CN102931573A

CN102931573A - 参数失配型光纤激光器

Info

Publication number: CN102931573A
Application number: CN2012104455045A
Authority: CN
Inventors: 周朴; 肖虎; 姜曼; 王小林; 马阎星; 粟荣涛; 司磊; 许晓军; 陈金宝; 刘泽金
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明涉及一种参数失配型光纤激光器。该激光器采用刻写在严格单模无源光纤上的光纤光栅作为激光器的谐振腔镜，采用大模场面积掺杂光纤作为激光器的增益介质，采用半导体激光器作为激光器的泵浦源，光纤光栅、掺杂光纤和泵浦源之间采熔接的方式加以连接，搭建成光纤激光器。大模场掺杂光纤的采用可降低激光器腔内的功率密度、缩短光纤长度，刻写在严格单模无源光纤上的光纤光栅可保证输出激光只含有单模成分，因此可以从物理机制上保证激光器高功率输出的同时保持高光束质量。

Description

参数失配型光纤激光器

技术领域

本发明属于光纤激光器技术领域，特指一种利用参数不匹配的器件搭建的光纤激光器。

背景技术

光纤激光器具有转换效率高、热管理方便、结构紧凑等优点，近年来，随着大模场双包层掺杂光纤制造工艺和高亮度激光二极管泵浦技术的发展，单根光纤激光器的输出功率以惊人的速度迅速提高。由于受激拉曼散射等非线性效应因素的制约，光纤激光器的输出功率不可能无限提升。非线性效应的阈值与激光器腔内的功率密度和光纤长度有密切关系。为解决这个问题，一个可行的方案是采用大模场面积掺杂光纤和与之匹配的无源器件，提高对泵浦光的吸收效率，降低激光器腔内的功率密度、缩短光纤长度，从而提升非线性效应的产生阈值，有望进一步提高输出功率。但是大模场面积掺杂光纤的V值较大（一般大于4），很难保证激光器严格单模输出（单模输出要求光纤的V值小于2.4）。因此，大模场面积掺杂光纤的采用虽然能有效提升激光器的输出功率，但输出激光中往往含有高阶模成分，降低了光束质量。光纤激光器高功率输出时保持高光束质量是人们真正追求的目标，大模场面积掺杂光纤并没有从根本上解决问题。

发明内容

为了获得高功率、高光束质量的光纤激光输出，克服现有技术的不足，从物理机制上保证激光器高功率输出的同时保持高光束质量，本发明提出一种新型的光纤激光器——参数失配型光纤激光器。

该激光器的技术方案是：采用刻写在严格单模无源光纤上的光纤光栅作为激光器的谐振腔镜，采用大模场面积掺杂光纤作为激光器的增益介质，采用半导体激光器作为激光器的泵浦源，光纤光栅、掺杂光纤和泵浦源之间采用熔接的方式加以连接，搭建成光纤激光器。

本发明的优点是：大模场掺杂光纤的采用可降低激光器腔内的功率密度、缩短光纤长度，刻写在严格单模无源光纤上的光纤光栅可保证输出激光只含有单模成分，因此可以从物理机制上保证激光器高功率输出的同时保持高光束质量。

附图说明

图 1为本发明参数失配型光纤激光器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。图1所示为本发明参数失配型光纤激光器的结构示意图。

该激光器包括N台半导体激光器作为泵浦源，分别命名为11、12、…1N、中心波长与半导体激光器中心波长匹配的N×1泵浦合束器2、光纤光栅Ⅰ31、光纤光栅Ⅱ32和大模场面积掺杂光纤4，其中，泵浦合束器2将N台半导体激光器输出的激光合进一根光纤；光纤光栅Ⅰ和光纤光栅Ⅱ的中心波长一致，刻写在严格单模无源光纤上，光纤光栅Ⅰ对激光高反，反射率大于90%，光纤光栅Ⅱ对激光低反，反射率在5%到50%之间；泵浦源与泵浦合束器之间，泵浦合束器与光纤光栅Ⅰ之间，光纤光栅Ⅰ与大模场面积掺杂光纤之间，大模场面积掺杂光纤与光纤光栅Ⅱ之间均采用熔接的方式加以连接，该激光器可以产生高功率、高光束质量的光纤激光。

需要说明的是，由于刻写光纤光栅的严格单模无源光纤和大模场面积掺杂光纤的参数不匹配，因此在进行熔接时，不可避免地要存在熔接损耗。熔接损耗α的大小可以根据下式确定

式中

和

分别是刻写光纤光栅的严格单模无源光纤和大模场面积掺杂光纤支持的基模模场分布。熔接损耗是光纤激光腔内损耗的重要成因，因此，为保证激光器的性能，需要根据上式的计算结果，选择合适的光纤参数。

所述的大模场面积掺杂光纤4为在光纤基质材料中掺杂不同的稀土离子获得的有源光纤，可以是掺铒（Er）光纤、掺镱（Yb）光纤或掺铥（Tm）光纤。

所述的泵浦源是输出激光中心波长与掺杂光纤吸收波长匹配的半导体激光器，对应掺铒（Er）光纤的中心波长为980nm或1480nm、掺镱（Yb）光纤的中心波长为915nm或975nm、掺铥（Tm）光纤的中心波长为793nm或1560nm。

下面给出本发明三个具体实施例的物理参数：

实例1：掺镱光纤激光器。如图1所示，所述的半导体激光器11、12、…1N的中心波长为975nm，输出激光通过N×1泵浦合束器2合进一根光纤。根据掺镱光纤的发射谱特性，光纤光栅Ⅰ31、光纤光栅Ⅱ32的中心波长λ一致，λ可以在1010nm - 1200nm之间的任何范围。其中光纤光栅Ⅰ31对激光高反，反射率大于90%；光纤光栅Ⅱ32对激光低反，反射率在5%到50%之间。光纤光栅Ⅰ31、光纤光栅Ⅱ32刻写在严格单模无源光纤上，无源光纤为双包层光纤，纤芯和内包层的直径分别为6um和125um，纤芯和内包层的数值孔径分别为0.07和0.46；大模场面积掺镱光纤为双包层光纤，纤芯和内包层的直径分别为15um和125um，纤芯和内包层的数值孔径分别为0.07和0.46。

实例2：掺铒光纤激光器。如图1所示，所述的半导体激光器11、12、…1N的中心波长为980 nm，输出激光通过N×1泵浦合束器2合进一根光纤。根据掺铒光纤的发射谱特性，光纤光栅Ⅰ31、光纤光栅Ⅱ32的中心波长λ一致，λ可以在1500nm - 1600nm之间的任何范围。其中光纤光栅Ⅰ31对激光高反，反射率大于90%；光纤光栅Ⅱ32对激光低反，反射率在5%到50%之间。光纤光栅Ⅰ31、光纤光栅Ⅱ32刻写在严格单模无源光纤上，无源光纤为双包层光纤，纤芯和内包层的直径分别为9um和125um，纤芯和内包层的数值孔径分别为0.12和0.46；大模场面积掺铒光纤为双包层光纤，纤芯和内包层的直径分别为15um和125um，纤芯和内包层的数值孔径分别为0.15和0.46。

实例3：掺铥光纤激光器。如图1所示，所述的半导体激光器11、12、…1N的中心波长为793 nm，输出激光通过N×1泵浦合束器2合进一根光纤。根据掺铥光纤的发射谱特性，光纤光栅Ⅰ31、光纤光栅Ⅱ32的中心波长λ一致，λ可以在1750nm - 2050nm之间的任何范围。其中光纤光栅Ⅰ31对激光高反，反射率大于90%；光纤光栅Ⅱ32对激光低反，反射率在5%到50%之间。光纤光栅Ⅰ31、光纤光栅Ⅱ32刻写在严格单模无源光纤上，无源光纤为双包层光纤，纤芯和内包层的直径分别为10um和125um，纤芯和内包层的数值孔径分别为0.15和0.46；大模场面积掺铥光纤为双包层光纤，纤芯和内包层的直径分别为20um和125um，纤芯和内包层的数值孔径分别为0.20和0.46。

综上所述，本发明提出一种新型的光纤激光器——参数失配型光纤激光器。采用刻写在严格单模无源光纤上的光纤光栅作为激光器的谐振腔镜，采用大模场面积掺杂光纤作为激光器的增益介质。大模场掺杂光纤的采用可降低激光器腔内的功率密度、缩短光纤长度，刻写在严格单模无源光纤上的光纤光栅可保证输出激光只含有单模成分。与以往技术相比，本发明具有系统结构简单等优点，并且从物理机制上保证激光器高功率输出的同时保持高光束质量。

Claims

1.参数失配型光纤激光器，其特征在于，采用刻写在严格单模无源光纤上的光纤光栅作为激光器的谐振腔镜，采用大模场面积掺杂光纤作为激光器的增益介质，采用半导体激光器作为激光器的泵浦源，光纤光栅、掺杂光纤和泵浦源之间采熔接的方式加以连接，搭建成光纤激光器，具体为：该激光器包括N台半导体激光器作为泵浦源、中心波长与半导体激光器中心波长匹配的N×1泵浦合束器（2）、光纤光栅Ⅰ（31）、光纤光栅Ⅱ（32）和大模场面掺杂光纤（4），其中，泵浦合束器（2）将N台半导体激光器输出的激光合进一根光纤；光纤光栅Ⅰ和光纤光栅Ⅱ的中心波长一致，刻写在严格单模无源光纤上，光纤光栅Ⅰ对激光高反，反射率大于90%，光纤光栅Ⅱ对激光低反，反射率在5%到50%之间；泵浦源与泵浦合束器之间，泵浦合束器与光纤光栅Ⅰ之间，光纤光栅Ⅰ与大模场面掺杂光纤之间，大模场面掺杂光纤与光纤光栅Ⅱ之间均采用熔接的方式加以连接，该激光器可产生高功率、高光束质量的光纤激光。

2.根据权利要求1的参数失配型光纤激光器，其特征在于，所述的大模场面积掺杂光纤为在光纤基质材料中掺杂不同的稀土离子获得的有源光纤，可以是掺铒光纤、掺镱光纤或掺铥光纤。

3.根据权利要求1的参数失配型光纤激光器，其特征在于，所述的泵浦源是输出激光中心波长与掺杂光纤吸收波长匹配的半导体激光器，对应掺铒光纤的中心波长为980nm或1480nm，掺镱光纤的中心波长为915nm或975nm，掺铥光纤的中心波长为793nm或1560nm。