CN102299475A

CN102299475A - 全光纤结构的窄线宽单横模百瓦级2微米掺铥光纤激光器

Info

Publication number: CN102299475A
Application number: CN 201110205448
Authority: CN
Inventors: 冯选旗; 冯晓强; 贺庆丽; 白晋涛
Original assignee: Northwest University
Current assignee: Northwest University
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2031-07-21
Also published as: CN102299475B

Abstract

本发明公开一种全光纤结构的窄线宽单横模百瓦级2μm掺铥光纤激光器，种子泵浦源发出的种子激光的光路上依次设置所述全反射光纤光栅、双包层主振荡光纤、第一半反射光纤光栅、双包层次振荡光纤、第二半反射光纤光栅、光隔离器，上述部件首尾相连依次熔接，所述光隔离器的输出端与所述合束器的信号输入端熔接，所述放大级泵浦组件的6个泵浦模块输出端分别与所述合束器的6个泵浦输入端熔接，所述合束器的输出端与所述双包层放大光纤熔接，该双包层放大光纤的输出端与所述输出尾纤熔接。本发明采用全光纤MOPA结构实现2μm激光输出，具有光束质量好、窄线宽单横模、输出功率高、结构紧凑、性能稳定可靠的优点。

Description

全光纤结构的窄线宽单横模百瓦级2微米掺铥光纤激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种光纤激光器，特别是一种全光纤结构的窄线宽单横模百瓦级2μm掺铥光纤激光器。

背景技术

光纤激光器以其体积小、效率高、稳定性好、光束质量好等优点，发展十分迅速。高功率2μm波段光纤激光器在工业、生物医学和军事上都有着重要的应用，目前实现该波段激光常用的技术有以下四种：

第一种：采用掺铥、掺钬或铥钬共掺固体激光器。由于固体激光晶体的热效应或泵浦吸收带过窄等问题，导致斜率效率不高，如中国专利申请（专利申请号：200710093817.8）公开的一种大功率铥激光器。

第二种：采用掺铥或掺钬的光纤激光器。该光纤激光器由于采用光纤介质，具有较高的斜率效率，一般多采用二色镜等元件所构成的分立元件光纤激光器结构，光束质量较差——横模尺寸较大，线宽较宽，也有在谐振腔中插入光栅等选模元件获得窄线宽输出，但其结构复杂，稳定性较差，如：中国专利申请（专利申请号：201010204385.5）公开的一种窄线宽掺铥光纤激光器。

第三种：固体激光种子再进行光纤放大。输出激光质量主要靠固体激光种子予以保证，原则上可以获得较好的光束质量，但由于其种子部分和放大部分属于分立结构，结构复杂、难以集成，如中国专利申请（专利申请号：200810041644.X）公开的一种中红外掺铥光纤激光放大器。

第四种方法，采用全光纤主振荡—功率放大（MOPA）结构，激光线宽主要依靠光栅的线宽所限定，在目前的技术条件下，这一限制正常情况在纳米量级，要进一步降低激光输出线宽通过减小光栅反射谱的宽度是很困难的，依然难以实现很窄的线宽，如 Latest developments in 790nm-pμmped Tm-doped fibre laser systems for DIRCM applications (www.nufern.com/whitepaper_detail.php/32)，其激光输出线宽约为0.5nm。

发明内容

为了获得更窄的激光输出线宽，本发明的目的在于，提出一种全光纤复合腔结构的主振荡—功率放大（MOPA）的窄线宽单横模2μm光纤激光器，实现可达ps量级的更窄线宽单横模2μm激光输出，该激光器是高功率掺铥光纤激光器，种子源采用单模双包层掺铥光纤及三光栅复合腔结构，能够获得单横模窄线宽2μm高品质连续激光输出。

为了达到上述目的，本申请采用如下的技术解决方案：

一种全光纤结构的窄线宽单横模百瓦级2μm掺铥光纤激光器，包括种子泵浦源、全反射光纤光栅、双包层主振荡光纤、第一半反射光纤光栅，其特征在于，还包括双包层次振荡光纤、第二半反射光纤光栅、光隔离器、放大级泵浦组件、合束器、双包层放大光纤和输出尾纤，其中，所述种子泵浦源发出的种子激光的光路上依次设置所述全反射光纤光栅、双包层主振荡光纤、第一半反射光纤光栅、双包层次振荡光纤、第二半反射光纤光栅、光隔离器，上述部件首尾相连依次熔接，所述光隔离器的输出端与所述合束器的信号输入端熔接，所述放大级泵浦组件的6个泵浦模块输出端分别与所述合束器的6个泵浦输入端熔接，所述合束器的输出端与所述双包层放大光纤熔接，该双包层放大光纤的输出端与所述输出尾纤熔接。

所述双包层主振荡光纤和双包层次振荡光纤均采用6/125μm单模掺铥双包层光纤。

所述双包层主振荡光纤的光纤长度为12.8米，双包层次振荡光纤的光纤长度为2.9米。

所述种子泵浦源采用带尾纤输出40W的790nm半导体激光器。

所述全反射光纤光栅、第一半反射光纤光栅、第二半反射光纤光栅均采用中心波长为2030nm的Bragg光纤光栅，所述全反射光纤光栅的反射率大于99%，所述第一半反射光纤光栅和第二半反射光纤光栅的反射率小于等于80%。

所述光隔离器采用工作波长为2030nm，插入损耗≤0.5dB，隔离度≥40dB的光隔离器。

所述放大级泵浦组件采用带6个60W的790nm带100μm尾纤输出的半导体激光器。

所述合束器采用(6+1)*1合束器。

所述双包层放大光纤采用20/400μm双包层掺铥光纤，包层吸收率为6dB/m。

输出尾纤采用损伤阈值≥300W 的能量光纤。

本发明的技术特征及优点如下：

1）本发明的激光器由泵浦组件、光栅、双包层掺铥光纤、光隔离器、合束器等组件通过光纤熔接方式连接而成，采用全光纤主振荡—功率放大（MOPA）结构，无分立元件需要调整，光束质量好、可靠性高、结构紧凑、运转成本低、免维护，克服了传统的分立结构结构复杂、难以集成且稳定性差的缺陷。

2）激光种子源采用三个中心波长为2030nm的Bragg光纤光栅及两个6/125μm的单模双包层掺铥光纤构成复合腔结构，保证了激光种子的质量，使得本发明的激光器具有很好的光束质量——单横模、窄线宽。

本发明的创新点及有益效果如下：

本发明的全光纤结构的窄线宽单横模百瓦级2μm掺铥光纤激光器，采用三Bragg光纤光栅及双段单模双包层掺铥光纤构成复合腔结构激光种子振荡和功率放大结构，实现高光束质量——单横模窄线宽、高稳定可靠的全光纤结构大功率光纤激光器，结构紧凑、运转成本低、免维护。可在激光医学、激光雷达、红外通信等领域得到广泛应用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为2μm激光输出功率与泵浦功率关系图。

图3为本发明所输出激光的光谱图。

以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步解释说明。

具体实施方式

如图1所示，本发明的全光纤结构的窄线宽单横模百瓦级2μm掺铥光纤激光器，包括种子泵浦源1、全反射光纤光栅2、双包层主振荡光纤3、第一半反射光纤光栅4、双包层次振荡光纤5、第二半反射光纤光栅6、光隔离器7、放大级泵浦组件8、合束器9、双包层放大光纤10和输出尾纤11，其中，种子泵浦源1发出的种子激光的光路上依次设置全反射光纤光栅2、双包层主振荡光纤3、第一半反射光纤光栅4、双包层次振荡光纤5、第二半反射光纤光栅6、光隔离器7，上述部件首尾相连依次熔接，光隔离器7的输出端与光纤合束器9的信号输入端熔接，放大级泵浦组件8的6个泵浦模块输出端分别与光纤合束器9的6个泵浦输入端熔接，合束器9的输出端与双包层放大光纤10熔接，双包层放大光纤10的输出端与输出尾纤11熔接。

其中，种子泵浦源1采用带尾纤输出40W的790nm半导体激光器，全反射光纤光栅2、第一半反射光纤光栅4、第二半反射光纤光栅6均采用中心波长为2030nm的Bragg光纤光栅，全反射光纤光栅2的反射率大于99%，第一半反射光纤光栅4和第二半反射光纤光栅6的反射率小于等于80%。在本实施例中，第一半反射光纤光栅4的反射率为30%，第二半反射光纤光栅6的反射率为20%。双包层主振荡光纤3和双包层次振荡光纤5均采用6/125μm的单模双包层掺铥光纤，包层吸收率为1.5dB/m，数值孔径NA=0.22，在本实施例中，双包层主振荡光纤3的光纤长度为12.8米，双包层次振荡光纤5的光纤长度为2.9米；光隔离器7采用工作波长为2030nm，插入损耗≤0.5dB，隔离度≥40dB的光隔离器。

本实施例中，双包层放大光纤10采用20/400μm双包层掺铥光纤，包层吸收率为6dB/m，放大级泵浦组件8选用带6个60W的790nm带100μm尾纤输出半导体激光器，合束器9采用(6+1)*1合束器，合束器的信号输入端采用与双包层次振荡光纤5相匹配的结构参数，即6/125μm，合束器的输出端采用与双包层放大光纤10相匹配的结构参数，即20/400μm，输出尾纤11采用损伤阈值≥300W 的能量光纤。

实际制作过程中，通过双包层光纤熔接机对上述各部件进行熔接，双包层放大光纤10的输出端与输出尾纤11的熔接点采用高折射率涂覆，用于剔除多余的泵浦光，其余所有的熔接点均采用低折射率涂覆。各熔接点的熔接损耗控制在0.1dB以内。

本发明的设计思路及反应原理如下：

本发明的光纤激光器由高性能的激光种子源和光纤激光放大器两部分组成，激光种子源包括种子泵浦源1、全反射光纤光栅2、双包层主振荡光纤3、第一半反射光纤光栅4、双包层次振荡光纤5、第二半反射光纤光栅6和光隔离器7，上述部件共同构成复合腔结构单横模窄线宽激光种子光源；光纤激光放大器包括放大级泵浦组件8、光纤合束器9、双包层放大光纤10和输出尾纤11，它们共同完成对高品质激光种子的激光放大。

种子泵浦源1提供种子激光泵浦，泵浦光透过全反射光纤光栅2依次注入双包层主振荡光纤3和双包层次振荡光纤5的内包层，再由各自的内包层传输，持续不断地进入双包层主振荡光纤3和双包层次振荡光纤5的纤芯；双包层主振荡光纤3和双包层次振荡光纤5的纤芯构成激光工作区域，激光工作区域中的掺杂离子也即激光工作物质（Tm³⁺）吸收泵浦光能量后产生2030nm附近的荧光辐射；全反射光纤光栅2、第一半反射光纤光栅4和第二半反射光纤光栅6构成复合谐振腔进行纵模选择。该复合谐振腔由两个激光谐振腔叠加在一起形成，全反射光纤光栅2、第一半反射光纤光栅4和双包层主振荡光纤3构成第一谐振腔；全反射光纤光栅2、第二半反射光纤光栅６、双包层主振荡光纤3和双包层次振荡光纤5构成第二谐振腔。

复合腔激光器纵模选择是激光必须同时满足两个谐振腔的谐振条件，也即激光在一个谐振腔内一个往返后相位改变是2π的整数倍，当同时满足两个谐振腔的谐振条件时，会大大增大纵模的间隔，配合光纤光栅选模，使得在光纤光栅反射带宽内，仅有一个纵模可以同时满足两个谐振腔的谐振条件，从而实现单纵模激光输出。通常情况下在选择谐振腔腔长（谐振腔腔长实质上等于该谐振腔中的振荡光纤的长度）时，选取两谐振腔的腔长远离倍数关系，根据经验，在实施的时候，腔长尽量不要取整数，可多带几位小数位数。

复合腔掺铥光纤激光器种子激光的纵模选择是通过第一振荡腔和第二振荡腔相结合来实现的，根据复合腔激光器的基本原理，能够在复合谐振腔内存在的模式必须同时满足两个振荡腔的谐振条件，也即

βL_f=2mπ,βL_s=2nπ　　　　　　　　　　　　　

其中β表示传输常量， L_f表示第一振荡腔的腔长，L_s 表示第二振荡腔的腔长，m、n为正整数。第一振荡腔和第二振荡腔的自由光谱范围，即模式间隔为：

F_f=c/n₁L_f ， F_s=c/n₁L_s　　

其中c 为真空中光速，n₁为光纤纤芯的有效折射率，F_f表示第一振荡腔的自由光谱范围，F_s表示第二振荡腔的自由光谱范围。存在腔内的模式间隔，（即有效自由光谱范围）F为各个振荡腔模式间隔的最小公倍数：

F = 2pF_f = 2qF_s

其中p、q为正整数。

复合腔内存在的模式中，同时满足两个振荡腔的谐振条件的模式才能够在复合腔内振荡，这样使得复合腔的有效自由光谱范围大大增加，使得在光栅反射谱内仅有单一纵模振荡，保证种子激光的窄线宽特性。

事实上，在第一半反射光纤光栅4和第二半反射光纤光栅6反射率乘积大于0.1的条件下，本发明的激光器的复合腔中还会出现一个由第一半反射光纤光栅4和第二半反射光纤光栅6构成的第三谐振腔，该腔在纵模选择过程中会起一定的辅助作用，随着当反射率乘积的增大，这种选模辅助作用会增强，当反射率乘积大于0.2的时候，有较强的选模辅助效果，这时候可以看作是三腔复合结构，当反射率乘积小于0.1的时候，其选模辅助效果可以忽略。

本发明的双包层主振荡光纤3和双包层次振荡光纤5均采用6/125μm的单模双包层掺铥光纤，光纤的归一化频率

V=2πaNA/λ=2.043，

这里a为纤芯半径，NA为光纤数值孔径，λ为激光波长。当V<2.405时，光纤纤芯当中除基横模以外的所有高阶模全部截止，实现单横模种子激光输出。

对于窄线宽单横模激光种子，种子激光通过光隔离器7注入通过合束器9信号光输入端直接送入双包层放大光纤10的纤芯，放大级泵浦组件8的6个泵浦模块输出泵浦光分别通过一级合束器12的6个泵浦输入端送入双包层放大光纤10的内包层，泵浦光源源不断进入纤芯实现对种子激光的放大，从而获得超过100W的窄线宽单横模2μm激光输出。

如图2所示，图2为2μm激光输出功率与泵浦功率关系图。实测中，首先将双包层主振荡光纤3、双包层次振荡光纤5及放大双包层光纤10盘绕在直径为15cm的铝制散热柱上，散热柱的底部固定在带有水冷的散热器上，以实现对光纤的冷却。开启种子泵浦源1，将种子泵浦源1的供电电流调到35A，其对应的泵浦功率为25W，当放大级泵浦组件8的泵浦功率为0时，输出功率为2.7W，此时开始增加放大级泵浦组件8的泵浦功率，本实例中放大级泵浦组件8的6个泵浦模块采用独立控制，故而采用轮训式增加泵浦功率，若将6个泵浦模块编上1、2、3、4、5、6号，则先将1号泵浦模块泵浦功率调到20W，测量输出功率为8.1W，依次再将2、3、4、5、6号泵浦模块的输出功率都调到20W，再开始下一轮泵浦功率上调，即将1～6号泵浦模块的泵浦功率依次上调到40W，最后一轮，再将6个泵浦模块的输出功率依次上调到60W，此时总放大泵浦功率360W时获得激光输出功率达109.4W，剔除种子激光功率后，光-光转换效率为30.4%，量子效率为78.1%。

图3为本发明的全光纤结构的窄线宽单横模百瓦级2μm掺铥光纤激光器所输出激光的光谱图，该光谱图是在种子泵浦源1的激光泵浦电流为35A（对应泵浦功率为25W）时，放大级泵浦组件8的泵浦功率在240W时采集的，从图3可以看到，半高全宽（FWHM）约为0.03nm，通过对不同放大泵浦功率时的光谱图对比，当种子源泵浦功率固定时，放大后所获得的激光输出光谱图非常稳定，无论是中心波长还是光谱宽度都保持很好的稳定性。

Claims

1.一种全光纤结构的窄线宽单横模百瓦级2μm掺铥光纤激光器，包括种子泵浦源（1）、全反射光纤光栅（2）、双包层主振荡光纤（3）、第一半反射光纤光栅（4），其特征在于，还包括双包层次振荡光纤（5）、第二半反射光纤光栅（6）、光隔离器（7）、放大级泵浦组件（8）、合束器（9）、双包层放大光纤（10）和输出尾纤（11），其中，所述种子泵浦源（1）发出的种子激光的光路上依次设置所述全反射光纤光栅（2）、双包层主振荡光纤（3）、第一半反射光纤光栅（4）、双包层次振荡光纤（5）、第二半反射光纤光栅（6）、光隔离器（7），上述部件首尾相连依次熔接，所述光隔离器（7）的输出端与所述合束器（9）的信号输入端熔接，所述放大级泵浦组件（8）的6个泵浦模块输出端分别与所述合束器（9）的6个泵浦输入端熔接，所述合束器（9）的输出端与所述双包层放大光纤（10）熔接，该双包层放大光纤（10）的输出端与所述输出尾纤（11）熔接。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述双包层主振荡光纤（3）和双包层次振荡光纤（5）均采用6/125μm单模掺铥双包层光纤。

3.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述双包层主振荡光纤（3）的光纤长度为12.8米，双包层次振荡光纤（5）的光纤长度为2.9米。

4.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述种子泵浦源（1）采用带尾纤输出40W的790nm半导体激光器。

5.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述全反射光纤光栅（2）、第一半反射光纤光栅（4）、第二半反射光纤光栅（6）均采用中心波长为2030nm的Bragg光纤光栅，所述全反射光纤光栅（2）的反射率大于99%，所述第一半反射光纤光栅（4）和第二半反射光纤光栅（6）的反射率小于等于80%。

6.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述光隔离器（7）采用工作波长为2030nm，插入损耗≤0.5dB，隔离度≥40dB的光隔离器。

7.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述放大级泵浦组件（8）采用带6个60W的790nm带100μm尾纤输出的半导体激光器。

8.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述合束器（9）采用(6+1)*1合束器。

9.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述双包层放大光纤（10）采用20/400μm双包层掺铥光纤，包层吸收率为6dB/m。

10.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述输出尾纤（11）采用损伤阈值≥300W 的能量光纤。