並行注入光纖功率放大系統的製作方法
2023-10-07 03:59:59 2
專利名稱：並行注入光纖功率放大系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及光纖功率放大技術領域，尤其涉及一種採用多束雷射並行注入的光纖功率放大系統。
背景技術：
在光纖雷射領域，雷射器的高輸出功率已成為目前光纖雷射系統發展的主要方向之一。目前實現高功率雷射輸出的主要方法是採用主振蕩功率放大系統(MOPA，MainOscillation Power Amplifier),即在單個種子注入的情況下,依次通過多級放大系統,將低功率的信號光放大至所需的高功率雷射。但是，在經過多級放大的系統中，串行的系統結構使得整個系統較不穩定，任何一個放大級出現了問題，都會影響整個系統的輸出甚至導致損傷。為了達到較高功率的系統輸出，一般需要較多放大級對信號光依次放大，由此引發的諸如熔點保護、散熱等問題大大增加了系統搭建的難度。同時，MOPA結構的多級放大需要較大的光纖長度，由此帶來的非線性效應又反過來限制了功率的擴展；在這種情況下，為 了避免非線性效應，就需要增大泵浦能量，通過提高光束密度來減小主光纖長度，這又在很大程度上增加了泵浦注入的難度。另外，主振蕩功率放大系統因其多級聯的特性，在保證高功率的情況下難以獲得高光束質量的雷射輸出，致使其在很多領域的應用受到了限制。
發明內容
(一 )要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是提供一種多束雷射並行注入的光纖功率放大系統(PIPA,Parallel Injection Power Amplifier),以解決現有技術中光纖功率放大系統串行級數多、系統不穩定等問題。( 二 )技術方案為解決上述問題，本發明提供了一種並行注入光纖功率放大系統，包括雷射器和光纖功率放大器，所述放大系統包含有若干個並行的雷射器，作為所述光纖功率放大器的若干個種子；所述放大系統還包括合束裝置，所述合束裝置設有若干個輸入端和一個輸出端，所述若干雷射器的輸出端分別與所述合束裝置的若干輸入端連接，以對所述若干個雷射器的輸出進行合束；所述合束裝置的輸出端與所述光纖功率放大器的輸入端連接。優選地，所述光纖功率放大器包括具有N個泵浦輸入端和一個信號輸入端的(N+l) X合束器、N個泵浦裝置、以及增益光纖；所述(N+l) X合束器的N個泵浦輸入端分別與所述N個泵浦裝置的輸出端連接，所述(N+l) X合束器的信號輸入端與所述合束裝置的輸出端連接，所述(N+l) X合束器的輸出端與所述增益光纖連接；所述光纖功率放大器的輸出端熔接有端帽，作為整個光纖功率放大系統的輸出端。優選地，所述合束裝置為單模/低階模-多模合束器、多模-多模合束器、或透鏡耦合裝置；所述單模/低階模-多模合束器的輸入端為若干單模/低階模光纖，輸出端為一根多模光纖；所述多模-多模合束器的輸入端為若干多模光纖，輸出端為一根多模光纖。
優選地，所述雷射器為光纖雷射器或固體雷射器，所述光纖雷射器包括全光纖結構光纖雷射器和分立式結構光纖雷射器。優選地，所述雷射器為全光纖結構光纖雷射器，所述雷射器的輸出端通過光纖連接至所述合束裝置的輸入端。所述雷射器為分立式結構光纖雷射器或固體雷射器，所述雷射器的輸出端通過分立式耦合光學元件耦合至所述合束裝置的輸入端。所述雷射器為雷射振蕩器或所述雷射振蕩器與雷射放大器的結合。優選地，所述增益光纖為摻有稀土離子的光纖，可以是單包層光纖、雙包層光纖、多包層光纖、多芯光纖、共摻光纖、保偏光纖或光子晶體光纖；所述稀土離子在所述光纖中的摻雜方式，為平頂摻雜、平頂部分摻雜、漸變式摻雜、漸變式部分摻雜、多區域摻雜中的任何一種。所述增益光纖可以為錐形光纖，也可以為普通光纖或其他結構光纖。
在本發明中，所述若干個並行的雷射器可以完全相同，也可以在雷射器類型(雷射振蕩器或雷射振蕩器與雷射放大器的結合，光纖雷射器或固體雷射器，連續雷射器或脈衝雷射器)、雷射器結構(全光纖結構或分立式結構)、輸出雷射波長、輸出雷射模式、輸出雷射功率等方面具有一個或多個不同的參數。(三)有益效果本發明採用多束雷射並行注入的方式，大大提高了光纖雷射放大級的注入種子功率，減小了串聯放大級的級數，從而通過一級或兩、三級放大即可實現高功率輸出；本發明由於僅採用一級或兩、三級放大系統，因此減少了各放大級級間連接的熔點個數，有效地緩解了常規串聯多級放大過程中高熔點損耗的問題，提高了系統的效率和安全性；本發明將多束雷射並行注入，從而避免了各個光纖雷射振蕩器之間的幹擾，即使某個種子源出現問題，也不會影響其他種子源的功率輸出；本發明將高功率雷射輸出的目標分解成由多個模塊來實現，大大降低了每個模塊的搭建難度，整個系統結構簡單、穩定、易於實現。
圖I為根據本發明實施例的並行注入光纖功率放大系統的結構示意圖；圖2為根據本發明實施例一採用多個全光纖單模種子源並行注入的放大系統結構圖；圖3為根據本發明實施例二採用多個分立式單模光纖種子源並行注入的放大系統結構圖；圖4為根據本發明實施例三採用多個單模固體種子源並行注入的放大系統結構圖；圖5為根據本發明實施例四採用多個全光纖多模種子源並行注入的放大系統結構圖；圖6為根據本發明實施例五採用多個分立式多模光纖種子源並行注入的放大系統結構圖；圖7為根據本發明實施例六採用多個多模固體種子源並行注入的放大系統結構圖；圖8為根據本發明實施例七採用透鏡耦合裝置對多個光纖種子源光束進行合束的放大系統結構圖；圖9為根據本發明實施例八採用透鏡耦合裝置對多個固體種子源光束進行合束的放大系統結構圖；其中1 :雷射器；la :全光纖結構單模光纖雷射振蕩器；lb :分立式結構單模光纖雷射振蕩器；lc單模固體雷射振蕩器；ld :全光纖結構多模光纖雷射振蕩器；le :分立式結構多模光纖雷射振蕩器多模固體雷射振蕩器；2 :合束裝置；2a :單模/低階模-多模合束器；2b :多模-多模合束器；2c :透鏡稱合裝置；3 :光纖功率放大器；4a :單模光纖；4b 多模光纖；5 :分立式稱合光學兀件；6 :端帽；11 :振蕩器泵浦裝置；12a :單模雙包層增益光纖；12b :多模雙包層增益光纖；13 7X I合束器；14 :光纖光柵；15 :鍍膜腔鏡；16 :透鏡組；17 :雷射晶體；31 (N+l) X I合束器；32 :泵浦裝置；33a :雙包層增益光纖；33b :錐形雙包層增益光纖。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發明的詳細說明如下。圖I所示為根據本發明實施例並行注入光纖功率放大系統的結構示意圖。如圖I所示，一種並行注入光纖功率放大系統，包括若干個並行的雷射器I、合束裝置2和光纖功率放大器3,所述合束裝置2設有若干個輸入端和一輸出端,所述若干雷射器I的輸出端一一對應地與所述合束裝置2的若干輸入端連接，所述合束裝置2將所述若干個雷射器I輸出的若干光束會聚成一束之後輸出至所述光纖功率放大器3放大，所述光纖功率放大器3的尾端裝有端帽6，作為整放大系統的輸出端。所述雷射器為雷射振蕩器或所述雷射振蕩器與雷射放大器的結合。實施例一圖2為根據本發明實施例一採用多個全光纖單模種子源並行注入的放大系統結構圖。在本實施例中，所述放大系統設有7個雷射器I，所述雷射器I為全光纖結構單模光纖雷射振蕩器la，所述合束裝置2為具有7根單模輸入光纖和一根多模輸出光纖的單模_多模合束器2a,所述光纖功率放大器3包括(N+l) X I合束器31 (N為大於等於I的整數，在本實施例中N為6)、6個泵浦裝置32和一個作為增益光纖的雙包層增益光纖33a。所述每個單模光纖雷射振蕩器Ia包括振蕩器泵浦裝置11、單模雙包層增益光纖12a、兩個7X I合束器13和兩個光纖光柵14，泵浦光通過兩個7X I合束器13注入單模雙包層增益光纖12a，產生的雷射通過與單模雙包層增益光纖12a尺寸相同的無源單模光纖4a輸出。每個雷射器I所連單模光纖4a的輸出端分別與所述單模_多模合束器2a的一根單模輸入光纖熔接，經過所述單模-多模合束器2a將7路種子源合成一束；所述單模-多模合束器2a的多模輸出光纖與(N+l) X I合束器31的信號輸入端熔接,所述6個泵浦裝置32的輸出端分別與所述(N+l) Xl合束器31的泵浦輸入端熔接，使得泵浦光與種子源通過(N+l) X I合束器31合束後注入至雙包層增益光纖33a，實現對信號光的放大。雙包層增益光纖33a的尾端裝有端帽6，作為整放大系統的輸出端。本實施例整個並行注入光纖功率放大系統可以獲得IOkW以上、較高光束質量的雷射輸出。本實施例的結構也可用於全光纖結構低階模種子源、或全光纖結構多模種子源並行注入的光纖功率放大系統中。實施例二 如圖3所示為根據本發明實施例二採用多個分立式單模光纖種子源並行注入的放大系統結構圖。由圖3和圖2可以看出，本實施例與實施例一相似，不同之處在於1)本實施例的雷射器I為分立式結構單模光纖雷射振蕩器lb，並且所述分立式結構單模光纖雷射振蕩器Ib的輸出雷射通過一分立式耦合光學元件5(本實施例中所述分立式耦合光學元件5為耦合透鏡)輸入至單模-多模合束器2a的單模光纖輸入端；2)本實施例的增益光纖為錐形雙包層增益光纖33b，錐形雙包層增益光纖33b的使用，有助於光纖功率放大器獲得更好光束質量的輸出。所述分立式結構單模光纖雷射振蕩器Ib包括振蕩器泵浦裝置11、單模雙包層增 益光纖12a、兩個7X I合束器13和兩個鍍膜腔鏡15，泵浦光通過兩個7X I合束器13注入單模雙包層增益光纖12a,產生的雷射通過輸出端鍍膜腔鏡15輸出，進而由分立式f禹合光學兀件5稱合至單模-多模合束器2a的輸入光纖。本實施例整個並行注入光纖功率放大系統可以獲得IOkW以上、較高光束質量的雷射輸出。本實施例的結構也可用於分立式結構低階模光纖種子源、或分立式結構多模光纖種子源並行注入的光纖功率放大系統中。實施例三圖4為根據本發明實施例三採用多個單模固體種子源並行注入的放大系統結構圖。由圖4可以看出，本實施例與實施例一相似，不同之處在於本實施例中雷射器I為單模固體雷射振蕩器lc，並且所述單模固體雷射振蕩器Ic的輸出通過一分立式耦合光學元件5 (本實施例中所述分立式耦合光學元件5為耦合透鏡)輸入至單模-多模合束器2a的單模光纖輸入端。所述單模固體雷射振蕩器Ic包括振蕩器泵浦裝置11、透鏡組16、雷射晶體17和雷射晶體17兩側的兩個鍍膜腔鏡15。泵浦光通過透鏡組16耦合至雷射晶體17，產生的雷射經由分立式耦合光學元件5耦合至單模-多模合束器2a的輸入光纖。本實施例整個並行注入光纖功率放大系統可以獲得IOkW以上、較高光束質量的雷射輸出。本實施例的結構也可用於低階模、或多模固體雷射器種子源並行注入的光纖功率放大系統中。實施例四圖5為根據本發明實施例四採用多個全光纖多模種子源並行注入的放大系統結構圖。如圖5所示，本實施例中的雷射器採用的是7個全光纖結構多模光纖雷射振蕩器ld，所述合束裝置2為具有7根多模輸入光纖和一根多模輸出光纖的多模-多模合束器2b,所述光纖功率放大器3包括(N+l) X I合束器31 (N為大於等於I的整數，在本實施例中N為18),18個泵浦裝置32和一個作為增益光纖的錐形雙包層增益光纖33b。經過多模-多模合束器2b合束後的種子源與泵浦光通過(N+l) X I合束器31注入至錐形雙包層增益光纖33b,實現對信號光的放大。所述全光纖結構的多模光纖雷射振蕩器Id包括振蕩器泵浦裝置11、多模雙包層增益光纖12b、兩個7X I合束器13和兩個光纖光柵14，泵浦光通過兩個7X I合束器13注入多模雙包層增益光纖12b，產生的雷射通過與多模雙包層增益光纖12b尺寸相同的無源多模光纖4b輸出至所述多模-多模合束器2b的輸入端。本實施例整個並行注入光纖功率放大系統可以獲得IOkW以上的雷射輸出。本實施例的結構也可用於全光纖結構單模/低階模種子源並行注入的光纖功率放大系統中。
實施例五圖6為根據本發明實施例五採用多個分立式多模光纖種子源並行注入的放大系統結構圖。如圖6所示，本實施例的結構與實施例二十分相似，不同之處在於1)本實施例中的種子源為分立式結構多模光纖雷射振蕩器le，其與分立式結構單模光纖雷射振蕩器Ib的區別在於其採用了多模雙包層增益光纖12b ；2)與實施例四一樣，本實施例合束裝置2採用的是多模-多模合束器2b ； (N+l) X I合束器31中的N為18 ;3)光纖功率放大器3的增益光纖採用的是雙包層增益光纖33a。所述分立式結構多模光纖雷射振蕩器Ie產生的雷射經過鍍膜腔鏡15輸出後，由分立式耦合光學元件5耦合至多模-多模合束器2b的輸入端光纖，從而成為光纖功率放大器3的信號光；18路泵浦光通過(N+l) X I合束器31注入雙包層增益光纖33a，實現功率放大。整個並行注入光纖功率放大系統可以獲得IOkW以上的雷射輸出。本實施例的結構也可用於分立式結構單模/低階模光纖種子源並行注入的光纖功率放大系統中。實施例六圖7為根據本發明實施例六採用多個多模固體種子源並行注入的放大系統結構圖。如圖7所示，本實施例的結構與實施例五比較相似，不同之處在於本實施例的雷射器I採用的是多模固體雷射振蕩器If。所述多模固定雷射振蕩器If與實施例三中的單模固體雷射振蕩器Ic的結構相似。所述多模固定雷射振蕩器If產生的雷射由分立式稱合光學兀件5稱合至多模-多模合束器2b的輸入端光纖,從而成為光纖功率放大器3的信號光；18路泵浦光通過(N+l) X I合束器31注入雙包層增益光纖33a，實現功率放大。本實施例整個並行注入光纖功率放大系統可以獲得IOkW以上的雷射輸出。本實施例的結構也可用於單模/低階模固體種子源並行注入的光纖功率放大系統中。實施例七圖8為根據本發明實施例七採用透鏡耦合裝置對多個光纖種子源光束進行合束的放大系統結構圖。如圖8所示，本實施例的結構與實施例二相似，不同之處在於1)本實施例中採用透鏡耦合裝置2c來代替實施例二中的單模-多模合束器2a ；2)本實施例中的增益光纖為雙包層增益光纖33a。分立式結構單模光纖雷射振蕩器Ib產生的雷射通過分立式耦合光學元件5到達透鏡耦合裝置2c的輸入側，經所述透鏡耦合裝置2c耦合合束後輸入到(N+l) X I合束器31的信號輸入端，經過雙包層增益光纖33a放大後輸出。本實施例的整個並行注入光纖功率放大系統可以獲得IOkW以上的雷射輸出。本實施例的結構也可用於分立式結構低階模、或分立式結構多模光纖種子源並行注入的光纖功率放大系統中。實施例八圖9為根據本發明實施例八採用透鏡耦合裝置對多個固體種子源光束進行合束的放大系統結構圖。如圖9所示，本實施例的結構與實施例六相似，不同之處在於1)本實施例中採用透鏡耦合裝置2c來代替實施例六中的多模-多模合束器2b ；2)本實施例中的增益光纖為錐形雙包層增益光纖33b。本實施例的整個並行注入光纖功率放大系統可以獲得IOkW以上、較好光束質量的雷射輸出。本實施例的結構也可用於多個單模/低階模固體種子源並行注入的光纖功率放大系統中。以上實施方式僅用於說明本發明，而並非對本發明的限制，有關技術領域的普通 技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬於本發明的範疇，本發明的專利保護範圍應由權利要求限定。
權利要求
1.一種並行注入光纖功率放大系統，包括雷射器(I)和光纖功率放大器(3),其特徵在於，所述放大系統包含有若干個並行的雷射器(I)，作為所述光纖功率放大器(3)的若干個種子；所述放大系統還包括合束裝置(2)，所述合束裝置(2)設有若干個輸入端和一個輸出端，所述若干雷射器(I)的輸出端分別與所述合束裝置(2)的若干輸入端連接，以對所述若干個雷射器(I)的輸出進行合束；所述合束裝置(2)的輸出端與所述光纖功率放大器(3)的輸入端連接。
2.如權利要求I所述的並行注入光纖功率放大系統，其特徵在於，所述光纖功率放大器(3)包括具有N個泵浦輸入端和一個信號輸入端的(N+1)X1合束器(31)、N個泵浦裝置(32)、以及增益光纖；所述(奸1)父1合束器(31)的N個泵浦輸入端分別與所述N個泵浦裝置(32)的輸出端連接，所述(奸1)乂1合束器(31)的信號輸入端與所述合束裝置(2)的輸出端連接，所述(奸1)乂1合束器(31)的輸出端與所述增益光纖連接；所述光纖功率放大器(3)的輸出端熔接有端帽(6)，作為整個光纖功率放大系統的輸出端。
3.如權利要求I所述的並行注入光纖功率放大系統，其特徵在於，所述合束裝置(2)為單模/低階模-多模合束器(2a)、多模-多模合束器(2b)、或透鏡耦合裝置(2c);所述單模/低階模-多模合束器(2a)的輸入端為若干單模/低階模光纖，輸出端為一根多模光纖；所述多模-多模合束器(2b)的輸入端為若干多模光纖,輸出端為一根多模光纖。
4.如權利要求I所述的並行注入光纖功率放大系統，其特徵在於，所述雷射器(I)為光纖雷射器或固體雷射器，所述光纖雷射器包括全光纖結構光纖雷射器和分立式結構光纖雷射器。
5.如權利要求4所述的並行注入光纖功率放大系統，其特徵在於，所述雷射器(I)為全光纖結構光纖雷射器，所述雷射器(I)的輸出端通過光纖連接至所述合束裝置(2)的輸入端。
6.如權利要求4所述的並行注入光纖功率放大系統，其特徵在於，所述雷射器(I)為分立式結構光纖雷射器或固體雷射器，所述雷射器(I)的輸出端通過分立式耦合光學元件(5)耦合至所述合束裝置(2)的輸入端。
7.如權利要求I所述的並行注入光纖功率放大系統，其特徵在於，所述雷射器(I)為雷射振蕩器或所述雷射振蕩器與雷射放大器的結合。
全文摘要
本發明公開了一種並行注入光纖功率放大系統，包括雷射器和光纖功率放大器，所述放大系統包含有若干個並行的雷射器，作為所述光纖功率放大器的若干個種子；所述放大系統還包括合束裝置，所述合束裝置設有若干個輸入端和一輸出端，所述若干雷射器的輸出端分別與所述合束裝置的若干輸入端連接，以對所述若干個雷射器的輸出進行合束；所述合束裝置的輸出端與所述光纖功率放大器的輸入端連接。本發明採用多束雷射並行注入的方式，大大提高了光纖雷射放大級的注入種子功率，減小了串聯放大級的級數，提高了系統的效率和安全性，使得整個系統結構簡單、穩定、易於實現。
文檔編號H01S3/091GK102891424SQ20111024710
公開日2013年1月23日 申請日期2011年8月25日 優先權日2011年8月25日
發明者鞏馬理, 閆平, 郝金坪, 肖起榕 申請人:清華大學