CN116345276A - 基于超荧光源的多路波长自选择光谱合成*** - Google Patents
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Abstract
一种基于超荧光源的多路波长自选择光谱合成***。超荧光源经分束器分为N路作为N个合成臂的种子光,共同经过聚焦***后以相应角度会聚到衍射光栅上。对每个单独的合成臂,有且只有对应其端帽位置的特定波长的光可以经0°平面镜反射后原路返回,重新耦合进各个合成臂,经预放大器后重新注入进入光纤主放大器,在主放大器中通过增益竞争过程实现波长的自选择。本发明具有波长自选择,结构简单紧凑,合成路数拓展性强等优点。超荧光源既是种子源,又可以在***受到环境扰动,失去反馈光时,保护光纤激光器***不受自激振荡的损害,提高安全性。合成光波长由***自主选择,可有效克服种子波长漂移、端帽机械抖动等因素带来的合成光束指向漂移现象。
Description
技术领域
本发明主要涉及光纤激光光谱合成领域,特别是一种适用于高功率、高亮度,并可实现波长自选择的光纤激光光谱合成***。
背景技术
光纤激光器具有结构紧凑、光束质量好、转换效率高、热管理方便等优势。目前,单纤激光器输出功率已突破20千瓦。但是,受限于介质的非线性效应、光纤端面损伤、模式不稳定等因素,单纤激光器输出功率的进一步提升受到限制。因此,通过相干或非相干方式,对多束激光进行合成是实现其功率拓展的有效手段。光谱合成是一种非相干合成技术,其对子束激光的相位无要求,可实现共孔径合成,可实现近衍射极限的光束质量,是光纤激光器实现高功率、高亮度输出的较好选择。光谱合成是色散的逆过程,利用色散元件,将不同角度入射的不同波长子光束以相同角度出射。根据所采用的色散元件不同,可以分为基于棱镜、双色片、体布拉格光栅、衍射光栅等合成技术。采用多层电介质反射式衍射光栅的光谱合成方案具有色散能力强、效率高、损伤阈值高等优良特性,成为光谱合成技术中的主流方案。
基于多层电介质反射式衍射光栅的光谱合成技术存在如下瓶颈问题:
(1)光谱合成***每一路子束激光均需要特定波长,波长偏移会对合成光指向一致性造成影响,因此需对每一路子束的波长进行精确调整,这在一定程度上降低了***的可靠性和稳定性。
(2)实际***在运转过程中,光纤端帽、反射镜等关键元件受环境机械振动、热致畸变等影响,会导致子光束指向偏移,这需要通过波长在线调节进行指向补偿,这进一步降低了***的稳定性。
(3)对外腔式振荡结构的光谱合成***,其自组织阈值较高,在自由运转的最初,或者在空间光学***受到环境扰动,***失去反馈光时,放大器易产生自激振荡,造成不可逆的光学损伤。
以上因素会影响光谱合成***的效率及合成光束质量,且光谱合成***的安全性存在隐患,因此亟需研发子束波长可自主在线调节、高可靠性的光谱合成***。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术缺点,提供一种低成本、结构紧凑、阵列规模可拓展性强并且波长可由***自动选择的光谱合成***,提高光谱合成***的环境稳定性和安全性。
本发明的技术解决方案如下:
一种基于超荧光源的多路波长自选择光谱合成***,包括:超荧光源、1xN分束器、N个合成臂、多层电介质反射式衍射光栅、聚焦***、45°平面反射镜、小孔光阑、0°平面反射镜;所述合成臂包括1个2x1合束器、1个光纤主放大器、1个光纤预放大器、1个环行器、1个光纤尾端输出装置,所述环行器包括端口①②③,超荧光源经分束器分为N路作为合成种子光,经放大后由环行器端口①进入,端口②输出,再经光纤尾端输出装置输出空间光;N路输出光依次于空间中与所述光栅色散面平行排列;N路输出光平行出射,共同经过聚焦***后以不同角度会聚到衍射光栅上,并实现共孔径合成输出。由于光栅的色散效应,每一路自由起振的激光经光栅后的衍射光都会在色散面内发散;合成光主功率经45°反射镜反射后作为输出光束,微量透射光作为反馈光入射到0°反射镜上;由费马原理,对于每一个单独的合成臂,只有某一特定波长的光可以经0°平面镜反射后原路返回,经过光栅二次衍射,重新耦合进各路合成臂,称为后向反馈光;后向反馈光由环行器端口②进入,端口③输出,经一级光纤预放大器后通过2x1合束器与种子光一同重新注入进入光纤主放大器;在光纤主放大器中,经过光纤预放大器放大后的反馈光与超荧光源产生增益竞争,筛选出损耗最低的模式从而起振,实现各合成臂的波长自选择。经***筛选后起振的模式线宽由小孔光阑直径、聚焦***的焦距以及光纤尾端输出装置数值孔径共同决定,可由使用者按需求设计调整,足以满足高光束质量的近衍射极限输出。当***中元件由于热致畸变或机械振动导致合成子光束指向漂移,使得合成效果下降时,本***可自动对选择波长进行调谐,通过自适应反馈的方法实现误差抵消。
所述超荧光源在合成波段内具有平坦光谱线型,且功率稳定性≤2%;
所述1xN分束器工作波长覆盖激光器增益波段,分束比为1/N,输入光被均匀分为N路输出光;
所述光纤预放大器和光纤主放大器由可以是单极放大器也可以是多级放大器;
所述聚焦***可由具体实施例选择透射式或反射式,同轴或离轴***,工作波长覆盖激光器增益波段;
所述环行器端口②至端口①隔离度≥50dB,工作带宽覆盖激光器增益波段;
所述45°平面反射镜反射波长范围覆盖激光器增益波段,正面镀高反膜,背面镀增透膜,反射率与透射率可按不同具体实施例进行设计;
所述0°平面反射镜反射波长范围覆盖激光器增益波段,正面镀高反膜,背面镀增透膜,反射率与透射率可按不同具体实施例进行设计;
所述小孔光阑与合成光束共光轴,直径小于合成光束直径;
与现有技术相比,本发明的优点在于:
1、本发明的基于超荧光源的全光纤多路波长自选择光谱合成***,使用超荧光源作为各路的自组织种子源,在高功率运转时能够避免放大器自激振荡;相比于传统的外腔式振荡器光谱合成***,大大降低了其自组织阈值,具有更高安全性。
2、本发明的基于超荧光源的全光纤多路波长自选择光谱合成***,各路合成波长由***自动选择,不需人为干预或调整;***自带反馈环路,可实现实时波长调谐,消除***中元件由于热致畸变或机械振动导致合成效果下降问题,稳定性高。
3、本发明的基于超荧光源的全光纤多路波长自选择光谱合成***,可通过改变小孔光阑的尺寸、聚焦***的焦距以及光纤尾端输出装置的数值孔径来调整各路筛选出的振荡模式线宽;可通过改变相邻光纤尾端输出装置间的间距来改变各合成臂中心波长间隔,给与了设计与使用充足的空间,以满足光栅光谱合成对各路光束线宽、光束质量的要求,合成光斑光束质量好,时域稳定性好。
4、本发明的基于超荧光源的全光纤多路波长自选择光谱合成***,聚焦***可由设计者自由设计成透射式或反射式,共轴或离轴***,结构简单紧凑,合成路数拓展性强,易于装备与调试,适用范围广,可由使用者根据需求自由选择合成路数与光束质量。
附图说明
图1为本发明一个实施例的原理示意图;
图2为本发明实施例采用同轴透射式聚焦***原理示意图;
附图标记:
1光纤激光超荧光源;2 1×N分束器;3合成臂;4 2×1合束器;5光纤主放大器;6环行器;7光纤端帽;8聚焦***;9多层电介质反射式衍射光栅;10 45°平面反射镜;11小孔光阑;12 0°平面反射镜;13光纤预放大器。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明,但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1,图1为本发明基于超荧光源的全光纤多路波长自选择光谱合成***实施例的原理示意图,由图可见,本发明包括超荧光源1、1xN分束器2、合成臂3、离轴反射镜聚焦***8、多层电介质反射式衍射光栅9、45°平面反射镜10、小孔光阑11、0°平面反射镜12;其中每个合成臂包括,2x1合束器4、光纤主放大器5、环行器6、光纤输出端帽7、光纤预放大器13。
所述超荧光源1经1×N分束器后分为N份功率、光谱相同的光,分别连接N个合成臂3;所述合成臂3中,入射光经2×1合束器4的一端输入,经光纤主放大器5后由环行器6的端口①进入,端口②输出;所述N个光纤端帽7于空间中平行排列,且平行于多层电介质反射式衍射光栅9的色散面,光纤端帽7之间的间距可以为≤2mm;所述光纤端帽7应位于离轴反射镜聚焦***8的前焦面内,发出的N路种子光经离轴反射镜聚焦***8后准直出射到多层电介质反射式衍射光栅9;所述多层电介质反射式衍射光栅9应位于离轴反射式自聚焦成像***8的后焦面内,由于多层电介质反射式衍射光栅9的色散效应,出射光将在色散面内发生色散而在空间中展开,展开程度由多层电介质反射式衍射光栅9的角色散率决定,在本实施例中为1rad/μm;出射光主功率经45°平面反射镜10(反射率为80%)反射后作为该合成***的输出光束;少量透射光(20%)经小孔光阑11滤波取得窄带光谱,再经0°平面镜12(反射率≥99.9%)反射后作为***反馈信号。
反馈光经过多层电介质反射式衍射光栅9衍射后,自Littrow角度反射,经离轴反射镜聚焦***后重新耦合进光纤端帽7;通过调整0°反射镜11的偏转角度可调整反馈光与光纤端帽7的耦合效率;耦合进光纤端帽7的反馈光由环行器6的端口②进入,端口③输出,经光纤预放大器13放大后与超荧光源一同注入光纤放大器5。
在具体应用实例中,要保证反馈光在光纤放大器5中获得增益竞争胜利,从而获得稳定振荡的光束输出,则45°平面反射镜的反射率R、光纤放大器5的放大倍率β1、预放13的放大倍率β2的选取应满足以下准则:
β1·(1-A)2·B2·C2·Dβ2·(1-R)2>1
其中A为所述环形器6插损,B为所述光纤端帽7耦合效率,C为所述多层电介质反射式衍射光栅9衍射效率,D为所述反馈光功率占比。设A=20%,B=98%,C=97%,D=10-3,β1=50,β2=1000,则45°平面反射镜的反射率R的一个典型值可以为80%。
在具体应用实例中,小孔光阑11口径可以满足以下关系:
其中d为小孔光阑11直径,L为小孔光阑11距衍射光栅9的距离,Δλ为合成子光束线宽,Dθ为衍射光栅9角色散率。
在具体实施例中,所述超荧光源在1040nm~1090nm波长范围内具有平坦光谱线型,功率稳定性≤2%,连续输出功率≥1W;
在具体实施例中,所述1xN分束器带宽覆盖1040nm~1090nm;
在具体实施例中,所述环行器为非偏振相关,***损耗≤1dB,端口②至端口①隔离度≥50dB,工作带宽覆盖1040nm~1090nm;
在具体实施例中,所述衍射光栅线密度960线/mm,在1040nm~1090nm波长范围内衍射效率≥97%;
在具体实施例中,所述离轴反射镜聚焦***焦距2m;
在具体实施例中,所述光纤端帽熔接表面镀1040nm~1090nm增透膜;
在具体实施例中,所述光纤激光主放大器采用MOPA多级放大结构;
在具体实施例中,所述衍射光栅采用多层电介质反射式衍射光栅,尺寸≥100mm×100mm×15mm,波前畸变≤1/10λ;
在具体实施例中,所述45°平面反射镜波长范围覆盖1040nm~1090nm,正面镀反射率为80%的高反膜,反面镀透射率≥99.9%的增透膜;
在具体实施例中,所述0°平面反射镜波长范围覆盖1040nm~1090nm,正反面镀反射率≥99.95%的高反膜,背面镀透过率≥99.9%的增透膜;
在具体实施例中,所述合成光束1/e2直径20mm,小孔光阑直径2mm;
在具体应用实例中,可在合成光束输出端增加采样装置,对合成光束的光斑形态、时域稳定性、光谱线型进行监测和分析。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,其描述较为具体和详细,但不能以此作为对本发明实施范围的限定。对于本领域中的技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作若干的变形与润饰,因此本发明的保护范围应当视权利要求书所界定范围为准。
Claims (5)
1.一种基于超荧光源的多路波长自选择光谱合成***,其特征在于,包括超荧光源、1xN分束器、N个合成臂、聚焦***、衍射光栅、45°平面反射镜、小孔光阑和0°平面反射镜;其中每个合成臂包括2x1合束器、光纤主放大器、光纤预放大器、环行器、光纤输出端帽;超荧光源经所述1xN分束器分为N路种子光,每路种子光依次经所述2x1合束器、光纤主放大器和环行器,由该环行器的端口②输出宽谱光束,N路宽谱光束经过聚焦***后以不同角度会聚到衍射光栅上进行合成,经所述45°反射镜后,主功率被反射输出,微量透射光入射到0°反射镜上;对于每一个单独的合成臂,只有对应于特定端帽位置的特定波长光可以经0°平面镜反射后原路返回,作为后向反馈光重新耦合进各自的光纤端帽,再经所述光纤预放大器,通过2x1合束器重新注入所述光纤主放大器,在该光纤主放大器中通过增益竞争过程实现波长的自选择与自适应波长调谐;此时得到的自选择波长的N路输出光,以相应角度会聚到衍射光栅上,并实现共孔径合成输出;合成光主功率经45°反射镜反射后作为输出光束。
2.根据权利要求1所述的基于超荧光源的全光纤多路波长自选择光谱合成***,其特征在于,所述45°平面反射镜反射波长范围覆盖合成波段,正面镀高反膜,背面镀增透膜。
3.根据权利要求1所述的基于超荧光源的全光纤多路波长自选择光谱合成***,其特征在于,所述0°平面反射镜与小孔光阑作为反馈元件,0°平面反射镜反射面波长范围覆盖合成波段,正面镀高反膜,背面镀增透膜;小孔光阑光轴与合成光束重合,直径小于等于合成光束的1/e2直径。
4.根据权利要求1所述的基于超荧光源的全光纤多路波长自选择光谱合成***,其特征在于,所述后向反馈光通过环形器的端口②重新耦合至每个合成臂,从环形器的端口③输出,经过光纤预放大器放大后,通过2x1合束器重新进入光纤主放大器进行放大,实现每个合成臂的波长自选择。
5.根据权利要求1所述的基于超荧光源的全光纤多路波长自选择光谱合成***,其特征在于,所述聚焦***是离轴反射***,或同轴透射式***。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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