出光纤的纤芯，使得单模和基模的相应模场直径(MFD)基本彼此匹配。拉曼谐振器被限定在强和弱FBG之间，并且实质上仅对第一阶斯托克斯波长的基模提供增益。然而，SM输出是通过使用SM输出光纤滤除出现在拉曼光纤的输出处的不良高阶模来获得的。
以报道的高浓度等级掺杂以上公开的拉曼光纤的整个MM纤芯的必要性增加了光纤制造工艺的复杂性和成本。报道的信号功率远远不能满足当前的工业需求。然而，申请人知道存在以连续制式(CW)工作的1.3kW拉曼激光器。然而，据申请人所知，此激光器输出的光的M2因子显著高于所需质量输出的M2因子。
因此，仍然需要一种MM拉曼包层泵浦光纤激光源，其可操作以输出光束质量为M2≤1.1的、功率范围为若干千瓦内的SM明亮信号光。
发明内容
本发明的激光源通过利用输出MM泵浦光的基于大功率光纤激光器的泵来满足此需求，该MM泵浦光被端面耦合到MM拉曼光纤的包层中。
根据本公开的一个方面，本公开的大功率单模(SM)拉曼激光源被配置有端面泵浦的多包层拉曼光纤，端面泵浦的多包层拉曼光纤具有内包层和MM纤芯，该内包层接收波长λpump的沿路径传播的多模(MM)泵浦辐射，且MM纤芯设置有中心纤芯区域。泵浦辐射的功率足够强以产生拉曼散射，从而将泵浦辐射转换为拉曼频移波长的信号辐射或比波长λpump长的信号波长λram的信号辐射。
所公开的拉曼激光源还具有间隔开的波长选择反射器，例如光纤布拉格光栅(FBG)，在波长选择反射器之间限定针对信号辐射的谐振器。鉴频器和中心纤芯通道在光学上对准并尺寸被确定为匹配信号辐射的FM，其中所述信号辐射从拉曼光纤输出的，其功率达到数十千瓦(kW)且M2≤1.1(优选地≤1.05)。
SM拉曼激光源还被配置有MM馈送光纤，该MM馈送光纤位于拉曼光纤的上游并向拉曼光纤传递泵浦辐射。馈送光纤和拉曼光纤可以直接彼此熔接或彼此间隔开。
在以间隔开的馈送光纤和MM光纤为特征的配置中，所公开的激光源还包括体光学器件，该体光学器件对泵浦辐射整形，从而使泵浦辐射耦合到拉曼光纤的内包层中。另外，可以在透镜之间放置倾斜的反射镜，以使信号波长λram的背向反射辐射偏离路径，以保护泵浦激光器。
附图说明
通过以下结合附图的具体描述，上述和其他特征和优点将变得更明显，在附图中：
图1是根据一种结构修改的本发明的全光纤拉曼光源的示意图。
图2是利用馈送光纤和拉曼光纤之间的自由空间通信的本发明的拉曼源。
图3示出了本发明的拉曼光纤的折射率分布。
图4和图5示出了图1和图2的示例性发明结构中基模的相应的场分布和强度分布。
图6示出了以光纤拉曼放大器为特征的本发明的光纤激光源。
具体实施方式
现将详细参考本发明的实施例。本发明的特征可以在本发明的拉曼光源的每个公开配置中单独使用或与所选的发明特征或所有其他发明特征组合使用。在有可能的情况下，附图和说明书中使用相同或相似的附图标记来表示相同或相似的部件或步骤。附图为简化形式，且不是按精确比例绘制的。术语“耦合”和类似术语不一定表示直接和立即连接，而是还包括通过中间元件或设备的连接。
图1示出了配置有多个SM或MM激光泵2的拉曼光纤激光源10，所述多个SM或MM激光泵2优选但非必要地基于各自能够输出功率达到千瓦(kW)等级的SM泵浦明亮光的光纤激光器。例如，各个SM光纤激光泵2各自可操作为输出1kW的SM泵浦光。SM光纤激光泵可以可选地具有主振荡器功率光纤放大器(MOPFA)配置。
相应激光泵2的输出无源光纤4通过光纤合束器以众所周知的方式耦合在一起，该光纤合束器具有输出光纤6，该输出光纤6也称为馈送光纤。多个泵输出的合束导致若干千瓦的累积泵浦光，这仅取决于泵2的合理数量及其各自的输出功率。例如，现今容易获得CW制式下的介于5和100kW之间的功率范围。在这些功率下，累积泵浦光的光束质量非常好，但是随着工业需求的不断增长，可以进一步改善它。耦合多个输出光纤以产生低输出或MM输出的合束器被称为SM-LM或LM-/MM合束器，其取决于各个泵浦光的模态和累积泵浦光束的M2因子。
馈送光纤6被配置有围绕MM纤芯12的包层8，其将累积泵浦光引向MM拉曼光纤14，该MM拉曼光纤14对缝熔接至馈送光纤6的输出端。MM光纤拉曼激光器(FRL)被配置为通过多模光纤中SRS的光束清除效应来实质上仅支持单个FM的传播。较高泵浦光功率要求馈送光纤6具有较大直径的MM纤芯12，例如50至100μm，这与双包层MM拉曼光纤14的波导内包层16相匹配。
选择MM拉曼纤芯18和包层16的直径以确保在MM拉曼纤芯的尽可能短的长度上有效地吸收泵浦光。后者输出期望信号光波长的、基模下的kW信号光，期望信号波长优选是第一阶斯托克斯波长。
为了在期望信号波长(例如第一阶斯托克斯波)下确保接近衍射极限的信号光，拉曼源10包括拉曼光纤14中的中心纤芯区域30以及强FBG 26和弱FBG 28的组合，其中强FBG26和弱FBG 28针对FM的有效折射率调整各自间距。间隔开的FBG 26和28直接写入MM拉曼纤芯18中，以为期望的第一阶斯托克斯波长限定拉曼谐振腔。中心纤芯区域30被包括在谐振腔内，并且掺杂有选自硼、锗、磷或它们的组合的杂质。中心区域30可以占据不超过整个纤芯区域的70％，其实质上是FM所占据的纤芯区域，而HOM倾向于占据纤芯区域18的***。由于中心纤芯区域30的尺寸被设计成基本上匹配FM的模场直径，因此FM被放大得比大多数HOM大得多，因此大多数HOM在拉曼光纤14的输出处被减小到背景噪声。因此，以上公开的结构确保了从拉曼光纤14发射的信号辐射在FM中。
可选地，可以将未示出的中间MM无源光纤熔接到相应的馈送光纤和拉曼光纤的相对端。尽管具有MM纤芯，但中间光纤可以配置为仅支持MFD与在拉曼纤芯18中支持的FM的MFD基本匹配的FM的传播。在该修改中，可以在中间光纤中写入强FBG 26。如果需要纯SM，则所示结构可以具有SM输出光纤24，其耦合到拉曼光纤14的输出端。弱FBG 28可以被写入输出光纤22的SM纤芯24中。如果两个FBG二者形成在相应中间无源光纤和输出无源光纤上，则拉曼光纤14的中心纤芯区域30可以保持不掺杂。
图2示出了所公开的拉曼光源10的备选架构。当来自MM馈送光纤6的累积泵浦光在自由空间上传播时，其入射到引导光学组件上，该引导光学组件包括分别间隔开的准直透镜25和聚焦透镜35。结果，泵浦光聚焦在SM无源光纤20的包层上。倾斜的反射器45位于透镜25和35之间，以防止背向反射的拉曼光朝向SM激光泵2的上游传播。其余结构与图1类似。
图3示出了图1和图2的拉曼光纤14的示例，拉曼光纤具有30μm MM纤芯18，而中心纤芯区域30为约20μm。如图4和图5可见，采用拉曼光纤14的折射率分布进行的测试示出良好的结果，示出了基模LPo的场分布和强度分布。测试中使用的配置包括以1070nm工作的SM光纤激光泵，而SM拉曼信号光是以1120nm产生的。图1和图2所示的光纤的所有上述范围都是示例性的，并且可以在不背离本发明范围的情况下进行改变。如图所示，由于氟掺杂的内部区域，内包层16的折射率分布具有凹陷(depressed)部分。或者，包层16和拉曼纤芯18的凸起区域可以由纯二氧化硅制成，因此具有基本相同的折射率。
图6图示了本公开的另一方面，其中光纤拉曼源50被配置有MM光纤拉曼放大器(FRA)32。如此实现需要的是配置为SM光纤激光器或尾纤SM二极管激光器的SM种子激光源34。种子34输出期望拉曼波长λram的SM信号光束，例如1120nm，其在SM光纤36中被引导。泵浦波长的波长范围以及因此信号波长不限于1至2微米的间隔，并且延伸超过它。
种子34可以包括SM DL或SM光纤激光器。SM光纤36可以直接熔接到SM-MM合束器48的中心光纤上，或者如图所示直接熔接到强FBG 38上，其中强FBG 38与弱FBG 46一起作为中心SM光纤激光泵42的一部分。这里，如图1和图2的示意图中一样，SM-MM合束器在输入端分别耦合到中心SM光纤激光泵42和多个SM光纤激光泵44，并且在输出端耦合到馈送光纤52。馈送光纤52被配置有纤芯和包层，纤芯用于支撑SM信号光束，包层引导波长λpump短于期望拉曼波长的累积泵浦光束，例如，其可以为1070nm。端面熔接到双包层FRA 32上，累积MM泵浦光束耦合到FRA的包层中，而信号光束耦合进入FRA的MM纤芯。
备选地，图6的元件42可以被配置为输出第一阶斯托克斯波长(例如1120nm)的光的种子激光器。除了组件34之外，其余配置保持与以上公开的相同。
随着累积泵浦光束不断穿过FRA 32的MM纤芯，其能量被传输到第一阶斯托克斯波。高阶斯托克斯波的抑制是通过计算出的拉曼光纤的长度以及MM纤芯与包层直径之间的比率来实现的。以高阶横向模为代价的基模的放大是由于相应的馈送光纤和拉曼光纤的匹配MFD及其对准而引起的。如同在图1和图2的实施例中一样，MM拉曼纤芯可以设置有掺杂有标准拉曼掺杂剂的离子的中心区域，并且中心区域的尺寸设计成对应于基模的MFD。如果残余的未被吸收的泵浦光仍然传播通过拉曼光纤的包层，则在相应的图1、图2和图6的任何实施例中，可以沿着光纤串的下游段布置模剥离器。
尽管已经根据公开的示例描述了本公开，但是在不背离所附权利要求的范围和精神的情况下，对以上公开的实施例的多种修改和/或添加对于激光领域的技术人员将是显而易见的。

Claims (9)

1.一种大功率单模拉曼激光源，包括：
多包层的拉曼光纤，所述拉曼光纤被端面泵浦，并具有：
内包层，所述内包层接收泵浦波长λpump的、沿路径传播的泵浦辐射，所述泵浦辐射是多模的；以及
多模纤芯，由所述内包层围绕并且设置有中心纤芯区域，所述泵浦辐射产生拉曼散射，所述拉曼散射引起所述泵浦辐射转换为拉曼频移波长λram的信号辐射，其中所述拉曼频移波长λram大于泵浦波长λpump，
所述中心纤芯区域的尺寸被确定为约束所述信号辐射的基模，并且掺杂有增强所述拉曼散射的杂质；以及
间隔开的波长选择反射器，在所述波长选择反射器之间限定了针对所述信号辐射的基模的谐振器，所述谐振器至少部分地包括所述中心纤芯区域，
所述波长选择反射器的尺寸被确定为与所述信号辐射的基模相匹配，其中，所述拉曼光纤以基模输出所述信号辐射，所述信号辐射功率范围在几千瓦和几十千瓦之间且M2≤1.1。
2.根据权利要求1所述的大功率单模拉曼激光源，还包括多模的馈送光纤，所述馈送光纤位于所述拉曼光纤的上游，并将所述泵浦辐射传递到所述拉曼光纤的上游端。
3.根据权利要求2所述的大功率单模拉曼激光源，其中，所述馈送光纤和拉曼光纤彼此直接熔接，所述波长选择反射器是在所述中心纤芯区域中形成的光纤布拉格光栅。
4.根据权利要求2所述的大功率单模拉曼激光源，还包括多模的中间无源光纤，所述中间无源光纤熔接到相应的馈送光纤和拉曼光纤的相对端，并且被配置有多模纤芯，所述中间无源光纤的多模纤芯支持所述中间无源光纤的基模的传播，其中，中间无源光纤和拉曼光纤的具有相应模场直径的基模彼此匹配。
5.根据权利要求4所述的大功率单模拉曼激光源，还包括熔接到所述拉曼光纤的下游端的单模输出无源光纤，所述波长反射器是写入相应的中间无源光纤和单模输出无源光纤的纤芯中的相应的光纤布拉格光栅，并且所述波长反射器与所述中心纤芯区域在光学上对准。
6.根据权利要求2所述的大功率单模拉曼激光源，还包括：准直透镜和聚焦透镜，在间隔开的馈送光纤和拉曼光纤之间；以及倾斜镜，在所述准直透镜和所述聚焦透镜之间以使背向反射光偏转离开所述路径。
7.根据权利要求1所述的大功率单模拉曼激光源，还包括具有各自的输出光纤的多个光纤激光泵，所述输出光纤在合束器中耦合在一起，从而使得相应的光纤激光泵的输出彼此相长干涉以产生泵浦波长λpump的大功率多模泵浦辐射。
8.根据权利要求1所述的大功率单模拉曼激光源，其中，所述泵浦波长λpump为1070nm，并且所述拉曼频移波长λram为1120nm。
9.根据权利要求1所述的大功率单模拉曼激光源，其中，所述拉曼光纤的内包层和多模纤芯由纯二氧化硅制成并具有彼此匹配的相应折射率，内包层区域掺杂有氟以提供凹陷。
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