CN101888054B

CN101888054B - 采用滤模匹配器进行横向模式控制的波导激光器

Info

Publication number: CN101888054B
Application number: CN2010101953143A
Authority: CN
Inventors: 巩马理; 闫平; 张海涛; 廖素英; 郝金坪
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2030-05-31
Also published as: CN101888054A

Abstract

一种采用滤模匹配器进行横向模式控制的波导激光器，属于波导激光器技术领域，其特征在于，包括泵浦装置，波导激光介质及设置在激光介质端面上的腔镜。其主要技术方案是采用滤模匹配器的分段式波导结构，即纵向波导结构或参数变化的结构，使激光束在参数不同的波导中传导或振荡。在此过程中，高阶模比低阶模损耗更多的能量，在模式竞争中被削弱甚至被抑制，模式分配的功率比例发生变化，从而使激光器输出较好光束质量的激光。本发明的波导激光器，由于采用新型的变参数波导结构，可以改善光束质量；并有助于实现大模场波导激光器，从而提升波导激光器的功率。本发明可应用于高功率波导激光器中。

Description

采用滤模匹配器进行横向模式控制的波导激光器

技术领域

本发明涉及一种波导激光器，特别是一种采用滤模匹配器进行横向模式控制的波导激光器。

背景技术

在设计波导激光器时，一般希望获得高功率、高光束质量的激光输出。其中激光器的最大输出功率受增益介质饱和效应的影响，与模场的等效截面面积成正比；对光纤激光器而言，功率的提升，更受到包括受激布里渊散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)和自相位调制(SPM)等在内的非线性效应的限制，这些非线性效应产生的功率阈值也与模场的等效面积成正比。为了获得更高功率的激光输出，往往需要增大波导的芯径，但增大芯径，必然造成波导高阶模的出现，导致输出光束质量的下降。为保证波导激光器在高功率运转的同时，还具备较高的光束质量，目前主要采取弯曲波导、泄漏损耗、增益导引等选模方法来控制模式的输出。但这些方法是从波导的横截面上改变折射率分布或掺杂分布来达到控制横向模式的输出，对大芯径、低数值孔径的波导来说，选模的能力受到一定限制。

在弱波导条件下，波导中的所有导模构成亥姆霍兹波动方程解空间的完备正交基，任意在波导中传导的光场分布E(x，y，z)可以表示为这一组完备正交基的线性叠加，即

E (x, y, z) = e (x, y) \exp (jβz) = Σ_{i = 1}^{N} c_{i} {\overset{&OverBar;}{e}}_{i} \exp (j β_{i} z) - - - (1)

其中，(x，y，z)表示直角坐标变量，N为导模的个数，e(x，y)为传导光束在波导横向上的场分布，

β_i分别表示第i个模式的归一化模场表达式及传播常数，c_i为相应模式的权重因子，

c_{i} = < e, {\overset{&OverBar;}{e}}_{i} > = {&Integral;}_{- \infty}^{\infty} {&Integral;}_{- \infty}^{\infty} e (x, y) {\overset{&OverBar;}{e}}_{i}^{*} (x, y) dxdy - - - (2)

且所有模式的权重因子平方和满足

P = {| | e | |}^{2} / η = \frac{1}{η} \cdot \underset{i}{Σ} {| c_{i} |}^{2} - - - (3)

式中η为波阻抗，P为场分布的总功率。上式说明，各个模式权重因子的模平方决定了该模式在场分布中所占有的功率大小。其中，基模权重因子的大小直接影响激光输出的光束质量，基模的权重模平方值越大，则输出光束质量将越好。

在波导激光器中，各横模之间的竞争能力与模式的损耗、增益重叠程度、及模式之间的耦合等因素有关，(参考文献Optics Express，Vol.15(6)，p3236-3246，2007)，如果一个模式在激光振荡的一个回程中损耗超过增益，则该模式在竞争中将失去优势，而逐渐被削弱或被抑制。对此，Mali Gong等在“High-order modes suppression in large-mode-area fiber amplifiers andlasers by controlling the mode power allocations”(Journals ofOptics，Vol.11，No.1，2009)一文中，提出了加入滤波光纤来控制模式比例的方法，从而改变模式的损耗机制，使高阶模的损耗大于低阶模的损耗，以起到选模作用。但这种方法由于基于对光纤纤芯参数的改变，在两段参数不同的光纤耦合时会引入较大的损耗；光在纤芯中传播时，无论高阶模式还是低阶模式均会产生一定的损耗，这样就影响了低阶模式的功率，从而导致所需模式的功率下降。如果将其运用到激光器中，难以得到高功率的激光输出。

发明内容

基于上述问题，本发明提供一种采用滤模匹配器进行横向模式控制的波导激光器。

本发明的技术之一，其特征在于，一种采用滤模匹配器进行横向模式控制的波导激光器，是一种平板波导激光器。其含有：由第一分段平板波导(I)和第二分段平板波导(II)在横截面上熔接而成的作为滤膜匹配器的波导介质、端面泵浦装置以及镀制在所述波导介质端面上的光学薄膜，其中：

第一分段平板波导(I)，具有上下纵对称结构：从上到下依次由包层、导芯和衬底构成；所述第一分段平板波导(I)的导芯掺有增益粒子，构成波导激光器的增益介质；所述第一分段平板波导(I)的外侧端面镀有全反膜，构成激光器的一个腔镜；所述全反膜对激光波长大部分反射，对从所述第一分段平板波导(I)端面注入的泵浦波长大部分透射；

第二分段平板波导(II)，具有上下纵对称结构：从上到下依次由包层、导芯和衬底构成；所述第二分段平板波导(II)的外侧端面镀有半反半透膜，构成激光器的另一个腔镜；所述半反半透膜对激光波长部分反射部分透射，对从所述第二分段平板波导(II)端面注入的泵浦波长大部分透射；

所述第一分段平板波导(I)占所述波导介质的大部分长度，所述第一分段平板波导(I)的包层在纵向尺寸上不同于所述第二分段平板波导(II)的包层，两段波导的其它结构参数均相同。

端面泵浦方式用侧面泵浦、或多光束耦合泵浦、或分布式泵浦中的一种或多种的组合代替。

所述镀制在波导介质端面上的薄膜，用放置在波导介质端面附近的二向色镜代替。

所述第一分段平板波导(I)和第二分段平板波导(II)，其衬底尺寸、包层形状、衬底形状等结构参数中的一种或多种不同。

本发明的技术之二，其特征在于，一种采用滤模匹配器进行横向模式控制的波导激光器，是一种光纤激光器。其含有：由增益光纤和传导光纤在横截面上熔接而成的作为滤膜匹配器的波导介质、端面泵浦装置以及镀制在所述波导介质端面上的光学薄膜，其中：

增益光纤的纤芯掺有增益粒子，构成光纤激光器的增益介质；所述增益光纤的外侧端面镀有全反膜，构成激光器的一个腔镜；所述全反膜对激光波长大部分反射，对从所述增益光纤端面注入的泵浦波长大部分透射；

传导光纤的外侧端面镀有半反半透膜，构成激光器的另一个腔镜；所述半反半透膜对激光波长部分反射部分透射，对从所述传导光纤端面注入的泵浦波长大部分透射；

所述增益光纤占所述波导介质的大部分长度，所述增益光纤的包层在纵向尺寸上不同于所述传导光纤的包层，两段波导的其它结构参数均相同。

端面泵浦方式用侧面泵浦、多光束耦合泵浦、或分布式泵浦中的一种或多种的组合代替。

所述镀制在光纤端面上的薄膜，用放置在光纤端面附近的二向色镜代替。

所述增益光纤和所述传导光纤，其包括包层形状、包层尺寸、包层数目在内的结构参数中的一种或多种不同。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用波导参数不同的分段式波导结构，激光放大发生在增益波导区；产生的激光束在谐振腔内振荡，多次经过参数不同的波导后，其中高阶模式的能量被削弱，失去模式竞争的优势，从而使得低阶模式在输出光束中占据较多的功率比重，因此可以获得较好光束质量的激光输出。2、本发明由于采用分段式波导结构，在增加增益介质波导芯径大小情况下，仍可以通过设计滤波波导的横截面结构来保证低阶模式的较大比重输出，因此有利于增加激光波导的有效模场面积，提高激光器的输出功率。3、本发明是从纵向上改变光波导的折射率分布来实现对模式的控制，与从横向上改变折射率分布、增益分布的选模方法相辅相成，可以配合使用，获得更好的选模效果。4、本发明简便易行，无需采用特殊的泵浦方式及腔镜结构即可达到提高光束质量的目的，在传统波导激光器的基础上很容易实现。本发明可以广泛用于各种高功率平板波导、矩形波导、光纤波导激光器中。

附图说明

图1为本发明用于平板波导激光器横向模式控制的实施例。

图2为本发明用于光纤激光器横向模式控制的实施例。

图中，1为I部分波导的导芯，2为II部分波导的导芯，3为I部分波导的包层，4为II部分波导的包层，5为I部分平板波导的衬底，6为II部分平板波导的衬底，7镀膜，8镀膜，9LD泵浦源，10双色镜，11双色镜，12增益光纤，13传导光纤。

具体实施方式

一种采用滤模匹配器进行横向模式控制的平板波导激光器，含有：由第一分段平板波导(I)和第二分段平板波导(II)在横截面上熔接而成的作为滤膜匹配器的波导介质、端面泵浦装置以及镀制在所述波导介质端面上的薄膜，其中：

第一分段平板波导(I)，具有上下纵对称结构：从上到下依次由包层、导芯和衬底构成；所述第一分段平板波导(I)的导芯掺有增益粒子，构成波导激光器的增益介质；所述第一分段平板波导(I)的外侧端面镀有全反膜，构成激光器的一个腔镜；所述全反膜对激光波长具有高反射率，对从所述第一分段平板波导(I)端面注入的泵浦波长具有高透射率；

第二分段平板波导(II)，具有上下纵对称结构：从上到下依次由包层、导芯和衬底构成；所述第二分段平板波导(II)的外侧端面镀有半反半透膜，构成激光器的另一个腔镜；所述半反半透膜对激光波长部分反射部分透射，对从所述第二分段平板波导(II)端面注入的泵浦波长具有高透射率；

所述端面泵浦方式用侧面泵浦、多光束耦合泵浦、或分布式泵浦等常用泵浦方式中的一种或多种的组合代替。

一种采用滤模匹配器进行横向模式控制的光纤激光器，含有：由增益光纤和传导光纤在横截面上熔接而成的作为滤膜匹配器的波导介质、端面泵浦装置以及镀制在所述波导介质端面上的薄膜，其中：

增益光纤的纤芯掺有增益粒子，构成光纤激光器的增益介质；所述增益光纤的外侧端面镀有全反膜，构成激光器的一个腔镜；所述全反膜对激光波长具有高反射率，对从所述增益光纤端面注入的泵浦波长具有高透射率；

传导光纤的外侧端面镀有半反半透膜，构成激光器的另一个腔镜；所述半反半透膜对激光波长部分反射部分透射，对从所述传导光纤端面注入的泵浦波长具有高透射率；

所述增益光纤和所述传导光纤，其包层形状、包层尺寸、包层数目等结构参数中的一种或多种不同。

实施例1：

本实施例是采用横向模式控制的平板波导激光器。如图1所示，分段式平板波导由I、II两段组成。I、II均采用对称结构，导芯(1)、(2)的芯径大小均为100um，波导I的整个尺寸为0.4mm×4mm×12mm，波导II的整个波导尺寸为0.5mm×5mm×12mm。即I的包层(3)和衬底(5)的尺寸比II的包层(4)和衬底(6)要小。泵浦光通过耦合装置从I的一棱边注入，激光振荡在I中获得增益，进入II传导后经II端面的镀膜全反射返回，然后再进入I，多次往返后，高阶模损耗大于低阶模损耗，较好光束质量的激光束最终从II的端面输出。II端面的镀膜(8)对激光波长和泵浦波长都是全反，I端面的镀膜(7)对泵浦波长全反，对激光波长部分透过。激光谐振腔为波导两个端面之间形成的平平腔结构。

实施例2：

本实施例是采用横向模式控制的光纤激光器，如图2所示。LD泵浦源(9)，双色镜(10)、(11)和增益光纤(12)构成基本的Fabry-Perot谐振腔，光纤采用分段式结构，增益光纤(12)和传导光纤(13)具有相同的纤芯直径、数值孔径相同和包层尺寸。增益光纤(12)的包层为梅花形，传导光纤(13)的包层为圆形。双色镜(10)紧贴光纤(12)的端面，它对泵浦光高透，对光纤激光高反；输出镜(11)对入射泵浦光高透，对光纤激光部分透过。泵浦光从光纤两端面透过双色镜后注入光纤的内包层，在光纤段(12)激励激光振荡。在一个回程中，激光光束要两次穿过光纤段(13)，由于(13)的包层形状与(12)不同，所以会引起激光束中模式的功率分配发生变化。当两段光纤的纤芯折射率分布选择合理时，光束在谐振腔内多次振荡，高阶模会损失较大的功率，从而导致低阶模在竞争中占据优势，有效地抑制高阶模的产生。

Claims

1.采用滤模匹配器进行横向模式控制的波导激光器，其特征在于，是一种平板波导激光器，含有：由第一分段平板波导(I)和第二分段平板波导(II)在横截面上熔接而成的作为滤膜匹配器的波导介质、端面泵浦装置以及镀制在所述波导介质端面上的光学薄膜，其中：

2.如权利要求1所述的波导激光器，其特征在于：端面泵浦方式用侧面泵浦、或多光束耦合泵浦、或分布式泵浦中的一种或多种的组合代替。

3.如权利要求1所述的波导激光器，其特征在于：镀在波导端面的膜，用放置在波导端面附近的二向色镜代替。

4.采用滤模匹配器进行横向模式控制的波导激光器，其特征在于，是一种光纤激光器，含有：由增益光纤和传导光纤在横截面上熔接而成的作为滤膜匹配器的波导介质、端面泵浦装置以及镀制在所述波导介质端面上的光学薄膜，其中：

5.如权利要求4所述的波导激光器，其特征在于：端面泵浦方式用侧面泵浦、多光束耦合泵浦、或分布式泵浦中的一种或多种的组合代替。

6.如权利要求4所述的波导激光器，其特征在于：镀在波导端面的膜，用放置在波导端面附近的二向色镜代替。