CN104092087A

CN104092087A - 一种高能量短脉冲光纤激光放大器

Info

Publication number: CN104092087A
Application number: CN201410271354.XA
Authority: CN
Inventors: 徐善辉; 杨中民; 李�灿; 冯洲明
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2014-06-18
Filing date: 2014-06-18
Publication date: 2014-10-08

Abstract

本发明提供了一种高能量短脉冲光纤激光放大器，所述放大器包括新型大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤、光纤合束器以及多模半导体泵浦光源，本发明采用高增益双包层玻璃光纤作为激光放大介质，泵浦吸收系数比商用同类石英光纤高10倍以上，可以在很短的光纤长度上实现数十mJ的高能量短脉冲激光输出。由于作为激光放大介质的大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤很短（可达厘米量级），而且大的模场面积可减弱光强度与纤芯折射率的调制效应，故光纤中的低阶非线性效应很小，因此在获得更稳定、更高能量的脉冲激光输出的同时，整个激光放大结构也更加紧凑。该发明可应用于激光雷达、激光测距与指示、远距离传感等领域。

Description

一种高能量短脉冲光纤激光放大器

技术领域

本发明涉及高能量短脉冲激光技术领域，具体涉及一种高能量短脉冲光纤激光放大器。

背景技术

高能量短脉冲激光光源在激光雷达、激光测距与指示、远距离传感等领域有显著应用。而激光脉冲能量直接决定其工作距离，因此，高能量短脉冲激光输出前的末级光放大技术至关重要。

目前针对高能量短脉冲激光的放大技术，按照增益介质来分主要有两类：晶体及光纤。与晶体这种全固体激光放大相比，高能量短脉冲的光纤放大方案具有全光纤化、体积小且紧凑、光束质量好、无热棱镜效应等优点。但是，其在高能量脉冲方面与全固体激光放大器相比，主要参数（峰值功率与平均功率之积）还存在至少一个数量级的差距。这是因为光纤中存在着低阶非线性效应——自相位调制（SPM），四波混频（FWM），自聚焦，受激拉曼散射（SRS），受激布里渊散射（SBS），直接制约高能量短脉冲激光的放大性能。因此，光纤中实现高能量短脉冲放大的最大挑战是减小非线性效应的影响。而光纤中低阶非线性效应产生的根本原因是光强度与纤芯折射率的调制关系，为了减小光纤中非线性效应的影响，可通过增大模场直径的同时，增加泵浦吸收系数，从而缩短光纤长度。石英光纤一般采用增大模场直径来实现高能量短脉冲激光的放大，而要进一步实现更高能量（数十毫焦级）更短脉冲（飞秒量级）的放大，则需要再进一步提高光纤的泵浦吸收系数。但从稀土氧化物与石英（SiO₂）的相图可知，在稀土离子含量达到一定水平时，稀土和石英之间则出现了不混溶（分相）现象。因此，必须寻求新的基质玻璃材料，以满足对稀土离子溶解度的要求。

研究发现：多组分玻璃对稀土离子具有较大的溶解度，特别是氟化物和磷酸盐玻璃，对稀土离子的溶解度高达上百万ppm，并且也未发现因稀土离子高浓度掺杂而引起的荧光淬灭现象。稀土离子掺杂磷酸盐玻璃由于具有较强的机械强度、较好的化学稳定性和极低上转换发光效率而受到广泛关注。目前，各国对基于稀土离子掺杂磷酸盐玻璃的双包层光纤也进行了深入系统的研究，已经拉制成功了大模场双包层单模磷酸盐光纤，其泵浦吸收系数最高达到260 dB/m，比商用同类稀土掺杂石英光纤高1-2个数量级，相应的增益系数也可以比稀土石英光纤高1个数量级。以稀土离子掺杂大模场双包层磷酸盐玻璃光纤作为增益介质能够实现更紧凑的光纤放大结构设计，从而进一步降低光纤的非线性效应，以获得更稳定、更高能量的脉冲激光输出，有利于突破传统石英光纤放大器的限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种高能量短脉冲光纤激光放大器，其利用大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤作为激光增益介质，采用多模半导体泵浦光源进行前向泵浦。由于大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤具有极高的泵浦吸收系数，可使光纤放大器结构更加紧凑，并进一步降低光纤的非线性效应，最终可实现更稳定、更高能量的脉冲激光输出。本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种高能量短脉冲光纤激光放大器，其包括n个多模半导体泵浦光源、（n+1）×1光纤合束器、大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤；各部件的结构关系是：n个多模半导体泵浦光源分别与（n+1）×1光纤合束器的n个泵浦端口连接，大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤作为激光放大介质，与（n+1）×1光纤合束器的输出端口连接。激光泵浦方式采用前向泵浦，n个多模半导体泵浦光源产生的泵浦光分别经由（n+1）×1光纤合束器的n个泵浦端口耦合进大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤中进行泵浦。所述n为自然数，且 n≥2。

进一步优化的，所述大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤的纤芯成分为磷酸盐玻璃，组成为xP₂O₅-yAl₂O₃-uBaO-wLa₂O₃-zRE₂O₃(其中，0＜x＜100，0＜y＜10，0＜u＜20，0＜w＜10，0＜z＜10，RE为掺杂的发光离子)，所述大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤（3）的纤芯掺杂高浓度的发光离子，所述发光离子为镧系离子、过渡金属离子中一种或多种的组合体,所述发光离子掺杂浓度大于1×10¹⁹ ions/cm³,且在纤芯中是均匀掺杂。

进一步优化的，所述大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤的纤芯直径为20-200 μm，纤芯数值孔径NA小于0.05，泵浦包层（内包层）直径为纤芯直径的4倍，内包层数值孔径NA为0.6-0.8，光纤外径大于1.5倍内包层直径。

进一步优化的，所述大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤纤芯折射率为N1，光纤内、外包层的折射率分布为N2和N3，且满足关系： N1>N2>N3，在纤芯与内包层以及内包层与外包层的界面上的折射率阶跃变化，光纤内包层的横截面形状是圆形、矩形或D型。

进一步优化的，所述大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤和（n+1）×1光纤合束器的输出端之间是通过研磨抛光各自的光纤端面后直接对接耦合，或者通过光纤熔接机熔接耦合的。

进一步优化的，所述大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤的内包层与（n+1）×1光纤合束器的输出端光纤的内包层是直接匹配的。

进一步优化的，所述大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤的另一端被研磨抛光成斜面或镀增透膜以防止端面反射。

进一步优化的，所放大的脉冲激光的脉宽小于100纳秒。

上述高能量短脉冲光纤激光放大器，可根据实际需求确定（n+1）×1光纤合束器的泵浦端口数以及对应的多模半导体泵浦光源的个数。

与现有技术相比，本发明的技术效果是：采用很短的大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤作为激光放大介质，多模半导体泵浦光源进行前向泵浦，在泵浦光源的连续激励下，磷酸盐光纤中的高掺杂稀土粒子发生反转产生受激发射，可对脉宽小于100纳秒的任意脉冲激光放大获得高能量短脉冲的激光输出。由于作为激光放大介质的大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤很短（可达厘米量级），而且大的模场面积可减弱光强度与纤芯折射率的调制效应，故光纤中的低阶非线性效应很小，因此在获得更稳定、更高能量的脉冲激光输出的同时，整个激光放大结构也更加紧凑。

附图说明

图1 为本发明实施例高能量短脉冲光纤激光放大技术原理示意图。

图2a~图2c 分别为本发明实施例图1高能量短脉冲光纤激光放大器中大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤3端面的三种结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，需要说明的是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围，未特别说明的部件可参照现有技术实现。

实施例

图1为本发明实施例的高能量短脉冲光纤激光放大器原理示意图，其中泵浦方式为多模半导体泵浦光源经由光纤合束器耦合进大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤的前向泵浦。大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤3作为激光放大介质，与（n+1）×1光纤合束器2的输出端口连接。激光泵浦方式采用前向泵浦，n个多模半导体泵浦光源1产生的泵浦光分别经由（n+1）×1光纤合束器2的n个泵浦端口耦合进大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤3中进行泵浦（图1）。大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤3是通过钻孔法、管棒法制作预制棒，并在光纤拉制塔中拉制而成的。其光纤纤芯成分为磷酸盐玻璃，其组成为： xP₂O₅-yAl₂O₃-uBaO-wLa₂O₃-zRE₂O₃ (其中，0＜x＜100，0＜y＜10，0＜u＜20，0＜w＜10，0＜z＜10，RE为掺杂的发光离子)，如70P₂O₅-8Al₂O₃-15BaO-4La₂O₃-3Nd₂O₃，纤芯直径为20-200 μm，纤芯折射率为N1，内外包层的折射率分布为N2和N3，且满足波导关系： N1>N2>N3，且在纤芯与内包层以及内包层与外包层的界面上折射率阶跃变化。光纤内包层的横截面形状是圆形（图2a）、矩形（图2b）或D型（图2c），其中包括纤芯201、内包层202和外包层203。纤芯掺杂高浓度的发光离子（镧系离子、过渡金属离子中一种或几种的组合体），稀土离子的掺杂浓度要大于1×10¹⁹ ions/cm³。稀土离子在纤芯中是均匀的高浓度掺杂。增益光纤长度一般小于10 cm（如0.5～5cm），可根据实际需求来确定，同样可调整的是（n+1）×1光纤合束器2的泵浦端口数以及对应的多模半导体泵浦光源1的个数。由于作为激光放大介质的大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤很短（可达厘米量级），而且大的模场面积可减弱光强度与纤芯折射率的调制效应，故光纤中的低阶非线性效应很小，因此在获得更稳定、更高能量的脉冲激光输出的同时，整个激光放大结构也更加紧凑。该高能量短脉冲光纤激光放大器可应用于脉宽小于100纳秒的脉冲激光放大。本发明采用高增益双包层玻璃光纤作为激光放大介质，泵浦吸收系数比商用同类石英光纤高10倍以上，相比之下可以在很短的光纤长度上实现数十mJ的高能量短脉冲激光输出。

Claims

1.一种高能量短脉冲光纤激光放大器，其特征在于包括n个多模半导体泵浦光源（1）、（n+1）×1光纤合束器（2）、大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤（3）；各部件的结构关系是：n个多模半导体泵浦光源（1）分别与（n+1）×1光纤合束器（2）的n个泵浦端口连接，大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤（3）作为激光放大介质，与（n+1）×1光纤合束器（2）的输出端口连接；激光泵浦方式采用前向泵浦，n个多模半导体泵浦光源（1）产生的泵浦光分别经由（n+1）×1光纤合束器（2）的n个泵浦端口耦合进大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤（3）中进行泵浦；所述n为自然数，且 n≥2。

2.如权利要求1所述的高能量短脉冲光纤激光放大器，其特征在于所述大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤（3）的纤芯成分为磷酸盐玻璃，组成为xP₂O₅-yAl₂O₃-uBaO-wLa₂O₃-zRE₂O₃，其中，0＜x＜100，0＜y＜10，0＜u＜20，0＜w＜10，0＜z＜10，RE为掺杂的发光离子，所述大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤（3）的纤芯掺杂高浓度的发光离子，所述发光离子为镧系离子、过渡金属离子中一种或多种的组合体,所述发光离子掺杂浓度大于1×10¹⁹ions/cm³,且在纤芯中是均匀掺杂。

3.如权利要求2所述的高能量短脉冲光纤激光放大器，其特征在于所述大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤（3）的纤芯直径为20-200 μm，纤芯数值孔径NA小于0.05，泵浦包层即内包层直径为纤芯直径的4倍，内包层数值孔径NA为0.6-0.8，光纤外径大于1.5倍内包层直径。

4.如权利要求3所述的高能量短脉冲光纤激光放大器，其特征在于所述大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤（3）纤芯折射率为N1，光纤内、外包层的折射率分布为N2和N3，且满足关系： N1>N2>N3，在纤芯与内包层以及内包层与外包层的界面上的折射率阶跃变化，光纤内包层的横截面形状是圆形、矩形或D型。

5.如权利要求1所述的高能量短脉冲光纤激光放大器，其特征在于所述大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤（3）和（n+1）×1光纤合束器（2）的输出端之间是通过研磨抛光各自的光纤端面后直接对接耦合，或者通过光纤熔接机熔接耦合的。

6.如权利要求5所述的高能量短脉冲光纤激光放大器，其特征在于所述大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤（3）的内包层与（n+1）×1光纤合束器（2）的输出端光纤的内包层是直接匹配的。

7.如权利要求5所述的高能量短脉冲光纤激光放大器，其特征在于所述大模场双包层稀土掺杂磷酸盐玻璃光纤（3）的另一端被研磨抛光成斜面或镀增透膜以防止端面反射。

8.如权利要求1所述的高能量短脉冲光纤激光放大器，其特征在于所放大的脉冲激光的脉宽小于100纳秒。