CN120855051A - 一种双包层光纤芯包泵浦的小信号激光放大器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双包层光纤芯包泵浦的小信号激光放大器及方法，包括：激光种子源模块、纤芯泵浦结构、包层泵浦结构和输出头；激光种子源模块，用于产生小信号激光；纤芯泵浦结构的输入端与激光种子源模块的输出端连接，用于对小信号激光进行前向纤芯放大；包层泵浦结构的输入端与纤芯泵浦结构的输出端连接，用于对前向纤芯放大后的小信号激光进行后向包层放大；输出头与包层泵浦结构的输出端连接，用于输出后向包层放大后的小信号激光。本发明的前向纤芯泵浦结构、后向包层泵浦结构使用同一根双包层增益光纤可实现抑制ASE增长、提高非线性阈值以及更高小信号激光放大倍数，从而降低激光系统的复杂程度以及非线性效应积累。

Description

一种双包层光纤芯包泵浦的小信号激光放大器及方法

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，具体涉及一种双包层光纤芯包泵浦的小信号激光放大器及方法。

背景技术

光纤激光器为获得高功率、窄线宽或者高重复频率的激光输出，往往需要较小功率的种子源通过多级MOPA放大结构进行放大。

主震荡功率放大器，是通过小信号高质量激光器作为种子源，注入到放大器内，放大器泵浦源采用单模泵浦源纤芯泵浦的方式或者采用多模泵浦源通过包层泵浦的方式进行放大，单一的放大方式在一级放大器中放大倍数有限，往往需要多级放大进行放大。

为了获得高功率、高性能的激光输出，一般需要从功率较小的种子源通过放大器获得较高功率输出，但小信号放大面临放大效率低、产生自发辐射(ASE)、非线性效应的问题。采用多级放大不仅会增加成本，而且使得激光系统的复杂程度增加。尤其是在窄线宽光纤激光器中，多级放大使用更多的使得非线性效应积累，易受到受激布里渊散射(SBS)的影响，破坏激光系统。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种双包层光纤芯包泵浦的小信号激光放大器及方法，其实现抑制ASE增长、提高非线性阈值以及更高小信号激光放大倍数。

本发明公开了一种双包层光纤芯包泵浦的小信号激光放大器，包括：激光种子源模块、纤芯泵浦结构、包层泵浦结构和输出头；

所述激光种子源模块，用于产生小信号激光；

所述纤芯泵浦结构的输入端与所述激光种子源模块的输出端连接，用于对小信号激光进行前向纤芯放大；

所述包层泵浦结构的输入端与所述纤芯泵浦结构的输出端连接，用于对前向纤芯放大后的小信号激光进行后向包层放大；其中，所述纤芯泵浦结构和包层泵浦结构使用同一根双包层增益光纤；

所述输出头与所述包层泵浦结构的输出端连接，用于输出后向包层放大后的小信号激光，且降低输出端面功率密度，减少反馈光。

作为本发明的进一步改进，所述激光种子源模块包括激光种子源和光纤隔离器；

所述激光种子源，用于产生小信号激光；

所述光纤隔离器的输入端与种子源激光器输出端相连，所述光纤隔离器的输出端与所述纤芯泵浦结构的输入端相连，用于防止回光损伤种子源。

作为本发明的进一步改进，所述激光种子源为连续激光种子源或脉冲激光种子源。

作为本发明的进一步改进，所述纤芯泵浦结构包括单模泵浦源和波分复用器；

所述波分复用器的信号输入端与所述光纤隔离器的输出端相连，所述波分复用器的泵浦输入端与所述单模泵浦源激光器输出端相连，所述波分复用器的输出端与所述包层泵浦结构的输入端相连。

作为本发明的进一步改进，所述包层泵浦结构包括包层光剥除器、双包层增益光纤、多模泵浦源和反向(N+1)*1泵浦合束器；

所述包层光剥除器的输入端与所述波分复用器公共输出端相连，所述包层光剥除器的输出端与所述双包层增益光纤的一端相连，用于剥除残余的包层泵浦光；所述反向(N+1)*1泵浦合束器的公共纤与所述双包层增益光纤的另一端相连，所述反向(N+1)*1泵浦合束器的泵浦纤与多模泵浦源相连，用于将泵浦光耦合到双包层增益光纤内。

作为本发明的进一步改进，所述单模泵浦源为所述双包层增益光纤提供光激励，其波长与所述多模泵浦源波长不同。

作为本发明的进一步改进，所述波分复用器为正向泵浦波分复用器。

作为本发明的进一步改进，所述双包层增益光纤为包层直径为130μm或125μm的双包层增益光纤。

作为本发明的进一步改进，所述多模泵浦源为大功率半导体激光器，为双包层增益光纤提供光激励。

本发明还公开了一种双包层光纤芯包泵浦的小信号激光放大方法，包括：

激光种子源模块产生小信号激光；

先采用纤芯泵浦结构对小信号激光进行纤芯前向泵浦，将小信号激光在较短的增益光纤内放大到一定功率；

再采用包层泵浦结构对前向纤芯放大后的小信号激光通过大功率的包层泵浦进一步放大；其中，两个泵浦波长可以分别激发掺杂离子的不同能级，从而增加粒子数反转，提升放大效果；

最后通过输出头输出两次放大后的激光。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的种子源激光器产生的小信号激光先利用前向的纤芯泵浦将小信号激光进行放大，再通过后向包层泵浦进行放大；由于在同一根双包层增益光纤中纤芯泵浦相比于包层泵浦具有更高得吸收系数，可在较短得增益光纤中进行有效得小信号放大，泵浦激光几乎在较短的增益光纤内被吸收不影响后续的包层放大结构，而信号光通过前向纤芯泵浦后获得一定程度的放大，更有利于后续的包层放大；当放大后得到得信号激光经过包层泵浦结构时，可以得到有效得放大，从而抑制ASE得产生，获得更高得放大倍数，降低非线性效应的积累。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。

图1为本发明提供的双包层光纤芯包泵浦的小信号激光放大器的结构图；

图2为未使用本发明的方案时输出功率为127.4mW时输出光谱；

图3为使用本发明的方案时输出功率为241.2mW时输出光谱。

附图标记：

1-激光种子源、2-光纤隔离器、3-单模泵浦源、4-波分复用器、5-包层光剥除器、6-双包层增益光纤、7-反向(N+1)*1泵浦合束器、8-多模泵浦源、9-输出头、a-激光种子源模块、b-纤芯泵浦结构、c-包层泵浦结构。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图1所示，本发明提供一种双包层光纤芯包泵浦的小信号激光放大器，包括依次连接的激光种子源模块a、纤芯泵浦结构b、包层泵浦结构c和输出头9；其中，

本发明的激光种子源模块a包括激光种子源1和光纤隔离器2，光纤隔离器2输入端与种子源激光器1输出端相连；激光种子源1用于产生单模小信号激光，该单模小信号激光可以为连续激光或脉冲激光；光纤隔离器2用于防止回光。

本发明的前向纤芯泵浦结构b用于对小信号激光进行纤芯放大，其包括波分复用器4和单模泵浦源激光器3，波分复用器4的信号输入端与光纤隔离器2的输出端相连，波分复用器4的泵浦输入端与单模泵浦源激光器3输出端相连。

本发明的包层泵浦结构c用于对前向纤芯放大后的小信号激光通过大功率的包层泵浦进一步放大，其包括包层光剥除器5、双包层增益光纤6、反向(N+1)*1泵浦合束器7和多模泵浦源8，包层光剥除器5的输入端与波分复用器4公共输出端相连，包层光剥除器5的输出端与双包层增益光纤6的一端相连，反向(N+1)*1泵浦合束器7的公共纤与双包层增益光纤6的另一端相连，反向(N+1)*1泵浦合束器7的泵浦纤与多模泵浦源8相连，用于将泵浦光耦合到双包层增益光纤6内。其中，包层光剥除器5用于剥除多余的包层泵浦光，防止残余包层泵浦光损伤其他器件；双包层增益光纤6为激光放大提供增益介质，双包层增益光纤6为包层直径为130μm或125μm的双包层增益光纤，其掺杂离子可以为镱、铒、铥、钬等离子；反向(N+1)*1泵浦合束器7采用反向泵浦的方式，将前向纤芯放大的信号光进一步放大。

本发明的输出头9为镀膜石英玻璃棒，输出头9与反向(N+1)*1泵浦合束器7的输出端连接，用于降低输出端面功率密度，减少反馈光。

本实施例提供一种双包层光纤芯包泵浦的小信号激光放大方法，包括以下步骤：

种子源激光器1产生的高质量小功率信号光通过隔离器2进入前向纤芯泵浦结构b，隔离器2有效防止回光损伤种子源激光器1；波分复用器4将小功率信号光和单模泵浦源3的泵浦激光耦合进公共纤的纤芯内，泵实现小信号的纤芯放大；前向纤芯放大后的激光经过包层光剥除器5后进入双包层增益光纤6中，反向(N+1)*1泵浦合束器7将多模泵浦源8的多模泵浦激光耦合进双包层增益光纤6进行包层放大，两次放大后的信号光最后通过输出头9输出。

在本实施例中，纤芯吸收系数远大于包层吸收系数，使得前向纤芯泵浦结构在较短的增益光纤内完成信号光的放大。泵浦激光几乎在较短的增益光纤内被吸收不影响后续的包层放大结构，而信号光通过前向纤芯泵浦后获得一定程度的放大，更有利于后续的包层放大。

实施例：

本发明提供一种双包层光纤芯包泵浦的小信号激光放大器及方法，包括：

激光种子源1采用中心波长2051nm，线宽3MHz,输出功率为4mW的连续半导体激光器，其输出光谱如图所示，经过光纤隔离器2后进入放大器进行放大。纤芯放大的单模泵浦源3采用中心波长1570nm，最大输出功率为1W的连续单模激光器；包层放大的多模泵浦源8采用中心波长为793nm，最大输出功率为8W的连续激光器，双包层增益光纤6选择纤芯/包层直径为10/130μm的掺铥双包层增益光纤；未使用本发明方法时，即仅通过前向的纤芯放大或仅通过后向的包层放大，当仅采用前向的纤芯泵浦时，泵浦功率提高至1W，其输出功率仅为5.01mW，其由于为高吸收系数的增益光纤对信号光的重吸收，使得输出功率较低；当仅采用包层后向放大时，输出功率提升至127.4mW时，输出光谱如图2所示，ASE已经较多，与信号光强度相比相差小于25dB。

使用本实施例的方法，前向纤芯放大开启后，开启后向包层放大，当纤芯泵浦功率提高至1W后，开启包层放大，输出功率提升至241.2mW时，输出光谱如图3所示，ASE已经较多，与信号光强度相比约为25dB。可以看出，当信号光强于ASE约为25dB时，该方法使激光放大器的输出功率相比于反向放大的方式提升了1.89倍。放大级使用不同的增益光纤,功率提升的效率可能会有差异。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双包层光纤芯包泵浦的小信号激光放大器，其特征在于，包括：激光种子源模块、纤芯泵浦结构、包层泵浦结构和输出头；

所述激光种子源模块，用于产生小信号激光；

所述纤芯泵浦结构的输入端与所述激光种子源模块的输出端连接，用于对小信号激光进行前向纤芯放大；

所述包层泵浦结构的输入端与所述纤芯泵浦结构的输出端连接，用于对前向纤芯放大后的小信号激光进行后向包层放大；其中，所述纤芯泵浦结构和包层泵浦结构使用同一根双包层增益光纤；

所述输出头与所述包层泵浦结构的输出端连接，用于输出后向包层放大后的小信号激光。

2.根据权利要求1所述的双包层光纤芯包泵浦的小信号激光放大器，其特征在于，所述激光种子源模块包括激光种子源和光纤隔离器；

所述激光种子源，用于产生小信号激光；

所述光纤隔离器的输入端与种子源激光器输出端相连，所述光纤隔离器的输出端与所述纤芯泵浦结构的输入端相连。

3.根据权利要求2所述的双包层光纤芯包泵浦的小信号激光放大器，其特征在于，所述激光种子源为连续激光种子源或脉冲激光种子源。

4.根据权利要求2所述的双包层光纤芯包泵浦的小信号激光放大器，其特征在于，所述纤芯泵浦结构包括单模泵浦源和波分复用器；

所述波分复用器的信号输入端与所述光纤隔离器的输出端相连，所述波分复用器的泵浦输入端与所述单模泵浦源激光器输出端相连，所述波分复用器的输出端与所述包层泵浦结构的输入端相连。

5.根据权利要求4所述的双包层光纤芯包泵浦的小信号激光放大器，其特征在于，所述包层泵浦结构包括包层光剥除器、双包层增益光纤、多模泵浦源和反向(N+1)*1泵浦合束器；

所述包层光剥除器的输入端与所述波分复用器公共输出端相连，所述包层光剥除器的输出端与所述双包层增益光纤的一端相连；所述反向(N+1)*1泵浦合束器的公共纤与所述双包层增益光纤的另一端相连，所述反向(N+1)*1泵浦合束器的泵浦纤与多模泵浦源相连，用于将泵浦光耦合到双包层增益光纤内。

6.根据权利要求5所述的双包层光纤芯包泵浦的小信号激光放大器，其特征在于，所述单模泵浦源为所述双包层增益光纤提供光激励，其波长与所述多模泵浦源波长不同。

7.根据权利要求5所述的双包层光纤芯包泵浦的小信号激光放大器，其特征在于，所述波分复用器为正向泵浦波分复用器。

8.根据权利要求5所述的双包层光纤芯包泵浦的小信号激光放大器，其特征在于，所述双包层增益光纤为包层直径为130μm或125μm的双包层增益光纤。

9.根据权利要求5所述的双包层光纤芯包泵浦的小信号激光放大器，其特征在于，所述多模泵浦源为大功率半导体激光器，为双包层增益光纤提供光激励。

10.一种双包层光纤芯包泵浦的小信号激光放大方法，采用如权利要求1～9中任一项所述的双包层光纤芯包泵浦的小信号激光放大器，其特征在于，包括：

激光种子源模块产生小信号激光；

先采用纤芯泵浦结构对小信号激光进行纤芯前向泵浦，将小信号激光在较短的增益光纤内放大到一定功率；

再采用包层泵浦结构对前向纤芯放大后的小信号激光通过大功率的包层泵浦进一步放大；其中，两个泵浦波长可以分别激发掺杂离子的不同能级，从而增加粒子数反转，提升放大效果；

最后通过输出头输出两次放大后的激光。