CN103490271A

CN103490271A - 一种光纤及含有该光纤的光纤激光器

Info

Publication number: CN103490271A
Application number: CN201310396509.8A
Authority: CN
Inventors: 李进延; 王一礴; 蒋作文; 彭景刚; 戴能利; 李海清; 杨旅云; 陈瑰; 谢璐
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2014-01-01

Abstract

本发明公开了一种光纤及光纤激光器，光纤包括外包层、保护层和纤芯，纤芯由一根带有纯石英内包层的稀土掺杂有源纤芯，以及n根纯石英泵浦纤芯组成，n≥1；所述泵浦纤芯与所述有源纤芯相互接触，但并不熔融在一起，接触部位的展开长度大于等于泵浦纤芯周长的1/10，能够使光从泵浦纤芯单向耦合到有源纤芯。光纤激光器，包括光纤、谐振腔和半导体激光器，在有源纤芯的两端分别刻写高反、低反光栅，共同作为谐振腔，泵浦纤芯与半导体激光器相熔接。本发明可以最大限度地减少熔接点的数量，并能有效地提高泵浦光吸收效率，从而解决光纤激光器中的热问题，提高激光器输出质量，由于引入了铈元素，使得光纤激光器还具有抗光子暗化和抗辐照特性。

Description

一种光纤及含有该光纤的光纤激光器

技术领域

本发明属于特种光纤制备技术和光纤激光器领域，具体为一种用于光纤激光器的新型结构的光纤，以及含有该光纤的光纤激光器。

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。而目前全光纤激光器结构中包含很多熔接点，随着功率增长，熔接点处聚集的热量成为制约光纤激光器光束质量、稳定性及输出功率的重要因素之一。

目前常规的光纤激光器由泵浦源、一对光纤光栅和有源掺稀土光纤构成，这些器件的连接都要依靠光纤熔接。当两端光纤几何尺寸、数值孔径等有偏差的时候，就会引起较大的熔接损耗，从而有很多的光能量在此聚集，给光纤带来极大的热负担，影响激光器整体的承受功率。因此，最大限度地减少熔接点是提高光纤激光器可承受功率的一个途径。

此外，目前的光纤光栅绝大部分是利用掺锗光纤的光敏性制备的，但是在掺杂光纤中加入锗元素会降低光纤的损伤阈值并增加数值孔径，不利于高功率光纤激光器的搭建同时光纤光栅都是刻在掺锗的无源光纤上，然后再熔接在掺杂光纤两端，这样就会增加激光器的熔接点，增加损耗并且降低激光器的稳定性。

发明内容

本发明提供了一种光纤及含有该光纤的光纤激光器，其目的在于使光纤激光器可以最大限度地减少熔接点的数量，并能有效地提高泵浦光吸收效率，从而解决光纤激光器中的热问题，提高激光器输出质量，由于引入了铈元素，使得光纤激光器还具有抗光子暗化和抗辐照特性。

本发明提供的一种光纤，包括外包层、保护层和纤芯，其特征在于，所述纤芯由一根带有纯石英内包层的稀土掺杂有源纤芯，以及n根纯石英泵浦纤芯组成，n≥1；所述泵浦纤芯与所述有源纤芯相互接触，但并不熔融在一起，接触部位的展开长度大于等于泵浦纤芯周长的1/10，能够使光从泵浦纤芯单向耦合到有源纤芯。

本发明提供的含有上述光纤的光纤激光器，其特征在于，它还包括谐振腔和半导体激光器，在所述有源纤芯的一端刻写相应波长的高反光栅，另一端刻写相应波长的低反光栅，高反光栅和低反光栅共同作为所述谐振腔，所述泵浦纤芯与所述半导体激光器相熔接。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种光纤及含有该光纤的光纤激光器，具体而言，本发明的有益效果为：

1.利用掺铈的有源光纤的光敏特性，在有源纤芯上直接刻写光栅作为激光器的谐振腔，避免了常规结构中光栅与有源纤芯熔接点对激光器性能的影响，并可以提高光纤激光器的抗辐照和抗光子暗化性能。

2.本发明采用新型结构光纤，使得在有源纤芯长度方向上一直有泵浦光耦合进有源纤芯，不仅可以提高泵浦光吸收效率，而且降低了光纤的热负载，保证了光纤激光器的可靠性和稳定性。

3.应用本发明的光纤激光器，利用直接刻写在有源纤芯上的一对光纤光栅作为谐振腔，减少了激光器内部的熔接点，避免了有源纤芯与光栅数值孔径不匹配而引入的插入损耗和热负载，提高了光纤激光器的稳定性。

附图说明

图1为本发明提供的光纤的第一种具体实施方式的截面结构示意图(n＝6，纤芯均为圆形)；

图2为本发明提供的光纤的第二种具体实施方式的截面结构示意图(n＝1，纤芯均为圆形)；

图3为本发明提供的光纤的第三种具体实施方式的截面结构示意图(n＝2，光纤纤芯均为圆形)；

图4为本发明提供的光纤的第四种具体实施方式的截面结构示意图(n＝1，纤芯均为八边形)；

图5为利用所发明的新型光纤而搭建的光纤激光器示意图；

图6为利用所发明的新型光纤而搭建的激光器示意图；

图中，保护层101，外包层102，泵浦纤芯103，有源纤芯104，掺杂区域105，输出端口301，半导体激光器302，低反光栅303，高反光栅304。

具体实施方式

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。

如图1至图4所示，本发明实例提供的新型结构的光纤，它包括保护层101，外包层102，一根带有纯石英内包层的稀土掺杂有源纤芯104，以及n根纯石英泵浦纤芯103，有源纤芯104内设有掺入了铈元素的掺杂区域105。n根泵浦纤芯之间可接触也可以不接触，泵浦纤芯103与有源纤芯104相互接触，但并不熔融在一起，外面涂覆比纯石英折射率低的材料作为外包层102，以保证光可以被束缚在纤芯中。当外包层剥除掉，泵浦纤芯和由有源纤芯可以完整的分开。

在外包层102外设有高折射率涂覆层作为保护层101。当泵浦光入射进泵浦纤芯103后，会向有源纤芯104耦合，由于有源纤芯中掺杂区域对泵浦光进行吸收，耦合的过程几乎是单向的。这样，在整个光纤长度范围内，泵浦光源源不断地耦合进有源纤芯，有效地提高了泵浦光的耦合效率和利用效率。

图1至图3中，n分别为6，2和1，泵浦纤芯和有源纤芯均为圆形，图4中，n为2，n+1根纤芯均为八边形。

如图5、图6所示，本发明实例提供了一种利用此种特种光纤的光纤激光器，它包括半导体激光器302、谐振腔和本发明提供的新型结构光纤，其中的有源纤芯104掺入了铈元素，在有源纤芯104的两端刻写有光栅(其中，一端为相应波长的高反光栅304，另一端为相应波长的低反光栅303)作为谐振腔，泵浦纤芯103与半导体激光器相熔接。其制备方法为：首先取一定长度(随光纤对泵浦光的吸收系数而调整)的新型结构光纤，将两端的涂覆层剥除掉，光纤内的多个纤芯会自然分开，然后分别在有源纤芯的两端刻写相应波长的高反和低反光栅，作为谐振腔，再将泵浦纤芯与半导体激光器相熔接，就搭建完成了一台光纤激光器。

其中铈元素的掺杂量根据对光敏性、抗光子暗化及抗辐照性能的要求不同而变化，一般与稀土离子的掺杂量的浓度比在1∶10到10∶1之间。

所述的有源纤芯和泵浦纤芯可以是圆形、八边形等其他形状。有源纤芯和泵浦纤芯的直径可以相同，也可以不相同。

所述的高反光栅是指对相应波长反射率大于90％的光栅，所述的低反光栅是指对相应波长反射率小于50％的光栅，其中的相应波长是指激光器所需输出的波长。

实例一：

本发明较佳实例一，结构如图5所示，首先取20m结构如图2所示的新型结构光纤，其中有源纤芯的增益介质为Yb³⁺，泵浦纤芯103直径为400μm，有源纤芯104直径400μm，掺杂区域105直径20μm，将两端20cm的涂覆层剥除掉，光纤内的两个纤芯103和104会自然分开，然后分别在有源纤芯104的一端刻写1080nm的高反光栅304，另一端刻写1080nm的低反光栅303，其中高反光栅304对1080反射率为98％，低反光栅303对1080nm反射率为20％，再将泵浦纤芯的两端与975nm的半导体激光器302相熔接。当泵浦功率为40W时，从输出端口301得到1080nm激光输出28.8W。

实例二：

本发明较佳实例二，结构如图6所示，首先取20m结构如图3所示的新型结构光纤(其中，n＝2)，其中有源纤芯的增益介质为Yb³⁺，泵浦纤芯103的直径为200μm，有源纤芯104直径600μm，掺杂区域105的直径60μm，将两端20cm的涂覆层剥除掉，光纤内的三个纤芯会自然分开，然后分别在有源纤芯104的一端刻写1080nm的高反光栅304，另一端刻写1018nm的低反光栅303，其中高反光栅304对1080反射率为98％，低反光栅303对1080nm反射率为20％，再将泵浦纤芯与915nm的半导体激光器302相熔接。当泵浦功率为80W时，从输出端口301得到1080nm激光输出60.8W。

实例三：

本发明较佳实例三，结构如图5所示，首先取7m结构如图4所示的新型结构光纤，其中有源纤芯的增益介质为Tm³⁺，泵浦纤芯103直径为130μm，有源纤芯104直径130μm，掺杂区域105直径10μm，将两端20cm的涂覆层剥除掉，光纤内的两个纤芯103和104会自然分开，然后分别在有源纤芯104的一端刻写1950nm的高反光栅304，另一端刻写1950nm的低反光栅303，其中高反光栅304对1950反射率为98％，低反光栅303对1950nm反射率为20％，再将泵浦纤芯与793nm的半导体激光器302相熔接。当泵浦功率为40W时，从输出端口301得到1950nm激光输出27.4W。

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

1.一种光纤，包括外包层、保护层和纤芯，其特征在于，所述纤芯由一根带有纯石英内包层的稀土掺杂有源纤芯，以及n根纯石英泵浦纤芯组成，n≥1；所述泵浦纤芯与所述有源纤芯相互接触，但并不熔融在一起，接触部位的展开长度大于等于泵浦纤芯周长的1/10，能够使光从泵浦纤芯单向耦合到有源纤芯。

2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述泵浦纤芯与所述有源纤芯是圆形或八边形。

3.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述有源纤芯和所述泵浦纤芯的直径相同或不相同。

4.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述n根泵浦纤芯之间接触或不接触。

5.根据权利要求1至4中任一所述的光纤，其特征在于，所述有源纤芯内的掺杂区域中掺有铈元素。

6.根据权利要求5所述的光纤，其特征在于，所述掺杂区域中，铈元素的掺杂量与稀土离子的掺杂量的摩尔浓度比为1:10到10:1。

7.一种含有权利要求1所述光纤的光纤激光器，其特征在于，它还包括谐振腔和半导体激光器，在所述有源纤芯的一端刻写相应波长的高反光栅，另一端刻写相应波长的低反光栅，高反光栅和低反光栅共同作为所述谐振腔，所述泵浦纤芯与所述半导体激光器相熔接。

8.根据权利要求7述的光纤激光器，其特征在于，所述泵浦纤芯在泵浦光入射时向所述有源纤芯耦合，所述有源纤芯中掺杂区域对泵浦光进行吸收，耦合的过程几乎是单向的，使得在整个光纤长度范围内，泵浦光源源不断地耦合进有源纤芯，以提高泵浦光的耦合效率和利用效率。