采用双向泵浦混合抽运的L-波段高功率掺镱光纤激光器

技术领域

本发明属于光纤及激光技术领域，尤其涉及一种采用双向泵浦混合抽运的L-波段高功率掺镱光纤激光器。

背景技术

一般而言，镱离子发射谱的L-波段范围为1100～1200nm。工波长在L-波段的高功率掺镱光纤激光器在激光遥感、激光光谱学、导星激光泵浦和激光生物学等领域有着广泛的应用，而相比于镱离子的C-波段激光辐射，L-波段掺镱光纤激光器面对的主要挑战来自于C-波段ASE，这些杂散光的产生和放大会降低信号激光的信噪比(SNR)，甚至产生寄生振荡导致激光光路损伤。然而，由于在镱离子发射谱中，C-波段光子的发射截面远高于L-波段，故而在掺镱光纤中易于得到更高的增益。因此，对于C-波段ASE及其寄生振荡激光的抑制一直是研制L-波段掺镱光纤激光器的首要课题。

近年来，人们提出了一种Yb-Raman混合增益放大器，利用光纤中的受激拉曼散射(SRS)效应获取L-波段的高增益，降低C-波段ASE的影响，目前，使用这种结构的L-波段掺镱光纤激光器已经实现了2kW以上的高功率输出。但是，这种放大器需要为系统同时注入C-波段与L-波段的激光信号，同时为了更高效地利用SRS效应，放大器中需要接入比较长的增益及传能光纤。这不仅使系统变得更复杂，还使激光光谱在放大过程中得到更大的展宽，不利于窄线宽光纤激光的获得。

同带泵浦技术是近年来兴起的一种应用于高功率光纤激光器的新型泵浦技术。相比于传统的半导体激光泵浦技术，同带泵浦技术一般由光纤激光器作为泵浦源，而泵浦激光波长位于镱离子辐射的S-波段(典型波长为1018nm)，由于镱离子在此波段仍具有较可观的吸收截面，因此S-波段的激光可以作为泵浦光对掺镱光纤进行抽运，提供C-波段或L-波段的激光增益。相比于半导体泵浦激光(典型波长915nm、940nm、976nm)，同带泵浦技术应用于高功率光纤激光器可使其具有更高的量子效率，有效抑制模式不稳定(TMI)效应。此外，由于掺镱光纤在同带泵浦波段的吸收截面小于半导体泵浦波段，同带泵浦光作为光纤激光器的正向泵浦时可以更有效地抑制反向ASE，因此，同带泵浦方案也是L-波段掺镱光纤激光器的理想选择。然而，由于掺镱光纤在同带泵浦波段的吸收截面相对较小，致使使用同带泵浦的光纤激光器相比于半导体泵浦的光纤激光系统需要更长的增益光纤以保证足够的泵浦吸收，因此SRS效应和光谱展宽效应在同带泵浦高功率掺镱光纤激光器中表现得更为明显，这也是此类系统亟待解决的重要问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种能够有效提高输出激光SNR的采用双向泵浦混合抽运的L-波段高功率掺镱光纤激光器，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

采用双向泵浦混合抽运的L-波段高功率掺镱光纤激光器，包括种子源，种子源的输出端连接光纤功率放大器，光纤功率放大器包括沿激光输出方向依次连接的正向泵浦信号光纤激光合束器、双包层掺镱光纤、模场适配器、第一包层光滤除器、三包层掺镱光纤以及反向泵浦信号光纤激光合束器，正向泵浦信号光纤激光合束器的泵浦端连接有同带泵浦激光器，反向泵浦信号光纤激光合束器的泵浦端连接有半导体激光泵浦源；光纤功率放大器的输出端依次连接第二包层光滤除器以及激光输出头。

进一步地，正向泵浦信号光纤激光合束器将同带泵浦激光器输出的泵浦激光耦合至双包层掺镱光纤中；在三包层掺镱光纤起始端，第一包层光滤除器滤除第二外包层中传输的反向泵浦光，半导体激光泵浦源输出的泵浦光由反向泵浦信号光纤激光合束器耦合至三包层掺镱光纤的第二内包层中；光纤功率放大器输出的激光经第二包层光滤除器滤除包层光后，由激光输出头输出。

进一步地，激光器采用MOPA结构或单谐振腔结构。

进一步地，激光器采用MOPA结构时，种子源为光纤激光器、固体激光器或半导体激光器，光纤功率放大器为单级结构或者由多级放大器级联组成，种子源输出的种子激光经单级或多级放大器后被放大至数千瓦量级。

进一步地，激光器采用单谐振腔结构时，在双包层掺镱光纤与正向合束器之间焊接一只高反光纤光栅，在三包层掺镱光纤与反向合束器之间焊接一只部分反射光纤光栅，高反光纤光栅与部分反射光纤光栅共同组成激光谐振腔。当注入的抽运激光达到一定强度时，在掺镱光纤中发生稀土掺杂离子的粒子数反转，产生受激辐射，并经光纤光栅选频后实现特定波长的受辐射光放大，即产生放大后的激光。

进一步地，高反光纤光栅与部分反射光纤光栅的中心波长为激光信号波长，高反光纤光栅的反射率>99％，部分反射光纤光栅的反射率介于0～99％之间，高反光纤光栅和部分反射光纤光栅的反射带宽均介于0～10nm之间。

进一步地，激光器工作波长>1100nm，为镱离子(Yb3+)受激辐射光谱中的L-波段。

进一步地，激光器所用的增益光纤由一段双包层掺镱光纤和一段三包层掺镱光纤级联组成，其中，三包层掺镱光纤的纤芯和第一内包层的直径、NA分别与双包层掺镱光纤的纤芯和第一内包层的直径、NA完全相同。

进一步地，光纤功率放大器采用双向泵浦方式，正向泵浦源为高亮度光纤激光器泵浦源，泵浦波长介于1000nm～1100nm之间，其反向泵浦为半导体激光泵浦源，泵浦波长为介于900nm～1000nm之间。

本发明所带来的有益技术效果：

(1)本发明混合使用波长介于1000nm～1100nm之间的同带泵浦及波长介于900nm～1000nm之间的半导体泵浦，并将两种泵浦源分别应用于激光器的正、反向，充分利用同带泵浦TMI阈值高、反向ASE弱的优点，而规避其吸收系数低的缺点；同时发挥半导体泵浦吸收系数高的优点，而规避其ASE强、TMI阈值低的缺点，对两种泵浦扬长避短，以实现高SNR的高功率L-波段掺镱光纤激光器；

(2)本发明结构更为简单，不需要同时使用C-波段和L-波段两种种子源便可以获得高SNR的L-波段高功率掺镱光纤激光器；

(3)本发明只利用了掺镱光纤的Yb3+增益，而并未利用掺镱光纤中的拉曼增益，因此光纤长度可以压缩至更短，有利于窄线宽激光输出；

附图说明

图1为本发明中掺镱光纤激光器采用MOPA结构时的示意图；

其中，1-种子源；2-同带泵浦激光器；3-正向泵浦信号光纤激光合束器；4-双包层掺镱光纤；5-模场适配器；6-第一包层光滤除器；7-三包层掺镱光纤；8-反向泵浦信号光纤激光合束器；9-半导体激光泵浦源；10-第二包层光滤除器；11-激光输出头；

图2为本发明中掺镱光纤激光器采用MOPA结构时，对比实验结果曲线图；

其中，图(a)为半导体泵浦双包层L-波段掺镱光纤激光器输出的正、反向ASE功率曲线图；图(b)为本发明提出的掺镱光纤激光器输出的正、反向ASE功率曲线图；

图3为本发明中掺镱光纤激光器采用单谐振腔结构时的示意图；

其中，12-高反光纤光栅；13-部分反射光纤光栅；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，详细描述本发明的技术方案。

实施例一：

如图1所示，采用双向泵浦混合抽运的L-波段高功率掺镱光纤激光器，包括种子源1，种子源1的输出端连接光纤功率放大器，激光器采用MOPA结构，光纤功率放大器包括沿激光输出方向依次连接的正向泵浦信号光纤激光合束器3、双包层掺镱光纤4、模场适配器5、第一包层光滤除器6、三包层掺镱光纤7以及反向泵浦信号光纤激光合束器8，正向泵浦信号光纤激光合束器3的泵浦端连接有同带泵浦激光器2，反向泵浦信号光纤激光合束器8的泵浦端连接有半导体激光泵浦源9；光纤功率放大器的输出端依次连接第二包层光滤除器10以及激光输出头11。

种子源波长为1120nm，光纤功率放大器的种子光注入功率为50W，光纤功率放大器正向采用6支200W的1018nm高亮度准单模光纤激光器作为同带泵浦源，其输出光纤规格为20/130μm，纤芯NA维0.08。正向泵浦信号光纤激光合束器采用(6+1)×1合束器，其输入信号光纤为20/130μm，纤芯NA维0.065，用以将种子激光耦合入光纤功率放大器中；泵浦光纤规格为20/130μm，与1018nm同带泵源输出光纤匹配，输出光纤为20/250μm双包层无源光纤，纤芯与第一内包层的NA分别为0.065和0.22。双包层掺镱光纤尺寸为20/250μm，长度为10m，976nm波长附近吸收系数约为3.3dB/m，1018波长附近吸收系数约为0.2dB/m，纤芯与第一内包层的NA分别为0.065和0.22，与正向合束器输出光纤匹配。20/250μm双包层掺镱光纤之后直接焊接一段10m长的三包层掺镱光纤，其规格为20/250/400μm，纤芯与第一、第二内包层的NA分别为0.065、0.22、0.46，第一内包层1018nm波长附近的泵浦吸收系数约为0.2dB/m，第二内包层976nm波长附近的泵浦吸收系数约为1.3dB/m。在三包层掺镱光纤靠近其与双包层掺镱光纤的焊点附近，三包层掺镱光纤涂覆层被剥除约5cm并进行蒙砂处理，作为滤除三包层掺镱光纤第二内包层中反向传输的976nm泵浦光的CLS。反向合束器为(6+1)×1合束器，其输入光纤为与三包层掺镱光纤完全匹配的无源光纤；泵浦光纤规格为200/220μm，纤芯NA为0.22，将6只400W 976nm半导体激光器输出的泵浦光耦合至其输入光纤的第二内包层中。反向合束器的输出光纤为20/250μm双包层无源光纤，纤芯NA为0.065，第一内包层NA为0.46，与激光输出头所用光纤完全匹配。在输出头的尾纤上涂覆层被剥除5cm并进行蒙砂处理，以滤除包层光。

图2(a)示出了对比实验计算结果：采用20m双包层20/400μm掺镱光纤并注入2400W976nm反向泵浦光，当输出激光功率达到2000W左右时，输出的正、反向ASE功率分别为约77W和约11W；图2(b)为基于本发明实施例方案的计算结果：光纤功率放大器同时注入1100W1018nm正向泵浦光和2000W 976nm反向泵浦光，输出功率同样可达到2000W左右，而输出的正、反向ASE功率分别为约18W和约11W。可见，采用本发明所提供的方案，正向ASE功率得到了明显的抑制。

实施例二：

如图3所示，采用双向泵浦混合抽运的L-波段高功率掺镱光纤激光器，包括种子源1，种子源1的输出端连接光纤功率放大器，激光器采用单谐振腔结构，放大器包括沿激光输出方向依次连接的正向泵浦信号光纤激光合束器3、高反光纤光栅12、双包层掺镱光纤4、模场适配器5、第一包层光滤除器6、三包层掺镱光纤7、部分反射光纤光栅13以及反向泵浦信号光纤激光合束器8，正向泵浦信号光纤激光合束器3的泵浦端连接有同带泵浦激光器2，反向泵浦信号光纤激光合束器8的泵浦端连接有半导体激光泵浦源9；光纤功率放大器的输出端依次连接第二包层光滤除器10以及激光输出头11，高反光纤光栅12与部分反射光纤光栅13共同组成激光谐振腔。当注入的抽运激光达到一定强度时，在掺镱光纤中发生稀土掺杂离子的粒子数反转，产生受激辐射，并经光纤光栅选频后实现特定波长的受辐射光放大，即产生放大后的激光。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。