一种增益光纤及光纤激光器的制作方法

1.本发明涉及光纤激光技术领域，更具体地，涉及一种增益光纤及光纤激光器。


背景技术：

2.随着光纤激光器的技术发展，光纤激光器应用的领域越来越广。目前，高功率光纤激光器已实现了千瓦级工程化应用，在未来，无论是在民用加工领域还是在特种装备领域，高功率激光器的小型化和高光束质量需求必然是其的发展方向。
3.光纤激光技术领域中，在高功率下获得高光束质量激光的输出一直是科研人员努力的方向。为了获得更高功率激光的输出和降低受激拉曼散射的影响，往往会使用芯径尺寸较大的增益光纤，而大芯径的增益光纤势必会引入更多的高阶模成分，进而更容易产生模式不稳定效应和其他非线性效应；而若使用芯径尺寸较小的增益光纤，则势必会引入更强的受激拉曼散射效应。


技术实现要素：

4.针对上述背景技术部分提到的现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种增益光纤，用以平衡受激拉曼散射和模式不稳定效应并获得高模式不稳定阈值、高光束质量的激光。
5.第一方面，本发明提供了一种增益光纤，包括：线性状的纤芯以及包覆所述纤芯的包层；
6.所述增益光纤由一端部至另一端部被第一类型光纤段和第二类型光纤段依次交替划分而成，所述增益光纤的一端部为所述第一类型光纤段；
7.所述第一类型光纤段的纤芯第一数值孔径小于所述第二类型光纤段的纤芯第二数值孔径；
8.所述第一类型光纤段的包层第一掺杂浓度大于所述第二类型光纤段的包层第二掺杂浓度。
9.进一步地，所述交替划分为线长度周期交替划分。
10.进一步地，所述纤芯第一数值孔径小于0.055，所述纤芯第二数值孔径大于0.075；
11.所述包层第一掺杂浓度所表征的泵浦光包层吸收系数大于1.6db/m；
12.所述包层第二掺杂浓度所表征的泵浦光包层吸收系数小于1db/m。
13.进一步地，向所述纤芯和/或包层内掺入非稀土元素离子以改变纤芯数值孔径的大小；
14.向所述包层内掺入稀土元素离子以改变泵浦光包层吸收系数的大小。
15.进一步地，所述增益光纤的另一端部也为所述第一类型光纤段。
16.进一步地，所述增益光纤非端部的中间部分的所述第二类型光纤段与所述第一类型光纤段的线长度比值为3：2，且线长度周期光纤段的线长度为5m～8m；
17.所述纤芯的直径为14μm～50μm，所述包层的直径为250μm～1200μm。
18.第二方面，本发明提供了一种光纤激光器，其为放大器结构，包括依次连接的激光种子源、泵浦源模块组、泵浦耦合器和上述任一项所述的增益光纤。
19.进一步地，所述激光种子源输出的中心波长对应所述增益光纤的最大增益相应的波长，输出功率范围为70w～200w；
20.所述泵浦源模块组提供的泵浦波长对应所述增益光纤的最大泵浦光包层吸收系数相应的波长，提供泵浦功率不小于3500w。
21.进一步地，所述泵浦耦合器的泵浦输出端的光纤尺寸不小于所述增益光纤的一端部的所述第一类型光纤段的光纤尺寸。
22.进一步地，所述增益光纤通过弯曲缠绕摆放。
23.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
24.(1)本发明的增益光纤一方面在其激光注入端部分采用小数值孔径、高掺杂浓度的设计，对初始阶段的高阶模进行了一定程度的抑制和控制，同时高掺杂浓度的增益离子对其中的基模激光进行了放大，提升了输出激光的光束质量。另一方面，为了弥补由小数值孔径、高掺杂浓度光纤部分引入的基模激光损耗，特意在增益光纤上采用了小数值孔径、高掺杂浓度光纤部分和大数值孔径、低掺杂浓度光纤部分的交替分布设置，弥补了一部分由于小数值孔径、高掺杂浓度光纤部分引入的基模激光的损耗，同时大数值孔径、低掺杂浓度光纤部分也对高阶模放大产生了“延缓”抑制作用，其模场直径较大，也能够抑制受激拉曼散射效应。
25.(2)本发明的增益光纤可通过增减纤芯和/或包层中的掺杂离子便可实现对纤芯数值孔径、泵浦光包层吸收系数等参数的控制，可使纤芯、包层尺寸和结构均保持不变，从而使得增益光纤的制作工艺较简单，便于加工和生产。
26.(3)使用本发明的增益光纤的光纤激光器可在高功率泵浦下有较高的模式不稳定阈值，并且平衡了受激拉曼散射效应和模式不稳定效应，能在激光高功率输出的情况下保持较高的光束质量。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明实施例提供的一种增益光纤的结构示意图；
29.在图1中，41-增益光纤的小数值孔径、高掺杂浓度光纤部分；42-增益光纤的大数值孔径、低掺杂浓度光纤部分；
30.图2为本发明实施例提供的一种光纤激光器的结构示意图；
31.在图2中，1-泵浦源模块组；11～16-泵浦源的各个模块；2-泵浦耦合器；3-激光种子源；4-增益光纤；5-光纤端帽；
32.图3为现有技术提供的普通增益光纤的仿真结果图；
33.图4为本发明实施例提供的基于小数值孔径、高掺杂浓度光纤部分和大数值孔径、低掺杂浓度光纤部分交替设置的新型增益光纤的仿真结果图。
具体实施方式
34.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
35.本技术的说明书、权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”或“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序的。此外，术语“包括”或“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还可以包括没有列出的步骤或单元，或可选地还可以包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
36.基于背景技术部分提到的受激拉曼散射和模式不稳定效应难以兼顾的困局，因此，如何获取能够平衡受激拉曼散射和模式不稳定效应，并且获得高模式不稳定阈值、高光束质量激光的增益光纤成为了一个亟待解决的重要技术问题。
37.增益光纤内能够存在的模式数量以及受激拉曼散射阈值与纤芯数值孔径密切相关，对于小的数值孔径能够限制增益光纤内模式数量，从而抑制高阶模的产生和放大，同时小的数值孔径使得模场面积增大，从而提升受激拉曼散射阈值，但是如果取过小的数值孔径增益光纤，在弯曲选模过程中又会引发较高的基模功率损耗，因此，又需要引入较高数值孔径增益光纤部分对其进行补偿。
38.为了能够获取较高的光束质量，需要对增益光纤内模式进行控制，对高阶模进行抑制，对基模进行放大增益。本发明对增益光纤进行了特殊设计，一方面在激光注入端和/或输出端部分采用小数值孔径、高掺杂浓度设计，对初始阶段和/或输出阶段的高阶模进行了一定程度的抑制和控制，同时高浓度的增益离子对其中的基模激光进行了放大，提升了输出激光的光束质量。另一方面，为了弥补由小数值孔径引入的基模激光损耗，在增益光纤上采用小数值孔径、高掺杂浓度/大数值孔径、低掺杂浓度的光纤段进行依次交替变化的分布设置，从而弥补了一部分由于小数值孔径、高掺杂浓度引入的基模激光的损耗，同时低掺杂浓度也对高阶模放大产生了“延缓”抑制作用，其模场直径较大，也能够抑制受激拉曼散射效应。其中，光纤数值孔径的大小可通过在纤芯和/或包层内掺入非稀土元素离子(如氟、硼、锗等)来控制，而纤芯、包层的尺寸和形状则无需进行变化。本发明在整条增益光纤上对高阶模的产生和放大进行抑制，可以在不改变纤芯和包层的形状、尺寸的条件下提升高功率泵浦下模式不稳定阈值，平衡模式不稳定、非线性效应与基膜信号光功率损失的问题，能在激光高功率输出的情况下保持较高的光束质量。
39.在一个实施例中，一种增益光纤为双包层掺杂光纤，其由纤芯、内包层、外包层、涂覆层等部分依次包裹而成。该增益光纤由一端部至另一端部被小数值孔径、高掺杂浓度光纤部分41和大数值孔径、低掺杂浓度光纤部分42依次交替划分而成，优选的，交替划分为线长度周期交替划分，如图1所示。纤芯直径控制在14～50μm，包层直径控制在250～1200μm，包层的形状可为圆形、八边形、d型、熊猫型以及其他不规则形状，包层的掺杂离子为稀土元素离子，增益光纤为单一稀土元素离子掺杂或混合稀土元素离子掺杂。
40.小数值孔径、高掺杂浓度光纤部分的纤芯数值孔径小于0.055，其泵浦光包层吸收系数(对应泵浦吸收最大时波长)大于1.6db/m；而大数值孔径，低掺杂浓度光纤部分的纤芯
数值孔径大于0.075，其泵浦光包层吸收系数(对应泵浦吸收最大时波长)则小于1db/m。控制在包层内稀土元素掺杂离子的掺入量即可控制泵浦光包层吸收系数的大小。
41.优选的，增益光纤的泵浦光入射端与信号光输出端均设置为小数值孔径、高掺杂浓度光纤部分，两端部的光纤部分的线长度范围均为1～2m。如此设置即可对初始阶段和输出阶段的高阶模均进行一定程度的抑制和控制，同时高浓度的增益离子会对其中的基模激光进行放大，从而提升了输出激光的光束质量。
42.优选的，该增益光纤的中间段以5～8m线长度为变化周期，在一个线长度的周期内部，大数值孔径、低掺杂浓度光纤部分和小数值孔径、高掺杂浓度光纤部分的线长度之比优选为3：2。
43.增益光纤上无任何熔点，并且纤芯与包层尺寸、形状、位置沿信号光传输方向保持不变。通过增减纤芯和/或包层中的掺杂离子便可实现对纤芯数值孔径、泵浦光包层吸收系数等参数的控制，可使纤芯、包层尺寸和结构均保持不变，从而使得增益光纤的制作工艺较简单，便于加工和生产。
44.更具体的实施例参考图1，一种增益光纤，由纤芯、内包层、外包层、涂覆层部分依次包裹而成。其中，纤芯由稀土元素离子中的镱离子单一掺杂，纤芯尺寸为20μm，包层尺寸为400μm，涂覆层尺寸为550μm。增益光纤两端均有1.5m长度的小数值孔径、高掺杂浓度光纤部分。中间部分以大数值孔径、低掺杂浓度光纤部分长度3m和小数值孔径、高掺杂浓度光纤部分长度2m进行线长度周期交替分布，整个增益光纤长度为18m。其中，小数值孔径、高掺杂浓度光纤部分的纤芯数值孔径为0.051，泵浦光包层吸收系数(对应泵浦吸收最大时波长)为1.7db/m；大数值孔径、低掺杂浓度光纤部分的纤芯数值孔径为0.076，泵浦光包层吸收系数(对应泵浦吸收最大时波长)为0.9db/m。
45.如图2所示，在另一个实施例中，一种高功率光纤激光器，其为放大器结构，主要由依次连接的激光种子源3、泵浦源模块组1、泵浦耦合器2、增益光纤4和光纤端帽5等部分组成，所述的增益光纤4即为前述实施例的增益光纤。激光种子源、泵浦源模块组、泵浦耦合器、高反光纤光栅、增益光纤、低反光纤光栅等各种部件可通过光纤熔接机熔接至一根光纤上，可使整个光纤激光器系统无额外突出的空间结构器件，而是全部处在一根光纤的结构范围内。
46.激光种子源3输出的中心波长对应增益光纤4的最大增益波长，优选的，输出功率范围为70～200w。
47.泵浦源模块组1提供的泵浦波长对应增益光纤4的最大泵浦吸收系数波长，优选的，提供泵浦功率不小于3500w。
48.优选的，泵浦耦合器2具有的泵浦输出光纤的纤芯和数值孔径不小于增益光纤4小数值孔径、高掺杂浓度光纤部分的纤芯和数值孔径。进一步优选的，泵浦耦合器2的泵浦输出端的光纤尺寸与增益光纤4的小数值孔径、高掺杂浓度光纤部分的光纤尺寸相同。
49.光纤端帽5所连接的无源光纤与增益光纤4进行熔接，光纤端帽5连接的无源光纤的尺寸与增益光纤4的小数值孔径、高掺杂浓度光纤部分的尺寸相同。光纤端帽5的连接光纤上可包含包层光滤除器，该包层光滤除器可在与光纤端帽5连接的无源光纤上刻蚀形成，对应泵浦光剥除功率大于450w。
50.优选的，增益光纤4采用弯曲盘绕或弯曲缠绕摆放，其弯曲半径范围为5～12cm，并
对其进行实时降温控制。
51.更具体的另一个实施例参考图2，一种全光纤体制成的高功率放大器，其整体器件结构和参数依次为激光种子源3，中心波长为1080nm，带宽2nm，功率100w；泵浦源模块组1，中心波长为976nm，泵浦功率为3.5kw；泵浦耦合器2，6
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1泵浦耦合器，输入端一臂与红光ld连接；增益光纤4，其为上一个实施例的增益光纤，弯曲半径为6～10cm。使用该实施例可以获得高光束质量、高模式不稳定阈值，中心波长为1080nm的激光输出。图3和图4为利用仿真分别模拟计算使用常规光纤以及本技术所述的增益光纤的仿真结果图，仿真结果表明，使用本技术所述的增益光纤可以减少高阶模式激光的输出。
52.以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其他实施方案。本发明旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。
53.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
54.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。