CN102522693A - 一种基于主振荡功率放大器的光纤拉曼黄光激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于主振荡功率放大器的光纤拉曼黄光激光器，属于激光器技术领域。本发明激光器包括一泵浦光纤激光器，种子激光光纤谐振腔，种子激光拉曼光纤放大器，倍频器；所述泵浦光纤激光器输出端与所述种子激光光纤谐振腔输入端通过光纤耦合或直接光纤熔接，所述种子激光光纤谐振腔输出端与所述种子激光拉曼光纤放大器输入端通过光纤耦合或直接光纤熔接，所述倍频器位于所述种子激光拉曼光纤放大器输出端光路中；其中，种子激光光纤谐振腔的谐振波长为目标黄光波长的二倍。本发明具有实现体积小、成本低、窄线宽的特点，且有利于对基频光质量的控制，可获得更高的二次谐波转化效率。

Description

一种基于主振荡功率放大器的光纤拉曼黄光激光器

技术领域

本发明涉及一种光纤激光器，特别是一种基于主振荡功率放大器的黄光拉曼光纤激光器。

背景技术

波长在560～600nm范围的激光在生物医学、医疗美容、食品药品检测、信息存储、通讯、军工、大气遥感等方面有迫切需求和广泛的应用。例如在医学上，因为血红蛋白对波长585～595nm的激光吸收率高，因此该波长的激光在眼科和皮肤科有重要应用前途；在军事上，黄光激光可用于空间目标的探测与识别；在天文观测领域，589nm激光可以作为激光导引星(LGS)光源应用于地基大型望远镜的自适应光学系统中，使望远镜产生近衍射极限的高分辨率图像。

相比于LD泵浦的固体激光器，光纤激光器具有紧凑、易于调节、散热性能好、光束质量高、转换效率高、可柔化操作等诸多优势。近几年，随着稀土离子掺杂光纤和光纤布拉格光栅技术的应用和发展，光纤激光器可发射的波长范围得到了极大拓展。在此基础上，光纤黄光激光器的研究引起了科研人员的高度关注，特别是发射波长为589nm的光纤黄光激光器更是吸引了极大的研究兴趣。

国际上实现光纤黄光激光器(波长560～600nm)主要有以下三种技术途径：

(1)倍频红外波长光纤激光器获得黄光激光输出。如2006年，加利福尼亚斯坦福大学的Supriyo Sinha等用980nm二极管激光器泵浦掺Yb光纤激光器获得1150nm红外激光，然后利用周期极化铌酸锂(PPLN)晶体倍频获得40mW的575nm黄光激光输出(Supriyo Sinha，Carsten Langrock，Michel J.Digonnet，Martin M.Fejer，and Robert L.Byer.Efficient yellow-lightgenetaion by frequency doubling a narrow-linewidth 1150nm ytterbium fiber oscillator.OPTICSLETTERS，2006，31(3)：347-349)。2008年，俄罗斯的V.V.Dvoyrin等用1060nm掺Yb光纤激光器泵浦掺Yb铝硅光纤获得1160nm红外基频光，然后用PPLN倍频获得860mW的580nm黄光激光输出，系统采用自加热原理很好地抑制了短波长(1070nm左右)放大的自发辐射(ASE)(V.V.Dvoyrin，V.M.Mashinsky，O.I.Medvedkov，and E.M.Dianov.Yellowfrequency-doubled self-heated Yb fiber laser.San Jose，California，OSA/CLEO，2008，PaperCWB5)。2009年，日本的Hiroki Maruyama等采用975nm二极管激光器泵浦掺镱实心光子晶体光纤获得基频光，然后用掺氧化镁周期极化铌酸锂(MgO:PPLN)倍频获得1.4W连续589nm黄光激光。

缺点：在倍频红外激光技术中，光纤增益介质的增益峰值在1070nm左右，1120nm～1200nm波长范围处于增益谱末端，当用LD泵浦此类光纤激光器时，短波长将发生放大的自发辐射(ASE)，大大降低了泵浦光到1120～1200nm波长的转换效率，甚至不能形成激光振荡。因此，利用红外光纤激光器倍频法所得黄光的转换效率比较低，对光学谐振腔的腔镜或光纤布拉格光栅(FBG)有极高的要求，增大了激光器制作的技术难度；

(2)1583nm Er/Yb共掺光纤激光器和938nm掺Nd硅光纤激光器和频获得589nm激光输出。研究单位主要是美国LLNL实验室，自2004年起，他们将589nm黄光功率从0.5W依次提高至2.7W和3.5W(Evgeny M.Dianov，Alexey V.Shubin，Mikhail A.Melkumov，Oleg I.Medvedkov and Igor A.Bufetov.High-power cw bismuth-fiber lasers.JOURNAL OF THEOPTICAL SOCIETY OF AMERICA B，2007，24(8)：1749-1755)。

缺点：1583nm和938nm和频方法需要两套泵浦源和光纤放大器，设备相对复杂，另外，两路基频光在耦合输入倍频晶体过程中引入了较大的基频光功率损耗，因此利用1583nm和938nm和频法所得的黄光功率偏低；

(3)拉曼光纤频移获得黄光激光输出。受激拉曼散射能够高效地转换激光波长，是产生高功率黄光的一种重要技术途径，近年已有较大进展。这种技术首先由光纤拉曼频移获得红外基频光，然后用倍频晶体获得黄光(Yan Feng，Luke R.Taylor and Domenico Bonaccini Calia.25W Raman-fiber-amplifier-based 589nm laser for laser guide star.OPTICS EXPRESS，2009，17(21)：19021-19026。Luke R.Taylor，Yan Feng and Domenico Bonaccini Calia.50W CW visiblelaser source at 589nm obtained via frequency doubling of three coherently combined narrow-bandRaman fiber amplifiers.OPTICS EXPRESS，2010，18(8)：8540-8555)。

缺点：目前报道的倍频拉曼光纤激光器方法中，拉曼信号光的高功率和窄线宽是不易兼得的。原因在于，为使信号光获得足够高的拉曼增益，拉曼光纤的长度应尽可能地长，但是，信号光在此类光纤激光器中传播时，谱线宽度往往很快增宽，激光质量下降(其原因主要在于光纤中诸多纵模之间的四波混频效应以及光纤中的受激布里渊(SBS)散射效应)，大大降低信号光的功率和光束质量，进而降低二次谐波转化效率。一种由宽带光纤布拉格光栅(FBG)做高反射镜，窄带FBG做输出耦合镜的非对称谐振腔可在一定程度上改善此种光谱弱化问题。但是对于高功率的拉曼光纤激光器来讲，光纤布拉格光栅限制信号光谱线弱化的能力是极其有限的。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，实现体积小、成本低、窄线宽的光纤黄光激光器，本发明的目的在于提供一种基于主振荡功率放大器的光纤拉曼黄光激光器，在提升信号光输出功率的同时，可以极大地压缩信号光的谱线增宽，保证输出激光的质量。并可避免短波长放大的自发辐射(ASE)问题，简化实验设备，提高泵浦效率，克服拉曼光纤激光器中信号光谱线过度增宽的问题，大大提高信号光的功率和光束质量，进而提升二次谐波转换效率。

为实现上述技术效果，本发明采用如下技术方案：

基于主振荡功率放大器的光纤拉曼黄光激光器，包括半导体激光泵浦源、掺镱双包层光纤、光纤光栅、拉曼光纤(如掺锗硅光纤)、倍频晶体、多模泵浦合束器；其特征在于系统全部器件采用光纤耦合或直接熔接，其顺序依次为半导体激光器、第一光纤光栅、掺镱双包层光纤、第二光纤光栅、第三光纤光栅、掺锗硅光纤、第四光纤光栅、第一泵浦光纤激光器、多模泵浦合束器、掺锗硅光纤、多模泵浦合束器、第二泵浦光纤激光器、倍频晶体。

所述半导体激光器为光纤耦合输出半导体激光器，输出波长为915nm或976nm左右，包括驱动电源、激光二极管、冷却装置、输出尾纤。

所述第一光纤光栅、第二光纤光栅可以为双包层Bragg光纤光栅，中心谐振波长为1120nm；也可以是单包层Bragg光纤光栅，中心谐振波长为1120nm。

所述掺镱双包层光纤为保偏双包层光纤，对1120nm激光为单模传输。

所述第一泵浦光纤激光器、第二泵浦光纤激光器均为1120nm光纤激光器，其结构由图中1、2、3、4四部分构成。

所述第三光纤光栅、第四光纤光栅为中心波长1178nm的Bragg光纤光栅，采用保偏光纤写制。

所述第一光纤光栅、第三光纤光栅为全反射光栅，中心波长反射率高于98％，第二光纤光栅、第四光纤光栅为低反射率光栅，中心波长反射率不高于30％，具体参数根据系统实际效果确定。系统中光纤光栅带宽不高于0.3nm。

所述掺锗硅光纤为保偏单模光纤，提供拉曼增益。

所述倍频晶体可以为KTP晶体，也可以是掺氧化镁周期极化铌酸锂(MgO:PPLN)晶体，晶体的长度、端面形状和面积可根据光束面积来确定，晶体可根据相位匹配及其他需要沿不同方向和角度切割。

所述泵浦合束器为光纤(N+1)×1结构，一侧为N个泵浦输入端口和一个信号输入端，另一侧为输出端口，泵浦输入端口光纤为多模光纤，信号输入端口为保偏单模光纤，输出端为保偏单模光纤。

激光器工作原理如下：整个激光系统分为四个部分，第一步产生1120nm激光，第二步由得到的1120nm激光作为泵浦源产生1178nm种子激光，第三步对1178nm种子激光进行拉曼放大获得高功率的1178nm基频光，第四步对1178nm激光进行倍频，获得所需的589nm黄光激光。具体为：由半导体激光器输出激光对掺镱双包层光纤进行泵浦，通过第一光纤光栅和第二光纤光栅选频产生1120nm激光，1120nm激光耦合进入掺锗硅光纤，产生拉曼增益，并通过第三光纤光栅和第四光纤光栅选频产生低功率1178nm基频种子激光，1178nm种子光进入由泵浦光纤激光器、掺锗硅光纤组成的拉曼放大器进行放大，得到高功率1178nm激光，最后由倍频晶体倍频获得589nm黄色激光输出。在拉曼放大部分中，利用1120nm的光纤激光器进行泵浦，泵浦所用的1120nm光纤激光器结构由图中1、2、3、4部分构成，可以采用后向、前向或双向泵浦方式，系统结构分别对应图1、图2和图3。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

由于采用先产生低功率基频激光再进行拉曼放大的方式，低功率种子激光的激光质量能够得到保证，可以获得窄线宽、高保偏的种子基频光，并且产生种子激光部分在较低功率下运转(图中12，13部分)，可以降低对光纤光栅耐热度方面的要求，避免了光纤光栅在高功率情况下退化、反射率降低、带宽增大等问题，有利于对基频光质量的控制，可获得更高的二次谐波转化效率。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例二的结构示意图；

图3为本发明实施例三的结构示意图；

其中：1.半导体激光器，2.第一光纤光栅，3.保偏掺镱双包层光纤，4.第二光纤光栅，5.第三光纤光栅，6.第一掺锗硅光纤，7.第四光纤光栅，8.多模泵浦合束器9.第二掺锗硅光纤，10.多模泵浦合束器，11.倍频晶体，12.1120nm光纤激光器(即泵浦光纤激光器)，13.1178nm种子激光谐振腔，14.1178nm种子激光光纤拉曼放大器。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，基于主振荡功率放大器的589nm光纤拉曼黄光激光器，包括半导体激光泵浦源、掺镱双包层光纤、光纤光栅、掺锗硅光纤、倍频晶体、多模泵浦合束器；其特征在于系统全部器件采用光纤耦合或直接熔接，其顺序依次为半导体激光器、第一光纤光栅、保偏掺镱双包层光纤、第二光纤光栅、第三光纤光栅、第一掺锗硅光纤、第四光纤光栅、第二掺锗硅光纤、多模泵浦合束器、泵浦光纤激光器、倍频晶体。

半导体激光泵浦源1采用波长为915nm半导体激光器，尾纤输出，光纤尺寸为50/125μm，激光器最大输出功率10W，采用风冷方式制冷。

保偏掺镱双包层光纤3的模场直径6.5±0.5μm，对915nm泵浦激光吸收率为0.55±0.10dB/m；纤芯数值孔径：0.13；包层数值孔径：0.46；纤芯双折射B≥2.5x10^-4；包层直径130±5μm，纤芯/包层偏差≤1μm；涂覆层直径245±15μm；外包层材料低折射率聚酯；强度测试水平≥100(0.7GN/m²)，长度为10m。

第一光纤光栅2的中心波长为1120nm，反射率＞99％，第二光纤光栅4的中心波长1120nm，反射率为10％，两个光栅的带宽均为0.3nm。第一光纤光栅、第二光纤光栅加上掺镱双包层光纤，构成1120nm激光部分12的谐振腔。

第三光纤光栅5、第四光纤光栅7的中心波长为1178nm，带宽为0.3nm；第三光纤光栅反射率为99％，第四光纤光栅反射率为10％。第三光纤光栅、第四光纤光栅加上第一掺锗硅光纤6构成了1178nm种子激光部分的谐振腔13。

第一掺锗硅光纤6和第二掺锗硅光纤9均为单模保偏光纤，用于产生拉曼增益。第一掺锗硅光纤长度为20米，第二掺锗硅光纤长度为50米。

由一个1120nm光纤激光器12对第二掺锗硅光纤9进行后向泵浦，获得拉曼增益。其中1120nm光纤激光器12组成由图中1、2、3、4四个部分组成。泵浦半导体激光器采用915nm半导体激光器，最大输出功率为30W。

多模泵浦合束器为保偏型合束器，用来将高功率泵浦光耦合进入光路。泵浦工作波长范围：800-1200nm，多模泵浦合束器中泵浦输入端纤芯直径/包层直径为105/125μm，数值孔径为0.22；多模泵浦合束器中信号光输入端的光纤参数：纤芯直径/包层直径为PM5/130μm，数值孔径为0.14/0.46；输出双包层光纤参数：纤芯直径/包层直径为PM 5/130μm，数值孔径为0.14/0.46；最大泵浦输入功率(单臂)7W；总泵浦功率14W；最大信号插入损耗＜0.35dB，最大泵浦插入损耗＜0.5dB，回波损耗40dB。

倍频晶体采用KTP晶体，两端面均镀有对1000-1200nm波长激光增透膜。

激光器工作流程如下：半导体激光器1输出激光对掺镱双包层光纤3进行泵浦，通过第一光纤光栅2和第二光纤光栅4选频产生1120nm激光，1120nm激光耦合进入掺锗硅光纤6，产生拉曼增益，并通过第三光纤光栅5和第四光纤光栅7选频产生低功率1178nm基频种子激光，1178nm种子光进入由泵浦光纤激光器12、掺锗硅光纤9组成的拉曼放大器14进行放大，得到高功率1178nm激光，最后由KTP倍频晶体11倍频获得589nm黄色激光输出。

实施例2：

在1178nm激光拉曼放大部分中，用一个1120nm光纤激光器12对掺锗硅光纤9进行前向泵浦，其它部分与实施例1一致，其结构示意图如图2所示。

实施例3：

在1178nm激光拉曼放大部分中，采用双向泵浦方式，即用两个1120nm光纤激光器12对掺锗硅光纤9进行双向泵浦，其它部分与实施例1一致，其结构示意图如图3所示。

本发明主要用于制备黄光光纤激光器，上面以598nm为光纤拉曼黄光激光器例，给出了本发明主要部件的参数，但是本发明并不局限于598nm光纤拉曼黄光激光器。

Claims (10)

1.一种基于主振荡功率放大器的光纤拉曼黄光激光器，其特征在于包括一泵浦光纤激光器(12)，种子激光光纤谐振腔(13)，种子激光拉曼光纤放大器(14)，倍频器(11)；所述泵浦光纤激光器(12)输出端与所述种子激光光纤谐振腔(13)输入端通过光纤耦合或直接光纤熔接，所述种子激光光纤谐振腔(13)输出端与所述种子激光拉曼光纤放大器(14)输入端通过光纤耦合或直接光纤熔接，所述倍频器(11)位于所述种子激光拉曼光纤放大器(14)输出端光路中；其中，种子激光光纤谐振腔的谐振波长为目标黄光波长的二倍。

2.如权利要求1所述的光纤拉曼黄光激光器，其特征在于所述种子激光拉曼光纤放大器(14)为后向泵浦拉曼光纤放大器，其包括：一拉曼光纤，一多模泵浦合束器，另一泵浦光纤激光器(12)；其中，所述拉曼光纤一端与所述种子激光光纤谐振腔(13)输出端熔接，另一端与所述多模泵浦合束器信号输入端熔接，所述多模泵浦合束器的泵浦输入端与该泵浦光纤激光器(12)的输出端熔接。

3.如权利要求1所述的光纤拉曼黄光激光器，其特征在于所述种子激光拉曼光纤放大器(14)为前向泵浦拉曼光纤放大器或双向泵浦拉曼光纤放大器。

4.如权利要求1或2或3所述的光纤拉曼黄光激光器，其特征在于所述泵浦光纤激光器(12)包括一半导体激光器(1)，其尾纤输出端依次与一高反射率光纤光栅(2)、一掺镱双包层光纤、一低反射率光纤光栅(4)熔接。

5.如权利要求4所述的光纤拉曼黄光激光器，其特征在于所述光纤光栅(2)、(4)为双包层或单包层Bragg光纤光栅，中心反射波长为1120nm。

6.如权利要求5所述的光纤拉曼黄光激光器，其特征在于所述泵浦光纤激光器(12)的中心波长为915nm或976nm；所述掺镱双包层光纤为保偏掺镱双包层光纤，且对1120nm激光单模传输；所述光纤光栅(2)的反射率大于98％，所述光纤光栅(4)的反射率小于30％，且所述光纤光栅的带宽小于0.3nm。

7.如权利要求6所述的光纤拉曼黄光激光器，其特征在于所述保偏掺镱双包层光纤的长度为10m，模场直径为：6.5±0.5μm，对915nm包层泵浦吸收为：0.55±0.10dB/m；纤芯数值孔径：0.13；包层数值孔径：0.46；双折射B≥2.5×10^-4；包层直径130±5μm，纤芯/包层偏差≤1μm；涂覆层直径245±15μm；所述泵浦光纤激光器(12)最大输出功率为10W；所述倍频器为KTP晶体，所述KTP晶体两端面均镀有对1000-1200nm波长激光增透膜。

8.如权利要求2所述的光纤拉曼黄光激光器，其特征在于所述多模泵浦合束器为保偏多模泵浦合束器；所述拉曼光纤为单模保偏掺锗硅光纤，长度为50m。

9.如权利要求1或2或3所述的光纤拉曼黄光激光器，其特征在于所述种子激光谐振腔(13)包括：两光纤光栅(5)、(7)，所述光纤光栅(5)、(7)之间熔接一拉曼光纤；所述光纤光栅(5)与所述泵浦光纤激光器(12)的输出端熔接。

10.如权利要求9所述的光纤拉曼黄光激光器，其特征在于所述光纤光栅(5)、(7)为双包层保偏光纤制备的Bragg光纤光栅或单包层保偏光纤制备的Bragg光纤光栅，中心反射波长为1178nm，所述光纤光栅(5)的反射率大于98％，所述光纤光栅(7)的反射率小于30％，且所述光纤光栅(5)、(7)的带宽均小于0.3nm；所述拉曼光纤为单模保偏掺锗硅光纤，长度为20m。

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