CN101350491A - 螺旋耦合有源掺杂光纤棒单模输出激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种螺旋耦合掺稀土光纤棒单模输出激光器，它包括泵浦源(1)与(2)、单模掺稀土光纤(6)、掺稀土光纤棒；泵浦源(1)对光纤光栅(71)、光纤光栅(72)与单模掺稀土光纤(6)构成的激光器进行泵浦；泵浦源(2)对掺稀土光纤棒进行泵浦，将光纤光栅(71)与光纤光栅(72)、单模掺稀土光纤(6)连接在一起，置入在掺稀土光纤棒包层(3)上刻的螺旋槽内，其中置入槽内的光纤光栅、单模掺稀土光纤部分或全部包层去掉，对槽进行封装。对掺稀土光纤棒两端端面光滑处理，通过内部强耦合，使掺稀土光纤棒谐振在光纤光栅、单模掺稀土光纤构成的激光器产生的激光波长上，实现主动锁相，从而实现单模激光超亮度大功率输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种高功率光纤激光器，特别是一种螺旋耦合有源掺杂光纤棒单模输出激光器。
背景技术
光纤激光器以其卓越的性能和低廉的价格，在光纤通信、工业加工、医疗、军事等领域取得了日益广泛的应用。尽管在实验室已经实现单个光纤输出超过1kW的单模激光，而且实现这种激光需要严格的条件，难以工程应用；但是随着激光技术应用的发展，以及材料加工、空间通信、激光雷达、光电对抗、激光武器等的发展，需要高功率、高质量、高强度和超亮度的激光，要求单模输出功率达到MW甚至GW量级。仅仅采用单模掺稀土纤芯的双包层掺稀土光纤激光器，由于单模掺稀土纤的芯径小于10μm，受到非线性、结构因素和衍射极限的限制，承受的光功率密度有限，单模掺稀土光纤激光器的单模掺稀土光纤连续波损坏阈值约1W/μm2[J.Nilsson，J.K.Sahu，Y.Jeong，W.A.Clarkson，R.Selvas，A.B.Grudinin，and S.U.Alam，“High Power Fiber Lasers：NewDevelopments”，Proceedings of SPIE Vol.4974，50-59(2003)]，其光学损坏危险成为实现大功率单模光纤激光器的一大挑战。除了光学损坏外，由于大功率光产生的热也会损坏光纤，甚至会最终融化纤芯。有文献报道，铒镱共掺光纤激光器每米可产生100W热[J.Nilsson，S.U.Alam，J.A.Alvarez-Chavez，P.W.Turner，W.A.Clarkson，andA.B.Grudinin，”High-power and tunable operation oferbium-ytterbium co-doped cladding-pumped fiber laser”，IEEE J.QuantumElectron.39，987-994(2003)]。
另一方面，在一般双包层光纤中，由于单模位于多模内包层的中心，对单模纤芯很难写入光栅以构成光学谐振腔，泵浦光耦合到双包层光纤中效率低。
发明内容
为了克服已有的传统双包层单模光纤激光器的输出单模激光功率有限以及随着光功率的增加，其输出光束质量变差，抗热差，以及传统双包层单模光纤激光器单模纤芯写入光栅难度大，泵浦光耦合到双包层光纤中效率低的缺点，本发明提供一种螺旋耦合掺稀土光纤棒单模输出激光器，以实现大功率超亮度单模激光输出。这种光纤激光器具有制作设备简单，工艺简易、制作简单与成本低，且泵浦光耦合到掺稀土光纤棒的效率高的优点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种螺旋耦合掺稀土光纤棒单模输出激光器，它包括两个泵浦源、单模掺稀土光纤、掺稀土光纤棒；其中一个泵浦源对两个光纤光栅与单模掺稀土光纤构成的激光器进行泵浦；
另一个泵浦源对掺稀土光纤棒进行泵浦，将两个光纤光栅与单模掺稀土光纤连接在一起，置入在掺稀土光纤棒包层上刻的螺旋槽内，其中置入槽内的光纤光栅、单模掺稀土光纤部分或全部包层去掉，并对槽进行封装。
在掺稀土光纤棒包层上刻的螺旋槽，槽的底端面与掺稀土光纤棒芯中心的距离小于掺稀土光纤棒的1/2芯径+5μm。
在掺稀土光纤棒包层上刻的螺旋槽的形状为V字形、凹字形或任意形状，槽或贯穿整个光纤棒或存在于掺稀土光纤棒的一部分长度上。
本发明的有益效果具体如下：
所述螺旋耦合掺稀土光纤棒单模输出激光器不需要外部调相装置，通过内部强耦合，由于掺稀土光纤棒与单模掺稀土光纤掺杂的稀土离子相同，从而光纤光栅、单模掺稀土光纤构成的激光腔的发生波长在掺稀土离子光纤棒的发射谱范围内，使掺稀土光纤棒芯层谐振在光纤光栅、单模掺稀土光纤构成的激光器产生的激光波长上，实现主动锁相，从而实现单模激光超亮度放大输出。螺旋耦合掺稀土光纤棒单模输出激光器，由于掺稀土光纤棒芯层散热面积大，输出较高的功率，又由于掺稀土光纤棒芯层实际上是一种光放大器，比单独使用单模掺稀土纤芯单模种子光纤激光器输出高万倍的功率，同时，由于掺稀土光纤棒芯层谐振在光纤光栅与单模掺稀土光纤构成的激光腔产生的激光波长上，使得这种激光器不会降低输出激光的质量，同时实现了单模激光超亮度大功率输出。
附图说明
图1为实施方式一的螺旋耦合掺稀土光纤棒单模输出激光器示意图。
图2为实施方式二的螺旋耦合掺稀土光纤棒单模输出激光器示意图。
图3为实施方式三的螺旋耦合掺稀土光纤棒单模输出激光器示意图。
图4为实施方式四的螺旋耦合掺稀土光纤棒单模输出激光器示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例一
本实施例参见图1，采用的掺稀土光纤棒与单模掺稀土光纤掺杂离子均为铒离子，详细描述如下：
单模掺稀土光纤6的芯径为5μm，掺稀土光纤棒芯4的芯径为1mm。
掺稀土光纤棒长度为10m，单模掺稀土光纤6长度为10m。
单模掺稀土光纤6的两端连接光纤光栅71与光纤光栅72；用泵浦源1对单模掺稀土光纤6及光纤光栅71与光纤光栅72构成的激光器进行泵浦。
在掺稀土光纤棒6的包层上，刻V形螺旋槽，螺距为8m，V形螺旋槽贯穿整个掺稀土光纤棒，只有1个螺纹，V形螺旋槽的底端面与掺稀土光纤棒芯4中心的距离小于掺稀土光纤棒的1/2芯径+5μm。
将光纤光栅71、单模掺稀土光纤6与光纤光栅72置入V形螺旋槽内，其中置入V形螺旋槽内光纤光栅71、单模掺稀土光纤6与光纤光栅72的部分或全部包层用氢氟酸腐蚀掉，放置方向为光纤光栅71、单模掺稀土光纤6与光纤光栅72腐蚀掉包层的部分朝向掺稀土光纤棒；然后采用光学胶对V形槽进行封装。
对掺稀土光纤棒一端镀对应激光波长的高反射膜5，用泵浦源2对掺稀土光纤棒进行端面泵浦，对掺稀土光纤棒的另一端光滑处理，螺旋耦合掺稀土光纤棒单模输出激光器的激光从掺稀土光纤棒的光滑端输出。
实施例二
本实施例参见图2，采用的掺稀土光纤棒与单模掺稀土光纤掺杂离子均为镱离子，详细描述如下：
单模掺稀土光纤6的芯径为6μm，掺稀土光纤棒芯4芯径为5mm。
掺稀土光纤棒长度为5m，单模掺稀土光纤6长度为7m。
在单模掺稀土光纤6两端连接上光纤光栅71与光纤光栅72，用泵浦源1对单模掺稀土光纤6及光纤光栅71与光纤光栅72构成的激光器进行泵浦。
在掺稀土光纤棒6的包层上，刻V形螺旋槽，螺距约为3m，只有2个螺纹，槽的底端面与掺稀土光纤棒中心的距离小于掺稀土光纤棒芯的1/2芯径+3μm。
将光纤光栅71与光纤光栅72、单模掺稀土光纤6置入V形螺旋槽内，其中置入V形螺旋槽内的光纤光栅71、单模掺稀土光纤6与光纤光栅72的部分或全部包层用研磨法去掉，放置方向为光纤光栅71、单模掺稀土光纤6与光纤光栅72去掉包层的部分朝向掺稀土光纤棒芯4；然后填充与掺稀土光纤棒包层6相同材质的材料，并采用热处理法对V形螺旋槽进行封装。
对掺稀土光纤棒一端镀对应激光波长的高反射膜5，用泵浦源2对掺稀土光纤棒进行端面泵浦，在掺稀土光纤棒的另一端光滑处理，螺旋耦合掺稀土光纤棒单模输出激光器的激光从掺稀土光纤棒光滑处理的一端输出。
实施例三
本实施例参见图3，采用的掺稀土光纤棒与单模掺稀土光纤掺杂离子均为钍离子，详细描述如下：
单模掺稀土光纤芯径为7μm，掺稀土光纤棒芯4的芯径为10mm。
掺稀土光纤棒长度为1m，单模掺稀土光纤6长度为2m。
在单模掺稀土光纤6两端接入光纤光栅71与光纤光栅72，用泵浦源1对单模掺稀土光纤6及光纤光栅71与光纤光栅72构成的激光器进行泵浦。
在掺稀土光纤棒6的包层上，刻V形螺旋槽，螺距约为20cm，有4个螺纹，槽的底端面与掺稀土光纤棒中心的距离小于掺稀土光纤棒的1/2芯径+1μm。
将光纤光栅71与单模掺稀土光纤6置入V形螺旋槽内，其中置入V形螺旋槽内的光纤光栅71与单模掺稀土光纤6的部分或全部包层用氢氟酸腐蚀掉，放置方向为光纤光栅71、单模掺稀土光纤6腐蚀掉包层的部分朝向掺稀土光纤棒芯4；然后采用光学胶对V形螺旋槽进行封装。
对掺稀土光纤棒一端镀对应激光波长的高反射膜5，用泵浦源2对掺稀土光纤棒进行端面泵浦，在掺稀土光纤棒的另一端光滑处理，螺旋耦合掺稀土光纤棒单模输出激光器的激光从掺稀土光纤棒光滑处理的一端输出。
实施例四
本实施例参见图4，采用的掺稀土光纤棒与单模掺稀土光纤掺杂离子均为铒镱离子共掺，详细描述如下：
单模掺稀土光纤6的芯径为8μm，掺稀土光纤棒芯4的芯径为20mm。
掺稀土光纤棒长度为50cm，单模掺稀土光纤6长度为40cm。
光纤光栅71、单模掺稀土光纤6与光纤光栅72相连接，用泵浦源1对单模掺稀土光纤6及光纤光栅71与光纤光栅72构成的激光器进行泵浦。
在掺稀土光纤棒6的包层上，刻凹形螺旋槽，螺距约为25cm，凹形螺旋槽贯穿整个掺稀土光纤棒，有1个螺纹，凹形螺旋槽的底端面与掺稀土光纤棒中心的距离小于掺稀土光纤棒的1/2芯径。
将单模掺稀土光纤6置入凹形螺旋槽内，其中置入凹形螺旋槽内的单模掺稀土光纤6的部分或全部包层用氢氟酸腐蚀掉，放置方向单模掺稀土光纤腐蚀掉包层的部分朝向掺稀土光纤棒芯4；然后采用光学胶对凹形螺旋槽进行封装。
用泵浦源2对掺稀土光纤棒进行端面泵浦和用泵浦源21对掺稀土光纤棒进行侧面泵浦，在掺稀土光纤棒的两端光滑处理，螺旋耦合掺稀土光纤棒单模输出激光器的激光从掺稀土光纤棒光滑处理另一端输出。
实施例五
本实施例中，采用的掺稀土光纤棒与单模掺稀土光纤掺杂离子均为任意的稀土离子，详细描述如下：
单模掺稀土光纤6的芯径为5～10μm，掺稀土光纤棒芯4的芯径为0.1～300mm。
掺稀土光纤棒长度为1cm～10m，单模掺稀土光纤6长度为10cm～10m。
单模掺稀土光纤6两端与光纤光栅71、光纤光栅72连接，用泵浦源1对单模掺稀土光纤6及光纤光栅71与光纤光栅72构成的激光器进行泵浦。
在掺稀土光纤棒6的包层上，刻形状任意的螺旋槽，螺距任意，螺旋槽或贯穿整个光纤棒或存在于掺稀土光纤棒的一部分长度；螺旋槽的底端面与掺稀土光纤棒中心的距离小于掺稀土光纤棒的1/2芯径+5μm。
将单模掺稀土光纤6、单模掺稀土光纤6和光纤光栅71、单模掺稀土光纤6和光纤光栅72、单模掺稀土光纤6和光纤光栅71和光纤光栅72，置入螺旋槽内，其中置入螺旋槽内的光纤光栅、单模掺稀土光纤6的部分或全部包层去掉，放置方向为光纤光栅、单模掺稀土光纤6去掉包层的部分朝向掺稀土光纤棒；然后采用光学胶或者填充加热法对螺旋槽进行封装。
用泵浦源2或/和泵浦源21对掺稀土光纤棒进行端面泵浦或/和侧面泵浦，对掺稀土光纤棒一端镀谐振波长激光的高反射膜，另外一端光滑处理或两端光滑处理，螺旋耦合掺稀土光纤棒单模输出激光器的激光从掺稀土光纤棒6光滑处理的任一端面输出。
Claims (3)
1.一种螺旋耦合掺稀土光纤棒单模输出激光器，其特征为：它包括泵浦源(1)与(2)、单模掺稀土光纤(6)、掺稀土光纤棒；其中泵浦源(1)对光纤光栅(71)、光纤光栅(72)与单模掺稀土光纤(6)构成的激光器进行泵浦；
泵浦源(2)对掺稀土光纤棒进行泵浦，将光纤光栅(71)、光纤光栅(72)、单模掺稀土光纤(6)连接在一起，置入在掺稀土光纤棒包层(3)上刻的螺旋槽内，其中置入槽内的光纤光栅、单模掺稀土光纤(6)部分或全部包层去掉，并对槽进行封装。
2.根据权利要求1所述的螺旋耦合掺稀土光纤棒单模输出激光器，其特征为：在掺稀土光纤棒包层(3)上刻的螺旋槽，槽的底端面与掺稀土光纤棒芯(4)中心的距离小于掺稀土光纤棒芯的1/2芯径+5μm。
3.根据权利要求1所述的螺旋耦合掺稀土光纤棒单模输出激光器，其特征为：在掺稀土光纤棒(6)包层上刻的螺旋槽的形状为V字形、凹字形或任意形状，槽或贯穿整个光纤棒或存在于掺稀土光纤棒的一部分长度上。
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