CN113823990B - 一种短增益纤振荡放大共泵浦高功率窄线宽激光器 - Google Patents
一种短增益纤振荡放大共泵浦高功率窄线宽激光器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113823990B CN113823990B CN202111048129.6A CN202111048129A CN113823990B CN 113823990 B CN113823990 B CN 113823990B CN 202111048129 A CN202111048129 A CN 202111048129A CN 113823990 B CN113823990 B CN 113823990B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fiber
- amplifier
- power
- light
- laser
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 135
- 238000005086 pumping Methods 0.000 title claims abstract description 58
- 230000003321 amplification Effects 0.000 title claims abstract description 20
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 title claims abstract description 16
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 68
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 54
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 27
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims abstract description 23
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 claims abstract description 20
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 14
- 230000009022 nonlinear effect Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 5
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 14
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 14
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 claims description 10
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 8
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 claims description 4
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 3
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 2
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 claims 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 6
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 10
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 7
- 101100456571 Mus musculus Med12 gene Proteins 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
- H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
- H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
- H01S3/094003—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light the pumped medium being a fibre
- H01S3/094011—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light the pumped medium being a fibre with bidirectional pumping, i.e. with injection of the pump light from both two ends of the fibre
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/06—Construction or shape of active medium
- H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
- H01S3/067—Fibre lasers
- H01S3/06708—Constructional details of the fibre, e.g. compositions, cross-section, shape or tapering
- H01S3/06716—Fibre compositions or doping with active elements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/06—Construction or shape of active medium
- H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
- H01S3/067—Fibre lasers
- H01S3/06708—Constructional details of the fibre, e.g. compositions, cross-section, shape or tapering
- H01S3/06729—Peculiar transverse fibre profile
- H01S3/06733—Fibre having more than one cladding
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/06—Construction or shape of active medium
- H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
- H01S3/067—Fibre lasers
- H01S3/06754—Fibre amplifiers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
- H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
- H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
- H01S3/094042—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a fibre laser
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
本发明公开了一种短增益纤振荡放大共泵浦的高功率窄线宽激光器，包括种子源和放大器，种子源包括依次相连的第一光纤耦合器、信号反射光纤光栅、第一部分吸收光纤、匹配输出光纤光栅；匹配输出光纤光栅的输出端连接与放大器的输入端；放大器包含第二部分吸收光纤和第二光纤耦合器。本发明利用部分吸收光纤无需完全吸收泵浦光的特点减少增益光纤的长度，提升非线性效应阈值功率，抑制光谱展宽并保障输出光谱纯度。激光器互通了振荡器种子源与放大器的泵浦功率，使其互相利用，提升了激光器的光光转化效率。由于种子源能利用放大器的反向泵浦，使其随激光器反向泵浦功率正相关动态变化，有效抑制了ASE效应。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器技术领域，具体涉及一种短增益纤振荡放大共泵浦高功率窄线宽激光器。
背景技术
高功率光纤激光器作为一种新型固体激光器，具有热控管理方便、转化效率高、不受环境影响等优势，能够获得高亮度、高功率和良好光束质量的激光输出，在空间激光通信、激光武器等民用和军事领域得到了广泛的应用。而工作波长小于1060nm的单模窄线宽单模光纤激光器在光谱束合成(SBC)和非线性频率转换(NFC)等领域有重要的应用,同时由于较低的量子亏损致热和较强的增益饱和效应，较短波长下工作的光纤激光器具有抑制横向模式不稳定性(TMI)的优势。然而，由于短波长信号光宽吸收截面引起的放大自发辐射效应(ASE)，短波长窄线宽光纤激光器难以获得高光谱信噪比的高功率激光输出。为了获得窄线宽的高光谱信噪比激光输出，进一步优化高功率窄线宽光纤激光器的输出激光参数，激光器的不同结构也成为研究重点。一种有效的光谱控制结构是使用基于相位调制单频种子的MOPA结构。这种结构可以以极窄的线宽实现数千瓦范围内的输出激光功率。2020年，Chu等人(Q.Chu,Q.Shu,Y.Liu,R.Tao,D.Yan,H.Lin,J.Wang,and F.Jing,“3kW high OSNR1030nm single-mode monolithic fiber amplifier with a 180pm linewidth,”Opt.Lett.45,6502–6505(2020).)理论研究了短波长窄线宽中的ASE效应，并基于相位调制单频激光器和MOPA结构实现了3kW单模激光输出，在1030nm处光谱线宽为0.18nm，光谱信噪比约为37dB。但是为了提高SBS阈值，此结构需要更高速度的相位调制或更复杂的配置，这增加了成本并且对调制器提出了严格的要求。
除了相位调制种子激光器之外，还有基于光纤布拉格光栅(FBG)种子的MOPA结构。使用基于FBG的种子激光器实现高功率窄线宽输出要容易得多。但是，一旦激光达到高功率，此结构很难抑制激光光谱过度展宽。因此，以前的研究已经提出很多方案来压缩基于FBG的高功率窄线宽激光器的光谱带宽。2016年，黄等人(Huang Z,Liang X,Li C,etal.Spectral broadening in high-power Yb-doped fiber lasers employing narrow-linewidth multi longitudinal-mode oscillators.Appl Optics；55(2):297-302.(2016))研究了固定带宽内的纵模数量与非线性光谱展宽的关系，提出了基于少横模FBG振荡器种子源的MOPA结构，最终获得功率为2.9kW，线宽为0.3nm@3dB的窄线宽激光输出，光谱信噪比小于20dB。但是这种结构在实现窄线宽高功率输出的同时对光谱信噪比控制较差，不适用于短波长高功率窄线宽光纤激光器。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种短增益纤振荡放大共泵浦高功率窄线宽激光器，该激光器抑制了放大自发辐射(ASE)、光谱展宽和受激拉曼散射(SRS)，实现了高光谱信噪比的窄线宽激光输出，适用于高功率短波长窄线宽光纤激光器。
实现本发明目的技术解决方案为：一种短增益纤振荡放大共泵浦高功率窄线宽激光器，包括种子源和放大器，并且互通了振荡器种子源与放大器的泵浦功率，有效利用了振荡器和放大器的残余泵浦光；所述种子源包括依次相连的信号反射光纤光栅、第一部分吸收光纤、匹配输出光纤光栅；所述匹配输出光纤光栅的输出端连接与放大器的输入端；所述种子源的输出功率随放大器反向泵浦功率正相关动态变化。
其中，所述放大器包括相连的第二部分吸收光纤和第二光纤耦合器，所述第二部分吸收光纤的输入端连接与种子源的输出端，所述放大器的正向输入泵浦光为种子源残余正向泵浦光，所述第二光纤耦合器的泵浦输入端连接有第二泵浦源。
其中，所述第二光纤耦合器的输出端连接有光纤输出端帽。
其中，所述第一光纤耦合器和所述第二光纤耦合器均包括一个信号输入端、一个信号输出端以及至少一个泵浦输入端。
其中，利用部分吸收光纤无需完全吸收泵浦光的特点减少增益光纤的长度，提升激光器非线性效应阈值功率，抑制光谱展宽并保障输出光谱纯度。
其中，所述共泵浦结构中，种子源和放大器之间不存在泵浦隔离器件，互相利用对方残余泵浦光，提高激光器整体泵浦利用率。
其中，所述共泵浦结构允许振荡器种子源利用放大器的反向泵浦，使其随激光器反向泵浦功率正相关动态变化，增加了种子光对放大器上能级粒子数利用率，有效抑制了激光器中的ASE的效应。
本发明提供的一种短增益纤振荡放大共泵浦高功率窄线宽激光器，包括种子源和放大器，所述种子源包括依次相连的第一光纤耦合器、信号反射光纤光栅、第一双包层掺镱光纤、匹配输出光纤光栅；放大器包括依次相连的第二双包层掺镱光纤、第二光纤耦合器、光纤端帽。本发明利用部分吸收光纤无需完全吸收泵浦光的特点减少增益光纤的长度，提升激光器非线性效应阈值功率，抑制光谱展宽并保障输出光谱纯度。激光器互通了振荡器种子源与放大器的泵浦功率，有效利用了振荡器和放大器的残余泵浦光，提升了激光器的光光转化效率。共泵浦结构允许振荡器种子源利用放大器的反向泵浦，使其随激光器反向泵浦功率正相关动态变化，增加了种子光对放大器上能级粒子数利用率，有效抑制了激光器中的ASE的效应。
附图说明
图1是本发明所提出的一种短增益纤振荡放大共泵浦高功率窄线宽激光器的示意图。
图2是本发明实施例中的种子源的结构示意图。
图3是本发明实施例中的放大器的结构示意图。
图4是本发明的一种具体的实施例示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1至图3所示，本发明实施例提供的一种短增益纤振荡放大共泵浦高功率窄线宽激光器，包括依次连接的种子源1和放大器2，二者构成共泵浦结构。信号反射光纤光栅103的输入端有第一光纤耦合器102，第一光纤耦合器102串联于信号反射光纤光栅103的输入端，为正向泵浦。第二部分吸收光纤201的输出端有第二光纤耦合器202，第二光纤耦合器202串联于第二部分吸收光纤201的输出端，为反向泵浦。由于种子源1和放大器2之间没有包层光滤除器，整个激光器构成双端泵浦结构，能在激光功率增大过程中有效利用残余泵浦提升种子功率，由于种子功率的增加会增强受激辐射,消耗更多的上能级粒子数,从而降低ASE对能量的提取，达到了抑制***ASE效应的目的。并且激光器互通了振荡器种子源与放大器的泵浦功率，使其互相利用，提升了激光器整体的光光转化效率。
结合图2，所述种子源1的反向泵浦输入光为放大器2的反向残余泵浦光，其速率方程组具体如下：
其中，P表示光功率；z对应于沿光纤传播方向的坐标；下标p、s分别对应表示泵浦光和信号光；上标+和-分别表示光束的沿激光传输的正反方向；λp和λs分别对应表示泵浦光波长和信号光波长，α表示光纤中光传输损耗，σa和σe是部分吸收光纤相应的吸收和发射截面；N1和N2分别对应表示Yb3+离子上能级和下能级粒子数密度，且总粒子数密度N0＝N1+N2；h为普朗克常数，τ为Yb3+离子上能级平均寿命，c为光速，Γp和Γs分别对应表示为泵浦光和信号光的光场模式与掺杂离子区域的填充因子，Aeff1为光纤有效模式面积；和分别对应表示种子泵浦光沿光纤向前和向后方向的功率分布；/>和/>分别对应表示种子信号光沿光纤向前和向后方向的功率分布。由于第二部分吸收光纤201较短，后向泵浦光没有被放大器2完全吸收，它直接进入种子源1的第一部分吸收光纤104，实现反向泵浦的作用。因此，速率方程组的边界条件表示为：
其中，为放大器2的反向残余泵浦光功率，作为种子源1的反向输入泵浦光功率,有效利用了放大器的残余泵浦，提升了激光器光光转换效率；/>为种子源1的正向输入泵浦光功率；L1为第一部分吸收光纤104的长度；R1和R2分别为信号反射光纤光栅103和匹配输出光纤光栅105的反射率。
结合图3，由于共泵浦结构的特点，正向剩余泵浦光会随着种子信号光进入放大器2，用于受激放大，放大器2的速率方程表示为：
其中，P表示光功率；z对应于沿光纤传播方向的坐标；下标p、s分别对应表示泵浦光、信号光；上标+和-分别表示光束的沿激光传输的正反方向；各上标"*"表示参数对应为放大器的***变量；λp和λs分别对应表示泵浦光波长和信号光波长，α表示光纤中光传输损耗，σa和σe是部分吸收光纤相应的吸收和发射截面；和/>分别对应表示Yb3+离子上能级和下能级粒子数密度，且总粒子数密度/>h为普朗克常数，τ为Yb3+离子上能级平均寿命，c为光速，Γp和Γs分别对应表示为泵浦光和信号光的光场模式与掺杂离子区域的填充因子，Aeff2为光纤有效模式面积，/>和/>分别对应表示放大器泵浦光沿光纤向前和向后方向的功率分布；/>表示放大器信号光沿光纤向前方向的功率分布；/>为信号光中增益带宽Δλs内的自发辐射对激光功率的贡献。在共泵浦结构中，放大器2的前向输入泵浦光是种子源1剩余的前向泵浦光。因此，速率方程组的边界条件表示为：
其中，为注入光纤放大器2的种子功率，其值随放大器2的后向泵浦功率增大而增大；L2为第二部分吸收光纤201的长度，/>为种子源1的正向残余泵浦光功率,将进入放大器2中被用于受激放大；/>为放大器2的反向输入泵浦光功率。短增益纤振荡放大共泵浦高功率窄线宽激光器的功率分布可以通过求解方程来获得。
同时，种子源1利用放大器2的反向残余泵浦使其随反向泵浦功率正相关动态变化，增加了种子光对放大器上能级粒子数/>利用率，有效抑制了激光器中的ASE的效应。
结合图2，所述种子源1包括依次连接的第一光纤耦合器102、信号反射光纤光栅103、第一部分吸收光纤104、匹配输出光纤光栅105；所述匹配输出光纤光栅105的输出端连接放大器2的输入端。利用部分吸收光纤无需完全吸收泵浦光的特点减少增益光纤的长度，提升激光器非线性效应阈值功率，抑制光谱展宽并保障输出光谱纯度。所述第一部分吸收光纤104对泵浦光的吸收率为30％～50％，设第一部分吸收光纤104的有效长度为Leff1，则第一部分吸收光纤104的SRS阈值功率为其中Aeff1表示第一部分吸收光纤104的有效模场面积，gRaman为拉曼增益谱，由于部分吸收光纤无需完全吸收泵浦光，可使Leff1减小满足激光在SRS阈值功率下运行，提升激光器非线性效应阈值功率，保障输出光谱纯度。第一部分吸收光纤104的SPM阈值功率为/>其中n2表示非线性系数，λ表示激光波长，可使Leff1减小满足激光在SPM阈值功率下运行，防止其使光纤中脉冲前后沿相位发生相对漂移，抑制光谱展宽。
结合图3，所述放大器2包括依次连接的第二部分吸收光纤201和第二光纤耦合器202，所述第二光纤耦合器202的输出端连接有光纤输出端帽204。所述第二部分吸收光纤201对泵浦光的吸收率为60％～80％，设第二部分吸收光纤201的有效长度为Leff2，则第二部分吸收光纤201的SRS阈值功率为其中Aeff2表示第二部分吸收光纤201的有效模场面积，gRaman为拉曼增益谱，由于部分吸收光纤无需完全吸收泵浦光，可使Leff2减小满足激光在SRS阈值功率下运行，提升激光器非线性效应阈值功率，保障输出光谱纯度。所述第二部分吸收光纤201的SPM阈值功率/>其中n2表示非线性系数，λ表示激光波长，可使Leff2减小满足激光在SPM阈值功率下运行，防止其使光纤中脉冲前后沿相位发生相对漂移，抑制光谱展宽。
结合图2，第一光纤耦合器102的泵浦输入端连接有第一泵浦源101。第一光纤耦合器102包括泵浦输入端、信号输入端和输出端三个可用端口，且均通过光纤与外部连接，信号输入端光纤、输出端光纤一般为一个无源的双包层光纤；泵浦输入端一般根据所使用第一泵浦源101的数量，选择相应的单模光纤或匹配多模光纤。具体地，第一光纤耦合器102可以采用光纤侧面泵浦耦合器、端面泵浦耦合器或者其他类型的光纤耦合器，只要能实现泵浦光功率和信号传输光纤的耦合即可，此处不做限制。本实施例中以采用光纤侧面泵浦耦合器为例进行说明。
本实施例提供的短增益纤振荡放大共泵浦高功率窄线宽激光器，通过信号反射光纤光栅103和匹配输出光纤光栅104构成种子源1的谐振腔，利用第一光纤耦合器102将第一泵浦源101输出的泵浦光耦合进谐振腔内，进而在第一部分吸收光纤105内可以形成少纵模、近单频的短波长激光。该高功率光纤激光器通过种子源1输出激光，再注入放大器2进行功率放大，可实现千瓦以上的短波长窄线宽激光输出。
进一步地，如图3所示，放大器2包括相连的第二部分吸收光纤201和第二光纤耦合器202。第二光纤耦合器的泵浦输出端连接有第二泵浦源。第二光纤耦合器202也可以采用光纤侧面泵浦耦合器、端面泵浦耦合器或者其他形式的光纤耦合器。本实施例中以采用光纤侧面泵浦耦合器为例进行说明，具体的结构和形式可以与第一光纤耦合器102相同。放大器2的各组成部件通过尾纤熔接在一起。
具体地，第一部分吸收光纤104和第二部分吸收光纤201的纤芯均小于30μm，包层直径均大于200μm，长度分别小于5m、15m。由于第二部分吸收光纤长度较短，反向泵浦光未被完全吸收，可直接进入种子源的增益光纤并被受激振荡，等效实现了双端泵浦的作用。同时由于部分吸收光纤长度较短，SRS、SPM等非线性效应的阈值功率较高，能有效抑制激光在放大工程中发生的光谱展宽现象并保障输出光谱纯度。种子源1的输出功率一般为数十瓦至三百瓦，可通过放大器2放大至千瓦、甚至数千瓦以上。
更进一步地，如图3所示，第二光纤耦合器202的输出端连接有光纤输出端帽204。通过光纤输出端帽204输出高功率激光。
在上述实施例的基础上，第一泵浦源101和第二泵浦源201均为带尾纤的半导体激光器。第一泵浦源101的输出尾纤与第一光纤耦合器102的泵浦输入光纤相匹配，第二泵浦源201的输出尾纤与第二光纤耦合器202的泵浦输入光纤相匹配。
更进一步地，第一泵浦源101和第二泵浦源201的输出中心波长为97Xnm。
图4示出了一个具体的实施例，如图4所示，种子源1采用长为1.6m，纤芯/内包层直径为20/400μm的第一部分吸收光纤104，其泵浦光吸收系数为1.2dB/m@975nm。信号反射光纤光栅103对1050nm信号光的反射率为99％；匹配输出光纤光栅105对1050nm信号光的反射率为14％。第一泵浦源101通过第一光纤耦合器102向谐振腔中注入700W的抽运功率。第一光纤耦合器102泵浦纤直径为220/242μm，纤芯数值孔径为0.22；信号纤直径为20/400μm，纤芯数值孔径为0.065。匹配输出光纤光栅105的输出尾纤直接与放大器2的第二部分吸收光纤201相连。种子源1产生约250W，输出光谱3dB线宽为0.06nm的激光，注入长10m，纤芯/内包层直径为25/400μm的第二部分吸收光纤201，吸收光纤的纤芯/内包层数值孔径为0.065/0.46，泵浦吸收系数为1.8dB/m@975nm。第二泵浦源201通过第二光纤耦合器202向放大器2中注入约3600W的抽运功率，在放大器2实现了3.1kW的1050nm激光输出，输出光谱3dB线宽为0.22nm，信号光与ASE光信噪比为44dB，信号光与拉曼光的信噪比约为41.6dB，光束质量因数为M2＝1.33。综上可以看出，本发明所提供的一种短增益纤振荡放大共泵浦高功率窄线宽激光器能有效抑制短波长激光器的ASE效应，解决了放大器中光谱展宽问题。
此外，随着输出功率的提升，光纤激光器保持接近衍射极限的光束质量，并且没有观察到模式不稳定效应(TMI)，这表明激光器具有进一步功率提升的潜力。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种短增益纤振荡放大共泵浦高功率窄线宽激光器，包括依次连接的种子源(1)和放大器(2)，二者构成共泵浦结构，其特征在于：种子源(1)和放大器(2)之间不存在泵浦隔离器件，互相利用对方残余泵浦光，提高了激光器整体泵浦利用率；共泵浦结构允许种子源(1)利用放大器(2)的反向泵浦，使其随激光器反向泵浦功率正相关动态变化，增加了种子光对放大器(2)上能级粒子数利用率，有效抑制了激光器中的ASE效应；
所述种子源(1)包括依次连接的第一泵浦源(101)、第一光纤耦合器(102)、信号反射光纤光栅(103)、第一部分吸收光纤(104)、匹配输出光纤光栅(105)；所述匹配输出光纤光栅(105)的输出端连接放大器(2)的输入端；所述放大器(2)包括依次连接的第二部分吸收光纤(201)和第二光纤耦合器(202)，所述第二光纤耦合器(202)的输出端连接有光纤输出端帽(204)，所述放大器(2)还包括第二泵浦源(203)；
利用部分吸收光纤无需完全吸收泵浦光的特点减少增益光纤的长度，提升激光器非线性效应阈值功率，抑制光谱展宽并保障输出光谱纯度；
所述第一部分吸收光纤(104)对泵浦光的吸收率为30％～50％；
设第一部分吸收光纤(104)的有效长度为Leff1，则第一部分吸收光纤(104)的SRS阈值功率为其中Aeff1表示第一部分吸收光纤(104)的有效模场面积，gRaman为拉曼增益谱；
第一部分吸收光纤(104)的SPM阈值功率为其中n2表示非线性系数，λ表示激光波长；
所述第二部分吸收光纤(201)对泵浦光的吸收率为60％～80％；
设第二部分吸收光纤(201)的有效长度为Leff2，则第二部分吸收光纤(201)的SRS阈值功率为其中Aeff2表示第二部分吸收光纤(201)的有效模场面积，gRaman为拉曼增益谱；
所述第二部分吸收光纤(201)的SPM阈值功率其中n2表示非线性系数，λ表示激光波长；
所述种子源(1)的反向泵浦输入光为放大器反向残余泵浦光，其速率方程组具体如下：
其中，P表示光功率；z对应于沿光纤传播方向的坐标；下标p、s分别对应表示泵浦光和信号光；上标+和-分别对应表示光束的沿激光传输的正反方向；λp和λs分别对应表示泵浦光波长和信号光波长，α表示光纤中光传输损耗，σa和σe是部分吸收光纤相应的吸收截面和发射截面；N1和N2分别对应表示Yb3+离子上能级和下能级粒子数密度，且总粒子数密度N0＝N1+N2；h为普朗克常数，τ为Yb3+离子上能级平均寿命，c为光速，Γp和Γs分别对应表示为泵浦光和信号光的光场模式与掺杂离子区域的填充因子，Aeff1为第一部分吸收光纤(104)的有效模场面积；和/>分别对应表示种子泵浦光沿光纤向前和向后方向的功率分布；和/>分别对应表示种子信号光沿光纤向前和向后方向的功率分布；速率方程组的边界条件表示为：
其中，为放大器(2)的反向残余泵浦光功率，作为种子源(1)的反向输入泵浦光功率；/>为种子源(1)的正向输入泵浦光功率；L1为第一部分吸收光纤(104)的长度；R1和R2分别为信号反射光纤光栅(103)和匹配输出光纤光栅(105)的反射率；
种子源(1)的第一部分吸收光纤(104)为1.6m，第一部分吸收光纤(104)的泵浦光吸收系数为1.2dB/m@975nm，第一泵浦源(101)的泵浦光功率为700W，种子源(1)最终输出250W信号功率。
2.根据权利要求1所述的短增益纤振荡放大共泵浦高功率窄线宽激光器，其特征在于：所述放大器(2)的正向输入泵浦光为种子源(1)的残余正向泵浦光，放大器(2)的速率方程表示为：
其中，P表示光功率；z对应于沿光纤传播方向的坐标；下标p、s分别对应表示泵浦光、信号光；上标+和-分别表示光束的沿激光传输的正反方向；各上标"*"表示参数对应为放大器的***变量；λp和λs分别对应表示泵浦光波长和信号光波长，α表示光纤中光传输损耗，σa和σe是部分吸收光纤相应的吸收和发射截面；和/>分别对应表示Yb3+离子上能级和下能级粒子数密度，且总粒子数密度/>h为普朗克常数，τ为Yb3+离子上能级平均寿命，c为光速，/>和/>分别对应表示为泵浦光和信号光的光场模式与掺杂离子区域的填充因子，Aeff2为第二部分吸收光纤的有效模场面积，/>和/>分别对应表示放大器泵浦光沿光纤向前和向后方向的功率分布；/>表示放大器信号光沿光纤向前方向的功率分布；/>为信号光中增益带宽Δλs内的自发辐射对激光功率的贡献；速率方程组的边界条件表示为：
其中，为注入光纤放大器(2)的种子功率，其值随放大器(2)的后向泵浦功率增大而增大；L2为第二部分吸收光纤(201)的长度，/>为种子源(1)的正向残余泵浦光功率，将进入放大器(2)中被用于受激放大；/>为放大器(2)的反向输入泵浦光功率。
3.根据权利要求2所述的短增益纤振荡放大共泵浦高功率窄线宽激光器，其特征在于：所述种子源(1)利用放大器(2)的反向残余泵浦使其随反向泵浦功率正相关动态变化，增加了种子光对放大器上能级粒子数/>利用率，有效抑制了激光器中的ASE的效应。
4.根据权利要求1所述的短增益纤振荡放大共泵浦高功率窄线宽激光器，其特征在于：所述第一光纤耦合器(102)和所述第二光纤耦合器(202)均包括一个信号输入端、一个信号输出端以及至少一个泵浦输入端。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110987557 | 2021-08-26 | ||
| CN2021109875579 | 2021-08-26 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113823990A CN113823990A (zh) | 2021-12-21 |
| CN113823990B true CN113823990B (zh) | 2023-09-15 |
Family
ID=78914215
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111048129.6A Active CN113823990B (zh) | 2021-08-26 | 2021-09-08 | 一种短增益纤振荡放大共泵浦高功率窄线宽激光器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113823990B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116260031B (zh) * | 2022-12-31 | 2024-04-19 | 湖南大科激光有限公司 | 一种泵浦共享型窄线宽光纤激光器 |
| CN115966992A (zh) * | 2023-01-04 | 2023-04-14 | 北京东方锐镭科技有限公司 | 一种分段式增益结构的光纤激光器 |
| CN116154590B (zh) * | 2023-02-20 | 2024-03-05 | 上海瑞柯恩激光技术有限公司 | 光纤激光器和光纤激光治疗装置 |
-
2021
- 2021-09-08 CN CN202111048129.6A patent/CN113823990B/zh active Active
Non-Patent Citations (7)
| Title |
|---|
| 2.19 kW narrow linewidth FBG-based MOPA configuration fiber laser;YUSHENG HUANG等;《OPTICS EXPRESS》;20190130;第27卷(第3期);参见第3136-3138页 * |
| 杜伟敏等.1 5 5 0nm 高功率窄线宽光纤放大器实验研究.《 激光杂志》.2009,第30卷(第2期),第28页第4段. * |
| 杨希鹏.基于拉曼放大的布里渊光时域反射***的研究.《中国优秀硕士学位论文全文数据库基础科学辑》.2015,正文第22-23页. * |
| 杨磊.高功率窄线宽光纤激光研究及其工程化.《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》.2018,正文第7-8页. * |
| 王宇.基于全光纤结构的高功率掺镱纳秒脉冲光纤激光器.《中国优秀硕士学位论文全文数据库基础科学辑》.2019,正文第30页. * |
| 罗亿等.光纤放大器放大自发辐射特性与高温易损点位置.《物理学报》.2017,第66卷(第23期),第234206-4页第3.1节. * |
| 罗亿等.脉冲光纤放大器放大自发辐射抑制的研究进展.《激光与光电子学进展》.2017,第54卷第020004-14页3.3节. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113823990A (zh) | 2021-12-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113823990B (zh) | 一种短增益纤振荡放大共泵浦高功率窄线宽激光器 | |
| Karasek | Optimum design of Er/sup 3+/-Yb/sup 3+/codoped fibers for large-signal high-pump-power applications | |
| US9450373B2 (en) | Apparatus and method for enabling quantum-defect-limited conversion efficiency in cladding-pumped Raman fiber lasers | |
| Taylor et al. | Thulium-doped tellurite fiber amplifier | |
| CN105514774A (zh) | 纤芯-包层共抽运的2μm波段低阈值掺铥光纤激光器 | |
| KR100415548B1 (ko) | 2단 장파장 대역 어븀첨가 광섬유 증폭 장치 | |
| CN103401132B (zh) | 一种窄线宽分布反馈光纤激光放大器 | |
| CN105390913A (zh) | 辅腔泵浦铒镱共掺光纤放大器 | |
| US6697393B2 (en) | Laser amplifier, method and apparatus for laser amplification, and laser oscillator | |
| CN101908708B (zh) | 融合光纤分布反馈激光器与光纤放大器的光纤器件 | |
| CN113675720A (zh) | 一种基于带内泵浦的高效率单频掺铥光纤激光器 | |
| Even et al. | High-power double-clad fiber lasers: a review | |
| CN216251600U (zh) | 一种振荡放大一体化光纤激光器 | |
| CN105742947A (zh) | 一种抑制反向泵浦双包层光纤激光放大器中ase的*** | |
| Minelly et al. | High power diode pumped single-transverse-mode Yb fiber laser operating at 978 nm | |
| CN114825007A (zh) | 一种基于复合腔内驻波条件筛选方案的窄线宽光纤激光器 | |
| CN210296859U (zh) | 一种提高1.6μm波段铒镱共掺光纤激光器转换效率的结构 | |
| CN211238802U (zh) | 末级放大器及光纤激光输出装置 | |
| CN209929673U (zh) | 具有抑制sbs作用的双向泵浦双包层光纤激光放大器 | |
| Zhou et al. | A sub-kHz narrow-linewidth, and hundred-mW high-output-power silicon-based Er silicate laser with hybrid pump and signal co-resonant cavity | |
| Sabourdy et al. | 975-nm single-mode laser source: external coherent combining of two pigtailed laser diodes | |
| Meng et al. | Demonstration of 3 kW-Level Nearly Single Mode Monolithic Fiber Amplifier Emitting at 1050 Nm Employing Tapered Yb-Doped Fiber | |
| Soderlund et al. | Amplified spontaneous emission in cladding-pumped L-band erbium-doped fiber amplifiers | |
| Kaur et al. | Role of an isolator in optimization of forward conversion efficiency in an Er-doped SFS source at 1.55 μm | |
| JPH0818137A (ja) | 高出力光増幅器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Han Zhigang Inventor after: Li Yonglong Inventor after: Zhu Rihong Inventor after: Zheng Yunhan Inventor after: Li Fangxin Inventor after: Zhang Xiaoyu Inventor after: Wang Haoye Inventor after: Fan Xingyue Inventor after: Shan Xiaoqin Inventor before: Zhu Rihong Inventor before: Li Yonglong Inventor before: Shan Xiaoqin Inventor before: Zheng Yunhan Inventor before: Li Fangxin Inventor before: Zhang Xiaoyu Inventor before: Wang Haoye Inventor before: Han Zhigang Inventor before: Fan Xinyue |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |