CN101257179A - 可调谐掺铥光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
一种可调谐掺铥光纤激光器，特点是其构成包括：置于温控装置上的带输出尾纤的激光二极管阵列的泵浦源，该输出尾纤经球面透镜、非球面透镜和双色镜与掺铥双包层光纤的输入端相耦合，该掺铥双包层光纤的输出端经变反射率透镜和锗滤光片输出，所述的双色镜作为谐振腔的后腔镜，所述的变反射率透镜构成谐振腔的前腔镜，所述的掺铥双包层光纤的输入端和输出端分别设有第一温控装置和第二温控装置，而掺铥双包层光纤的中间部分置于光纤散热装置中，所述的变反射率透镜固定在三维调节平台上。该发明可调谐掺铥光纤激光器，具有功率高、调谐范围大、操作方便和应用范围广等特点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器，特别是一种可调谐掺铥光纤激光器。
背景技术
近年来，包层泵浦的掺铥双包层光纤激光器已经引起了广泛关注，因为这种激光器的激光波长处在“人眼安全”的2微米光谱区，在远程传感和生物医学等领域有着广泛应用。因为光纤的表面积大，所以光纤激光器易于散热，能够提供更高的输出功率和更好的光束质量。随着790纳米波长的高功率激光二极管阵列的不断发展，直接泵浦的2微米掺铥双包层光纤激光器的输出功率已经达到百瓦量级。另外，在高掺杂浓度的铥光纤中，交叉驰豫过程(3H6，3H4→3F4，3F4)能够显著提高掺铥双包层光纤激光器的量子效率。不同的应用领域对激光波长要求不同，所以设计制作波长可调谐的两微米光纤激光器有重要的实际应用价值。
掺铥双包层光纤激光器的特殊优点是它的调谐范围宽，从1600多纳米直到2100纳米。现在国内外对光纤激光器输出波长进行调谐的技术主要是采用光栅，然而，不论是光纤光栅还是体光栅都存在制作工艺复杂，调谐不便等问题，而且难以得到高输出功率。已经实现的可调谐掺铥双包层光纤激光器的最高输出功率只有15瓦，最长波长只能调谐到2090纳米。
发明内容
本发明为了克服在先技术的不足，提供一种可调谐掺铥光纤激光器，该激光器应具有结构紧凑，高功率输出、较高的激光效率、调谐范围大、操作方便和应用范围广等特点。
本发明技术解决方案是：
一种可调谐掺铥光纤激光器，特点是其构成包括：置于温控装置上的带输出尾纤的激光二极管阵列的泵浦源，该输出尾纤经球面透镜、非球面透镜和双色镜与掺铥双包层光纤的输入端相耦合，该掺铥双包层光纤的输出端经变反射率透镜和锗滤光片输出，所述的双色镜作为谐振腔的后腔镜，所述的变反射率透镜构成谐振腔的前腔镜，所述的掺铥双包层光纤的输入端和输出端分别设有第一温控装置和第二温控装置，而掺铥双包层光纤的中间部分置于光纤散热装置中，所述的变反射率透镜固定在三维调节平台上。
所述的温控装置为水冷温控系统，保证泵浦光波长与所述的掺铥双包层光纤纤芯材料的吸收波长相适应。
所述的球面透镜的数值孔径与所述的输出尾纤的数值孔径匹配，非球面透镜的数值孔径与所述的掺铥双包层光纤的数值孔径匹配。
所述的掺铥双包层光纤为Tm3+高掺杂浓度光纤，纤芯中还掺入了少量的Al3+离子。
所述的第一温控装置和第二温控装置是水冷的紫铜热沉。
所述的光纤散热装置是两片紫铜片。
所述的变反射率透镜的2微米波段的透过率沿径向的变化范围是80％～5％，只要在垂直于所述的掺铥双包层光纤的输出端的水平方向平移三维调节平台，即可改变光纤激光器谐振腔的前腔镜的透过率。
所述的双色镜对泵浦光高透对2微米的振荡光高反的镜片。
本发明具有以下优点：
1、由于采用尾纤输出的高功率半导体激光二极管阵列作泵浦源，降低了泵浦光耦合进光纤的难度，该泵浦源具有温控装置，通过调节泵浦源的工作温度，使泵浦光波长与掺铥双包层光纤的吸收波长相同，提高了泵浦效率。
2、保证耦合光学系统(球面镜和非球面镜)的数值孔径与泵浦源的输出尾纤及掺铥双包层光纤的内包层的数值孔径相匹配，从而减小了损耗、提高了耦合效率。
3、由于采用高掺杂浓度Tm3+光纤，且掺杂了一定量的Al3+离子用来消除团簇效应，显著增强了交叉驰豫过程，提高了激光器的斜率效率。
4、由于采用变反射率透镜组成谐振腔的输出镜，利用三维平台调节输出镜的位置从而改变输出透过率来获得波长调谐，使得该中红外光纤激光器结构简单、操作方便、稳定性好。另外，由于降低了结构的复杂性，减少了能量损耗，在获得较宽的调谐范围的同时，具有较高的输出功率。
总之，本发明具有结构紧凑，高功率输出、较高的激光效率、调谐范围大、操作方便和应用范围广等特点。
附图说明
图1是本发明可调谐掺铥光纤激光器的结构示意图
图2是三价铥离子的简化能级结构示意图
图3是本发明可调谐掺铥光纤激光器三种较高输出透过率时的2微米激光输出随泵浦功率的变化曲线
图4是本发明可调谐掺铥光纤激光器激光峰值波长随输出镜透过率的变化关系
图5是本发明可调谐掺铥光纤激光器的激光谱线
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本发明做进一步的说明。
先请参阅图1，图1是本发明可调谐掺铥光纤激光器一个实施例的结构示意图，由图可见，本发明可调谐掺铥光纤激光器的构成包括：置于温控装置2上的带输出尾纤3的激光二极管阵列的泵浦源1，该输出尾纤3经球面透镜4、非球面透镜5和双色镜6与掺铥双包层光纤8的输入端相耦合，该掺铥双包层光纤8的输出端经变反射率透镜11和锗滤光片13输出，所述的双色镜6是具有对泵浦光高透过率对2微米的振荡光高反射率的镜片作为谐振腔的后腔镜，所述的变反射率透镜11构成谐振腔的前腔镜，所述的掺铥双包层光纤8的输入端和输出端分别设有第一温控装置7和第二温控装置10，而掺铥双包层光纤8的中间部分置于光纤散热装置9中，所述的变反射率透镜11固定在三维调节平台12上。
所述的温控装置2为水冷温控系统，保证泵浦光波长与所述的掺铥双包层光纤8纤芯材料的吸收波长相适应。
所述的球面透镜4的数值孔径与所述的输出尾纤3的数值孔径匹配，非球面透镜5的数值孔径与所述的掺铥双包层光纤8的数值孔径匹配。
所述的掺铥双包层光纤8为Tm3+高掺杂浓度光纤，纤芯中还掺入了少量的Al3+离子。
所述的第一温控装置7和第二温控装置10是水冷的紫铜热沉。
所述的光纤散热装置9是两片紫铜片。
所述的变反射率透镜11的2微米波段的透过率沿径向的变化范围是80％～5％，只要在垂直于所述的掺铥双包层光纤8的输出端的水平方向平移三维调节平台12，即可改变光纤激光器谐振腔的前腔镜的透过率。
在本实施例中，上述所有部件都可以集中在机箱中。泵浦源1是高功率激光二极管阵列光纤耦合模块。我们采用一个可以温控的水冷装置2来调节泵浦源的工作温度，使泵浦源1的发射波长与掺铥光纤8的吸收峰很好的重合。泵浦功率可选择为60瓦。
输出尾纤3的直径和数值孔径(NA)可以根据泵浦源泵浦功率进行选择，在本实例中，尾纤3的直径为400微米，数值孔径为0.17，工作波长可选择为180纳米-3000纳米。
所述的双包层掺铥光纤8的吸收峰为790纳米，纤芯直径为27.5微米、数值孔径为0.2，内包层横截面为六边形、准直径为400微米、数值孔径为0.46，外包层直径为500微米。该双包层光纤8的内包层横截面形状还可以选择为圆形、方形、D形或梅花瓣形等。双包层光纤8纤芯中铥离子的掺杂浓度为2.5％重量比，同时还掺入了少量的Al3+离子。
如图1所示，泵浦源1发射出的泵浦光，被球面透镜4和非球面透镜5聚焦为一个小圆斑，透过双色镜6后，约有51瓦的泵浦光被耦合进光纤。双色镜6镀有2微米的高反膜(反射率＞99.7％)和790纳米的增透膜(透过率＞97％)构成了激光器的后腔镜。掺铥双包层光纤8的泵浦端直接对接到腔镜6上(尽量靠近)。双包层光纤8的两端都垂直于轴劈开，并且仔细打磨和抛光。当泵浦源1对双包层光纤8进行纵向泵浦时，通过谐振腔的振荡选频，腔内将产生2微米左右的连续激光，其中的一部分将透过输出腔镜11作为连续激光输出。
输出镜由变反射率透镜11或输出端的光纤端面组成。变反射率透镜11在2微米波长处的透过率可以通过三维平台12连续可调。只要在垂直于光纤的水平方向平移三维平台12，变反射率透镜11在2微米的透过率可以从80％减小到5％。当只采用光纤端面作为输出镜时，2微米的透过率约为96％(利用菲涅耳反射)。
为了有效散热，掺铥双包层光纤8的两端紧贴在水冷的铜制热沉，掺铥双包层光纤8的中间部分被夹在两铜片9之间，通过空气对流散热，也可以直接浸在水中进行传导散热。
图2所示为硅基光纤中铥离子(Tm3+)的简化能级示意图。当泵浦源1泵浦掺铥光纤8时，电子从基态3H6被泵浦到较高的激发态3H4，然后通过非辐射驰豫到准稳态3F4，即激光上能级。电子从激光上能级3F4跃迁到激光下能级3H6时，就会辐射出波长为～2微米的光子。当激光二极管泵浦源1对该激光器进行连续泵浦时，上述辐射光子的过程也就连续发生，从而使得上激光能级3F4和下激光能级3H6之间产生连续激光辐射。
一个锗虑光片13(长波通虑光片)放置在腔镜11后的输出光路上，用来虑除没有被完全吸收的790纳米的泵浦光。
图3所示为图1所示系统采用三种较高输出透过率所得到的实验结果，其中所用的光纤长度为4米。T＝96％的输出透过率是变反射率透镜11完全移开后用光纤端面做输出镜而获得的。当T＝96％时，该激光系统在泵浦光为5.9瓦时达到阈值。当泵浦光为51瓦时，最大输出功率为32瓦，激光中心波长为1949纳米，斜率效率为69％，相当于1.7的量子效率。高的斜率效率来自于高的掺杂浓度、Al3+离子对能量上转换过程的抑制以及有效的光纤冷却技术。当输出透过率为T＝80％时，该激光系统最大输出功率为29.8瓦，斜率效率为65％，激光中心波长为1970纳米。当输出透过率为T＝60％时，该激光系统最大输出功率为27.4瓦，斜率效率为58％，激光中心波长为1994纳米。在所采用的三种输出透过率中，输出功率随着泵浦功率成线性增长，说明只要增加泵浦光的功率，输出功率还可以提升。
采用变反射率透镜11对波长进行调谐的实验结果如图4所示。由图可见，随着输出透过率的降低，激光峰值波长向长波方向移动。以4米长光纤为增益介质时，当变反射率透镜11的透过率从～96％降低到5％时，激光波长从1949纳米红移到2055纳米，调谐范围为106纳米。这种激光波长随输出透过率的近线性变化关系表明，对于掺铥光纤激光系统，我们完全可以通过改变其输出透过率来得到一定波段内所想要的激光波长。这种现象可以通过光的再吸收来解释，因为在高品质腔中(低透过率)，光子的寿命增加使得再吸收增加，从而激光波长红移。
当我们改变掺铥光纤8的长度时，能够使激光波长的调谐范围得到扩展。长光纤将使波长红移，而短光纤将使波长蓝移。如图4所示，0.5米光纤使激光波长蓝移到了1866纳米，而10米长的光纤使激光波长红移到了2107纳米。结合不同的光纤长度和变反射率透镜11的调节，该激光系统的总波长调谐范围可达240纳米，几乎整个范围内输出功率都大于10瓦。而2107纳米的激光波长是用掺铥光纤激光器所获得的最长输出波长。
图5是一个典型的激光光谱图，该光谱图是用4米长光纤在透过率为T＝15％、输出功率为16瓦的条件下测得的。该激光光谱具有约15纳米的半高宽和多个峰值，说明该激光系统工作在多纵模状态。
该发明展示了，用激光二极管阵列1泵浦高浓度的掺铥光纤8，可以获得32瓦的波长为近2微米的连续波多模激光输出。因为采用了高Tm3+离子掺杂浓度、适当的Al3+离子掺杂浓度和有效的冷却技术，使得该激光系统的斜率效率可达70％(相对于耦合进光纤的泵浦光来说)。该发明还展示了，利用一个变反射率透镜11对单根光纤8进行波长调谐，调谐范围大于100纳米，而且运行在几十瓦的高功率水平上。最后还展示了，结合不同的光纤长度，该激光系统的调谐范围可以扩展到240纳米，最长的激光波长为2107纳米。
因此，在该发明中我们所展示的是激光二极管泵浦的、高功率、波长调谐范围较宽的掺铥光纤激光器，该激光器在激光雷达系统、空间探测、远程遥感、生物医学等领域具有广阔的应用前景。
Claims (7)
1、一种可调谐掺铥光纤激光器，特征在于其构成包括：置于温控装置(2)上的带输出尾纤(3)的激光二极管阵列的泵浦源(1)，该输出尾纤(3)经球面透镜(4)、非球面透镜(5)和双色镜(6)与掺铥双包层光纤(8)的输入端相耦合，该掺铥双包层光纤(8)的输出端经变反射率透镜(11)和锗滤光片(13)输出，所述的双色镜(6)作为谐振腔的后腔镜，所述的变反射率透镜(11)构成谐振腔的前腔镜，所述的掺铥双包层光纤(8)的输入端和输出端分别设有第一温控装置(7)和第二温控装置(10)，而掺铥双包层光纤(8)的中间部分置于光纤散热装置(9)中，所述的变反射率透镜(11)固定在三维调节平台(12)上。
2、根据权利要求书1所述的可调谐掺铥光纤激光器，其特征在于所述的温控装置(2)为水冷温控系统，保证泵浦光波长与所述的掺铥双包层光纤(8)纤芯材料的吸收波长相适应。
3、根据权利要求书1所述的可调谐掺铥光纤激光器，其特征在于所说的球面透镜(4)的数值孔径与所述的输出尾纤(3)的数值孔径匹配，非球面透镜(5)的数值孔径与所述的掺铥双包层光纤(8)的数值孔径匹配。
4、根据权利要求书1所述的可调谐掺铥光纤激光器，其特征在于所说的掺铥双包层光纤(8)为Tm3+高掺杂浓度光纤，纤芯中还掺入了少量的Al3+离子。
5、根据权利要求书1所述的可调谐掺铥光纤激光器，其特征在于所述的第一温控装置(7)和第二温控装置(10)是水冷的紫铜热沉。
6、根据权利要求书1所述的可调谐掺铥光纤激光器，其特征在于所述的光纤散热装置(9)是两片紫铜片。
7、根据权利要求书1所述的可调谐掺铥光纤激光器，其特征在于所述的变反射率透镜(11)的2微米波段的透过率沿径向的变化范围是80％～5％，只要在垂直于所述的掺铥双包层光纤(8)的输出端的水平方向平移三维调节平台(12)，即可改变光纤激光器谐振腔的前腔镜的透过率。
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2008
- 2008-04-02 CN CNB2008100354975A patent/CN100527547C/zh not_active Expired - Fee Related
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