CN101771233B - 大功率多波段多层掺稀土离子环芯激光器 - Google Patents

Abstract

一种大功率多波段多层掺稀土离子环芯激光器，属于大功率光纤激光器、特种光纤领域。采用的有源光纤是N层掺稀土离子环芯光纤，2≤N≤10；写入的对应激射波长的反射系数大于等于99％的光栅，或在有源光纤端面上镀的对应激射波长的反射系数大于等于99％的反射膜，与写入的对应激射波长的反射系数为4％～95％的光栅，或在有源光纤端面上镀的对应激射波长的反射系数为4％～95％的反射膜以及两者之间的有源光纤构成谐振腔；泵浦源输出光耦合进有源光纤，产生的多波段激光从谐振腔输出端输出。本发明的激光器能同时产生波长范围超过100nm的多波段激光。本发明的激光器具有结构紧凑、高泵浦效率、低插入损耗、高可靠性等优点。

Description

大功率多波段多层掺稀土离子环芯激光器

技术领域

本发明涉及大功率多波段多层掺稀土离子环芯激光器，属于大功率光纤激光器、特种光纤技术领域。

背景技术

掺稀土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。掺稀土元素有Nd，Sm，Ho，Er，Pr，Tm，Yb等，由于掺稀土元素的光电学特性彼此之间都不相同，导致各掺稀土元素工作波长范围也不一样。例如，掺钕光纤激光器工作波长范围为900-950nm，1000-1150nm，1320-1400nm；掺铒光纤激光器工作波长范围为550nm，850nm，980-1000nm，1500-1600nm，1660nm，1720nm，2700nm；掺镱光纤激光器工作波长范围为970-1040nm；掺钍光纤激光器工作波长范围为455nm，480nm，803-825nm，1460-1510nm，1700-2015nm，2250-2400nm；掺镨光纤激光器工作波长范围为490nm，520nm，601-618nm，631-641nm，707-725nm，880-886nm，902-916nm，1060-1110nm，1260-1350nm；掺钬光纤激光器工作波长范围为550nm，753nm，1380nm，2040-2080nm，2900nm，掺钐光纤激光器工作波长范围为651nm。掺不同的玻璃基质的稀土离子，其增益带宽与性质也有差异，例如纯硅光纤玻璃基质的掺铒光纤，其波长1500nm时增益半波谱宽为7.94nm，而铝磷硅光纤玻璃基质的掺铒光纤，其波长1500nm时增益半波谱宽为43.3nm[W.J.Miniscalco.Optical and electronic properties ofrare-earth ions in glasses in rare-earth doped fiber lasers and amplifier.NewYork：Marcel Dekker.2001，pp：17-112]。

2002年5月国际电信联盟ITU-T组织将光纤通信系统光波段划分如下：O波段(原始波段)为1260-1360nm，E波段(扩展波段)为1360-1460nm；S波段(短波长波段)为1460-1530nm，C波段(常规波段)为1530-1565nm；L波段(长波长波段)为1565-1625nm；U波段(超长波长波段)为1623-1675nm。

现有的光纤激光器多涉及单个波段或相邻两波段，覆盖波长范围小于100nm，如美国IPG公司报道的ELT系列的C+L波段波长可调谐光纤激光器，其波长调谐范围为1540-1605nm。现有实现波长范围超过100nm的多波段激光的器件中，需要先产生单波段或波长范围小于100nm的相邻两波段激光，最后将这些单波段或波长范围小于100nm的相邻两波段激光进行合波处理，结构复杂、引入的插入损耗大、分立元件多，可靠性差、对环境敏感且成本很高。

发明内容

为了克服已有光纤激光器仅仅只能产生单波段或波长范围小于100nm的相邻两波段激光，及现有实现波长范围超过100nm的多波段激光的器件由于产生激光与合波处理而引起的结构复杂、插入损耗大、分立元件多，可靠性差、对环境敏感且成本很高等缺点，本发明提供一种波长范围超过100nm的多波段多层掺稀土离子环芯激光器。

本发明的技术方案：

一种大功率多波段多层掺稀土离子环芯激光器，该激光器包括泵浦源、有源光纤；有源光纤采用的是N层掺稀土离子环芯光纤，2≤N≤10；

在N层掺稀土离子环芯光纤的所有掺稀土离子环芯中，写入所有掺稀土离子环芯所含全部或部分掺稀土离子的激射波长的反射系数大于等于99％的光栅，或在N层掺稀土离子环芯光纤端面上镀所有掺稀土离子环芯所含全部或部分掺稀土离子的激射波长的反射系数大于等于99％的反射膜；

在N层掺稀土离子环芯光纤的所有掺稀土离子环芯中，写入所有掺稀土离子环芯所含全部或部分掺稀土离子的激射波长的反射系数为4％～95％的光栅，或在N层掺稀土离子环芯光纤端面上镀所有掺稀土离子环芯所含全部或部分掺稀土离子的激射波长的反射系数为4％～95％的反射膜；

写入的对应掺稀土离子的激射波长的反射系数大于等于99％的光栅，或在N层掺稀土离子环芯光纤端面上镀的对应掺稀土离子的激射波长的反射系数大于等于99％的反射膜，与写入的对应掺稀土离子的激射波长的反射系数为4％～95％的光栅，或在N层掺稀土离子环芯光纤端面上镀的对应掺稀土离子的激射波长的反射系数为4％～95％的膜以及两者之间的N层掺稀土离子环芯光纤构成谐振腔；

写入的对应掺稀土离子的激射波长的反射系数大于等于99％的光栅，或在N层掺稀土离子环芯光纤端面上镀的对应掺稀土离子的激射波长的反射系数大于等于99％的反射膜为谐振腔的输入端；

写入的对应掺稀土离子的激射波长的反射系数为4％～95％的光栅，或在N层掺稀土离子环芯光纤端面上镀的对应掺稀土离子的激射波长的反射系数为4％～95％的反射膜为谐振腔的输出端；

泵浦源输出光耦合进N层掺稀土离子环芯光纤，产生的多波段激光从谐振腔输出端输出。

第一泵浦源对有源光纤进行端面泵浦或侧面泵浦，或第一泵浦源和第二泵浦源对有源光纤进行端面泵浦或侧面泵浦或同时端面泵浦与侧面泵浦。

第一泵浦源或第一泵浦源和第二泵浦源为N层掺稀土离子环芯光纤中掺稀土离子吸收截面对应的波长范围内光源。

第一泵浦源或第一泵浦源和第二泵浦源，或由多个不同的波长范围的泵浦源构成，其总的泵浦源波长范围对应N层掺稀土离子环芯光纤中掺稀土离子吸收截面对应的波长范围内。

为了将掺稀土元素工作波长范围全部覆盖上，这里定义：A波段(最短波长波段)为小于1260nm；Z波段(最长波长波段)为大于1675nm。

本发明的有益效果具体如下：相对于已有光纤激光器仅仅只能产生单波段或波长范围小于100nm的相邻两波段激光，本发明的大功率多波段多层掺稀土离子环芯激光器，能同时产生波长范围超过100nm的A、O、E、S，C，L，U、Z波段的激光。相对于现有实现波长范围超过100nm的多波段激光的器件中，需要先产生单波段或波长范围小于100nm的相邻两波段激光，最后将这些单波段或波长范围小于100nm的相邻两波段激光进行合波处理，本发明的多波段多层掺稀土离子环芯激光器具有结构更加紧凑，插入损耗降低，可靠性提高，受环境影响小等优点。由于采用的N层掺稀土离子环芯光纤存在一个共同的中心硅芯区，因此极大提高了泵浦效率。

附图说明

图1为大功率两波段两层掺稀土离子环芯激光器示意图。

图2为两层掺稀土离子圆环芯光纤截面图。

图3为大功率三波段三层掺稀土离子环芯激光器示意图。

图4为三层掺稀土离子长方环芯光纤截面图。

图5为大功率五波段五层掺稀土离子环芯激光器示意图。

图6为五层掺稀土离子椭圆环芯光纤截面图。

图7为大功率八波段十层掺稀土离子环芯激光器示意图。

图8为十层掺稀土离子圆环芯光纤截面图。

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

一种大功率两波段两层掺稀土离子环芯激光器示意图如图1所示，有源光纤采用的是两层掺稀土离子圆环芯光纤；在两层掺稀土离子圆环芯光纤的所有纤芯中，写入铒离子的激射波长1550nm与镱离子的激射波长1064nm的反射系数大于等于99％的第一光栅61；

在两层掺稀土离子圆环芯光纤的所有纤芯中，写入铒离子的激射波长1550nm与镱离子的激射波长1064nm的反射系数均为4％的第二光栅62；

第一光栅61和第二光栅62与这两光栅之间的一段两层掺稀土离子圆环芯光纤构成谐振腔，第一光栅61为谐振腔的输入端，第二光栅62为谐振腔的输出端。

第一泵浦源5输出光端面耦合进两层掺稀土离子圆环芯光纤，产生A波段1064nm与C波段1550nm的激光从谐振腔的输出端输出。

两层掺稀土离子圆环芯光纤截面图如图2所示，该有源光纤中心为硅芯区1、硅芯区1外，由内到外分布第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42，外包层3。第一掺稀土离子环芯41的掺稀土离子为铒离子，第二掺稀土离子环芯42掺稀土离子为镱离子。

第一泵浦源5为铒离子、镱离子吸收截面对应的波长范围内的光源。

第一泵浦源5，或由两个不同的波长范围的泵浦源构成，一个为铒离子吸收截面对应的波长范围内光源，一个为镱离子吸收截面对应的波长范围内的光源。

实施例二

一种大功率三波段三层掺稀土离子环芯激光器示意图，如图3所示，有源光纤采用的是三层掺稀土离子长方环芯光纤；在三层掺稀土离子长方环芯光纤的所有纤芯中，写入钕离子的激射波长1060nm、钍离子的激射波长2280nm的反射系数大于等于99％的第三光栅63，在三层掺稀土离子长方环芯光纤端面上镀钬离子的激射波长1380nm的反射系数大于等于99％的第一反射膜71；

在三层掺稀土离子长方环芯光纤的所有纤芯中，钕离子的激射波长1060nm、钍离子的激射波长为2280nm的反射系数均为30％的第四光栅64，在三层掺稀土离子长方环芯光纤端面上镀钬离子的激射波长1380nm的反射系数4％的第二反射膜72。

第三光栅63和第四光栅64与这两光栅之间的一段三层掺稀土离子长方环芯光纤构成第一个谐振腔，第三光栅63为第一个谐振腔的输入端，第四光栅64为第一个谐振腔的输出端。

第一反射膜71和第二反射膜72与这两膜之间的一段三层掺稀土离子长方环芯光纤构成第二个谐振腔，第一反射膜71为第二个谐振腔的输入端，第二反射膜72为第二个谐振腔的输出端。

第一泵浦源5输出光侧面耦合进三层掺稀土离子长方环芯光纤，产生A波段的1060nm、E波段的1380nm与Z波段的2280nm的激光从两谐振腔的输出端输出。

三层掺稀土离子长方环芯光纤截面图如图4所示，有源光纤截面图如图4所示，该有源光纤中心为硅芯区1、硅芯区1外，由内到外分布第一掺稀土离子环芯41、第一硅环芯21、第二掺稀土离子环芯42、第二硅环芯22、第三掺稀土离子环芯43、第三硅环芯23、外包层3。

第一掺稀土离子环芯41的掺稀土离子为钕镱互掺离子，第二掺稀土离子环芯42掺稀土离子为钬离子，第三掺稀土离子环芯43的掺稀土离子为钍离子。

第一泵浦源5为镱离子、钬离子与钍离子吸收截面对应的波长范围内的光源。

第一泵浦源5，或由两个不同的波长范围的泵浦源构成，一个为镱离子与钬离吸收截面对应的波长范围内光源，一个为钍离子吸收截面对应的波长范围内的光源。

实施例三

一种大功率五波段五层掺稀土离子环芯激光器示意图，如图5所示，有源光纤采用的是五层掺稀土离子椭圆环芯光纤；在五层掺稀土离子椭圆环芯光纤的所有纤芯中，写入铒离子的激射波长1550nm和1580nm，镨离子的激射波长1310nm与钕离子的激射波长1380nm的反射系数大于等于99％的第五光栅65，在五层掺稀土离子椭圆环芯光纤端面上镀钐离子的激射波长651nm的反射系数大于等于99％的第三反射膜73；

在五层掺稀土离子椭圆环芯光纤的所有纤芯中，写入铒离子的激射波长1550nm和1580nm，镨离子的激射波长1310nm与钕离子的激射波长1380nm的反射系数均为60％的第六光栅66，写入钐离子的激射波长651nm的反射系数95％的第七光栅67。

第五光栅65和第六光栅66与这两光栅之间的一段五层掺稀土离子椭圆环芯光纤构成第一个谐振腔，第五光栅65为第一个谐振腔的输入端，第六光栅66为第一个谐振腔的输出端。

第三反射膜73和第七光栅67与这两者之间的一段五层掺稀土离子椭圆环芯光纤构成第二个谐振腔，第五光栅65为第二个谐振腔的输入端，第六光栅66为第二个谐振腔的输出端。

第一泵浦源5输出光、第二泵浦源51输出光分别以端面与侧面耦合进五层掺稀土离子椭圆环芯光纤，产生的A波段的651nm、O波段的1310nm、E波段的1380nm、C波段的1550nm与L波段的1580nm的激光从两谐振腔的输出端输出。

五层掺稀土离子椭圆环芯光纤截面图如图6所示，该有源光纤中心为硅芯区1、硅芯区1外，由内到外分布第一掺稀土离子环芯41、第一硅环芯21、第二掺稀土离子环芯42、第二硅环芯22、第三掺稀土离子环芯43、第三硅环芯23、第四掺稀土离子环芯44、第四硅环芯24、第五掺稀土离子环芯45、第五硅环芯25、外包层3。

第一掺稀土离子环芯41的掺稀土离子为铒镱互掺离子，第二掺稀土离子环芯42的掺稀土离子为镨离子，第三掺稀土离子环芯43的掺稀土离子为钐离子，第四掺稀土离子环芯44的掺稀土离子为钕离子，第五掺稀土离子环芯45的掺稀土离子为铒离子。

第一泵浦源5、第二泵浦源51均为铒离子、镱离子、镨离子、钐离子与钕离子吸收截面对应的波长范围内的光源。

或第一泵浦源5为铒离子、镱离子、镨离子与钕离子吸收截面对应的波长范围内光源，第二泵浦源51为钐离子吸收截面对应的波长范围内的光源。

实施例四

一种大功率八波段十层掺稀土离子环芯激光器，如图7所示，有源光纤采用的是十层掺稀土离子圆环芯光纤；在十层掺稀土离子圆环芯光纤的所有纤芯中，写入铒离子的激射波长1560nm、1580nm、镱离子的激射波长1064nm、钕离子的激射波长1060nm、钬离子的激射波长1380nm的反射系数大于等于99％的的第八光栅68，写入钍离子的激射波长1480nm、1660nm、2300nm、镨离子的激射波长1310nm，钐离子的激射波长651nm的反射系数大于等于99％的的第九光栅69。

在十层掺稀土离子圆环芯光纤的所有纤芯中，写入铒离子的激射波长1560nm、1580nm、镱离子的激射波长1064nm、钕离子的激射波长1060nm、钬离子的激射波长1380nm反射系数均为80％的第十光栅610，写入钍离子的激射波长1480nm，1660nm、2300nm反射系数均为60％，镨离子的激射波长1310nm反射系数为95％的第十一光栅611，在十层掺稀土离子圆环芯光纤端面上镀钐离子的激射波长651nm的反射系数95％的第四反射膜74。

第八光栅68和第十光栅610与这两光栅之间的一段十层掺稀土离子圆环芯光纤构成第一个谐振腔，第八光栅68为第一个谐振腔的输入端，第十光栅610为第一个谐振腔的输出端。

第九光栅69和第十一光栅611与这两光栅之间的一段十层掺稀土离子圆环芯光纤构成第二个谐振腔，第九光栅69为第二个谐振腔的输入端，第十一光栅611为第二个谐振腔的输出端。

第四膜74和第九光栅69与这两者之间的一段十层掺稀土离子圆环芯光纤构成第三个谐振腔，第九光栅69为第三个谐振腔的输入端，第四反射膜74为第三个谐振腔的输出端。

十层掺稀土离子圆环芯光纤截面图如图8所示，该有源光纤中心为硅芯区1、硅芯区1外，由内到外分布第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、第三掺稀土离子环芯43、第四掺稀土离子环芯44、第五掺稀土离子环芯45、第六掺稀土离子环芯46、第一硅环芯21、第七掺稀土离子环芯47、第八掺稀土离子环芯48、第九掺稀土离子环芯49、第十掺稀土离子环芯410、第二硅环芯22、外包层3。

第一掺稀土离子环芯41的掺稀土离子为镱离子，第二掺稀土离子环芯42的掺稀土离子为铒离子，第三掺稀土离子环芯43的掺稀土离子为钕镱互掺离子，第四掺稀土离子环芯44的掺稀土离子为钬离子，第五掺稀土离子环芯45的掺稀土离子为钍离子，第六掺稀土离子环芯46的掺稀土离子为铒镱互掺离子，第七掺稀土离子环芯47的掺稀土离子为镨离子，第八掺稀土离子环芯48的掺稀土离子为钐离子，第九掺稀土离子环芯49的掺稀土离子为钕离子，第十掺稀土离子环芯410的掺稀土离子为镱离子。

第一泵浦源5输出光以正向端面十层掺稀土离子圆环芯光纤，第二泵浦源51输出光反向端面耦合进十层掺稀土离子圆环芯光纤，产生的A波段的651nm、1060nm、1064nm、O波段的1310nm、E波段的1380nm、S波段的1480nm、C波段的1560nm、L波段的1580nm、U波段的1660nm与Z波段的2300nm的激光从三个谐振腔的输出端输出。

第一泵浦源5、第二泵浦源51均为铒离子、镱离子、钬离子，钍离子，镨离子，钐离子和钕离子吸收截面对应的波长范围内光源。

或第一泵浦源5，为铒离子、镱离子、钬离子、钍离子和镨离子吸收截面对应的波长范围内光源，，第二泵浦源51为钐离子和钕离子吸收截面对应的波长范围内光源。

本发明采用的N层掺稀土离子环芯光纤，2≤N≤10，即为2009.12.18由北京交通大学申请的发明名称为“多层掺稀土离子环芯光纤及其制作方法”，申请号：200910243346.3，的光纤。该光纤的特征为：该光纤中心为硅芯区1、硅芯区1外，由内到外分布第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42...第N掺稀土离子环芯4N，2≤N≤10，第N掺稀土离子环芯4N的外边分布外包层3。

第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、...第N掺稀土离子环芯4N的折射率相等；

硅芯区1的折射率低于第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42、...第N掺稀土离子环芯4N的折射率；

外包层3的折射率低于硅芯区1的折射率。

第一掺稀土离子环芯41、第二掺稀土离子环芯42...第N掺稀土离子环芯4N、外包层3之间由内到外分布为第一硅环芯21、第二硅环芯22...第K硅环芯2K，0≤K≤N；

第一硅环芯21...第K硅环芯2K的折射率与硅芯区1的折射率相等。

Claims (1)

1.一种大功率多波段多层掺稀土离子环芯激光器，该激光器包括泵浦源、有源光纤；其特征在于：有源光纤采用的是N层掺稀土离子环芯光纤，2≤N≤10；

在N层掺稀土离子环芯光纤的所有掺稀土离子环芯中，写入所有掺稀土离子环芯所含全部或部分掺稀土离子的激射波长的反射系数大于等于99％的光栅，或在N层掺稀土离子环芯光纤端面上镀所有掺稀土离子环芯所含全部或部分掺稀土离子的激射波长的反射系数大于等于99％的反射膜；

在N层掺稀土离子环芯光纤的所有掺稀土离子环芯中，写入所有掺稀土离子环芯所含全部或部分掺稀土离子的激射波长的反射系数为4％～95％的光栅，或在N层掺稀土离子环芯光纤端面上镀所有掺稀土离子环芯所含全部或部分掺稀土离子的激射波长的反射系数为4％～95％的反射膜；

写入的对应掺稀土离子的激射波长的反射系数大于等于99％的光栅，或在N层掺稀土离子环芯光纤端面上镀的对应掺稀土离子的激射波长的反射系数大于等于99％的反射膜，与写入的对应掺稀土离子的激射波长的反射系数为4％～95％的光栅，或在N层掺稀土离子环芯光纤端面上镀的对应掺稀土离子的激射波长的反射系数为4％～95％的膜以及两者之间的N层掺稀土离子环芯光纤构成谐振腔；

写入的对应掺稀土离子的激射波长的反射系数大于等于99％的光栅，或在N层掺稀土离子环芯光纤端面上镀的对应掺稀土离子的激射波长的反射系数大于等于99％的反射膜为谐振腔的输入端；

写入的对应掺稀土离子的激射波长的反射系数为4％～95％的光栅，或在N层掺稀土离子环芯光纤端面上镀的对应掺稀土离子的激射波长的反射系数为4％～95％的反射膜为谐振腔的输出端；

泵浦源输出光耦合进N层掺稀土离子环芯光纤，产生的多波段激光从谐振腔的输出端输出；

第一泵浦源对有源光纤进行端面泵浦或侧面泵浦，或第一泵浦源和第二泵浦源对有源光纤进行端面泵浦或侧面泵浦或同时端面泵浦与侧面泵浦，第一泵浦源或第一泵浦源和第二泵浦源为N层掺稀土离子环芯光纤中掺稀土离子吸收截面对应的波长范围内光源。

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