本发明涉及光纤激光器技术领域，具体涉及一种多热点分布单频掺铥光纤激光器。
背景技术：
单频激光在相干光通信、激光雷达、高分辨光谱分析、原子激光冷却和捕获、非线性频率转换、定向能、相干与光谱合成等多个领域具有重要应用。790nm泵浦的掺铥光纤激光器为了充分利用交叉驰豫过程，铥光纤掺杂浓度一般较高，器件长度只有几米，加上较高的量子亏损，铥光纤的热负荷比较严重。热积累引起的温升会带来一系列问题，影响系统运行稳定性。端面泵浦方式下，增益光纤的最热点位于光纤的端点处，当热积累引起的温升超过光纤涂覆层的熔点(丙烯酸酯涂覆层～105℃)时，就会引起涂覆层燃烧进而损毁光纤和器件，成为高功率运行的重要制约因素。严重的热问题还会导致光纤激光输出模式不稳定。
解决单频掺铥光纤激光器高功率运行问题，需要解决增益光纤的热问题，目前主要通过增大纤芯模场面积、增加光纤长度的方法来降低纤芯内功率密度、降低单位长度的热沉积。但对单频光纤激光系统而言，利用大模场光纤作为增益介质，会使光纤支持多个振荡模式，导致模式非稳效应，使得输出激光效率降低、甚至功率滞涨；增加光纤长度又会降低sbs效应产生阈值。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决单频掺铥光纤激光器高功率运行问题，提出一种增益光纤多热点分布方案，同时解决影响单频掺铥光纤激光器功率提升的热效应、模式非稳及sbs效应等几大限制因素。通过多热点设计降低光纤“最热点”热沉积和温度，解决热致损伤对光纤系统输出功率水平的限制，同时光纤整体温度的降低也有利于抑制模式非稳效应，多热点分布在光纤中引入的多段温度梯度有利于抑制sbs效应的产生。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种多热点分布单频掺铥光纤激光器，包括种子源、预放大级、滤波器、隔离器和主放大级。
所述种子源提供小功率单频激光输出；
所述预放大级包含多级预放大器，第一级预放大器的输入端与所述种子源的输出端熔接；
所述滤波器的输入端与最后一级预放大器的输出端熔接；
所述隔离器的输入端与所述滤波器的输出端熔接；
所述主放大器由正向光纤合束器、泵浦源、增益光纤、反向光纤合束器、泵浦光剥离器组成。所述正向光纤合束器的信号臂与所述隔离器的输出端熔接，所述正向光纤合束器的泵浦臂熔接有泵浦源，所述正向光纤合束器的输出端与所述增益光纤的第一端熔接，所述增益光纤的第二端与所述反向光纤合束器的信号臂熔接，所述反向光纤合束器的泵浦臂熔接有泵浦源，并且所述反向光纤合束器的输出端与所述泵浦光剥离器的输入端熔接；
所述主放大器的增益光纤由n段吸收系数不同的增益光纤熔接组成，而且n大于等于3,使光纤的吸收系数沿纵向非均一分布，并且光纤两端的吸收系数最低，中间段的吸收系数最高。对所述增益光纤采用双端泵浦方案，可有效降低所述增益光纤两端最热点的温度，形成多热点分布，将热量在光纤纵向进行分散。所述对增益光纤采用双端泵浦方案，也就是增益光纤两端各连接一个合束器，合束器泵浦臂均连接泵浦源。
并且，如果n为奇数，设中间段增益光纤标号为(n 1)/2，则第一段增益光纤的吸收系数到第(n 1)/2段的增益光纤的吸收系数依次递增，第(n 1)/2段增益光纤的吸收系数到第n段增益光纤的吸收系数依次递减；如果n为偶数，则中间段增益光纤标号n/2和n/2 1，则第一段增益光纤的吸收系数到第n/2增益光纤的吸收系数依次递增，第n/2 1段增益光纤的吸收系数到第n段增益光纤的吸收系数依次递减。
作为优选的技术方案，所述预放大级包含1～4级预放大器。
作为优选的技术方案，所述增益光纤为双包层光纤。
作为优选的技术方案，所述多段吸收系数不同的增益光纤，各段光纤的纤芯与纤芯、内包层与内包层应具有相同的折射率。
有益效果：与现有技术方案相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
(1)通过增益光纤多热点分布设计，同时解决影响单频掺铥光纤激光器功率提升的热效应、模式非稳及sbs效应等几大限制因素；
(2)通过增益光纤吸收系数纵向分布设计，使吸收系数从两端向中间逐渐增加，有利于降低泵浦端的温升，使热量在整根光纤中更趋于均匀分布；
(3)降低光纤泵浦端的吸收系数、提高光纤中间段的吸收系数，并保持总的吸收系数不变，在有效防止光纤热致损伤的同时，能够保证激光功率提取效率；
(4)光纤整体温度的降低有利于抑制模式非稳效应；
(5)光纤纵向的多热点分布引入多段温度梯度，有利于抑制sbs效应。
附图说明
图1为双端泵浦吸收系数均匀分布的增益光纤的示意图；
图2为双端泵浦的纵向4热点增益光纤示意图；
图3为双端泵浦的纵向6热点增益光纤示意图；
图4为一个实施例中单频掺铥光纤激光器的光路连接示意图。
以上图1-3中，1、2、4、5、8、9-泵浦光；3-吸收系数均匀分布的增益光纤；6、7、10、11、12、13-不同吸收系数光纤的熔接点；
图4中，14-种子源；15-预放大级；16-滤波器；17-隔离器；18-泵浦源；19-正向光纤合束器；20-增益光纤；21-反向光纤合束器；22-泵浦光剥离器。
具体实施方式
实施例：
如图4所示，本实施例提供了一种单频光纤激光器，包括：种子源14、预放大器15、滤波器16、隔离器17、泵浦源18、正向光纤合束器19、增益光纤20、反向光纤合束器21和泵浦光剥离器22。其中，泵浦源18、正向光纤合束器19、增益光纤20、反向光纤合束器21和泵浦光剥离器22组成主放大级。所述种子源14的输出端与所述预放大器15的输入端熔接；所述滤波器16的输入端与所述预放大器15的输出端熔接；所述隔离器17的输入端与所述滤波器16的输出端熔接；所述正向光纤合束器19的信号臂与所述隔离器17的输出端熔接；所述泵浦源18与所述正向光纤合束器19或反向光纤合束器21的泵浦臂熔接；所述正向光纤合束器19的输出端与所述增益光纤20的第一端熔接，所述增益光纤20的第二端与所述反向光纤合束器21的信号臂熔接，所述反向光纤合束器21的输出端与所述泵浦光剥离器22的输入端熔接；所述泵浦光剥离器22的输出端作为激光器的输出端。
图1-3为双端泵浦的增益光纤示意图，纵向颜色由深到浅变化代表双端泵浦条件下光纤的温度由高到低的变化。图1为吸收系数均匀分布的增益光纤在双端泵浦条件下的温度分布情况，光纤两端的温度最高，中间的温度最低，随着功率的提升，两端点的温度逐渐升高达到光纤涂覆层损伤阈值即会导致激光器系统崩溃。图2为三段不同吸收系数的光纤熔接组成的增益光纤，两端的吸收系数低、中间段的吸收系数最高，由于两端点吸收系数的降低，产生的热量相应减少，将一部分热量分散到中间段，变成四热点分布，降低了光纤的温度峰值。图3为五段不同吸收系数的光纤熔接组成的增益光纤，两端的吸收系数最低、中间段的吸收系数最高，并且中间段增益光纤吸收系数到两端的增益光纤吸收系数依次递减；同样由于两端点吸收系数的降低，产生的热量相应减少，将一部分热量分散到中间三段，变成六热点分布，进一步降低了光纤的温度峰值。在总泵浦功率相同的情况下，增益光纤的温度峰值随着热点数量的增多而降低，也就是说，四热点分布方案的温度峰值低于两热点分布方案，六热点分布方案的温度峰值低于四热点分布方案。
本实施例展示了一种高功率单频掺铥光纤激光器的可行方案，实际使用时，热点数量可根据实际需要进行设计。本发明绝不应当仅限于在上文中描述的具体实施方式。
1.一种多热点分布单频掺铥光纤激光器，其特征在于，该激光器包括种子源、预放大级、滤波器、隔离器和主放大级；
所述种子源提供小功率单频激光输出；
所述预放大级包含多级预放大器，第一级预放大器的输入端与所述种子源的输出端熔接；
所述滤波器的输入端与最后一级预放大器的输出端熔接；
所述隔离器的输入端与所述滤波器的输出端熔接；
所述主放大器包括正向光纤合束器、泵浦源、增益光纤、反向光纤合束器、泵浦光剥离器，所述正向光纤合束器的信号臂与所述隔离器的输出端熔接，并且所述正向光纤合束器的泵浦臂熔接有泵浦源，所述正向光纤合束器的输出端与所述增益光纤的第一端熔接；
所述增益光纤的第二端与所述反向光纤合束器的信号臂熔接，所述反向光纤合束器的泵浦臂熔接有泵浦源，所述反向光纤合束器的输出端与所述泵浦光剥离器的输入端熔接；所述增益光纤由n段吸收系数不同的增益光纤依次熔接组成，而且n大于等于3。
2.根据权利要求1所述的一种多热点分布单频掺铥光纤激光器，其特征在于，所述预放大级包含1～4级预放大器。
3.根据权利要求1或2所述的一种多热点分布单频掺铥光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤为双包层掺铥光纤。
4.根据权利要求1或2所述的一种多热点分布单频掺铥光纤激光器，其特征在于，设依次熔接的n段增益光纤的编号为1，2，…，n-1，n，如果n为奇数，设中间段增益光纤标号为(n 1)/2，则第一段增益光纤的吸收系数到第(n 1)/2段的增益光纤的吸收系数依次递增，第(n 1)/2段增益光纤的吸收系数到第n段增益光纤的吸收系数依次递减；如果n为偶数，则中间段增益光纤标号n/2和n/2 1，则第一段增益光纤的吸收系数到第n/2段增益光纤的吸收系数依次递增，第n/2 1段增益光纤的吸收系数到第n段增益光纤的吸收系数依次递减。
5.根据权利要求4所述的一种多热点分布单频掺铥光纤激光器，其特征在于，各段光纤的纤芯折射率相同、内包层折射率也相同。
技术总结