CN115663578A - 一种基于多沟壑和泵浦-增益一体化技术的光纤激光放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多沟壑和泵浦‑增益一体化技术的光纤激光放大器，包括信号光部分、泵浦光部分、泵浦‑增益一体化光纤，盘绕区，用于为获得高功率、高光束质量、低非线性的单纤激光提供一种有效技术途径或方案。

Description

一种基于多沟壑和泵浦-增益一体化技术的光纤激光放大器

技术领域

本发明涉及一种基于多沟壑和泵浦-增益一体化技术的光纤激光放大器；其可为获得高功率、高光束质量、低非线性的单纤激光提供一种有效技术途径或方案。

背景技术

随着高功率光纤激光器技术的发展，为了不断追求更高功率、更高光束质量、低非线性的光纤输出，相关科研及工程技术人员都在不断地进行钻研与探索，并在各个技术方案上实现了不断的突破。很明显，在技术上，为了实现更高功率、光束质量输出，获得具有大模场特性的有源增益纤显得尤为重要。但是，为了追求大模场且同时保持增益纤的少模特性，因此需要不断地降低数值孔径，而局限于目前的常规双包层增益纤制备技术对折射率的控制精度，使得纤芯数值＜0.06的双包层大模场光纤难以制备。为了实现对纤芯折射率的精确控制，于是使得光子晶体和光子带隙光纤技术得到了一定发展。此外，为了克服纤芯数值孔径无法降低的难题且获得具有大模场直径光纤，并使其输出的激光具有高光束质量，于是还衍生出大模场高阶模式滤除或者模式控制光纤，如：泄漏通道光纤，手性纤芯耦合光纤、大间距光子晶体光纤等。但是以上技术都存在制备工艺技术流程复杂且难度较大，难以实现广泛地实际工程应用。

存在目前市场主要采用具有大模场的低数值孔径(NA≥0.06)阶跃折射率型光纤(大模场双包层光纤)作为有源增益纤。其缺点：缺少高阶模式抑制手段，在使用过程易产生高阶模，即模式不稳定性。光子晶体光纤、光子晶体棒状光纤、泄漏通道光子晶体光纤、大间距光子晶体纤等。该类光纤自身结构构造较为复杂，因此，一方面使得制备工艺复杂且难度极大，很难满足工程应用需求；另一方面，该类光纤与当前常用的折射率阶跃型光纤的兼容性较低，往往因熔接过程中出现的塌缩效应而使得损耗较高，难以被应用于高功率光纤激光方面。多沟壑多模抑制技术所对应的光纤其制备难度较低，从制备工艺上，更容易获得实现。

为了更好地获得更高功率、更高光束质量、低非线性光纤激光输出，并使得技术方案更容易实现工程应用。发明人想到了将泵浦-增益一体化和多沟壑多模抑制两项技术有机的结合起来。泵浦-增益一体化技术可以很大程度的提高泵浦光注入能力，可支持超高功率激光输出所需要的泵浦增益。同时，也降低有源增益光纤对泵浦源的亮度要求，进而降低该光学方案的成本。多沟壑多模抑制技术所对应的光纤呈对称，通过光纤结构折射率沟壑设计可良好的对高阶光纤模式实现高耦合损耗，从而抑制高阶模式的出现。两者的结合使得，当泵浦光从通过有源纤的侧面进入有源纤时，泵浦-增益一体化技术的倏逝波耦合效应可以使得耦合入的泵浦光的传播方式以沿着有源纤芯的延伸方向进行传播的同时更大可能的因为模式的匹配效应(多沟壑多模抑制光纤的结构与泵浦光的相互作用)而尽可能的限制在多沟壑有源纤的掺杂纤芯处传播，从而提高位于有源纤的掺杂纤芯的基模的激发。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于多沟壑和泵浦-增益一体化技术的光纤激光放大器，克服了现有技术的不足，设计合理。

为了实现高功率、高光束质量、低非线性光纤激光输出这一技术要求。将两项技术有机的巧妙的结合起来，a、采用增益-一体化光纤泵浦技术为获得“高功率”输出提供足够的泵浦增益；b、采用具有圆对称结构的多沟壑多模抑制光纤，在制备方面，不但可以较容易地实现大模场(低非线性)光纤制备，而且还可实现对高阶模式的良好抑制，利于获得“高光束质量”单纤激光输出。两者的结合使得，当泵浦光从通过有源纤的侧面进入有源纤时，泵浦-增益一体化技术的倏逝波耦合效应可以使得耦合入的泵浦光的传播方式以沿着有源纤芯的延伸方向进行传播的同时更大可能的因为模式的匹配效应(多沟壑多模抑制光纤的结构与泵浦光的相互作用)而尽可能的限制在多沟壑有源纤的掺杂纤芯处传播，从而提高位于有源纤的掺杂纤芯的基模的激发。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种基于泵浦-增益一体化和多沟壑多模抑制技术的高功率光纤激光放大器，用以获得高功率、光束质量、低非线性单纤激光输出。

本发明提供了一种基于多沟壑和泵浦-增益一体化技术的光纤激光放大器，包括，信号光部分、泵浦光部分、泵浦-增益一体化光纤，泵浦-增益一体化光纤包括位于中心的有源纤、位于有源纤***的泵浦纤，信号光部分用于将信号光输出到泵浦-增益一体化光纤的有源纤中；泵浦光部分用于将泵浦光耦合到泵浦-增益一体化光纤放大器的泵浦纤中；有源纤为多沟壑光纤，有源纤包括位于中心的掺杂纤芯，位于掺杂纤芯***的低折射率光纤环区、谐振环区以及包层。

优选地，有源纤结构包括掺杂纤芯f、第一低折射率光纤环区e、第二低折射率光纤环区c、第三低折射率光纤环区a、第一谐振环区d、第二谐振环区b和包层。

优选地，掺杂纤芯f位于有源纤中心，在其外侧紧邻设置第一低折射率光纤环区e，第一低折射率光纤环区临近并包围掺杂纤芯f；第一低折射率光纤环区e外侧紧邻的设置第一谐振环区d，第一谐振环区d临近并包围第一低折射率光纤环区e；第一谐振环区d外侧紧邻设置第二低折射率光纤环区c,第二低折射率光纤环区c临近并包围第一谐振环区d；第二低折射率光纤环区c外侧紧邻的设置第二谐振环区b，第二谐振环区b临近并包围第二低折射率光纤环区c；第二谐振环区b外侧紧邻设置第三低折射率光纤环区a，第三低折射率光纤环区a外侧紧邻设置石英包层，石英包层临近并包围第三低折射率光纤环区。

优选地，信号光部分包括单模输出振荡器，通过单模输出振荡器输出信号光，工作波长为稀土离子的受激发射光的波长，将信号光部分的输出光纤与泵浦-增益一体化光纤的有源纤通过模式匹配器进行低插损熔接，并将该信号光注入至泵浦—增益一体化光纤放大器中，实现信号光注入。

优选地，泵浦光部分可以包括两组泵浦光输出部分，分别为第一泵浦光输出部分，第二泵浦光输出部分；第一泵浦光输出部分对应泵浦增益一体化光纤的泵浦纤的正向输入，而第二泵浦光输出部分对应泵浦增益一体化光纤的泵浦纤的反向输入。

优选地，对于每个泵浦光输出部分而言，例如第一泵浦光输出部分，由于泵浦-增益一体光纤存在8根泵浦纤，每根泵浦纤正向对应一组泵浦源，每组泵浦源都是由多个泵浦源通过光纤泵浦合束器合束而成，将该泵浦合束器的输出尾纤再与泵浦-增益一体化光纤中的8根泵浦纤中的每根进行熔接，以实现泵浦光对该泵浦-增益一体光纤的泵浦注入。

对于第二泵浦光输出部分优选的可以同第一泵浦光输出部分一样设置，泵浦-增益一体光纤存在8根泵浦纤，每根泵浦纤反向对应一组泵浦源，每组泵浦源都是由多个泵浦源通过光纤泵浦合束器合束而成，将该泵浦合束器的输出尾纤再与泵浦-增益一体化光纤中的8根泵浦纤中的每根进行熔接，以实现泵浦光对该泵浦-增益一体光纤的泵浦注入。

优选地，有源纤为8边形包层多沟壑光纤，8根泵浦纤分别与有源纤外包层8条边贴合，优选地，8边形可以为正八边形或其它合适的形状。泵浦光可利用泵浦纤与有源纤包层贴合而产生的倏逝波耦合效应来实现泵浦光从泵浦纤至有源纤的耦合或导入。

优选地，有源纤纤芯为镱离子掺杂，有源纤总长度为15～35m，掺杂纤芯f区直径为为25-50μm，包层直径可为300-700μm。

优选地，第一低折射率光纤环区单边壁厚为1.5μm-2.5μm，第二低折射率光纤环区c单边壁厚为1.5μm-2.5μm，第三低折射率光纤环区a单边壁厚为1.5μm-2.5μm，第一谐振环区d材质为纯石英，单边壁厚为6μm-10μm；第二谐振环区b材质为纯石英，单边壁厚为6μm-10μm，有源纤石英包层直径g＝400μm，泵浦-增益一体化光纤中的泵浦纤为直径为h＝250μm，NA为0.46。

优选地，包括盘绕区，盘绕区为对泵浦-增益一体化光纤的一段弯曲盘绕，用于提高有源纤多沟壑结构的高阶模式滤除效果。

一种泵浦-增益一体化光纤，包括位于中心的有源纤、位于有源纤***的泵浦纤，有源纤结构包括掺杂纤芯f、第一低折射率光纤环区e、第二低折射率光纤环区c、第三低折射率光纤环区a、第一谐振环区d、第二谐振环区b和外部的包层，掺杂纤芯f位于有源纤中心，在其外侧紧邻设置第一低折射率光纤环区e，第一低折射率光纤环区临近并包围掺杂纤芯f；第一低折射率光纤环区e外侧紧邻的设置第一谐振环区d，第一谐振环区d临近并包围第一低折射率光纤环区e；第一谐振环区d外侧紧邻设置第二低折射率光纤环区c,第二低折射率光纤环区c临近并包围第一谐振环区d；第二低折射率光纤环区c外侧紧邻的设置第二谐振环区b，第二谐振环区b临近并包围第二低折射率光纤环区c；第二谐振环区b外侧紧邻设置第三低折射率光纤环区a，第三低折射率光纤环区a外侧紧邻设置包层，包层临近并包围第三低折射率光纤环区；8根泵浦纤分别与有源纤的包层贴合。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供了一种基于多沟壑和泵浦-增益一体化技术的光纤激光放大器，将两项技术有机的巧妙的结合起来，a、采用增益-一体化光纤泵浦技术为获得“高功率”输出提供足够的泵浦增益；b、采用具有圆对称结构的多沟壑多模抑制光纤，在制备方面，不但可以较容易地实现大模场(低非线性)光纤制备，而且还可实现对高阶模式的良好抑制，利于获得“高光束质量”单纤激光输出。两者的结合使得，当泵浦光从通过有源纤的侧面进入有源纤时，泵浦-增益一体化技术的倏逝波耦合效应可以使得耦合入的泵浦光的传播方式以沿着有源纤芯的延伸方向进行传播的同时更大可能的因为模式的匹配效应(多沟壑多模抑制光纤的结构与泵浦光的相互作用)而尽可能的限制在多沟壑有源纤的掺杂纤芯处传播，从而提高位于有源纤的掺杂纤芯的基模的激发。

2、光纤沿径向交替分布的环状折射率区域可起到高阶模式滤除效果，这里主要利用了该光纤结构纤芯的高阶模式激光可与谐振环状区域的模式实现相位匹配，即高阶模式耦合。于是，该谐振环状区域可将有源纤纤芯的高阶模式进行滤除，以形成泄漏模，对纤芯内的高阶模式进行抑制，起到纤芯模式优化的作用。

3、多个低折射率光纤环区尤其是第一低折射率光纤环区作用为有源纤的掺杂纤芯的外部低折射率界面而产生的全反射效应可以有效的将泵浦光的大部分和基模信号光的绝大部分限制在有源纤的掺杂纤芯内。而高阶光由于可以突破多沟壑的限制作用，可以脱离出有源纤的掺杂纤芯区的限制，由此，降低高阶模的放大作用并分离高阶模的影响。

4、将泵浦-增益一体化光纤的一段弯曲盘绕，由于多层低折射率光纤环区的反射尤其是第一低折射率光纤环区的界面反射使得光束在到达界面处反射把光束约束在纤芯掺杂区，使得泵浦光在经过这段盘绕时能够来回往复的经过纤芯掺杂区，从而使得泵浦光经过纤芯掺杂区的距离增加(泵浦光经过纤芯掺杂区的路径距离增加能够增加泵浦效率)的同时使得纤芯掺杂区各个区域受到泵浦的程度更加的均匀。而多层低折射率光纤环区的反射使得泵浦光和信号光的约束更加的可靠和稳定，相比于通常的普通弯曲光纤能大幅提高光的约束能力，降低光损耗和提高光效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明的基于泵浦-增益一体化和多沟壑多模抑制技术的高功率光纤激光放大器的结构示意图；

图2是泵浦-增益一体化光纤的结构示意图；

图3是泵浦-增益一体化光纤的有源纤的结构示意图；

图4是泵浦-增益一体化光纤的泵浦纤的结构示意图；

图5是泵浦-增益一体化光纤的泵浦结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明实施例提供了一种基于泵浦-增益一体化和多沟壑多模抑制技术的高功率光纤激光放大器，用以获得高功率、光束质量、低非线性单纤激光输出。

参见图1，光纤放大器包括信号光部分10、泵浦光部分20、泵浦-增益一体化光纤30、盘绕区40。

信号光部分优选的包括近单模输出振荡器，通过近单模输出振荡器输出信号光，优选的工作波长为镱、铥，铒、钬等稀土离子的受激发射光的波长，例如，优选地，工作波长为镱离子的受激发射光的波长，优选地为1080nm。优选地，信号光部分的输出光纤可以采用NA为0.075，纤芯直径为10μm，包层直径为125μm的光纤。为了实现信号光的放大输出，于是，将该输出光纤与泵浦-增益一体化光纤的中心有源纤通过模式匹配器进行低插损熔接，并将该信号光注入至泵浦—增益一体化光纤放大器中，实现信号光注入。光纤熔接可采用CO2激光或者电极放电熔接方法将两部分进行熔接。

信号光部分用于将信号光输出到泵浦-增益一体化光纤30的中心有源纤中。

泵浦光部分20包括多组激光二极管(LD)半导体激光器，优选地，泵浦光波长为可以激发镱、铥，铒、钬等稀土离子的激发光的泵浦波长，优选地，泵浦光波长为镱离子的泵浦波长，为915或976nm。

优选地，泵浦光部分可以包括多组泵浦光输出部分，优选地包括两组泵浦光输出部分，分别为第一泵浦光输出部分1，第二泵浦光输出部分2；优选地，每一个泵浦光输出部分都包括8组激光二极管(LD)半导体激光器，参照图5，第一泵浦光输出部分1对应泵浦增益一体化光纤的8根泵浦纤的正向输入，而第二泵浦光输出部分2对应泵浦增益一体化光纤的8根泵浦纤的反向输入。

优选的，每组激光二极管半导体激光器包括一个或多个激光二极管半导体激光器，其中，泵浦光部分中的单只激光二极管半导体激光器模块的输出纤优选地可以选择为105/125/0.22，135/155/0.22，200/220/0.22三种标准泵浦光纤中的其中一款。

优选地，对于每个泵浦光输出部分而言，例如第一泵浦光输出部分，由于泵浦-增益一体光纤存在8根泵浦纤，每根泵浦纤正向对应一组泵浦源，每组泵浦源都是由多个泵浦源通过光纤泵浦合束器合束而成，将该泵浦合束器的输出尾纤再与泵浦-增益一体化光纤中的8根泵浦纤中的对应的泵浦纤进行熔接，以实现泵浦光对该泵浦-增益一体光纤的泵浦注入。

对于第二泵浦光输出部分优选的可以同第一泵浦光输出部分一样设置，泵浦-增益一体光纤存在8根泵浦纤，每根泵浦纤反向对应一组泵浦源，每组泵浦源都是由多个泵浦源通过光纤泵浦合束器合束而成，将该泵浦合束器的输出尾纤再与泵浦-增益一体化光纤中的8根泵浦纤中的对应的泵浦纤进行熔接，以实现泵浦光对该泵浦-增益一体光纤的泵浦注入。

首先将每组泵浦光输出部分其中的一组LD半导体激光器中的多只LD泵浦激光进行合束并耦合至泵浦-增益一体化光纤中的对应的泵浦纤中，以此类推，从而实现对泵浦-增益一体化光纤放大器的泵浦光注入，提供增益。

泵浦光部分用于将泵浦光耦合到泵浦-增益一体化光纤放大器的泵浦纤中。

泵浦-增益一体化(有源)光纤30(参见图2)包括位于中心的有源纤31、位于有源纤***的泵浦纤32、涂覆层(涂覆层未示出，有时可省去涂覆层)等部分，优选地，该光纤在拉制过程中是在保证信号纤与泵浦纤贴合的情况进行涂覆的，除贴合区没有涂覆层材料，其他区域都将充满涂覆材料，因此，涂覆层没有在图中示出。将泵浦-增益一体化光纤进行涂覆后，图2中显示的泵浦纤与信号纤周围的空隙会被低折射率涂层材料填满并延伸至8根泵浦纤的外部，进而形成与普通光纤相同的涂覆结构。信号光与泵浦纤之间的光传输只是通过两根光纤之间的贴合处。这样做的目的在于可以良好的固定泵浦纤和有源纤之间的相对位置，防止出现位置两者之间的相对位置偏移和两者之间因为环境或器件晃动等原因而出现的缝隙，有效的防止了因为位置偏移和两者之间的缝隙导致的耦合效率的降低，同时作为一个整体能够更好的保护有源纤和泵浦纤。优选地，有源纤31纤芯为镱离子掺杂(当然也可以为铥，铒、钬等稀土离子掺杂)，优选地，有源纤总长度为15～35m。发明人意识到，当从侧面耦合时，圆形的包层由于接触面积较小，不利于倐逝波的耦合，会造成较大的耦合损耗，优选的，该有源纤包层为8边型，用于使得有源纤的边更加符合泵浦纤的尺寸以贴近泵浦纤，使得纤芯对泵浦光获得更有效吸收(圆形表面和平面的接触相比于两个圆形表面的接触能提高模式匹配性并降低界面损耗)，优选地，该有源纤对泵浦光的吸收系数约为0.5dB/m@915nm和1.5dB/m@976nm。光纤在拉制过程中是在保证信号纤与泵浦纤贴合的情况进行涂覆的，除贴合区没有涂覆层材料，其他区域都将充满涂覆材料。泵浦纤优选地为圆形结构，可以包括包层或没有包层，泵浦纤外涂覆层优选地为与有源纤的涂覆层一体，且8根泵浦纤分别与有源纤外包层8条边贴合，因此，泵浦光可利用泵浦纤与有源纤包层贴合而产生的倏逝波耦合效应来实现泵浦光从泵浦纤至有源纤的耦合或导入。优选地，当具有涂覆层时，该泵浦-增益一体化光纤涂覆层由具有低折射率的丙烯酸树脂材料组成，优选地，涂覆层直径可为600-1400μm，优选地涂覆层直径为1000μm。

优选地，有源纤31为多沟壑光纤，包括位于中心的掺杂纤芯，位于掺杂纤芯***的多个低折射率光纤环区，一个或多个谐振环区以及包层。

优选地，有源纤31为8边形包层多沟壑光纤(如图3)，该有源纤31结构主要包括掺杂纤芯f、3个沿径向交替分布的低折射率分布的光纤环区(分别为第一低折射率光纤环区e、第二低折射率光纤环区c、第三低折射率光纤环区a)、第一谐振环区d、第二谐振环区b，石英包层等部分。优选地，掺杂纤芯f位于有源纤中心，在其外侧紧邻设置第一低折射率光纤环区e，第一低折射率光纤环区临近并包围掺杂纤芯f；第一低折射率光纤环区e外侧紧邻的设置第一谐振环区d，第一谐振环区d临近并包围第一低折射率光纤环区e；第一谐振环区d外侧紧邻设置第二低折射率光纤环区c,第二低折射率光纤环区c临近并包围第一谐振环区d；第二低折射率光纤环区c外侧紧邻的设置第二谐振环区b，第二谐振环区b临近并包围第二低折射率光纤环区c；第二谐振环区b外侧紧邻设置第三低折射率光纤环区a，第三低折射率光纤环区a外侧紧邻设置石英包层，石英包层临近并包围第三低折射率光纤环区。

工业上的光纤放大器的主要功能参数中重点考虑的两点为输出功率和能量利用率，因此，很多发明都是希望能提高这两点的效果，通常为了提高泵浦光的泵浦效率和能量利用率，以使得光纤温度降低而降低光纤模式不稳定和降低光纤热损伤(光纤温度过高会产生模式不稳定和光纤热损伤)和降低能量损耗(高功率激光的能量损耗是工业应用上最常考虑的点，光光转换效率是重要的表征激光器是否先进的重要指标)，而为了达到这个效果，尤其重要的是提高光光转换效率，需要泵浦光首先尽可能在掺杂纤芯内沿着纤芯的方向进行传播，这样可以使得泵浦光遍历纤芯的各个掺杂区域，泵浦光的传播区域与掺杂纤芯沿着光纤延伸方向的重合区域较大，利于泵浦光的有效利用；同时希望泵浦光能够尽可能的约束在有源纤的掺杂纤芯区域内，在外部的泵浦光应该尽可能的少，首先因为在掺杂纤芯区域外的泵浦光不能有效的泵浦基模光，其次在掺杂纤芯外部传播的泵浦光也成为了杂散的需要滤除的光，造成了杂散光滤除难度较大的问题；同时沿着光纤延伸方向传播时，尽可能与掺杂纤芯重合的泵浦光则可以有效的泵浦和放大信号基模光，发明人意识到，当采用如图2的结构时，泵浦光从通过有源纤的侧面进入有源纤时，倏逝波耦合效应可以使得耦合入的泵浦光的传播方式以沿着有源纤芯的延伸方向进行传播的同时更大可能的因为模式的匹配效应(多沟壑多模抑制光纤的多沟壑结构与泵浦光的相互作用)而尽可能的限制在有源纤的掺杂纤芯处传播，从而提高位于有源纤的掺杂纤芯的基模的激发。

优选地，掺杂纤芯f区直径为为25-50μm，优选地，掺杂纤芯f的区的直径为30μm；优选地，掺杂纤芯f的折射率为1.45；优选地，有源纤的数值孔径为0.066。

优选地，第一低折射率光纤环区e的折射率为1.4485，优选地，单边壁厚为1.5μm-2.5μm，优选地，单边壁厚为2μm；优选地，第二低折射率光纤环区c的折射率为1.4485，优选地，单边壁厚为1.5μm-2.5μm，优选地，单边壁厚为2μm；优选地，第三低折射率光纤环区a的折射率为1.4485，优选地，单边壁厚为1.5μm-2.5μm，优选地，单边壁厚为2μm。

因此，除了(a)多沟壑结构和泵浦光的倐逝波耦合的因为模式匹配而使得泵浦光尽可能的限制在有源纤的掺杂纤芯内之外，还因为(b)，多个低折射率光纤环区尤其是第一低折射率光纤环区作用为有源纤的掺杂纤芯的外部低折射率界面而产生的全反射效应可以有效的将泵浦光的大部分和基模信号光的绝大部分限制在有源纤的掺杂纤芯内。而高阶光由于可以突破多沟壑的限制作用，可以脱离出有源纤的掺杂纤芯区的限制，由此，降低高阶模的放大作用并分离高阶模的影响。基于该两项原因的双重作用，可以极大的提升基模光的激发效率和信号光的耦合效率，并且良好的与高阶光分离。

优选地，第一谐振环区d材质为纯石英，优选地，单边壁厚为6μm-10μm，优选地，单边壁厚为8μm；优选地，第二谐振环区b材质为纯石英，优选地，单边壁厚为6μm-10μm，优选地，单边壁厚为8μm。

该光纤沿径向交替分布的环状折射率区域可起到高阶模式滤除效果，这里主要利用了该光纤结构纤芯的高阶模式激光可与谐振环状区域的模式实现相位匹配，即高阶模式耦合。于是，该谐振环状区域可将有源纤纤芯的高阶模式进行滤除，以形成泄漏模，对纤芯内的高阶模式进行抑制，起到纤芯模式优化的作用。在光纤弯曲盘绕的情况下，该有源纤可实现对高阶模式约10dB/m传输损耗，而对基模式的损耗为0.03dB/m，因此该光纤在获得高光束质量激光方面具有很大的优势。

有源纤31采用多沟壑多模抑制光纤可以解决的一个显著的问题是降低有源纤和信号光纤之间的***损耗，通常的其它的多模抑制光纤(光子晶体光纤、光子晶体棒状光纤、泄漏通道光子晶体光纤、大间距光子晶体纤)与信号光纤由于结构差异较大和模式不匹配，会造成很高的熔接***损耗，造成整体的放大能力降低和能量损耗，而发明人意识到多沟壑多模抑制光纤与目前常用的折射率阶跃型光纤良好的熔接匹配性，在本发明中可以显著的降低耦合损耗，将该信号输出光纤与泵浦-增益一体化中心有源纤通过模式匹配器进行低插损熔接，并将该信号光注入至泵浦—增益一体化光纤放大器中，实现信号光注入，可以显著的降低信号光耦合损耗。

优选地，有源纤石英包层直径g为300-700μm，优选地有源纤石英包层直径g为＝400μm或是优选地有源纤石英包层直径g为＝500μm。

优选地，泵浦-增益一体化光纤中的泵浦纤32(附图4)为无芯石英光纤，即优选的，泵浦纤没有包层(即以光纤的空气接触界面起到包层功能)，以提高泵浦光耦合效率，优选地，优选的泵浦纤32为直径为200-360μm，优选的，泵浦纤32为直径为h＝250μm，NA为0.46。优选地，该泵浦纤可由纯石英预制棒拉制而成。该8根泵浦纤可为泵浦-增益一体化光纤提供正向8个和反向8个泵浦光注入泵浦纤输入端，可很大程度地降低对泵浦光的亮度要求。优选地，有源纤也可以采用其它的多边形，例如9边形，泵浦纤也可以采用对应的9根，有源纤也可以采用12边形等，泵浦纤也可以采用对应的12根泵浦纤。以通过增加泵浦纤数量来提高泵浦光注入能力。

由于泵浦光在沿着有源纤的延伸方向传播时并不一定是均匀的，有时有源纤的有些纤芯掺杂区并不一定能够得到充足的泵浦，这将造成泵浦效率的下降和增益的不均匀，为此，我们可以将泵浦-增益一体化光纤的一段弯曲盘绕，由于多层低折射率光纤环区的反射尤其是第一低折射率光纤环区的界面反射使得光束在到达界面处反射把光束约束在纤芯掺杂区，使得泵浦光在经过这段盘绕时能够来回往复的经过纤芯掺杂区，从而使得泵浦光经过纤芯掺杂区的距离增加(泵浦光经过纤芯掺杂区的路径距离增加能够增加泵浦效率)的同时使得纤芯掺杂区各个区域受到泵浦的程度更加的均匀。而多层低折射率光纤环区的反射使得泵浦光和信号光的约束更加的可靠和稳定，相比于通常的普通弯曲光纤能大幅提高光的约束能力，降低光损耗和提高光效率。

优选地，盘绕区40为对泵浦-增益一体化光纤的一段弯曲盘绕，由于该盘绕段的存在，将很大程度上地提高有源纤多沟壑结构的高阶模式滤除效果，优选地，该盘绕段光纤盘绕直径为7～15cm，盘绕圈数为4～10圈。高阶模在光纤弯曲时更容易逸出纤芯。

与现有常规阶跃折射率型光纤兼容度高，熔接方便，插损低，便于提高光电转换效率；同时具备高功率、光束质量、低非线性获得特性。

将本专利中的泵浦增益一体化光纤应用于激光振荡器，获得高功率单纤振荡器激光。有源纤主纤芯可掺杂通常的稀土离子，如：铥，铒、钬等，采用该结构实现高质量激光输出。

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 (10)

1.一种基于多沟壑和泵浦-增益一体化技术的光纤激光放大器，其特征在于，包括，信号光部分(10)、泵浦光部分(20)、泵浦-增益一体化光纤(30)，泵浦-增益一体化光纤包括位于中心的有源纤(31)、位于有源纤***的泵浦纤(32)，信号光部分用于将信号光输出到泵浦-增益一体化光纤(30)的有源纤中；泵浦光部分用于将泵浦光耦合到泵浦-增益一体化光纤放大器的泵浦纤中；有源纤(31)为多沟壑光纤，有源纤(31)包括位于中心的掺杂纤芯，位于掺杂纤芯***的低折射率光纤环区、谐振环区以及包层。

2.根据权利要求1的基于多沟壑和泵浦-增益一体化技术的光纤激光放大器，其特征在于，有源纤(31)结构包括掺杂纤芯f、第一低折射率光纤环区e、第二低折射率光纤环区c、第三低折射率光纤环区a、第一谐振环区d、第二谐振环区b和包层。

3.根据权利要求2的基于多沟壑和泵浦-增益一体化技术的光纤激光放大器，其特征在于，掺杂纤芯f位于有源纤中心，在其外侧紧邻设置第一低折射率光纤环区e，第一低折射率光纤环区临近并包围掺杂纤芯f；第一低折射率光纤环区e外侧紧邻的设置第一谐振环区d，第一谐振环区d临近并包围第一低折射率光纤环区e；第一谐振环区d外侧紧邻设置第二低折射率光纤环区c,第二低折射率光纤环区c临近并包围第一谐振环区d；第二低折射率光纤环区c外侧紧邻的设置第二谐振环区b，第二谐振环区b临近并包围第二低折射率光纤环区c；第二谐振环区b外侧紧邻设置第三低折射率光纤环区a，第三低折射率光纤环区a外侧紧邻设置石英包层，石英包层临近并包围第三低折射率光纤环区。

4.根据权利要求1的基于多沟壑和泵浦-增益一体化技术的光纤激光放大器，其特征在于，信号光部分包括单模输出振荡器，通过单模输出振荡器输出信号光，工作波长为稀土离子的受激发射光的波长，将信号光部分的输出光纤与泵浦-增益一体化光纤的有源纤通过模式匹配器进行低插损熔接，并将该信号光注入至泵浦—增益一体化光纤放大器中，实现信号光注入。

5.根据权利要求1的基于多沟壑和泵浦-增益一体化技术的光纤激光放大器，其特征在于，泵浦光部分可以包括两组泵浦光输出部分，分别为第一泵浦光输出部分(1)，第二泵浦光输出部分(2)；第一泵浦光输出部分(1)对应泵浦增益一体化光纤的泵浦纤的正向输入，而第二泵浦光输出部分(2)对应泵浦增益一体化光纤的泵浦纤的反向输入。

6.根据权利要求1的基于多沟壑和泵浦-增益一体化技术的光纤激光放大器，其特征在于，有源纤(31)为8边形包层多沟壑光纤，8根泵浦纤分别与有源纤外包层8条边贴合，泵浦光可利用泵浦纤与有源纤包层贴合而产生的倏逝波耦合效应来实现泵浦光从泵浦纤至有源纤的耦合或导入。

7.根据权利要求1的基于多沟壑和泵浦-增益一体化技术的光纤激光放大器，其特征在于，有源纤(31)纤芯为镱离子掺杂，有源纤总长度为15～35m，掺杂纤芯f区直径为25-50μm，包层直径为300-700μm。

8.根据权利要求3的基于多沟壑和泵浦-增益一体化技术的光纤激光放大器，其特征在于，第一低折射率光纤环区单边壁厚为1.5μm-2.5μm，第二低折射率光纤环区c单边壁厚为1.5μm-2.5μm，第三低折射率光纤环区a单边壁厚为1.5μm-2.5μm，第一谐振环区d材质为纯石英，单边壁厚为6μm-10μm；第二谐振环区b材质为纯石英，单边壁厚为6μm-10μm，有源纤石英包层直径g＝300-700μm，泵浦-增益一体化光纤中的泵浦纤为直径h为200-360μm。

9.根据权利要求1的基于多沟壑和泵浦-增益一体化技术的光纤激光放大器，其特征在于，包括盘绕区40，盘绕区40为对泵浦-增益一体化光纤的一段弯曲盘绕，用于提高有源纤多沟壑结构的高阶模式滤除效果。

10.一种泵浦-增益一体化光纤，其特征在于，包括位于中心的有源纤(31)、位于有源纤***的泵浦纤(32)，有源纤(31)结构包括掺杂纤芯f、第一低折射率光纤环区e、第二低折射率光纤环区c、第三低折射率光纤环区a、第一谐振环区d、第二谐振环区b和外部的包层，掺杂纤芯f位于有源纤中心，在其外侧紧邻设置第一低折射率光纤环区e，第一低折射率光纤环区临近并包围掺杂纤芯f；第一低折射率光纤环区e外侧紧邻的设置第一谐振环区d，第一谐振环区d临近并包围第一低折射率光纤环区e；第一谐振环区d外侧紧邻设置第二低折射率光纤环区c,第二低折射率光纤环区c临近并包围第一谐振环区d；第二低折射率光纤环区c外侧紧邻的设置第二谐振环区b，第二谐振环区b临近并包围第二低折射率光纤环区c；第二谐振环区b外侧紧邻设置第三低折射率光纤环区a，第三低折射率光纤环区a外侧紧邻设置包层，包层临近并包围第三低折射率光纤环区；8根泵浦纤分别与有源纤的包层贴合。

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