[发明专利]一种级联式的光纤激光器

说明书

技术领域

本发明涉及光纤激光器，尤其涉及一种大功率输出级联式结构的光纤激光器。

背景技术

光纤激光器被称为激光领域的一门新兴技术，在很多领域有着广泛的应用前景，近年来成为国际上争相研究的热点，其发展迅猛和应用广泛，受到了高度重视。其中大功率双包层光纤激光器更是异军突起，其以双包层光纤为基础，以多模包层泵浦技术为代表，使得光纤激光器的转换效率和输出功率大幅度提高，其光束质量基本接近于衍射极限。

要实现双包层光纤激光器的大功率输出，有效的泵浦技术成为关键。现有技术一般是通过不断地增加注入到有源光纤里的泵浦光能量来实现，但是增益有源光纤一旦拉制成纤，其掺杂离子浓度水平、内包层与纤芯尺寸及形状就已经确定，其对泵浦光的吸收能力就是一个常值。对于大功率双包层光纤激光器而言，为了获得大功率输出，相应就要使用很强的泵浦功率去进行抽运，这会带来一些棘手的问题。一是如何使有源光纤对泵浦光能量的吸收最大化，达到其饱和吸收状态，有效地提高泵浦耦合效率与利用效率。常见的泵浦方式主要有侧面泵浦和端面泵浦两种。侧面泵浦技术包括V型槽侧面泵浦、微棱镜侧面耦合泵浦、光纤侧面胶合泵浦等，其耦合效率都小于90％，且加工处理工艺很复杂，成本高。端面泵浦技术包括透镜直接端面耦合、光纤端面熔接耦合泵浦等，透镜端面耦合技术受到光纤光学参数、透镜组件技术参数等的限制，导致泵浦效率低下，系统不稳定，且成本昂贵。光纤端面熔接耦合泵浦技术是ITF的专利，该技术对光纤熔融拉制工艺要求很高，国内有些研究机构对其进行工艺研究，但仍没有掌握。二是泵浦光在完成抽运过程后，相对的泵浦残余能量会较为可观，如何带走光纤中的残留光使其不会烧毁光纤和光器件？一般残留包层泵浦光对光路中光纤和光器件极易造成光损伤，引起输出功率不稳定。当前有些研究机构通过引入独立的包层泵浦光剥离器，对光纤微加工处理和热沉主动散热，这种方式会降低光纤的机械性能，且工艺很难控制，对光纤激光器的小型化、集成化也极为不利。三是如何对光纤激光器中的光纤进行散热。光纤的细长结构本身具有较大的单位比表面积，有助于光纤激光器的散热。但是光纤作为高功率激光的载体，发热量很高，即使使用水冷、风冷等方式，热耗散也会限制其性能，且这些方式实施起来很困难。

目前的大功率光纤激光器或放大器的光学结构，一般都采用种子源主振荡放大(MOPA)技术方案，即后级都设计成一个功率放大式的光学结构，其等同于一个独立的大功率光纤放大器，而通常一定长度的光纤有一个最佳的增益状态，即光-光系统转换效率有一个最高点。泵浦注入量过低，则增益放大不足，激光输出功率低；若泵浦注入量过高，双包层光纤对泵浦的吸收过于饱和，残余泵浦光会瞬间泄露，极易烧毁光纤的涂覆层或某些光器件，使其损伤。

此外，目前要实现光纤激光器的大功率输出，必须大规模注入泵浦能量进入光纤的内包层，必须研制多泵浦端口、大外径的(n+1)×1泵浦合束器或n×1泵浦合束器，n大于6以上。这对熔锥型的合束器的拉制工艺提出了极大挑战。这类多端口的合束器的制作工艺尤其复杂，拉制非常困难，即使成品其泵浦耦合效率也较低，信号损耗也较大。虽然国内外有不少科研机构和公司对其进行了研制，也取得了一些进展，但仍未能拉制出理想的、实用化的产品。

因此，如何使光纤激光器有效地提高泵浦耦合效率与利用效率，并带走残留光使其不会烧毁光纤和光器件，以及如何使光纤进行有效地散热是业内亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明为解决上述的技术问题，提出一种级联式结构、高输出功率的光纤激光器。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案来实现的：一种级联式的光纤激光器，包括光学谐振腔、多根泵浦输入光纤、泵浦输出光纤、该多根泵浦输入光纤与泵浦输出光纤耦合形成的n×1光纤合束器，其中：还包括一根有源双包层光纤，该有源双包层光纤与所述泵浦输出光纤侧面耦合相接形成(1+1)×1光纤合束器，所述光学谐振腔是由该(1+1)×1光纤合束器的有源双包层光纤、一光隔离器、一光耦合器和一窄带光滤波器依次连接起来的环形结构光学谐振腔，所述光耦合器分出小输出端和大输出端，该小输出端与所述窄带光滤波器的输入端熔接相连，该大输出端与所述泵浦输出光纤上的级联光纤合束器组熔接，该级联光纤合束器组是由多个设置在所述泵浦输出光纤上的(2+1)×1光纤合束器通过一根有源双包层光纤依次串接起来构成。

其中，所述(2+1)×1光纤合束器是由有源双包层光纤与所述泵浦输出光纤上相对应的两侧通过侧面耦合相接构成。