一种提高光纤激光器工作稳定性的方法与流程

1.本发明涉及激光器领域，特别是涉及一种提高光纤激光器工作稳定性的方法。


背景技术：

2.高功率光纤激光器在近年来得到了巨大的发展，其具有高增益、转换效率高、阈值低、输出光束质量好、线宽窄、结构简单、可靠性高等特点。在工业造船、飞机和汽车制造、航空航天以及3d打印等行业发挥着重要的作用。
3.当前，1μm波段的近红外光纤激光器，通常采用915nm或者976nm附近波长的半导体激光器作为泵浦源，掺镱有源光纤吸收泵浦光并通过受激辐射将其转化为信号光输出。
4.掺镱有源光纤在915nm和976nm处分别有两个吸收峰，如图1所示，当半导体激光器输出的泵浦光中心波长偏移915nm或者976nm时，光纤对泵浦光的吸收降低，该现象在976nm附近波长表现得更为明显。
5.随着光纤激光器功率水平的提升，模式不稳定效应(transverse mode instability，tmi)已经成为高功率光纤激光器功率提升的重要限制因素。模式不稳定效应是指输出的信号功率超过某一特定的阈值后，光纤激光的输出模式会带有明显的与时间相关的随机变化，主要表现为高阶模功率成分的急剧增加，并伴随着快速振荡，而且输出光的光束质量会严重恶化。
6.通过对tmi产生的理论和实验研究表明，减少增益光纤的总泵浦吸收系数是降低光纤中的热负荷有效技术方案。为了提高光纤激光器的tmi阈值，研究人员选用偏移掺镱光纤吸收峰的波长进行泵浦，降低增益光纤的对泵浦光的吸收，以获取更高的输出功率。如《中国激光》2021年第9期报道的《采用新型泵浦源抑制tmi实现单端泵浦4kw单模光纤激光》，文中选用981nm稳波长泵浦激光器进行泵浦，获得了4kw的单模输出。
7.由于稳波长泵浦激光器价格高昂，为了降低成本，激光器通常选用非稳波长半导体激光器作为泵浦源，其输出光的中心波长随工作温度、工作电流的变化产生偏移。
8.当泵浦光中心波长远离吸收峰较多时，增益光纤对泵浦光的总吸收系数降低，会导致过多的泵浦残余，未被吸收的泵浦光通常会通过包层光剥离器(cladding light stripper，cls)进行剥除，最终以热量的形式散发出去。过多的泵浦残余会使得激光器的转换效率降低，导致cls温度过高，甚至烧毁cls导致激光器烧毁。
9.当泵浦光中心波长靠近吸收峰时，增益光纤对泵浦光的总吸收系数增大，会使得激光器的tmi阈值降低，进而出现tmi，使光纤激光器的光束质量急剧退化，限制激光器输出功率的进一步提升，输出光斑形态快速变化，影响激光器的使用效果。
10.正是因为这个原因，目前大功率光纤激光器一般要求冷却系统的温度控制在20～25℃范围内。
11.目前，对于采用单波长泵浦的光纤激光器，其温度适应性较差，稳定工作的温度范围较窄，通常的需要事先设定好外部制冷机的温度，使激光器工作时的温度大致保持在相同的温度下，对制冷系统的温度控制精度要求较高。但是，由于复杂的环境因素以及外部制
冷机本身的各种因素，以及激光器工作时复杂的状态都会使温度发生变化，从而导致激光器的不稳定性。


技术实现要素：

12.为解决上述技术问题，本发明提出了一种提高光纤激光器工作稳定性的方法。本发明通过选择分别大于增益光纤吸收峰波长和小于增益光纤吸收峰波长的泵浦激光器，使得温度变化时，增益光纤总泵浦吸收系数不会出现大幅度变化，从而提高光纤激光器工作的稳定性。
13.本发明的目的通过以下技术方案实现：
14.一种提高光纤激光器工作稳定性的方法，包括如下步骤：
15.步骤一、得到光纤激光器的模式不稳定阈值对应的增益光纤总泵浦吸收系数α1，所述模式不稳定阈值即当增益光纤总泵浦吸收系数大于α1时，光纤激光器即开始出现模式不稳定；
16.步骤二、确定激光器工作温度范围，其中工作温度的下限为t1、上限为t2、中间值为t0；同时工作温度范围内增益光纤总泵浦吸收系数不低于下限值α2；
17.步骤三、在增益光纤吸收峰所对应的波长l两侧，选择中心波长小于l的第一泵浦激光器l1和中心波长大于l的第二泵浦激光器l2，根据第一泵浦激光器l1和第二泵浦激光器l2的功率配比、增益光纤对各波长激光的吸收系数数据、半导体泵浦激光器中心波长随温度变化的系数进行数值计算，确定第一泵浦激光器l1和第二泵浦激光器l2各自的中心波长，并将两种波长的泵浦激光器交替排列，使得光纤激光器在工作温度范围内，增益光纤的总泵浦吸收系数介于α1和α2之间。
18.进一步的改进，所述步骤三中，选择得到第一泵浦激光器l1和第二泵浦激光器l2各自的波长的最优值，所述最优值即在光纤激光器在中间值t0的温度下工作时，增益光纤总泵浦吸收系数达到最大值α1，同时在t1-t2温度范围内增益光纤总泵浦吸收系数的最大值和最小值差值最小。
19.进一步的改进，所述第一泵浦激光器l1和第二泵浦激光器l2的功率配比为1：1。
20.进一步的改进，所述光纤激光器为光纤振荡器结构或者mopa结构。
21.进一步的改进，t1为15℃，t2为35℃，α1为0.8db/m，α2为0.65db/m，第一泵浦激光器l1和第二泵浦激光器l2中心波长的温度系数为0.3nm/℃，两者功率配比为1：1，增益光纤的吸收峰为976nm波长时的吸收系数为1.2db/m，泵浦激光器l1的中心波长为974.2nm，泵浦激光器l2的中心波长为980.75nm。
22.进一步的改进，所述第一泵浦激光器l1和第二泵浦激光器l2安装在水冷板上，通过热交换进行散热，l1和l2沿水冷板的水流方向，自进水口向出水口交替排列。
23.进一步的改进，所述增益光纤为掺镱有源光纤。
24.进一步的改进，所述增益光纤吸收峰所对应波长l为976nm或915nm。
25.进一步的改进，所述第一泵浦激光器l1和第二泵浦激光器l2均为三个。
26.本发明的有益效果在于：
27.本发明通过选择分别大于增益光纤吸收峰波长和小于增益光纤吸收峰波长的泵浦激光器，使得温度变化时，增益光纤总泵浦吸收系数不会出现大幅度变化，从而提高光纤
激光器工作的稳定性。
附图说明
28.利用附图对本发明做进一步说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
29.图1为掺镱有源光纤泵浦吸收系数随波长变化图；
30.图2为单波长泵浦和双波长泵浦时总吸收系数随温度的变化图；
31.图3为光纤振荡器结构的光纤激光器结构示意图；
32.图4为mopa结构光纤激光器的结构示意图；
33.图5为单侧多波长泵浦时总吸收系数随温度的变化；
34.图6为等间距多波长泵浦和双波长泵浦时总吸收系数随温度的变化图；
35.图7为第一泵浦激光器和第二泵浦激光器沿水冷板交替排列的结构示意图。
36.其中，图中：包层光剥离器102、低反光纤光栅103、前向光纤泵浦信号合束器104、双包层掺镱有源光纤105、后向光纤泵浦信号合束器106、高反光纤光栅107、输出端包层光剥离器108、光纤端帽109、激光器激光输出端110、第一前向泵浦激光器111、第二前向泵浦激光器112，第一后向泵浦激光器113、第二后向泵浦激光器114、种子激光器光源115。
具体实施方式
37.为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实例，对本发明进行进一步的详细说明。
38.实施例1
39.一种提高光纤激光器工作稳定性的方法，该方法采用第一泵浦激光器和第二泵浦激光器作为光纤激光器的泵浦激光源，所述第一泵浦激光器和第二泵浦激光器的波长由波长选择方法计算，所述波长选择方法包括如下的步骤：
40.步骤一、根据激光器的模式不稳定阈值，确定对应的增益光纤总泵浦吸收系数的上限值α1，例如0.8db/m；确定激光器工作温度范围，其中工作温度的下限为t1，例如15℃，上限为t2，例如35℃，中间值为t0，例如25℃；工作温度范围内增益光纤总泵浦吸收系数不低于下限值α2，例如0.65db/m；
41.步骤二、设增益光纤吸收峰对应的波长l，例如915nm或者976nm，在吸收峰附近找到温度为t0时增益光纤的吸收系数为的波长l10，建立波长从l10到l的等差数列a{l10、l11、l12、
…
、l}，等差数列a的公差为d，数列元素个数为n，n≥1，d的数值可以根据计算精度要求进行调整。
42.步骤三、对等差数列a中的每个元素进行配对得到数组b{l20、l21、l22、
…
、l2n}，i＝0、1、
……
、n，数组b中各个波长与数组a中各个波长分别位于l两侧；配对的方法包括：设置波长为l1i、l2i的泵浦光的功率配比为p1：p2，例如1:1，当温度为t0时，选择波长l2i使得增益光纤对波长l2i和波长l1i的总泵浦吸收系数为α1。
43.步骤四、当温度为tj时，t1≤tj≤t2，j＝0、1、
……
、m，考虑泵浦激光器中心波长随温度的变化，例如泵浦激光器中心波长的温度系数为0.3nm/℃，计算不同温度下增益光纤对波长l1k和波长l2k的总泵浦吸收系数αj，如果在温度范围t1-t2内，均有α1≤αj≤α2，j＝
0、1、
……
、m，k＝0、1、
……
，k≤n，那么将波长l1k作为第一泵浦激光器的中心波长，l2k作为第二泵浦激光器的中心波长。
44.特别的，每一对波长(l1k、l2k)对应总泵浦吸收系数数组αj(j＝0,1，
……
，m)，该数组中的最大值和最小值之差设为δk，可以得到数组{δk}(k＝0、1、
……
，k≤n)，该数组中的最小值对应的波长组合(l1k、l2k)为最优波长组合，例如当l＝976nm时，最优波长组合为(974.2nm、980.75nm)。
45.图2中对比了974.2nm和980.75nm单波长泵浦和双波长泵浦时总吸收系数随温度的变化，从图中可以看到，本发明提出的双波长泵浦方案，在温度变化的时候，掺镱有源光纤的总泵浦吸收系数更加稳定，避免出现总吸收系数超过目标值，使得激光器出现模式不稳定，光束质量退化，功率上限降低的情况。
46.其中，光纤激光器为光纤振荡器结构如图3所示或者mopa结构如图4所示。其中，图示中均有前向泵浦激光器和后向泵浦激光器，但是在实际中，可以选择只有前向泵浦激光器或后向泵浦激光器。
47.对比例1：
48.选用6个半导体激光器，波长均在976nm一侧，间隔为1nm，25℃时其中心波长分别为971nm、972nm、973nm、974nm、975nm、976nm，温度从15～35℃范围内变化，波长的温度系数为0.3nm/℃，增益光纤对976nm波长泵浦光的吸收系数为1.2db/m，经数值计算得到其总泵浦吸收系数随温度的变化，如图5所示。
49.可以看出当温度为25℃时，总吸收系数约为0.8db/m，但是当温度升高时，该方案中各971～975nm的ld波长往吸收峰偏移，只有976nm波长的ld远离吸收峰，使得总吸收系数不断增大，达不到限制总吸收系数的效果。
50.对比例2：
51.选用6个半导体激光器，波长在在976nm两侧，间隔为2nm，25℃时其中心波长分别为971nm、973nm、975nm、977nm、979nm、981nm，温度从15～35℃范围内变化，波长的温度系数为0.3nm/℃，增益光纤对976nm波长泵浦光的吸收系数为1.2db/m，经数值计算得到其总泵浦吸收系数随温度的变化，如图6所示。
52.和优选双波长泵浦方案相比，该方案更加复杂，虽然也能减小增益总吸收系数随温度的变化，但是其波动更大，而且没有针对总吸收系数的变化范围进行设计，温度在23～31℃时，其总吸收系数都超过了0.8db/m。
53.最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当了解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。