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脉冲全光纤激光器

阅读：538发布：2020-05-13

IPRDB可以提供脉冲全光纤激光器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及脉冲全光纤激光器，由主振荡器和功率放大器两部分构成，其中主振荡器由带尾纤半导体泵浦源、(1+1)×1侧边耦合器、信号光反射光纤光栅双包层掺镱光纤、光纤耦合声光调制器、输出耦合光纤光栅组成，(1+1)×1侧边耦合器中泵浦输入光纤与带尾纤半导体泵浦源相连，输出光纤和信号光反射光纤光栅或输出耦合光纤光栅相连，信号光反射光纤光栅和输出耦合光纤光栅之间依次熔接双包层掺镱光纤和光纤耦合声光调制器，输出耦合光纤光栅或(1+1)×1侧边耦合器中信号输入光纤与功率放大器的信号输入端相连。本发明的整个系统只需简单风冷，具有紧凑、重复频率可调、输出脉宽窄、峰值功率高等特点，稳定可靠、易于实现产品化。，下面是脉冲全光纤激光器专利的具体信息内容。

1.脉冲全光纤激光器，其特征在于：由主振荡器(1)和功率放大器(2)两部分构成，其中主振荡器(1)由带尾纤半导体泵浦源(11)、(1+1)×1侧边耦合器(12)、信号光反射光纤光栅(13)、双包层掺镱光纤(14)、光纤耦合声光调制器(15)、输出耦合光纤光栅(16)组成，(1+1)×1侧边耦合器(12)中泵浦输入光纤与带尾纤半导体泵浦源(11)相连，输出光纤和信号光反射光纤光栅(13)或输出耦合光纤光栅(16)相连，信号光反射光纤光栅(13)和输出耦合光纤光栅(16)之间依次熔接双包层掺镱光纤(14)和光纤耦合声光调制器(15)，输出耦合光纤光栅(16)或(1+1)×1侧边耦合器(12)中信号输入光纤与功率放大器(2)的信号输入端相连，所述的(1+1)×1侧边耦合器(12)具有较大的反向隔离度和很小的插入损耗，输入光纤其中一根为多模光纤与带尾纤半导体泵浦源(11)相熔接；所述的信号光反射光纤光栅(13)对915nm泵浦光的透过率在99％以上，对信号光的反射率在98％以上；所述的双包层掺镱光纤(14)为单模双包层光纤；所述的光纤耦合声光调制器(15)两端均为光纤耦合；所述的输出耦合光纤光栅(16)对915nm泵浦光的透过率在99％以上，对信号光反射率为5％-20％，输出耦合光纤光栅(16)与信号光反射光纤光栅(13)构成激光器的谐振腔；功率放大器的输出传输光纤(28)输出端熔有石英材料的端帽，呈8度倾角抛光并镀有信号光增透膜，以抑制自激振荡。

2.根据权利要求1所述的脉冲全光纤激光器，其特征在于：所述的功率放大器(2)由五个带尾纤半导体泵浦源(21，22，23，24，25)、(6+1)×1侧边耦合器(26)、双包层掺镱光纤(27)、输出传输光纤(28)构成，五个带尾纤半导体泵浦源(21，22，23，24，25)、双包层掺镱光纤(27)与(6+1)×1侧边耦合器(26)相连，双包层掺镱光纤(27)另一端与输出传输光纤(28)相连，功率放大器(2)的信号输入端为(6+1)×1侧边耦合器(26)的信号输入光纤。

3.根据权利要求1所述的脉冲全光纤激光器，其特征在于：所述的功率放大器(2)由五个带尾纤半导体泵浦源(21，22，23，24，25)、(3+1)×1侧边耦合器(29)、(2+1)×1侧边耦合器(30)、双包层掺镱光纤(27)、输出传输光纤(28)构成，三个带尾纤半导体泵浦源(21，

22，23)分别与(3+1)×1侧边耦合器(29)相连，(3+1)×1侧边耦合器(29)通过双包层掺镱光纤(27)与(2+1)×1侧边耦合器(30)相连，另二个带尾 纤半导体泵浦源(24，25)和输出传输光纤(28)与(2+1)×1侧边耦合器(30)相连，功率放大器(2)的信号输入端为(3+1)×1侧边耦合器(29)的信号输入光纤。

4.根据权利要求1所述的脉冲全光纤激光器，其特征在于：所述的功率放大器(2)由五个带尾纤半导体泵浦源(21，22，23，24，25)、(6+1)×1侧边耦合器(26)、双包层掺镱光纤(27)、输出传输光纤(28)构成，五个带尾纤半导体泵浦源(21，22，23，24，25)、输出传输光纤(28)分别与(6+1)×1侧边耦合器(26)相连，功率放大器(2)的信号输入端为双包层掺镱光纤(27)。

5.根据权利要求1所述的脉冲全光纤激光器，其特征在于：所述的带尾纤半导体泵浦源为半导体激光器，输出波长为915nm，输出功率为10W，尾纤为多模光纤。

6.根据权利要求1所述的脉冲全光纤激光器，其特征在于：所述的功率放大器(2)双包层掺镱光纤(27)为大模面积双包层光纤。

说明书全文

脉冲全光纤激光器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种脉冲全光纤激光器。

背景技术

[0002] 脉冲光纤激光器具有结构紧凑、光束质量好、脉宽窄、峰值功率高、无需水冷等众多优点，可广泛应用于打标、整形、微机械加工和激光医学等领域，是当今光电信息领域比较前沿的方向之一。目前，获得高光束质量、高功率、短脉冲激光的方式主要有三种：锁模技术、调Q技术及主振荡-放大(MOPA)技术。
[0003] 锁模光纤激光器(参见在先技术[Opt.Comm.，2000，186：311])的结构很复杂，输出脉冲宽度很窄，是光通信系统中时分复用的关键技术，但由于双包层光纤的内包层尺寸比普通光纤大很多，与普通光纤的耦合存在一定问题，以及光纤非线性效应的限制，因此利用锁模技术很难在双包层光纤中实现高能量的脉冲激光输出。调Q双包层光纤激光器(参见在先技术[Electron.Lett.，2004，40(15)：928-929])主要采用在连续双包层光纤激光器内加声光或电光调Q晶体实现，脉冲能量和平均功率较小，而且脉冲能量受光纤端面阈值的限制。主振荡-放大光纤激光器(参见在先技术[Opt.Lett.，2005，30(4)：358-360])是把由主振荡产生的种子光进行放大，就能得到平均输出功率大、峰值功率高、调谐范围广、光束质量好的激光光束，但其采用输出功率较小的1064nm单模LD作为种子源，故采用四级放大才获得了高功率的脉冲激光输出。

发明内容

[0004] 本发明为了克服上述现有技术存在的问题及缺点，提供一种脉冲全光纤激光器，本发明为全光纤结构，整个系统简单紧凑，只需简单风冷。具有重复频率可调、输出脉宽窄、峰值功率高等特点，稳定可靠、易于实现产品化。
[0005] 本发明技术方案为：本发明采用主振荡——放大(MOPA)结构，主振荡级为声光调Q光纤激光器，整机均采用光纤和光纤器件相熔接，全光纤结构。在声光调制器的调制下，主振荡级输出重复频率可调、平均功率约2W的脉冲种子光，注入功率放大器进行一级放大，输出平均功率达到25W。
[0006] 脉冲全光纤激光器，如图1所示，由主振荡器1和功率放大器2两部分构成，其中主振荡器1由带尾纤半导体泵浦源11、(1+1)×1侧边耦合器12、信号光反射光纤光栅13、双包层掺镱光纤14、光纤耦合声光调制器15、输出耦合光纤光栅16组成，有如图2、图3所示两种结构，(1+1)×1侧边耦合器中泵浦输入光纤与带尾纤半导体泵浦源相连，输出光纤和信号光反射光纤光栅或输出耦合光纤光栅相连，信号光反射光纤光栅13和输出耦合光纤光栅16之间依次熔接双包层掺镱光纤14与光纤耦合声光调制器15，输出耦合光纤光栅16或(1+1)×1侧边耦合器12中信号输入光纤与功率放大器2的信号输入端相连。在主振荡器1中，在激光谐振腔内声光调制器15的调制下，输出平均功率2W左右的种子脉冲激光，其频率可以通过声光调制器15实现调制，主振荡器1输出的种子脉冲激光随后注入功率放大器2进行放大，可获得平均功率25W的脉冲激光，随后通过输出传输光纤28输出。
[0007] 所述的功率放大器2由五个带尾纤半导体泵浦源(21，22，23，24，25)、(6+1)×1侧边耦合器26、双包层掺镱光纤27、输出传输光纤28构成，五个带尾纤半导体泵浦源(21，22，23，24，25)、双包层掺镱光纤27与(6+1)×1侧边耦合器26相连，双包层掺镱光纤27另一端与输出传输光纤28相连，功率放大器2的信号输入端为(6+1)×1侧边耦合器26的信号输入光纤。如图4所示。
[0008] 所述的功率放大器2由五个带尾纤半导体泵浦源(21，22，23，24，25)、(3+1)×1侧边耦合器29、(2+1)×1侧边耦合器30、双包层掺镱光纤27、输出传输光纤28构成，三个带尾纤半导体泵浦源(21，22，23)分别与(3+1)×1侧边耦合器29相连，(3+1)×1侧边耦合器29通过双包层掺镱光纤27与(2+1)×1侧边耦合器30相连，另二个带尾纤半导体泵浦源(24，25)和输出传输光纤28与(2+1)×1侧边耦合器30相连，功率放大器2的信号输入端为(3+1)×1侧边耦合器29的信号输入光纤，如图5所示。
[0009] 所述的功率放大器2由五个带尾纤半导体泵浦源(21，22，23，24，25)、(6+1)×1侧边耦合器26、双包层掺镱光纤27、输出传输光纤28构成，五个带尾纤半导体泵浦源(21，22，23，24，25)、双包层掺镱光纤27、输出传输光纤28分别与(6+1)×1侧边耦合器26相连，功率放大器2的信号输入端为双包层掺镱光纤27，如图6所示。
[0010] 所述的所述的六个带尾纤半导体泵浦源(11，21，22，23，24，25)为半导体激光器，输出波长为915nm，输出功率为10W，尾纤为多模光纤。掺镱光纤激光器的泵浦源一般采用915nm或975nm波长半导体激光器，由于掺镱光纤在915nm附近具有更宽的吸收谱线，故本发明选用915nm带尾纤的半导体激光器用作泵浦源。
[0011] 所述的(1+1)×1侧边耦合器12具有较大的反向隔离度和很小的插入损耗，保证带尾纤半导体泵浦源11不会因为反馈过大而致损坏；同时具有较小的耦合损耗，一般小于0.2dB，保证泵浦光能通过其有效注入掺镱光纤。其结构参见先专利号：ZL 03128067.6，其输入光纤其中一根为多模光纤，与带尾纤半导体泵浦源11相熔接。
[0012] 所述的信号光反射光纤光栅13对915nm泵浦光高透，透射率大于99％；对信号光1064nm高反，一般反射效率在98％以上。
[0013] 所述的主振荡器1的双包层掺镱光纤14为单模双包层光纤，其纤芯材料是激光工作物质，为掺镱石英玻璃；内包层的横截面是矩形、D形、六角形或是非圆形的其它形状。为单模光纤，保证了主振荡1输出的种子光具有近衍射极限的光束质量。
[0014] 所述的光纤耦合声光调制器15两端均为光纤耦合，可直接跟其它光纤器件熔接，调制频率20kHz-80kHz可调。其插入损耗一般低于2dB，保证主振荡1输出种子光具有较大的平均功率，达到2W左右。其结构参见先专利(专利号：ZL 200820067133.0)。通过其特殊的结构，抑制掺杂光纤内的自激振荡，从而实现大功率的脉冲激光输出，并通过在不同元件上镀膜的方法来实现窄光谱的激光输出。
[0015] 所述的输出耦合光纤光栅16对915nm泵浦光高透，透射率大于99％；对信号光1064nm部分反射，反射率一般为5％-20％。其与信号光反射光纤光栅13构成激光器的谐振腔，反射波长与信号光反射光纤光栅13的反射波长严格匹配。
[0016] 所述的(6+1)×1侧边耦合器26具有较大的反向隔离度，保证带尾纤半导体泵浦源(21，22，23，24，25)不会因为反馈过大而致损坏；同时具有较小的插入损耗和耦合损耗，一般均小于0.2dB，保证泵浦光能通过其有效注入掺镱光纤。其结构参见先专利号：ZL03128067.6。输入光纤中五根为多模光纤，分别与带尾纤半导体泵浦源(21，22，23，24，25)熔接在一起；一根为双包层光纤，与主振荡器1的输出端熔接在一起。
[0017] 所述的双包层掺镱光纤27，为大模面积双包层光纤，其纤芯材料是激光工作物质，为掺镱石英玻璃；内包层的横截面是矩形、D形、六角形或是非圆形的其它形状。与双包层掺镱光纤14相比，其具有更大的纤芯尺寸。根据所采用的不同参数光纤，选用适当的直径盘绕起来，保证从放大器输出的激光具有较好的光束质量。
[0018] 所述的输出传输光纤28，为被动光纤，其纤芯直径和数值孔径与前端熔接光纤相匹配，保证两者之间较小的熔接损耗。输出端熔有石英材料的端帽，呈8度倾角抛光，以抑制光路内的自激振荡，并保护输出端承受较大的峰值功率。
[0019] 所述的(3+1)×1侧边耦合器29具有较大的反向隔离度和很小的插入损耗，其结构参见先专利号：ZL 03128067.6。输入光纤中有3根为多模光纤，分别与三个带尾纤半导体泵浦源(21，22，23)熔接在一起，一根为双包层光纤，与主振荡器1的输出端熔接在一起。
[0020] 所述的(2+1)×1侧边耦合器30具有较大的反向隔离度和很小的插入损耗，其结构参见先专利号：ZL 03128067.6。输入光纤中有2根为多模光纤，分别与二个带尾纤半导体泵浦源(24，25)熔接在一起，一根为双包层光纤，与输出传输光纤28熔接在一起。
[0021] 与先技术相比，本发明所述的脉冲光纤激光器为全光纤结构，整个系统结构简单紧凑，只需简单风冷。具有重复频率可调、输出脉宽窄、峰值功率高、光束质量好等特点，稳定可靠、易于实现产品化。

附图说明

[0022] 图1为本发明的脉冲全光纤激光器的结构示意图；
[0023] 图2和图3为主振荡器的两种结构示意图；
[0024] 图4、图5和图6分别为放大器的三种结构示意图；
[0025] 图7为脉冲全光纤激光器的其中一种整体结构示意图。

具体实施方式

[0026] 结合附图对本发明作进一步的描述。
[0027] 如图1所示，由主振荡器1和功率放大器2两部分构成，其中主振荡器1由带尾纤半导体泵浦源11、(1+1)×1侧边耦合器12、信号光反射光纤光栅13、双包层掺镱光纤14、光纤耦合声光调制器15、输出耦合光纤光栅16组成，主振荡器1的结构如图2所示，(1+1)×1侧边耦合器中泵浦输入光纤与带尾纤半导体泵浦源相连，输出光纤和信号光反射光纤光栅信号光反射光纤光栅13的输出端经双包层掺镱光纤14与光纤耦合声光调制器15相连，光纤耦合声光调制器15的输出端经输出耦合光纤光栅16与功率放大器2的信号输入端相连；图3所示为主振荡器1的第二种结构，(1+1)×1侧边耦合器12中泵浦输入光纤与带尾纤半导体泵浦源11相连，输出光纤和输出耦合光纤光栅16相连，输出耦合光纤光栅16的输出端依次与光纤耦合声光调制器15、双包层掺镱光纤14信号光反射光纤光栅13相连，(1+1)×1侧边耦合器12的信号输入光纤作为主振荡器1的输出端与功率放大器2的信号输入端相连。在主振荡器1中，在激光谐振腔内声光调制器15的调制下，输出平均功率2W左右的种子脉冲激光，其频率可以通过声光调制器15实现调制，主振荡器1输出的种子脉冲激光随后注入功率放大器2进行放大，可获得平均功率25W的脉冲激光，随后通过输出传输光纤28输出。
[0028] 所述的功率放大器2由五个带尾纤半导体泵浦源(21，22，23，24，25)、(6+1)×1侧边耦合器26、双包层掺镱光纤27、输出传输光纤28构成，五个带尾纤半导体泵浦源(21，22，23，24，25)、双包层掺镱光纤27分别与(6+1)×1侧边耦合器26相连，双包层掺镱光纤27另一端与输出传输光纤28相连，功率放大器2的信号输入端为(6+1)×1侧边耦合器26的信号输入光纤。如图4所示。
[0029] 所述的功率放大器2由五个带尾纤半导体泵浦源(21，22，23，24，25)、(3+1)×1侧边耦合器29、(2+1)×1侧边耦合器30、双包层掺镱光纤27、输出传输光纤28构成，三个带尾纤半导体泵浦源(21，22，23)分别与(3+1)×1侧边耦合器29相连，(3+1)×1侧边耦合器29通过双包层掺镱光纤27与(2+1)×1侧边耦合器30相连，另二个带尾纤半导体泵浦源(24，25)和输出传输光纤28与(2+1)×1侧边耦合器30相连，功率放大器2的信号输入端为(3+1)×1侧边耦合器29的信号输入光纤，如图5所示。
[0030] 所述的功率放大器2由五个带尾纤半导体泵浦源(21，22，23，24，25)、(6+1)×1侧边耦合器26、双包层掺镱光纤27、输出传输光纤28构成，五个带尾纤半导体泵浦源(21，22，23，24，25)、双包层掺镱光纤27、输出传输光纤28分别与(6+1)×1侧边耦合器26相连，功率放大器2的信号输入端为双包层掺镱光纤27，如图6所示。
[0031] 以图7所示的结构为例。将带尾纤半导体泵浦源11的尾纤与(1+1)×1侧边耦合器12输入端的一根多模光纤熔接在一起；侧边耦合器12的输出光纤与信号光反射光纤光栅13相熔接；然后跟双包层掺镱光纤14熔接在一起；双包层掺镱光纤14的另一端与光纤耦合声光调制器15的尾纤相熔接；随后跟输出耦合光纤光栅16熔接在一起。然后，输出耦合光纤光栅16与(5+1)×1侧边耦合器26输入端的双包层光纤相熔接，侧边耦合器26的另外五根输入光纤则分别与带尾纤半导体泵浦源21、22、23、24、25熔接在一起，其输出光纤则跟双包层掺镱光纤27相熔接；最后再熔接输出传输光纤28。这就完成了MOPA结构的脉冲全光纤激光器。
[0032] 我们采用这种结构，主振荡级输出功率为2.1W，频率20kHz-80kHz可调，20kHz时脉冲约51ns。经放大器放大后，平均输出功率25W，频率20kHz-80kHz可调，20kHz时脉冲约65ns。
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激光器组件-专利编号CN105191023B 2020-05-11 983
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