抑制非线性及模式不稳定效应的增益光纤组及光纤放大器的制作方法

[0001]
本实用新型涉及抑制非线性及模式不稳定效应的增益光纤组及光纤放大器，属于光纤激光技术领域。


背景技术：

[0002]
高功率光纤放大器具有效率高、体积小、光束质量好等突出优点，近年来发展迅猛，在工业与国防领域得到了广泛的应用。近十年来，随着尾纤半导体泵浦源、大模场增益光纤、高功率光纤器件的发展，单路光纤放大器输出功率得到了大幅度的提升。但是单路光纤放大器功率的进一步提升面临许多困难的物理和技术问题。如受激拉曼散射(srs)、受激布里渊散射（sbs）会导致激光信号的能量转移;自相位调制(spm)、交叉相位调制 (xpm)、四波混频(fwm)等又会造成放大过程中激光光谱展宽；而模式不稳定(mi)会导致激光器的输出光束质量恶化。
[0003]
在光纤放大器系统中，增益光纤后端的功率要远远高于增益光纤前端的功率，增益光纤后端的非线性效应要更为严重。
[0004]
目前，研究人员普遍采用大模场增益光纤来抑制光纤激光器系统中的非线性效应，如srs、sbs、spm、xpm、fwm等，然而大模场增益光纤的使用会导致输出激光模式不稳定阈值的下降。为了同时提升模式不稳定阈值，需要对大模场光纤进行弯曲选模，但较小的弯曲导致大模场增益光纤的纤芯模场面积收缩，这又会使得非线性效应的抑制能力下降。


技术实现要素：

[0005]
本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供抑制非线性及模式不稳定效应的增益光纤组及光纤放大器，本实用新型能够改善放大器的光束质量，并有效抑制放大器中的非线性效应。
[0006]
本实用新型采用的技术方案如下：
[0007]
一种抑制非线性及模式不稳定效应的增益光纤组，包括多个依次连接的增益光纤，每个增益光纤均包含弧形光纤段；所述多个增益光纤中，前一个增益光纤中弧形光纤段的曲率半径小于与其相连的后一个增益光纤中弧形光纤段的曲率半径。
[0008]
在本实用新型中，每个增益光纤均包含弧形光纤段是为了提升模式不稳定阈值；前一个增益光纤中弧形光纤段的曲率半径小于与其相连的后一个增益光纤中弧形光纤段的曲率半径，通过这种设置能有效减小放大器后段增益光纤的非线性效应，实现高功率输出。
[0009]
进一步的，所述多个增益光纤中，前一个增益光纤的纤芯直径不大于与其相连的后一个增益光纤的纤芯直径。
[0010]
进一步的，所述多个增益光纤中，前一个增益光纤的模场直径小于与其相连的后一个增益光纤的模场直径。
[0011]
在上述方案中，前段的增益光纤的模场直径较小，并且弧形光纤段的曲率半径小，
能增加高阶模式激光的损耗，从而改善光纤放大器的光束质量性能，实现光纤激光高光束质量输出；后段增益光纤的模场直径较大，且弧形光纤段的曲率半径大，可以进一步的抑制放大器系统中的非线性效应。
[0012]
进一步的，所述多个增益光纤中，前一个增益光纤的纤芯归一化频率不大于与其相连的后一个增益光纤的纤芯归一化频率。
[0013]
进一步的，所述增益光纤的纤芯直径范围为6-50um，增益光纤的内包层直径范围为80-1000um。
[0014]
进一步的，所述增益光纤的数量为2-10个。
[0015]
进一步的，所述多个增益光纤为同一种稀土元素掺杂的光纤。
[0016]
进一步的，所述增益光纤由多个弧形光纤段连接组成，或由弧形光纤段与直线光纤段交替连接组成。
[0017]
进一步的，所述多个增益光纤中，相邻两增益光纤中至少一个增益光纤中含有直线光纤段。
[0018]
进一步的，相邻两增益光纤的连接点位于直线光纤段上。
[0019]
进一步的，相邻两增益光纤直接熔接相连。
[0020]
一种抑制非线性及模式不稳定效应的光纤放大器，包括依次连接的信号激光种子源、隔离器、耦合器、模场适配器、第一包层功率剥离器、第一合束器、增益光纤组、第二合束器、第二包层功率剥离器和光纤输出端帽，第一泵浦源连接第一合束器，第二泵浦源连接第二合束器；所述增益光纤组包括多个依次连接的增益光纤，每个增益光纤均包含弧形光纤段，所述多个增益光纤中，前一个增益光纤中弧形光纤段的曲率半径小于与其相连的后一个增益光纤中弧形光纤段的曲率半径。
[0021]
在本实用新型中，信号激光种子源发出的种子光依次经过隔离器、耦合器、模场适配器、第一包层功率剥离器后和第一泵浦源发射的泵浦光由第一合束器分别耦合至增益光纤组，第二泵浦源发射的泵浦光经第二合束器后耦合至增益光纤组中，通过增益光纤组中增益光纤放大后的种子光依次经过第二合束器、第二包层功率剥离器及光纤输出端帽输出；能够提升模式不稳定阈值，改善放大器的光束质量，并有效抑制放大器中的非线性效应。
[0022]
进一步的，第一泵浦源连接第一合束器，第二泵浦源连接第二合束器。
[0023]
在上述方案中，使得第一泵浦源和第二泵浦源发出的泵浦光经过第一合束器和第二合束器后耦合至增益光纤组。
[0024]
进一步的，所述信号激光种子源的中心波长范围为970nm-1100nm或1520nm-1620nm或1900nm-2100nm，信号激光种子源为连续运转或脉冲运转。
[0025]
在上述方案中，中心波长范围970nm-1100nm对应于掺镱光纤的有效放大波长；中心波长范围1520nm-1620nm对应于掺铒、掺镱/铒光纤的有效放大波长；中心波长范围1900nm-2100nm对应于掺铥、掺钬光纤的有效放大波长。
[0026]
进一步的，所述光纤放大器中，包括第一合束器和/或第二合束器。
[0027]
进一步的，包括依次连接的信号激光种子源、隔离器、耦合器、模场适配器、第一合束器、增益光纤组、第二合束器、第二包层功率剥离器和光纤输出端帽，第一泵浦源连接第一合束器，第二泵浦源连接第二合束器。
[0028]
进一步的，所述多个增益光纤中，前一个增益光纤的纤芯直径不大于与其相连的后一个增益光纤的纤芯直径。
[0029]
进一步的，所述多个增益光纤中，前一个增益光纤的模场直径小于与其相连的后一个增益光纤的模场直径。
[0030]
进一步的，所述多个增益光纤中，前一个增益光纤的纤芯归一化频率不大于与其相连的后一个增益光纤的纤芯归一化频率。
[0031]
进一步的，所述增益光纤的纤芯直径范围为6-50um，增益光纤的内包层直径范围为80-1000um。
[0032]
进一步的，所述增益光纤的数量为2-10个。
[0033]
进一步的，所述多个增益光纤为同一种稀土元素掺杂的光纤。
[0034]
进一步的，所述增益光纤由多个弧形光纤段连接组成，或由弧形光纤段与直线光纤段交替连接组成。
[0035]
进一步的，所述多个增益光纤中，相邻两增益光纤中至少一个增益光纤中含有直线光纤段。
[0036]
进一步的，相邻两增益光纤的连接点位于直线光纤段上。
[0037]
进一步的，相邻两增益光纤直接熔接相连。
[0038]
本实用新型的抑制非线性及模式不稳定效应的增益光纤组及光纤放大器，增益光纤组中前段增益光纤的模场直径较小，且其弧形光纤段的曲率半径小，能够增加高阶模式激光的损耗，从而改善光纤放大器的光束质量性能，实现光纤激光高光束质量输出；增益光纤组中后段增益光纤的模场直径较大，且弧形光纤段的曲率半径较大，能有效减小放大器后段增益光纤的非线性效应，实现高功率输出。
[0039]
综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
[0040]
1、改善光纤放大器的光束质量性能，实现光纤激光高光束质量输出；
[0041]
2、能有效减小放大器后段增益光纤的非线性效应，实现高功率输出；
[0042]
3、通过匹配增益光纤组中增益光纤的模场直径、吸收系数以及曲率半径，可以有效的平衡放大器效率、热负载、光束质量、非线性系数之间的关系，获得放大器的优化设计；
[0043]
4、具有高紧凑型、搭建便易性等特点。
附图说明
[0044]
图1是增益光纤组的第一种结构示意图;
[0045]
图2是增益光纤组的第二种结构示意图;
[0046]
图3是增益光纤组的第三种结构示意图;
[0047]
图4是增益光纤组的第四种结构示意图;
[0048]
图5是光纤放大器的第一种连接示意图;
[0049]
图6是光纤放大器的第二种连接示意图；
[0050]
图7是光纤放大器的第三种连接示意图；
[0051]
图8是光纤放大器的第四种连接示意图；
[0052]
图9是光纤放大器的第五种连接示意图。
[0053]
图中标记：1-信号激光种子源、2-隔离器、3-耦合器、4-模场适配器、5-第一包层功
率剥离器、6-第一合束器、7-增益光纤组、8-第二合束器、9-第二包层功率剥离器、10-光纤输出端帽、11-第一泵浦源、12-第二泵浦源、71-第一增益光纤、72-第二增益光纤、73-第三增益光纤、74-第四增益光纤、711-第一增益光纤的弧形光纤段、721-第二增益光纤的弧形光纤段、731-第三增益光纤的弧形光纤段、741-第四增益光纤的弧形光纤段。
具体实施方式
[0054]
下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。
[0055]
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0056]
实施例1
[0057]
如图1所示，本实施例的一种抑制非线性及模式不稳定效应的增益光纤组，包括依次直接熔接包含弧形光纤段的第一增益光纤71和第二增益光纤72，第一增益光纤的弧形光纤段711曲率半径为8-10cm，第二增益光纤的弧形光纤段721曲率半径为18-20cm；第一增益光纤71的纤芯归一化频率不大于第二增益光纤72的纤芯归一化频率；第一增益光纤71为20/400um的双包层掺镱光纤，纤芯和内包层数值孔径分别为0.065和0.46，第二增益光纤72为25/400um的双包层掺镱光纤，纤芯和内包层数值孔径分别为0.065和0.46；第一增益光纤71由多个弧形光纤段连接组成，第二增益光纤72由弧形光纤段与直线光纤段交替连接组成，第一增益光纤71和第二增益光纤72的连接点位于直线光纤段上。
[0058]
实施例2
[0059]
如图2所示，本实施例的一种抑制非线性及模式不稳定效应的增益光纤组，包括依次直接熔接包含弧形光纤段的第一增益光纤71和第二增益光纤72，第一增益光纤的弧形光纤段711曲率半径为12-15cm，第二增益光纤的弧形光纤段721曲率半径为22-25cm；第一增益光纤71的纤芯归一化频率不大于第二增益光纤72的纤芯归一化频率；第一增益光纤71为20/400um的双包层掺镱光纤，纤芯和内包层数值孔径分别为0.065和0.46，第二增益光纤72为30/400um的双包层掺镱光纤，纤芯和内包层数值孔径分别为0.065和0.46；第一增益光纤71和第二增益光纤72均由弧形光纤段与直线光纤段交替连接组成，第一增益光纤71和第二增益光纤72的连接点位于直线光纤段上。
[0060]
实施例3
[0061]
如图3所示，本实施例的一种抑制非线性及模式不稳定效应的增益光纤组，包括依次直接熔接包含弧形光纤段的第一增益光纤71、第二增益光纤72和第三增益光纤73；第一增益光纤的弧形光纤段711曲率半径为8-10cm，第二增益光纤的弧形光纤段721曲率半径为12-15cm，第三增益光纤的弧形光纤段731曲率半径为28-30cm；第一增益光纤71、第二增益光纤72和第三增益光纤73的纤芯归一化频率依次增大；第一增益光纤71为20/400um的双包层掺镱光纤，纤芯和内包层数值孔径分别为0.065和0.46，第二增益光纤72为25/400um的双包层掺镱光纤，纤芯和内包层数值孔径分别为0.065和0.46，第三增益光纤73为30/400um的双包层掺镱光纤，纤芯和内包层数值孔径分别为0.065和0.46；第一增益光纤71由多个弧形光纤段连接组成，第二增益光纤72和第三增益光纤73均由弧形光纤段与直线光纤段交替连接组成；第一增益光纤71和第二增益光纤72的连接点、第二增益光纤72和第三增益光纤73
的连接点均位于直线光纤段上。
[0062]
实施例4
[0063]
如图4所示，本实施例的一种抑制非线性及模式不稳定效应的增益光纤组，包括依次直接熔接包含弧形光纤段的第一增益光纤71、第二增益光纤72、第三增益光纤73和第四增益光纤74；第一增益光纤的弧形光纤段711曲率半径为3-5cm，第二增益光纤的弧形光纤段721曲率半径为13-15cm，第三增益光纤的弧形光纤段731曲率半径为25-27cm，第四增益光纤的弧形光纤段741曲率半径为36-38cm；第一增益光纤71、第二增益光纤72、第三增益光纤73和第四增益光纤74的纤芯归一化频率依次增大；第一增益光纤71为10/400um的双包层掺镱光纤，纤芯和内包层数值孔径分别为0.065和0.46，第二增益光纤72为20/400um的双包层掺镱光纤，纤芯和内包层数值孔径分别为0.065和0.46，第三增益光纤73为30/400um的双包层掺镱光纤，纤芯和内包层数值孔径分别为0.065和0.46，第四增益光纤74为40/400um的双包层掺镱光纤，纤芯和内包层数值孔径分别为0.065和0.46；第一增益光纤71、第二增益光纤72、第三增益光纤73和第四增益光纤74均由弧形光纤段与直线光纤段交替连接组成；第一增益光纤71和第二增益光纤72的连接点、第二增益光纤72和第三增益光纤73的连接点、第三增益光纤73和第四增益光纤74的连接点均位于直线光纤段上。
[0064]
基于上述实施例，本实用新型还包括一种抑制非线性及模式不稳定效应的光纤放大器。
[0065]
实施例5
[0066]
如图5所示，本实施例的一种抑制非线性及模式不稳定效应的光纤放大器，包括依次连接的信号激光种子源1、隔离器2、耦合器3、模场适配器4、第一包层功率剥离器5、第一合束器6、增益光纤组7、第二合束器8、第二包层功率剥离器9和光纤输出端帽10，第一泵浦源11连接到第一合束器6，第二泵浦源12连接到第二合束器8；增益光纤组7包括第一增益光纤71和第二增益光纤72。
[0067]
信号激光种子源1发出的种子光依次经过隔离器2、耦合器3、模场适配器4、第一包层剥离器后，与第一泵浦源11发射的泵浦光由第一合束器6分别耦合至第一增益光纤71的纤芯和内包层中；第二泵浦源12发射的泵浦光经第二合束器8后耦合至第二增益光纤72中，通过第一增益光纤71和第二增益光纤72放大后的种子光依次经过第二合束器8、第二包层功率剥离器9及光纤输出端帽10后输出。
[0068]
实施例6
[0069]
如图6所示，本实施例的一种抑制非线性及模式不稳定效应的光纤放大器，包括依次连接的信号激光种子源1、隔离器2、耦合器3、模场适配器4、第一包层功率剥离器5、增益光纤组7、第二合束器8、第二包层功率剥离器9和光纤输出端帽10，第二泵浦源12连接到第二合束器8；增益光纤组7包括第一增益光纤71和第二增益光纤72。
[0070]
信号激光种子源1发出的种子光依次经过隔离器2、耦合器3、模场适配器4、第一包层剥离器后耦合至第一增益光纤71的纤芯和内包层中；第二泵浦源12发射的泵浦光经第二合束器8后耦合至第二增益光纤72中，通过第一增益光纤71和第二增益光纤72放大后的种子光依次经过第二合束器8、第二包层功率剥离器9及光纤输出端帽10后输出。
[0071]
实施例7
[0072]
如图7所示，本实施例的一种抑制非线性及模式不稳定效应的光纤放大器，包括依
次连接的信号激光种子源1、隔离器2、耦合器3、模场适配器4、第一合束器6、增益光纤组7、第二包层功率剥离器9和光纤输出端帽10，第一泵浦源11连接到第一合束器6；增益光纤组7包括第一增益光纤71和第二增益光纤72。
[0073]
信号激光种子源1发出的种子光依次经过隔离器2、耦合器3、模场适配器4后，与第一泵浦源11发射的泵浦光由第一合束器6分别耦合至第一增益光纤71的纤芯和内包层中，通过第一增益光纤71和第二增益光纤72放大后的种子光依次经过第二包层功率剥离器9及光纤输出端帽10后输出。
[0074]
实施例8
[0075]
如图8所示，本实施例与实施例7的区别在于本实施例中，增益光纤组7包括第一增益光纤71、第二增益光纤72和第三增益光纤73。
[0076]
信号激光种子源1发出的种子光依次经过隔离器2、耦合器3、模场适配器4后，与第一泵浦源11发射的泵浦光由第一合束器6分别耦合至第一增益光纤71的纤芯和内包层中，通过第一增益光纤71、第二增益光纤72和第三增益光纤73放大后的种子光依次经过第二包层功率剥离器9及光纤输出端帽10后输出。
[0077]
实施例9
[0078]
如图9所示，本实施例与实施例7的区别在于本实施例中，增益光纤组7包括第一增益光纤71、第二增益光纤72、第三增益光纤73和第四增益光纤74。
[0079]
信号激光种子源1发出的种子光依次经过隔离器2、耦合器3、模场适配器4后，与第一泵浦源11发射的泵浦光由第一合束器6分别耦合至第一增益光纤71的纤芯和内包层中，通过第一增益光纤71、第二增益光纤72、第三增益光纤73和第四增益光纤74放大后的种子光依次经过第二包层功率剥离器9及光纤输出端帽10后输出。
[0080]
综上所述，采用本实用新型的一种抑制非线性及模式不稳定效应的光纤放大器，改善光纤放大器的光束质量性能，实现光纤激光高光束质量输出；能有效减小放大器后段增益光纤的非线性效应，实现高功率输出；通过匹配增益光纤组中增益光纤的模场直径、吸收系数以及曲率半径，可以有效的平衡放大器效率、热负载、光束质量、非线性系数之间的关系，获得放大器的优化设计；具有高紧凑型、搭建便易性等特点。
[0081]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。