一种激光放大器系统受激布里渊散射抑制方法及装置与流程

1.本发明属于光学器件技术领域，更具体地，涉及一种激光放大器系统受激布里渊散射抑制方法及装置。


背景技术：

2.随着双包层泵浦技术的快速发展，光纤激光器的输出功率有了突飞猛进的提高。但是在高功率情况下，光纤激光放大器都会受到受激布里渊散射效应(以下简称sbs)限制，而难以提升输出功率。
3.中国专利cn 104300345 b公开了一种mopa结构高功率窄线宽光纤激光器放大级中sbs效应抑制装置，包括泵浦源、耦合装置和增益光纤，泵浦源通过增益光纤不同位置处的耦合装置耦合进增益光纤中，即空间多点泵浦。泵浦源数目和空间分布的变化，会影响增益介质中反转粒子数的空间分布，进而影响放大器信号光和sbs散射光放大过程，通过合理设计泵浦点位置和功率，能保证放大器效率的同时减弱sbs散射光的放大，有效抑制放大器的sbs效应，提升窄线宽光纤激光器输出功率。但该耦合装置对增益光纤有破坏和损伤，耦合效率和功率受到限制；耦合装置制作工艺复杂，加工工艺要求很高。此外，现有技术中利用光纤激光器级联泵浦的方式可以提高光纤激光器功率,降低了光纤的热负荷。但是级联泵浦将大大增加增益光纤的长度，导致光纤sbs效应严重。
4.基于上述缺陷和不足，本领域亟需提出一种激光放大器系统受激布里渊散射抑制方法，使得泵浦光分段注入,其热量分布更加均衡，整个信号通道没有薄弱点，能够承载更高的功率。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种激光放大器系统受激布里渊散射抑制方法及装置，将增益光纤和泵浦光纤通过分布式侧面耦合的方式，泵浦光被折射率较低的外包层限制在光纤中,通过倏逝波在泵浦光纤和信号光纤之间耦合,然后被有源纤芯吸收并产生激光。由于采用分段泵浦的方式，光纤前端初始阶段中反转粒子数较少，减小了光纤前端增益，使后向sbs散射光得不到充分放大，从而抑制光纤放大器中sbs效应。与现有技术相比，结构简单，布局紧凑，泵浦光是分段注入的, 可抑制光纤激光放大器的sbs效应，提高光纤激光放大器的输出功率，其热量分布也更加均衡，系统稳定可靠，可以获得窄线宽高功率激光。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种激光放大器系统受激布里渊散射抑制方法及装置，激光放大器系统包括依次连接的种子源、预放模块、增益-泵浦一体化光纤以及放大激光出射端口，包括：在增益光纤包层的轴向外周设置多根泵浦光纤，所述泵浦光纤与增益光纤包层相切，以形成泵浦区域；多根所述泵浦光纤围绕所述增益光纤中心轴线按指定角度排列，且多根所述泵浦
光纤分布在所述增益光纤包层轴向的不同位置；通过控制所述泵浦光纤的排布角度、长度、泵浦功率、泵浦方向以及轴向位置来分段注入泵浦光，以抑制增益光纤sbs效应。
7.作为进一步优选的，在所述泵浦光纤两端分别接入泵浦源，以此方式以改变泵浦光的泵浦功率和泵浦方向。
8.作为进一步优选的，每个泵浦区域存在部分重叠泵浦光纤，通过分段注入泵浦光来提高吸收效率，同时在相同的激光输出功率下缩短使用增益光纤的长度，抑制sbs效应。
9.作为进一步优选的，在增益光纤的增益光纤包层的轴向外周设置增益-泵浦一体化光纤包层，所述增益-泵浦一体化光纤包层至少覆盖所述泵浦区域。
10.作为进一步优选的，所述增益-泵浦一体化光纤包层仅覆盖所述泵浦光纤与增益光纤包层相切的部分。
11.作为进一步优选的，多根所述泵浦光纤沿所述增益光纤纤芯呈等角度排列。
12.作为进一步优选的，所述泵浦区域中，泵浦光纤的重叠长度占比大于10%，小于100%，优选的，为20％至80％。
13.按照本发明的另一个方面，还提供了一种激光放大器系统受激布里渊散射抑制装置，包括：依次连接的种子源、预放模块、增益-泵浦一体化光纤以及放大激光出射端口，其中，在增益光纤包层的轴向外周设置多根泵浦光纤，所述泵浦光纤与增益光纤包层相切，以形成泵浦区域；多根所述泵浦光纤围绕所述增益光纤中心按指定角度排列，且多根所述泵浦光纤分布在所述增益光纤包层轴向的不同位置；通过控制所述泵浦光纤的排布角度、长度、泵浦功率、泵浦方向以及轴向位置来抑制放大器系统sbs效应。
14.作为进一步优选的，所述增益光纤还包括设于所述增益光纤纤芯轴向外周的增益光纤包层；所述增益光纤包层的轴向外周设有增益-泵浦一体化光纤包层，所述增益-泵浦一体化光纤包层至少覆盖所述泵浦区域。
15.作为进一步优选的，所述泵浦光纤两端均设有泵浦源；所述预放模块包括依次连接的一级预放和二级预放。
16.所述增益-泵浦一体化光纤包括增益光纤、泵浦光纤、和增益-泵浦一体化光纤包层。
17.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1．本发明将增益光纤和泵浦光纤通过分布式侧面耦合的方式，泵浦光被折射率较低的外包层限制在光纤中,通过倏逝波在泵浦光纤和信号光纤之间耦合,然后被有源纤芯吸收并产生激光。由于采用分段泵浦的方式，光纤前端初始阶段中反转粒子数较少，减小了光纤前端增益，使后向sbs散射光得不到充分放大，从而抑制光纤放大器中sbs效应。
18.2．本发明增益-泵浦一体化光纤由于分布式侧面耦合包层泵浦特点，整个信号通道没有薄弱点，能够承载更高的功率。
19.3．本发明增益-泵浦一体化光纤将多段泵浦光耦合进增益光纤的不同位置，影响增益光纤空间中的粒子数反转，影响sbs后向增益过程，合理设计多段泵浦区域的自身长度以及重叠长度可以有效抑制sbs效应。
附图说明
20.图1是本发明优选实施例涉及的一种激光放大器系统受激布里渊散射抑制装置的结构示意图；图2是本发明优选实施例涉及的一种激光放大器系统受激布里渊散射抑制装置的泵浦区域的剖面结构示意图；图3是本发明优选实施例涉及的一种激光放大器系统受激布里渊散射抑制装置的泵浦区域的侧面结构示意图。
21.在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-种子源，2-一级预放、3-二级预放、4-增益光纤、41-增益光纤纤芯、42-增益光纤包层、5-泵浦光纤a、6-泵浦光纤b、7-泵浦光纤c、8-增益-泵浦一体化光纤包层， 9-泵浦源，10-放大激光出射端口。
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
23.如图1、图2和图3所示，本发明实施例提供的一种激光放大器系统受激布里渊散射抑制方法，其中，激光放大器系统包括依次连接的种子源1、预放模块、增益-泵浦一体化光纤以及放大激光出射端口10，在增益光纤包层42的轴向外周设置多根泵浦光纤，所述泵浦光纤与增益光纤包层42相切，以形成泵浦区域；多根所述泵浦光纤围绕所述增益光纤4中心轴线按指定角度排列，且多根所述泵浦光纤分布在所述增益光纤包层42轴向的不同位置；通过控制所述泵浦光纤的排布角度、长度、泵浦功率、泵浦方向以及轴向位置来分段注入泵浦光，以抑制光纤放大器的sbs效应。
24.在上述实施例中，在所述泵浦光纤两端分别接入泵浦源，以此方式以改变泵浦光的泵浦功率和泵浦方向。每个泵浦区域存在部分重叠泵浦光纤，通过分段注入泵浦光来提高吸收效率，同时在相同的激光输出功率下缩短使用增益光纤的长度，抑制sbs效应。
25.在上述实施例中，在增益光纤的增益光纤包层的轴向外周设置增益-泵浦一体化光纤包层，所述增益-泵浦一体化光纤包层至少覆盖所述泵浦区域。所述增益-泵浦一体化光纤包层仅覆盖所述泵浦光纤与增益光纤包层相切的部分。
26.在本发明的优选实施例中，多根所述泵浦光纤沿所述增益光纤纤芯呈等角度排列。所述泵浦区域中，泵浦光纤的重叠长度占比为20%至80%。进一步优选的，泵浦光纤设置有4根，相邻泵浦光纤之间的角度为90
°
，此外泵浦光纤重叠长度占比为30%至70%。进一步优选的，泵浦光纤设置有3根，相邻泵浦光纤之间的角度为120
°
，此外泵浦光纤重叠长度占比为40%至60%。
27.在本发明的一个实施例中，一种激光放大器系统受激布里渊散射抑制方法，包括
顺次在激光放大光路上的种子源1、一级预放2、二级预放3、增益-泵浦一体化光纤放大系统（包括增益-泵浦一体化光纤、泵浦源）、放大激光出射端口10。如图1所示，所述增益-泵浦一体化光纤包括一根增益光纤4、三根泵浦光纤5（泵浦光纤a、泵浦光纤b、泵浦光纤c）以及共同的增益-泵浦一体化光纤包层8，泵浦光纤围绕增益光纤中心等角度排列，本实施例中为三根泵浦光纤围绕增益光纤4呈120度排列。如图2所示，增益-泵浦一体化光纤中泵浦光纤重叠长度占比大于0%，小于100%，本实施例中所述泵浦光纤重叠长度占比为50%。所述增益-泵浦一体化光纤任意一根泵浦光纤泵浦方式可以但不限于是双端泵浦、正向泵浦、反向泵浦，本实施例中所述正向泵浦光端口所输入泵浦光的泵浦方式是反向泵浦。如图3所示，本发明一种光纤激光放大器系统受激布里渊散射抑制方法中增益-泵浦一体化光纤设置3段泵浦区域，且每个区域重叠长度占比为50%。实施时，种子源分别经过一级预放、二级预放，再通过光纤熔接进入增益-泵浦一体化光纤中的增益光纤。由于经过二级预放后的通常为低功率，整个信号通道没有薄弱点。所述增益-泵浦一体化光纤设置3段泵浦区域，增益-泵浦一体化光纤多段泵浦在不带来任何熔接损耗点的情况下，在整个增益光纤耦合长度上平均分布3个泵浦耦合点，大大降低了泵浦耦合点的功率。由于每个泵浦区域还存在部分重叠，在保证足够高的吸收效率的同时能尽量缩短使用增益光纤的长度，进一步有效抑制sbs。
28.本实施例进一步地给出增益-泵浦一体化光纤参数，增益光纤为大模场双包层掺镱光纤，增益光纤纤芯直径尺寸为25μm，增益光纤内包层直径为250μm；泵浦光纤直径为250μm。三根泵浦光纤围绕增益光纤呈120度排列，增益光纤与泵浦光纤相切。将种子源波长设置为1064nm，输出激光为单频激光，分别经过一级预放、二级预放，将功率放大至50w，将二级预放的输出纤与增益-泵浦一体化光纤的增益光纤熔接，把放大的信号光注入光纤激光放大器，所用掺镱增益光纤长度为4m，吸收为1.12db/m@915。将波长为976nm的泵浦源输出光纤与三根增益/泵浦一体化光纤的泵浦光纤熔接，通过反向泵浦方式注入光纤激光放大器。976nm泵浦光经过掺镱光纤后被吸收，剩余未被吸收的976nm泵浦光经处理后输出。
29.在本发明的另一个实施例中，与上述实施例不同之处在于，所述增益-泵浦一体化光纤包括一根增益光纤、四根泵浦光纤以及共同的包层，四根泵浦光纤围绕增益光纤呈90度排列；所述增益-泵浦一体化光纤四根泵浦光纤泵浦方式为双端泵浦；所述增益-泵浦一体化光纤设置4段泵浦区域；在整个增益光纤耦合长度上平均分布8个泵浦耦合点。
30.在本发明的另一个实施例中，当光纤放大器系统从为前向泵浦时，光纤前端的反转粒子数较多，由于此时的信号光功率较小，信号光会被迅速放大，在光纤后端，随着泵浦光被不断吸收，此时泵浦功率较小，反转粒子数减小；而sbs散射光为反向传输，光纤后端增益有限，因此功率增长缓慢，当sbs散射光到达光纤前端时，放大器高增益系数和自身功率的增大导致sbs光被迅速放大。通过采用增益-泵浦一体化光纤，合理设计一体化光纤中不同泵浦光纤泵浦功率和泵浦光纤的空间位置，就能改变增益光纤中反转粒子数和增益分布。减小光纤前端增益系数，使sbs光不充分放大，就可以抑制放大器中的sbs效应。
31.增益-泵浦一体化光纤参数，增益光纤纤芯直径尺寸为25μm，增益光纤内包层直径为250μm；泵浦光纤直径为250μm。泵浦光纤围绕增益光纤呈等角度排列，增益光纤与泵浦光纤相切。吸收为1.12db/m@915，为保证泵浦光纤中的泵浦光被充分吸收，每根泵浦光纤长度为4米。以两根泵浦光纤为例，合理设计参数a和参数b，来保持高功率输出和抑制sbs散射功
率，其中参数a为第二根和第一根泵浦光纤的泵浦功率之比，参数b为两根泵浦光纤移位距离和增益光纤总长度之比。sbs功率的大小主要由参数a决定，即随第二根和第一根泵浦光纤的泵浦功率之比增大而减小，而输出功率受参数a和参数b的共同影响，较大的功率比和较小的长度比会带来较大的放大效率。当第二根泵浦光纤功率较大且距离光纤前端较远时，sbs功率较小，这是因为泵浦功率主要分布在光纤后段，前端增益小，对sbs光的放大有限，但是此时后端光纤长度有限，信号光不能充分放大，导致输出激光功率较小；如果选择较短的长度比和较大的功率比，会增大放大器的效率，这时信号光能在增益介质内充分放大，但这会引起sbs功率的迅速增长。综上所述，合理设计参数a和参数b，即选择较大的功率比和较小的长度比可以让光纤放大器能保持较高的输出功率和低sbs散射功率。
32.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。