CN102969647A - 一种递进式光纤激光器 - Google Patents

Abstract

一种递进式光纤激光器，包括泵浦源、泵浦源所发射的泵浦光波长为λ_P，激光器的输出激光波长为λ_L，在泵浦源之后设置n种有源光纤，全程在泵浦光波长λ_P和输出激光波长λ_L之间存在n个转换波长λ_c，其中λ_P＜λ_c＜λ_L，对于任一第c级光纤激光器由λ_c-1泵浦，输出波长为λ_c的激光，λ_c的激光进入其下一级光纤激光器作为泵浦光，激发出输出波长为λ_c+1的激光，令λ₀＝λ_P，λ_n+1＝λ_L，最终通过递进式泵浦输出需要的波长的稳定激光。这样的结构使得每一级光纤激光器的量子损耗减小，减少了热的产生，而且由于第二级以后各级激光器都是由光纤激光泵浦，泵浦光的强度很高，增加了泵浦效率，减少了泵浦残余，也会减轻光纤的热负担。该方式可增加特殊波长的输出效率，扩展光纤激光器的应用。

Description

一种递进式光纤激光器

技术领域

本发明属于新型结构光纤激光器和特种光纤领域技术领域，特别是涉及一种递进式光纤激光器。

背景技术

近年来，光纤激光器得到了飞速发展，尤其是双包层光纤发明以来，光纤激光器输出功率从毫瓦级攀升至万瓦级。但是随着功率增长，热效应成为制约光纤激光器光束质量、稳定性及功率的重要因素之一。

现有常规的光纤激光器由泵浦源、单一谐振腔、有源掺稀土光纤构成，主谐振参量放大式光纤激光器由常规光纤激光器外加一级或多级放大器构成，其中谐振腔由成对光纤光栅或双色片及光纤端面构成，泵浦源多采用半导体激光器(LD)。而作为泵源的LD存在光束质量差、亮度低等问题，这使得在激光器系统中泵浦光的利用率不高，且由于泵浦波长多位于稀土有源离子的主吸收峰或次吸收峰，与激光输出波长相距较远，量子亏损较大，基于以上原因高功率运行时，激光器的热耗散问题突出，严重影响激光器的性能。

此外，特殊激光输出波长的光纤激光器应用需求不断增长，1083nm激光可以泵浦氦气，以产生超极化氦气作为磁共振成像MRI中核磁共振信号源，可以对肺部进行清晰成像；1053nm激光在光传感、激光惯性约束核聚变、航空航天等领域有着广泛应用。1070nm激光可以泵浦拉曼光纤激光器产生1120nm的激光，再由1120nm泵浦拉曼光纤激光器，产生1178nm的激光，再经过倍频，产生589nm用于激光导星。通过改变光栅或双色片的高反波长，可以实现所需波长激光输出。然而光纤激光器的电光转换效率不高，仅凭提高泵浦功率很难获得在这些特殊波长上高功率激光输出，同时将会在光纤中残留更多的热耗散，影响其稳定性及光束质量。

当前为解决光纤激光器的热耗散问题，多采用机械制冷的方式，包括风冷和水冷等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种递进式波长光纤激光器，解决光纤激光器中的热问题，实现特殊波长的激光输出，提高激光输出效率，抑制高阶模，提高光束质量。

本发明提供的一种递进式光纤激光器，包括泵浦源、泵浦源所发射的泵浦光波长为λ_P，激光器的输出激光波长为λ_L，其特征在于：在泵浦源之后设置n种有源光纤，全程在泵浦光波长λ_P和输出激光波长λ_L之间存在n个转换波长λ_c，其中λ_P＜λ_c＜λ_L，c为1～n，n≥2，对于任一第c级光纤激光器由λ_c-1泵浦，输出波长为λ_c的激光，λ_c的激光进入其下一级光纤激光器作为泵浦光，激发出输出波长为λ_c+1的激光，其中，令λ₀＝λ_P，λ_n+1＝λ_L，最终通过递进式泵浦输出需要的波长的稳定激光。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种新型递进式结构的光纤激光器，它包括半导体泵浦源、多级谐振腔以及多段有源光纤。各个谐振腔中的光纤各不相同，在长度、掺杂离子或浓度等方面存在差异；通过设计新型光纤激光器结构，减小激光器的量子缺陷，优化激光器光电转换效率从根本上降低热负载，提升光束质量，从而实现更高功率输出。具体而言，本发明的有益效果为：

1.本发明的效果在于泵浦波长与激光波长相近，使得量子亏损减小，从而减少了光纤的热负担，可以极大提高光纤的输出功率。

2.本发明所述的递进式泵浦方式，在第二级以后的光纤激光器都是利用前一级的光纤激光输出作为泵浦，泵浦光光束质量好、耦合效率高，使得泵浦光利用率高，从而减少残余热量，并可以缩短有源光纤长度，降低非线性效应。

3.本发明所述的递进式光纤激光器，可以通过在现有泵浦源的情况下，通过对有源光纤的不同输出波长和泵浦波长的综合运用，采用递进式泵浦方式实现特殊波长光纤激光器的激光输出。

4.本发明所述的递进式泵浦方式，利用与激光波长相近的波长泵浦，可以抑制光纤纤芯边缘增益，提高输出激光的基模比例，提高光束质量。

附图说明

图1为在不同波长泵浦1070nm的情况下，纤芯区域沿径向增益的分布图，图中，区域4表示纤芯区域，区域5代表包层区域。横轴表示光纤径向，纵轴代表增益强度。曲线1表示975nm泵浦时纤芯内的增益分布，曲线2表示1018nm泵浦时纤芯内的增益分布，曲线3表示1045nm泵浦时纤芯内的增益分布。

图2为1053nm递进式掺镱光纤激光器的结构示意图；

图3为1053nm递进式掺镱光纤激光器的掺镱双包层光纤11预制棒的荧光光谱图；

图4为1053nm递进式掺镱光纤激光器的掺镱双包层光纤12预制棒的荧光光谱图；

图5为1550nm递进式光纤激光器的结构示意图；

图6为1070nm递进式锁模脉冲光纤激光器的结构示意图；

图7为1070nm递进式三级高功率光纤激光器的结构示意图。

具体实施方式

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种递进式特殊波长光纤激光器，包括泵浦源、光纤光栅或双色片、两种或多种有源光纤，其特征在于：在泵浦光波长λ_P和输出激光波长λ_L之间存在一个或多个转换波长λ_c，其中λ_P＜λ_c＜λ_L，c为1～n，n≥2，对于任一第c级光纤激光器由λ_c-1泵浦，输出波长为λ_c的激光，λ_c的激光进入其下一级光纤激光器作为泵浦光，激发出输出波长为λ_c+1的激光，其中，令λ₀＝λ_P，λ_n+1＝λ_L，最终通过递进式泵浦输出需要的波长的稳定激光。

这样的结构使得每一级光纤激光器的量子亏损减小，减少了热的产生。而且由于第二级以后各级激光器都是由光纤激光泵浦，泵浦光的强度很高，增加了泵浦效率，减少了泵浦残余，也会减轻光纤的热负担。这种方式会增加特殊波长的输出效率，扩展了光纤激光器的应用。同时，利用较长波长进行泵浦，可以有效抑制光纤纤芯边缘处增益，从而抑制高阶模的产生，提高光束质量。

所述的递进式激光器结构中，在有源光纤两端熔接相应波长的光纤光栅，或者在有源光纤端面处放置相应波长的双色片，形成激光谐振腔，提高激光输出。

所述的相应波长的光纤光栅或双色片是指：λ_P高透λ₁高反的光纤光栅或双色片作为整个递进式激光器的输入端，λ_n高透λ_L部分反射的光纤光栅或双色片作为整个递进式激光器的输出端。对于位于输入端与输出端之间的任一输出激光波长为λ_c的有源光纤，该有源光纤的前一个光栅或双色片为λ_c-1高透λ_c高反，该有源光纤的后一个光栅或双色片为λ_c-1高透λ_c部分反射；

所述高透是指对于某一波长透射率大于或等于98％，所述高反是指对于某一波长反射率大于或等于98％，所述部分发射是指对于某一波长发射率小于98％。

所述的泵浦源，为波长为λ_P的LD光源，其对第一级别的有源光纤泵浦方式为端面泵浦或侧面泵浦，也可以采用合束器多个泵浦源同时合束泵浦有源光纤，提高泵浦功率。

所述的有源光纤，是掺杂有原子序数为57～71的稀土离子光纤，有源光纤的结构可以为单包层有源光纤、双包层有源光纤，或有源光子晶体光纤。如有源光纤可以为掺镱双包层光纤、掺铒双包层光纤。

所述的递进式激光器结构中，各级之间采用光纤熔接方式连接或空间耦合方式组成。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实例一：

本发明较佳实例一，如图1所示，一种1053nm级联式光纤激光器，采用全光纤结构，包括一个975nmLD泵浦源17、有益于1018nm激光输出的掺镱双包层光纤11、有益于1053nm激光输出的掺镱双包层光纤12、975nm高透1018nm高反光纤光栅13、975nm高透1018部分反射光纤光栅14、1018nm高透1053nm高反光纤光栅15、1018nm高透1053nm部分反射光纤光栅16。光纤光栅16为整个光纤激光器的输出端。

掺镱双包层光纤11和掺镱双包层光纤12芯径均为20μm，内包层直径均为400μm。

通过对光纤制备参数的改进和掺杂组分的调整，得到有利于1018nm激光输出的掺镱双包层光纤11和有利于1053nm激光输出的掺镱双包层光纤12。

掺镱双包层光纤11的荧光谱如图2所示，掺镱双包层光纤12的荧光谱如图3所示。

由LD泵浦源17发出的975nm的LD泵浦光透过光纤光栅13，泵浦掺镱双包层光纤11，在光纤光栅13和14构成的谐振腔的作用下，得到1018nm的激光输出，1018nm的激光输出透过光纤光栅15，对掺镱双包层光纤12进行泵浦，在光纤光栅15和16构成的谐振腔的作用下，得到1053nm的激光输出。

当975nm的LD功率为20W时，1053nm的激光输出功率为15W。

实例二：

本发明较佳实例二，如图5所示，一种1550nm级联式光纤激光器，采用空间耦合的结构，包括915nmLD泵浦源27、掺镱双包层光纤21、掺铒双包层光纤22、915nm高透980nm高反的双色片23、915nm高透980nm部分反射的双色片24、980nm高透1550nm的双色片25、980nm高透1550nm部分发射的双色片26。

掺镱双包层光纤21和掺铒双包层光纤22芯径均为20μm，内包层直径均为400μm。

双色片23和双色片24与之间的掺镱双包层光纤21构成第一个谐振腔。双色片25和双色片26与之间的掺铒双包层光纤22构成第二个谐振腔。双色片26为整个光纤激光器的输出端。

915nm的LD泵浦光透过双色片23，泵浦掺镱双包层光纤21，在第一个谐振腔的作用下，得到980nm的激光输出，980nm的激光输出透过双色片25，对掺铒双包层光纤22进行泵浦，在第二个谐振腔的作用下，得到1550nm的激光输出。

实例三：

本发明实例三，如图6所示，一种1070nm级联式锁模脉冲光纤激光器，采用全光纤结构，为一线形腔光纤激光器级联一个环形腔光纤激光器，包括一个975nmLD泵浦源37、掺镱双包层光纤31、另外一种掺镱双包层光纤32、975nm高透1018nm高反光纤光栅33、975nm高透1018部分反射光纤光栅34、偏振相关隔离器35、两个偏振控制器36、泵浦耦合器1018nm/1070nm波分复用器(WDM)38、1070nm50∶50耦合器39。耦合器39作为整个系统的输出端。

掺镱双包层光纤31和掺镱双包层光纤32芯径均为20μm，内包层直径均为400μm。

通过对光纤制备时各种参数的改进和掺杂组分的调整，得到有利于1018nm激光输出的掺镱双包层光纤31和有利于1070nm激光输出的掺镱双包层光纤32。

975nm的LD泵浦光透过光纤光栅33，泵浦掺镱双包层光纤31，在光纤光栅33和34构成的谐振腔的作用下，得到1018nm的激光输出，1018nm的激光输出通过泵浦耦合器38耦合进掺镱双包层光纤32，对其进行泵浦，在环形谐振腔作用下，得到1070nm的激光，当光透过偏振相关隔离器35后变为线偏振光，线偏振光通过第一个偏振控制器后变为椭圆偏振光。在光纤中传输的椭圆偏振光被认为是两个垂直的偏振分量的合成，即两个相互垂直的线偏振光在光线中传输。这两束光在腔体中传播过程中，会因为在光纤中产生的自相位调制和交叉相位调制的作用产生不同的非线性相移。由于产生的非线性相移与光脉冲的电场强度相关，因此，当脉冲在腔体光纤中传输时，光脉冲的不同部位会因强度的不同而积累不同的非线性相移量，最后合成的偏振态也会因为不同的非线性相移而产生不同程度的偏振旋转，当它再通过偏振相关隔离器35时，就会因脉冲不同部位的偏振态不同，而实现偏振相关的自振幅调制效应，相当于一个可饱和吸收体，使脉冲窄化，从而实现锁模。

实例四：

本发明实例四，如图7所示，包括五个975nm LD泵浦激光器41、泵浦光合束器40、有益于1018nm激光输出的掺镱双包层光纤31、有益于1045nm激光输出的掺镱双包层光纤32、有益于1070nm激光输出的掺镱双包层光纤33、975nm高透1018nm高反光纤光栅34、975nm高透1018nm部分反射光纤光栅35、1018nm高透1045nm高反光纤光栅36、1018nm高透1045nm部分反射光纤光栅37、1045nm高透1070nm高反光纤光栅38、1045nm高透1070nm部分反射光纤光栅39。

所述实例中的掺镱双包层光纤均为纤芯直径20μm，内包层直径400μm。

光纤光栅34和光纤光栅35构成第一级光纤激光器的谐振腔，光纤光栅36和光纤光栅37构成第二级光纤激光器的谐振腔，光纤光栅38和光纤光栅39构成第三级光纤激光器的谐振腔。光纤光栅39为整个光纤激光器的输出端。

975nm泵浦光透过光纤光栅34，泵浦掺镱双包层光纤31，在第一级谐振腔的作用下，输出1018nm激光；1018nm激光透过光纤光栅36，泵浦掺镱双包层光纤32，在第二级谐振腔的作用下，输出1045nm激光；1045nm激光透过光纤光栅38，泵浦掺镱双包层光纤33，在第三级谐振腔的作用下，从光纤光栅39输出高功率1070nm激光。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种递进式光纤激光器，包括泵浦源、泵浦源所发射的泵浦光波长为λ_P，激光器的输出激光波长为λ_L，其特征在于：在泵浦源之后设置n种有源光纤，全程在泵浦光波长λ_P和输出激光波长λ_L之间存在n个转换波长λ_c，其中λ_P＜λ_c＜λ_L，c为1～n，n≥2，对于任一第c级光纤激光器由λ_c-1泵浦，输出波长为λ_c的激光，λ_c的激光进入其下一级光纤激光器作为泵浦光，激发出输出波长为λ_c+1的激光，其中，令λ₀＝λ_P，λ_n+1＝λ_L，最终通过递进式泵浦输出需要的波长的稳定激光。

2.根据权利要求1所述的递进式光纤激光器，其特征在于，所述的递进式激光器结构中，在所述有源光纤两端熔接相应波长的光纤光栅，或者在有源光纤端面处放置相应波长的双色片，形成激光谐振腔，提高激光输出。

3.根据权利要求2所述的递进式光纤激光器，其特征在于，所述的相应波长的光纤光栅或双色片是指：λ_P高透λ₁高反的光纤光栅或双色片作为整个递进式激光器的输入端，λ_n高透λ_L部分反射的光纤光栅或双色片作为整个递进式激光器的输出端。对于位于输入端与输出端之间的任一输出激光波长为λ_c的有源光纤，该有源光纤的前一个光栅或双色片为λ_c-1高透λ_c高反，该有源光纤的后一个光栅或双色片为λ_c-1高透λ_c部分反射。

4.根据权利要求2或3所述的递进式光纤激光器，其特征在于，所述的泵浦源，为波长为λ_P的LD光源，其对第一级别的有源光纤泵浦方式为端面泵浦或侧面泵浦，或者采用合束器多个泵浦源同时合束泵浦有源光纤，提高泵浦功率。

5.根据权利要求2或3所述的递进式光纤激光器，其特征在于，所述的有源光纤，是掺杂有原子序数为57～71的稀土离子光纤。

6.根据权利要求2或3所述的递进式光纤激光器，其特征在于，所述有源光纤的结构为单包层有源光纤、双包层有源光纤，或有源光子晶体光纤。

7.根据权利要求2或3所述的递进式光纤激光器，其特征在于，所述的递进式光纤激光器结构中，各级之间采用光纤熔接方式连接或空间耦合方式组成。

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