本发明公开了一种全光纤结构980nm波段高功率光纤振荡器，目的是解决现有980nm光纤振荡器电光效率较低和泵浦光耦合受限的问题。本发明由增益模块、两个泵浦模块、两个光纤模场适配器、两个光敏光纤、两个光纤光栅和输出耦合端组成。增益模块由泵浦耦合模块和双包层掺镱光纤构成，泵浦耦合模块采用2个侧向泵浦合束器或K个多模光纤；两个泵浦模块均包含多个泵浦子模块，每个泵浦子模块是尾纤输出900nm～960nm波段的半导体激光器或合束结构；两个光纤模场适配器采用一个光纤模场适配器或采用子光纤模场适配器串联结构；光敏光纤中刻写的光纤光栅的中心波长均位于激光波段。本发明解决了现有980nm光纤振荡器电光效率较低和泵浦光耦合受限的问题。
1.一种全光纤结构980nm波段高功率光纤振荡器，其特征在于全光纤结构980nm波段高功率光纤振荡器由增益模块(10)、第一泵浦模块(21)、第二泵浦模块(22)、第一光纤模场适配器(31)、第二光纤模场适配器(32)、第一光敏光纤(41)、第一光纤光栅(51)、第二光敏光纤(42)、第二光纤光栅(52)和输出耦合端(60)组成；第一泵浦模块(21)和第二泵浦模块(22)分别与增益模块(10)的泵浦光输入端相连，第一光纤模场适配器(31)和第二光纤模场适配器(32)的输入端分别与增益模块(10)的信号光输出端相连，第一光纤模场适配器(31)的输出端与第一光敏光纤(41)的输入端相连，第二光纤模场适配器(32)的输出端与第二光敏光纤(42)的输入端相连；第一光敏光纤(41)的纤芯中刻写第一光纤光栅(51)，第二光敏光纤(42)的纤芯中刻写第二光纤光栅(52)；输出耦合端(60)的输入端与第二光敏光纤(42)的输出端相连；不同器件之间的连接通过光纤熔接实现；
增益模块(10)由泵浦耦合模块(11)和双包层掺镱光纤(12)构成，泵浦光经泵浦耦合模块(11)，从双包层掺镱光纤(12)内包层的侧面耦合到双包层掺镱光纤(12)中，并对双包层掺镱光纤(12)纤芯中的镱离子进行泵浦，从而产生980nm波段的光场；增益模块(10)有多个泵浦光输入端，有2个信号光输出端；
第一泵浦模块(21)和第二泵浦模块(22)均包含多个泵浦子模块，第一泵浦模块(21)和第二泵浦模块(22)的泵浦子模块的数量和小于等于泵浦耦合模块(11)的泵浦光输入端的数量，第一泵浦模块(21)和第二泵浦模块(22)的输出光纤与增益模块(10)泵浦光输入端相连；
第一光纤模场适配器(31)的输入端与增益模块(10)的信号光输出端相连，第一光纤模场适配器(31)输入端光纤纤芯的直径与增益模块(10)信号光输出端光纤纤芯的直径相等；
第一光纤模场适配器(31)的输出端与第一光敏光纤(41)输入端相连，第一光纤模场适配器(31)输出端光纤纤芯的直径与第一光敏光纤(41)输入端纤芯的直径相等；第一光纤模场适配器(31)为一个光纤模场适配器或采用子光纤模场适配器串联结构，第一光纤模场适配器(31)中串联的子光纤模场适配器个数为Q1，Q1为自然数，第1个子光纤模场适配器的输入端即为第一光纤模场适配器(31)的输入端，第Q1个子光纤模场适配器的输出端即为第一光纤模场适配器(31)的输出端；
第二光纤模场适配器(32)的输入端与增益模块(10)的信号光输出端相连，第二光纤模场适配器(32)输入端光纤纤芯的直径与增益模块(10)信号光输出端光纤纤芯的直径相等；
第二光纤模场适配器(32)的输出端与第二光敏光纤(42)输入端相连，第二光纤模场适配器(32)输出端光纤纤芯的直径与第二光敏光纤(42)输入端纤芯的直径相等；第二光纤模场适配器(32)采用一个光纤模场适配器或采用子光纤模场适配器串联结构，第二光纤模场适配器(32)中串联的子光纤模场适配器个数为Q2,Q2为自然数，第1个子光纤模场适配器的输入端即为第二光纤模场适配器(32)的输入端，第Q2个子光纤模场适配器的输出端即为第二光纤模场适配器(32)的输出端；
第一光敏光纤(41)中刻写的第一光纤光栅(51)的中心波长位于激光波段，即：970nm～
985nm波段，且在中心波长的反射率大于等于90％，旁瓣抑制比大于等于20dB，第一光敏光纤(41)的输出端抑制光纤端面对于光场的反射；
第二光敏光纤(42)中刻写的第二光纤光栅(52)的中心波长与第一光纤光栅(51)的中心波长偏差小于1nm，且在中心波长的反射率应大于等于10％，旁瓣抑制比应大于等于
输出耦合端(60)的输入端与第二光敏光纤(42)的输出端相连，输出耦合端(60)的输入端光纤与第二光敏光纤(42)的输出端光纤纤芯直径相等。
2.如权利要求1所述的全光纤结构980nm波段高功率光纤振荡器，其特征在于所述泵浦耦合模块(11)由第一侧向泵浦合束器(111)和第二侧向泵浦合束器(112)组成，第一侧向泵浦合束器(111)和第二侧向泵浦合束器(112)均是将泵浦光经由双包层光纤的内包层侧面，耦合到双包层光纤的内包层中的光纤器件，包含不少于1个泵浦光输入端、1个信号光输入端和1个输出端；第一侧向泵浦合束器(111)的信号光输入端(11101)和第二侧向泵浦合束器(112)的信号光输入端(11201)即为泵浦耦合模块(11)的2个信号光输入端；第一侧向泵浦合束器(111)的输出端(11102)和第二侧向泵浦合束器(112)的输出端(11202)即为泵浦耦合模块(11)的2个输出端；第一侧向泵浦合束器(111)的泵浦光输入端(1111-111N)和第二侧向泵浦合束器(112)的泵浦光输入端(1121-112M)即为泵浦耦合模块(11)的泵浦光输入端；第一侧向泵浦合束器(111)的输出端(11102)和第二侧向泵浦合束器(112)的输出端(11202)与双包层掺镱光纤(12)的两端分别相连，泵浦耦合模块(11)的泵浦光输入端即为增益模块(10)的泵浦光输入端，泵浦耦合模块(11)的2个信号光输入端即为增益模块(10)的2个信号光输出端；N为第一侧向泵浦合束器(111)的泵浦光输入端个数，M为第二侧向泵浦合束器(112)的泵浦光输入端个数，M、N均为正整数，泵浦耦合模块(11)泵浦光输入端数量为N+M。
3.如权利要求1所述的全光纤结构980nm波段高功率光纤振荡器，其特征在于泵浦耦合模块(11)采用K个多模光纤，K个多模光纤的纤芯与双包层掺镱光纤(12)内包层光学接触，K为小于等于[π(1+R1/r1)]的自然数，R1为双包层掺镱光纤(12)内包层直径，r1为多模光纤的最小纤芯直径，泵浦耦合模块(11)的K个多模光纤中传输的泵浦光通过光学接触方式，耦合到双包层掺镱光纤(12)内包层中，从而泵浦双包层掺镱光纤(12)纤芯中的镱离子产生
980nm波段的光场；泵浦耦合模块(11)的K个多模光纤的两端即为增益模块(10)的泵浦光输入端，双包层掺镱光纤(12)的两端即为增益模块(10)的信号光输出端，泵浦耦合模块(11)泵浦光输入端数量为2K。
4.如权利要求1所述的全光纤结构980nm波段高功率光纤振荡器，其特征在于所述第一泵浦模块(21)和第二泵浦模块(22)中的泵浦子模块是尾纤输出900nm～960nm波段的半导体激光器，半导体激光器的尾纤即为泵浦子模块的输出光纤，构成第一泵浦模块(21)的所有泵浦子模块的输出光纤即为第一泵浦模块(21)的输出光纤，构成第二泵浦模块(22)的所有泵浦子模块的输出光纤即为第二泵浦模块(22)的输出光纤；第一泵浦模块(21)和第二泵浦模块(22)的输出光纤的直径小于等于增益模块(10)泵浦光输入端光纤的直径；第一泵浦模块(21)和第二泵浦模块(22)的输出光纤的数值孔径小于等于增益模块(10)泵浦光输入端光纤的数值孔径。
5.如权利要求1所述的全光纤结构980nm波段高功率光纤振荡器，其特征在于所述第一泵浦模块(21)和第二泵浦模块(22)中的泵浦子模块采用合束结构，即将多个尾纤输出
900nm～960nm波段的尾纤输出半导体激光器经过至少一个光纤泵浦合束器合束到一根输出光纤中。
6.如权利要求1所述的全光纤结构980nm波段高功率光纤振荡器，其特征在于所述双包层掺镱光纤(12)的纤芯包层直径比大于等于30％。
7.如权利要求1所述的全光纤结构980nm波段高功率光纤振荡器，其特征在于所述子光纤模场适配器串联结构是指将第i个子光纤模场适配器的输出端和第i+1个子光纤模场适配器的输入端相连，并要求第i个子光纤模场适配器的输出端纤芯直径与第i+1个子光纤模场适配器的输入端纤芯直径相等，i＝1，2，……，Q-1，Q为串联的子光纤模场适配器的个数。
8.如权利要求1所述的全光纤结构980nm波段高功率光纤振荡器，其特征在于所述Q1和Q2均为小于等于10的自然数。
9.如权利要求8所述的全光纤结构980nm波段高功率光纤振荡器，其特征在所述Q1和Q2均为小于等于5的自然数。
10.如权利要求1所述的全光纤结构980nm波段高功率光纤振荡器，其特征在所述第一光敏光纤(41)的输出端采用斜角切割。
11.如权利要求1所述的全光纤结构980nm波段高功率光纤振荡器，其特征在所述输出耦合端(60)采用光纤端面的斜角切割或端帽。
全光纤结构980nm波段高功率光纤振荡器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种光纤振荡器，尤其涉及一种工作波段在980nm附近(970nm～985nm)的全光纤结构的高功率光纤振荡器。
背景技术
[0002] 光纤激光器以其优良的散热特性、良好的光束质量以及制作成本低、结构紧凑等优点，已成为激光器家族的新宠，得到了人们的广泛关注。随着光纤激光器技术的发展，功率水平不断提高，其应用领域已从早期的光纤通信、传感、测量等领域，逐渐拓展到激光打印、工业加工、医疗、军事等领域。随着光纤激光器应用的不断拓展，980nm波段激光光源，作为光纤激光器的一种重要泵浦光源，也在光纤激光器的各应用领域扮演着越来越重要的角色。
[0003] 现阶段，最为常用的980nm波段泵浦光源是980nm波段半导体激光器。不过，半导体激光器的亮度极限已经成为光纤激光器功率提升的关键制约因素，同时，高功率半导体激光器的光谱稳定性对于温度较为敏感，这也对其应用带来了一定影响。为了克服半导体激光器的不足，人们开始考虑利用同波段的光纤激光器作为泵浦光源，来提升泵浦光源的亮度，980nm波段光纤激光器也因此受到了人们的广泛关注。此外，980nm波段光纤激光器的另一个重要应用就是通过倍频实现高亮度的490nm波段的蓝光输出，替代沉重的氩离子激光器。正是由于其潜在的应用价值，980nm波段的光纤激光器已成为光纤激光器领域的研究热点之一。
[0004] 目前，可用于980nm光纤激光器的增益光纤是掺镱光纤，掺镱光纤也是现阶段高功率光纤激光器的首选增益光纤；但是，要实现高亮度980nm光纤激光器并不是一件容易的事情，这是由镱离子的能级特性决定的。镱离子的能级结构决定了980nm掺镱光纤激光器是一个三能级激光器，具有较高的泵浦阈值，放大自发辐射效应也非常严重。因此，基于现有的常规波段(1030nm～1090nm波段)掺镱光纤激光器方案很难实现高效率的980nm波段激光输出。如何实现高功率、高效率的980nm掺镱光纤激光器成为相关领域关注的重点。
[0005] 现阶段，980nm波段光纤激光器的构建方案可分为放大器和振荡器两种。放大器的方案主要是利用980nm波段半导体激光器作为种子光源，然后利用980nm波段光纤放大器进行功率放大，实现高功率高效率的980nm波段激光输出。由于该方案仍使用半导体激光器作为种子光源，半导体激光器在亮度和光谱稳定性方面的不足会对输出光束的光束质量和光谱特性造成较大的影响。因此，如果利用980nm波段光纤振荡器替代半导体激光器无疑会提升整个激光器系统的性能。
[0006] 现阶段，980nm波段光纤振荡器的方案主要采用单模或少模掺镱光纤，通过纤芯泵浦的方式实现的。此类方案的问题在于：单模或少模掺镱光纤纤芯的直径和数值孔径比较小，这极大地限制了泵浦光的耦合。目前，应用于该激光器系统的泵浦方式主要有两种：一种是采用900nm～940nm波段的半导体激光器直接泵浦，这种方案受限于半导体激光器的亮度，振荡器的输出功率只能达到瓦量级；另一种泵浦方案是利用920nm～940nm波段的光纤激光器(如：掺Nd光纤激光器)作为泵浦光源，以提升泵浦光源的亮度和功率，从而提高振荡器系统的输出功率。后者虽然能够在一定程度上提升光纤振荡器系统的输出功率，但是，由于920nm～940nm波段的光纤激光器同样需要波长更短的半导体激光器(如：掺Nd光纤激光器需要808nm波段半导体激光器)进行泵浦，这无疑增加了光纤振荡器系统整体的量子亏损，极大降低了激光器系统的电光转换效率。为了解决功率提升和效率之间的矛盾，专利号为ZL201310749840.3的“全光纤结构980nm波段复合腔单模光纤激光器”提出了980nm波段光纤激光器的复合腔方案，该方案通过拓展半导体激光器直接泵浦振荡器模块的数量，来提升整个激光器系统的输出效率，从而在保证电光转换效率的前提下实现了功率拓展。不过，该方案结构较为复杂，同时，振荡器模块的数量拓展也受到一定的限制，使得系统的整体输出效率局限在百瓦量级。
[0007] 总结现有的980nm波段光纤振荡器的方案，其核心问题在于使用了纤芯泵浦结构，极大的限制了泵浦光的功率。解决这一问题的办法之一就是使用双包层掺镱光纤，如何利用双包层掺镱光纤构建高效率的全光纤结构的980nm波段激光系统成为本领域技术人员极为关注的问题。
发明内容
[0008] 本发明要解决的技术问题是克服现有980nm光纤振荡器的不足，提供一种基于双包层光纤和半导体激光器直接泵浦的全光纤结构980nm波段高功率光纤振荡器。通过使用半导体激光器直接泵浦而不是纤芯泵浦结构，解决现有光纤振荡器泵浦方案的电光转换效率较低的问题；通过使用双包层光纤的包层泵浦技术，解决纤芯泵浦所面临的泵浦光耦合受限的问题。
[0009] 本发明的技术方案是：
[0010] 本发明由增益模块、第一泵浦模块、第二泵浦模块、第一光纤模场适配器、第二光纤模场适配器、第一光敏光纤、第一光纤光栅、第二光敏光纤、第二光纤光栅和输出耦合端组成。第一泵浦模块和第二泵浦模块分别与增益模块的泵浦光输入端相连。第一光纤模场适配器和第二光纤模场适配器的输入端分别与增益模块的信号光输出端相连。第一光纤模场适配器的输出端与第一光敏光纤的输入端相连。第二光纤模场适配器的输出端与第二光敏光纤的输入端相连。第一光敏光纤的纤芯中刻写第一光纤光栅，第二光敏光纤的纤芯中刻写第二光纤光栅。输出耦合端的输入端与第二光敏光纤的输出端相连。本发明中不同器件之间的连接是通过光纤熔接来实现的。
[0011] 本发明的增益模块由泵浦耦合模块和双包层掺镱光纤构成，泵浦光经泵浦耦合模块，从双包层掺镱光纤内包层的侧面耦合到双包层掺镱光纤中，并对双包层掺镱光纤纤芯中的镱离子进行泵浦，从而产生980nm波段的光场。双包层掺镱光纤的纤芯包层直径比(即纤芯直径除以内包层直径)应大于等于30％。
[0012] 泵浦耦合模块可采用两种技术方案。技术方案一如图2所示，泵浦耦合模块由第一侧向泵浦合束器和第二侧向泵浦合束器组成，第一侧向泵浦合束器和第二侧向泵浦合束器均是将泵浦光经由双包层光纤的内包层侧面，耦合到双包层光纤的内包层中的光纤器件，包含不少于1个泵浦光输入端、1个信号光输入端和1个输出端，比如：文献“Thomas Theeg,Hakan Sayinc, Neumann,Ludger Overmeyer,Dietmar Kracht,Pump and signal combiner for bi-directional pumping of all-fiber lasers and amplifiers(全光纤激光器和放大器的泵浦信号合束器)，Optics Express(光学通讯)，2012年,20期，27卷，第28125-28141页”中第二部分及图1中描述的“side-pump combiner”(侧向泵浦合束器)结构，第一侧向泵浦合束器和第二侧向泵浦合束器的泵浦光输入端的数量可以相等，也可以不相等。第一侧向泵浦合束器的信号光输入端和第二侧向泵浦合束器的信号光输入端即为泵浦耦合模块的2个信号光输入端；第一侧向泵浦合束器的输出端和第二侧向泵浦合束器的输出端即为泵浦耦合模块的2个输出端；第一侧向泵浦合束器的N个泵浦光输入端和第二侧向泵浦合束器的M个泵浦光输入端即为泵浦耦合模块的泵浦光输入端(共N+M个)。第一侧向泵浦合束器的输出端和第二侧向泵浦合束器的输出端与双包层掺镱光纤的两端分别相连，泵浦耦合模块的N+M个泵浦光输入端即为增益模块的泵浦光输入端，泵浦耦合模块的2个信号光输入端即为增益模块的2个信号光输出端。N为第一侧向泵浦合束器的泵浦光输入端个数，M为第二侧向泵浦合束器的泵浦光输入端个数，M、N均为正整数。
[0013] 泵浦耦合模块也可采用如图3所示的技术方案二，即采用K个多模光纤，使得K个多模光纤的纤芯与双包层掺镱光纤内包层光学接触(K应为小于等于[π(1+R1/r1)]的自然数，其中，R1为双包层掺镱光纤内包层直径，r1为多模光纤的最小纤芯直径)，这样，泵浦耦合模块的K个多模光纤中传输的泵浦光，可以通过倏逝波耦合等光学接触方式，耦合到双包层掺镱光纤内包层中，从而泵浦双包层掺镱光纤纤芯中的镱离子产生980nm波段的光场。在该方案中，泵浦耦合模块的K个多模光纤的两端即为增益模块的泵浦光输入端(共2K个)，双包层掺镱光纤的两端即为增益模块的2个信号光输出端。
[0014] 本发明的第一泵浦模块和第二泵浦模块均包含多个泵浦子模块，第一泵浦模块和第二泵浦模块的泵浦子模块的数量和应小于等于泵浦耦合模块的泵浦光输入端的数量，泵浦耦合模块第一方案的泵浦光输入端数量为(N+M)，第二方案的泵浦光输入端数量为2K。泵浦子模块可以选用一个尾纤输出900nm～960nm波段的半导体激光器(如图2所示实施例一中的泵浦子模块211-216)，此时，半导体激光器的尾纤即为泵浦子模块的输出光纤；也可以采用公知的合束结构，即将多个尾纤输出900nm～960nm波段的尾纤输出半导体激光器经过至少一个光纤泵浦合束器合束到一根输出光纤(即为泵浦子模块的输出光纤)中(如图3所示实施例二中的泵浦子模块211)。构成第一泵浦模块的所有泵浦子模块的输出光纤即为第一泵浦模块的输出光纤，构成第二泵浦模块的所有泵浦子模块的输出光纤即为第二泵浦模块的输出光纤。第一泵浦模块的输出光纤与增益模块泵浦光输入端相连(若泵浦耦合模块采用第一方案，第一泵浦模块的输出光纤与增益模块的N个泵浦光输入端相连，若泵浦耦合模块采用第二方案，第一泵浦模块的输出光纤与增益模块的K个泵浦光输入端相连)，第二泵浦模块的输出光纤与增益模块泵浦光输入端相连(若泵浦耦合模块采用第一方案，第二泵浦模块的输出光纤与增益模块的另M个泵浦光输入端相连，若泵浦耦合模块采用第二方案，第二泵浦模块的输出光纤与增益模块的另K个泵浦光输入端相连)。第一泵浦模块和第二泵浦模块的输出光纤的直径应小于等于增益模块泵浦光输入端光纤的直径；第一泵浦模块的输出光纤的数值孔径应小于等于增益模块泵浦光输入端光纤的数值孔径。
[0015] 本发明的第二泵浦模块可以与第一泵浦模块的结构相同，也可不同。即第一泵浦模块采用尾纤输出900nm～960nm波段的半导体激光器时，第二泵浦模块可以是尾纤输出900nm～960nm波段的半导体激光器，也可以是合束结构；第一泵浦模块采用合束结构时，第二泵浦模块可以是尾纤输出900nm～960nm波段的半导体激光器，也可以是合束结构。
[0016] 第一光纤模场适配器的输入端与增益模块的信号光输出端相连，要求第一光纤模场适配器输入端光纤纤芯的直径与增益模块信号光输出端光纤纤芯的直径相等；第一光纤模场适配器的输出端与第一光敏光纤输入端相连，要求第一模场适配器输出端光纤纤芯的直径与第一光敏光纤输入端纤芯的直径相等。第一光纤模场适配器可采用一个光纤模场适配器，也可以采用子光纤模场适配器串联结构，第一光纤模场适配器中串联的子光纤模场适配器个数为Q1，子光纤模场适配器串联结构是指将第i个子光纤模场适配器的输出端和第i+1个子光纤模场适配器的输入端相连，并要求第i个子光纤模场适配器的输出端纤芯直径与第i+1个子光纤模场适配器的输入端纤芯直径相等，i＝1，2，……，Q-1，Q为串联的子光纤模场适配器的个数，对于第一光纤模场适配器，Q＝Q1。第1个子光纤模场适配器的输入端即为第一光纤模场适配器的输入端，第Q1个子光纤模场适配器的输出端即为第一光纤模场适配器的输出端，Q1应小于等于10，优选地，小于等于5。
[0017] 第二光纤模场适配器的输入端与增益模块的信号光输出端相连，要求第二光纤模场适配器输入端光纤纤芯的直径与增益模块信号光输出端光纤纤芯的直径相等；第二光纤模场适配器的输出端与第二光敏光纤输入端相连，要求第二模场适配器输出端光纤纤芯的直径与第二光敏光纤输入端纤芯的直径相等。第二光纤模场适配器结合需要，可采用一个光纤模场适配器，也可以采用子光纤模场适配器串联结构，第二光纤模场适配器中串联的子光纤模场适配器个数为Q2，(Q2为自然数，Q2可与Q1相等，也可以不相等，Q2应小于等于10，优选地，小于等于5)，第1个子光纤模场适配器的输入端即为第二光纤模场适配器的输入端，第Q2个子光纤模场适配器的输出端即为第二光纤模场适配器的输出端。对于第二光纤模场适配器，Q＝Q2。
[0018] 光纤模场适配器主要起到两个作用：一是实现双包层掺镱光纤纤芯和光敏光纤纤芯之间的模场匹配和低损连接，在980nm波段光纤振荡器中，使用的双包层光纤的纤芯直径往往较大，这给光纤光栅的刻写带来了难度，因此，刻写光纤光栅的光敏光纤的直径往往要小于双包层光纤的纤芯，为了实现两个纤芯之间的模场匹配和低损连接，需采用模场适配器；二是利用模场适配器可以减少激光器中的模式数量，有利于提升输出激光的光束质量。
[0019] 第一光敏光纤中刻写的第一光纤光栅的中心波长应位于激光波段，即：970nm～985nm波段，且在中心波长的反射率应大于等于90％，旁瓣抑制比应大于等于20dB。第一光敏光纤的输出端应抑制光纤端面对于光场的反射，可采用但不限于常见的斜角切割。
[0020] 第二光敏光纤中刻写的第二光纤光栅的中心波长应与第一光纤光栅近似相等(偏差应小于等于1nm)，且在中心波长的反射率应大于等于10％，旁瓣抑制比应大于等于25dB。
[0021] 输出耦合端的输入端与第二光敏光纤的输出端相连，输出耦合端的输入端光纤应与第二光敏光纤的输出端光纤纤芯直径相等。其结构可采用但不限于光纤端面的斜角切割或端帽。
[0022] 采用本发明可以达到以下技术效果：
[0023] 1.本发明实现了全光纤化的高功率980nm波段光纤振荡器，采用半导体激光器直接泵浦，提升了振荡器的电光转换效率；
[0024] 2.本发明通过采用双包层掺镱光纤和侧向包层泵浦结构，突破了现有振荡器方案纤芯泵浦对于泵浦光功率的限制；
[0025] 3.通过提高双包层掺镱光纤的纤芯包层比，保证了振荡器的泵浦效率；
[0026] 4.通过引入模场适配器，解决了掺镱光纤的大纤芯与光纤光栅刻写所需光敏光纤纤芯较小之间的矛盾，实现了光场低损传输的同时，也提升了输出激光的输出效率；
[0027] 5.通过光纤光栅和光敏光纤的端面处理，抑制1030nm波段的放大自发辐射对于振荡器的影响。
[0028] 6.该技术方案结构简单，可实现千瓦量级的980nm波段激光输出，光光转换效率大于50％。
附图说明
[0029] 图1为本发明全光纤980nm波段光纤振荡器的结构示意图。
[0030] 图2为本发明全光纤980nm波段光纤振荡器实施例一的结构示意图。
[0031] 图3为本发明全光纤980nm波段光纤振荡器实施例二的结构示意图。
[0032] 图4为发明实施例二中光纤模场适配器的结构示意图。
具体实施方式
[0033] 以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
[0034] 如图1所示，本发明由增益模块10、第一泵浦模块21、第二泵浦模块22、第一光纤模场适配器31、第二光纤模场适配器32、第一光敏光纤41、第一光纤光栅51、第二光敏光纤42、第二光纤光栅52和输出耦合端60组成。第一泵浦模块21和第二泵浦模块22分别与增益模块10的泵浦光输入端相连。第一光纤模场适配器31和第二光纤模场适配器32的输入端分别与增益模块10的信号光输出端相连。第一光纤模场适配器31的输出端与第一光敏光纤41的输入端相连。第二光纤模场适配器32的输出端与第二光敏光纤42的输入端相连。第一光敏光纤41的纤芯中刻写第一光纤光栅51，第二光敏光纤42的纤芯中刻写第二光纤光栅52。输出耦合端60的输入端与第二光敏光纤42的输出端相连。
[0035] 本发明的增益模块10由泵浦耦合模块11和双包层掺镱光纤12构成，泵浦光经泵浦耦合模块11，从双包层掺镱光纤12内包层的侧面耦合到双包层掺镱光纤12中，并对双包层掺镱光纤12纤芯中的镱离子进行泵浦，从而产生980nm波段的光场。双包层掺镱光纤12的纤芯包层直径比(即纤芯直径除以内包层直径)应大于等于30％。
[0036] 泵浦耦合模块11可采用两种技术方案。技术方案一如图2所示，泵浦耦合模块11由第一侧向泵浦合束器111和第二侧向泵浦合束器112组成，第一侧向泵浦合束器111和第二侧向泵浦合束器112均是将泵浦光经由双包层光纤的内包层侧面，耦合到双包层光纤的内包层中的光纤器件，包含不少于1个泵浦光输入端、1个信号光输入端和1个输出端，第一侧向泵浦合束器111和第二侧向泵浦合束器112的泵浦光输入端的数量可以相等，也可以不相等。第一侧向泵浦合束器111的信号光输入端11101和第二侧向泵浦合束器112的信号光输入端11201即为泵浦耦合模块11的2个信号光输入端；第一侧向泵浦合束器111的输出端11102和第二侧向泵浦合束器112的输出端11202即为泵浦耦合模块11的2个输出端；第一侧向泵浦合束器111的泵浦光输入端(1111-111N)(图2中N为6，N为第一侧向泵浦合束器111的泵浦光输入端个数)和第二侧向泵浦合束器112的泵浦光输入端(1121-112M)(图2中M为6，M为第二侧向泵浦合束器112的泵浦光输入端个数)即为泵浦耦合模块11的泵浦光输入端(共N+M个)。第一侧向泵浦合束器111的输出端11102和第二侧向泵浦合束器112的输出端11202与双包层掺镱光纤12的两端相连，泵浦耦合模块11的泵浦光输入端即为增益模块10的泵浦光输入端(共N+M个)，泵浦耦合模块11的2个信号光输入端即为增益模块10的2个信号光输出端。
[0037] 泵浦耦合模块11也可采用如图3所示的技术方案二，即采用K个多模光纤，使得K个多模光纤的纤芯与双包层掺镱光纤12内包层光学接触(K应为小于等于[π(1+R1/r1)]的自然数，其中，R1为双包层掺镱光纤12内包层直径，r1为多模光纤的最小纤芯直径)，这样，泵浦耦合模块11的K个多模光纤中传输的泵浦光，可以通过倏逝波耦合等光学接触方式，耦合到双包层掺镱光纤12内包层中，从而泵浦双包层掺镱光纤12纤芯中的镱离子产生980nm波段的光场。在该方案中，泵浦耦合模块11的K个多模光纤的两端即为增益模块10的泵浦光输入端(共2K个)，双包层掺镱光纤12的两端即为增益模块10的2个信号光输出端。
[0038] 本发明的第一泵浦模块21包含多个泵浦子模块，泵浦子模块的数量应小于等于N(当泵浦耦合模块11采用第一方案时)或K(当泵浦耦合模块11采用第二方案时)，泵浦耦合模块11第一方案的泵浦光输入端数量为(N+M)，第二方案的泵浦光输入端数量为2K。泵浦子模块可以选用一个尾纤输出900nm～960nm波段的半导体激光器(如图2所示实施例一中的泵浦子模块211-216)，此时，半导体激光器的尾纤即为泵浦子模块的输出光纤；也可以采用公知的合束结构，即将多个尾纤输出900nm～960nm波段的尾纤输出半导体激光器经过至少一个光纤泵浦合束器合束到一根输出光纤(即为泵浦子模块的输出光纤)中(如图3所示实施例二中的泵浦子模块211)。构成第一泵浦模块21的所有泵浦子模块的输出光纤即为第一泵浦模块21的输出光纤。第一泵浦模块21的输出光纤与增益模块10泵浦光输入端光纤的输入光纤相连(若泵浦耦合模块11采用第一方案，第一泵浦模块21的输出光纤与增益模块10的N个泵浦光输入端光纤相连，若泵浦耦合模块11采用第二方案，第一泵浦模块21的输出光纤与增益模块10的K个泵浦光输入端光纤相连)。第一泵浦模块21的输出光纤的直径应小于等于增益模块10泵浦光输入端光纤的直径；第一泵浦模块21的输出光纤的数值孔径应小于等于增益模块10泵浦光输入端光纤的数值孔径。
[0039] 本发明的第二泵浦模块22包含多个泵浦子模块，泵浦子模块的数量应小于等于M(当泵浦耦合模块11采用第一方案时)或K(当泵浦耦合模块11采用第二方案时)。每个泵浦子模块均由尾纤输出900nm～960nm波段的半导体激光器构成。泵浦子模块可以选用一个尾纤输出900nm～960nm波段的半导体激光器(如图2所示实施例一中的泵浦子模块221-226)，此时，半导体激光器的尾纤即为泵浦子模块的输出光纤；也可以采用公知的合束结构，即将多个尾纤输出900nm～960nm波段的尾纤输出半导体激光器经过至少一个光纤泵浦合束器合束到一根输出光纤(即为泵浦子模块的输出光纤)中(如图3所示实施例二中的第二泵浦子模块221)。构成第二泵浦模块22的所有泵浦子模块的输出光纤即为第二泵浦模块22的输出光纤。第二泵浦模块22的输出光纤与增益模块10泵浦光输入端光纤相连(若泵浦耦合模块11采用第一方案，第二泵浦模块22的输出光纤与增益模块10的另M个泵浦光输入端光纤相连，若泵浦耦合模块11采用第二方案，第二泵浦模块22的输出光纤与增益模块10的另K个泵浦光输入端光纤相连)。第二泵浦模块22的输出光纤的直径应小于等于增益模块10泵浦光输入端光纤的直径；第二泵浦模块22的输出光纤的数值孔径应小于等于增益模块10泵浦光输入端光纤的数值孔径。
[0040] 第一光纤模场适配器31的输入端与增益模块10的信号光输出端相连，要求第一光纤模场适配器31输入端光纤纤芯的直径与增益模块10信号光输出端光纤纤芯的直径相等；第一光纤模场适配器31的输出端与第一光敏光纤41输入端相连，要求第一模场适配器31输出端光纤纤芯的直径与第一光敏光纤41输入端纤芯的直径相等。第一光纤模场适配器31可采用一个光纤模场适配器，也可以采用Q1个子光纤模场适配器串联结构(即将第i个子光纤模场适配器的输出端和第i+1个子光纤模场适配器的输入端相连，并要求第i个子光纤模场适配器的输出端纤芯直径与第i+1个子光纤模场适配器的输入端纤芯直径相等，i＝1，
2，……，Q1-1，Q1为自然数，第1个子光纤模场适配器的输入端即为第一光纤模场适配器31的输入端，第Q1个子光纤模场适配器的输出端即为第一光纤模场适配器31的输出端，Q1应小于等于10，优选地，小于等于5)。
[0041] 第二光纤模场适配器32的输入端与增益模块10的信号光输出端相连，要求第二光纤模场适配器32输入端光纤纤芯的直径与增益模块10信号光输出端光纤纤芯的直径相等；第二光纤模场适配器32的输出端与第二光敏光纤42输入端相连，要求第二模场适配器32输出端光纤纤芯的直径与第二光敏光纤42输入端纤芯的直径相等。第二光纤模场适配器32结合需要，可采用一个光纤模场适配器，也可以采用Q2个子光纤模场适配器串联结构(Q2为自然数，Q2可与Q1相等，也可以不相等，Q2应小于等于10，优选地，小于等于5)。
[0042] 第一光敏光纤41中刻写的第一光纤光栅51的中心波长应位于激光波段，即：970nm～985nm波段，且在中心波长的反射率应大于等于90％，旁瓣抑制比应大于等于20dB。第一光敏光纤41的输出端应抑制光纤端面对于光场的反射，可采用但不限于常见的斜角切割。
[0043] 第二光敏光纤42中刻写的第二光纤光栅52的中心波长应与第一光纤光栅51近似相等(偏差应小于1nm)，且在中心波长的反射率应大于等于10％，旁瓣抑制比应大于等于25dB。
[0044] 输出耦合端60的输入端与第二光敏光纤42的输出端相连，输出耦合端60的输入端光纤应与第二光敏光纤42的输出端光纤纤芯直径相等。其结构可采用但不限于光纤端面的斜角切割或端帽。
[0045] 图2给出了本发明的实施例一。该实施例的增益模块10选用的双包层掺镱光纤12的纤芯包层直径比30％；泵浦耦合模块11采用技术方案一，即选用2个具有6个泵浦光输入端的侧向泵浦合束器(即N＝M＝6)。第一泵浦模块21包含6个泵浦子模块211-216，每个泵浦子模块都由一个带尾纤的半导体激光器构成。第二泵浦模块22也包含6个泵浦子模块221-226，每个泵浦子模块都由一个带尾纤的半导体激光器构成。第一光纤模场适配器31和第二光纤模场适配器32具有相同的结构，均由2个子光纤模场适配器串联而成(即Q1＝Q2＝2)。下面以第一光纤模场适配器31为例介绍光纤模场适配器的结构，如图4所示，第一光纤模场适配器31由第一子光纤模场适配器311和第二子光纤模场适配器312构成；第一子光纤模场适配器311的输出端与第二子光纤模场适配器312的输入端相连。第一光敏光纤41和第二光敏光纤42具有相同的结构，第一光纤光栅51中心波长为978nm，中心波长的反射率为90％，旁瓣抑制比为20dB；第二光纤光栅52中心波长为977.9nm，中心波长的反射率为25％，旁瓣抑制比为45dB。将第二光敏光纤42的输出端切割成斜角作为输出耦合端60。实施例一在泵浦模块21和泵浦模块22均可提供900W泵浦光的情况下，在980nm波段输出激光的功率可达到
990W，光光转换效率为55％，电光转换效率可达到25％。
[0046] 图3给出了本发明的实施例二。该实施例的增益模块10选用的双包层掺镱光纤的纤芯包层直径比为50％；泵浦耦合模块11采用技术方案二，即采用一个多模光纤(K＝1)，与双包层掺镱光纤12构成侧面泵浦掺镱光纤，第一泵浦模块21包含一个泵浦子模块211，泵浦子模块由七个带尾纤的半导体激光器2111-2117经7×1光纤泵浦合束器2118合束构成。第二泵浦模块22包含一个泵浦子模块221，由七个带尾纤的半导体激光器2211-2217经7×1光纤合束器2218合束构成。第一泵浦模块21和第二泵浦模块22均可提供700W泵浦光。第一光纤模场适配器31和第二光纤模场适配器32具有相同的结构。第一光敏光纤41和第二光敏光纤42具有相同的结构。第一光纤光栅51中心波长为977nm，中心波长的反射率为98％，旁瓣抑制比为25dB；第二光纤光栅52中心波长为977nm，中心波长的反射率为10％，旁瓣抑制比为25dB。将第二光敏光纤42的输出端切割成斜角作为输出耦合端60。实施例二中，如果第一泵浦模块21和第二泵浦模块22均可提供700W泵浦光，在980nm波段输出激光的功率可达到812W，光光转换效率为58％，电光转换效率可达到25％。
