Fiber laser

Abstract

This disclosure relates to a fiber laser (100), in particular a kilowatt fiber laser, comprising: a resonant cavity (1) and a pump light reflecting unit (2), wherein the resonant cavity (1) receives a pump light from a pump source (3) and converts the received pump light into a signal light; wherein the pump light reflecting unit (2) is adapted to reflect light coming from the resonant cavity (1) and having a wavelength within a predetermined reflection bandwidth based on a wavelength of the pump light towards the resonant cavity (1). According to certain exemplary embodiments, residual / unabsorbed pump power can be reflected back by the pump light reflecting unit into the resonant cavity, thereby doubling the transmission length of the pump power and increasing the absorption efficiency of the pump power, and the SRS effect can also be reduced by adopting a fully backward pumping architecture and shortening the fiber length.

Description

FIBER LASERTECHNICAL FIELD

[0001] This disclosure relates to the technical field of fiber lasers, in particular to a short cavity kilowatt fiber laser.BACKGROUND ART

[0002] At present, the efficiency of a high-power kilowatt NIR fiber laser is about 40%, and the efficiency mainly depends on the efficiencies of the pump source and the resonator. Concerning high efficiency of the resonator, it is generally desired that the resonator can achieve full pump absorption, which usually requires the resonator to have long active fiber length, either for forward-, backward-or a bidirectional cladding pumping architectures.

[0003] However, such long fiber may produce undesirable nonlinear effects in the laser system, such as Stimulated Raman Scattering (SRS) . In a fiber laser, the Raman scattered light stimulated by the SRS effect is transmitted bidirectionally along a length direction of the fiber. This will, for one thing, cause part of the power of the signal laser to be transferred to the Raman scattered light, resulting in power decrease of the signal laser, and, for another thing, the reflected Raman scattered light will damage fiber devices in the laser system, thus limiting further increase of the output optical power of the fiber laser. Moreover, the generation of Raman scattered light will deteriorate the output beam quality of the laser, thus affecting the application effect.

[0004] Conversely, if shorter active fibers are adopted to suppress the SRS effect, the high residual or unabsorbed pump power will be wasted, thus reducing the system efficiency and may even damage the system.

[0005] It thus can be seen that there is still plenty of room for improvement in the prior art in effectively improving the resonator efficiency.SUMMARY OF THE INVENTION

[0006] A purpose of the disclosure is to provide an improved fiber laser, which is capable of realizing double absorption of the pump power with short active fibers, and which can not only improve the system efficiency while reducing the SRS effect or raising the SRS threshold, but also reduce the manufacturing cost.

[0007] According to a first aspect of the present disclosure, there is provided a fiber laser, in particular a kilowatt fiber laser, comprising:

[0008] a resonant cavity and a pump light reflecting unit,

[0009] wherein the resonant cavity receives a pump light from a pump source and converts the received pump light into a signal light;

[0010] wherein the pump light reflecting unit is configured to reflect light coming from the resonant cavity and having a wavelength within a predetermined reflection bandwidth based on a wavelength of the pump light towards the resonant cavity.

[0011] According to an optional embodiment of the disclosure, the pump light reflecting unit comprises a fiber end cap connected to the resonant cavity and a pump light reflecting portion attached to a tip end of the fiber end cap.

[0012] According to an optional embodiment of the disclosure, the pump light reflecting unit comprises a fiber segment connected to the resonant cavity, a fiber end cap connected to the fiber segment, and a pump light reflecting portion attached to a tip end of the fiber end cap.

[0013] According to an optional embodiment of the disclosure, the predetermined reflection bandwidth has a range of the wavelength of the pump light ± 15 nm.

[0014] According to an optional embodiment of the disclosure, for light with a wavelength within the predetermined reflection bandwidth, the pump light reflecting portion has a reflectivity greater than 99%, in particular greater than 99.5%.

[0015] According to an optional embodiment of the disclosure, for light with a wavelength within a predetermined bandwidth based on a wavelength of the signal light, the pump light reflecting portion has a reflectivity less than 1%.

[0016] According to an optional embodiment of the disclosure, for Raman scattered light from the resonant cavity, the pump light reflecting portion has a reflectivity less than 1%.

[0017] According to an optional embodiment of the disclosure, the pump light reflecting portion has a damage threshold, in particular of 200 MW / cm2, for the pump light.

[0018] According to an optional embodiment of the disclosure, the resonant cavity comprises a high-reflective Bragg grating, a gain fiber and a low-reflective Bragg grating.

[0019] According to an optional example of the disclosure, the pump light enters the resonant cavity via the low-reflective Bragg grating, and is at least partially converted into the signal light by the gain fiber.

[0020] According to an optional example of the disclosure, the high-reflective Bragg grating has high reflection to wavelength bands of the signal light, with reflectivity≥ 99%and a reflection bandwidth of 4 nm.

[0021] According to an optional example of the disclosure, the low-reflective Bragg grating has low reflection to wavelength bands of the signal light, with reflectivity not greater than 10%and a reflection bandwidth of 2 nm.

[0022] According to an optional embodiment of the disclosure, the fiber end cap, the high-reflective Bragg grating, the gain fiber and the low-reflective Bragg grating are formed by an integrated double-clad fiber, wherein the high-reflective Bragg grating and the low-reflective Bragg grating are formed by inscription on a fiber core.

[0023] According to an optional embodiment of the disclosure, the gain fiber is a double-clad fiber, and the fiber end cap, the high-reflective Bragg grating, the gain fiber and the low-reflective Bragg grating are connected by fusion splicing.

[0024] According to an optional embodiment of the disclosure, the double-clad fiber is an ytterbium-doped double-clad fiber, and the signal light has a wavelength of 1080 nm.

[0025] According to an optional embodiment of the disclosure, the double-clad fiber is an erbium-doped double-clad fiber, and the signal light has a wavelength of 1550 nm.

[0026] According to an optional embodiment of the disclosure, the double-clad fiber is a large mode area fiber, with a core / inner cladding diameter of 20 / 400 μm, and a core / inner cladding numerical aperture of 0.065 / 0.46.

[0027] According to an optional embodiment of the disclosure, the fiber laser further comprises the pump source and a backward pump combiner, wherein the backward pump combiner is configured to transmit the pump light generated by the pump source to the resonant cavity.

[0028] According to an optional example of the disclosure, the pump source comprises m pump laser diode (s) , wherein m is an integer.

[0029] According to an optional example of the disclosure, the backward pump combiner is (n+1) ×1 combiner, comprising n pump light input fiber (s) and one signal fiber, wherein n is an integer, and n≥ m, particularly n=6.

[0030] According to an optional embodiment of the disclosure, the fiber laser further comprises a cladding mode stripper, wherein the signal light generated in the resonant cavity is output through the signal fiber of the backward pump combiner via the cladding mode stripper.

[0031] According to certain exemplary embodiments of the disclosure, the residual / unabsorbed pump power can be reflected back by the pump light reflecting unit into the resonant cavity, thereby doubling the transmission length of the pump power and increasing the absorption efficiency of the pump power, and the SRS effect can be reduced by adopting a fully backward pumping structure and shortening the fiber length.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0032] The principles, characteristics and advantages of this disclosure can be better understood through the detailed description below in conjunction with the accompany drawings, in which:

[0033] FIG. 1 shows a schematic diagram of main parts of a fiber laser according to an exemplary embodiment of the disclosure, in particular a possible propagation path of a pump light.

[0034] FIG. 2 shows a schematic diagram of a structure of a fiber laser according to an exemplary embodiment of the disclosure.

[0035] FIG. 3 shows a schematic diagram of a structure of a fiber laser according to another exemplary embodiment of the disclosure.DETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS

[0036] For a clearer understanding of the technical problems to be solved, technical solutions and advantageous technical effects of the disclosure, the disclosure will be described below in greater detail in conjunction with the drawings and a number of exemplary embodiments. It is to be understood that specific embodiments described herein are merely for explaining the disclosure, rather than limiting the scope thereof.

[0037] FIG. 1 shows a schematic diagram of main parts of a fiber laser 100 according to an exemplary embodiment of the disclosure, in particular a possible propagation path of a pump light; FIG. 2 shows a schematic diagram of a structure of a fiber laser 100 according to an exemplary embodiment of the disclosure, and particularly schematically shows structures of different parts and connection relationships thereof. FIG. 3 shows a schematic diagram of a structure of a fiber laser 100 according to another exemplary embodiment of the disclosure.  As shown in FIG. 1 to FIG. 3, a fiber laser 100 according to an exemplary embodiment of the disclosure comprises: a resonant cavity 1 comprising a high-reflective Bragg grating 11, a gain fiber 12 and a low-reflective Bragg grating 13 serving as a signal light output end of the resonant cavity 1 which are directly or indirectly connected optically; a pump light reflecting unit 2; a pump source 3 for generating a pump light with a predetermined wavelength; a backward pump combiner 4; and a cladding mode stripper 5. Here, the fiber laser 100 is a high-power kilowatt fiber laser, such as a 3kW fiber laser, and optionally a high-power kilowatt NIR fiber laser.

[0038] According to an exemplary embodiment of the disclosure, the pump source 3 is a semiconductor laser with fiber-coupled output, which provides pump light having wavelength of 976 nm and which is provided in a number of m, where m is an integer (only two of m are schematically shown in FIG. 1) , and in an optional example, there are six 700W pump laser diodes provided, for example. Correspondingly the backward pump combiner 4 is a kind of (n+1) ×1 backward pump combiner, comprising n pump light input fiber (s) and one central main fiber as a signal fiber, where n ≥ m, and in an optional example, (6+1) ×1 backward pump combiner is provided, for example. The fiber pigtails of m pump sources 3 are connected to the low-reflective Bragg grating 13 and thus to the resonant cavity 1 through m pump light input fibers of the (n+1) ×1 backward pump combiner 4, respectively, so that the pump light of 976 nm provided by the pump sources 3 is coupled into the resonant cavity 1 through the backward pump combiner 4 and is converted by the resonant cavity 1 into a signal light of, for example, 1080 nm, which signal light can be output through the low-reflective Bragg grating 13, the signal fiber of the backward pump combiner 4 and the cladding mode stripper 5 that filters out residual cladding light, thereby forming a fully backward pumping architecture.

[0039] According to an exemplary embodiment of the disclosure, in the resonant cavity 1, the high-reflective Bragg grating 11 has high reflection to the signal light, with reflectivity≥ 99%and a reflection bandwidth of 4 nm. The low-reflective Bragg grating 13 has low reflection to the signal light, with reflectivity not greater than 10%and a reflection bandwidth of 2 nm, thereby connecting to the backward pump combiner 4 and the cladding mode stripper 5 as a signal light output end of the resonant cavity 1. The gain fiber 12 is an active fiber with a predetermined length; when it is an ytterbium-doped double-clad fiber, the signal light has a wavelength of 1080 nm; and when it is an erbium-doped double-clad fiber, the signal light has a wavelength of 1550 nm; or when the gain fiber 12 is a double-clad fiber doped with another rare earth element, the signal light has a wavelength corresponding thereto.

[0040] According to an exemplary embodiment of the disclosure, the high-reflective Bragg grating 11, the gain fiber 12 and the low-reflective Bragg grating 13 can be formed by an integrated double-clad fiber, and the high-reflective Bragg grating 11 and the low-reflective Bragg grating 13 are formed by inscription on a fiber core. Optionally, according to another exemplary embodiment of the disclosure, the high-reflective Bragg grating 11, the gain fiber 12 as a double-clad fiber and the low-reflective Bragg grating 13 are connected by fusion splicing. Preferably, the double-clad fiber used in the resonant cavity 1 is a large mode area fiber with a core / inner cladding diameter of 20 / 400 μm, and a core / inner cladding numerical aperture (NA) of 0.065 / 0.46.

[0041] According to an exemplary embodiment of the disclosure, one end of the high-reflective Bragg grating 11 opposite to the gain fiber 12 is connected to a pump light reflecting unit 2 adapted to reflect the pump light. The pump light reflecting unit 2 comprises a fiber end cap 21 connected to the high-reflective Bragg grating 11 and a pump light reflecting portion 22 attached to a tip end of the fiber end cap 21. The pump light reflecting unit 2 may further comprise a fiber segment 20 connected to the fiber end cap 21 and to the high-reflective Bragg grating 11. Optionally, the fiber end cap 21, or the fiber segment 20, if provided, is spliced with the fiber of the high-reflective Bragg grating 11 through fiber splicing; or, the fiber end cap 21 or the fiber segment 20 may also be formed, together with the high-reflective Bragg grating 11, the gain fiber 12 and the low-reflective Bragg grating 13, by an integrated double-clad fiber. FIG. 2 schematically shows the fiber end cap 21, and at the tip end thereof a pump light reflecting portion 22 is notably shown with a black solid block. This drawing does not limit the specific form or configuration of the fiber end cap 21 and the pump light reflecting portion 22, and both can be formed of any suitable size and shape. Particularly for the pump light reflecting portion 22, it may be, for example, a suitable laser reflective film, in particular a reflective coating for pump light, more in particular a film coated / plated over the entire end surface of the tip end of the fiber end cap, and it may additionally or alternatively comprise a cladding fiber of a Bragg grating that is highly reflective to the pump light. In addition, in another embodiment shown in FIG. 3, the pump light reflecting unit 2 comprises only the fiber segment 20 but not the fiber end cap 21. In this case, the pump light reflecting portion 22 may be, for example, a reflective coating for pump light attached to the tip end of the fiber segment 20, in particular a film coated / plated over the entire end surface of the tip end of the fiber segment.

[0042] According to an exemplary embodiment of the disclosure, a central reflection wavelength of the pump light reflecting portion 22 is the wavelength of the pump light, which is 976 nm here. The pump light reflecting portion 22 may have a predetermined reflection bandwidth based on a range of the wavelength of the pump light ±15 nm, which is 961 nm to 991 nm  here. In another example, when the pump light has a wavelength of 915 nm, the predetermined reflection bandwidth may range from 900 nm to 930 nm. In addition, the predetermined reflection bandwidth may also be selected as 960 nm to 990 nm, or 900 nm to 990 nm as required, or a reflection bandwidth greater than 90 nm may also be selected as required. The pump light reflecting portion 22 has high reflection to light with wavelength within a predetermined reflection bandwidth, with reflectivity greater than 99% (R>99%) , more preferably greater than 99.5%. Moreover, the pump light reflecting portion 22 is anti-reflective or transmission-increasing to the signal light, or is anti-reflective or transmission-increasing to the light with wavelength ranging from 1030 nm to 1150 nm, with reflectivity preferably less than 1% (R<1%) . In addition, for Raman scattered light from the resonant cavity 1, the pump light reflecting portion 22 has a reflectivity less than 1%, so that the Raman scattered light is not reflected back to the resonant cavity 1 as far as possible. The pump light reflecting portion 22 has a high damage threshold for the pump light, such as 200MW / cm2. Preferably, the pump light reflecting portion 22 is adapted to process light of a total power density less than 40kW / cm2, namely, the pump light and the signal light here, as well as the Raman scattered light, if present. Preferably, the pump light reflecting unit 2 is also processed (for example, coated with a light-absorbing material) to be able to eliminate less than 1%of the pump light and less than 1%of the signal light as well as possible Raman scattered light that may leak out or penetrate from the pump light reflecting portion 22. For a 3kW fiber laser, the total power of these leaked lights generally does not exceed 50W.

[0043] According to the fiber laser 100 of the disclosure, the pump light from the pump source 3 and combined by the backward pump combiner 4 passes through the low-reflective Bragg grating 13, the gain fiber 12, and the high-reflective Bragg grating 11 in sequence to enter the resonant cavity 1 in a backward direction. At this point, the signal light generated by the absorption of the pump light by the gain fiber 12 is substantially reflected back to the resonant cavity 1 at the high-reflective Bragg grating 11 and is mostly transmitted out through the low-reflective Bragg grating 13 serving as an output end of the resonant cavity 1, while the unabsorbed residual pump light is output from the resonant cavity 1 to the pump light reflecting unit 2 through the high-reflective Bragg grating 11 and, after being reflected by the pump light reflecting portion 22 in the pump light reflecting unit 2, enters the resonant cavity 1 again (as shown by the double arrows in FIG. 1) , meaning that it passes through the high-reflective Bragg grating 11, the gain fiber 12 and the low-reflective Bragg grating 13 in sequence, thereby undergoing a doubled propagation length and thus being absorbed as fully as possible, even achieving full absorption. Meanwhile, the very tiny amount of signal light leaked at the high-reflective Bragg grating 11 and the possibly generated Raman scattered light will not be reflected by the pump light reflecting portion 22 but are released, thereby eliminating potential external cavity interference and suppressing the SRS effect.

[0044] With the fiber laser 100 according to the present disclosure, which allows the residual pump light that remains unabsorbed after a single propagation to be reflected back to the resonant cavity 1 through the pump light reflecting unit 2 in order to be propagated and absorbed for a second time, the transmission length of the pump power in the resonant cavity 1 can be doubled, and the absorption efficiency of the pump power can be increased compared with the conventional laser that transmits the pump power only once. Moreover, as the pump power can be transmitted twice, the length of the gain fiber can be appropriately shortened, for example, by about 30%, to obtain a short-cavity fiber laser, and as the pump power can be propagated twice in a short resonant cavity, the actual transmission path of the pump power in such a short-cavity fiber laser can still be increased, thus still obtaining higher absorption efficiency or even full absorption, as described above, which can avoid energy waste. Furthermore, by using a fully backward pumping architecture, the fiber laser 100 with a high absorptivity and a shorter cavity can further reduce the SRS effect. It has been proved through experiments that, compared with the various fiber lasers in the prior art, the fiber laser 100 according to the present disclosure has a notably improved linearity and requires less power compensation, and its electrical-optical conversion efficiency is also significantly improved. Furthermore, the manufacturing cost of the fiber laser 100 according to the disclosure is low.

[0045] While specific embodiments of the disclosure have been described in detail here, they have been presented only for the purpose of explanation and should not be construed as limitations on the scope of the disclosure. Various substitutions, changes and modifications can be devised without departing from the spirit and scope of the disclosure.

Claims

1.A fiber laser (100) , in particular a kilowatt fiber laser, comprising:a resonant cavity (1) and a pump light reflecting unit (2) ,wherein the resonant cavity (1) receives a pump light from a pump source (3) and converts the received pump light into a signal light;wherein the pump light reflecting unit (2) is configured to reflect light coming from the resonant cavity (1) and having a wavelength within a predetermined reflection bandwidth based on a wavelength of the pump light towards the resonant cavity (1) .2.The fiber laser according to claim 1, whereinthe pump light reflecting unit (2) comprises a fiber end cap (21) connected to the resonant cavity (1) and a pump light reflecting portion (22) attached to a tip end of the fiber end cap (21) ; orthe pump light reflecting unit (2) comprises a fiber segment (20) connected to the resonant cavity (1) and a pump light reflecting portion (22) attached to a tip end of the fiber segment (20) ; and / orthe pump light reflecting portion (22) is a reflective coating for the pump light.3.The fiber laser according to claim 1 or 2, whereinthe predetermined reflection bandwidth has a range of the wavelength of the pump light ±15 nm.4.The fiber laser according to claim 3, whereinfor light with a wavelength within the predetermined reflection bandwidth, the pump light reflecting portion (22) has a reflectivity greater than 99%, in particular greater than 99.5%; and / orfor light with a wavelength within a predetermined bandwidth based on a wavelength of the signal light, the pump light reflecting portion (22) has a reflectivity less than 1%; and / orfor Raman scattered light from the resonant cavity (1) , the pump light reflecting portion (22) has a reflectivity less than 1%.5.The fiber laser according to claim 2, whereinthe pump light reflecting portion (22) has a damage threshold, in particular of 200 MW / cm2, for the pump light.6.The fiber laser according to claim 2, whereinthe resonant cavity (1) comprises a high-reflective Bragg grating (11) , a gain fiber (12) and a low-reflective Bragg grating (13) , and wherein:the pump light enters the resonant cavity (1) via the low-reflective Bragg grating (13) , and is at least partially converted into the signal light by the gain fiber (12) ; and / orthe high-reflective Bragg grating (11) has high reflection to wavelength bands of the signal light, with reflectivity≥99%and a reflection bandwidth of 4 nm; and / orthe low-reflective Bragg grating (13) has low reflection to wavelength bands of the signal light, with reflectivity not greater than 10%and a reflection bandwidth of 2 nm.7.The fiber laser according to claim 6, whereinthe fiber end cap (21) and / or the fiber segment (20) , the high-reflective Bragg grating (11) , the gain fiber (12) and the low-reflective Bragg grating (13) are formed by an integrated double-clad fiber, wherein the high-reflective Bragg grating (11) and the low-reflective Bragg grating (13) are formed by inscription on a fiber core; orthe gain fiber (12) is a double-clad fiber, and the fiber end cap (21) and / or the fiber segment (20) , the high-reflective Bragg grating (11) , the gain fiber (12) and the low-reflective Bragg grating (13) are connected by fusion splicing.8.The fiber laser according to claim 7, whereinthe double-clad fiber is an ytterbium-doped double-clad fiber, and the signal light has a wavelength of 1080 nm; orthe double-clad fiber is an erbium-doped double-clad fiber, and the signal light has a wavelength of 1550 nm; and / orthe double-clad fiber is a large mode area fiber, with a core / inner cladding diameter of 20 / 400 μm, and a core / inner cladding numerical aperture of 0.065 / 0.46.9.The fiber laser according to any one of claims 6 to 8, further comprising the pump source (3) and a backward pump combiner (4) , wherein the backward pump combiner (4) is configured to transmit the pump light generated by the pump source (3) into the resonant cavity (1) ,wherein the pump source (3) comprises m pump laser diode (s) , wherein m is an integer; and / orwherein the backward pump combiner (4) is a (n+1) ×1 combiner, comprising n pump light input fiber (s) and one signal fiber, wherein n is an integer, and n≥ m, particularly n=6.10.The fiber laser according to claim 9, further comprising a cladding mode stripper (5) , wherein the signal light generated in the resonant cavity (1) is output through the signal fiber of the backward pump combiner (4) via the cladding mode stripper (5) .

Images