【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及高功率光纖激光，具體涉及一種反向泵浦的高功率光纖放大器。
技術介紹
1、隨著近十年來超快激光性能的不斷發展，高能、高峰值功率飛秒激光器在科學、醫療和工業等方面的應用前景受到越來越多的關注，對可靠性、功率、靈活重復率和價格的要求越來越高。由于光纖的優良特性，如成本效益、特殊的緊湊性、高穩定性，特別是摻鐿光纖激光器，具有較高的光泵效率和大增益帶寬。通過采用啁啾脈沖放大技術，光纖激光器的發展取得了巨大的進展。高能超快飛秒激光系統在高精度工業加工、臨床外科手術和高諧波產生等各個領域都有著巨大的需求。
2、然而，由于小模場面積和長傳輸長度的限制，超快光纖激光器的脈沖能量和峰值功率尺度受到不必要的非線性效應的嚴重限制。一般來說，非線性效應的閾值與模場直徑成正比，與模場的長度成反比。然而，光纖模場直徑的增大會導致高階模態的出現，會使輸出光束質量惡化，因此不能任意增加光纖模場直徑來減輕非線性效應。在以往的研究中，開發了具有專門設計的抑制熱晶體管結構的大模場光纖，以提高超快激光器的脈沖能量和峰值功率，如光子晶體光纖、大間距光纖和手性耦合核光纖。其中光子晶體光纖是一種很有應用前景的技術，它可以將超短脈沖放大到高平均功率并且削弱放大過程中的非線性積累。高能量的激光輸出需要依靠高功率的泵浦光輸入及高增益的主放大光纖，比起傳統的信號光與泵浦光經過光纖合束器同向耦合放大，反向泵浦技術承受的光束功率可以達到上百瓦，并且已有研究證明反向泵浦技術相較于正向泵浦其增益效率高。反向泵浦技術是通過泵浦光纖經過空間光學系統準直后聚集進主放大級光
3、為了獲得近衍射極限的光束質量輸出光斑，傳統方法通常是將光纖耦合準直裝置與后級光路相對位置固定后不再分離，通過光纖熔接的方式進行連接，大功率光纖外接熔點的現場處理、封裝與保護、熱效應控制及泵浦光學系統的整體控制成為高功率激光器功率提升的關鍵因素，但是，這種方式對現場環境防污染要求高，操作復雜，容錯率低，可靠性很難保證。
4、現有的反向泵浦方式的高功率光纖激光器存在以下問題：
5、（1）高泵浦功率下光纖耦合形成的較高功率的信號光會輻射進半導體激光器，導致器件損傷；
6、（2）端帽與放大級光纖連接處的熱效應未能得到精確控制從而導致的模式不穩定；
7、（3）自由空間光路中環境因素影響，例如空氣灰塵、外界震動、噪聲及泵浦余熱而導致泵浦效率低且輸出光束不穩定等；
8、（4）當需要更換使用不同的透鏡耦合組合時，透鏡組合無法統一用同一裝置實現準直，換個焦距透鏡組合，其裝置就要對應發生改變。
技術實現思路
1、為了解決上述
技術介紹
中存在的問題，本專利技術提供一種反向泵浦的高功率光纖放大器，其采用反向泵浦技術實現高功率下的光纖泵浦及放大，防止較高功率的信號光輻射進泵浦源-半導體激光器，導致器件損傷，實現了對端帽與放大級光纖連接處進行冷卻控溫，該裝置采用整機化設計，密封性好，避免了泵浦光中自由空間光路受環境因素影響，將反向泵浦模塊與光纖激光器輸出集成化，實現同步輸入和輸出，而且裝置方便可調（可實現多種透鏡可調式組合安裝），安全可靠，調節便捷。
2、為了實現上述目的，本專利技術采用以下技術方案：
3、本專利技術提供一種反向泵浦的高功率光纖放大器，包括外殼體、泵浦源、種子源、空間光準直聚焦組件、端帽、夾持水冷組件和放大級光纖；
4、所述空間光準直聚焦組件、夾持水冷組件均安裝于所述外殼體內部，所述空間光準直聚焦組件包括依次設置的第一透鏡、第一雙色鏡、第二雙色鏡和第二透鏡，所述放大級光纖與所述第二透鏡相對設置，所述第二放大級光纖靠近所述第二透鏡一端安裝有所述端帽，所述夾持水冷組件固定安裝于所述外殼體內部，并對所述端帽進行夾持固定和冷卻降溫；
5、所述種子源輸出的信號光正向進入至所述放大級光纖中，所述泵浦源輸出的泵浦光通過泵浦輸出光纖進入至外殼體內部，經第一透鏡準直后，再經第一雙色鏡、第二雙色鏡后由第二透鏡進行聚焦，然后經端帽后反向進入至所述放大級光纖內，所述放大級光纖對接收到的泵浦光和信號光進行耦合放大后并將放大后的信號光正向輸出，放大后的信號光經第二透鏡準直之后，再由第一雙色鏡和第二雙色鏡反射輸出。
6、具體地，種子源與放大級光纖之間連接有用于傳輸信號光的信號輸出光纖，放大級光纖為包括光子晶體光纖、大模場雙包層光纖、單晶光纖等，可根據不同的信號光波長進行選擇。種子源具體可選用不同波段的光纖激光器輸入，包括但不限于摻鐿1030nm種子源、摻鉺1550nm激光器等。本系統中采用光纖激光器或半導體激光器，種子源輸出的信號光波長與放大級光纖相適配。
7、泵浦源的輸出端連接有用于傳輸泵浦光的泵浦輸出光纖，在具體實施例中，采用半導體激光器作為泵浦光源，其輸出功率高達400w，利用反向泵浦（正向指的是種子源發出的信號光傳輸的方向）結合空間光準直聚焦組件，對泵浦光進行光束準直及聚焦，使其以最佳光斑大小及合適的數值孔徑入射進放大級光纖的包層中。
8、反向泵浦是將泵浦光以空間光輸出，利用空間透鏡組合進行準直和聚焦，最后耦合進放大級光纖的內包層，由于內包層的直徑是纖芯的數倍，所以泵浦光的耦合效率可以提高數十倍，可以降低光纖耦合時泵浦光的損耗，提高脈沖放大效率；同時大部分泵浦被吸收消耗，減少了殘余光的熱量輻射。
9、本專利技術中反向泵浦的高功率光纖放大器的工作原理如下：
10、種子源輸出的信號光經信號輸出光纖傳輸并正向進入至放大級光纖中，泵浦源輸出的泵浦光通過泵浦輸出光纖進入至外殼體內部，泵浦光經第一透鏡準直，再經第一雙色鏡、第二雙色鏡后由第二透鏡進行聚焦，然后經端帽后反向輸入至放大級光纖內，放大級光纖對接收到的泵浦光和信號光進行耦合放大后并將放大后的信號光正向輸出（正向指的是種子源發出的信號光傳輸的方向），放大后的信號光經第二透鏡準直之后，再由第一雙色鏡和第二雙色鏡反射輸出。
11、對于高功率信號光輸出時，如果只設置一面雙色鏡的話，雙色鏡為二向色鏡（兩面鍍膜的反射鏡），鍍膜特性為對泵浦光高透，對信號光高反，但是目前鍍膜的精度達不到對信號光100%的反射率，例如，鍍膜的精度對信號光的反射率為98%，有2%的信號光通過反射鏡，這種情況下，輸出功率為100w時，就有將近2w的光會進入泵浦源-半導體激光器，引起器件損傷。本專利技術中為了解決高泵浦功率下光纖耦合中高信號光輸出下的隔離問題，通過兩個雙色鏡組合形成對信號光波長下的簡易版隔離器，以防止高信號光輻射進泵浦源-半導體激光器，導致器件損傷。
12、另外，為了解決高功率泵浦下泵浦光接受面的單位面積承受功率問題，通過端帽分散泵浦面產生的熱量，以減少光子晶體光纖內的熱效應導致的模式不穩定，同時夾持水冷組件可以夾持各類尺寸的端帽并對其進行水冷控溫。
13、為了避免反向泵浦空間泵浦光中自由空間光路受外界環境因素影響，封閉式整機設計可以避免因外接震本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種反向泵浦的高功率光纖放大器，其特征在于，包括外殼體、泵浦源、種子源、空間光準直聚焦組件、端帽、夾持水冷組件和放大級光纖；
2.根據權利要求1所述的反向泵浦的高功率光纖放大器，其特征在于，所述第一透鏡和所述第二透鏡的安裝結構相同，其均通過透鏡安裝組件安裝于所述外殼體內部，所述透鏡安裝組件包括鏡筒、卡座、透鏡鏡架、橫向安裝座和豎向安裝座；所述鏡筒內部安裝有透鏡，所述透鏡鏡架為L型結構，所述透鏡鏡架的橫向部上開設有安裝孔，所述卡座安裝至所述安裝孔內，所述鏡筒安裝至所述安裝孔內的卡座上，轉動鏡筒可對鏡筒沿X軸方向的位置進行調節；所述豎向安裝座沿長度方向開設有一個或多個第一腰型調節槽，通過鎖緊螺栓和螺母配合將所述透鏡鏡架的豎向部與所述豎向安裝座對應配合安裝；所述豎向安裝座的一端安裝有所述橫向安裝座，所述橫向安裝座沿X軸方向開設有一個或多個第二腰型調節槽，通過鎖緊螺栓和螺母配合將所述橫向安裝座配合安裝至所述外殼體上。
3.根據權利要求1或2所述的反向泵浦的高功率光纖放大器，其特征在于，所述夾持水冷組件包括底座、夾持下座和夾持上座；所述底座安裝至所述外殼體內部，
4.根據權利要求3所述的反向泵浦的高功率光纖放大器，其特征在于，所述夾持下座前后兩側的上部處均開設有U型凹槽，所述U型凹槽底部通過緊固螺栓與所述底座配合安裝，所述夾持上座底部前后兩側分別設有橫向延伸端，其分別與所述U型槽的兩側臂上端配合，并通過緊固螺栓進行固定安裝。
5.根據權利要求4所述的反向泵浦的高功率光纖放大器，其特征在于，所述夾持下座內部形成有第一冷卻通道，所述夾持上座內部形成有第二冷卻通道，所述夾持下座和所述夾持上座對應安裝時，所述第一冷卻通道與所述第二冷卻通道的端口對接形成流通通道，所述第一冷卻通道與所述第二冷卻通道的端口處均設有彈性密封墊圈，所述彈性密封墊圈一端端部伸出對應的所述夾持下座、所述夾持上座的對接面。
6.根據權利要求3～5中任一項所述的反向泵浦的高功率光纖放大器，其特征在于，所述外殼體側面上設有側面水冷管道。
7.根據權利要求1所述的反向泵浦的高功率光纖放大器，其特征在于，所述外殼體上開設有兩個放大光輸出口，其分別與所述第一雙色鏡和所述第二雙色鏡配合用于將放大后的信號光反射輸出，所述放大光輸出口安裝有光學窗口片，與所述第一雙色鏡配合的所述放大光輸出口作為檢測口，用于對放大后的信號光進行實時功率穩定性檢測。
8.根據權利要求3所述的反向泵浦的高功率光纖放大器，其特征在于，所述端帽包括圓柱狀的端帽主體，所述端帽主體一端同軸設有導桿，且所述端帽主體與導桿之間形成有錐形連接部，所述放大級光纖端部安裝至所述導桿內，所述V型夾持槽與所述端帽主體外側接觸。
9.根據權利要求1所述的反向泵浦的高功率光纖放大器，其特征在于，所述第一雙色鏡和第二雙色鏡均為兩面鍍膜的二向色鏡，所述二向色鏡靠近所述第一透鏡的一側設有將經所述第一透鏡準直后的泵浦光透過的高透膜，所述二向色鏡靠近所述第二透鏡的一側設有用于將經放大級光纖耦合放大后的信號光反射的高反膜。
10.根據權利要求1所述的反向泵浦的高功率光纖放大器，其特征在于，所述第一透鏡和所述第二透鏡為平凸透鏡，所述第一透鏡和所述第二透鏡相對一側為聚焦鏡面，所述第一透鏡和所述第二透鏡相背離的一側為準直鏡面。
...【技術特征摘要】
1.一種反向泵浦的高功率光纖放大器，其特征在于，包括外殼體、泵浦源、種子源、空間光準直聚焦組件、端帽、夾持水冷組件和放大級光纖；
2.根據權利要求1所述的反向泵浦的高功率光纖放大器，其特征在于，所述第一透鏡和所述第二透鏡的安裝結構相同，其均通過透鏡安裝組件安裝于所述外殼體內部，所述透鏡安裝組件包括鏡筒、卡座、透鏡鏡架、橫向安裝座和豎向安裝座；所述鏡筒內部安裝有透鏡，所述透鏡鏡架為l型結構，所述透鏡鏡架的橫向部上開設有安裝孔，所述卡座安裝至所述安裝孔內，所述鏡筒安裝至所述安裝孔內的卡座上，轉動鏡筒可對鏡筒沿x軸方向的位置進行調節；所述豎向安裝座沿長度方向開設有一個或多個第一腰型調節槽，通過鎖緊螺栓和螺母配合將所述透鏡鏡架的豎向部與所述豎向安裝座對應配合安裝；所述豎向安裝座的一端安裝有所述橫向安裝座，所述橫向安裝座沿x軸方向開設有一個或多個第二腰型調節槽，通過鎖緊螺栓和螺母配合將所述橫向安裝座配合安裝至所述外殼體上。
3.根據權利要求1或2所述的反向泵浦的高功率光纖放大器，其特征在于，所述夾持水冷組件包括底座、夾持下座和夾持上座；所述底座安裝至所述外殼體內部，所述夾持下座可拆卸安裝至所述底座上，所述夾持上座可拆卸安裝至所述夾持下座頂部，所述夾持上座底部和所述夾持下座頂部均開設有與所述端帽外側配合進行夾持固定的v型夾持槽，所述夾持下座和所述夾持上座均為銅材質，且所述夾持下座和所述夾持上座內部設有冷卻通道。
4.根據權利要求3所述的反向泵浦的高功率光纖放大器，其特征在于，所述夾持下座前后兩側的上部處均開設有u型凹槽，所述u型凹槽底部通過緊固螺栓與所述底座配合安裝，所述夾持上座底部前后兩側分別設有橫向延伸端，其分別與所述u型槽的兩側臂上端配合，并通過緊固螺栓進行固定安裝。
5.根據權利要求...
【專利技術屬性】
技術研發人員：吳思佳，李劍偉，陳萍，胡夢珠，吳讓大，徐廣琪，
申請(專利權)人：浙江摩克激光智能裝備有限公司，
類型：發明
國別省市：
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