一种全光纤结构980nm波段高功率光纤振荡器

摘要

本发明公开了一种全光纤结构980nm波段高功率光纤振荡器，目的是解决研发成本高、制作难度大问题；本发明由增益模块、两个泵浦模块、两个包层光滤除器、两个光纤光栅和输出耦合端组成；增益模块由两个光纤泵浦合束器和双包层掺镱光纤组成；光纤泵浦合束器将泵浦光耦合到双包层掺镱光纤中，对双包层掺镱光纤中的镱离子泵浦，产生980nm波段的光场；光纤泵浦合束器包含多个泵浦光输入端；泵浦模块中的泵浦子模块是尾纤输出900～960nm波段的半导体激光器；包层光滤除器由包层光滤除器或多个子包层光滤除器串联而成；光纤光栅中心波长为970～985nm波段。本发明具有50W量级功率输出能力，结构简单，成本低。

说明书

技术领域

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(975nm～985nm)的低研制成本、结构简单的全光纤结构高功率光纤振荡器。

背景技术

980nm波段光纤激光器是一种新型波段光纤激光器，与980nm波段的半导体激光器相比，具有亮度高、波长稳定性好等优势，作为泵浦光源，不仅在稀土掺杂光纤激光器领域具有广泛的应用前景，而且通过频率转换，可获得新型波段激光，因此，得到了广泛关注。

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常用增益光纤；但是，与常规波段(1030nm～1090nm波段)掺镱光纤激光器相比，实现高功率980nm波段光纤激光器的难度更大，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满足980nm波段光纤激光器的设计要求。

现阶段，最具功率提升潜力的方案，是专利号为“ZL201710102903.4”的“全光纤结构980nm波段高功率光纤振荡器”提出的基于双包层掺镱光纤的980nm波段光纤振荡器方案，该方案通过采用双包层掺镱光纤，解决了纤芯泵浦带来的泵浦功率受限问题，同时，通过提高双包层光纤的纤芯包层比(大于等于30％)，保证了光纤振荡器的泵浦效率。利用该方案可获得千瓦量级的980nm波段激光输出。虽然该方案较前期方案有了明显的简化，不过，该方案也存在一些问题，首先，大纤芯包层比的双包层掺镱光纤的拉制是比较困难的，往往需要定制，且生产难度较大，周期较长，这大大增加了该系统的研制成本；再者，双包层光纤的结构变化，也为无源光纤器件(如光纤光栅、模场适配器等)的研制带来了较大的难度，现阶段的商用产品无法满足，同样需要定制或自研，这也增加了该系统的研制成本。而研制成本的提升，无疑不利于该设计方案的推广和商品化。

980nm波段光纤振荡器的另一种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波段的光纤激光器不仅增加了系统复杂性和成本，而且，920nm～940nm波段的光纤激光器本身就具有很大的研发难度，这也大大提高了该激光器系统的研发成本。

此外，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，该方案结构仍较为复杂，同样存在研发成本高的问题。

除上述方案外，还有一些公知方案，这些方案的共同点，就是都采用了特种掺杂光纤，以实现980nm波段的激光输出。这些特种光纤包括全固态掺镱光子带隙光纤、光子晶体光纤、空气孔外包层光纤(jacketed-air-clad fiber)等微结构光纤，以及环性掺杂光纤、大纤芯W型掺镱光纤、锥形光纤、马鞍型光纤等特种结构掺杂光纤。这些光纤的制备均具有较大难度，其较高的研制或定制成本，也增加了整体系统的研制成本。当然，确有一些公知方案采用了纤芯包层比较小、制作难度较低的双包层光纤，但这些方案的功率水平较低，仅为20W量级水平，如何获得更好的功率输出是一个亟待解决的问题。

总结现有的980nm波段光纤振荡器的方案，普遍存在研发成本高、制作难度大的问题，不利于相关激光器系统的推广和商业化，特别是对于功率要求相对较低的应用场景(比如纤芯泵浦)，过高的研发成本无疑是一种浪费；而采用制作难度较低的光纤，输出功率的水平较低，这也影响了相关方案的应用潜力。

发明内容

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掺镱光纤的全光纤结构980nm波段高功率光纤振荡器，解决现有方案存在的研发成本高、制作难度大的问题；同时，通过器件参数设计，使该激光器系统具有50W量级的功率输出能力。

本发明的技术方案是：

本发明由增益模块、第一泵浦模块、第二泵浦模块、第一包层光滤除器、第二包层光滤除器、第一光纤光栅、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。第一包层光滤除器和第二包层光滤除器的输入端分别与增益模块的信号光输出端相连。第一包层光滤除器的输出端与第一光纤光栅的输入端相连。第二包层光滤除器的输出端与第二光纤光栅的输入端相连。输出耦合端的输入端与第二光纤光栅的输出端相连。本发明中不同器件之间的连接是通过光纤熔接来实现的。

本发明的增益模块由第一光纤泵浦合束器、第二光纤泵浦合束器和双包层掺镱光纤组成。第一光纤泵浦合束器和第二光纤泵浦合束器将泵浦光耦合到双包层掺镱光纤中，并对双包层掺镱光纤中的镱离子进行泵浦，从而产生980nm波段的光场。其中，第一光纤泵浦合束器和第二光纤泵浦合束器均包含多个泵浦光输入端、1个信号光输入端和1个输出端。第一光纤泵浦合束器的信号光输入端和第二光纤泵浦合束器的信号光输入端即增益模块的2个信号光输出端。第一光纤泵浦合束器和第二光纤泵浦合束器的输出端与双包层掺镱光纤的两端分别相连。要求第一光纤泵浦合束器的输出端光纤、第二光纤泵浦合束器的输出端光纤和双包层掺镱光纤的纤芯包层直径均相同。第一光纤泵浦合束器的N个第一泵浦光输入端和第二光纤泵浦合束器的M个第二泵浦光输入端即为增益模块的泵浦光输入端。N为第一光纤泵浦合束器的第一泵浦光输入端个数，M为第二光纤泵浦合束器的第二泵浦光输入端个数。双包层掺镱光纤的纤芯和包层直径分别为20微米和125微米。

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。其中，第一泵浦模块的泵浦子模块数量N1应小于等于第一光纤泵浦合束器的第一泵浦光输入端数量N，第二泵浦模块的泵浦子模块的数量M1应小于等于第二光纤泵浦合束器的第二泵浦光输入端的数量M。泵浦子模块可以选用尾纤输出900nm～960nm波段的半导体激光器，此时，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，且与第一光纤泵浦合束器的N1个第一泵浦光输入端相连。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，且与第二光纤泵浦合束器的M1个第二泵浦光输入端相连。第一泵浦模块的输出光纤直径应小于等于第一光纤泵浦合束器的第一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第一光纤泵浦合束器的第一泵浦光输入端光纤的数值孔径。第二泵浦模块的输出光纤直径应小于等于第二光纤泵浦合束器的第二泵浦光输入端光纤的直径；第二泵浦模块的输出光纤的数值孔径应小于等于第二光纤泵浦合束器的第二泵浦光输入端光纤的数值孔径。

本发明的第一包层光滤除器和第二包层光滤除器，主要用于滤除残余泵浦光。结合需要，第一包层光滤除器和第二包层光滤除器可采用一个包层光滤除器，也可采用多个子包层光滤除器进行串联。所述第一包层光滤除器和第二包层光滤除器的连接方式有四种，分别是：第一种，所述第一包层光滤除器放在第一光纤光栅输入端，所述第二包层光滤除器放在第二光纤光栅输入端，即第一包层光滤除器的输入端和第二包层光滤除器的输入端分别与增益模块的信号光输出端相连，第一包层光滤除器的输出端与第一光纤光栅的输入端相连，第二包层光滤除器的输出端与第二光纤光栅的输入端相连，第二光纤光栅的输出端与输出耦合端的输入端相连；第二种，所述第一包层光滤除器放在第一光纤光栅输出端，所述第二包层光滤除器放在第二光纤光栅输出端，即第一光纤光栅的输入端和第二光纤光栅的输入端分别与增益模块的信号光输出端相连，第一光纤光栅的输出端与第一包层光滤除器的输入端相连，第二光纤光栅的输出端与第二包层光滤除器的输入端相连，第二包层光滤除器的输出端与输出耦合端的输入端相连；第三种，所述第一包层光滤除器放在第一光纤光栅输出端，所述第二包层光滤除器放在第二光纤光栅输入端，即第一光纤光栅的输入端和第二包层光滤除器的输入端分别与增益模块的信号光输出端相连，第一光纤光栅的输出端与第一包层光滤除器的输入端相连，第二光包层光滤除器的输出端与第二光纤光栅的输入端相连，第二光纤光栅的输出端与输出耦合端的输入端相连；第四种，所述第一包层光滤除器放在第一光纤光栅输入端，所述第二包层光滤除器放在第二光纤光栅输出端，即第一包层光滤除器的输入端和第二光纤光栅的输入端分别与增益模块的信号光输出端相连，第一包层光滤除器的输出端与第一光纤光栅的输入端相连，第二光纤光栅的输出端与第二包层光滤除器的输入端相连，第二包层光滤除器的输出端与输出耦合端的输入端相连。在第二种和第三种连接方式中，第一包层光滤除器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；要求第一包层光滤除器和第二包层光滤除器的功率承受能力均应大于等于90W。

本发明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40dB。在第一包层光滤除器和第二包层光滤除器中的第一种和第四种连接方式中，第一光纤光栅的输出端光纤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。

本发明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40dB。

本发明的输出耦合端的输入端光纤和第二光纤光栅的输出端光纤的纤芯直径相等。其结构可采用但不限于光纤端面的斜角切割或端帽。

本发明的工作过程是：

增益模块中的第一光纤泵浦合束器和第二光纤泵浦合束器分别将第一泵浦模块和第二泵浦模块中的半导体激光器产生的泵浦光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。然后980nm波段的光场在第一光纤光栅和第二光纤光栅构成的谐振腔内形成激光振荡，由第二光纤光栅透射输出。最后在输出耦合端输出980nm波段激光。在此过程中，第一包层光滤除器和第二包层光滤除器主要的作用是将残余泵浦光滤除以使输出耦合端输出980nm波段激光。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1.本发明实现了全光纤化的高功率980nm波段光纤振荡器，采用纤芯和包层直径分别为20微米和125微米的双包层掺镱光纤，降低了掺镱光纤的拉制难度以及系统的制造成本；

2.本发明通过采用双向泵浦结构，降低了光纤泵浦合束器的功率承受要求；同时，通过采用承受功率大于等于120W的光纤泵浦合束器，保证了足够的泵浦光功率；

3.通过采用高功率承受能力的包层光滤除器，保证了残余泵浦光的滤除；

4.通过将光纤光栅的旁瓣抑制比提高到40dB，优化了光纤光栅的旁瓣抑制比，抑制1030nm波段的放大自发辐射对于振荡器的影响。

5.本发明结构简单，掺镱光纤拉制难度小，制作成本低，可实现50瓦量级的980nm波段激光输出。

附图说明

图1为本发明全光纤980nm波段光纤振荡器的实施1(第一种连接方式)总体结构示意图。

图2为描述图1各部件具体结构的示意图。

图3为本发明全光纤980nm波段光纤振荡器的实施2(第二种连接方式，即将31、32均放到41、42的输出端)总体结构示意图。

图4为本发明全光纤980nm波段光纤振荡器的实施3(第三种连接方式，即将31放在41的输出端，将32放在42的输入端)总体结构示意图。

图5为本发明全光纤980nm波段光纤振荡器的实施4(第四种连接方式，即将31放在41的输入端，将32放在42的输出端)总体结构示意图。

具体实施方式

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。

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、第一包层光滤除器31、第二包层光滤除器32、第一光纤光栅41、第二光纤光栅42和输出耦合端50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。如图1的实施例1所示，第一包层光滤除器31和第二包层光滤除器32的输入端分别与增益模块10的信号光输出端相连。第一包层光滤除器31的输出端与第一光纤光栅41的输入端相连。第二包层光滤除器32的输出端与第二光纤光栅42的输入端相连。输出耦合端50的输入端与第二光纤光栅42的输出端相连。

如图2所示，所述增益模块10由第一光纤泵浦合束器101、第二光纤泵浦合束器102和双包层掺镱光纤103组成。第一光纤泵浦合束器101和第二光纤泵浦合束器102将泵浦光耦合到双包层掺镱光纤103中，并对双包层掺镱光纤103中的镱离子进行泵浦，从而产生980nm波段的光场。其中，第一光纤泵浦合束器101和第二光纤泵浦合束器102均包含多个泵浦光输入端、1个信号光输入端和1个输出端。第一光纤泵浦合束器101的第一信号光输入端10101和第二光纤泵浦合束器102的第二信号光输入端10201即为增益模块10的2个信号光输出端。第一光纤泵浦合束器101的第一输出端10102和第二光纤泵浦合束器102的第二输出端10202与双包层掺镱光纤103的两端分别相连。要求第一光纤泵浦合束器101的第一输出端10102的光纤、第二光纤泵浦合束器102的第二输出端10202的光纤和双包层掺镱光纤103的纤芯包层直径相同。第一光纤泵浦合束器101的N个第一泵浦光输入端(编号为1011-101N)(图2种N为2，N为第一光纤泵浦合束器101的第一泵浦光输入端个数)和第二光纤泵浦合束器102的M个第二泵浦光输入端(编号为1021-102M)(图2中M为2，M为第二光纤泵浦合束器102的第二泵浦光输入端个数)即为增益模块10的泵浦光输入端(共N+M个)。双包层掺镱光纤103的纤芯和包层直径分别为20微米和125微米。

所述第一泵浦模块21和第二泵浦模块22均含多个泵浦子模块。其中，第一泵浦模块21的泵浦子模块数量N1应小于等于N，第二泵浦模块22的泵浦子模块的数量M1应小于等于M。泵浦子模块可以选用尾纤输出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，编号为211-212和221-222)，此时，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，且与第一光纤泵浦合束器101的N1个第一泵浦光输入端相连。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，且与第二光纤泵浦合束器102的M1个第二泵浦光输入端相连。第一泵浦模块21的输出光纤直径应小于等于第一光纤泵浦合束器101的第一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第一光纤泵浦合束器101的第一泵浦光输入端光纤的数值孔径。第二泵浦模块22的输出光纤直径应小于等于第二光纤泵浦合束器102的第二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第二光纤泵浦合束器102的第二泵浦光输入端光纤的数值孔径。

本发明的第一包层光滤除器31和第二包层光滤除器32，主要用于滤除残余泵浦光。结合需要，第一包层光滤除器31和第二包层光滤除器32可采用一个包层光滤除器，也可采用多个子包层光滤除器进行串联。所述第一包层光滤除器31和第二包层光滤除器32的连接方式有四种：如图1实施例1所示，所述第一包层光滤除器31放在第一光纤光栅41输入端，所述第二包层光滤除器32放在第二光纤光栅42输入端，即第一包层光滤除器31的输入端和第二包层光滤除器32的输入端分别与增益模块10的信号光输出端相连，第一包层光滤除器31的输出端与第一光纤光栅41的输入端相连，第二包层光滤除器32的输出端与第二光纤光栅42的输入端相连，第二光纤光栅42的输出端与输出耦合端50的输入端相连。

如图3实施例2所示，所述第一包层光滤除器31放在第一光纤光栅41输出端，所述第二包层光滤除器32放在第二光纤光栅输出端42，即第一光纤光栅41的输入端和第二光纤光栅42的输入端分别与增益模块10的信号光输出端相连，第一光纤光栅41的输出端与第一包层光滤除器31的输入端相连，第二光纤光栅42的输出端与第二包层光滤除器32的输入端相连，第二包层光滤除器32的输出端与输出耦合端50的输入端相连。

如图4实施例3所示，所述第一包层光滤除器31放在第一光纤光栅41输出端，所述第二包层光滤除器32放在第二光纤光栅42输入端，即第一光纤光栅41的输入端和第二包层光滤除器32的输入端分别与增益模块10的信号光输出端相连，第一光纤光栅41的输出端与第一包层光滤除器31的输入端相连，第二光包层光滤除器32的输出端与第二光纤光栅42的输入端相连，第二光纤光栅42的输出端与输出耦合端50的输入端相连。

如图5实施例4所示，所述第一包层光滤除器31放在第一光纤光栅41输入端，所述第二包层光滤除器32放在第二光纤光栅42输出端，即第一包层光滤除器31的输入端和第二光纤光栅42的输入端分别与增益模块10的信号光输出端相连，第一包层光滤除器31的输出端与第一光纤光栅41的输入端相连，第二光纤光栅42的输出端与第二包层光滤除器32的输入端相连，第二包层光滤除器32的输出端与输出耦合端50的输入端相连。在如图3所示的实施例2和图4所示的实施例3中，第一包层光滤除器31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。第一包层光滤除器31和第二包层光滤除器32的功率承受能力均应大于等于90W。

所述第一光纤光栅41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40dB。在如图1所示的实施例1和图5所示的实施例4中，第一光纤光栅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。

所述第二光纤光栅42的中心波长应与第一光纤光栅41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40dB。

所述输出耦合端50的输入端与第二光纤光栅42的输出端相连，输出耦合端50的输入端光纤应与第二光纤光栅42的输出端光纤的纤芯直径相等。输出耦合端50可采用但不限于光纤端面的斜角切割或端帽。

为实验本发明的效果，选定图2所示实施例1各部件的选型和参数为：增益模块10选用的双包层掺镱光纤103的纤芯直径为20微米,包层直径为125微米；第一光纤泵浦合束器101和第二光纤泵浦合束器102均具有2个泵浦光输入端(即N＝M＝2)。第一泵浦模块21包含2个泵浦子模块211-212，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2个泵浦子模块221-222，每个泵浦子模块也都由一个带尾纤的半导体激光器构成。第一包层光滤除器31由一个子包层光滤除器组成。第二包层光滤除器32由两个子包层光滤除器串联而成。第一光纤光栅41中心波长为978nm，中心波长的反射率为95％，旁瓣抑制比为40dB；第二光纤光栅42中心波长为978nm，中心波长的反射率为10％，旁瓣抑制比为40dB。将第二光纤光栅42的输出端切割成斜角作为输出耦合端50。实施例1在泵浦模块21和泵浦模块22均可提供115W泵浦光的情况下，以及第一包层泵浦光滤除模块31和第二包层泵浦光滤除模块32均可滤除85.9W残余泵浦光的情况下，在980nm波段输出激光的功率可达到51.5W。可见本发明具有50W量级的功率输出能力。