脉冲光纤放大器器件集成装置、系统及其方法与流程

本发明涉及光纤激光器领域，具体地，涉及脉冲光纤放大器器件集成装置、系统及其方法。

背景技术：

1、光纤激光器按时序特性可分为连续和脉冲两种工作方式。对于连续光纤激光器，当激光器工作较长时间时，高功率泵浦会引起腔内产生大量热量，同时，还有一些其他不利因素对激光输出功率的进一步提高造成了限制。脉冲光纤放大器通过控制激光器的脉冲宽度，能在短时间内释放腔内存储的能量，这样不仅可以获得高峰值功率的输出脉冲，同时可以保持良好的光束质量，目前纳秒脉冲光纤放大器已被广泛应用于材料表面加工，薄金属切割/焊接等应用领域。

2、常规的金属打标、焊接及激光清洗领域对脉冲光纤放大器的峰值功率要求并不高，一般在10kw内，而针对一些特殊的应用，如玻璃切割及非线性频率变换，则对脉冲光纤放大器的峰值功率要求较高，一般在数十kw。高峰值功率脉冲红外光纤激光器目前已被应用至玻璃切割领域，逐步替代传统的绿光切割；高峰值功率脉冲红外激光器通过非线性频率变换可获得高峰值功率绿光输出，因其良好的光束质量，目前被广泛应用至太阳能电池领域如perc激光开槽和se掺杂。

3、纵观近十多年来纳秒脉冲光纤放大器的发展状况可知，要获得高平均功率、高脉冲能量和高峰值功率的脉冲激光输出通常要借助于主振荡功率放大结构(mopa)。而限制当前脉冲光纤放大器峰值功率进一步提升的主要因素则是光纤中的非线性效应如受激拉曼散射(srs)、受激布里渊散射(sbs)。影响mopa脉冲光纤放大器中非线性效应的因素有很多，如光纤的长度、光纤的纤芯直径、种子的脉宽及线宽、泵浦方式等。当前，为获得高峰值功率的脉冲光纤放大器，主流是采用dfb型半导体种子源进行放大，同时为抑制mopa脉冲光纤放大器中的非线性效应，主要的解决方案有以下几种：

4、1)放大器采用反向合束器进行后向泵浦，输出采用空间型光纤隔离器，后向泵浦可以减少有源光纤的有效吸收长度，有助于抑制非线性效应，但全光纤的脉冲光纤放大器中，由于引入的无源光纤长度过长，又进一步增加了非线性效应产生的几率；

5、2)放大器采用大模场直径的有源光纤，通过降低纤芯内的功率密度以提高非线性效应产生的阈值，但大模场直径会使纤芯内激发出更多的高阶模模式，导致整机的光束质量变差，一般多用在激光清洗等非精密加工领域；

6、3)ipg采用gtwave光纤进行功率放大，gtwave光纤的优势在于可将泵浦合束器集成在有源光纤上，利用倏逝波进行反向泵浦激励，有源光纤经隔离器/准直器直接输出，减少了无源光纤的长度，可以很好地抑制光纤内的非线性效应，但gtwave光纤技术目前对国内属于技术封锁，国内在这一领域尚未取得实质性突破；

7、4)专利cn115986534a提出了一种新型脉冲放大器输出装置，通过一定程度上回收正向残余泵浦光再利用，降低有源光纤的使用长度，以降低非线性效应，但正向泵浦方式本身因光纤有效长度较长，对非线性效应并不友好，正向合束器稳定性要求高；

8、5)专利cn202110431771.6提供一种在线式集成光纤器件、光纤激光放大系统及光纤激光器。所述在线式集成光纤器件包括泵浦源模块、镀膜镜片组和准直器，所述准直器和镀膜镜片组沿上一级信号光的入射光轴收容于所述光纤器件内，所述泵浦源模块射出泵浦光，所述泵浦光经所述镀膜镜片组反射后，通过所述准直器耦合输出，实现上一级信号光在上一级和/或下一级放大系统中的功率放大。其所描述的在线式光纤器件，实质为一种光路连接器，在一个完整的光纤激光放大器系统内，其主要使用于种子与放大器之间，作为光路内的预放大级，起到过度中转及光路监控的作用。若单独作为完整的放大器来使用，其难以实现高功率、高峰值功率激光输出，因高功率意味着高的泵浦功率注入，而高泵浦功率所带来的量子亏损所引起的有源光纤散热是影响激光系统稳定性的重要因素，针对有源光纤的散热措施并未提出有效的可实施手段，作为高功率放大器难以落实到具体的工程应用中。另外作为放大器来使用的话，输出端必然也会引入一定的无源光纤，加之正向泵浦方式的固有局限，系统内部的非线性效应会更强，诸如受激拉曼散射、受激布里渊散射，都会严重制约脉冲放大器峰值功率的提高。

技术实现思路

1、本发明提供了一种脉冲光纤放大器器件集成装置、系统及其方法，采用空间型光路耦合方式，实现放大器泵浦及输出一体化集成，可缩短有源光纤及传能光纤的使用长度，显著提高光纤内部非线性效应的阈值，以实现高峰值脉冲激光输出，同时兼具光纤激光器良好的光束质量。

2、第一方面，本发明提供了一种脉冲光纤放大器器件集成装置，其特征在于，所述集成装置包括：泵浦纤、第一准直器、二色镜、端帽、隔离模组和输出模组；其中

3、所述泵浦纤连接泵浦源，用于输出泵浦光至所述第一准直器；

4、所述第一准直器用于对所述泵浦纤输出的所述泵浦光进行准直输出至所述二色镜；

5、所述二色镜用于对所述第一准直器准直输出的所述泵浦光进行反射；

6、所述端帽用于将所述二色镜反射的所述泵浦光传输至有源光纤，并输出所述有源光纤放大后的信号光至所述二色镜；

7、所述二色镜还用于对所述放大后的信号光进行透射；

8、所述隔离模组用于将所述二色镜透射的所述放大后的信号光传输至所述输出模组，并限制所述放大后的信号光的反向传输；

9、所述输出模组用于将所述隔离模组传输的所述放大后的信号光进行输出。

10、第二方面，本发明还提供了一种脉冲光纤放大器系统，其特征在于，所述放大器系统包括：种子激光器、模场适配器、有源光纤和级联的至少一级放大级；其中

11、所述放大级包括泵浦源和权利要求1-10中任一项所述的集成装置，所述泵浦源与所述集成装置的泵浦纤连接，用于输出泵浦光；

12、所述种子激光器用于输出种子信号光；

13、所述模场适配器的输入端与所述种子激光器连接，所述模场适配器的输出端与所述有源光纤连接，所述模场适配器的输出端内置包层光滤除器用于滤除所述有源光纤传输的反向泵浦光；

14、所述有源光纤的另一端与所述集成装置的端帽熔接。

15、第三方面，本发明还提供了一种脉冲光纤放大器器件集成方法，其特征在于，所述方法包括：将泵浦纤、第一准直器、二色镜、端帽、隔离模组和输出模组封装为一体，获得集成装置；其中

16、所述泵浦纤将泵浦源输出的泵浦光传输至所述第一准直器；

17、所述第一准直器对所述泵浦纤输出的所述泵浦光进行准直输出至所述二色镜；

18、所述二色镜对所述第一准直器准直输出的所述泵浦光进行反射；

19、所述端帽将所述二色镜反射的所述泵浦光传输至有源光纤，并输出所述有源光纤放大后的信号光至所述二色镜；

20、所述二色镜对所述放大后的信号光进行透射；

21、所述隔离模组将所述二色镜透射的所述放大后的信号光传输至所述输出模组，并限制所述放大后的信号光的反向传输；

22、所述输出模组将所述隔离模组传输的所述放大后的信号光进行输出。

23、本发明提供的脉冲光纤放大器器件集成装置、系统及其方法：第一，实现了脉冲光纤放大器泵浦及输出一体化集成，提高放大器紧凑度，简化工艺流程；第二，显著提高了光纤非线性效应产生的阈值，可有效抑制srs及sbs，实现高峰值功率、高光束质量脉冲激光输出；第三，可以灵活调整输出端帽的规格以满足不同规格有源光纤的使用需求，可用于一级或多级光路放大系统。