CN102738690B - 540nm全光纤结构大功率绿光光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种540nm全光纤结构大功率绿光光纤激光器，包括半导体激光器泵浦源、第一全反射光纤光栅、第二全反射光纤光栅和第三全反射光纤光栅，所述第一全反射光纤光栅和第二全反射光纤光栅之间连接有双包层掺镱光纤，第二全反射光纤光栅和第三全反射光纤光栅之间连接有腔内倍频器，第三全反射光纤光栅的输出端连接输出尾纤，上述各元件通过熔接的方式连接；该激光器采用全光纤结构、汇聚型的腔内倍频器以及三光纤光栅组成的倍频腔体结构，实现了高稳定、大功率绿光激光输出。可广泛应用于激光投影、激光电视、激光医学和激光雷达等领域。具有光束质量好、倍频效率高、结构紧凑、性能稳定可靠的优点。

Description

540nm全光纤结构大功率绿光光纤激光器

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大功率绿光光纤激光器。

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。540nm附近的绿光光纤激光器，可作为激光投影、激光电视、激光水下成像等得理想的绿色激光光源。目前获得540nm附近红色激光的方法最常用的方法，是Yb³⁺：YAG产生1064nm激光经过倍频后获得532nm绿激光。

在全固态激光器中利用非线性频率变换技术在获得可见光波段激光技术方面已取得很好成效，特别是全固态激光器内腔倍频技术，几乎成为了可见波段固体激光器的主力军，但将内腔倍频技术应用于光纤激光器时遇到一个矛盾：光纤激光器的优势在于它的全光纤化熔接，无分立元件，故而其稳定性好、免维护和易于使用，但如果插入倍频晶体这样的分立元件，必然破坏了光纤激光器稳定性好，免维护且易于使用的优势，失去市场竞争力。要实现光纤激光器腔内倍频必须采用光纤结构的腔内倍频器件，将其熔接在光纤激光器中，实现全光纤结构的倍频光纤激光器。现有的光纤激光器倍频技术多采用腔外倍频或内腔分立元件倍频，如双面泵浦腔内倍频双包层绿光光纤激光器（申请号：200620079299），双包层光纤腔内倍频激光器（专利号：03116633.4），内腔倍频蓝光光纤激光器（申请号：200820155748），高功率蓝光光纤激光器（申请号：200620079296），这些激光器均是分立元件构成的，从本质上讲，这些技术都是全固态腔内倍频技术的翻版，虽将其搬入光纤激光器，但光纤激光器自身所具有的高稳定性却被破坏了，显示不出光纤激光器的优势。

本发明的发明人于2011年6月14日提出的专利申请（申请号：201110158949.0，名称：全光纤结构腔内倍频绿光激光器），是一种采用三光栅结构的光纤激光器，其采用自聚焦透镜长度为0.23P（P为自聚焦透镜节距）的全光纤腔内倍频光纤激光器，主要用于大功率光纤激光器，因其腔内光纤倍频器所采用的自聚焦透镜长度采用0.23P，基频光被自聚焦透镜转换为平行光，在倍频晶体中产生二次谐波（倍频）效应。发明人在对腔内倍频器的后续研究中发现，自聚焦透镜的长度和倍频晶体的长度、折射率均会影响腔内倍频器内部的激光分布，从而影响出射激光的强度，由于该激光器中的自聚焦透镜长度固定为0.23P，基频光在经自聚焦透镜扩束转换为平行光，并在倍频晶体中以平行光的方式行进，故而其在大功率或当倍频晶体非线性系数较高时倍频效率比较高，但其在中小功率或倍频晶体非线性系数不是很高时，倍频效率相对比较低。经进一步研究发现，当改变自聚焦透镜长度，使得基频光能够在倍频晶体中汇聚时，便可以获得很高的倍频效率，尤其是在中小功率或倍频晶体非线性系数不是很高时，效果更为明显。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种全光纤结构大功率绿光光纤激光器，该激光器采用全光纤结构、汇聚型的腔内倍频器以及三光纤光栅组成的倍频腔体结构，实现了高稳定、大功率绿光激光输出。可广泛应用于激光投影、激光电视、激光医学和激光雷达等领域。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术解决方案：

一种540nm全光纤结构大功率绿光光纤激光器，包括半导体激光器泵浦源、第一全反射光纤光栅、第二全反射光纤光栅和第三全反射光纤光栅，所述第一全反射光纤光栅和第二全反射光纤光栅之间连接有双包层掺镱光纤，第二全反射光纤光栅和第三全反射光纤光栅之间连接有腔内倍频器，第三全反射光纤光栅的输出端连接输出尾纤，上述各元件通过熔接的方式连接；

所述腔内倍频器包括全自动温控炉、第一尾纤、套管、第一自聚焦透镜、倍频晶体、第二自聚焦透镜、导热铜块和第二尾纤，其中，第一自聚焦透镜和第二自聚焦透镜分别粘结在倍频晶体左、右两端；第一自聚焦透镜的左端与第一尾纤带有尾纤插针的一端粘结，第二自聚焦透镜的右端与第二尾纤带有尾纤插针的一端粘结；第一尾纤、套管、第一自聚焦透镜、倍频晶体、第二自聚焦透镜和第二尾纤中心共线，共同构成以倍频晶体为中心的对称性结构；第一自聚焦透镜、倍频晶体、第二自聚焦透镜三者的整体的外部依次包裹有铟箔和导热铜块，所述导热铜块的底面与全自动温控炉相接触，导热铜块的其余表面封装在套管内部，第一尾纤从套管的左端穿出并与第二全反射光纤光栅熔接，第二尾纤从套管的右两端穿出并第三全反射光纤光栅熔接，各元件熔接时采用纤芯对准；

所述倍频晶体、第一自聚焦透镜和第二自聚焦透镜满足式1：

$L=-\frac{2n_1\mathrm{Tan}\left(\mathrm{\αd}\right)}{\mathrm{\α}{n}_0}$ 式1

式中，L为倍频晶体的长度；n₁为倍频晶体的折射率；n₀为第一自聚焦透镜的中心折射率；d为第一自聚焦透镜的长度；α为第一自聚焦透镜折射率分布系数；第一自聚焦透镜的折射率n(r)沿径向r分布满足式2：

n(r)＝n₀(1-α²r²/2)    式2

式中，r为径向坐标。

所述第一自聚焦透镜和第二自聚焦透镜选用相同的自聚焦透镜，其长度均为0.3P~0.45P。

所述半导体激光器泵浦源选择带100μm尾纤输出、中心波长为973nm、功率为35W的半导体激光器泵浦组件；第一全反射光纤光栅、第三全反射光纤光栅均选择反射中心波长为1080nm全反射Bragg光纤光栅，反射率大于99%；双包层掺镱光纤选择芯径为6/125μm的双包层掺镱光纤，长度取18m；第二全反射光纤光栅与取反射中心波长为540nm全反射Bragg光纤光栅，反射率大于99%；输出尾纤选择芯径为6/125μm的双包层非掺杂光纤。

所述第一自聚焦透镜、第二自聚焦透镜均采用d=0.31P、直径为3mm、长度为6.2mm的圆形自聚焦透镜；倍频晶体选取LBO晶体，横截面尺寸选取3mm*3mm，倍频晶体长度L=17.0mm；第一尾纤、第二尾纤均选用6/125μm双包层无掺杂光纤，长度取2米；导热铜块长度取27mm，壁厚5mm；套管的长度取39mm，侧壁厚3mm，端壁厚6mm。

所述第一自聚焦透镜、第二自聚焦透镜和倍频晶体均为柱体且横截面面积相同。

所述第一自聚焦透镜、第二自聚焦透镜和倍频晶体均采用横截面直径2~5mm的圆柱或者横截面边长为2~5mm的长方体。

所述温度控制器采用控制范围为－10℃～200℃的自动恒温控制炉。

本发明的技术特征及优点如下：

1）本发明的激光器由LD泵浦源、光纤光栅、双包层掺镱光纤、汇聚型光纤激光器腔内倍频器和输出尾纤通过光纤熔接方式连接而成，获得1080nm基频振荡并经过汇聚型光纤激光器腔内倍频器实现光纤激光器腔内倍频获得540nm高功率激光输出。

2）本发明的激光器采用全光纤结构，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光纤激光器中结构复杂、难以集成且稳定性差的缺陷。

3）本发明采用三光纤光栅腔型结构，使得基频光无外泄、倍频光全部收集并通过尾纤输出。

4）本发明采用汇聚型光纤激光器腔内倍频器实现全光纤结构腔内倍频，当倍频晶体和自聚焦透镜参数选择满足一定条件时，即满足公式1、2时，便可以使得基频光和倍频光在倍频晶体中心汇聚，在两端经自聚焦透镜汇聚并注入尾纤之中，解决了光纤激光器腔内倍频实现过程中基频光和倍频光的泄漏问题，具有很高的功率密度使其具有很高的倍频转换效率。

5）倍频晶体采用铟箔包裹封于导热铜块内，导热铜块底面与全自动温控炉相接触，全自动温控炉可-10℃~200℃调节温度，既可用于角度相位匹配方式下倍频晶体冷却之用，亦可用于温度相位匹配方式时倍频晶体温度控制与调节。

6）基频光经自聚焦透镜后在倍频晶体中点处汇聚于一点，使得其在倍频晶体内的光斑面积较小，功率密度较大，使倍频效率得以提高，故而即使在低功率情况下，也可获得很高的倍频效率，特别是在中小功率时，同样有很高的倍频转换效率。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

图2为腔内倍频器结构示意图。其中，（a）为正视图，（b）为俯视图，（c）为左视图。

图3为激光在自聚焦透镜及倍频晶体内的光线轨迹图。

图4为本发明的激光器中基频光及倍频光的行进光路图。

图5为本发明实施例的激光器输出光谱图。

图6为泵浦功率与输出功率关系图。

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540nm全光纤结构大功率绿光光纤激光器，包括半导体激光器泵浦源1、第一全反射光纤光栅2、第二全反射光纤光栅4和第三全反射光纤光栅6，所述第一全反射光纤光栅2和第二全反射光纤光栅4之间连接有双包层掺镱光纤3，第二全反射光纤光栅4和第三全反射光纤光栅6之间连接有腔内倍频器5，第三全反射光纤光栅6的输出端连接输出尾纤7，上述各元件通过熔接的方式连接。

如图2所示，腔内倍频器包括全自动温控炉15、第一尾纤8、套管9、第一自聚焦透镜10、倍频晶体11、第二自聚焦透镜12、导热铜块13和第二尾纤14，其中，第一自聚焦透镜10和第二自聚焦透镜12分别粘结在倍频晶体11左、右两端；第一自聚焦透镜10的左端与第一尾纤8带有尾纤插针的一端粘结，第二自聚焦透镜12的右端与第二尾纤14带有尾纤插针的一端粘结；第一尾纤8、套管9、第一自聚焦透镜10、倍频晶体11、第二自聚焦透镜12和第二尾纤14中心共线，共同构成以倍频晶体11为中心的对称性结构；第一自聚焦透镜10、倍频晶体11、第二自聚焦透镜10三者的整体的外部依次包裹有铟箔和导热铜块13，所述导热铜块13的底面与全自动温控炉15相接触，导热铜块13的其余表面封装在套管9内部，第一尾纤8从套管9的左端穿出并与第二全反射光纤光栅4熔接，第二尾纤14从套管9的右两端穿出并第三全反射光纤光栅6熔接，各元件熔接时采用纤芯对准。

本发明的部件选择及制作过程如下：

1、半导体激光器泵浦源1选择带100μm尾纤输出、中心波长为973nm、功率为35W的半导体激光器泵浦组件；第一全反射光纤光栅2、第三全反射光纤光栅6选择反射中心波长为1080nm全反射Bragg光纤光栅，反射率大于99%；双包层掺镱光纤3选择芯径为6/125μm的双包层掺镱光纤，长度取18m；第二全反射光纤光栅4与取反射中心波长为540nm全反射Bragg光纤光栅，反射率大于99%；输出尾纤7可由第二全反射光纤光栅4的尾纤替代，也可以选择芯径为6/125μm的双包层非掺杂光纤，其长度视实际需要而定。

2、选择倍频晶体和自聚焦透镜的尺寸与规格：腔内倍频器的核心部件是倍频晶体和自聚焦透镜，其内部基频光的行进轨迹如图2所示，要保证光线以图3中所画轨迹行进从而在倍频晶体11内聚焦于一点，所述倍频晶体11、第一自聚焦透镜10和第二自聚焦透镜12满足式1：

$L=-\frac{2n_1\mathrm{Tan}\left(\mathrm{\αd}\right)}{\mathrm{\α}{n}_0}$ 式1

式中，L为倍频晶体11的长度；n₁为倍频晶体11的折射率；n₀为第一自聚焦透镜10的中心折射率；d为第一自聚焦透镜10的长度；α为第一自聚焦透镜10折射率分布系数；第一自聚焦透镜10的折射率n(r)沿径向r分布满足式2：

n(r)＝n₀(1-α²r²/2)    式2

式中，r为径向坐标。

第一自聚焦透镜10和第二自聚焦透镜12选用相同的自聚焦透镜，自聚焦透镜长度均选取为0.3P~0.45P。

自聚焦透镜、倍频晶体均为柱体且横截面面积相同，既有利于装配，也便于热传导。可以采用横截面直径2~5mm的圆柱或者横截面边长为2~5mm的长方体。本实施例中，第一自聚焦透镜10、第二自聚焦透镜12均采用d=0.31P、直径为3mm、长度为6.2mm的圆形自聚焦透镜。倍频晶体11选取LBO晶体，横截面尺寸选取3mm*3mm，根据倍频晶体长度计算公式1得到倍频晶体长度L=17.0mm；第一尾纤8、第二尾纤14均选用6/125μm双包层无掺杂光纤，其长度均取2米；导热铜块13长度取27mm，壁厚5mm；套管9的长度取39mm，侧壁厚3mm，端壁厚6mm。

根据矩阵光学理论，式1的推导原理如下：

第一自聚焦透镜的折射率分布为：

$n^2={n_0}^2[1-\frac{1}{2}{\left(\mathrm{\αr}\right)}^2]$

式中，n₀为第一自聚焦透镜中心折射率，n为半径为r处的折射率。

激光进入第一自聚焦透镜矩阵

$m1=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& n_0\end{array}\right]$

第一自聚焦透镜中传播矩阵

$m2=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\αd}\right)& (1/\mathrm{\α})\sin \left(\mathrm{\αd}\right)\\ -\mathrm{\α}\sin \left(\mathrm{\αd}\right)& \cos \left(\mathrm{\αd}\right)\end{array}\right]$

式中，d为自聚焦透镜长度

第一自聚焦透镜进入倍频晶体矩阵

$m3=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 1& n_1/n_0\end{array}\right]$

式中n₁为倍频晶体折射率

倍频晶体中传播矩阵

$m4=\left[\begin{array}{cc}1& s\\ 0& 1\end{array}\right]$

式中，s为倍频晶体长度

倍频晶体进入第二自聚焦透镜矩阵

$m5=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& n_0/n_1\end{array}\right]$

第二自聚焦透镜中传播矩阵

$m6=m2=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\αd}\right)& (1/\mathrm{\α})\sin \left(\mathrm{\αd}\right)\\ -\mathrm{\α}\sin \left(\mathrm{\αd}\right)& \cos \left(\mathrm{\αd}\right)\end{array}\right]$

离开第二自聚焦透镜矩阵

$m7=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1/n_0\end{array}\right]$

光束经过第一自聚焦透镜、倍频晶体、第二自聚焦透镜的传播矩阵为

$M=\left[\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right]=m1\·m2\·m3\·m4\·m5\·m6\·m7$

矩阵相乘便可得到传输矩阵M，其矩阵元ABCD分别为

$A={\left[\cos \left(\mathrm{\αd}\right)\right]}^2-\frac{n_0\mathrm{\α}\sin \left(\mathrm{\αd}\right)[s\cos \left(\mathrm{\αd}\right)+\frac{n_1\sin \left(\mathrm{\αd}\right)}{\mathrm{\α}{n}_0}]}{n_1}$

$B=\frac{\frac{\cos \left(\mathrm{\αd}\right)\sin \left(\mathrm{\αd}\right)}{\mathrm{\α}}+\frac{n_0\cos \left(\mathrm{\αd}\right)[s\cos \left(\mathrm{\αd}\right)+\frac{n_1\sin \left(\mathrm{\αd}\right)}{\mathrm{\α}{n}_0}]}{n_1}}{n_0}$

$C=-n_0\mathrm{\α}\sin \left(\mathrm{\αd}\right)\cos \left(\mathrm{\αd}\right)-\frac{n_0\mathrm{\α}\sin \left(\mathrm{\αd}\right)[-n_0\mathrm{s\α}\sin \left(\mathrm{\αd}\right)+n_1\cos \left(\mathrm{\αd}\right)]}{n_1}$

$D=\frac{\frac{n_0\cos \left(\mathrm{\αd}\right)[-n_0\mathrm{s\α}\sin \left(\mathrm{\αd}\right)+n_1\cos \left(\mathrm{\αd}\right)]}{n_1}-n_0{\left[\sin \left(\mathrm{\αd}\right)\right]}^2}{n_0}$

如果光线1

$r_1=\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right]$

经第一自聚焦透镜、倍频晶体、第二自聚焦透镜的传输后，得到光线2

$r_2=\left[\begin{array}{c}{y}_2\\ {\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}A{y}_1+B{\mathrm{\θ}}_1\\ C{y}_1+D{\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right]$

当光线1为第一自聚焦透镜入射端面的中心点入射，并要求其汇聚于第二自聚焦透镜的出射端面的中心点，为了简化推导，我们设自聚焦透镜的中心点（即自聚焦透镜端面的圆心）为高度坐标原点，则有当y₁=0时，必有y₂=0，为此我们求解方程Bθ₁=0，且cos(αd)<>0，也即求解

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\frac{\cos \left(\mathrm{\&alpha;d}\right)\sin \left(\mathrm{\&alpha;d}\right)}{\mathrm{\&alpha;}}+\frac{n_0\cos \left(\mathrm{\&alpha;d}\right)[s\cos \left(\mathrm{\&alpha;d}\right)+\frac{n_1\sin \left(\mathrm{\&alpha;d}\right)}{\mathrm{\&alpha;}{n}_0}]}{n_1}}{n_0}{\mathrm{\&theta;}}_1=0\\ \cos \left(\mathrm{\&alpha;d}\right)\&lang;\&rang;0\end{array}\right.$

可以得到：

$s=-\frac{2n_1\tan \left(\mathrm{\&alpha;d}\right)}{\mathrm{\&alpha;}{n}_0}.$

3、根据所应用的光纤激光器选用的有源光纤的规格来选择第一尾纤8和第二尾纤14，尾纤应与有源光纤结构匹配，即有源光纤的芯径（或模场半径）、数值孔径、包层尺寸尽量一致或接近，以便在光纤熔接时有较小损耗，第一尾纤14和第二尾纤18的长度为1~2米。

4、温度控制器15采用市售的自动恒温控制炉，控制范围为－10℃～200℃，通过该装置可对温度进行控制，达到稳定倍频晶体温度的效果，在选择采用温度相位匹配方式时亦可用于倍频晶体温度控制与调节。

5、加工导热铜块13和套管9。将倍频晶体、自聚焦透镜、尾纤的端面进行抛光处理。

6、装配与封装。按照图2，将倍频晶体、自聚焦透镜、导热铜块、封装套管、尾纤等装配在一起，并将其固定在温度控制器15上，整个装配过程必须保证第一尾纤8、第一自聚焦透镜10、倍频晶体11、第二自聚焦透镜12和第二尾纤14的中心共线。

7、装配光纤激光器：按照图1，将半导体激光器泵浦组件1的输出尾纤与第一全反射光纤光栅2的注入端熔接；将第一全反射光纤光栅2的另一端与双包层掺镱光纤3一端熔接；将双包层掺镱光纤3的另一端与第二全反射光纤光栅4的注入端熔接；将第二全反射光纤光栅4的另一端与腔内倍频器5的一个尾纤熔接；将腔内倍频器5的另一端与第三全反射光纤光栅6的一端熔接，第三全反射光纤光栅6的另一端与输出尾纤7熔接，输出尾纤7为光纤激光的输出端。最后将腔内倍频器5的底面与温控炉的控温平台之间涂抹导热硅脂，然后固定，将温控炉控制温度调到100℃，开启半导体激光器泵浦源1的电源，既可实现540nm激光输出。

如图3所示，由于倍频晶体和自聚焦透镜的选取满足了激光汇聚的条件，也即满足公式1的条件，基频光在第一自聚焦透镜10、倍频晶体11和第二自聚焦透镜12中的行进轨迹汇聚在倍频晶体11的中心点。

本发明中，半导体激光器泵浦源1提供激光泵浦，泵浦光透过第一全反射光纤光栅2注入双包层掺镱光纤3的内包层，随着泵浦光在内包层中传输而持续不断地进入双包层掺镱光纤3的纤芯；如图4所示，双包层掺镱光纤3的纤芯构成激光工作物质（Yb³⁺），第一全反射光纤光栅2、双包层掺镱光纤3的纤芯和第三全反射光纤光栅6构成波长为1080nm激光谐振腔，即本实施例的光纤激光器的基频部分，激光工作物质（Yb³⁺）吸收泵浦光能量后产生1080nm的荧光辐射，该荧光辐射在第一全反射光纤光栅2和第三全反射光纤光栅6之间不断反射，多次经过双包层掺镱光纤3的纤芯被不断放大加强形成波长为1080nm的激光振荡，此时，由于基频光在第一全反射光纤光栅2和第三全反射光纤光栅6之间不断反射而未输出，从而形成一个没有输出的光纤激光器，图4中下半部分的虚线为基频光行进光路。

第二全反射光纤光栅4和汇聚型光纤激光器腔内倍频器5构成本发明的激光器的倍频部分，随着激光谐振腔的基频振荡不断加强，基频光经过汇聚型光纤激光器腔内倍频器5时产生二次谐波（即倍频），从而从波长为1080nm的基频光转换为波长为540nm的倍频光，图4上半部分的虚线为倍频光行进光路，左向的倍频光被第二全反射光纤光栅4反射后行进方向变为右向，右向行进的倍频光通过第三全反射光纤光栅6后由其尾纤输出，从而可获得很高的倍频效率。在整个过程中，泵浦组件持续提供能量注入，双包层掺镱光纤3消耗泵浦光产生基频光，汇聚型光纤激光器腔内倍频器5中的倍频晶体11消耗基频光产生倍频光，该过程最终达到稳态，保持连续稳态倍频激光输出。

激光在本发明的光纤激光器中的运行轨迹如下：

本发明的腔内倍频器5左右对称，无方向性，构成基频光、倍频光的行进通道，并完成基频光的倍频转换功能。

右向行进的波长为1080nm的基频光从第一尾纤8左端入射，经由第一自聚焦透镜10进入倍频晶体11，部分基频光被转换为波长为540nm的右向行进的倍频光，该右向行进的倍频光进入第二自聚焦透镜12后从第二尾纤14输出，再经第三光纤光栅6后从输出尾纤7输出。剩余的基频光继续右向行进，其被第二自聚焦透镜12汇聚进第二尾纤14后到达第三光纤光栅6，被第三光纤光栅6反射为左向行进的基频光，进入基频光行进光路（如图4所示）。

左向行进的基频光进入汇聚型腔内倍频器5时，部分被转换为左向行进的波长为540nm的倍频光，剩余部分基频光继续左向行进，在经过双包层掺镱光纤3时被放大，放大后到达第一全反射光纤光栅10被反射为右向。综上，所有基频光不断经过双包层掺镱光纤3时被放大，经过倍频晶体11而源源不断地被转换为倍频光，理论上转换效率可达100%。

左向行进的倍频光进入第一自聚焦透镜10后经第一尾纤8输出，到达第二全反射光纤光栅4时被反射为右向，该右向行进的倍频光沿第一尾纤8依次进入第一自聚焦透镜10、倍频晶体11、第二自聚焦透镜12、第二尾纤14、第三光纤光栅6，最终从输出尾纤7输出。

开启半导体激光器（1）并逐步增大电流，等稳定后获得激光光谱如图5所示，在泵浦功率30W时获得了7.2W的激光输出，如图6所示。

Claims (7)

1.一种540nm全光纤结构大功率绿光光纤激光器，其特征在于，包括半导体激光器泵浦源（1）、第一全反射光纤光栅（2）、第二全反射光纤光栅（4）和第三全反射光纤光栅（6），所述第一全反射光纤光栅（2）和第二全反射光纤光栅（4）之间连接有双包层掺镱光纤（3），第二全反射光纤光栅（4）和第三全反射光纤光栅（6）之间连接有腔内倍频器（5），第三全反射光纤光栅（6）的输出端连接输出尾纤（7），上述各元件通过熔接的方式连接；

所述腔内倍频器包括全自动温控炉（15）、第一尾纤（8）、套管（9）、第一自聚焦透镜（10）、倍频晶体（11）、第二自聚焦透镜（12）、导热铜块（13）和第二尾纤（14），其中，第一自聚焦透镜（10）和第二自聚焦透镜（12）分别粘结在倍频晶体（11）左、右两端；第一自聚焦透镜（10）的左端与第一尾纤（8）带有尾纤插针的一端粘结，第二自聚焦透镜（12）的右端与第二尾纤（14）带有尾纤插针的一端粘结；第一尾纤（8）、套管（9）、第一自聚焦透镜（10）、倍频晶体（11）、第二自聚焦透镜（12）和第二尾纤（14）中心共线，共同构成以倍频晶体（11）为中心的对称性结构；第一自聚焦透镜（10）、倍频晶体（11）、第二自聚焦透镜（12）三者的整体的外部依次包裹有铟箔和导热铜块（13），所述导热铜块（13）的底面与全自动温控炉（15）相接触，导热铜块（13）的其余表面封装在套管（9）内部，第一尾纤（8）从套管（9）的左端穿出并与第二全反射光纤光栅（4）熔接，第二尾纤（14）从套管（9）的右端穿出并与第三全反射光纤光栅（6）熔接，各元件熔接时采用纤芯对准；

所述倍频晶体（11）、第一自聚焦透镜（10）和第二自聚焦透镜（12）满足式1：

                                                                                        式1

式中，L为倍频晶体（11）的长度；n₁为倍频晶体（11）的折射率；n₀为第一自聚焦透镜（10）的中心折射率；d为第一自聚焦透镜（10）的长度；α为第一自聚焦透镜（10）折射率分布系数；第一自聚焦透镜（10）的折射率

沿径向r分布满足式2：

                式2

式中，r为径向坐标；

所述第一全反射光纤光栅（2）、第三全反射光纤光栅（6）均选择反射中心波长为1080nm全反射Bragg光纤光栅，反射率大于99%；所述第二全反射光纤光栅（4）取反射中心波长为540nm全反射Bragg光纤光栅，反射率大于99%。

2.如权利要求1所述的540nm全光纤结构大功率绿光光纤激光器，其特征在于，所述第一自聚焦透镜（10）和第二自聚焦透镜（12）选用相同的自聚焦透镜，其长度均为0.3P~0.45P，P为自聚焦透镜节距。

3.如权利要求1所述的540nm全光纤结构大功率绿光光纤激光器，其特征在于，所述半导体激光器泵浦源（1）选择带100μm尾纤输出、中心波长为973nm、功率为35W的半导体激光器泵浦组件；双包层掺镱光纤（3）选择芯径为6/125μm的双包层掺镱光纤，长度取18m；输出尾纤（7）选择芯径为6/125μm的双包层非掺杂光纤。

4.如权利要求1所述的540nm全光纤结构大功率绿光光纤激光器，其特征在于，所述第一自聚焦透镜（10）、第二自聚焦透镜（12）均采用d=0.31P、直径为3mm、长度为6.2mm的圆形自聚焦透镜，P为自聚焦透镜节距；倍频晶体（11）选取LBO晶体，横截面尺寸选取3mm*3mm，倍频晶体长度L=17.0mm；第一尾纤（8）、第二尾纤（14）均选用6/125μm双包层无掺杂光纤，长度取2米；导热铜块（13）长度取27mm，壁厚5mm；套管（9）的长度取39mm，侧壁厚3mm，端壁厚6mm。

5.如权利要求1所述的540nm全光纤结构大功率绿光光纤激光器，其特征在于，所述第一自聚焦透镜（10）、第二自聚焦透镜（12）和倍频晶体（11）均为柱体且横截面面积相同。

6.如权利要求1所述的540nm全光纤结构大功率绿光光纤激光器，其特征在于，所述第一自聚焦透镜（10）、第二自聚焦透镜（12）和倍频晶体（11）均采用横截面直径2~5mm的圆柱或者横截面边长为2~5mm的长方体。

7.如权利要求1所述的540nm全光纤结构大功率绿光光纤激光器，其特征在于，所述全自动温控炉（15）采用控制范围为－10℃～200℃的自动恒温控制炉。

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