CN102244344B

CN102244344B - 一种In-band泵浦的掺钕离子光纤激光器

Info

Publication number: CN102244344B
Application number: CN201110146996A
Authority: CN
Inventors: 丁欣; 史春鹏; 盛泉; 李雪; 殷苏嘉; 李斌; 姚建铨; 温午麒
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2011-06-02
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2031-06-02
Also published as: CN102244344A

Abstract

本发明公开了一种In-band泵浦的掺钕离子光纤激光器，涉及一种激光器，激光泵浦源输出的泵浦光经激光传能光纤传输到第一准直透镜，第一准直透镜对泵浦光进行准直，得到准直后的泵浦光同时传输给聚焦透镜，聚焦透镜将准直后的泵浦光聚焦到掺钕增益光纤中，掺钕增益光纤吸收准直后的泵浦光，掺钕增益光纤内产生粒子数反转；在二色镜和尾纤端面的限制下，掺钕增益光纤产生受激辐射并在谐振腔内形成激光振荡，通过尾纤端面输出1060nm波段激光，第二准直透镜对1060nm波段激光进行准直，得到准直后的1060nm波段激光，滤光镜对准直后的1060nm波段激光进行滤光处理，得到并输出1060nm单色激光。

Description

一种In-band泵浦的掺钕离子光纤激光器

技术领域

本发明涉及一种激光器，特别涉及一种In-band泵浦的掺钕离子光纤激光器。

背景技术

半导体激光器泵浦的掺钕离子(Nd³⁺:YAG，Nd³⁺:YVO₄，掺钕光纤等)固体激光器可发射914nm、946nm、1064nm、1319nm和1342nm等多个波长，是最常用的一类全固态激光器。在以波长在808nm附近的半导体激光器作为泵浦源的传统泵浦方式中，泵浦高能级并非是激光上能级，粒子从基态被泵浦到泵浦高能级后经无辐射跃迁转移到激光上能级，如图1(a)所示。这种泵浦方式的优点在于激光介质对泵浦光吸收系数较大，因而得到了广泛应用。但是，在无辐射跃迁过程中激光增益介质内会产生大量热量，这些热量在激光增益介质中形成的一系列热效应(包括热透镜、热退偏和热致双折射等)会明显地改变激光输出特性，严重影响激光输出的光束质量和功率，已成为限制全固态激光器大功率、高效率和高光束质量运转的主要瓶颈。即使是采用散热较好的增益介质(如板条、薄片或光纤等)，继续提高输出功率和保持光束质量也遇到困难；而加大制冷功率，不仅使半导体激光器复杂、稳定性降低，而且在此过程中还会继续消耗能量，产生热量，不能根本解决此问题。因此，热量的管理和控制问题是高功率全固态激光器发展的关键。

为解决传统泵浦方式中产生大量热量的问题，现有技术中提出了In-band直接泵浦方式，即采用一定波长的泵浦光，如880nm附近，将粒子从基态能级直接泵浦到激光上能级，如图1(b)所示。由于不存在弛豫过程而相应地减少了热量的产生，并且量子效率(激光频率除泵浦光频率)较高，但因激光增益介质对In-band直接泵浦波长的吸收系数较小导致激光器不能对泵浦光进行充分利用，因而影响了激光器整体效率。现有技术中改善激光增益介质对直接泵浦光的吸收常采用以下两种方法：1、增加对未被增益介质吸收的泵浦光的反馈，会使激光系统复杂化，增加对激光器稳定运转的不利因素；2、增大激光增益介质的掺杂浓度和长度，受限于晶体浓度猝灭效应以及生长工艺条件等因素，效果难以再有明显改善。

发明内容

为了解决掺钕离子全固态激光器中产生热量大，效率不高等现有问题，本发明提供了一种In-band泵浦的掺钕离子光纤激光器，详见下文描述：

一种In-band泵浦的掺钕离子光纤激光器，所述掺钕离子光纤激光器包括：顺次布置的激光泵浦源、激光传能光纤、第一准直透镜、二色镜、聚焦透镜、掺钕增益光纤、尾纤端面、第二准直透镜和滤光镜，

其中，所述第一准直透镜和所述聚焦透镜组成透镜组耦合系统，所述二色镜和所述尾纤端面组成谐振腔；所述二色镜的双面镀制有880nm、888nm、912nm、914nm或940nm波段中的一种或多种高透过率的光学介质膜；所述二色镜的右表面镀制有1060nm波段的高反射率的光学介质膜；所述激光泵浦源的中心波长为880nm、888nm、912nm、914nm或940nm；

所述激光泵浦源输出的泵浦光经所述激光传能光纤传输到所述第一准直透镜，所述第一准直透镜对所述泵浦光进行准直，得到准直后的泵浦光同时传输给所述聚焦透镜，所述聚焦透镜将所述准直后的泵浦光聚焦到所述掺钕增益光纤中，所述掺钕增益光纤吸收所述准直后的泵浦光，所述掺钕增益光纤内产生粒子数反转；在所述二色镜和所述尾纤端面的限制下，所述掺钕增益光纤产生受激辐射并在所述谐振腔内形成激光振荡，通过所述尾纤端面输出1060nm波段激光，所述尾纤端面对所述1060nm波段激光的反射率为4％或5％，所述第二准直透镜对所述1060nm波段激光进行准直，得到准直后的1060nm波段激光，所述滤光镜对所述准直后的1060nm波段激光进行滤光处理，得到并输出1060nm单色激光。

所述第一准直透镜具体为聚焦透镜。

所述二色镜具体为平面镜或凹面镜。

所述聚焦透镜具体为普通聚焦透镜或显微物镜。

所述掺钕增益光纤具体为D型双包层掺钕光纤、矩形双包层掺钕光纤、同心圆形双包层掺钕光纤、偏心圆形双包层掺钕光纤、梅花形双包层掺钕光纤和椭圆形双包层掺钕光纤。

所述掺钕增益光纤具体为普通掺钕光纤或保偏掺钕光纤。

所述掺钕增益光纤的钕离子掺杂浓度为0.15mol％，长度为10m。本发明提供的技术方案的有益效果是：

本发明提供了一种In-band泵浦的掺钕离子光纤激光器，本发明与传统泵浦方式相比大幅减少由泵浦高能级到激光上能级弛豫过程中热量的产生，有助于突破现有大功率固体激光器的瓶颈，实现激光器高功率、高光束质量稳定运转，提高了量子效率和斜率效率，降低了热量；同时又通过对掺钕增益光纤的掺杂浓度和长度的选择解决了一般固体激光器In-band泵浦方式下对泵浦光吸收系数较小的问题，使In-band泵浦技术实用化；本发明可以广泛用于军事、医疗、通信、科研等领域。

附图说明

图1a为现有技术提供的粒子从基态被泵浦到泵浦高能级后经无辐射跃迁转移到激光上能级的示意图；

图1b为现有技术提供的粒子从基态能级直接泵浦到激光上能级的示意图；

图2为本发明提供的一种In-band泵浦的掺钕离子光纤激光器的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：激光泵浦源； 2：激光传能光纤；

3：第一准直透镜； 4：二色镜；

5：聚焦透镜； 6：掺钕增益光纤；

7：尾纤端面； 8：第二准直透镜；

9：滤光镜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了解决掺钕离子全固态激光器中产生热量大，效率不高等现有问题，本发明实施例提供了一种In-band泵浦的掺钕离子光纤激光器，要提高全固态激光器的效率，实现稳定的高功率和高光束质量的运转，依靠In-band直接泵浦方式减少热量的产生，从根本上解决热问题是唯一途径，而改善增益介质对泵浦光的吸收又是In-band直接泵浦方式的关键，参见图2，详见下文描述：

一种In-band泵浦的掺钕离子光纤激光器，包括：顺次布置的激光泵浦源1、激光传能光纤2、第一准直透镜3、二色镜4、聚焦透镜5、掺钕增益光纤6、尾纤端面7、第二准直透镜8和滤光镜9，其中，第一准直透镜3和聚焦透镜5组成透镜组耦合系统，二色镜4和尾纤端面7组成谐振腔；其中，二色镜4的双面镀制有880nm、888nm、912nm、914nm或940nm波段中的一种或多种高透过率的光学介质膜；二色镜4的右表面镀制有1060nm波段的高反射率的光学介质膜；激光泵浦源1的中心波长为880nm、888nm、912nm、914nm或940nm；

激光泵浦源1输出的泵浦光经激光传能光纤2传输到第一准直透镜3，第一准直透镜3对泵浦光进行准直，得到准直后的泵浦光同时传输给聚焦透镜5，聚焦透镜5将准直后的泵浦光聚焦到掺钕增益光纤6中，掺钕增益光纤6吸收准直后的泵浦光，掺钕增益光纤6内产生粒子数反转；在二色镜4和尾纤端面7的限制下，掺钕增益光纤6产生受激辐射并在谐振腔内形成激光振荡，通过尾纤端面7输出1060nm波段激光，尾纤端面7对1060nm波段激光的反射率为4％或5％，第二准直透镜8对1060nm波段激光进行准直，得到准直后的1060nm波段激光，滤光镜9对准直后的1060nm波段激光进行滤光处理，得到并输出1060nm单色激光。

进一步地，为了使光纤激光器处于最佳状态运转，激光泵浦源1的中心波长优选为880nm，与普通的808nm泵浦源相比能极大的降低由于量子亏损产生的热效应，从而提高光纤激光器的效率。

其中，激光泵浦源1采用连续、调制或脉冲方式工作。

进一步地，为了实现光斑半径更小，更容易耦合到掺钕增益光纤6内，第一准直透镜3具体为聚焦透镜。

其中，二色镜4具体为平面镜或凹面镜。

其中，聚焦透镜5具体为普通聚焦透镜或显微物镜。

其中，从结构上分析，掺钕增益光纤6具体为D型双包层掺钕光纤、矩形双包层掺钕光纤、同心圆形双包层掺钕光纤，偏心圆形双包层掺钕光纤、梅花形双包层掺钕光纤、椭圆形双包层掺钕光纤等能产生1060nm的掺钕增益光纤。

其中，从功能上分析，掺钕增益光纤6为普通掺钕光纤或保偏掺钕光纤。

其中，为了提高掺钕增益光纤6对泵浦光的吸收系数、减少热效应，本发明实施例优选掺钕增益光纤6的掺杂浓度为0.15mol％，长度为10m。

下面以一个试验来验证本发明实施例提供的一种In-band泵浦的掺钕离子光纤激光器的可行性，其中，激光传能光纤2的芯径为400微米，数值孔径为0.22；第一准直透镜3和聚焦透镜5均双面镀制880nm高透过率的光学介质膜，聚焦透镜5的焦距为4cm；掺钕增益光纤6的掺杂浓度为0.15mol％，纤芯直径为5μm，内包层直径为125μm，长度为10m；二色镜4双面镀制880nm波段的高透过率的光学介质膜，右面镀制1060nm波段的高反射率的光学介质膜；二色镜4和尾纤端面7之间的距离为10米；详见下文描述：

激光泵浦源1的中心波长为880nm，制冷方式采用循环水冷却，也可以是半导体制冷器TEC冷却，温度设定为25℃，激光泵浦源1采用连续、调制或脉冲方式工作，激光泵浦源1输出的泵浦光经过激光传能光纤2，将泵浦光传输到透镜组耦合系统上，泵浦光经过第一准直透镜3准直和聚焦透镜5聚焦作用后，光束光斑尺寸压缩为5μm，高效率的耦合到掺钕增益光纤6中，掺钕增益光纤6为D型双包层掺钕光纤，在准直后的泵浦光作用下，掺钕增益光纤6产生粒子数反转；尾纤端面7为垂直切割光纤端面，该端面对1060nm光波的反射率为4％；二色镜4和尾纤端面7共同组成激光器谐振腔，在二色镜4和尾纤端面7的限制下，掺钕增益光纤6中产生受激辐射，辐射出的激光在谐振腔内形成往复振荡并不断放大，得到1060nm波段激光，并由尾纤端面7输出1060nm波段激光，1060nm波段激光经过第二准直透镜8和滤光镜9的准直和滤除杂光后，得到并输出1060nm单色激光，其中，第二准直透镜8对1060nm波段激光进行准直，以压缩发散角；滤光镜9用来滤除未被掺钕增益光纤6吸收完全而出射的880nm泵浦光，得到并输出1060nm单色激光，通过上述试验验证了本发明实施例提供的一种In-band泵浦的掺钕离子光纤激光器的可行性，满足了实际应用中的需要。

综上所述，本发明实施例提供了一种In-band泵浦的掺钕离子光纤激光器，本发明实施例与传统泵浦方式相比大幅减少由泵浦高能级到激光上能级弛豫过程中热量的产生，有助于突破现有大功率固体激光器的瓶颈，实现激光器高功率、高光束质量稳定运转，提高了量子效率和斜率效率，降低了热量；同时又利用光纤的长度解决了一般固体激光器在In-band泵浦方式下激光增益介质对泵浦光吸收系数较小的问题，使In-band泵浦技术实用化；本发明实施例可以广泛用于军事、医疗、通信、科研等领域。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种In-band泵浦的掺钕离子光纤激光器，其特征在于，所述掺钕离子光纤激光器包括：顺次布置的激光泵浦源、激光传能光纤、第一准直透镜、二色镜、聚焦透镜、掺钕增益光纤、尾纤端面、第二准直透镜和滤光镜，

所述激光泵浦源输出的泵浦光经所述激光传能光纤传输到所述第一准直透镜，所述第一准直透镜对所述泵浦光进行准直，得到准直后的泵浦光同时传输给所述聚焦透镜，所述聚焦透镜将所述准直后的泵浦光聚焦到所述掺钕增益光纤中，所述掺钕增益光纤吸收所述准直后的泵浦光，所述掺钕增益光纤内产生粒子数反转；在所述二色镜和所述尾纤端面的限制下，所述掺钕增益光纤产生受激辐射并在所述谐振腔内形成激光振荡，通过所述尾纤端面输出1060nm波段激光，所述尾纤端面对所述1060nm波段激光的反射率为4%或5%，所述第二准直透镜对所述1060nm波段激光进行准直，得到准直后的1060nm波段激光，所述滤光镜对所述准直后的1060nm波段激光进行滤光处理，得到并输出1060nm单色激光。

2.根据权利要求1所述的一种In-band泵浦的掺钕离子光纤激光器，其特征在于，所述第一准直透镜具体为聚焦透镜。

3.根据权利要求1所述的一种In-band泵浦的掺钕离子光纤激光器，其特征在于，所述二色镜具体为平面镜或凹面镜。

4.根据权利要求1所述的一种In-band泵浦的掺钕离子光纤激光器，其特征在于，所述聚焦透镜具体为显微物镜。

5.根据权利要求1所述的一种In-band泵浦的掺钕离子光纤激光器，其特征在于，所述掺钕增益光纤具体为D型双包层掺钕光纤、矩形双包层掺钕光纤、同心圆形双包层掺钕光纤、偏心圆形双包层掺钕光纤、梅花形双包层掺钕光纤或椭圆形双包层掺钕光纤。

6.根据权利要求1所述的一种In-band泵浦的掺钕离子光纤激光器，其特征在于，所述掺钕增益光纤具体为保偏掺钕光纤。

7.根据权利要求1所述的一种In-band泵浦的掺钕离子光纤激光器，其特征在于，所述掺钕增益光纤的钕离子掺杂浓度为0.15mol%，长度为10m。