CN101764344B - 单模有源纤芯外腔耦合多模有源纤芯超亮度单模激光器 - Google Patents

Abstract

一种单模有源纤芯外腔耦合多模有源纤芯超亮度单模激光器，属于高功率光纤激光器领域，它包括泵浦源、双包层有源光纤；双包层有源光纤包括一个单模有源掺稀土纤芯(4)、一个多模有源掺稀土纤芯(6)、内包层(2)与外包层(3)；在双包层有源光纤的未镀对应激光波长的高反射膜(8)的一端放置一个衍射光学元件，衍射光学元件由第一分束器(91)、第二分束器(92)与合束器(93)三部分构成；该衍射光学元件的工作波长为对应激光波长。该发明实现了单模有源掺稀土纤芯与多模有源掺稀土纤芯之间的外腔耦合，降低了单模有源掺稀土纤芯与多模有源掺稀土纤芯表面之间的距离要求，降低了工艺难度，具有成品率高，高效率的泵浦等优点。

Description

单模有源纤芯外腔耦合多模有源纤芯超亮度单模激光器

技术领域

本发明涉及一种单模有源纤芯外腔耦合多模有源纤芯超亮度单模激光器，属于高功率光纤激光器领域。

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。仅仅采用单模有源纤芯的双包层掺稀土光纤激光器，由于单模有源纤芯芯径小于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，单模有源光纤激光器纤芯连续波损坏阈值约为1W/μm²[J.Nilsson，J.K.Sahu，Y.Jeong，W.A.Clarkson，R.Selvas，A.B.Grudinin，andS.U.Alam，“High Power Fiber Lasers：New Developments”，Proceedings of SPIEVol.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  of  erbium-ytterbium  co-dopedcladding-pumped fiber laser”，IEEE J.Quantum Electron.39，987-994(2003)]。

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，抗热等方面的缺陷，授权公告号：CN100559670C，公告日：2009年11月11日，提供了“一种单模有源光纤伴生耦合多模有源光纤超亮度单模激光器”，以实现大功率超亮度单模激光输出。然而这种光纤激光器要求单模有源掺稀土纤芯与多模有源掺稀土纤芯表面的最小距离小于等于5μm，因此有源光纤制作工艺要求高。

发明内容

为了克服已有的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，抗热等方面的缺陷，提出一种单模有源纤芯外腔耦合多模有源纤芯超亮度单模激光器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种单模有源纤芯外腔耦合多模有源纤芯超亮度单模激光器，它包括泵浦源、双包层有源光纤；双包层有源光纤包括一个单模有源掺稀土纤芯、一个多模有源掺稀土纤芯、内包层与外包层；单模有源掺稀土纤芯与多模有源掺稀土纤芯轴线平行；在垂直于双包层有源光纤轴线的截面上，单模有源掺稀土纤芯的圆心、多模有源掺稀土纤芯的截面重心与内包层的圆心成一条直线；其特征为：双包层有源光纤一端镀对应激光波长的高反射膜，在单模有源掺稀土纤芯的两端写入对应激光波长的高反射光栅与对应激光波长的部分反射光栅；或双包层有源光纤一端镀对应激光波长的高反射膜，双包层有源光纤另一端的单模有源掺稀土纤芯上写入对应激光波长的部分反射光栅；在双包层有源光纤的未镀对应激光波长的高反射膜的一端放置一个衍射光学元件，衍射光学元件由第一分束器、第二分束器与合束器三部分构成；该衍射光学元件的工作波长为对应激光波长。

第一泵浦源和第二泵浦源的泵浦方式为端面泵浦或侧面泵浦或同时进行端面泵浦与侧面泵浦。

单模有源掺稀土纤芯与多模有源掺稀土纤芯的掺稀土离子类型相同，其掺稀土离子类型包括铒离子、镱离子、钬离子、铥离子、钕离子、铒镱共掺离子。把单模有源掺稀土光纤与多模有源掺稀土光纤预制棒截取相同的长度，外加许多相同长度的低折射率光纤预制棒，沉积拉伸构成内包层。

本发明的有益效果具体如下：所述光纤激光器，通过衍射光学元件，实现精确控制单模有源掺稀土纤芯与多模有源掺稀土纤芯之间的耦合，降低了单模有源掺稀土纤芯与多模有源掺稀土纤芯表面之间的距离要求，降低了工艺难度，成品率高。所述光纤激光器不需要外部调相装置，通过衍射光学元件，实现单模有源掺稀土纤芯与多模有源掺稀土纤芯之间的外腔耦合，使多模有源掺稀土纤芯谐振在写有光栅的单模有源掺稀土纤芯构成的谐振腔产生的激光波长上，实现主动锁相，从而实现单模激光超亮度放大输出。单模有源掺稀土纤芯圆心、多模有源掺稀土纤芯截面重心与内包层的圆心成一条直线，实现高效率的泵浦。

附图说明

图1为单模有源纤芯两端写入光栅与端面泵浦的单模有源纤芯外腔耦合多模有源纤芯超亮度单模激光器主视图。

图2为图1的A-A剖面图。

图3为单模有源纤芯一端写入光栅、侧面泵浦的单模有源纤芯外腔耦合多模有源纤芯超亮度单模激光器主视图。

图4为图3的B-B剖面图。

图5为单模有源纤芯两端写入光栅、端面与侧面同时泵浦的单模有源纤芯外腔耦合多模有源纤芯超亮度单模激光器主视图。

图6为图5的C-C剖面图。

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

本实施例中，单模有源掺稀土纤芯4与多模有源掺稀土纤芯6的掺杂离子均为铒离子，参见图1和图2，详细描述如下：

单模有源掺稀土纤芯4直径为5μm，多模有源掺稀土纤芯6直径为80μm，两纤芯外表面的最小距离为5μm。

在垂直于激光器轴线的截面上，单模有源掺稀土纤芯4圆心、多模有源掺稀土纤芯6截面重心与内包层2的圆心成一条直线。

单模有源掺稀土纤芯4、多模有源掺稀土纤芯6的轴线与双包层光纤的轴线平行，内包层直径为125μm、外包层3厚度为150μm的双包层光纤，长度为10m。

多模有源掺稀土纤芯6的形状为圆形。

双包层有源光纤一端镀激光波长为1550nm时反射系数超过99％的高反射膜8，在单模有源掺稀土纤芯4两端写入激光波长为1550nm时反射系数超过99％的光栅51与激光波长为1550nm时反射系数为20％的光栅52。

在双包层有源光纤的未镀高反射膜8的一端放置一个衍射光学元件，衍射光学元件由第一分束器91、第二分束器92与合束器93三部分构成。该衍射光学元件的工作波长为1550nm。

第一分束器91、第二分束器92的反射与传输比均为5∶95。单模有源掺稀土纤芯4输出的激光经第一分束器91，95％的激光传输到合束器93，5％的激光经由第二分束器92传输给多模有源掺稀土纤芯6中。同理，多模有源掺稀土纤芯6输出激光经第二分束器92，95％的激光传输到合束器93，5％的激光经由第一分束器91传输给单模有源掺稀土纤芯中。因此，通过衍射光学元件中的第一分束器91、第二分束器92两部分，实现了单模有源掺稀土纤芯4与多模有源掺稀土纤芯6的外腔耦合目的，使得多模有源掺稀土纤芯6输出激光的波长谐振在写有光栅的单模有源掺稀土纤芯4构成的谐振腔产生的1550nm激光波长上。

多模有源掺稀土纤芯6与单模有源掺稀土纤芯4输出的同波长的激光，通过合束器93实现相干合束，实现大功率单模激光输出。

用第一泵浦源1对双包层有源光纤采用端面泵浦，大功率单模激光从衍射光学元件一端输出。

实施例二

本实施例中，单模有源掺稀土纤芯4与多模有源掺稀土纤芯6的掺杂离子均为镱离子，参见图3和图4，详细描述如下：

单模有源掺稀土纤芯4芯径为4μm，多模有源掺稀土纤芯6为长轴全长为80μm，短轴全长为30μm的椭圆纤芯。

在垂直于激光器轴线的截面上，单模有源掺稀土纤芯4圆心、多模有源掺稀土纤芯6椭圆心与内包层2的圆心成一条直线。

单模有源掺稀土纤芯4圆心与多模有源掺稀土纤芯6椭圆心的距离为60μm。

单模有源掺稀土纤芯4、多模有源掺稀土纤芯6的轴线与双包层光纤的轴线平行，内包层直径为200μm、外包层3厚度为150μm的双包层光纤，长度为2m。

在双包层有源光纤一端镀激光波长为1064nm时反射系数超过99％的高反射膜8，双包层有源光纤另一端的单模有源掺稀土纤芯4上写入激光波长为1064nm时反射系数为4％的光栅52；

在双包层有源光纤的未镀高反射膜8的一端放置一个衍射光学元件，衍射光学元件由第一分束器91、第二分束器92与合束器93三部分构成。该衍射光学元件的工作波长为1064nm。

第一分束器91、第二分束器92的反射与传输比均为10∶90。单模有源掺稀土纤芯4输出激光经第一分束器91，90％激光传输到合束器93，10％激光经由第二分束器92传输给多模有源掺稀土纤芯6中；同理，多模有源掺稀土纤芯6输出激光经第二分束器92，90％激光传输到合束器93，10％激光经由第一分束器91传输给单模有源掺稀土纤芯4中。因此，通过衍射光学元件中的第一分束器91、第二分束器92两部分，实现了单模有源掺稀土纤芯4与多模有源掺稀土纤芯6的外腔耦合目的，使得多模有源掺稀土纤芯6输出激光的波长谐振在写有光栅的单模有源掺稀土纤芯4构成的谐振腔产生的1064nm激光波长上。

多模有源掺稀土纤芯6与单模有源掺稀土纤芯4输出的同波长的激光，通过合束器93实现相干合束，实现大功率单模激光输出。

用第一泵浦源1对双包层有源光纤采用侧面泵浦，大功率单模激光从衍射光学元件一端输出。

实施例三

本实施例中，单模有源掺稀土纤芯4与多模有源掺稀土纤芯6的掺稀土离子类型相同，其掺稀土离子类型为铒离子或镱离子或钬离子或铥离子或钕离子或铒镱共掺离子，参见图5和图6，详细描述如下：

单模有源掺稀土纤芯4芯径为1μm，多模有源掺稀土纤芯6为尺寸100μm×40μm的长方形。

在垂直于激光器轴线的截面上，单模有源掺稀土纤芯4圆心、多模有源掺稀土纤芯6截面重心与内包层2的圆心成一条直线。

单模有源掺稀土纤芯4圆心与多模有源掺稀土纤芯6截面重心的距离为100μm。

单模有源掺稀土纤芯4、多模有源掺稀土纤芯6的轴线与双包层光纤的轴线平行，内包层直径为400μm、外包层3厚度为150μm的双包层光纤，长度为50cm。

双包层有源光纤一端镀对应激光波长时反射系数超过99％的高反射膜8，在单模有源掺稀土纤芯4两端写入对应激光波长时反射系数超过99％的光栅51与对应激光波长时反射系数为10％的光栅52。

在双包层有源光纤的未镀对应激光波长的高反射膜8的一端放置一个衍射光学元件，衍射光学元件由第一分束器91、第二分束器92与合束器93三部分构成。该衍射光学元件的工作波长为对应激光波长。

第一分束器91、第二分束器92的反射与传输比均为15∶85。单模有源掺稀土纤芯4输出激光经第一分束器91，85％的激光传输到合束器93，15％的激光经由第二分束器92传输给多模有源掺稀土纤芯6中；同理，多模有源掺稀土纤芯6输出激光经第二分束器92，85％的激光传输到合束器93，15％的激光经由第一分束器91传输给单模有源掺稀土纤芯4中。因此，通过衍射光学元件中的第一分束器91、第二分束器92两部分，实现了单模有源掺稀土纤芯4与多模有源掺稀土纤芯6的外腔耦合目的，使得多模有源掺稀土纤芯6输出激光的波长谐振在写有光栅的单模有源掺稀土纤芯4构成的谐振腔产生的对应激光波长上。

多模有源掺稀土纤芯6与单模有源掺稀土纤芯4输出的同波长的激光，通过合束器93实现相干合束，实现大功率单模激光输出。

分别用第一泵浦源1与第二泵浦源12对双包层光纤采用端面泵浦与侧面泵浦，大功率单模激光从衍射光学元件一端输出。

Claims (3)

1.一种单模有源纤芯外腔耦合多模有源纤芯超亮度单模激光器，它包括泵浦源、双包层有源光纤；双包层有源光纤包括一个单模有源掺稀土纤芯(4)、一个多模有源掺稀土纤芯(6)、内包层(2)与外包层(3)；单模有源掺稀土纤芯(4)与多模有源掺稀土纤芯(6)轴线平行；在垂直于双包层有源光纤轴线的截面上，单模有源掺稀土纤芯(4)的圆心、多模有源掺稀土纤芯(6)的截面重心与内包层(2)的圆心成一条直线；其特征为：双包层有源光纤一端镀对应激光波长的高反射膜(8)，在单模有源掺稀土纤芯(4)的两端写入对应激光波长的高反射光栅(51)与对应激光波长的部分反射光栅(52)；或双包层有源光纤一端镀对应激光波长的高反射膜(8)，双包层有源光纤另一端的单模有源掺稀土纤芯(4)上写入对应激光波长的部分反射光栅(52)；在双包层有源光纤的未镀对应激光波长的高反射膜(8)的一端放置一个衍射光学元件，衍射光学元件由第一分束器(91)、第二分束器(92)与合束器(93)三部分构成；该衍射光学元件的工作波长为对应激光波长；

泵浦源包括第一泵浦源(1)和/或第二泵浦源(12)。

2.根据权利要求1所述的单模有源纤芯外腔耦合多模有源纤芯超亮度单模激光器，其特征为：第一泵浦源(1)和第二泵浦源(12)的泵浦方式为端面泵浦或侧面泵浦或同时进行端面泵浦与侧面泵浦。

3.根据权利要求1所述的单模有源纤芯外腔耦合多模有源纤芯超亮度单模激光器，其特征为：单模有源掺稀土纤芯(4)与多模有源掺稀土纤芯(6)的掺稀土离子类型相同，其掺稀土离子类型包括铒离子、镱离子、钬离子、铥离子、钕离子或铒镱共掺离子。

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