CN102361212A - 全光纤型铥钬共掺单模光纤激光器 - Google Patents

Abstract

一种全光纤型铥钬共掺单模光纤激光器，第一泵浦源和第二泵浦源的尾纤分别与2合1光纤合束器的两端头端熔接；2合1光纤合束器的另一端与第一反射光栅熔接；第一反射光栅的另一端与铒镱共掺杂光纤连接；铒镱共掺杂光纤的另一端与第二反射光栅连接；第一反射光栅和第二反射光栅通过相位掩膜法直接写在铒镱共掺杂光纤上；第二反射光栅与隔离器一端熔接；隔离器的另一端与第三反射光栅熔接；第三反射光栅的另一端与铥钬共掺杂光纤连接；铥钬共掺杂光纤的另一端与法布里-波罗(F-P)标准具连接；第三反射光栅和F-P标准具通过相位掩膜法直接写在铥钬掺杂光纤上；实现窄线宽激光输出，光束质量高，还具有光光转换效率高和高功率输出等优点。

Description

全光纤型铥钬共掺单模光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器领域，具体地说是提出一种全光纤型铥钬共掺单模光纤激光器。 

背景技术

近年来，随着光纤激光器的发展，2μm波段光纤激光器以其人眼安全等特性被广泛用于激光测距、激光雷达和远距离传感等领域，在军事方面发挥着巨大的作用。同时由于2μm波段的激光存在着对OH^-强烈的吸收窗口，高强度的热效应可使人体组织产生凝固、碳化或汽化效应，因此可应用于人体组织的凝固、止血和高效率切除，其手术切除创面小、出血少，而且可以避免金属制手术刀因直接接触皮肤而具有的潜在污染问题，因此2μm波段的激光也具有广阔的医学应用前景。另外，通信上，除本身可作为空间光通信的光源外，还可作为泵浦源去抽运其它工作物质，以产生4μm-5μm波长的激光，应用于空间光通信。 

钬离子因其具有可辐射出2μm激光的能级结构，已被作为2μm波段各种不同基质中激光的激活离子而广泛研究，而掺钬离子石英基光纤激光器是研制波长为2μm的紧凑、高效全固态激光器的最有前途的候选者。但是 在单掺钬离子的石英基光纤中，无辐射跃迁占据主导地位，激光产生效率低，共掺铥可以有效解决这一问题，利用铥钬离子之间的能量转移机制，有效降低了单掺钬离子的无辐射跃迁，整体效率得到了提升。铥钬离子共掺石英基光纤激光器主要有3种泵浦机制，分别对应3种泵浦带：800nm，1200nm和1600nm。国内外对于铥钬共掺光纤激光器的研究主要集中在800nm和1200nm泵浦带，并且分别得到了不同功率的激光输出，对于1600nm泵浦带(吸收光谱范围约为1500-1750nm)泵浦的铥钬共掺光纤激光器的研究却很少。 

目前，已经有高功率掺铒光纤激光器的报道。2003年Photoncis公司已经报道可以生产最大连续输出功率为80W的可调谐铒镱共掺单模光纤激光器，调谐范围为1550-1567nm，这就为1600nm泵浦带泵浦的铥钬共掺光纤激光器的研制提供了可以利用的泵浦源。此泵浦源不仅可以提供高功率泵浦而且带有单模尾纤输出，可以实现泵浦源和铥钬共掺光纤的高效率耦合。由于铥钬共掺杂光纤是由掺铒光纤激光器泵浦，实现了真正意义上的2μm波段全光纤激光器。 

又因为1600nm波段激光泵浦铥钬共掺石英基光纤能够简化系统的能级结构(如附图2)，减少复杂机制对于整体效率的影响，更有利于光纤效能的发挥。另外，1600nm波段的光能量转换为2μm波段的光能量的理论转换效率约为80％，而800nm和1200nm波段的光能量转换为2μm波段的光能量的理论转换效率也分别只有约80％和60％。所以，研究和制作1600nm波段光纤激光器泵浦的铥钬共掺全光纤型光纤激光器具有实际的意义。 

发明内容

本发明的目的在于提出一种全光纤型铥钬共掺单模光纤激光器。 

本发明采取了如下技术方案：一种全光纤型铥钬共掺单模光纤激光器，包括第一泵浦源101，第二泵浦源102，2合1光纤合束器103，第一反射光栅104，铒镱共掺杂光纤105，第二反射光栅106，隔离器201，第三反射光栅202，铥钬共掺杂光纤203，法布里-波罗(F-P)标准具204； 

2合1光纤合束器103的一端有2根光纤分别与第一泵浦源101和第二泵浦源102的尾纤熔接；2合1光纤合束器103的另一端与第一反射光栅104熔接；第一反射光栅104的另一端与铒镱共掺杂光纤105连接；铒镱共掺杂光纤105的另一端与第二反射光栅106连接；第二反射光栅106与隔离器201熔接；隔离器201的另一端与第三反射光栅202熔接；第三反射光栅202的另一端与铥钬共掺杂光纤203连接；铥钬共掺杂光纤203的另一端与法布里-波罗(F-P)标准具204连接。 

第一泵浦源101，第二泵浦源102，2合1光纤合束器103，第一反射光栅104，铒镱共掺杂光纤105，第二反射光栅106共同构成泵浦系统1。 

其中，第一泵浦源101，第二泵浦源102均为980nm半导体激光器(LD)；2合1光纤合束器103可将101和102的激光耦合进入单模光纤；第一反射光栅104，铒镱共掺杂光纤105，第二反射光栅106共同构成泵浦系统1的激光谐振腔且第一反射光栅104和第二反射光栅106具有相同的反射波长但具有不 同的反射率，其反射波长和反射率可以根据实际需要确定；第一反射光栅104和第二反射光栅106通过相位掩膜法直接写在铒镱共掺杂光纤上；铒镱共掺光纤的长度可以根据实际需要确定； 

隔离器201防止激光逆向传播；第三反射光栅202，铥钬共掺杂光纤203，法布里-波罗(F-P)标准具204构成全光纤型铥钬共掺单模光纤激光器的光学谐振腔；其中，第三反射光栅202和法布里-波罗(F-P)标准具204具有相同的反射波长但具有不同的反射率，其反射波长和反射率可以根据实际需要确定；第三反射光栅202和法布里-波罗(F-P)标准具204通过相位掩膜法直接写在铥钬共掺杂光纤上；铥钬共掺光纤的长度可以根据实际需要确定。 

全光纤型铥钬共掺单模光纤激光器，有第一泵浦源101、第二泵浦源102、第三泵浦源107和第四泵浦源108的尾纤分别与4合1光纤合束器109连接的四端头端熔接；4合1光纤合束器109的另一端与第一反射光栅104熔接；第一反射光栅104的另一端与铒镱共掺杂光纤105连接；铒镱共掺杂光纤105的另一端与第二反射光栅106连接；第一反射光栅104和第二反射光栅106通过相位掩膜法直接写在铒镱掺杂光纤上；第二反射光栅106与隔离器201熔接；隔离器201的另一端与第三反射光栅202熔接；第三反射光栅202的另一端与铥钬共掺杂光纤203连接；铥钬共掺杂光纤203的另一端与法布里-波罗F-P标准具204连接；第三反射光栅201和法布里-波罗(F-P)标准具204通过相位掩膜法直接写在铥钬掺杂光纤上；最后得到2000nm激光输出。 

本发明提出的光纤激光器属于全光纤型铥钬共掺单模光纤激光器，首先其具有光纤激光器共同的优点，然后其实现了真正意义上的2μm波段全光纤单模激光器，泵浦源为铒镱共掺光纤激光器且带有单模尾纤输出，其可以高效地将光功率耦合进入单模铥钬共掺光纤。激光器采用反射光栅和F-P标准具进行波长选择，利用F-P标准具可以增加纵模间距的特点，可以实现窄线宽激光输出，光束输出质量高。又由于目前高浓度铒镱共掺杂光纤和高浓度铥钬共掺杂光纤制造技术已成熟，故此全光纤型光纤激光器还具有光光转换效率高和高功率输出等优点。 

附图说明

图1铥钬共掺光纤激光器能级跃迁图； 

图2全光纤型铥钬共掺单模光纤激光器结构示意图； 

图3泵浦系统1具有4个泵浦源的全光纤型铥钬共掺单模光纤激光器结构示意图； 

图中：泵浦系统1，第一泵浦源101，第二泵浦源102，2合1光纤合束器103，第一反射光栅104，铒镱共掺杂光纤105，第二反射光栅106，第三泵浦源107，第四泵浦源108，4合1光纤合束器109，隔离器201，第三反射光栅202，铥钬共掺杂光纤203，法布里-波罗(F-P)标准具204。 

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 

如图2所示，本发明的结构包括第一泵浦源101，第二泵浦源102，2合1光纤合束器103，第一反射光栅104，铒镱共掺杂光纤105，第二反射光栅106，隔离器201，第三反射光栅202，铥钬共掺杂光纤203，法布里-波罗(F-P)标准具204； 

第一泵浦源101，第二泵浦源102，2合1光纤合束器103，第一反射光栅104，铒镱共掺杂光纤105，第二反射光栅106共同构成泵浦系统1。 

其中，2合1光纤合束器103是个独立的器件，它一端有2根光纤分别可与2个泵浦源的尾纤链接；另一端为1根单模光纤，可与单模光纤熔接。第一泵浦源101，第二泵浦源102均为980nm半导体激光器(LD)；2合1光纤合束器103可将第一泵浦源101，第二泵浦源102的激光耦合进入单模光纤；第一反射光栅104，铒镱共掺杂光纤105，第二反射光栅106共同构成泵浦系统1的激光谐振腔且第一反射光栅104和第二反射光栅106具有相同的反射波长但具有不同的反射率，其反射波长和反射率可以根据实际需要确定；第一反射光栅104和第二反射光栅106通过相位掩膜法直接写在铒镱共掺杂光纤上；铒镱共掺光纤的长度可以根据实际需要确定；隔离器201防止激光逆向传播；第三反射光栅202，铥钬共掺杂光纤203，法布里-波罗(F-P)标准具204构成全光纤型铥钬共掺单模光纤激光器的光学谐振腔；其中，第三反射光栅202和法布里-波罗(F-P)标准具204具有相同的反射波长但具有不同的反射率，其反射波长和反射率可以根据实际需要确定；第三反射光栅202和法布里-波罗(F-P)标准具204通过相位掩膜法直接写在铥钬共掺杂光纤上；铥钬共掺光纤的长度可以根据实际需要确定； 

实施例1： 

1、如图1所示为1550nm铒镱共掺光纤激光器泵浦的全光纤型铥钬共掺光纤激光器的能级跃迁图。其原理为：处于基态³H₆能级的铥离子吸收1550nm波长泵浦激光能量发生³H₆→³F₄能级跃迁，使得大量铥离子在³F₄能级积累。处于³F₄能级的铥离子将能量转移给相邻的处于基态⁵I₈能级的钬离子，使其跃迁到激发态⁵I₇能级并大量堆积。处于⁵I₇能级的钬离子不稳定，通过自发辐射返回到基态，此时提供合适的谐振腔，对自发辐射产生的波长进行选择，进入钬离子受激辐射产生2μm激光过程。 

在本实施例子中，第一泵浦源101和第二泵浦源102通过2合1光纤合束器与单模光纤相连接，两个泵浦源波长均为980nm，功率根据实际需要而定。然后单模光纤与写有反射性光纤布拉格光栅对第一反射光栅104和第二反射光栅106的铒镱共掺杂光纤熔接，第一反射光栅104与第二反射光栅106反射波长为1550nm(根据实际需要而定，一般为1500-1700nm之间)，第一反射光栅104与第二反射光栅106反射率分别为99％和80％(一般第一反射光栅104反射率越大越好，而第二反射光栅106反射率根据实际需要而定)，第一反射光栅104和第二反射光栅106通过相位掩膜法直接写在铒镱共掺杂光纤上。铒镱共掺杂光纤掺杂浓度较高，具有较高的泵浦吸收效率和激光发射效率，长度为2m(可以根据实际需要确定)。第三反射光栅202与法布里-波罗(F-P)标准具204具有相同的谐振反射波长，反射波长为2000nm(根据实际需要而定，一般为1800-2100nm之间)，第三反射光栅202反射率为99％(第三反射光栅202反射率越大越好)，法布里-波罗(F-P)标准具204由相 距1cm-2cm左右的两个相同的布拉格光栅构成，整体反射率为80％(可以根据实际需要确定)，第三反射光栅202和法布里-波罗(F-P)标准具204通过相位掩膜法直接写在铥钬共掺光纤上。铥钬共掺杂光纤掺杂浓度较高，具有较高的泵浦吸收效率和激光发射效率，长度为2m(可以根据实际需要确定)。激光器开始工作后，铒镱共掺杂光纤吸收两个泵浦源的功率通过受激辐射发射出1500nm激光，而后1500nm激光进入铥钬共掺光纤中被吸收，经过谐振腔的波长选择作用通过受激辐射，发射出2000nm激光。 

实施例2： 

图3为泵浦系统1具有4个泵浦源的全光纤型铥钬共掺单模光纤激光器结构示意图，在此激光器中，有四个980nm的LD激光器为泵浦系统1提供泵浦源，分别为第一泵浦源101、第二泵浦源102、第三泵浦源107和第四泵浦源108，4合1光纤合束器109是个独立的器件，它一端有4根光纤分别可与四个泵浦源的尾纤链接；另一端为一根单模光纤，可以单模光纤熔接。 

4合1光纤合束器109可将四个泵浦源的功率耦合进入一根单模光纤，于是就有更高的泵浦功率来抽运铒镱共掺杂光纤，从而输出更高的激光功率来抽运铥钬共掺杂光纤，得到更高的2000nm激光输出。 

其余各器件工作原理同实施例1。 

实时例3： 

同实施例2，如果铒镱共掺杂光纤和铥钬共掺杂光纤的掺杂浓度足够 高(在不能发生离子浓度猝灭的情况下)，则可用更多的LD激光器为泵浦系统1提供泵浦源，同时使用多合一光纤合束器将功率耦合进入单模光纤，从而得到更高的2000nm激光输出。其余各器件工作原理同实施例1。 

以上对本发明所提供的全光纤型铥钬共掺单模光纤激光器进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的结构，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。 

Claims (10)

1.全光纤型铥钬共掺单模光纤激光器，其特征在于2合1光纤合束器(103)的一端有2根光纤分别与第一泵浦源(101)和第二泵浦源(102)的尾纤熔接；2合1光纤合束器(103)的另一端与第一反射光栅(104)熔接；第一反射光栅(104)的另一端与铒镱共掺杂光纤(105)连接；铒镱共掺杂光纤(105)的另一端与第二反射光栅(106)连接；第二反射光栅(106)与隔离器(201)熔接；隔离器(201)的另一端与第三反射光栅(202)熔接；第三反射光栅(202)的另一端与铥钬共掺杂光纤(203)连接；铥钬共掺杂光纤(203)的另一端与法布里-波罗(F-P)标准具(204)连接。

2.根据权利要求1所述的全光纤型铥钬共掺单模光纤激光器，其特征在于第一泵浦源(101)，第二泵浦源(102)，2合1光纤合束器(103)，第一反射光栅(104)，铒镱共掺杂光纤(105)，第二反射光栅(106)共同构成泵浦系统(1)；其中，第一泵浦源(101)，第二泵浦源(102)均为980nm半导体激光器(LD)；2合1光纤合束器(103)可将第一泵浦源(101)和第二泵浦源(102)的激光耦合进入单模光纤；第一反射光栅(104)，铒镱共掺杂光纤(105)，第二反射光栅(106)共同构成泵浦系统1的激光谐振腔且第一反射光栅(104)和第二反射光栅(106)具有相同的反射波长但具有不同的反射率，其反射波长和反射率可以根据实际需要确定；第一反射光栅(104)和第二反射光栅(106)通过相位掩膜法直接写在铒镱共掺杂光纤上；铒镱共掺杂光纤长度可以根据实际需要确定。

3.根据权利要求1所述的全光纤型铥钬共掺单模光纤激光器，其特征在于第三反射光栅(202)，铥钬共掺杂光纤(203)，法布里-波罗(F-P)标准具(204)构成全光纤型铥钬共掺单模光纤激光器的光学谐振腔；其中，第三反射光栅(202)和法布里-波罗(F-P)标准具204具有相同的反射波长但具有不同的反射率，其反射波长和反射率可以根据实际需要确定；第三反射光栅(202)和法布里-波罗(F-P)标准具(204)通过相位掩膜法直接写在铥钬共掺杂光纤上；铥钬共掺杂光纤长度可以根据实际需要确定。

4.根据权利要求1、2或3所述的全光纤型铥钬共掺单模光纤激光器，其特征在于，2合1光纤合束器(103)的一端头端与写有反射性光纤布拉格光栅对第一反射光栅(104)和第二反射光栅(106)的铒镱共掺杂光纤熔接，第一反射光栅(104)和第二反射光栅(106)反射波长为1500-1700nm之间，第一反射光栅(104)和第二反射光栅(106)的反射率分别为99％和80％，第一反射光栅(104)和第二反射光栅(106)通过相位掩膜法直接写在铒镱共掺杂光纤上。

5.根据权利要求4所述的全光纤型铥钬共掺单模光纤激光器，其特征在于，第一反射光栅(104)和第二反射光栅(106)反射波长为1550nm，第二反射光栅(106)反射率根据实际需要而定。

6.根据权利要求5所述的全光纤型铥钬共掺单模光纤激光器，其特征在于，铒镱共掺杂光纤掺杂浓度较高，具有较高的泵浦吸收效率和激光发射效率，长度为2m。

7.根据权利要求1、2或3所述的全光纤型铥钬共掺单模光纤激光器，其特征在于，光纤布拉格反射光栅(202)与法布里-波罗(F-P)标准具(204)具有相同的谐振反射波长，反射波长1800-2100nm之间，光纤布拉格反射光栅(202)反射率为99％，法布里-波罗(F-P)标准具(204)由相距1cm-2cm左右的两个相同的布拉格光栅构成，整体反射率为80％，光纤布拉格反射光栅(202)与法布里-波罗(F-P)标准具(204)通过相位掩膜法直接写在铥钬共掺光纤上；铥钬共掺杂光纤掺杂浓度较高，具有较高的泵浦吸收效率和激光发射效率，长度为2m。

8.根据权利要求7所述的全光纤型铥钬共掺单模光纤激光器，其特征在于，光纤布拉格反射光栅(202)与法布里-波罗(F-P)标准具(204)具有相同的谐振反射波长，反射波长为2000nm。

9.根据权利要求1-8所述的全光纤型铥钬共掺单模光纤激光器，其特征在于，激光器开始工作后，铒镱共掺杂光纤吸收两个泵浦源的功率通过受激辐射发射出1500nm激光，而后1500nm激光进入铥钬共掺光纤中被吸收，经过谐振腔的波长选择作用通过受激辐射发射出2000nm激光。

10.全光纤型铥钬共掺单模光纤激光器，其特征在于有第一泵浦源(101)、第二泵浦源(102)、第三泵浦源(107)和第四泵浦源(108)的尾纤分别与4合1光纤合束器(109)的四端头端熔接；4合1光纤合束器(109)的另一端与第一反射光栅(104)熔接；第一反射光栅(104)的另一端与铒镱共掺杂光纤(105)连接；铒镱共掺杂光纤(105)的另一端与第二反射光栅(106)连接；第一反射光栅(104)和第二反射光栅(106)通过相位掩膜法直接写在铒镱掺杂光纤上；第二反射光栅(106)与隔离器(201)熔接；隔离器(201)的另一端与第三反射光栅(202)熔接；第三反射光栅(202)的另一端与铥钬共掺杂光纤(203)连接；铥钬共掺杂光纤(203)的另一端与法布里-波罗(F-P)标准具(204)连接；第三反射光栅(201)和法布里-波罗(F-P)标准具(204)通过相位掩膜法直接写在铥钬掺杂光纤上；最后得到2000nm激光输出。

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