CN100583575C - 瓦级980nm单模掺镱光纤激光器与其倍频系统的组合装置 - Google Patents
瓦级980nm单模掺镱光纤激光器与其倍频系统的组合装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明是一种瓦级980nm单模掺镱光纤激光器与其倍频系统的组合装置。Nd:YAG固体激光器泵浦源采用折叠式泵浦方式入射到单模掺镱光纤中，光纤激光器的谐振腔是整个单模掺镱光纤，单模掺镱光纤的两0度角光纤端面作为谐振腔的腔镜，通过合理选择光纤长度来抑制四能级起振和实现980nm激光的最大输出，使用倍频晶体BIBO对980nm激光进行倍频获得490.8nm的蓝光。通过这套结构简单，操作方便的系统实现了瓦级单模980nm激光输出，倍频后获得了15mW的490.8nm蓝光。这种980nm单模掺镱光纤激光器可作为掺铒光纤放大器的泵浦光源，广泛应用于通信。倍频后获得的490.8nm蓝光可应用于海底通信，海洋资源探测。
Description
技术领域
本发明涉及一种瓦级980nm单模掺镱光纤激光器与其倍频系统的组合装置，属激光技术领域。
背景技术
光纤激光器是以掺有稀土离子的光纤作为增益介质的激光器，随着掺杂技术不断发展，掺杂光纤的设计与制造的水平也在逐步提高，加上高功率半导体激光器的飞速发展，使得光纤激光器的优势特点在激光加工、激光医疗、光通信及国防等应用领域得到充分的发挥，与传统的固体激光器竞争，成为当前激光领域中发展最快的激光技术之一。
在众多的掺杂光纤激光器中，掺镱光纤激光器发展最为迅速。当前高功率的光纤激光器主要以四能级的掺镱光纤激光器为主。与其他掺杂光纤激光器相比，它不存在激发态吸收(ESA)，不存在浓度淬灭效应和量子转换效率高的优点。准三能级掺镱光纤激光器的输出波长为980nm，980nm激光器是掺铒光纤放大器的重要泵浦光源。随着密集波分复用的频道数的增加，对掺铒光纤放大器输出激光的功率提出了越来越高的要求，获得高功率高光束质量980nm激光源就成为需要解决的关键问题之一。另外980nm激光通过倍频还可以获得490nm蓝绿光的输出，490nm蓝绿波段是海水的窗口波段，在海底通信，海洋资源探测中具有重要应用。
准三能级单模掺镱光纤激光器在国内鲜有报道，在国外报道也不多。2000年Corning公司用1.1W的Nd:YAG(掺钕的钇铝石榴石)固体激光器泵浦单包层掺镱全光纤激光器获得了0.65W的单模980nm激光。2005年巴黎南大学用915nmNd:YVO4(掺钕的钒酸钇)固体激光器泵浦单模掺镱光纤激光器获得了2W的978nm激光输出，经过PPLN(周期性极化铌酸锂)倍频晶体获得83mW的489nm的蓝绿光。全光纤激光器利用光栅为反馈腔镜和输出镜实验了980nm小功率输出，这种简单方便的结构是准三能级掺镱光纤激光器的发展趋势，但是这种激光器输出功率较小，不能满足一些应用中的要求。使用一般的平镜作为腔镜实验2W978nm输出的光纤激光器结构复杂，稳定性差，并且由于倍频晶体PPLN的接受波长和温度带宽都很小，而且周期性极化晶体的厚度方向尺寸很小，这对输出980nm的光束质量和聚焦系统均有很高的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种瓦级980nm单模掺镱光纤激光器和其倍频系统，本发明具有功率大、结构简单、操作方便的优点。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本发明包括沿光的传播方向依次设置的808nm半导体激光器、第一透镜、第二透镜、946nmNd:YAG固体激光器、946nm高反镜、第一二色镜、第三透镜、单模掺镱光纤、第四透镜、第二二色镜和倍频系统。所述的946nmNd:YAG固体激光器包括Nd:YAG晶体和凹面输出镜。所述的倍频系统包括第五透镜、第一BIBO晶体、第一滤光镜、第六透镜、第二BIBO晶体和第二滤光镜。从808nm半导体激光器发出的激光依次经过第一透镜、第二透镜准直聚焦后，泵浦Nd:YAG晶体；946nmNd:YAG固体激光器通过凹面输出镜5输出946nm激光，946nm激光依次经过946nm高反镜和第一二色镜折叠，再经过第三透镜聚焦到单模掺镱光纤中，980nm激光和剩余的946nm泵浦光从单模掺镱光纤的两端面出射，分别经过第三透镜和第四透镜准直后，又分别透过第一二色镜和第二二色镜滤光得到980nm激光，从第一二色镜和第二二色镜出射的980nm激光分别通过倍频系统中的第六透镜和第五透镜聚焦到第二BIBO晶体和第一BIBO晶体上进行倍频，再分别经过第二滤光镜和第一滤光镜将980nm基频光滤除，获得490.8nm蓝光输出。
本发明用结构最简单的谐振腔实现了946nm泵浦的瓦级准三能级单模掺镱光纤激光器，通过对光纤长度的选择获得980nm激光的最大输出，并且采用块状的倍频晶体BIBO构成了结构简单，操作方便的倍频系统，较容易地实现了对单模宽线宽980nm激光的倍频，倍频后获得了15mW的490.8nm蓝光。这种980nm单模掺镱光纤激光器可作为掺铒光纤放大器的泵浦光源，广泛应用于通信，倍频后获得490.8nm蓝光可应用于海底通信，海洋资源探测。
附图说明
图1本发明946nm固体激光器泵浦准三能级单模掺镱光纤激光器及倍频系统的结构示意图
图中：1.808nm半导体激光器，2.第一透镜，3.第二透镜，4.Nd:YAG晶体，5.凹面输出镜，6.946nm高反镜，7.第一二色镜，8.第三透镜，9.单模掺镱光纤，10.第四透镜，11.第二二色镜，12.第五透镜，13.第一BIBO晶体，14.第一滤光镜，15.第六透镜，16.第二BIBO晶体，17.第二滤光镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本实施例包括带尾纤的808nm半导体激光器1、第一透镜2、第二透镜3、946nmNd:YAG固体激光器、946nm高反镜6、第一二色镜7、第三透镜8、单模掺镱光纤9、第四透镜10、第二二色镜11和倍频系统。所述的946nmNd:YAG固体激光器包括Nd:YAG晶体4和凹面输出镜5。所述的倍频系统包括第五透镜12、第一BIBO晶体13、第一滤光镜14、第六透镜15、第二BIBO晶体16和第二滤光镜17。
如图1所示：808nm半导体激光器1发出的激光通过芯径200μm、数值孔径为0.22的尾纤输出，LD最大电流32.8A对应808nm激光最大输出功率为23.4W。808nm光依次经过两焦距均为25mm的第一凸透镜2、第二凸透镜3准直聚焦后，泵浦Nd:YAG晶体，Nd:YAG固体激光器通过凹面输出镜5输出946nm激光，其输出最大为4.23W的946nm的激光(电流I＝32.8A)，其最大基模输出功率为3.44W(电流I＝28A)。946nm激光依次通过946nm高反镜6和第一二色镜7折叠，再经过第三透镜8(焦距f＝12.7)聚焦到36mm的单模掺镱光纤9中，946nm光基模输出时的入纤耦合效率为58.1％。980nm激光从单模掺镱光纤9的两端面出射，分别经过第三透镜8、第四透镜10准直后，又分别通过第一二色镜7、第二二色镜11出射，第一二色镜7、第二二色镜11是对946nm光高反，对980nm光高透，起滤光的作用。测量得到从第一二色镜7出射的激光最大功率为642mW，从第二二色镜11出射的激光最大功率为681mW，泵浦光阈值约为68mW，激光器的总斜效率为75.3％，光转化效率为66％(从入纤946nm泵浦光到980nm激光输出)。激光在978nm～982nm均有输出，输出线宽为4nm，中心波长为980nm。
将从第一二色镜7、第二二色镜11出射的单模980nm激光分别通过第六透镜15和第五透镜12聚焦到两个3×3×10(mm)未镀膜的第二BIBO晶体16和第以BIBO晶体13上进行倍频，再经过第二滤光镜17和第一滤光镜14，将980nm基频光滤除，最后获得了总功率为15mW的490.8nm蓝绿激光，倍频转化效率为1.1％。
946nmNd:YAG端泵固体激光器4是掺镱光纤激光器的泵浦源。单模掺镱光纤在946nm处的吸收截面相对较大，而且单模光纤要求的泵浦光光束质量高，因此采用946nmNd:YAG端泵固体激光器作为泵浦源，946nm激光最大输出为4.23W(电流I＝32.8A)，激光基模最大输出功率为3.44W(电流I＝28A)。通过946nm高反镜6和第一二色镜7折叠并且通过第三透镜8聚焦入射到单模掺镱光纤9中。这样有利于实现激光双端出射，并且能够避免980nm激光入射到Nd:YAG固体激光器4中影响946nm光的输出甚至损坏晶体。
掺镱光纤谐振腔就是整个单模掺镱光纤9，946nm泵浦光是通过折叠式入射到单模掺镱光纤9中，单模掺镱光纤9的芯径为6μm，对泵浦光946nm吸收系数大约为30dB/m，光纤两端面被研磨成0度角，并且直接作为谐振腔的两腔镜，光纤两端面对激光的反射率为4％(菲涅尔反射)，与用平面镜作为腔镜的谐振腔相比，最大限度地降低了腔内损耗，并且结构简单，调节方便。激光从单模掺镱光纤9两端面出射，分别通过第三透镜8和第四透镜10聚焦，又分别透过第一二色镜7和第二二色镜11滤光，滤除946nm泵浦光，得到980nm激光。从单模掺镱光纤9两端输出的功率相等。
由于掺镱光纤激光器的四能级非常容易起振，所以抑制四能级起振是保证准三能级运转的前提。在泵浦吸收系数和激光吸收系数确定的情况下，单模掺镱光纤激光器中四能级的增益是与准三能级的增益成线性正比关系的，而准三能级的增益与光纤长度有密切关系。通过选择合适的光纤长度可以使得四能级增益小于准三能级增益，从而保证准三能级掺镱光纤激光器的正常运转。准三能级掺镱光纤激光器对激光有重吸收效应，在满足充分吸收泵浦光的前提下，选择光纤长度要避免掺镱光纤对激光有过多的重吸收。所以设计增益光纤长度必须均衡考虑激光的最大输出和抑制四能级起振对光纤长度的要求，即光纤长度在满足抑制四能级起振的前提下，光纤长度需要符合以下原则：当泵浦光传播到光纤末端时，剩余的泵浦光功率正好等于光纤准三能级起振的阈值功率，这时输出激光功率最大，激光器效率也最高。经过理论数值模拟和实验验证，单模掺镱光纤存在一个最佳长度值，为34cm。
本实施例中的倍频系统是用新型晶体BIBO对聚焦后的980nm激光进行倍频获得490.8nm蓝光。选择倍频晶体的关键因素有：非线性系数、接受波长、温度带宽和走离角等。报道中倍频准三能级掺镱光纤激光器产生490nm的蓝光通常使用周期性极化晶体：PPLN和PPKTP(周期性极化磷酸钛氧钾)。尽管周期性极化晶体的非线性系数很高，但是它的接受波长和温度带宽都很小，即对基频光的线宽要求很窄，对晶体的温度需要严格的控制，而且周期性极化晶体的厚度方向尺寸很小，对基频光的光束质量和耦合系统要求很高。所以在实验中，我们考虑使用其他的倍频晶体。BIBO晶体是一种比较新型的晶体，尽管BIBO晶体在I类相位匹配情况下的走离角比较大，但其非线性系数(deff＝3.24)是LBO(三硼酸锂)的4倍，是BBO(偏硼酸钡)倍频晶体的1.6倍，损伤阈值很高与LBO晶体相似，最大接受角度和最大接受温度均满足实验的要求。综合考虑后，在本实验中选用BIBO晶体对单模980nm激光进行倍频。在本发明中，第一次使用了BIBO晶体对准三能级掺镱光纤激光器激光进行倍频，两端输出的980nm激光分别通过透镜聚焦到3×3×10(mm)的BIBO晶体上，980nm激光倍频后获得的490.8nm蓝光透过滤光镜(滤出980nm基频光)输出。
Claims (1)
1、瓦级980nm单模掺镱光纤激光器与其倍频系统的组合装置，包括沿光的传播方向依次设置的808nm半导体激光器(1)、第一透镜(2)、第二透镜(3)、946nmNd:YAG固体激光器；所述的946nmNd:YAG固体激光器包括Nd:YAG晶体(4)和凹面输出镜(5)；其特征在于：还包括946nm高反镜(6)、第一二色镜(7)、第三透镜(8)、单模掺镱光纤(9)、第四透镜(10)、第二二色镜(11)和倍频系统；所述的单模掺镱光纤两端面被研磨成0度角，并且直接作为谐振腔的两腔镜；所述的倍频系统包括第五透镜(12)、第一BIBO晶体(13)、第一滤光镜(14)、第六透镜(15)、第二BIBO晶体(16)和第二滤光镜(17)；从808nm半导体激光器(1)发出的激光依次经过第一透镜(2)、第二透镜(3)准直聚焦后，泵浦Nd:YAG晶体(4)；946nmNd:YAG固体激光器通过凹面输出镜(5)输出946nm激光，946nm激光依次经过946nm高反镜(6)和第一二色镜(7)折叠，再经过第三透镜(8)聚焦到单模掺镱光纤(9)中，980nm激光和剩余的946nm泵浦光从单模掺镱光纤(9)的两端面出射，分别经过第三透镜(8)和第四透镜(10)准直后，再分别透过第一二色镜(7)和第二二色镜(11)滤光得到980nm激光，从第一二色镜(7)和第二二色镜(11)出射的980nm激光分别通过倍频系统中的第六透镜(15)和第五透镜(12)聚焦到第二BIBO晶体(16)和第一BIBO晶体(13)上进行倍频，再分别经过第二滤光镜(17)和第一滤光镜(14)将980nm基频光滤除，获得490.8nm蓝光输出。
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