一种量子亏损分布调控高功率光纤放大装置及方法与流程

1.本发明属于激光及激光加工和激光医疗技术领域，具体涉及一种量子亏损分布调控高功率光纤放大装置及方法。


背景技术：

2.目前传统以1微米和1.5微米波长为主流的高功率光纤激光器所采用的大模场双包层光纤，由于具有均匀的纤芯包层比(模场面积)，在端面泵浦中泵浦吸收呈现不均匀分布，尤其对于掺铥光纤的2微米激光产生而言，由于793nm泵浦产生的极大的量子亏损热，使得该波段的泵浦激光发热极为严重。对于在泵浦光注入阶段功泵浦功率密度极大达到吸收饱和产生废热,特别容易引起热损伤。吸收末尾阶段泵浦功率密度太小，又不能完全实现粒子数反转导致激光发射效率低，从而使得输出激光功率分布不均匀。尤其是发射2微米波长的tm，ho光纤，其光纤中的-oh吸收十分明显，远比1μm和1.5μm激光明显，这是现阶段2微米激光产生的特殊问题。其次材料中热损伤和时域自脉冲、自聚焦造成的光损伤，以及其他非线性效应包括受激拉曼散射(srs)，受激布里渊散射(sbs)和自相位调制(spm)效应，这些复杂因素进一步恶化激光质量，使得脉冲分裂、光谱裂化、波长频移以及光斑畸变等等，这些严重限制了该波段高功率激光功率的提升。对于高功率的单频激光产生而言，现有的单模光纤造成的强烈非线性效应，严重恶化激光质量，比如sbs造成谱线加宽，srs造成不可控的波长频移，自聚焦效应造成横模不稳定性，现有的技术方案都不能很好解决这些问题。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种量子亏损分布调控高功率光纤放大装置及方法，该装置可以获得2微米波长千瓦级及以上功率的高亮度激光产生，解决了高精度医疗、透明材料高效加工对高质量2微米激光光源研制的难题。该方法步骤简单、实施成本低，可以获得最优化激光的输出。
4.为了实现上述目的，本发明提供一种量子亏损分布调控高功率光纤放大装置，包括种子源、隔离器、第一泵浦源、第一泵浦合束器模块、第一模场适配器、模场调控增益光纤、第二模场适配器、第二泵浦合束器模块、泵浦光剥离器、热膨胀光纤端帽和第二泵浦源；
5.所述的种子源为2微米波段激光输出装置，具体波长范围为1850-2150nm；种子源的输出光纤与隔离器的输入端连接，所述隔离器的输出端与第一泵浦合束器模块的激光输入光纤连接；所述第一泵浦源的输出光纤与第一泵浦合束器模块的泵浦光输入光纤连接；第一泵浦合束器模块的激光输出光纤与第一模场适配器的输入光纤连接，第一模场适配器的输出光纤与模场调控增益光纤的输入端连接，所述模场调控增益光纤的横向几何结构为双包层结构，且其为掺杂tm
3+
，ho
3+
，或者tm
3+
，ho
3+
共掺的增益光纤，模场调控增益光纤的输出端与第二模场适配器的输入光纤连接，第二模场适配器的输出光纤与第二泵浦合束器模块的激光输入光纤连接，第二泵浦合束器模块的激光输出光纤与泵浦光剥离器的输入端连接，泵浦光剥离器的输出端与热膨胀光纤端帽连接；所述第二泵浦源的输出光纤与第二泵
浦合束器模块的泵浦光输入光纤连接。
6.进一步，为了能够获得亮度更高、功率更大的2微米波长激光，所述模场调控增益光纤的内包层直径为d，且整段光纤的纤芯尺寸沿着光纤长度方向为从第1，2，3,...,到n的阶跃型分布，其第1，2，3,...,n的纤芯直径分别为d
co1
,d
co2
,d
co3
,
…dcon
，每段的光纤长度分别为l1，l2，l3，...,ln，对应的包层对泵浦光的吸收系数分别为α1，α2，α3，...,αn，沿着激光输出方向，每段的纤芯尺寸与吸收系数同步递增或同步递减，各段光纤对应的节点分别为i＝1，2，3,...，n，n+1，各节点产生的热沉积功率密度分别为q1，q2，q3，...,qn，q
n+1
，各节点的温度分别为t1，t2，t3，...,tn，t
n+1
，其光纤温度分布与热沉积功率密度满足的关系为公式(1)：
[0007][0008]
其中各段的吸收系数、长度和纤芯直径满足以下制约关系:
[0009]
i、每个节点产生的热量qi和温度ti都相等:
[0010]
q1＝q2＝q3＝...,＝qn＝q
n+1
＝qoꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；
[0011]
t1＝t2＝t3＝... ＝tn＝ t
n+1 ＝toꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)；
[0012]
ii、其温度to小于模场调控光纤的涂覆层聚合物的燃烧温度tc：
[0013]
t
o 《 tcꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)；
[0014]
iii、其总光纤长度l
toal
小于信号激光产生受激拉曼散射阈值的临界光纤长度l
sbs
：
[0015]
l
toal 《 l
sbs
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)。
[0016]
进一步，为了能够获得亮度更高、功率更大的2微米波长激光，所述模场调控增益光纤在正向泵浦下其与分段光纤长度和泵浦吸收系数的关系满足以下关系公式(6)；
[0017][0018]
式中，p0为正向入射的泵浦功率。
[0019]
进一步，为了能够获得亮度更高、功率更大的2微米波长激光，所述模场调控增益光纤的分段数目n满足：3《＝n《＝5，初始段纤芯直径为d
co1
＝15μm，末端的纤芯直径为d
con
＝30μm，中间光纤直径沿着信号激光传输方向递增变化，各段纤芯数值孔径均为0.09，内包层
直径也都为400μm，且都不随光纤纵向长度分布变化，其光纤涂覆层的燃烧温度为105℃。
[0020]
作为一种优选，所述第一泵浦源和第二泵浦源均为发射790nm波长范围半导体激光器，且其中的输入泵浦功率为正向泵浦或反向泵浦或非对称结构双向泵浦结构，当纤芯尺寸与吸收系数递增时满足：p1＞p2，反之则p1＜p2，若为对称分布，则p1＝p2，其中，p1为前向泵浦源的输出功率，p2为反向泵浦源的输出功率。
[0021]
作为一种优选，所述第一泵浦合束器模块和第二泵浦合束器模块均具有大模场结构特征，在2微米波段具有低损耗特性。
[0022]
作为一种优选，所述种子源的输出光纤为单模光纤；所述第一泵浦合束器模块和第二泵浦合束器模块的输出光纤均为双包层光纤。
[0023]
本发明采用大模场光纤包层分布和增益调控解决了过热系统崩溃，突破了传统高功率激光产生方案严重的泵浦和激光热梯度分布技术瓶颈，实现了激光系统中增益光纤产热局域最高温度点的近似均匀分布且远离光纤涂覆层燃烧温度，大大提升了热损伤阈值，显著提升了激光功率，解决了2微米高亮度千瓦级功率光纤激光产生难题。本发明采用的模场调控方案，使信号激光的模场面积在功率放大过程中适应性增加，保证了激光功率密度分布的匀化，提升了激光的srs和srs等非线性效应阈值，降低了光损伤和模式不稳定性等对波长纯度的恶化，大大提升了的输出的最高功率。此外对模场面积的精准调控，还保证了激光的近单模的光束质量。本发明提出的方案中增益光纤每段光纤温度和模场变化极大实现了对sbs效应的抑制，非常有利于千瓦级功率的单频光纤激光的获得。过高的信号激光功率密度特别是窄线宽信号激光，也会引起输出激光光谱纯度的恶化，光纤中温度梯度与对应的频移关系由νb(δt)＝ν
b0
[1+(dν
ac
dt)δt]决定，可以看出较大的温度梯度有助于对sbs阈值平移量的抑制，所以阶跃式的模场调控增益光纤有助于对sbs阈值平移量的抑制。该装置没有附加的复杂反馈系统，结构简单，成本低廉，易于大面积推广。
[0024]
本发明还提供了一种量子亏损分布调控高功率光纤放大方法，包括一种量子亏损分布调控高功率光纤放大装置，还包括以下步骤：
[0025]
步骤一：模场调控增益光纤参数设计；
[0026]
s1：根据所需信号激光的波长、目标功率和亮度，确定泵浦激光的波长和功率范围，
[0027]
并计算量子亏损效率；
[0028]
s2：建立泵浦光和信号激光在增益调控光纤中传输的速率方程数值模型，依据商用化的大模场掺杂光纤对泵浦光的吸收系数和纤芯直径型号，给出模场调控增益光纤的分段数目、各段光纤长度以及纤芯直径的初始试探解；
[0029]
s3：以分段数目和各段光纤长度为初始变量，依据速率方程模型计算模场调控增益光纤中各分段光纤节点的热沉积功率密度和温度在满足公式(2)、(3)、(4)和(9)条件下的分段数目n，各段光纤长度li和总长度的最优解；
[0030]
q1＝q2＝q3＝...,＝qn＝q
n+1
＝qoꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；
[0031]
t1＝t2＝t3＝... ＝tn＝ t
n+1 ＝toꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)；
[0032]
t
o 《 tcꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)；
[0033]
l
toal 《 l
sbs
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)；
[0034]
s4：如果上述条件没有得到最优解，重新回到s2中，改变模场调控增益光纤分段数
目、各段光纤长度以及纤芯直径，然后继续执行s3中的计算过程，直至找到符合条件的最优解；
[0035]
步骤二：依据模场调控增益光纤的设计参数，采用模场适配法对各段光纤进行熔接，制备特种模场分布增益调控光纤；
[0036]
步骤三：根据模场调控增益光纤参数确定最优化的泵浦方式，正向泵浦方式，泵浦方式为正向泵浦方式或反向泵浦方式或双端泵浦方式；
[0037]
步骤四：依据泵浦方式确定种子源功率和最佳泵浦功率参数，搭建激光系统测试，获得最优化的激光输出。
[0038]
本发明中的方法步骤简单，实施成本低，可以获得最优化激光的输出。通过泵浦源非对称泵浦掺tm或ho或tm，ho共掺的具有特定模场空间分布的增益光纤对2微米的种子光信号进行放大，可以获得2微米波长千瓦级及以上功率的高亮度激光产生。由于模场调控光纤采用熔接的方式有利于形成一体化结构，容易形成全光纤结构，大大增强了2微米高功率激光的稳定性寿命。本发明采用增益光纤模场调控的方案，匀化了泵浦光和信号激光的纵向功率密度分布，大大降低了热损伤和非线性光损伤，可以产生千瓦级的高亮度光纤激光，解决了高精度医疗、透明材料高效加工对高质量2微米激光光源研制的难题。
附图说明
[0039]
图1为n段分布的模场调控的增益光纤结构示意图；
[0040]
图2为n＝3对应的模场调控的增益光纤结构示意图；
[0041]
图3为n＝3对应的模场调控的增益光纤纤芯结构及泵浦激光产生的温度分布示意图；
[0042]
图4为n＝5对应的模场调控的增益光纤结构示意图；
[0043]
图5为n＝5对应的模场调控的增益光纤纤芯结构及泵浦激光功率密度和温度分布示意图；
[0044]
图6为基于双端泵浦模场增益调控光纤的2微米光纤激光放大器结构示意图；
[0045]
图7为基于正向泵浦模场增益调控光纤的非对称2微米光纤激光放大器结构示意图；
[0046]
图8为基于反向泵浦模场增益调控光纤的非对称2微米光纤激光放大器结构示意图；
[0047]
图9为设计的n＝3和n＝5增益调控光纤方案分别对应的光纤热场分布；
[0048]
图10为传统光纤方案与本发明模场调控方案中的增益光纤温度场分布对比效果；
[0049]
图11为信号光功率密度和热场分布示意图；
[0050]
图12为出射激光的模场。
[0051]
图中：1、种子源，2、隔离器，3-1、第一泵浦源，3-2、第二泵浦源，4-1、第一泵浦合束器模块，4-2、第二泵浦合束器模块，5、第一模场适配器，6、模场调控增益光纤，7、第二模场适配器，8、泵浦光剥离器，9、热膨胀光纤端帽。
具体实施方式
[0052]
下面以实施例并结合附图1至12对本技术进行更详细的说明：
[0053]
实施例1：单端泵浦3段4热点模场分布增益掺tm光纤实现2微米高功率激光方案；
[0054]
当n＝3时，模场分布增益光纤的具体结构如图2所示，分为三段，分别对应节点分别为：1，2，3，4。各段光纤的纤芯直径逐渐递增，不同段光纤之间通过模场适配技术(mfa)熔接形成热量和温度的分布梯度(如图3)。现在采用正向泵浦方式，输入泵浦激光的功率为p0，各节点对应的功率分别为：
[0055][0056][0057][0058]
增益光纤纵向o、a、b处的热沉积功率密度q值分别为：
[0059]
q(o)＝α1η
t
p0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)；
[0060][0061][0062]
当α1,α2,α3,l1,l2,l3,满足如下方程组时，o、a、b处的量子亏损热沉积密度相等：
[0063]
q1＝q2＝q3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)；
[0064][0065]
进一步根据公式(1)可以得到热沉积功率密度与温度之间的关系，具体如图3所示。
[0066]
采用如图6所示的一种量子亏损分布调控高功率光纤放大装置，包括种子源1、隔离器2、第一泵浦源3-1、第一泵浦合束器模块4-1、第一模场适配器5、模场调控增益光纤6、第二模场适配器7、第二泵浦合束器模块4-2、泵浦光剥离器8、热膨胀光纤端帽9和第二泵浦源3-2；
[0067]
所述的种子源1为2微米波段激光输出装置，具体波长范围为1850-2150nm；种子源1的输出光纤与隔离器2的输入端连接，所述隔离器2对种子源1所发出激光波长具有隔离效果，其输出端与第一泵浦合束器模块4-1的激光输入光纤连接；所述第一泵浦源3-1用于泵浦模场调控增益光纤6，其输出的激光波长与模场调控增益光纤6的吸收波长匹配，且其输出光纤与第一泵浦合束器模块4-1的泵浦光输入光纤型号匹配；第一泵浦源3-1的输出光纤与第一泵浦合束器模块4-1的泵浦光输入光纤连接；第一泵浦合束器模块4-1具有(n+1)
×
1的结构，用于把第一泵浦源3-1的激光耦合进模场调控增益光纤6；第一泵浦合束器模块4-1的激光输出光纤与第一模场适配器5的输入光纤连接，所述第一模场适配器5具有渐变纤芯的结构，用于匹配第一泵浦合束器模块4-1和模场调控增益光纤6之间的模场，其输出光纤与场调控增益光纤6的输入端型号匹配，且第一模场适配器5的输出光纤与模场调控增益光纤6的输入端连接，所述模场调控增益光纤6的纤芯中掺杂能发射2微米激光的稀土离子，具体为掺杂tm
3+
，ho
3+
，或者tm
3+
，ho
3+
共掺的增益光纤，模场调控增益光纤6的横向几何结构为双包层结构，具体如图1所示，模场调控增益光纤6用于放大种子源1的信号功率，模场调控增益光纤6的输出端与第二模场适配器7的输入光纤连接，第二模场适配器7用于模场调控增益光纤6与第二泵浦合束器模块4-2的信号激光模块匹配；第二模场适配器7的输出光纤
与第二泵浦合束器模块4-2的激光输入光纤连接，第二泵浦合束器模块4-2与第一泵浦合束器模块4-1的结构相同，第二泵浦合束器模块4-2的激光输出光纤与泵浦光剥离器8的输入端连接，所述泵浦光剥离器8用于泄露第二泵浦合束器模块4-2的输出光纤中未被吸收的泵浦光，其表面具有多孔的漫反射结构；泵浦光剥离器8的输出端与热膨胀光纤端帽9连接；所述的光纤端帽9采用热膨胀纤芯的方法制成，用于对输出的激光光斑进行匀化扩束，同时不会恶化光束质量。所述第二泵浦源3-2的结构与第一泵浦源3-1的结构相同，用于反向泵浦模场调控增益光纤6；第二泵浦源3-2的输出光纤与第二泵浦合束器模块4-2的泵浦光输入光纤连接。
[0068]
上述的除了模场调控增益光纤6外，光路中各元件在1850-2150nm波长范围内具有低损耗的特点，其材料的本征透过率》95％。
[0069]
如图1所示，所述模场调控增益光纤6的内包层直径为d，且整段光纤的纤芯尺寸沿着光纤长度方向为从第1，2，3,...,到n的阶跃型分布，其第1，2，3,...,n的纤芯直径分别为d
co1
,d
co2
,d
co3
,
…dcon
，每段的光纤长度分别为l1，l2，l3，...,ln，对应的包层对泵浦光的吸收系数分别为α1，α2，α3，...,αn，沿着激光输出方向，每段的纤芯尺寸与吸收系数同步递增或同步递减，各段光纤对应的节点分别为i＝1，2，3,...，n，n+1，各节点产生的热沉积功率密度分别为q1，q2，q3，...,qn，q
n+1
，各节点的温度分别为t1，t2，t3，...,tn，t
n+1
，其光纤温度分布与热沉积功率密度满足的关系为公式(1)：
[0070][0071]
其中各段的吸收系数、长度和纤芯直径满足以下制约关系:
[0072]
i、每个节点产生的热量qi和温度ti都相等:
[0073]
q1＝q2＝q3＝...,＝qn＝q
n+1
＝qoꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；
[0074]
t1＝t2＝t3＝... ＝tn＝ t
n+1 ＝toꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)；
[0075]
ii、其温度to小于模场调控光纤6的涂覆层聚合物的燃烧温度tc：
[0076]
t
o 《 tcꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)；
[0077]
iii、要想实现高纯度光谱的高功率激光，信号激光的过高的功率密度还会引起受激拉曼散射(sbs)造成多波长产生，理论上信号激光导致的sbs阈值功率阈值由以下公式决定，可以看出，必须使用较短光纤的长度和较大的模场面积，
[0078][0079]
l＜l
sbs
,c(6)；
[0080]acore,n
＞a
eff,sbs,c
(7)；
[0081]
νb(δt)＝ν
b0
[1+(dν
ac
dt)δt](8)；
[0082]
由公式(8)可以看出，信号激光热沉积功率密度造成的模场调控增益光纤的热梯度也会对sbs的平移量由较大的影响，设计中适当增加热梯度可在一定程度上抑制sbs效
应。
[0083]
因此，其总光纤长度l
toal
小于信号激光产生受激拉曼散射阈值的临界光纤长度l
sbs
：
[0084]
l
toal 《 l
sbs
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)；
[0085]
所述模场调控增益光纤6在正向泵浦下其与分段光纤长度和泵浦吸收系数的关系满足以下关系公式(6)；
[0086][0087]
式中，p0为正向入射的泵浦功率。
[0088]
在双端泵浦和反向泵浦方式下其与分段光纤长度和泵浦吸收系数的与上述关系类似。
[0089]
所述模场调控增益光纤6的分段数目n满足：3《＝n《＝5，初始段(第1段)纤芯直径为d
co1
＝15μm，末端(第n段)的纤芯直径为d
con
＝30μm，中间光纤直径沿着信号激光传输方向递增变化，具体数值由公式(1)～(4)的约束关系以及常规商用光纤型号确定，各段纤芯数值孔径均为0.09，内包层直径也都为400μm，且都不随光纤纵向长度分布变化，其光纤涂覆层的燃烧温度为105℃。
[0090]
所述第一泵浦源3-1和第二泵浦源3-2均为发射790nm波长范围半导体激光器，且其中的输入泵浦功率为正向泵浦(附图7)或反向泵浦(附图8)或非对称结构双向泵浦结构(附图6)，当纤芯尺寸与吸收系数递增时满足：p1＞p2，反之则p1＜p2，若为对称分布，则p1＝p2，其中，p1为前向泵浦源的输出功率，p2为反向泵浦源的输出功率。
[0091]
所述第一泵浦合束器模块4-1和第二泵浦合束器模块4-2均具有大模场结构特征，在2微米波段具有低损耗特性。
[0092]
所述种子源1的输出光纤为单模光纤；所述第一泵浦合束器模块4-1和第二泵浦合束器模块4-2的输出光纤均为双包层光纤。
[0093]
本发明采用大模场光纤包层分布和增益调控解决了过热系统崩溃，突破了传统高功率激光产生方案严重的泵浦和激光热梯度分布技术瓶颈，实现了激光系统中增益光纤产热局域最高温度点的近似均匀分布且远离光纤涂覆层燃烧温度，大大提升了热损伤阈值，显著提升了激光功率，解决了2微米高亮度千瓦级功率光纤激光产生难题。本发明采用的模场调控方案，使信号激光的模场面积在功率放大过程中适应性增加，保证了激光功率密度分布的匀化，提升了激光的srs和srs等非线性效应阈值，降低了光损伤和模式不稳定性等对波长纯度的恶化，大大提升了的输出的最高功率。此外对模场面积的精准调控，还保证了
激光的近单模的光束质量。本发明提出的方案中增益光纤每段光纤温度和模场变化极大实现了对sbs效应的抑制，非常有利于千瓦级功率的单频光纤激光的获得。过高的信号激光功率密度特别是窄线宽信号激光，也会引起输出激光光谱纯度的恶化，光纤中温度梯度与对应的频移关系由νb(δt)＝ν
b0
[1+(dν
ac
dt)δt]决定，可以看出较大的温度梯度有助于对sbs阈值平移量的抑制，所以阶跃式的模场调控增益光纤有助于对sbs阈值平移量的抑制。该装置没有附加的复杂反馈系统，结构简单，成本低廉，易于大面积推广。
[0094]
当泵浦功率2000w时，光纤聚合物包层内侧温度分布如图9和10所示。由此可算出：光纤总长5m，从中心到纤端光纤参数做如下选择时：吸收系数分别为：2.5b/m，4db/m，2.5db/m；对应的各段光纤长度分别为0.9m，3.2m，0.9m时，对应的纤芯直径分别为：15μm，20μm和25μm所得光纤沿着纵向的温度分布具体如图9所示。在波长为793nm的2000w平均泵浦功率下，种子激光功率为100w,计算得到的2微米输出信号激光功率为1077w，其对应的包层聚合物温度为91.9℃，明显低于其燃烧温度105℃，进一步把泵浦功率提升到2340w，计算得到的输出激光功率为1260w，光纤包层聚合物温度达到临界值105℃，说明此时光纤激光可最大输出激光功率为1260w。(na不变条件下，纤芯直径从15微米、20微米、25微米)所得的信号激光在光纤的模场纵向分布如图11所示。
[0095]
实施例2：双端段泵浦5段六热点模场调控掺铥光纤实现2微米高功率激光方案；
[0096]
采用n＝5的模场调控增益光纤结构，采用对称吸收分布对称光纤结构，如图4和图5所示：
[0097][0098]
q(0)＝q(a)＝q(b)＝q(c)＝q(d)＝q(e)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)；
[0099]
由此可算出：光纤总长5m，分为5段，各段光纤的吸收系数分别为：1.99db/m，2.78db/m，4db/m，2.78db/m，1.99db/m；对应的各段光纤长度分别为0.8m，0.7m，2m，0.7m，0.8m时，所得光纤沿着纵向的温度分布具体如图9所示，在波长为793nm的2000w的平均功率泵浦功率下，采用对称分布的结构如图6，具体与实施例1中的结构相同，计算得到输出的信号激光功率1084w，包层聚合物温度为78.7℃，明显低于其燃烧温度105℃；进一步把泵浦功率提升到2800w，得到信号激光输出激光功率为1500w，光纤包层聚合物温度达到临界值104℃，说明此时光纤激光可最大输出激光功率为1500w，具体结果如图9和图10所示。所得到的对应功率下的信号激光的输出光斑模式如图12所示，没有出现光束横模分裂，保证了良好的基模特性。
[0100]
本发明还提供了一种量子亏损分布调控高功率光纤放大方法，包括一种量子亏损分布调控高功率光纤放大装置，还包括以下步骤：
[0101]
步骤一：模场调控增益光纤参数设计；
[0102]
s1：根据所需信号激光的波长、目标功率和亮度，确定泵浦激光的波长和功率范
围，
[0103]
并计算量子亏损效率；
[0104]
s2：建立泵浦光和信号激光在增益调控光纤中传输的速率方程数值模型，依据商用化的大模场掺杂光纤对泵浦光的吸收系数和纤芯直径型号，给出模场调控增益光纤的分段数目、各段光纤长度以及纤芯直径的初始试探解；
[0105]
s3：以分段数目和各段光纤长度为初始变量，依据速率方程模型计算模场调控增益光纤6中各分段光纤节点的热沉积功率密度和温度在满足公式(2)、(3)、(4)和(9)条件下的分段数目n，各段光纤长度li和总长度的最优解；
[0106]
q1＝q2＝q3＝...,＝qn＝q
n+1
＝qoꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；
[0107]
t1＝t2＝t3＝... ＝tn＝ t
n+1 ＝toꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)；
[0108]
t
o 《 tcꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)；
[0109]
l
toal 《 l
sbs
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)；
[0110]
s4：如果上述条件没有得到最优解，重新回到s2中，改变模场调控增益光纤分段数目、各段光纤长度以及纤芯直径，然后继续执行s3中的计算过程，直至找到符合条件的最优解；
[0111]
步骤二：依据模场调控增益光纤6的设计参数，采用模场适配法对各段光纤进行熔接，制备特种模场分布增益调控光纤6；
[0112]
步骤三：根据模场调控增益光纤6参数确定最优化的泵浦方式，泵浦方式为正向泵浦方式或反向泵浦方式或双端泵浦方式；
[0113]
步骤四：依据泵浦方式确定种子源1功率和最佳泵浦功率参数，搭建激光系统测试，获得最优化的激光输出。
[0114]
本发明中的方法步骤简单，实施成本低，可以获得最优化激光的输出。通过泵浦源非对称泵浦掺tm或ho或tm，ho共掺的具有特定模场空间分布的增益光纤对2微米的种子光信号进行放大，可以获得2微米波长千瓦级及以上功率的高亮度激光产生。由于模场调控光纤采用熔接的方式有利于形成一体化结构，容易形成全光纤结构，大大增强了2微米高功率激光的稳定性寿命。本发明采用增益光纤模场调控的方案，匀化了泵浦光和信号激光的纵向功率密度分布，大大降低了热损伤和非线性光损伤，可以产生千瓦级的高亮度光纤激光，解决了高精度医疗、透明材料高效加工对高质量2微米激光光源研制的难题。
[0115]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种量子亏损分布调控高功率光纤放大装置，包括种子源(1)，其特征在于，还包括隔离器(2)、第一泵浦源(3-1)、第一泵浦合束器模块(4-1)、第一模场适配器(5)、模场调控增益光纤(6)、第二模场适配器(7)、第二泵浦合束器模块(4-2)、泵浦光剥离器(8)、热膨胀光纤端帽(9)和第二泵浦源(3-2)；所述的种子源(1)为2微米波段激光输出装置，具体波长范围为1850-2150nm；种子源(1)的输出光纤与隔离器(2)的输入端连接，所述隔离器(2)的输出端与第一泵浦合束器模块(4-1)的激光输入光纤连接；所述第一泵浦源(3-1)的输出光纤与第一泵浦合束器模块(4-1)的泵浦光输入光纤连接；第一泵浦合束器模块(4-1)的激光输出光纤与第一模场适配器(5)的输入光纤连接，第一模场适配器(5)的输出光纤与模场调控增益光纤(6)的输入端连接，所述模场调控增益光纤(6)的横向几何结构为双包层结构，且其为掺杂tm
3+
，ho
3+
，或者tm
3+
，ho
3+
共掺的增益光纤，模场调控增益光纤(6)的输出端与第二模场适配器(7)的输入光纤连接，第二模场适配器(7)的输出光纤与第二泵浦合束器模块(4-2)的激光输入光纤连接，第二泵浦合束器模块(4-2)的激光输出光纤与泵浦光剥离器(8)的输入端连接，泵浦光剥离器(8)的输出端与热膨胀光纤端帽(9)连接；所述第二泵浦源(3-2)的输出光纤与第二泵浦合束器模块(4-2)的泵浦光输入光纤连接。2.根据权利要求1所述的一种量子亏损分布调控高功率光纤放大装置，其特征在于，所述模场调控增益光纤(6)的内包层直径为d，且整段光纤的纤芯尺寸沿着光纤长度方向为从第1，2，3,...,到n的阶跃型分布，其第1，2，3,...,n的纤芯直径分别为d
co1
,d
co2
,d
co3
,
…
d
con
，每段的光纤长度分别为l1，l2，l3，...,l
n
，对应的包层对泵浦光的吸收系数分别为α1，α2，α3，...,α
n
，沿着激光输出方向，每段的纤芯尺寸与吸收系数同步递增或同步递减，各段光纤对应的节点分别为i＝1，2，3,...，n，n+1，各节点产生的热沉积功率密度分别为q1，q2，q3，...,q
n
，q
n+1
，各节点的温度分别为t1，t2，t3，...,t
n
，t
n+1
，其光纤温度分布与热沉积功率密度满足的关系为公式(1)：其中各段的吸收系数、长度和纤芯直径满足以下制约关系:i、每个节点产生的热量q
i
和温度t
i
都相等:q1＝q2＝q3＝...,＝q
n
＝q
n+1
＝q
o
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；t1＝t2＝t3＝... ＝t
n
＝ t
n+1 ＝t
o
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)；ii、其温度t
o
小于模场调控光纤(6)的涂覆层聚合物的燃烧温度t
c
：t
o < t
c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)；iii、其总光纤长度l
toal
小于信号激光产生受激拉曼散射阈值的临界光纤长度l
sbs
：l
toal < l
sbs
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)。3.根据权利要求2所述的一种量子亏损分布调控高功率光纤放大装置，其特征在于，所述模场调控增益光纤(6)在正向泵浦下其与分段光纤长度和泵浦吸收系数的关系满足以下
关系公式(6)；式中，p0为正向入射的泵浦功率。4.根据权利要求3所述的一种量子亏损分布调控高功率光纤放大装置，其特征在于，所述模场调控增益光纤(6)的分段数目n满足：3<＝n<＝5，初始段纤芯直径为d
co1
＝15μm，末端的纤芯直径为d
con
＝30μm，中间光纤直径沿着信号激光传输方向递增变化，各段纤芯数值孔径均为0.09，内包层直径也都为400μm，且都不随光纤纵向长度分布变化，其光纤涂覆层的燃烧温度为105℃。5.根据权利要求4所述的一种量子亏损分布调控高功率光纤放大装置，其特征在于，所述第一泵浦源(3-1)和第二泵浦源(3-2)均为发射790nm波长范围半导体激光器，且其中的输入泵浦功率为正向泵浦或反向泵浦或非对称结构双向泵浦结构，当纤芯尺寸与吸收系数递增时满足：p1＞p2，反之则p1＜p2，若为对称分布，则p1＝p2，其中，p1为前向泵浦源的输出功率，p2为反向泵浦源的输出功率。6.根据权利要求5所述的一种量子亏损分布调控高功率光纤放大装置，其特征在于，所述第一泵浦合束器模块(4-1)和第二泵浦合束器模块(4-2)均具有大模场结构特征，在2微米波段具有低损耗特性。7.根据权利要求6所述的一种量子亏损分布调控高功率光纤放大装置，其特征在于，所述种子源(1)的输出光纤为单模光纤；所述第一泵浦合束器模块(4-1)和第二泵浦合束器模块(4-2)的输出光纤均为双包层光纤。8.一种量子亏损分布调控高功率光纤放大方法，包括如权利要求1至权利要求7任一项所述的一种量子亏损分布调控高功率光纤放大装置，其特征在于，还包括以下步骤：步骤一：模场调控增益光纤参数设计；s1：根据所需信号激光的波长、目标功率和亮度，确定泵浦激光的波长和功率范围，并计算量子亏损效率；s2：建立泵浦光和信号激光在模场调控增益光纤(6)中传输的速率方程数值模型，依据商用化的大模场掺杂光纤对泵浦光的吸收系数和纤芯直径型号，给出模场调控增益光纤(6)的分段数目、各段光纤长度以及纤芯直径的初始试探解；s3：以分段数目和各段光纤长度为初始变量，依据速率方程模型计算模场调控增益光纤(6)中各分段光纤节点的热沉积功率密度和温度在满足公式(2)、(3)、(4)和(9)条件下的分段数目n，各段光纤长度l
i
和总长度的最优解；
q1＝q2＝q3＝...,＝q
n
＝q
n+1
＝q
o
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；t1＝t2＝t3＝... ＝t
n
＝ t
n+1 ＝t
o
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)；t
o < t
c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)；l
toal < l
sbs
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)；s4：如果上述条件没有得到最优解，重新回到s2中，改变模场调控增益光纤(6)分段数目、各段光纤长度以及纤芯直径，然后继续执行s3中的计算过程，直至找到符合条件的最优解；步骤二：依据模场调控增益光纤(6)的设计参数，采用模场适配法对各段光纤进行熔接，制备特种模场分布增益调控光纤(6)；步骤三：根据模场调控增益光纤(6)参数确定最优化的泵浦方式，泵浦方式为正向泵浦方式或反向泵浦方式或双端泵浦方式；步骤四：依据泵浦方式确定种子源(1)功率和最佳泵浦功率参数，搭建激光系统测试，获得最优化的激光输出。

技术总结
一种量子亏损分布调控高功率光纤放大装置及方法，种子源输出光纤通过隔离器与第一泵浦合束器模块激光输入光纤连接；第一泵浦源输出光纤与第一泵浦合束器模块的泵浦光输入光纤连接；第一泵浦合束器模块激光输出光纤与第一模场适配器的输入光纤连接，第一模场适配器输出光纤与模场调控增益光纤输入端连接，模场调控增益光纤输出端与第二模场适配器输入光纤连接，第二模场适配器输出光纤与第二泵浦合束器模块激光输入光纤连接，第二泵浦合束器模块激光输出光纤通过泵浦光剥离器与热膨胀光纤端帽连接；第二泵浦源输出光纤与第二泵浦合束器模块泵浦光输入光纤连接。该装置及方法可以获得2微米波长千瓦级及以上功率的高亮度激光产生。光产生。光产生。


技术研发人员：沈德元 王飞 周伟
受保护的技术使用者：中红外激光研究院（江苏）有限公司
技术研发日：2022.12.26
技术公布日：2023/7/13