CN102931575A - 波长稳定的高功率半导体泵浦源及泵浦方法 - Google Patents

Abstract

一种波长稳定的高功率半导体泵浦源，该泵浦源包括泵浦块、电源、控制器、电脑和N×1光纤合束器，所述的泵浦块由N个泵浦单元组成，每个泵浦单元由一个驱动器、一个开关和一个激光二极管组成。该半导体泵浦源根据需要的功率值，通过控制工作激光二极管的数目的增加或减少，实现半导体泵浦源输出功率的增加或减少。所有参与工作的激光二极管都处于满功率输出，以保证输出波长始终稳定在中心波长。本发明具有波长稳定、泵浦效率高、结构简单和成本低的特点。

Description

波长稳定的高功率半导体泵浦源及泵浦方法

技术领域

本发明涉及光纤激光系统，特别是一种用于高功率光纤激光系统的波长稳定的高功率半导体泵浦源及泵浦方法。

背景技术

光纤激光器是目前激光技术领域最为活跃的研究方向之一。由于其具有结构紧凑、稳定性好、转换效率高、光束质量好等一系列优点，在激光先进制造、激光医疗、国防军事等领域有着重要应用。

对于掺稀土离子的光纤激光器，通过选择发射波长和光纤吸收特性相匹配的半导体激光器为抽运源，可以实现比较高的激光转化效率。由于Yb³⁺离子的能级结构非常简单，不存在上转换、激发态吸收和浓度淬灭效应，故而可以获得很高的量子效率和能量转换效率，而Yb³⁺离子上能级的荧光寿命比较长，能够有效的储存能量以实现高功率的运作。对于掺镱的双包层光纤，一般选择915 nm或976 nm的高功率半导体激光器。Yb³⁺离子在915 nm附近的吸收带宽较宽，所以对泵浦源的波长稳定性和温控要求相对较弱。而976 nm波长泵浦时Yb³⁺离子具有较高的吸收系数进而输出功率和效率都优于915 nm波长泵浦，所以一般采用976 nm的高功率半导体激光器泵浦掺Yb³⁺的双包层光纤。

对于掺稀土离子的光纤激光器，作为泵浦源的大功率半导体激光器的光谱性质对激光器的性能影响比较大。对于半导体激光器而言，当驱动电流增大，输出功率增加时，PN结的温度就会升高，从而使得激光器的输出中心波长向长波方向红移。随着半导体激光器工作电流和功率的不断提高，导致在从阈值电流上升到满功率电流的过程中产生了更大的波长漂移。为了确保在整个工作范围内实现稳定、有效的泵浦，需要控制泵浦半导体激光器的光谱，使其光谱带宽始终与激活激光介质的吸收带宽相匹配。镱离子对976 nm波长附近的吸收谱宽较窄，只有几个nm（参见“Ytterbium-Doped Fiber Amplifiers”， QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 33, NO. 7,1997,1049~1056），为保证LD的发射波长在工作条件变化过程中始终是976nm，可以对LD进行自动恒温控制，但一般来说，温度调制速度较慢，而且这样的激光系统结构较为复杂。

锁定LD的发射波长可以有效降低激光器系统的热负载和重量负载，是推动光纤激光器结构简化、体积和重量大幅度降低、可靠性明显提高的关键技术。为了锁定LD的发射波长，研究人员探讨了一些不同的方法。包括激光器内部解决方案和外部解决方案。内部解决方案将波长稳定结构集成到半导体激光器芯片内部的方法，分布式反馈半导体激光器（DFB）是采用内部波长稳定解决方案的一个典型例子。一般来说这种DFB半导体激光器的制造过程更为复杂，导致成本增加。这种激光器的另一个缺点是效率低。外部解决方案，VBG（体布拉格光栅）被广泛用于大功率LD波长锁定系统，并取得了很好的效果。既可锁定在VBG的布拉格波长处，又可把光谱线宽压窄。但是外部波长稳定方案的缺点是需要敏感和高度对准的VBG，而且若激光器发射波长与VBG的布拉格波长相差较大时，往往达不到稳定波长的目的。当然，与没有采用波长稳定方案的半导体激光器相比，采用波长稳定方案的激光器因为插入了外部元件，将会导致输出功率有所下降，对激光器本身的散热处理也增加了难度，波长稳定的优化始终需要在锁定范围和功率损耗间进行权衡。目前市面上无论是单芯结式还是bar式高功率半导体激光器工作时均是系统内部所有LD同时工作，低功率到满功率的过程中，随着功率的提高波长进行向长波方向进行漂移。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种波长稳定的高功率半导体泵浦源及泵浦方法。，该半导体泵浦源具有波长稳定、泵浦效率高、结构简单、成本低的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种波长稳定的高功率半导体泵浦源，其特点是该泵浦源包括由泵浦块、电源、控制器、电脑和N×1光纤合束器组成，其中N≥2，所述的泵浦块由N个泵浦单元组成，每个泵浦单元由一个驱动器、一个开关和一个激光二极管组成，激光二极管的两极与所述的驱动器的正负极相连，该驱动器的输入端经所述的开关的接所述的电源，所述的开关的控制端接所述的控制器的输出端，该控制器的输入端接电脑，所述的激光二极管的激光输出端通过光纤与所述的N×1光纤合束器的一个输入端相连，该N×1光纤合束器的输出端为泵浦源的输出端。

利用上述波长稳定的高功率半导体泵浦源对高功率光纤激光系统进行泵浦的方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

①将所需的泵浦光功率值输入所述的电脑，该电脑计算应参与工作的激光二极管数量Q（Q≤N）：

Q＝所需的泵浦光功率值/单个激光二极管激光功率值；

②通过电脑控制控制器连通Q个开关，相应的Q个驱动器对各自的激光二极管按满功率的额定电流驱动激光二极管工作，然后Q个激光二极管输出的激光经所述的N×1光纤合束器的输出尾纤输出，对光纤激光系统进行空间泵浦或全光纤泵浦。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明处于工作状态的激光二极管皆处于满功率状态，输出波长均在激光二极管的中心波长，未工作的激光二极管处于短路保护状态。可以使高功率半导体泵浦源更好地稳定中心波长，可以使高功率光纤激光系统一直高效率运转。

2、本发明不需要改变半导体泵浦源芯片结构，也不需要插入外部器件，使泵浦源光学结构大大被简化，泵浦源电光转化效率可以得到进一步提高。

附图说明

图1为波长稳定的高功率泵浦源示意图。

具体实施方式

以下结合附图与实施对本发明作进一步的说明。

先请参阅图1，图1为本发明波长稳定的高功率泵浦源示意图。

泵浦源包括泵浦块1、电源2、控制器3、电脑4和N×1光纤合束器5，其中N≥2。所述的泵浦块1由N个泵浦单元1i组成，其中i=1,2，…，N，每个泵浦单元1i由一个驱动器1i1、一个开关1i2和一个激光二极管1i3组成，激光二极管1i3的两极与所述的驱动器1i1的正负极相连，该驱动器1i1的输入端经所述的开关1i2的接所述的电源2，所述的开关1i2的控制端接所述的控制器3的输出端，该控制器3的输入端接电脑4，所述的激光二极管1i3的激光输出端通过光纤与所述的N×1光纤合束器5的一个输入端相连，该N×1光纤合束器5的输出端为泵浦源的输出端。激光二极管1i3的正负极均在图中标出。将所需的泵浦光功率值输入所述的电脑4，该电脑4计算应参与工作的激光二极管1i3数量Q（Q≤N）：

Q＝所需的泵浦光功率值/单个激光二极管激光功率值。

所述的电脑4控制控制器3连通Q个开关1i2，相应的Q个驱动器1i1对激光二极管1i3按满功率的额定电流驱动激光二极管1i3工作，处于工作状态的激光二极管1i3皆处于满功率状态，输出波长均在976nm中心波长，未工作的激光二极管1i3处于短路保护状态。然后Q个激光二极管1i3输出的激光经所述的N×1光纤合束器5的输出尾纤输出，对掺Yb³⁺光纤激光系统进行空间泵浦或全光纤泵浦。通过控制工作激光二极管1i3数目的增加或减少，可以实现半导体泵浦源输出功率的增加或减少。此高功率半导体泵浦源的输出波长可始终在976nm中心波长不漂移，实现波长稳定的运转，能够使掺Yb³⁺光纤激光系统始终处于高功率高效率运作状态，大大提高了能量的利用率。

Claims (2)

1.一种波长稳定的高功率半导体泵浦源，其特征是该泵浦源包括泵浦块、电源、控制器、电脑和N×1光纤合束器，其中N≥2，所述的泵浦块由N个泵浦单元组成，每个泵浦单元由一个驱动器、一个开关和一个激光二极管组成，所述的激光二极管的两极与所述的驱动器的正负极相连，该驱动器的输入端经所述的开关接所述的电源，所述的开关的控制端接所述的控制器的输出端，该控制器的输入端接电脑，所述的激光二极管的激光输出端通过光纤与所述的N×1光纤合束器的一个输入端相连，该N×1光纤合束器的输出端为泵浦源的输出端。

2.利用权利要求1所述的波长稳定的高功率半导体泵浦源对高功率光纤激光系统进行泵浦的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①将所需的泵浦光功率值输入所述的电脑，该电脑计算应参与工作的激光二极管的数量Q，其中Q≤N：

Q＝所需的泵浦光功率值/单个激光二极管的激光功率值；

②所述的电脑控制所述的控制器连通Q个开关，相应的Q个驱动器对激光二极管按满功率的额定电流驱动相应的激光二极管工作，然后Q个激光二极管输出的激光经所述的N×1光纤合束器的输出尾纤输出，对光纤激光系统进行空间泵浦或全光纤泵浦。

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