CN114976830B - 一种基于多芯掺杂稀土离子多波长功率可调光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多芯掺杂稀土离子多波长功率可调光纤激光器。其可实现由多个波长输出功率单独可控的高功率复合波长光纤激光输出。该复合波长光纤激光器由多芯掺杂有源光纤作为增益纤，并结合信号光+泵浦光合束器共同作用实现信号光的放大输出。

Description

一种基于多芯掺杂稀土离子多波长功率可调光纤激光器

技术领域

本发明涉及一种基于多芯掺杂稀土离子多波长功率可调光纤激光器，其可用于实现多波长光纤激光的高功率放大输出。

背景技术

随着光纤激光器已被广泛应用于社会中的众多研究领域，如工业，医疗，科研等。特别是随着以上研究领域相关技术不断的进步，于是对激光技术不断提出新的技术应用需求，以满足其技术不断进步的应用需求，并推动该相关研究领域的快速发展，并最终使得社会获得快速进步。近些年，随着光纤激光技术以及其制造工艺逐渐趋于成熟，于是连续、准连续、脉冲、多波长或单波长、保偏或非保偏等类型光纤激光器已形成成熟的技术产品，并被应用于各个行业领域。随着各个行业的发展，每个行业发展逐渐走向精细、精密化的高端科技制造发展方向，用以提高打造高端科技产品的技术能力。近些年，医疗、材料精密加工、科研领域也得到了较快的发展，其中，以多个波长激光叠加为基础的复合波长激光技术已被应用于以上领域。如：多波长测试光源，口腔医疗，金属材料表面处理等。

目前多波长激光器主要采用技术主要由激光倍频、谐振腔多波振荡、ASE与光栅阵列组合、量子点半导体激光。以上技术在获得激光多波长方面，都具有自己独特的优势和部分缺陷。如1、光倍频：激光倍频技术大大扩展了激光的波段，是将激光向短波长方向变换的主要技术方法。该方法主要采用泵浦激光与非线性晶体相结合的方式来获得多波长激光的输出。该方法具有一定的局限性：①非线性晶体转换效率低，在获得高功率输出方面存在一定局限性；②由于其为空间结构，与全光纤激光器对比，其稳定性与可靠性相对较差。③为了获得较多波长激光输出时，往往需要多次倍频，因此，容易使得空间结构较为复杂。④关于应用方面，其多个波长很难实现单独调控，因此，其应用灵活性较差。2、谐振腔式该方式主要采用多波长光栅对或多波长镀膜腔镜与增益介质形成多波长谐振腔的方式来实现多波长激光运转的输出。通过该方式获得的多波长激光，其每个波长的输出功率不可控，其主要由谐振腔的损耗以及增益介质的增益曲线来决定。并且每个波长对应的输出功率无法实现单独可控，因此，在应用方面缺乏一定的灵活性。3、放大自发辐射(ASE)与多波长光栅阵列组合，该方式采用增益介质的自发辐射效应产生宽光谱，再由多波长光栅阵列将分立的多个波长进行波长分离，该多个分立波长激光再进行合波处理，以形成多波长复合激光。然而，自发辐射过程一般伴随着重吸收效应导致输出效率较差且容易引起增益介质的发热。因此，该方法在实现高功率输出方面存在严重缺陷。此外，单个波长激光输出功率不可单独控制。4、量子级联激光，该方式主要采用量子半导体材料获得多波长激光，该方法可获得激光波长范围较宽，其波段可覆盖中红外和远红外。因自身物理特性的限制，导致其单个模块最高输出功率一般限制在瓦级，并且其价格较高。因此，其一般多应用于科学研究领域。此外，无法实现单个波长激光输出功率的单独控制。

现有技术中的利用多芯技术的光纤输出，例如CN101719621A，其利用分立的掺杂芯实现多波长输出，不仅光纤制作复杂，而且空间利用较低，难以实现高功率的加工；CN109286122A采用扇形的区域划分设置多个掺杂区域，其各区域之间不仅容易相互影响，同时输出的激光难以在高功率激光的加工场景应用；CN101814687A等虽然提到了多层环形掺杂的放大光纤，然而，其只是一种增益光纤简单的设想，并没有解决如何合理的设计泵浦和信号输入及耦合结构以减少耦合损失和激光散逸的问题，如何巧妙的设计全光纤的结构的同时又不增加激光器和能量损失率，而对于高功率加工的场景中这尤为重要，一台激光加工装置每百分之一的能量损失的降低都将会节省数万的电费，在高功率激光加工领域需要针对能量的利用率做很多创造性的工作以使其尽可能的节能。

为了解决以上所有多长波长激光产生技术共同存在并限制其应用的1、高功率输出实现难度大，2、单波长激光输出不可控的两个关键技术问题；3、没有结构简单且稳定的激光器整体耦合及泵浦结构同时能够提高能量利用率和降低非线性效应。为了解决以上技术问题，该专利中所涉及到的方案采用了多芯稀土离子掺杂光纤作为增益光纤，用以实现可调控的高功率多波长光纤激光输出。

发明内容

本发明的目的在于提出多掺杂稀土离子多波长光纤激光器。

为解决上述问题，本发明创造性的将多层纤芯的结构进行了改造，巧妙的将经设计的光纤集束结构和独特的多芯掺杂光纤进行结合，提供了一种复合波长环形光斑激光的输出的激光器。

本发明公开了一种多掺杂稀土离子多波长光纤激光器，其可实现由多个波长输出功率单独可控的高功率复合波长光纤激光输出。

该复合波长光纤激光器由多芯掺杂有源光纤作为增益纤，并结合信号光+泵浦光合束器共同作用实现信号光的放大输出。

该复合波长光纤激光器主要包括四个部分，分别为：信号光与泵浦光模块、信号光和泵浦光输出纤集束区、集束拉锥区、多芯掺杂有源光纤。

信号光与泵浦光模块包括信号光模块和泵浦光模块。信号光模块可以输出所要被放大的信号激光，优选地，信号光模块可以同时输出包括两种波长的所要被放大的信号激光，分别为第一信号激光L1和第二信号激光L2，第一信号激光或L1和第二信号激光L2可以分别通过各自的波导输出结构或空间光输出结构从信号光模块输出；优选地，信号光模块可以同时输出三种波长的所要被放大的信号激光，分别为第一信号激光L1、第二信号激光L2、第三信号激光L3，第一信号激光或L1、第二信号激光L2、第三信号激光L3可以分别通过各自的波导输出结构或空间光输出结构从信号光模块输出；优选地，信号光模块可以同时输出n种波长(n>3，为正整数)的所要被放大的信号激光，分别为第一信号激光L1、第二信号激光L2、第三信号激光L3、(第四信号激光L4)……第n信号激光Ln。第一信号激光L1、第二信号激光L2、第三信号激光L3、(第四信号激光L4)……第n信号激光Ln可以分别通过各自的波导输出结构或空间光输出结构从信号光模块输出。

泵浦光模块输出为实现信号光放大所需要的对应泵浦光，优选地，泵浦光包括与多种波长信号光相对应的多种波长的泵浦激光，优选地，当信号光模块可以同时输出两种波长的所要被放大的信号激光，分别为第一信号激光L1和第二信号激光L2时，泵浦光模块输出两种波长的对应的泵浦光，分别为第一泵浦激光P1和第二泵浦激光P2；优选地，信号光模块可以同时输出三种波长的所要被放大的信号激光，分别为第一信号激光L1、第二信号激光L2、第三信号激光L3时，泵浦光模块输出三种波长的对应的泵浦光，分别为第一泵浦激光P1、第二泵浦激光P2、第三泵浦激光P3；优选地，信号光模块可以同时输出n种波长(n>3，为正整数)的所要被放大的信号激光，分别为第一信号激光L1、第二信号激光L2、第三信号激光L3、(第四信号激光L4)……第n信号激光Ln时，泵浦光模块输出n种波长的对应的泵浦光，分别为第一泵浦激光P1、第二泵浦激光P2、第三泵浦激光P3……第n泵浦激光Pn。

信号激光对应多芯光纤掺杂稀土离子材料所能发射和/或放大的激光，而泵浦激光则为该稀土离子所能吸收并使其产生离子数翻转的泵浦激光。优选地，第一信号激光L1对应第一泵浦激光P1，第一稀土离子材料吸收第一泵浦激光P1并使得离子数翻转，出射放大的第一信号激光L1；优选地，第二信号激光L2对应第二泵浦激光P2，第二稀土离子材料吸收第二泵浦激光P2并使得离子数翻转，出射放大的第二信号激光L2；优选地，第三信号激光L3对应第三泵浦激光P3，第三稀土离子材料吸收第三泵浦激光P3并使得离子数翻转，出射放大的第三信号激光L3；优选地，第n信号激光Ln对应第n泵浦激光Pn，第n稀土离子材料吸收第n泵浦激光Pn并使得离子数翻转，出射放大的第n信号激光Ln(n>3，为正整数)。

优选地，第一泵浦激光、第二泵浦激光、第三泵浦激光……第n泵浦激光他们各自的功率独立可调，即第一泵浦激光的功率独立可调，即第二泵浦激光的功率独立可调，即第三泵浦激光的功率独立可调，即第n泵浦激光的功率独立可调(n>3，为正整数)，以实现各个波长的输出光独立可控。

优选地，第一信号激光、第二信号激光、第三信号激光……第n信号激光他们各自的功率独立可调。

优选地，信号激光可以采用单模信号激光，以提升输出光的光束质量。

优选地，泵浦激光可以采用多模泵浦激光。

信号光和泵浦光输出纤集束区包括信号光纤、泵浦光纤，其将信号光纤和泵浦光纤集束。优选地，还包括管用于将信号光纤和泵浦光纤围住。所述用于将信号光纤和泵浦光纤围住的管采用石英玻璃管。

为了方便，下面称信号光和泵浦光输出纤集束区为集束区。

优选地，石英玻璃管的折射率也低于信号光纤的纤芯折射率(此处低于信号光纤的纤芯折射率是指低于所有信号光纤的纤芯折射率)。

优选地，石英低折射率玻璃管可以采用掺杂的方式制造，优选地，石英低折射率玻璃管为掺氟或硼石英低折射率玻璃管。

优选地，信号光纤可以采用单模光纤以获得良好的单模信号光，优选地，信号光纤为10/125单模光纤。

优选地，泵浦光纤采用可以容纳高功率多模光的多模泵浦光纤，优选地，泵浦纤为参数105/125/0.22。

优选地，该集束区分为多个区域部分，优选地，可以包括集束区第一部分、集束区第二部分；优选地，可以包括集束区第一部分、集束区第二部分、集束区第三部分；优选地，可以包括集束区第一部分、集束区第二部分、集束区第三部分、……集束区第n部分。

优选地，每个部分中都包括信号光纤与泵浦光纤组成。

优选地，信号光纤为能传输掺杂相应离子所激发对应激光的无源匹配光纤。

优选地，泵浦光纤为泵浦光模块中的泵浦源耦合输出光纤。

优选地，集束区的各个部分从中心开始向外逐层排布。

优选地，集束区从内至外依次具有集束区第一部分、集束区第二部分、集束区第三部分、……集束区第n区域(n>3，为正整数)。

优选地，集束区第一部分为处于中心的圆形区域，集束区第二部分为围绕集束区第一部分的圆环形区域，集束区第三部分为围绕集束区第二部分的圆环形区域，……集束区第n部分(n>3，为正整数)为围绕集束区第(n-1)部分的圆环形区域。

集束区的各个部分优选地包括各自的信号光纤和与其对应的泵浦光纤。

优选地，集束区第一部分包括第一信号光纤和与其对应的第一泵浦光纤，第一信号光纤用于传输第一信号激光L1，第一泵浦光纤用于传输第一泵浦激光P1，优选地第一信号光纤为一个或多个，优选地，第一信号光纤为两个及以上，优选地，第一泵浦光纤为一个或多个，优选地，第一泵浦光纤为两个及以上；优选地，集束区第二部分包括第二信号光纤和与其对应的第二泵浦光纤，第二信号光纤用于传输第二信号激光L2，第二泵浦光纤用于传输第二泵浦激光P2，优选地第二信号光纤为一个或多个，优选地，第二信号光纤为两个及以上，优选地，第二泵浦光纤为一个或多个，优选地，第二泵浦光纤为两个及以上；优选地，集束区第三部分包括第三信号光纤和与其对应的第三泵浦光纤，第三信号光纤用于传输第三信号激光L3，第三泵浦光纤用于传输第三泵浦激光P3，优选地第三信号光纤为一个或多个，优选地，第三信号光纤为两个及以上，优选地，第三泵浦光纤为一个或多个，优选地，第三泵浦光纤为两个及以上；优选地，集束区第n部分包括第n信号光纤和与其对应的第n泵浦光纤，第n信号光纤用于传输第n信号激光Ln，第n泵浦光纤用于传输第n泵浦激光Pn，优选地第n信号光纤为一个或多个，优选地，第n信号光纤为两个及以上，优选地，第n泵浦光纤为一个或多个，优选地，第n泵浦光纤为两个及以上。

优选地，第一信号激光L1和第一泵浦激光P1对应的第一稀土离子材料可选择掺镱材料、掺铒材料、掺铥材料、掺钕材料、掺钬材料、掺钐材料、掺镨材料、铒镱共掺材料等掺稀土材料中的一种。

优选地，第二信号激光L2和第二泵浦激光P2对应的第二稀土离子材料可选择掺镱材料、掺铒材料、掺铥材料、掺钕材料、掺钬材料、掺钐材料、掺镨材料、铒镱共掺材料等掺稀土材料中的一种。优选地，第二稀土离子材料应当与第一稀土离子材料不同，可用于出射环形分层可控的不同的波长，即第二信号激光L2的波长与第一信号激光L1的波长不同。

优选地，第三信号激光L3和第三泵浦激光P3对应的第三稀土离子材料可选择掺镱材料、掺铒材料、掺铥材料、掺钕材料、掺钬材料、掺钐材料、掺镨材料、铒镱共掺材料等掺稀土材料中的一种。优选地，第三稀土离子材料应当与第一稀土离子材料不同，第三稀土离子材料与第二稀土离子材料不同，以用于出射环形分层可控的不同的波长，即第三信号激光L3的波长与第二信号激光L2的波长不同，即第三信号激光L3的波长与第一信号激光L1的波长不同。

优选地，第n信号激光Ln和第n泵浦激光Pn对应的第n稀土离子材料可选择掺镱材料、掺铒材料、掺铥材料、掺钕材料、掺钬材料、掺钐材料、掺镨材料、铒镱共掺材料等材料中的一种。优选地，第n稀土离子材料应当与集束区其它部分信号激光和泵浦激光对应的稀土离子材料不同，以用于出射环形分层可控的不同的波长。

位于相对内层的集束区部分的泵浦光的波长小于围绕它的位于相对外层的集束区部分的泵浦光的波长，和/或,位于相对内层的集束区部分的信号光的波长小于围绕它的位于相对外层的集束区部分的信号光的波长。

优选地，集束区第一部分中的信号光纤为能传输掺杂镱离子所激发对应激光的无源匹配光纤。

优选地，集束区第一部分的泵浦光纤为输出可泵浦掺镱离子材料的激光的泵浦源的耦合输出光纤。优选地，泵浦源为光激光二极管(LD)泵浦源。

优选地，集束区第二部分中的信号光纤为能传输掺杂铒离子所激发对应激光的无源匹配光纤。

优选地，集束区第二部分的泵浦光纤为输出可泵浦掺铒镱共掺离子材料的激光的泵浦源的耦合输出光纤。优选地，泵浦源为光激光二极管(LD)泵浦源。

优选地，集束区第三部分中的信号光纤为能传输掺杂铥离子所激发对应激光的无源匹配光纤。

优选地，集束区第三部分的泵浦光纤为输出可泵浦掺铥离子材料的激光的泵浦源的耦合输出光纤。优选地，泵浦源为光激光二极管(LD)泵浦源。

优选地，当具有集束区第n部分时(n>3，为正整数)，可以选择合适的信号光纤和泵浦光纤以及泵浦源。

优选地，石英低折射率玻璃管的折射率低于泵浦光纤的包层折射率(此处低于泵浦光纤的包层折射率是指低于所有泵浦光纤的包层折射率)。

优选地，石英低折射率玻璃管的折射率低于信号光纤的包层折射率(此处低于信号光纤的包层折射率是指低于所有信号光纤的包层折射率)。

优选地，在集束区各个部分之间设置石英低折射率玻璃管。例如，在集束区第一部分和集束区第二部分之间设置石英低折射率玻璃管；在集束区第二部分和集束区第三部分之间设置石英低折射率玻璃管；在集束区第(n-1)部分和集束区第n部分之间设置石英低折射率玻璃管。信号光和泵浦光输出纤集束区的最外侧包括石英低折射率玻璃管。优选地，石英低折射率玻璃管为掺氟或硼低折射率玻璃管。

集束区包括集束区第一部分，集束区第二部分，集束区第三部分；集束区第一部分基本为圆形区域，集束区第一部分的外径基本为375μm；集束区第二部分基本为环形区域，集束区第二部分的内径为425μm，集束区第二部分的外径为为675μm；集束区第三部分基本为环形区域，集束区第三部分的内径为725μm，集束区第三部分的外径为975μm(该处所提的内径和外径均指直径)。

优选地，第一稀土离子材料可为掺杂镱离子材料，第一信号激光L1对应掺杂镱离子所能发射单模信号激光，第一泵浦激光P1对应掺杂镱离子所能吸收的多模泵浦激光，而镱离子的输出峰可基本为1080nm，其吸收峰可基本为915nm或976nm；即第一信号激光峰值波长基本为1080nm，而第一泵浦激光的峰值波长为基本915nm或基本976nm。

优选地，第二稀土离子材料可为掺铒镱共掺离子材料，第二信号激光L2对应所掺铒离子所发射的单模信号激光，第二泵浦激光P2对应所掺铒镱共掺离子所吸收的多模泵浦激光，掺铒镱共掺离子输出峰可基本为1550nm，其可选吸收峰可基本为940或980nm；即第二信号激光峰值波长基本为1550nm，第二泵浦激光的峰值波长为基本940nm或基本980nm。

优选地，第三稀土离子材料可为掺杂铥离子材料，第三信号激光L3对应所掺杂铥离子所发射的单模信号激光，第三泵浦激光P3对应所掺杂铥离子所吸收的多模泵浦激光，掺杂铥离子输出峰可为基本1940nm或基本1980nm，其可选吸收峰可为基本793nm或1550nm；即第二信号激光峰值波长可为基本1940nm或基本1980nm，第二泵浦激光的峰值波长可为基本793nm或1550nm。

优选地，第n稀土掺杂离子材料可为光纤激光器可用的其它的掺杂离子材料，第n信号激光Ln和第n泵浦激光Pn对应第n稀土掺杂离子所发射与吸收的单模信号激光和多模泵浦激光。

在集束区的后侧设置集束拉锥区：为了实现集束区与多芯掺杂有源光纤的低插损耦合，因此，需要将集束区进行拉锥处理。

优选地，集束拉锥区3是通过将信号光和泵浦光输出纤集束区2进行拉锥处理获得。

为了减小光能量的损失，优选地，拉锥长度满足绝缘拉锥条件：光纤内衍射角≥光纤拉锥角。

优选地，该段的拉锥比例为：2:1。

优选地，为了高效的耦合，待光纤拉锥后，将拉锥端进行切割，待其被切割后再与多芯掺杂有源光纤进行熔接，熔接方法可采用CO2激光、电极放电、氢氧焰、石墨加热等熔接方法进行熔接。

优选地，拉锥端的切割可以采用光纤切割刀进行切割。

为了与集束区相匹配，多芯掺杂有源光纤包括多个掺杂部分组成，即当集束区包括复数个即m个部分时，多芯掺杂有源光纤包括相同数量即m个掺杂部分。

集束区包括3个部分，即集束区第一部分、集束区第二部分、集束区第三部分。

多芯掺杂有源光纤包括多个掺稀土离子区域，优选地，至少包括两个掺稀土离子区域。优选地，具有最内层的中心的掺稀土离子区域，而外层掺稀土离子区域可以采用环形区域，最中心的掺稀土离子区域为基本的圆形区域，而其它的掺稀土离子区域，即外层的掺稀土离子区域采用圆环形区域，优选地，至少包括一个中心的掺杂离子区域和一个环形的掺稀土离子区域。即多芯掺杂有源光纤中的多芯是指具有至少两个掺杂稀土离子的放大区域。优选地，多芯掺杂有源光纤包括三个掺杂稀土离子的区域，优选地，多芯掺杂有源光纤包括一个中心的掺稀土离子区域以及两个圆环形的掺稀土离子区域。

优选地，可以为主要由1，2，3三个部分组成。第三区域为掺杂稀土铥离子的区域，优选地基本为环形区域，第二区域2为共掺稀土铒镱离子的区域，优选地基本为环形的区域，第一区域为掺杂镱离子的区域，优选地基本为圆形的区域。第三区域的内直径为362.5μm，第三区域的外直径为487.5μm。第二区域的内直径为212.5μm，第二区域的外直径为337.5μm。第一掺杂区域的内直径为62.5μm，第一掺杂区域外直径为187.5μm。4，5，6，7部分的成分为石英。

第一区域基本为圆形区域，掺杂第一稀土离子，用于放大第一信号光；第二区域围绕第一区域，第二区域基本为(圆)环形的区域，掺杂第二稀土离子，用于放大第二信号光；第三区域围绕第二区域，第二区域基本为(圆)环形的区域，掺杂第三稀土离子，用于放大第三信号光。

即在第一区域和第二区域之间设置石英层，石英层的厚度优选地为第二区域的内直径减去第一区域的外直径，即单侧厚度为12.5μm，两侧厚度加起来为25μm。

在第二区域和第三区域之间设置石英层，石英层的厚度优选地为第三区域的内直径减去第二区域的外直径，单侧厚度为12.5μm，两侧厚度加起来为25μm。

在第三区域的外侧设置石英层，石英层的厚度优选地为单侧厚度为12.5μm，两侧厚度加起来为25μm。

在第一区域的内部设置石英芯区域，石英芯区域基本为圆形区域，石英芯区域的直径基本为第一掺杂区域的内直径。

根据设计，石英层的折射率低于第一区域的折射率，石英层的折射率低于第二区域折射率，石英层的折射率低于第三区域的折射率，优选地，石英芯区域的折射率低于第一掺杂区域的折射率。

优选地，集束区第一部分最中间的那根光纤优选地为泵浦光纤。

优选地，在多芯掺杂有源光纤输出的多波长放大环形激光中，第一信号光L1和第一泵浦光P1以及第一区域对应的输出激光部分为第一输出光部分Q1；第二信号光L2和第二泵浦光P2以及第二区域对应的输出激光部分为第二输出光部分Q1；第三信号光L3和第三泵浦光P3以及第三区域对应的输出激光部分为第三输出光部分Q3；当集束区的部分超过3个部分时，第n信号光Ln和第n泵浦光Pn以及第n区域对应的输出激光部分为第n输出光部分Qn(n>3，为正整数)。

通过光纤结构设计，可增加多芯掺杂光纤的纤芯区域数量，用以增加掺杂稀土离子种类，如：钕、钬、钐、镨等。

优选地，使得信号光纤选择为芯直径大于15μm，包层直径大于150μm的少模光纤，优选地，泵浦光纤选择为芯直径大于133μm，包层直径大于153μm的多模光纤。

本发明的有益效果在于：

(1)创造性的将多层纤芯的结构进行了改造，巧妙的将经设计的光纤集束结构和独特的多芯掺杂光纤进行结合，提供了一种复合波长环形光斑激光的输出的激光器。其输入泵浦光的耦合效率高，输入信号的模式更加稳定，输入信号在空间分布上更加均匀，能大大的提高激光功率的同时极大的降低能量损失，这是高功率激光加工领域一直研究的对象，同时合理化的结构排布使得输出光的光束质量更高，模式更加稳定，降低非线性效应，满足高功率激光加工的需求。

(2)能够进行高能量的多波长激光环形输出，符合在高功率激光加工中的一些特定加工应用场景的要求，例如精密焊接中的一些场景等，实现环形的多波长复合激光输出，具有良好的光场对称性，面对需要调整输出波长数量和种类时，不需要复杂的更改设置和结构，只需要打开或关闭对应波长的信号激光和泵浦激光即可更换为另一种具有中心对称性的均匀环形激光。

(3)在集束区设置石英低折射率层，在多芯掺杂有源光纤包括多个环形的掺稀土离子区域，在任意两个掺稀土离子区域之间设置石英层，用于减小各个集束区部分和各个掺稀土离子区域之间的干扰和提高激光的利用率；在最外层的掺稀土离子区域的外侧设置石英层用于防止激光泄露造成对人的伤害。

(4)设置位于内层的信号激光的波长小于位于外层的信号激光的波长，那么内层偶尔溢出的泵浦激光或激发光能量还能够被外层的稀土离子所吸收，提高泵浦光能量的利用率，不仅在高能量输出时降低成本，还会降低整个增益光纤的热量产生和热负载，防止过热造成的非线性效应。

(5)根据光纤结构的设计，每个区域都存在数值孔径。同时，每种需要被放大的掺铥、铒镱、镱激光以及所对应的泵浦激光被分别限制在1，2，3区域传输。于是，以上三种激光的放大是空间分离的，因此，可通过控制1，2，3区域的信号光与泵浦光的注入大小对以上每种激光进行放大大小输出控制。该放大结构本质为Mopa放大结构，因此，其具有被放大输出激光取决于信号激光的光束质量的特点。在本发明中，采用铥、铒、镱单模激光作为信号光，因此可获得高光束质量高输出功率的输出。

(6)发明人可以将信号光纤替换为少模激光光纤，以解决泵浦过程中的模式不匹配的问题。同时，兼顾的可以提升少模信号光纤的芯径和多模泵浦光纤的芯径。通过光纤结构设计，可增加多芯掺杂光纤的纤芯区域数量，用以增加掺杂稀土离子种类，如：钕、钬、钐、镨等。

(7)集束区的部分至少为三个，即集束区至少应该包括集束区第一部分、集束区第二部分、集束区第三部分，相对于只有两个部分的情况，当集束区包括三个部分及以上时，其能够简单控制就出射多种组合的激光波长环形输出，例如第二信号光和第三信号光组合，第一信号光与第三信号光组合(这种组合还是具有更大的空间分离性的复合激光，在精密熔覆加工场合具有良好的应用)，第一信号光和第二信号光，第一信号光和第二信号光和第三信号光等多种，这样可以简单快捷的操作就能实现更多的加工功能，同时能大大提高总输出光的功率，大大超出现有技术的环形激光输出的功率水平和功能性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2为本发明的信号光和泵浦光输出纤集束区的截面示意图。

图3为本发明的信号光纤和泵浦光纤的具体实施例的截面示意图。

图4为本发明的多芯掺杂有源光纤的截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明公开了一种多掺杂稀土离子多波长光纤激光器，其可实现由多个波长输出功率单独可控的高功率复合波长光纤激光输出。

该复合波长光纤激光器由多芯掺杂有源光纤作为增益纤，并结合信号光+泵浦光合束器共同作用实现信号光的放大输出(如附图1)。

该复合波长光纤激光器主要包括四个部分，分别为：信号光与泵浦光模块、信号光和泵浦光输出纤集束区、集束拉锥区、多芯掺杂有源光纤。

信号光与泵浦光模块包括信号光模块和泵浦光模块。信号光模块可以输出所要被放大的信号激光，优选地，信号光模块可以同时输出两种波长的所要被放大的信号激光，分别为第一信号激光L1和第二信号激光L2，第一信号激光或L1和第二信号激光L2可以分别通过各自的波导输出结构或空间光输出结构从信号光模块输出；优选地，信号光模块可以同时输出三种波长的所要被放大的信号激光，分别为第一信号激光L1、第二信号激光L2、第三信号激光L3，第一信号激光或L1、第二信号激光L2、第三信号激光L3可以分别通过各自的波导输出结构或空间光输出结构从信号光模块输出；优选地，信号光模块可以同时输出n种波长(n>3，为正整数)的所要被放大的信号激光，分别为第一信号激光L1、第二信号激光L2、第三信号激光L3、(第四信号激光L4)……第n信号激光Ln，第一信号激光L1、第二信号激光L2、第三信号激光L3、(第四信号激光L4)……第n信号激光Ln可以分别通过各自的波导输出结构或空间光输出结构从信号光模块输出。

泵浦光模块输出为实现信号光放大所需要的对应泵浦光，优选地，泵浦光包括与多种波长信号光相对应的多种波长的泵浦激光，优选地，当信号光模块可以同时输出两种波长的所要被放大的信号激光，分别为第一信号激光L1和第二信号激光L2时，泵浦光模块输出两种波长的对应的泵浦光，分别为第一泵浦激光P1和第二泵浦激光P2；优选地，信号光模块可以同时输出三种波长的所要被放大的信号激光，分别为第一信号激光L1、第二信号激光L2、第三信号激光L3时，泵浦光模块输出三种波长的对应的泵浦光，分别为第一泵浦激光P1、第二泵浦激光P2、第三泵浦激光P3；优选地，信号光模块可以同时输出n种波长(n>3，为正整数)的所要被放大的信号激光，分别为第一信号激光L1、第二信号激光L2、第三信号激光L3、(第四信号激光L4)……第n信号激光Ln时，泵浦光模块输出n种波长的对应的泵浦光，分别为第一泵浦激光P1、第二泵浦激光P2、第三泵浦激光P3……第n泵浦激光Pn。

信号激光对应多芯光纤掺杂稀土离子材料所能发射和/或放大的激光，而泵浦激光则为该稀土离子所能吸收并使其产生离子数翻转的泵浦激光。优选地，第一信号激光L1对应第一泵浦激光P1，第一稀土离子材料吸收第一泵浦激光P1并使得离子数翻转，出射放大后的第一信号激光L1；优选地，第二信号激光L2对应第二泵浦激光P2，第二稀土离子材料吸收第二泵浦激光P2并使得离子数翻转，出射放大后的第二信号激光L2；优选地，第三信号激光L3对应第三泵浦激光P3，第三稀土离子材料吸收第三泵浦激光P3并使得离子数翻转，出射放大后的第三信号激光L3；优选地，第n信号激光Ln对应第n泵浦激光Pn，第n稀土离子材料吸收第n泵浦激光Pn并使得离子数翻转，出射放大后的第n信号激光Ln(n>3，为正整数)。

优选地，第一泵浦激光、第二泵浦激光、第三泵浦激光……第n信号激光他们各自的功率独立可调，即第一泵浦激光的功率独立可调，即第二泵浦激光的功率独立可调，即第三泵浦激光的功率独立可调，即第n泵浦激光的功率独立可调(n>3，为正整数)，以实现各个波长的输出光独立可控。

优选地，信号激光可以采用单模信号激光，以提升输出光的光束质量。

优选地，泵浦激光可以采用多模泵浦激光，可使得增益材料的各处的稀土离子都能得到良好均衡的激发以及扩展功率场景。

信号光和泵浦光输出纤集束区包括信号光纤、泵浦光纤(如附图2)，其将信号光纤和泵浦光纤集束。优选地，为了稳定的将信号光纤和泵浦光纤集束固定，还包括管用于将信号光纤和泵浦光纤围住。为了使得后续能够方便的拉锥，所述用于将信号光纤和泵浦光纤围住的管采用石英玻璃管。

为了方便，下面称信号光和泵浦光输出纤集束区为集束区。

优选地，由于泵浦光的能量都十分的大，泵浦光纤的包层较薄，为了降低光能量的损失，提高光效率，所述石英玻璃管为低折射率石英玻璃管，采用低折射率石英玻璃管其可以在后续的拉锥区很好的将泵浦光束缚在玻璃管内，防止光的散失，低折射率石英玻璃管中的低折射率是指石英玻璃管的折射率低于泵浦光纤的纤芯折射率(此处低于泵浦光纤的纤芯折射率是指低于所有泵浦光纤的纤芯折射率)。同时，虽然信号光的能量较低且信号光纤的包层较厚，因此信号光的损失的概率不大，但由于后续会进行拉锥，在拉锥区还是有可能会有信号光的散失，因此，最好也能够更好的束缚信号光，优选地也石英玻璃管的折射率也低于信号光纤的纤芯折射率(此处低于信号光纤的纤芯折射率是指低于所有信号光纤的纤芯折射率)。

优选地，石英低折射率玻璃管可以采用掺杂的方式制造，优选地，为了能够在拉锥区更好的与光纤相匹配，优选地，石英低折射率玻璃管为掺氟或硼石英低折射率玻璃管。

优选地，信号光纤可以采用单模光纤以获得高光束质量的单模信号光，优选地，信号光纤为10/125单模光纤(如附图3)。

优选地，泵浦光纤采用可以容纳高功率多模光的多模泵浦光纤，优选地，泵浦纤为参数105/125/0.22(如附图3)，该多模泵浦光纤的使用，将增加泵浦激光的注入能力。

优选地，为了使得不同的激光分区泵浦以提高泵浦效率，该集束区分为多个区域部分，优选地，可以包括集束区第一部分、集束区第二部分；优选地，可以包括集束区第一部分、集束区第二部分、集束区第三部分；优选地，可以包括集束区第一部分、集束区第二部分、集束区第三部分、……集束区第n部分。

优选地，每个部分中都包括信号光纤与泵浦光纤组成。

优选的，为了更优的传输信号光，提高输出信号激光的质量，使得信号激光与有源光纤更加的匹配，优选地，信号光纤为能传输掺杂相应离子所激发对应激光的无源匹配光纤。

优选地，泵浦光纤为泵浦光模块中的泵浦源耦合输出光纤。

优选地，当多波长激光器输出时，在大功率的应用场景，例如焊接等场景中，往往需要多波长激光的具有相同的输出轴线，为了解决这个问题，同时为了实现输出复合波长激光中的单个波长成分激光可单独控制，便于当只采用多波长激光中的部分激光时，输出的激光应当拥有相同的轴线和对称的分布，优选地，集束区采用如图2式的分布方式，集束区的各个部分从中心开始向外逐层排布。

优选地，集束区从内至外依次具有集束区第一部分、集束区第二部分、集束区第三部分、……集束区第n区域(n>3，为正整数)。

优选地，集束区第一部分为处于中心的圆形区域，集束区第二部分为围绕集束区第一部分的环形区域，集束区第三部分为围绕集束区第二部分的环形区域，……集束区第n部分(n>3，为正整数)为围绕集束区第(n-1)部分的环形区域。

优选地，为了实现高质量的激光输出，集束区第二部分为围绕集束区第一部分的圆环形区域，集束区第三部分为围绕集束区第二部分的圆环形区域，……集束区第n部分(n>3，为正整数)为围绕集束区第(n-1)部分的圆环形区域。

集束区的各个部分优选地包括各自的信号光纤和与其对应的泵浦光纤。

优选地，集束区第一部分包括第一信号光纤和与其对应的第一泵浦光纤，第一信号光纤用于传输第一信号激光L1，第一泵浦光纤用于传输第一泵浦激光P1，优选地第一信号光纤数量为一个或多个，优选地，第一信号光纤数量为两个及以上，优选地，第一泵浦光纤数量为一个或多个，优选地，第一泵浦光纤数量为两个及以上；优选地，集束区第二部分包括第二信号光纤和与其对应的第二泵浦光纤，第二信号光纤用于传输第二信号激光L2，第二泵浦光纤用于传输第二泵浦激光P2，优选地第二信号光纤数量为一个或多个，优选地，第二信号光纤数量为两个及以上，优选地，第二泵浦光纤数量为一个或多个，优选地，第二泵浦光纤数量为两个及以上；优选地，集束区第三部分包括第三信号光纤和与其对应的第三泵浦光纤，第三信号光纤用于传输第三信号激光L3，第三泵浦光纤用于传输第三泵浦激光P3，优选地第三信号光纤数量为一个或多个，优选地，第三信号光纤数量为两个及以上，优选地，第三泵浦光纤数量为一个或多个，优选地，第三泵浦光纤数量为两个及以上；优选地，集束区第n部分包括第n信号光纤和与其对应的第n泵浦光纤，第n信号光纤用于传输第n信号激光Ln，第n泵浦光纤用于传输第n泵浦激光Pn，优选地第n信号光纤数量为一个或多个，优选地，第n信号光纤数量为两个及以上，优选地，第n泵浦光纤数量为一个或多个，优选地，第n泵浦光纤数量为两个及以上。

优选地，集束区的部分至少的应该大于两个，即集束区至少应该包括集束区第一部分、集束区第二部分、集束区第三部分(参见图2的实施例)，相对于只有两个部分(即只包括集束区第一部分和集束区第二部分)的情况，当集束区包括三个部分及以上时，其能够简单控制就出射多种组合的激光波长环形输出(而不是两个部分那种只有一种组合)，例如第二信号光和第三信号光组合，第一信号光与第三信号光组合(这种组合还是具有更大的空间分离性的复合激光，在精密熔覆加工场合具有良好的应用)，第一信号光和第二信号光，第一信号光和第二信号光和第三信号光等多种，这样可以简单快捷的操作就能实现更多的加工功能，同时能大大提高总输出光的功率，大大超出现有技术的环形激光输出的功率水平和功能性。

优选地，第一信号激光L1和第一泵浦激光P1对应的第一稀土离子材料可选择掺镱材料、掺铒材料、掺铥材料、掺钕材料、掺钬材料、掺钐材料、掺镨材料、铒镱共掺材料等材料中的一种。

优选地，第二信号激光L2和第二泵浦激光P2对应的第二稀土离子材料可选择掺镱材料、掺铒材料、掺铥材料、掺钕材料、掺钬材料、掺钐材料、掺镨材料、铒镱共掺材料等材料中的一种。优选地，第二稀土离子材料应当与第一稀土离子材料不同，以用于出射环形分层可控的不同的波长，即第二信号激光L2的波长与第一信号激光L1的波长不同。

优选地，第三信号激光L3和第三泵浦激光P3对应的第三稀土离子材料可选择掺镱材料、掺铒材料、掺铥材料、掺钕材料、掺钬材料、掺钐材料、掺镨材料、铒镱共掺材料等材料中的一种。优选地，第三稀土离子材料应当与第一稀土离子材料不同，第三稀土离子材料与第二稀土离子材料不同，以用于出射环形分层可控的不同的波长，即第三信号激光L3的波长与第二信号激光L2的波长不同，即第三信号激光L3的波长与第一信号激光L1的波长不同。

优选地，第n信号激光Ln和第n泵浦激光Pn对应的第n稀土离子材料可选择掺镱材料、掺铒材料、掺铥材料、掺钕材料、掺钬材料、掺钐材料、掺镨材料、铒镱共掺材料等材料中的一种。优选地，第n稀土离子材料应当与集束区其它部分信号激光和泵浦激光对应的稀土离子材料不同，以用于出射环形分层可控的不同的波长。

由于在多芯掺杂有源光纤中的各个有源掺杂区的排布方式最好与集束区的各个部分的排布形式相对应，因此，多芯掺杂有源光纤中的各个掺杂区也采用从中心开始向外逐层排布的方式。在高能量激光泵浦的过程中，由于在拉锥区和多芯掺杂有源光纤中，内层区域中的泵浦光和激发光会更容易向外侧散逸，因此，容易造成泵浦光的浪费，降低激光效率。因此，为了提升泵浦光的利用效率，提升激光效率，优选地可以采用如下的设置方式设置集束区的各个部分：位于相对内层的集束区部分的泵浦光的波长小于围绕它的位于相对外层的集束区部分的泵浦光的波长；在内层的第一泵浦激光P1的波长小于围绕它位于集束区第二部分的第二泵浦激光P2的波长；位于集束区第二部分的第二泵浦激光P2的波长小于集束区第三部分的第三泵浦激光P3的波长；位于集束区第(n-1)部分的泵浦激光P(n-1)的波长小于位于集束区第n部分的泵浦激光Pn的波长(n>3，为正整数)；和/或,位于相对内层的集束区部分的信号光的波长小于围绕它的位于相对外层的集束区部分的信号光的波长，在内层的第一信号激光L1的波长小于围绕它位于集束区第二部分的第二信号激光L2的波长；位于集束区第二部分的第二信号激光L2的波长小于集束区第三部分的第三信号激光L3的波长；位于集束区第(n-1)部分的信号激光L(n-1)的波长小于位于集束区第n部分的泵浦激光Pn的波长(n>3，为正整数)。由于内层的泵浦激光的波长小于外层的泵浦激光的波长，和或，位于内层的信号激光的波长小于位于外层的信号激光的波长，那么内层偶尔溢出的泵浦激光或激发光能量还能够被外层的稀土离子所吸收，提高泵浦光能量的利用率，不仅在高能量输出时降低成本，还会降低整个增益光纤的热量产生和热负载，防止过热造成的非线性效应。同时，上述排布方式还可以兼顾多芯掺杂有源光纤中的激光模式的合理分布。

优选地，可以选择如下的具体实施方式来实现上述的构思。

优选地，集束区第一部分中的信号光纤为能传输掺杂镱离子所激发对应激光的无源匹配光纤。

优选地，集束区第一部分的泵浦光纤为输出可泵浦掺镱离子材料的激光的泵浦源的耦合输出光纤。优选地，泵浦源为激光二极管(LD)泵浦源，其输出可泵浦掺镱离子材料的泵浦激光。

优选地，集束区第二部分中的信号光纤为能传输掺杂铒离子所激发对应激光的无源匹配光纤。

优选地，集束区第二部分的泵浦光纤为输出可泵浦掺铒镱共掺离子材料的激光的泵浦源的耦合输出光纤。优选地，泵浦源为激光二极管(LD)泵浦源，其输出可泵浦铒镱共掺离子材料的泵浦激光。

优选地，集束区第三部分中的信号光纤为能传输掺杂铥离子所激发对应激光的无源匹配光纤。

优选地，集束区第三部分的泵浦光纤为输出可泵浦掺铥离子材料的激光的泵浦源的耦合输出光纤。优选地，泵浦源为激光二极管(LD)泵浦源，其输出可泵浦掺铥离子材料的泵浦激光。

优选地，当具有集束区第n部分时(n>3，为正整数)，可以选择合适的信号光纤和泵浦光纤以及泵浦源。

由于掺杂镱离子材料在常规条件下的吸收峰为915nm或976nm，输出峰为1080nm，铒镱共掺离子材料在常规条件下的吸收峰为940nm或980nm，输出峰为1550nm，掺杂铥离子材料在常规条件下的吸收峰可为基本793nm或1550nm，输出峰为1940nm或1980nm，其满足上述泵浦光和激发光波长的要求，因此，上述集束光纤的排布方式可以基本完美的满足上述提升能量利用率，降低热量产生，同时兼顾多芯掺杂有源光纤中的激光模式的合理分布的要求。

发明人意识到，在集束拉锥区，由于光纤的拉锥，激光从光纤包层溢出的可能性增大，如果能够使得溢出的泵浦光在其包层与石英玻璃管的界面发生全反射，那么将会更好的限制住泵浦光，防止泵浦光进入其它区域影响其它区域的性质，因此，为了防止干扰和提高泵浦光的使用效率，使得由于拉锥导致的泵浦光从泵浦光纤的包层和石英玻璃管的界面反射回去，优选地，石英低折射率玻璃管的折射率低于泵浦光纤的包层折射率(此处低于泵浦光纤的包层折射率是指低于所有泵浦光纤的包层折射率)。

同样的，如果考虑到信号光的泄露造成的干扰风险，优选地，优选地，石英低折射率玻璃管的折射率低于信号光纤的包层折射率(此处低于信号光纤的包层折射率是指低于所有信号光纤的包层折射率)。

在上述的基础上，为了降低集束区和集束拉锥区中各层激光之间的干扰，进一步提高能量利用率和输出激光质量，优选地，在集束区各个部分之间设置石英低折射率玻璃管。例如，在集束区第一部分和集束区第二部分之间设置石英低折射率玻璃管；在集束区第二部分和集束区第三部分之间设置石英低折射率玻璃管；在集束区第(n-1)部分和集束区第n部分之间设置石英低折射率玻璃管。当然在此之外，信号光和泵浦光输出纤集束区的最外侧包括石英低折射率玻璃管，这在之前已经描述，在此不再赘述。优选地，石英低折射率玻璃管为掺氟低折射率玻璃管。

以下描述具体的实施例，集束区包括集束区第一部分，集束区第二部分，集束区第三部分；集束区第一部分基本为圆形区域(对应图2的c区域)，集束区第一部分的外径基本为375μm；集束区第二部分基本为环形区域(对应图2的b区域)，优选地为，集束区第二部分基本为圆环形区域，集束区第二部分的内径为425μm，集束区第二部分的外径为为675μm；集束区第三部分基本为环形区域(对应图2的a区域)，优选地为，集束区第三部分基本为圆环形区域，集束区第三部分的内径为725μm，集束区第三部分的外径为975μm(上文所提的内径和外径均指直径)。

在具体的实施例下，例如，集束区第一部分与集束区第二部分之间的石英低折射率玻璃管对应为图2中的f区域，f区域的掺氟低折射率玻璃管的厚度优选地为25μm。集束区第二部分与集束区第三部分之间的石英低折射率玻璃管对应为图2中的e区域，e区域的掺氟低折射率玻璃管的厚度优选地为25μm。集束区第三部分外侧的石英低折射率玻璃管对应为图2中的d区域，d区域的掺氟低折射率玻璃管的厚度优选地为25μm。其作用为限制a，b，c每个区内的信号和泵浦光传输，其可保证信号和泵浦光都能在其所在区域内传输，且不产生不同区域之间的信号和泵浦激光相互交叉传输的问题。

由于激光的泵浦和输出对应的波长不可能为精确的准确数值，因此都是接近某个数值，因此下述多使用“基本”为某个波长的方式来描述。

优选地，第一稀土离子材料可为掺杂镱离子材料，第一信号激光L1对应掺杂镱离子所能发射单模信号激光，第一泵浦激光P1对应掺杂镱离子所能吸收的多模泵浦激光，而镱离子的输出峰可基本为1080nm，其吸收峰可基本为915nm或976nm；即第一信号激光峰值波长基本为1080nm，而第一泵浦激光的峰值波长为基本915nm或基本976nm。

优选地，第二稀土离子材料可为掺铒镱共掺离子材料，第二信号激光L2对应所掺铒共掺离子所发射的单模信号激光，第二泵浦激光P2对应所掺铒镱共掺离子所吸收的多模泵浦激光，掺铒镱共掺离子输出峰可基本为1550nm，其可选吸收峰可基本为940或980nm；即第二信号激光峰值波长基本为1550nm，第二泵浦激光的峰值波长为基本940nm或基本980nm。

优选地，第三稀土离子材料可为掺杂铥离子材料，第三信号激光L3对应所掺杂铥离子所发射的单模信号激光，第三泵浦激光P3对应所掺杂铥离子所吸收的多模泵浦激光，掺杂铥离子输出峰可为基本1940nm或基本1980nm，其可选吸收峰可为基本793nm或1550nm；即第二信号激光峰值波长可为基本1940nm或基本1980nm，第二泵浦激光的峰值波长可为基本793nm或1550nm。

优选地，第n稀土掺杂离子材料可为光纤激光器可用的其它的掺杂离子材料，第n信号激光Ln和第n泵浦激光Pn对应第n稀土掺杂离子所发射与吸收的单模信号激光和多模泵浦激光。

在集束区的后侧设置集束拉锥区：为了实现集束区与多芯掺杂有源光纤的低插损耦合，因此，需要将集束区进行拉锥处理。

优选地，集束拉锥区3是通过将信号光和泵浦光输出纤集束区2进行拉锥处理获得。

为了减小光能量的损失，优选地，拉锥长度满足绝缘拉锥条件：光纤内衍射角≥光纤拉锥角。

优选地，该段的拉锥比例为：2:1。

优选地，为了高效的耦合，待光纤拉锥后，将拉锥端进行切割，待其被切割后再与多芯掺杂有源光纤进行熔接，熔接方法可采用CO2激光、电极放电、氢氧焰、石墨加热等熔接方法进行熔接。

优选地，拉锥端的切割可以采用光纤切割刀进行切割。

为了与集束区相匹配，多芯掺杂有源光纤包括多个不同的掺杂部分，即当集束区包括m个部分时，多芯掺杂有源光纤包括m个掺杂部分；例如，当集束区包括4个部分时，即集束区第一部分、集束区第二部分、集束区第三部分、集束区第四部分时，多芯掺杂有源光纤包括也包括4个掺杂部分；当集束区包括3个部分时，即集束区第一部分、集束区第二部分、集束区第三部分时，多芯掺杂有源光纤包括也包括3个掺杂部分。

图4为具体的实施例，其对应图2的集束区的实施例。

图4对应的实施例中，集束区包括3个部分，即集束区第一部分、集束区第二部分、集束区第三部分。

多芯掺杂有源光纤包括多个掺稀土离子区域，优选地，至少包括两个掺稀土离子区域。优选地，具有最内层的中心的掺稀土离子区域，而外层掺稀土离子区域可以采用环形区域，为了更优的对称性以及光纤模式匹配性，最中心的掺稀土离子区域为基本的圆形区域，而其它的掺稀土离子区域，即外层的掺稀土离子区域采用圆环形区域，即优选地，至少包括一个中心的掺杂离子区域和一个圆环形的掺稀土离子区域。即多芯掺杂有源光纤中的多芯是指具有至少两个掺杂稀土离子的放大区域。优选地，多芯掺杂有源光纤包括三个掺杂稀土离子的区域，优选地，多芯掺杂有源光纤包括一个中心的掺稀土离子区域以及两个圆环形的掺稀土离子区域。层叠的环形区域的方式相对于多个分立的圆形芯的方式大大提高了激光泵浦的空间利用率，提高了激光输出的能量，在高功率激光输出领域具有良好的经济优势，并且利于散热，减少非线性效应的发生。

具体参照图4进行说明。优选地，多芯掺杂有源光纤从截面上看，可以为主要由1，2，3三个部分组成。第三区域1为掺杂稀土铥离子的区域，优选地基本为环形(圆环形)区域，第二区域2为共掺稀土铒镱离子的区域，优选地基本为环形(圆环形)的区域，第一区域(包括3和6)为掺杂镱离子的区域，优选地基本为圆的区域。第三区域1的内直径为362.5μm，第三区域1的外直径为487.5μm。第二区域2的内直径为212.5μm，第二区域2的外直径为337.5μm。

当为了获取所有光波长全部为圆环形光输出时，优选地，第一区域的包括位于中心的未掺杂稀土离子的中心石英区域6和外层呈圆环形的第一掺杂区域3；此时集束区第一部分位于最中心的那一根光纤优选的为泵浦光纤，利于第一掺杂区域具有泵浦激光的全向泵浦(因为中心不出激发光，此时如果最中心为信号光纤则起不到任何的有益作用，会降低激发效率)，提高激发效率，降低能量损耗。

此时，第一掺杂区域3的内直径为62.5μm，第一掺杂区域3外直径为187.5μm。4，5，6，7部分的成分为石英。当然，如果需要最终输出激光中心的激光波长的光场截面部分是圆形，那么第一区域也可以不包括未掺杂稀土离子的中心区域6，第一区域仅包括第一掺杂区域3，第一掺杂区域3为圆形。

第一区域基本为圆形区域，掺杂第一稀土离子，用于放大第一信号光；第二区域围绕第一区域，第二区域基本为环形(圆环形)的区域，掺杂第二稀土离子，用于放大第二信号光；第三区域围绕第二区域，第二区域基本为环形(圆环形)的区域，掺杂第三稀土离子，用于放大第三信号光。多芯掺杂有源光纤包括位于中心的掺稀土离子区域以及位于外侧的一个或多个环形(圆环形)的掺稀土离子区域，优选地，在任意两个掺稀土离子区域之间设置石英层用于隔离激光，优选地，在最外层的掺稀土离子区域的外侧设置石英层用于防止激光泄露造成对人的伤害。

在第一区域和第二区域2之间设置石英层7，石英层的厚度优选地为第二区域的内直径减去第一区域3的外直径，即单侧厚度为12.5μm，两侧厚度加起来为25μm。

在第二区域2和第三区域1之间设置石英层5，石英层的厚度优选地为第三区域1的内直径减去第二区域2的外直径，单侧厚度为12.5μm，两侧厚度加起来为25μm。

在第三区域1的外侧设置石英层4，石英层的厚度优选地为单侧厚度为12.5μm，两侧厚度加起来为25μm。

优选地，在第一区域的内部设置石英芯区域(即中心石英区域)6，石英芯区域6基本为圆形区域，石英芯区域6的直径基本为第一掺杂区域3的内直径。

根据设计，石英层和石英芯的折射率低于第一区域的折射率，石英层的折射率低于第二区域折射率，石英层的折射率低于第三区域的折射率，优选地，掺杂稀土离子的1，2，3区域的折射率相同并大于4，5，6，7区域的石英材料折射率，于是，1区域有效数值孔径为：0.3；2区域有效数值孔径为：0.3；3区域有效数值孔径为：0.3。因此，1，2，3区域都具有优良的限制光传输的作用，可基本实现每个区域的激光单独传输，基本不会互相干扰。类似光纤的纤芯，即该光纤可被认为环形多芯结构光纤。如附图2、4所示，集束区的第一部分c，集束区第二部分b，集束区第三部分a分别与多芯掺杂有源光纤的第一区域，第二区域2，第三区域1相对应；即，集束区第一部分c经过集束拉锥区与第一区域相对应，集束区第二部分b经过集束拉锥区与第二区域2相对应，集束区第三部分a经过集束拉锥区与第三区域3相对应。

而集束区的d，e，f分别与多芯掺杂有源光纤的4，5，7区域相对应。即集束区第一部分和集束区第二部分之间的石英低折射率玻璃管经过集束拉锥区域与多芯掺杂有源光纤的第一区域和第二区域之间的石英层相对应；集束区第二部分和集束区第三部分之间的石英低折射率玻璃管经过集束拉锥区域与多芯掺杂有源光纤的第二区域和第三区域之间的石英层相对应；集束区第三部分外侧的石英低折射率玻璃管经过集束拉锥区域与多芯掺杂有源光纤的第三区域外侧的石英层相对应。

优选地，在多芯掺杂有源光纤输出的多波长放大环形激光中，第一信号光L1和第一泵浦光P1以及第一区域对应的输出激光部分为第一输出光部分Q1；第二信号光L2和第二泵浦光P2以及第二区域对应的输出激光部分为第二输出光部分Q2；第三信号光L3和第三泵浦光P3以及第三区域对应的输出激光部分为第三输出光部分Q3；当集束区的部分超过3个部分时，第n信号光Ln和第n泵浦光Pn以及第n区域对应的输出激光部分为第n输出光部分Qn(n>3，为正整数)。

对于该多芯光纤激光的放大，根据以上信息可得，因1，2，3每个区域分别掺杂了不同的稀土离子，第三区域1掺杂铥离子，第二区域2共掺杂铒镱离子，第一区域掺杂镱离子。根据光纤结构的设计，每个区域都存在数值孔径。同时，每种需要被放大的掺铥、铒镱、镱激光以及所对应的泵浦激光被分别限制在1，2，3区域传输。于是，以上三种激光的放大是空间分离的，因此，可通过控制1，2，3区域的信号光与泵浦光的注入大小对以上每种激光进行放大大小输出控制。该放大结构本质为Mopa放大结构，因此，其具有被放大输出激光取决于信号激光的光束质量的特点。在本专利中，采用铥、铒、镱单模激光作为信号光，因此可获得高光束质量高输出功率的输出。

此外，a，b，c区域中的信号纤与泵浦纤外径尺寸相同，都为125μm。因此，在保证每个区域中的信号纤与泵浦纤总数量不变的情况下，根据应用需求，可调节信号和泵浦纤的数量比例，增加信号纤与减少泵浦纤，或者减少信号纤与增加泵浦纤，因此，通过该方法，可灵活可控制信号光与泵浦光注入比例，并最终实现被放大每种激光的单独控制输出。

优选地，有时由于集束拉锥区各个光纤的拉锥情况会略有差异，导致各个泵浦光纤和信号光纤的能量传输情况不同，由此导致环形光斑的光场会出现略微的不均匀的情况，为了解决这个问题，发明者想到使得集束区各个部分的各个泵浦光纤对应的泵浦激光的能量和功率独立可调，例如，集束区第一部分包括多根泵浦光纤，每根泵浦光纤中的泵浦激光的能量独立可调，在多芯掺杂稀土离子增益光纤的出射端设置环形光斑的检测装置(例如是包括衰减片的CCD相机)，根据环形光斑的检测装置检测的环形光斑的光场均匀性对每个泵浦光纤的泵浦激光功率进行独立调节，当环形光斑检测装置获取的环形光斑的光场均匀性达到预定值时，记录下此时的各个泵浦光纤中的泵浦激光功率数值和/或各个泵浦光纤的泵浦激光功率比值，然后，使用该各个泵浦光纤中的泵浦激光功率数值和/或各个泵浦光纤的泵浦激光功率比值以获取均匀的第一输出激光部分。

优选地，也可以包括，集束区第二部分包括多根泵浦光纤，每根泵浦光纤中的泵浦激光的能量独立可调，在多芯掺杂稀土离子增益光纤的出射端设置环形光斑的检测装置(例如是包括衰减片的CCD相机)，根据环形光斑的检测装置检测的环形光斑的光场均匀性对每个泵浦光纤的泵浦激光功率进行独立调节，当环形光斑检测装置获取的环形光斑的光场均匀性达到预定值时，记录下此时的各个泵浦光纤中的泵浦激光功率数值和/或各个泵浦光纤的泵浦激光功率比值，然后，使用该各个泵浦光纤中的泵浦激光功率数值和/或各个泵浦光纤的泵浦激光功率比值以获取均匀的第二输出激光部分。

优选地，也可以包括，集束区第三部分包括多根泵浦光纤，每根泵浦光纤中的泵浦激光的能量独立可调，在多芯掺杂稀土离子增益光纤的出射端设置环形光斑的检测装置(例如是包括衰减片的CCD相机)，根据环形光斑的检测装置检测的环形光斑的光场均匀性对每个泵浦光纤的泵浦激光功率进行独立调节，当环形光斑检测装置获取的环形光斑的光场均匀性达到预定值时，记录下此时的各个泵浦光纤中的泵浦激光功率数值和/或各个泵浦光纤的泵浦激光功率比值，然后，使用该各个泵浦光纤中的泵浦激光功率数值和/或各个泵浦光纤的泵浦激光功率比值以获取均匀的第三输出激光部分。

优选地，也可以包括，集束区第n部分包括多根泵浦光纤，每根泵浦光纤中的泵浦激光的能量独立可调，在多芯掺杂稀土离子增益光纤的出射端设置环形光斑的检测装置(例如是包括衰减片的CCD相机)，根据环形光斑的检测装置检测的环形光斑的光场均匀性对每个泵浦光纤的泵浦激光功率进行独立调节，当环形光斑检测装置获取的环形光斑的光场均匀性达到预定值时，记录下此时的各个泵浦光纤中的泵浦激光功率数值和/或各个泵浦光纤的泵浦激光功率比值，然后，使用该各个泵浦光纤中的泵浦激光功率数值和/或各个泵浦光纤的泵浦激光功率比值以获取均匀的第n输出激光部分(n>3，为正整数)。

鉴于多芯掺杂稀土离子增益光纤的结构设计，于是，其可实现复合波长激光环形光斑激光输出。

通过光纤结构设计，可增加多芯掺杂光纤的纤芯区域数量，用以增加掺杂稀土离子种类，如：钕、钬、钐、镨等；对于本专利中的信号光波长的选择，其波长选择可扩展至每种掺杂稀土离子发射谱所覆盖的波长。

本申请的优势还在于实现与多芯掺杂光纤高效耦合的集束光纤区合束器的结构设计。

本申请除了可实现高功率复合波长激光的输出；还可实现复合波长环形光斑激光的输出；同时输出复合波长激光中的单个波长成分激光可单独控制。优选地，信号光与泵浦光模块中的信号光模块其输出各个波长的信号激光可以被独立控制光强和出射与否。信号光与泵浦光模块中的泵浦光模块其输出各个波长的泵浦激光可以被独立控制光强和出射与否。

采用由于泵浦激光为多模，采用单模信号光纤时会存在模式不匹配，造成泵浦光的利用效率不高，会浪费光能量，降低效率，为了解决这个问题，发明人将信号光纤替换为少模激光光纤，以解决上述泵浦过程中的模式不匹配的问题。同时，兼顾的可以提升少模信号光纤的芯径和多模泵浦光纤的芯径，优选地，使得信号光纤选择为芯直径大于15μm，包层直径大于150μm的少模光纤，优选地，泵浦光纤选择为芯直径大于133μm，包层直径大于153的多模光纤(或是更优选地，使得信号光纤选择为芯直径大于18μm，包层直径大于180μm的少模光纤，优选地，泵浦光纤选择为芯直径大于150μm，包层直径大于180的多模光纤)；使得多模泵浦光纤可以传输更多的能量，并降低单位截面的能量密度，以降低产热和非线性效应。同时，由于拉锥比的限制，可以对应的增大多芯掺杂稀土离子增益光纤的芯径和各部分的横截面积，以输出更高能量的输出激光并可以降低单位截面的能量密度，降低非线性效应。例如，可包括接下来所述的实施方式。

通过对集束区与多芯掺杂光纤结构设计，将集束区的泵浦光纤和信号光纤分别更换为包层直径相同且纤芯直径更大和数值孔径更高的光纤。如：泵浦纤可更换为200/220/0.22的多模光纤，信号纤可更换为20/200少模激光光纤，可降低该放大结构对泵浦光亮度需求，进而降低该放大结构的制造成本。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于多芯掺杂稀土离子多波长功率可调光纤激光器，包括，信号光与泵浦光模块、信号光和泵浦光输出纤集束区、集束拉锥区、多芯掺杂有源光纤；信号光与泵浦光模块用于输出所要被放大的信号激光以及为实现信号光放大所需要的泵浦激光；信号光和泵浦光输出纤集束区包括信号光纤、泵浦光纤，其将信号光纤和泵浦光纤集束；信号光纤用于传输所要被放大的信号激光，泵浦光纤用于传输为实现信号光放大所需要的泵浦激光；集束拉锥区是通过将信号光和泵浦光输出纤集束区进行拉锥处理获得；集束拉锥区与多芯掺杂有源光纤连接，其特征在于：多芯掺杂有源光纤包括至少两个掺稀土离子区域，信号光和泵浦光输出纤集束区包括集束区第一部分和集束区第二部分，集束区第一部分包括信号光纤与泵浦光纤，集束区第二部分包括信号光纤和泵浦光纤，集束区第一部分为圆形区域，集束区第二部分围绕集束区第一部分，集束区第二部分为环形区域，集束区第一部分包括第一信号光纤和第一泵浦光纤，第一信号光纤用于传输第一信号激光L1，第一泵浦光纤用于传输第一泵浦激光P1，集束区第二部分包括第二信号光纤和第二泵浦光纤，第二信号光纤用于传输第二信号激光L2，第二泵浦光纤用于传输第二泵浦激光P2；第一稀土离子材料吸收第一泵浦激光P1并使得粒子数反转，出射放大的第一信号激光L1；第二稀土离子材料吸收第二泵浦激光P2并使得粒子数反转，出射放大的第二信号激光L2。

2.根据权利要求1的一种基于多芯掺杂稀土离子多波长功率可调光纤激光器，还包括集束区第三部分，集束区第三部分包括信号光纤和泵浦光纤，集束区第三部分为环形区域，集束区第三部分围绕集束区第二部分，集束区第三部分包括第三信号光纤和第三泵浦光纤，第三信号光纤用于传输第三信号激光L3，第三泵浦光纤用于传输第三泵浦激光P3；第三稀土离子材料吸收第三泵浦激光P3并使得粒子数反转，出射放大的第三信号激光L3。

3.根据权利要求2的一种基于多芯掺杂稀土离子多波长功率可调光纤激光器，在集束区第一部分和集束区第二部分之间设置石英低折射率玻璃管；在集束区第二部分和集束区第三部分之间设置石英低折射率玻璃管；信号光和泵浦光输出纤集束区的最外侧包括石英低折射率玻璃管，石英低折射率玻璃管的折射率低于泵浦光纤的纤芯折射率。

4.根据权利要求2的一种基于多芯掺杂稀土离子多波长功率可调光纤激光器，多芯掺杂有源光纤包括第一区域、第二区域和第三区域，第一区域掺杂第一稀土离子，用于放大第一信号光；第二区域围绕第一区域，第二区域为环形的区域，掺杂第二稀土离子，用于放大第二信号光；第三区域围绕第二区域，第三区域为环形的区域，掺杂第三稀土离子，用于放大第三信号光。

5.根据权利要求3的一种基于多芯掺杂稀土离子多波长功率可调光纤激光器，多芯掺杂有源光纤包括第一区域、第二区域和第三区域，第一区域掺杂第一稀土离子；第二区域为环形的区域，掺杂第二稀土离子；第三区域为环形的区域，掺杂第三稀土离子，在第一区域和第二区域之间设置石英层；在第二区域和第三区域之间设置石英层；在第三区域的外侧设置石英层，石英层的折射率低于第一区域的折射率，石英层的折射率低于第二区域折射率，石英层的折射率低于第三区域的折射率。

6.根据权利要求4的一种基于多芯掺杂稀土离子多波长功率可调光纤激光器，第一信号激光L1的波长小于位于集束区第二部分的第二信号激光L2的波长；位于集束区第二部分的第二信号激光L2的波长小于集束区第三部分的第三信号激光L3的波长。

7.根据权利要求2的一种基于多芯掺杂稀土离子多波长功率可调光纤激光器，集束区第一部分中的信号光纤为能传输镱离子所能发射的激光的无源匹配单模光纤，集束区第一部分的泵浦光纤为输出可泵浦掺镱离子材料的激光的泵浦源的耦合输出光纤；集束区第二部分中的信号光纤为能传输铒离子所能发射的激光的无源匹配单模光纤，集束区第二部分的泵浦光纤为输出可泵浦铒镱离子共掺材料的激光的泵浦源的耦合输出光纤；集束区第三部分中的信号光纤为能传输铥离子所能发射的激光的无源匹配单模光纤，集束区第三部分的泵浦光纤为输出可泵浦掺铥离子材料的激光的泵浦源的耦合输出光纤；泵浦源为激光二极管泵浦源。

8.根据权利要求1的一种基于多芯掺杂稀土离子多波长功率可调光纤激光器，集束拉锥区的拉锥长度满足绝缘拉锥条件：光纤内衍射角≥光纤拉锥角，待光纤拉锥后，将拉锥端进行切割，待其被切割后再与多芯掺杂有源光纤进行熔接。

9.根据权利要求1的一种基于多芯掺杂稀土离子多波长功率可调光纤激光器，信号光纤为单模光纤，泵浦光纤为多模光纤；或是，信号光纤为少模激光光纤，泵浦光纤纤芯直径大于133μm。