CN102738691A

CN102738691A - 全光纤结构的938nm半导体制冷光纤激光器

Info

Publication number: CN102738691A
Application number: CN2012102228282A
Authority: CN
Inventors: 冯选旗; 冯晓强; 白晋涛
Original assignee: Northwest University
Current assignee: Northwest University
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2012-10-17

Abstract

本发明公开一种全光纤结构的938nm半导体制冷光纤激光器，包括超低温半导体制冷器、带尾纤输出的808nm半导体激光器、938nm全反射光栅、双包层掺钕光纤、938nm半反射光栅、输出尾纤等。上述带尾纤输出的808nm半导体激光器、938nm全反射光栅、双包层掺钕光纤、938nm半反射光栅、输出尾纤等部件首尾相连依次熔接，并将双包层掺钕光纤置于所述超低温半导体制冷器内。本发明采用的通过超低温半导体制冷器，实现全光纤结构的938nm光纤激光器，具有光束质量好、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938nm半导体制冷光纤激光器

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938nm半导体制冷光纤激光器。

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938nm激光器经过倍频后可获得469nm的蓝色激光输出，可作为激光投影、激光电视等得理想的蓝色激光光源；938nm激光与1583nm激光和频产生589nm的黄色激光输出，其可用于激光雷达等军事应用。在钕玻璃中，938nm的激光是Nd³⁺由⁴F_3/2-⁴I_9/2跃迁所产生，而掺钕光纤室温时在900nm处存在很强的自吸收现象，这种自吸收会形成很长的拖尾，使其在938nm处依然有较强的自吸收现象，这使得在在光纤激光器中很难实现938nm激光输出，经研究发现这种自吸收现象会随环境温度的下降向短波方向迁移，目前所见报道的938nm的光纤激光器都是在液氮环境下实现的，也即77K时获得激光输出的，然而液氮环境很难实现商业化应用。

发明内容

为了克服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的938nm半导体制冷光纤激光器，本发明采用全光纤结构，并将掺钕双包层光纤置于超低温半导体制冷器内，提高Nd³⁺由⁴F_3/2-⁴I_9/2跃迁的相对概率，实现大功率、高品质938nm激光输出，本发明具有输出功率高、全光纤结构、体积小、效率高、稳定性好、寿命长、噪声低的优点。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术解决方案：

一种全光纤结构的938nm半导体制冷光纤激光器，包括超低温半导体制冷器、半导体激光器、全反射光栅、双包层掺钕光纤、半反射光栅和输出尾纤，其中，半导体激光器作为光源，半导体激光器、全反射光栅、双包层掺钕光纤、半反射光栅和输出尾纤依次首尾相连，上述各元件之间熔接，输出尾纤为激光器输出端；双包层掺钕光纤置于超低温半导体制冷器中，且双包层掺钕光纤的首尾端均置于超低温半导体制冷器之外。

本发明还包括如下其他技术特征：

所述半导体激光器选择带100μm尾纤输出中心波长为808nm功率为15W的半导体激光器；所述全反射光栅选择反射率大于99%，反射中心波长为938nm全反射光纤光栅；所述双包层掺钕光纤选择长度为15m，芯径为6/125μm的双包层掺钕光纤；所述半反射光栅采用反射中心波长为938nm反射率为10%的光纤光栅。

所述超低温半导体制冷器包括半导体制冷堆、光纤盘绕柱、真空罩和水冷散热器，其中，光纤盘绕柱置于半导体制冷堆上表面，半导体制冷堆置于水冷散热器的上表面，半导体制冷堆的上表面为吸热端，下表面为放热端；真空罩为下端开口的空心柱体，真空罩扣在水冷散热器上方且将光纤盘绕柱和半导体制冷堆置于内部，真空罩内部形成的腔体为真空腔。

所述半导体制冷堆包括制冷内芯以及包覆在制冷内芯侧面的保温隔热材料，制冷内芯由一个或多个相同的制冷体组成，所述的制冷体由多个半导体制冷片和多个热忱交替堆叠而成，且制冷体的上下表面均为半导体制冷片，在半导体制冷片与热忱之间均涂覆有导热助剂或导热材料；每个半导体制冷片均与直流电源相连接；半导体制冷片的上表面吸热下表面放热。

所述半导体制冷片选择TEC1-12712半导体制冷片。

所述热忱采用具有良好热传导特性的金属片。

所述光纤盘绕柱为圆柱或两头半圆矩形柱，沿光纤盘绕柱的圆周方向刻有槽，槽的形状为矩形半圆槽、方形槽、矩形槽及V形槽，槽的大小以能将光纤没入其中。

所述真空罩采用双层外壁，且该双层外壁之间为真空。

所述真空罩为柱状。

所述水冷散热器包括外壳以及与该外壳内部相连通的进水管和出水管，该外壳内部设置许多竖直方向的隔板，隔板使外壳内腔形成一条迂回前进的冷却水道，进水管连接冷却水道的入口，出水管连接该冷却水道的出口。

本发明的技术特征及优点如下：

1）本发明的激光器采用全光纤结构，由LD泵浦源、光纤光栅、双包层掺钕光纤、输出尾纤通过光纤熔接方式首尾连接而成，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中存在的结构复杂、难以集成、稳定性差等缺陷。

2）将双包层掺钕光纤置于超低温半导体制冷器内，由于采用半导体制冷，使得938nm光纤激光器完全脱离目前常用的液氮环境，相比于传统的液氮冷却的光纤激光器更为方便实用。

3）超低温半导体制冷器中光纤盘绕柱所在的腔体采用隔热效果极好的真空腔，且通过多层半导体制冷片与热忱交替堆叠的半导体制冷堆和水冷散热器将光纤盘绕柱的热量带走，实现了光纤激光器的低温及超低温制冷。

4）本发明可广泛应用于激光医学、激光雷达和红外通信等领域。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为超低温半导体制冷器的结构示意图。

图3为圆柱形半导体制冷堆结构示意图。其中，（a）为俯视图，（b）为主视图。

图4为圆台形半导体制冷堆结构示意图。其中，（a）为俯视图，（b）为主视图。

图5为不同形状的半导体制冷堆的平面结构图。其中，（a）为椭圆柱，采用两个制冷体组成制冷内芯；（b）为两头半圆矩形柱，采用三个制冷体组成制冷内芯；（c）为圆柱，采用四个制冷体组成制冷内芯；（d）为长方体，采用六个制冷体组成制冷内芯。

图6为不同形状的光纤盘绕柱结构示意图。其中，（a）为圆柱；（b）为两头半圆矩形柱。

图7为真空罩的结构示意图。

图8为水冷散热器的内部结构示意图，图中箭头方向为水流方向。

图9为超低温半导体制冷器的装配图。其中，（a）为主视图；（b）为左视图。

图10为“L”形金属拉条结构示意图。其中，（a）为主视图；（b）为左视图；（c）为仰视图。

图11为本发明中双包层掺钕光纤盘绕在超低温半导体制冷器上的示意图。

图12为本发明实施例的激光器所输出激光的光谱图。

图13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，本发明的全光纤结构的938nm半导体制冷光纤激光器，包括超低温半导体制冷器1、半导体激光器2、全反射光栅3、双包层掺钕光纤4、半反射光栅5和输出尾纤6，其中，半导体激光器2作为光源，半导体激光器2、全反射光栅3、双包层掺钕光纤4、半反射光栅5和输出尾纤6依次首尾相连，上述各元件之间熔接，输出尾纤6为激光器输出端；双包层掺钕光纤4置于超低温半导体制冷器1中，且双包层掺钕光纤4的首尾端均置于超低温半导体制冷器1之外。

半导体激光器2选择带100μm尾纤输出中心波长为808nm功率为15W的半导体激光器，其作为泵浦源；全反射光栅3选择反射中心波长为938nm全反射光纤光栅，其反射率大于99%；双包层掺钕光纤4选择芯径为6/125μm的双包层掺钕光纤，其长度为15m；半反射光栅5取反射中心波长为938nm反射率为10%的光纤光栅，可采用芯径为6/125μm的双包层非掺杂光纤，也可采用半反射光栅5的尾纤替代输出尾纤6。

如图2所示，超低温半导体制冷器1包括半导体制冷堆7、光纤盘绕柱8、真空罩9和水冷散热器10，其中，光纤盘绕柱8置于半导体制冷堆7上表面，半导体制冷堆7置于水冷散热器10的上表面，半导体制冷堆7的上表面为吸热端，下表面为放热端；真空罩9为下端开口的空心柱体，真空罩9扣在水冷散热器10上方且将光纤盘绕柱8和半导体制冷堆7置于内部，真空罩9内部形成的腔体为真空腔；半导体制冷堆7和水冷散热器10用于将真空腔内的热量源源不断传递出去，以保持真空腔内持续超低温。

如图3-图5所示，半导体制冷堆7包括制冷内芯以及包覆在制冷内芯侧面的保温隔热材料13，保温隔热材料13采用聚氨酯泡沫或隔热棉，制冷内芯由一个或多个相同的制冷体组成，所述的制冷体由多个半导体制冷片11和多个热忱12交替堆叠而成，且制冷体的上、下表面均为半导体制冷片11，在半导体制冷片11与热忱12之间均涂覆有导热助剂或导热材料。每个半导体制冷片11均与直流电源相连接；半导体制冷片11的上表面吸热下表面放热。导热助剂或导热材料可采用具有良好热传导特性的易延展的胶状、膏状或软金属材料，如导热硅脂、散热胶、散热硅胶或铟箔；热忱12采用具有良好热传导特性的金属片，如铜、铝；半导体制冷片11及热忱12交替堆叠的层数取决于真空腔内的温度要求，所需温度越低则层数越多。其中，半导体制冷片5是根据制冷量的需要常规选用不同规格的半导体制冷片。

制冷内芯包含的制冷体的数量根据光纤盘绕柱8所需要降温的情况确定。制冷内芯仅包括一个制冷体时，该制冷体的形状为正棱柱（如图3所示）或下大上小的棱台（如图4所示），对应的半导体制冷堆1的形状可为圆柱（如图3所示）或者下大上小的圆台（如图4所示）；制冷内芯包括多个制冷体时，每个制冷体均为正棱柱，所有的制冷体相互靠紧排列后形成新的正棱柱或长方体，对应的半导体制冷堆7的形状可为圆柱（如图5（c）所示）、长方体（如图5（d）所示）、棱台、椭圆柱（如图5（a）所示）、椭圆台、两头半圆矩形柱（如图5（b）所示）或两头半圆矩形台。

如图6所示，光纤盘绕柱8为圆柱（见图6（a））或两头半圆矩形柱（见图6（b）），沿光纤盘绕柱8的圆周方向刻有槽，槽的形状为矩形半圆槽、方形槽、矩形槽及V形槽，但不限于此，槽的大小以能将光纤没入其中。

如图7所示，真空罩9采用双层外壁，且该双层外壁之间为真空；真空罩9的外形根据半导体制冷堆7的形状确定，可为柱状（如图7所示）、柱状颈或台状颈，无论选择哪种形状，均需要保证真空罩9能够将半导体制冷堆7和光纤盘绕柱8封闭在内。真空罩9的材料采用金属、合金或玻璃。

如图8所示，水冷散热器10包括外壳以及与该外壳内部相连通的进水管14和出水管15，该外壳内部设置许多竖直方向的隔板26，隔板26使外壳内腔形成一条迂回前进的冷却水道16，进水管14连接冷却水道16的入口，出水管15连接该冷却水道16的出口，进水管14和出水管15用以将水引入外壳内的冷却水道16并排出；水冷散热器10同时也作为底盘，应有一定的配重。所述外壳的上下端面均为平面；上端面采用导热性能良好的金属材料，如铜、铝。水冷散热器10也可选择普通的水冷设备。

参照图1、图9、图11，本发明的装配过程如下：

1、将半导体制冷片11与热忱12相间堆叠成为制冷体，半导体制冷片11的摆放方式均为上表面吸热下表面放热（也即上表面制冷，下表面发热），半导体制冷片11与热忱12之间接触面涂抹导热硅脂，一个或多个制冷体作为制冷内芯。

2、将水冷散热器10的顶面或制冷内芯的底面涂覆导热助剂或者在二者之间增加柔性导热材料，如导热硅脂、散热胶、散热硅胶、铟箔等，将制冷内芯置于水冷散热器10上，使二者密切接触。

3、将制冷内芯的顶面或光纤盘绕柱8的底面涂覆一层导热助剂或在二者之间增加柔性导热材料，再将光纤盘绕柱8放置于制冷内芯的顶面上，使二者密切接触。

4、使用2个或多个“L”形金属拉条18、底盘固定螺丝19和盘绕柱固定螺丝17，将制冷内芯和光纤盘绕柱8固定在水冷散热器10上，使得三者成为一体结构。“L”形金属拉条的两端均有安装孔（如图10所示）。

5、使用保温隔热材料13将制冷内芯包覆形成半导体制冷堆7，半导体制冷堆7底面直径比真空罩9内径稍大，以保证可以将真空罩9盖紧。

6、将半导体激光器2、全反射光栅3、双包层掺钕光纤4、半反射光栅5和输出尾纤6依次首尾熔接，熔接时需保证同心，熔接点需涂覆低折射率胶。

7、将双包层掺钕光纤4盘绕在光纤盘绕柱8上，并将双包层掺钕光纤4置于刻槽中，全反射光栅3、半反射光栅5与双包层掺钕光纤4分别相熔接的尾纤均置于软管20中，并沿半导体制冷堆7外侧盘绕引到超低温半导体制冷器1之外，软管20用以保护其内部的尾纤。

8、加盖真空罩9，将真空罩9内抽真空并密封。装配完毕（如图11所示）

实施例1：

本实施例中的超低温半导体制冷器采用如图2所示的柱状结构，半导体制冷堆7、光纤盘绕柱8、真空罩9和水冷散热器10均为圆柱状。

半导体制冷堆7采用图3所示的圆柱状，半导体制冷片11采用TEC1-12712制冷片，最大电压15.4V，最大电流12A，外径尺寸62*62*4mm，热忱12采用62*62*6mm的紫铜块，本实例采用10层堆叠，即共用10片TEC1-12712制冷片，9块热忱，保温隔热材料13采用聚氨酯泡沫，半导体制冷片11与热忱12之间涂抹导热硅脂。

光纤盘绕柱8用铝材加工成图6（a）所示的圆柱状，底面直径8cm，高15cm，沿圆周方向铣0.3*0.3mm，间距1mm的方形螺旋槽70圈。

真空罩9采用双层壁式不锈钢桶，外径为16cm，内径为13cm，高度30cm，内高28cm，不锈钢板厚1.5mm，双壁间抽真空，所有棱边均作圆角处理。

水冷散热器10为底面直径为20cm、高1.2cm的圆柱，其内部结构如图8所示，为了节省成本，水冷散热器10除顶面采用5mm厚的紫铜板，其余面及隔板26均采用1.5mm厚的钢板，用橡胶垫将冷却水道16的出入口密封。

“L”形金属拉条采用120*10*1mm的钢板折成11cm+1cm的“L”形，并在两端钻安装孔。

本实施例工作过程：开启直流电源，半导体制冷堆7中的每个半导体制冷片5通电工作，半导体制冷堆7开始制冷，20分钟后腔内温度降到-160℃，开启半导体激光器2并逐步增大电流，等电流稳定后，获得激光光谱如图12所示，在泵浦功率10W时获得了3.1W的938nm激光输出，如图13所示，其稳定运转温度为-135℃，制冷器的制冷效果好，完全满足本实施例的工作温度条件。

Claims

1.一种全光纤结构的938nm半导体制冷光纤激光器，其特征在于，包括超低温半导体制冷器（1）、半导体激光器（2）、全反射光栅（3）、双包层掺钕光纤（4）、半反射光栅（5）和输出尾纤（6），其中，半导体激光器（2）作为光源，半导体激光器（2）、全反射光栅（3）、双包层掺钕光纤（4）、半反射光栅（5）和输出尾纤（6）依次首尾相连，上述各元件之间熔接，输出尾纤（6）为激光器输出端；双包层掺钕光纤（4）置于超低温半导体制冷器（1）中，且双包层掺钕光纤（4）的首尾端均置于超低温半导体制冷器（1）之外。

2.如权利要求1所述的全光纤结构的938nm半导体制冷光纤激光器，其特征在于，所述半导体激光器（2）选择带100μm尾纤输出中心波长为808nm功率为15W的半导体激光器；所述全反射光栅（3）选择反射率大于99%，反射中心波长为938nm全反射光纤光栅；所述双包层掺钕光纤（4）选择长度为15m，芯径为6/125μm的双包层掺钕光纤；所述半反射光栅（5）采用反射中心波长为938nm反射率为10%的光纤光栅。

3.如权利要求1所述的全光纤结构的938nm半导体制冷光纤激光器，其特征在于，所述超低温半导体制冷器（1）包括半导体制冷堆（7）、光纤盘绕柱（8）、真空罩（9）和水冷散热器（10），其中，光纤盘绕柱（8）置于半导体制冷堆（7）上表面，半导体制冷堆（7）置于水冷散热器（10）的上表面，半导体制冷堆（7）的上表面为吸热端，下表面为放热端；真空罩（9）为下端开口的空心柱体，真空罩（9）扣在水冷散热器（10）上方且将光纤盘绕柱（8）和半导体制冷堆（7）置于内部，真空罩（9）内部形成的腔体为真空腔。

4.如权利要求3所述的全光纤结构的938nm半导体制冷光纤激光器，其特征在于，所述半导体制冷堆（7）包括制冷内芯以及包覆在制冷内芯侧面的保温隔热材料（13），制冷内芯由一个或相同的制冷体组成，所述的制冷体由多个半导体制冷片（11）和多个热忱（12）交替堆叠而成，且制冷体的上、下表面均为半导体制冷片（11），在半导体制冷片（11）与热忱（12）之间均涂覆有导热助剂或导热材料。每个半导体制冷片（11）均与直流电源相连接；半导体制冷片（11）的上表面吸热下表面放热。

5.如权利要求4所述的全光纤结构的938nm半导体制冷光纤激光器，其特征在于，所述半导体制冷片（11）选择TEC1-12712半导体制冷片。

6.如权利要求4所述的全光纤结构的938nm半导体制冷光纤激光器，其特征在于，所述热忱（12）采用具有良好热传导特性的金属片。

7.如权利要求3所述的全光纤结构的938nm半导体制冷光纤激光器，其特征在于，所述光纤盘绕柱（8）为圆柱或两头半圆矩形柱，沿光纤盘绕柱（8）的圆周方向刻有槽，槽的形状为矩形半圆槽、方形槽、矩形槽及V形槽，槽的大小以能将光纤没入其中。

8.如权利要求3所述的全光纤结构的938nm半导体制冷光纤激光器，其特征在于，所述真空罩（9）采用双层外壁，且该双层外壁之间为真空。

9.如权利要求3所述的光纤激光器用超低温半导体制冷装置，其特征在于，所述真空罩（9）为柱状。

10.如权利要求3所述的全光纤结构的938nm半导体制冷光纤激光器，其特征在于，所述水冷散热器（10）包括外壳以及与该外壳内部相连通的进水管（14）和出水管（15），该外壳内部设置许多竖直方向的隔板（26），隔板（26）使外壳内腔形成一条迂回前进的冷却水道（16），进水管（14）连接冷却水道（16）的入口，出水管（15）连接该冷却水道（16）的出口。