CN102983482B - 采用多波长等间距泵浦光源的光纤激光器 - Google Patents

Abstract

采用多波长等间距泵浦光源的光纤激光器，其特征在于：该光纤激光器采用等间距的多波长半导体泵浦激光器作为泵浦激光源，该泵浦激光源的波长在976nm附近。本发明，彻底抛弃了传统的用外部制冷器对所有976nm的半导体泵浦激光器进行制冷的手段。这些波长有针对性地分布在976nm的低波长的一侧，省去了外部制冷器，实现了在一定工作温度变化范围内，惨杂有源光纤对温度的不敏感性。使得光纤激光器的输出功率稳定性和整体工作稳定性得到提高。

Description

采用多波长等间距泵浦光源的光纤激光器

技术领域

本发明涉及一种采用多波长泵浦激光源的低温度敏感性的光纤激光器和光纤放大器，尤其涉及波长近似等间距分布的976nm附近的多波长激光泵浦光源结构光纤激光器。

背景技术

我们知道，光纤激光器在近年来得到了迅速的发展。其类型包括光纤脉冲激光器、光纤大功率连续激光器和光纤大功率准连续激光器。这些光纤激光器有各种不同的泵浦结构，比如前向泵浦、后向泵浦、双向泵浦及分布式多点泵浦。泵浦光源通常为半导体单管光源或者半导体多管模块。泵浦波长广泛地采用915nm，940nm，和976nm这三个波长区间。

在大功率光纤激光器中，特别是在976nm泵浦的光纤激光器中，当工作温度发生变化，就会导致泵浦半导体激光器的管芯温度发生变化，从而引起泵浦激光器的中心波长发生偏移。掺镱有源光纤在976nm附近的效率较高，但是光谱吸收峰较窄，这样有源光纤的实际增益就会敏感地受泵浦激光器中心激射波长的影响，从而敏感地受温度的影响。但是工作温度是随着光纤激光器工作状态和工作时间长短而变化的。目前通行的做法是用外部制冷器对泵浦激光器进行主动控温，使其大致保持在相同的温度下。但是这个方法的缺点是：1  需要额外的半导体制冷器单元和制冷器控制电路； 2 这种制冷器的制冷能力是有限的，这样就限制了总的泵浦激光器的数量和功耗；3 这种制冷器本身在制冷的同时会发出更大的热量，这些热量需要及时散到光纤激光器机壳外部去，没有散出去的部分会回流到激光器内部，反而会引起更大的温升；4 在工作温度较高的时候，这种制冷器的制冷效率明显降低，甚至会发生失效。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的在于提供一种采用多波长等间距泵浦光源的光纤激光器，是采用同时用多个分布在976nm附近的近似等间距的多波长的泵浦激光来进行泵浦，使得光纤激光器中的有源光纤增益在976nm附近对工作温度的变化不十分敏感。不需要使用外部制冷器，明显改善了有源光纤对外部温度的敏感性。

本发明的技术方案是通过以下方式实现的：所述激光器采用多波长等间距泵浦光源的光纤激光器，该光纤激光器或光纤放大器采用了近似等间距的多波长泵浦激光器作为泵浦激光源，其特征在于：所述的泵浦激光源由多个波长近似、等间距的独立的半导体泵浦激光器构成。

所述的半导体泵浦激光源的波长在976nm附近。

所述的半导体泵浦激光源的波长为：976nm、976nm、974nm、973nm、972nm、971nm组成，其波长间隔在1-3nm之间。

所述的泵浦激光源由一个波长近似等间距的多波长半导体泵浦激光器模块构成，该模块是基于波长合束原理进行的多波长合束。

所述的泵浦激光源在常温下的大部分波长或全部波长位于掺杂光纤975nm吸收峰的附近，根据光纤激光器工作温度范围的不同，这些波长更多地分布在976nm的短波长一侧、或者长波长一侧、或者对称分布于两侧。

所述的泵浦激光源的多个波长的波长间隔在1-3nm之间，优化地可以选择2nm；泵浦激光器的总波长数目在3-10之间，优化地可以选择6。

   所述的多波长泵浦的温度不敏感光纤激光器由光纤光栅、声光调制器（近适用于脉冲光纤激光器）、惨杂有源光纤、光纤合束器、半导体泵浦激光器、电子驱动和控制系统。

   所述的多波长泵浦的温度不敏感光纤激光器由种子激光器、惨杂有源光纤、光纤合束器、半导体泵浦激光器、电子驱动和控制系统。

   所述的多波长泵浦的温度不敏感光纤放大器包括惨杂有源光纤、光纤合束器、半导体泵浦激光器、电子驱动和控制系统。

本发明，彻底抛弃了传统的用外部制冷器对所有976nm的泵浦激光器进行制冷的手段。这些波长有针对性地分布在976nm的低波长的一侧，省去了外部制冷器，从而节省了耗电，不需要考虑制冷器带来的附加散热，以及散热器本身对环境的依耐性。同时也降低了外部制冷器及其电子控制电路的成本。实现了在一定工作温度变化范围内，惨杂有源光纤对温度的不敏感性。使得光纤激光器的输出功率稳定性和整体工作稳定性得到提高。

附图说明

图1是本发明用于激光谐振级的结构示意图。 

图2是本发明用于光纤放大级的结构示意图。

图3是典型的掺镱光纤的吸收截面和发射截面。

图4是本发明多波长泵浦在常温下的波长分布、散射截面图。

图5是现有技术的单波长泵浦在常温下的波长位置、散射截面图。

图6 两种方案对于温度敏感性的比较。

图中：101光纤端面光功率吸收器、102光纤光栅、103 前向光纤泵浦激光合束器（N+1 x 1 型）、104双包层有源光纤和无源光纤的熔接点、105半导体泵浦激光器，a,b,c,d,e,f分别为本发明描述的几个不同泵浦波长、106 反向光纤泵浦激光合束器（N+1 x 1 型）、107双包层Yb+掺杂有源光纤、108后级光纤放大单元、109后级光纤放大器、110声光调制器、111种子激光器光源，或者前级光纤放大器、120主激光器激光输出端。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，采用多波长等间距泵浦光源的光纤激光器，也就是通过光纤光栅和有源光纤构成一个大功率的光学谐振腔，实现大功率的光纤激射。由光功率吸收器101、光纤光栅102、前向光纤泵浦激光合束器（N+1 x 1 型）103、双包层有源光纤和无源光纤的熔接点104、半导体泵浦激光器105、反向光纤泵浦激光合束器（N+1 x 1 型）106、双包层Yb+掺杂有源光纤107、光纤输出端帽108、110声光调制器（可选，仅用于脉冲光纤激光器；连续工作的光纤激光器不需要）和主激光器激光输出端120组成，前向光纤泵浦激光合束器（N+1 x 1 型）103和反向光纤泵浦激光合束器（N+1 x 1 型）106将半导体泵浦激光器105的泵浦激光通过双包层有源光纤和无源光纤的熔接点104，输送到双包层Yb+掺杂有源光纤107的内包层中；在泵浦激光的激励下，双包层Yb+掺杂有源光纤107中产生光增益区，增益区和左右两个中心反射波长相同的光纤光栅102组合形成激光谐振腔，并产生大功率激光，在光纤的大功率输出端120设置了一个光纤输出端帽108输出激光。在光纤非输出的另外一侧，不需要有激光输出，也不希望产生激光的端面反射，因此设置一个光纤端面光功率吸收器101。

实施例2：

如图2所示，多波长泵浦的温度不敏感光纤放大器，也就是通过有源光纤构成一个功率放大单元，将前一级输出的光功率放大为更高的输出光功率。由前向光纤泵浦激光合束器（N+1 x 1 型）103、双包层有源光纤和无源光纤的熔接点104、半导体泵浦激光器105、反向光纤泵浦激光合束器（N+1 x 1 型）106、双包层Yb+掺杂有源光纤107、光纤输出端帽108、后级光纤放大器109、种子激光器光源110和主激光器激光输出端120组成，前向光纤泵浦激光合束器（N+1 x 1 型）103和反向光纤泵浦激光合束器（N+1 x 1 型）106将半导体泵浦激光器105的较小功率的泵浦激光通过双包层有源光纤和无源光纤的熔接点104，输送到双包层Yb+掺杂有源光纤107的内包层中，形成大功率光纤放大器，较小功率的激光输入到有增益的双包层Yb+掺杂有源光纤107中，被放大到较高的水平然后通过后级光纤放大器109和输出端帽108输出激光。功率放大级是由有源光纤和泵浦激光器组成的增益光纤，它起到了一个光纤放大器的作用。通过这级的光纤功率放大，最后让输出光功率达到了较高的水平。这个光纤放大器可以单独使用，也可以作为光纤激光器的末级功率放大级。

采用多波长等间距泵浦光源的光纤激光器，该光纤激光器采用了近似等间距的多波长泵浦激光器作为泵浦激光源，所述的泵浦激光源由多个波长近似、等间距的独立的半导体泵浦激光器构成；半导体泵浦激光源的波长在976nm附近；半导体泵浦激光源的波长为：976nm、976nm、974nm、973nm、972nm、971nm组成，其波长间隔在1-3nm之间。

泵浦激光源由一个波长近似等间距的多波长半导体泵浦激光器模块构成，该模块是基于波长合束原理进行的多波长合束；半导体泵浦激光器105在常温下的大部分波长或全部波长位于掺杂光纤975nm吸收峰的附近，根据光纤激光器工作温度范围的不同，这些波长更多地分布在976nm的短波长一侧、或者长波长一侧、或者对称分布于两侧；半导体泵浦激光器105的多个波长的波长间隔在1-3nm之间，优化地可以选择2nm；半导体泵浦激光器105的总波长数目在3-10之间，优化地可以选择6。

我们用一个优化方案进行举例说明。我们选择常温下中心波长分别为 976nm、976nm、974nm、973nm、972nm、971nm的6个半导体泵浦激光器联合作为光纤激光器的泵浦源。由于半导体激光器的中心波长随温度发生0.2-0.3nm/°C的波长漂移。当半导体周围的温度上升10°C的时候，各个激光器的波长均向上漂移了2-3nm。在惨杂有源光纤的光谱吸收曲线上可以看到，6个波长仍然分布在976nm中心吸收峰的周围。从计算可以得到本发明的结构对温度的敏感性大大降低。

另一个优化方案的举例说明是：利用波长合束的方法得到的6波长近似等间距的多管芯半导体激光器模块，代替上面的6只分立的半导体激光器。通过光纤合束器进入双包层光纤，对有源光纤进行泵浦，实现光学增益。

本发明的激光器方案结构和过去的最大不同是：以往的976nm半导体泵浦激光器中，如果不使用外部的制冷器单元，有源光纤的增益将敏感地受外部温度的影响。如果使用外部的制冷器，又会带来很多上述的负面的影响。而本发明的光纤激光器中，采用多个波长近似等间隔的泵浦激光器联合进行泵浦，不需要使用外部制冷器，明显改善了有源光纤对外部温度的敏感性。

本发明同时适用于连续光纤激光器和脉冲光纤激光器。

我们进行了如下的数值计算，将一个典型的掺镱光纤的吸收和发射光谱，通过6个976nm附近的等间距波长，在温度变化的情况下进行了计算。得到下列结果。这里，我们选取了波长间隔为2nm，25°C常温下的6个波长对称地分布在976nm波长的两侧。温度从0-45°C范围内变化，波长的温度系数选为0.2nm/°C。图3为掺镱光纤的吸收光谱（虚线）和发射光谱（实线），这里我们采用其吸收光谱，也就是虚线部分。图5为传统的单波长激光器泵浦的情况；图4为本发明提出的多波长泵浦的情况。从图6，我们可以看到，本发明提出的多波长泵浦方案，在温度变化的时候，有源光纤增益的变化明显小于传统单波长泵浦的方案。本发明在温度敏感性方面带来了明显的优势。

由于掺镱光纤在976nm附近的吸收峰比较窄，当泵浦波长偏离吸收峰的中心波长的时候，泵浦效率发生大幅度的变化，表现在光纤激光器或者放大器上就是增益和输出功率不稳定，随工作温度的变化而变化。

由图4知，是本发明多波长泵浦在常温下的波长分布、散射截面图。每个泵浦激光器的中心波长都随工作温度的变化而发生漂移。但是，不同的一点是，这些多个波长在常温下分布在掺镱光纤吸收中心波长的两侧。不论温度升高，还是温度降低，都会有一部分泵浦波长远离光纤的中心吸收波长，而另一部分泵浦波长靠近了光纤的中心吸收波长。这两种相反的效果在一定程度上发生抵消，从而使得整体上光纤的吸收效率随温度的敏感度得到缓解。

如图5所示，是现有技术的单波长泵浦在常温下的波长位置、散射截面图。

这个单一的泵浦波长有一定的温度漂移，当工作温度发生改变时，泵浦激光器的中心波长将发生移动。从而导致掺镱光纤的吸收率降低。

由图6知，两种方案对于温度敏感性的比较。虚线给出了我们在典型值况下的计算结果，可以看出该传统方案在工作温度变化的时候引起了较大的吸收截面，也就是吸收效率的变化。

图6中的实线给出了在典型值情况下的计算结果。比较图6中的实线和虚线，我们可以看到，本发明的方案在光纤总体吸收率对温度敏感性方面得到了明显的改善。

本发明的多波长泵浦方案的波长数目通常在3-10个的范围内，这里我们优化地选择6个波长。波长间隔通常在1-3nm的范围内，这里我们优化地选择2nm。

Claims (1)

1.采用多波长等间距泵浦光源的光纤激光器，其特征在于：它包括光功率吸收器（101）、光纤光栅（102）、前向光纤泵浦激光合束器（103）、双包层有源光纤和无源光纤的熔接点（104）、半导体泵浦激光器（105）、反向光纤泵浦激光合束器（106）、双包层Yb+掺杂有源光纤（107）、光纤输出端帽（108）和主激光器激光输出端（120），前向光纤泵浦激光合束器（103）和反向光纤泵浦激光合束器（106）将半导体泵浦激光器（105）的泵浦激光通过双包层有源光纤和无源光纤的熔接点（104）输送到双包层Yb+掺杂有源光纤（107）的内包层中；在泵浦激光的激励下，双包层Yb+掺杂有源光纤（107）中产生光增益区，增益区和左右两个中心反射波长相同的光纤光栅（102）组合形成激光谐振腔，并产生大功率激光，在主激光器激光输出端（120）设置了一个光纤输出端帽（108）输出激光，在光纤非输出的另外一侧设置一个光纤端面光功率吸收器（101），该光纤激光器采用等间距的多波长泵浦光纤激光器作为泵浦激光源，该泵浦激光源的波长在976nm、975 nm、974nm、973nm、972nm、971nm中选择，并且其波长间隔在1-3nm之间。