激光放大器、激光器及光学系统的制作方法

1.本技术涉及光纤激光器领域，特别是涉及一种基于单晶光纤的激光放大器、激光器及光学系统。


背景技术：

2.单晶光纤是由单晶材料制成的光学纤维，具有单晶的物理、化学特性和纤维的导光性，同时兼具单晶以及纤维的特性，属于传统固态激光和光纤激光的前沿交叉领域。所述单晶光纤的材质多为高增益、高热导率、高稳定性、光学性能优越的单晶材料，综合光纤材料高长径比的尺寸及光波导转换效率优势，与传统玻璃光纤相比，晶体光纤具有的高热导率、高激光损伤阈值、较小的非线性效应等优点，使得单晶光纤有望产生更高功率的输出及传输更高能量的激光。
3.图1为单晶光纤光路示意图，参考图1所示，单晶光纤是一根长度数十毫米，直径数十微米至一毫米的增益介质。使用单晶光纤时，信号光需要在从单晶光纤中心通过，泵浦光需要在单晶光纤的侧面界面上多次全反射。
4.激光放大器是指利用光的受激辐射进行光的能量(功率)放大的器件。通过采用激光放大器，可以在获得高的激光能量或功率时而又保持激光的质量(包括脉宽、线宽、偏振特性等)。图2为根据相关技术的基于单晶光纤的激光放大器的原理示意图，参考图2所示，现有的基于单晶光纤的激光放大器信号光束需要经一第一光路调整光束直径和发散角，并严格控制光束传播，使其从单晶光纤中心通过。另一方面，泵浦光需要经过一第二光路进行光束整形通过二色镜后，聚焦到单晶光纤内。也就是说，现有的激光放大器的信号光束和泵浦光采用两路光路分别整形。
5.另外，图2所示的激光放大器还具有结构复杂、精度要求高、装调十分困难及其空间光结构带来的稳定性差的缺点，且其存在大量空间光路，对环境要求高，需要较高洁净度。


技术实现要素：

6.本技术实施例提供了一种基于单晶光纤的激光放大器、激光器及光学系统，以至少解决相关技术中结构复杂、装调困难、稳定性差的问题。
7.第一方面，本技术实施例提供了一种激光放大器，包括：
8.泵浦，输出泵浦光；
9.上级放大器的增益光纤，输出信号光；
10.光纤合束器mpc(multi-mode pump combiner)，所述光纤合束器mpc基于所述泵浦的输出光纤及所述增益光纤制作而成，所述光纤合束器mpc耦合所述泵浦光至所述增益光纤中输出；所述光纤合束器mpc制作和使用过程中不产生熔接点，降低了损伤风险，所述光纤合束器mpc结构中不含无源信号纤，减小了信号光在无源信号纤中传输产生的非线性效应。
11.准直端帽，输入端连接所述增益光纤的输出段，所述准直端帽用于准直所述泵浦光和信号光后输出；
12.单晶光纤，连接所述准直端帽的输出端，所述单晶光纤用于在泵浦光的激励下放大信号光功率。
13.在其中一些实施例中，所述增益光纤的包层na配置为芯层na的1.2倍至2倍，使所述增益光纤的输出信号光发散后，在端帽处泵浦光的模场直径为信号光的1.2倍至2倍。
14.在其中一些实施例中，由于准直端帽色差及泵浦光与信号光发射位置的微小差异，所述准直端帽输出的信号光为准直状态，输出的泵浦光为具有发散角β的准直状态，所述发散角β小于所述单晶光纤内表面的全反射临界角的余角，以使所述泵浦光在单晶光纤侧壁进行多次全反射。
15.在其中一些实施例中，所述单晶光纤直接连接所述准直端帽的输出端。
16.在其中一些实施例中，所述准直端帽与单晶光纤通过光胶工艺连接，无镀膜、无胶、无空气间隙，使得本技术实施例的损伤阈值更高，结构更稳定。
17.在其中一些实施例中，所述准直端帽为曲面透镜和/或渐变折射率透镜。
18.在其中一些实施例中，所述单晶光纤的基材为yag(钇铝石榴石晶体y3al5o12，简称yag)、yvo4(钒酸钇)、陶瓷和/或石英；所述单晶光纤的掺杂元素为yb(镱，ytterbium)、nd(钕，neodymium)、er(铒，erbium)和/或tm(铥，thulium)。
19.在其中一些实施例中，所述泵浦为通过光纤耦合的半导体激光器。
20.基于如上结构，所述泵浦输出的泵浦光经过光纤合束器mpc与上级放大器的增益光纤输出的信号光合束，其中，在所述增益光纤的输出段，泵浦功率被吸收一部分，信号光功率得到放大，提高了激光放大器放大增益；然后，经准直端帽信号光和泵浦光直接输入单晶光纤，准直后的信号光直径大小为能够完全通过单晶光纤的合适大小，准直后的泵浦光为直径小于单晶光纤直径但有较大发散角，通过准直端帽同时实现信号光和泵浦光的整形且满足单晶光纤的使用要求；在单晶光纤内，所述泵浦光经多次全反射被单晶光纤吸收，而信号光沿单晶光纤中心通过并放大。
21.第二方面，本技术实施例提供了一种激光器，所述激光器基于如上述第一方面所述的激光放大器所形成。
22.第三方面，本技术实施例提供了一种光学系统，所述光学系统包括激光光源、第一级激光放大器及如上述第一方面所述的激光放大器。
23.相比于相关技术，本技术实施例提供的基于单晶光纤的激光放大器、激光器及光学系统，通过融合增益光纤与单晶光纤，实现了结构简单、易装调且稳定性高的激光放大器结构设计，且实现了降低了损伤风险、降低非线性效应、降低对环境的要求等效果。
24.本技术的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本技术的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
25.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
26.图1是根据相关技术的单晶光纤的光路示意图；
27.图2是根据相关技术的基于单晶光纤的激光放大器的原理示意图；
28.图3是根据本技术实施例的激光放大器的结构示意图；
29.图4是根据本技术实施例的激光放大器的部分光路示意图。
30.图中：
31.1、增益光纤；2、泵浦；3、光纤合束器mpc；4、准直端帽；
32.5、单晶光纤；31、输出段；11、信号光；21、泵浦光。
具体实施方式
33.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。基于本技术提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
34.显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本技术应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本技术公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本技术揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本技术公开的内容不充分。
35.在本技术中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本技术所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
36.除非另作定义，本技术所涉及的技术术语或者科学术语应当为本技术所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本技术所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本技术所涉及的术语“包括”、“包含”、“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模块(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，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本技术所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本技术所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本技术所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
37.泵浦是一种使用光将电子从原子或分子中的较低能级升高(或“泵”)到较高能级的过程。通常用于激光结构，泵浦激光介质以实现粒子数反转。
38.光纤数值孔径na：是多模光纤的重要参数，用于表示光纤端面接收光的能力，也影响光纤端面出射光的发散角，其取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和对模式色散的影
响。数值孔径表达式为其中n
core
表示纤芯折射率，n
clad
表示包层折射率。
39.激光放大器常用于可控核聚变、核爆模拟、超远激光测距等重大技术中的高功率激光系统。由于单晶光纤兼具晶体和光纤在结构上的优点，可以在简单紧凑的结构中得到较高的平均功率和单脉冲能量，因此，本技术实施例采用单晶光纤设计激光放大器。
40.本实施例提供了一种基于单晶光纤的激光放大器。图3是根据本技术实施例的激光放大器的结构示意图，如图3所示，该激光放大器包括：增益光纤1、泵浦2、光纤合束器3、准直端帽4及单晶光纤5。本领域技术人员可以理解，图3中示出的激光放大器结构并不构成对激光放大器的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
41.下面结合图3对激光放大器的各个构成部件进行具体的介绍：
42.泵浦1，输出泵浦光21；可选的，本技术实施例选用两个泵浦1，泵浦1为通过光纤耦合的半导体激光器。
43.上级放大器的增益光纤1，输出信号光11；具体的，增益光纤1的包层na配置为芯层na的1.2倍至2倍，使增益光纤1的输出信号光11发散后，在端帽处泵浦光21的模场直径为信号光11的1.2倍至2倍，可通过控制芯层、包层、涂覆层折射率实现该配置。
44.光纤合束器mpc3，利用泵浦1的输出光纤及增益光纤1制作成光纤合束器mpc3，光纤合束器mpc3耦合泵浦光21至增益光纤1中输出；光纤合束器mpc3制作和使用过程中不产生熔接点，降低了损伤风险，光纤合束器mpc3结构中不含无源信号纤，减小了信号光11在无源信号纤中传输产生的非线性效应。
45.准直端帽4，输入端连接增益光纤1的输出段31，准直端帽4用于准直泵浦光21和信号光11后输出；可选的，准直端帽4为曲面透镜和/或渐变折射率透镜，也可以是其他准直器件，可以理解为能实现准直光纤输出的信号光功能的器件均可作为本技术实施例的替代方案。
46.单晶光纤5，直接连接准直端帽4的输出端，单晶光纤5用于在泵浦光21的激励下放大信号光11功率，本技术实施例的准直端帽4与单晶光纤5之间无需经过空间光结构。可选的，准直端帽4与单晶光纤5通过光胶工艺连接，具体的，光胶工艺通过分子扩散连接，具有无镀膜、无胶、无空气间隙，使得本技术实施例的损伤阈值更高及结构更稳定。可选的，单晶光纤5的基材为yag、yvo4、陶瓷和/或石英，也可以是其他增益介质的基材；单晶光纤5的掺杂元素为yb、nd、er和/或tm，也可以是其他激光增益介质掺杂元素，在此不做具体举例。
47.需要说明的是，由于准直端帽4色差及泵浦光21与信号光发射位置的微小差异，准直端帽4输出的信号光11为准直状态，输出的泵浦光21为具有发散角β的准直状态，发散角β小于单晶光纤5内表面的全反射临界角的余角，以使泵浦光21在单晶光纤5侧壁进行多次全反射。基于此，泵浦光21可以在单晶光纤5内被侧壁多次反射与信号光11形成更高的模式重叠，进而获得更高的放大增益。
48.基于如上结构，结合参考图2所示，泵浦1输出的泵浦光21经过光纤合束器mpc3与上级放大器的增益光纤1输出的信号光11合束，其中，在增益光纤1的输出段31，泵浦功率被吸收一部分，信号光功率得到放大，提高了激光放大器放大增益；然后，经准直端帽4，信号光11和泵浦光21直接输入单晶光纤5，准直后的信号光11直径大小为能够完全通过单晶光
纤5的合适大小，准直后的泵浦光21为直径小于单晶光纤5直径但基于色差、泵浦光21模场较大等原因有较大发散角，通过准直端帽4同时实现信号光11和泵浦光21的整形且满足单晶光纤5的使用要求；在单晶光纤5内，泵浦光21经多次全反射被单晶光纤5吸收，而信号光11沿单晶光纤5中心通过并放大。
49.采用上述结构的激光放大器通过融合增益光纤1与单晶光纤5，实现了结构简单、易装调且稳定性高的激光放大器结构设计，且光纤合束器mcu直接使用上级放大器的有源光纤制作，也即增益光纤1，节省两级间的无源光纤，降低非线性效应；本技术的激光放大器为近似全光纤结构，相较于现有技术采用大量空间光结构的技术方案，本技术对环境的要求较低。
50.下面通过优选实施例对本技术实施例进行描述和说明。
51.该优选实施例选用的增益光纤1的芯层na为0.14，包层na为0.22，选用的准直端帽4的焦距为2mm，选用的单晶光纤5的长度为60mm且折射率为1.6。
52.基于如上配置得到本技术优选实施例的激光放大器，本实施例的信号光11的波长为1um，经过准直端帽4准直后得到直径0.56mm的准直信号光11，从单晶光纤5出射时直径为0.71mm；本实施例的泵浦光21的波长为0.94um，经过准直端帽4后得到直径为0.9mm的泵浦光，有一定汇聚，在单晶光纤5内部多次全反射。如此设置，泵浦光21的直径保持为信号光11的1.2-2倍，使泵浦1能够顺利入射单晶光纤5时，信号光11直径较大，提高了信号光11对泵浦光21的利用率。
53.两个泵浦1分别输出150w功率，经光纤合束器mpc3合束后的功率约280w，增益光纤1的输出段31的长度较短，可吸收约30w泵浦光21，剩余250w泵浦光21通过单晶光纤5后被吸收90％；经实验验证，上级放大器输入的200mw信号光11，经过增益光纤1的输出段31被放大至8w，再经单晶光纤5可被放大至100w，也就是说，本技术实施例的激光放大器可实现的整个放大级增益倍数约为500倍。
54.另外，结合图3-4描述的本技术实施例激光放大器可以形成一种新的激光器。
55.另外，结合上述实施例中的激光放大器，本技术实施例可提供一种光学系统，具体的，该光学系统包括激光光源、第一级激光放大器及如上述实施例所述的激光放大器。
56.以上所述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。
57.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。