CN103560381A

CN103560381A - 单模光纤激光器

Info

Publication number: CN103560381A
Application number: CN201310455089.6A
Authority: CN
Inventors: 陈玲霞; 冯衍; 张磊
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2013-09-29
Filing date: 2013-09-29
Publication date: 2014-02-05

Abstract

一种单模光纤激光器，包括泵浦源、合束器、有源多模光纤，单包层单模光纤高反射镜和单包层单模光纤低反射镜，所述的合束器的信号光纤、单包层单模光纤高反射镜的单模光纤、单包层单模光纤低反射镜的单模光纤的纤芯直径是相同的，所述的合束器的信号输入光纤熔接所述的单包层单模光纤高反射镜，合束器的泵浦输入光纤熔接所述的泵浦源，合束器的输出光纤熔接所述的有源多模光纤的一端，该有源多模光纤的另一端熔接所述的单包层单模光纤低反射镜。本发明具有低成本、波长灵活、结构简单和高功率的特点。

Description

单模光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器，特别是一种单模光纤激光器。

背景技术

单模光纤激光器一般由泵浦光，增益光纤和光栅（作谐振腔）三部分组成。增益光纤一般为具有较宽的增益带宽的单模增益光纤或近似单模增益光纤。2010年，Richardson在邀请报告"High power fiber lasers:current status and futureperspectives[Invited]"中指出，为了能在低泵浦功率下获得激光输出，一般需要采用较长的有源单模光纤。另外，有源单模光纤的纤芯截面面积很小，容易产生较大的光功率密度引起非线性效应，造成不可逆的光学损伤或不期望的光学现象，不易获得高功率输出。光栅具有较窄反射谱宽的特性，将其熔接在增益光纤的两端，既作为波长选择元件，又作为谐振腔。但是，光栅的加工工艺复杂，成本高，两端光栅的反射波长原则上应保持一致。一般商用的光栅的波长都较固定，随意刻写光栅的反射波长较困难。中国专利公开号CN1346062A详细的介绍了光纤光栅的制造方法和制造设备，从中可以看出光纤光栅的制造工艺难度和复杂度。

发明内容

本发明旨在克服上述光纤激光器的不足，提供一种单模光纤激光器，该单模光纤激光器具有低成本、波长灵活、结构简单和高功率的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种单模光纤激光器，包括泵浦源、合束器、有源多模光纤，单包层单模光纤高反射镜和单包层单模光纤低反射镜，所述的合束器的信号光纤、单包层单模光纤高反射镜的单模光纤、单包层单模光纤低反射镜的单模光纤的纤芯直径是相同的，所述的合束器的信号输入光纤熔接所述的单包层单模光纤高反射镜，合束器的泵浦输入光纤熔接所述的泵浦源，合束器的输出光纤熔接所述的有源多模光纤的一端，该有源多模光纤的另一端熔接所述的单包层单模光纤低反射镜，并使所述的有源多模光纤处于直线状态，所述的有源多模光纤的长度满足下列关系式：

L＝16na²/λ (2)

其中，n为有源多模光纤的纤芯折射率，a为有源多模光纤的纤芯半径，λ为输出激光的中心波长，L为有源多模光纤的长度。

所述的有源多模光纤既为波长选择元件，又为增益光纤。首先，当单模光纤中的基模进入有源多模光纤后，在有源多模光纤中激发多个模式，这些模式在有源多模光纤传播过程中发生多模干涉效应，该效应使有源多模光纤某一处形成自再现单模光斑，该现象称为自再现效应。使有源多模光纤的输出端恰好为形成自再现效应的端面，自再现形成的基模能低损耗的耦合进所述的单包层单模光纤低反射镜中，保持较好的单模特性进行传播。有源多模光纤的长度由公式（1）确定。

其次，所述的有源多模光纤仍具有增益光纤的特性，相对于有源单模光纤，当有源多模光纤的长度较短时，仍能充分吸收泵浦光，获得激光输出。另一方面，有源多模光纤的纤芯截面面积较大，大大降低了激光的光功率密度，避免其内部因光功率密度过大引起的非线性效应。所以，该激光器的输出功率主要受限于光纤材料，而不是光纤的几何结构。

所述的合束器的泵浦输入光纤的作用是耦合泵浦光，激励有源多模光纤。合束器的信号输入光纤端熔接单包层单模光纤高反射镜，与激光器中的单包层单模光纤低反射镜形成谐振腔。合束器的输出尾纤必须是双包层单模光纤，且与本发明所述的单包层单模光纤低反射镜的单模光纤具有相同纤芯直径，其作用是单模光纤中的基模进入有源多模光纤。

所述的泵浦源一般采用带尾纤输出的半导体泵浦源，该泵源通过光纤熔接方式，与合束器的泵浦纤相熔接，易于操作，且具有较高的耦合效率。

所述的单包层单模光纤高反射镜与合束器的信号输入光纤熔接在一起，单包层单模光纤低反射镜熔接在有源多模光纤的输出端，两个单包层单模光纤高低反射镜形成一对谐振腔。单包层单模光纤低反射镜激光耦合有源多模光纤输出端面形成的自再现单模，使其保持单模特性，并从单包层单模光纤低反射镜端输出。

本发明所述的单模光纤激光器中的单包层单模光纤高反射镜可以由1:1光纤输出耦合器制作成环形镜替代。单包层单模光纤低反射镜可以由1:9或2:8光纤输出耦合器制作成环形镜替代。

本发明是一种基于多模光纤的单模光纤激光器，泵浦光经合束器激励有源多模光纤，使有源多模光纤获得增益，经有源多模光纤自身的选波长作用，具有较低损耗的波长自再现形成的基模，在由单模光纤高低反射镜组成的谐振腔之间来回振荡，最后获得激光输出。

与先前技术相比，本发明具有下列的有益效果：

1、成本低

本发明所提出的光纤激光系统省去了成本高、加工工艺复杂的选波长元件光栅对，而是利用有源多模光纤的自再现效应，将其作为选波长元件。此外，谐振腔则采用宽谱单模光纤反射镜，其价格较低、工艺相对简单。

2、波长灵活

本发明所采用的选波长元件取决于有源多模光纤的长度，只需根据所需的输出激光波长，选择合适的有源多模光纤，并确定其长度。不似光栅，光栅的反射波长受限于掩模板，而掩模板的制作精度要求极高，不易获得具有个性化反射波长的光栅。

3、结构简单

本发明所提出的光纤激光系统结构简单，全部采用光纤熔接方式进行耦合、不涉及空间耦合。光纤耦合方式具有操作简单、耦合效率高等特点。

4、高功率

有源单模光纤因较长的光纤长度和较小的纤芯截面较小容易产生非线性等效应引起不可逆的光学损伤或不期望的光学现象，不易获得高功率输出。本发明所提出的光纤激光系统中采用的有源多模光纤长度较短，所以该激光系统输出的激光功率主要受限于有源多模光纤本身材质的承受能力，而一般的光纤承受高功率的能力都较强。

附图说明

图1为本发明单模光纤激光器实施例1光路示意图。

图2为本发明单模光纤激光器实施例1所涉及的有源多模光纤随长度变化的耦合损耗。

图3为本发明单模光纤激光器实施例1所涉及的有源多模光纤在1.36cm时的激发光谱图。

图4为本发明单模光纤激光器实施例1所涉及的有源多模光纤在12.25cm时的激发光谱图。

图5为本发明单模光纤激光器实施例2的光路示意图。

图6为本发明单模光纤激光器实施例3的光路示意图。

具体实施例

为清晰阐述本发明的技术方案和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明做详细描述。本具体实施例中并非只在本特殊参数限制条件下可行，其研究人员的非创造性劳动而获得和本发明类似的系统均在本发明的保护范围之内。

具体实施例1，请参照图1，图1为本发明单模光纤激光器实施例1的光路示意图，包括976nm半导体激光器泵浦源101、R>99%1064nm单模光纤高反射镜102、熔点103、(2+1)×1的合束器104、有源多模光纤105、R<30%1064nm，R>99%976nm单模光纤低反射镜106和输出激光107，沿着所述光纤激光器系统的光传播方向，976nmLD泵浦源101熔接到(2+1)×1的合束器104的泵浦输入光纤端，R>99%1064nm单包层单模光纤高反射镜102熔接到合束器104的信号输入光纤端，合束器104的双包层10/125单模尾纤输出端熔接长度为12.25cm的60/125有源多模光纤105，该有源多模光纤105的另一端与R<10%1064nm，R>99%976nm的单包层单模光纤低反射镜106熔接。

所述的特定长度的有源多模光纤105既为选波长元件，又为增益光纤。

根据2004年Waleed S.Mohammed发表的《Wavelength Tunable Fiber Lens Basedon Multimode Interference》的文献，单模光纤中的基模进入多模光纤，激发多个模式，这些激发模式在传播过程中发生干涉，在某一位置处自再现形成基模，该过程被称为自再现效应，而该效应在多模光纤中具有周期性。一个周期的长度称为自再现距离。其表达式如公式（1）：

L=16na²/λ (1)

其中，n为多模光纤的纤芯折射率，a为多模光纤的纤芯半径，λ为信号光的中心波长，L为自再现距离。从公式（1）中可以看出，多模光纤确定的情况下，自再现距离L仅与中心波长有关。一般而言，其自再现距离小于10cm。当多模光纤的长度为自再现距离的整数倍时，其仍发生自再现效应，并且线宽变窄。因此，长度适宜的有源多模光纤可作为选波长元件。相比较光栅作为选波长元件，采用有源多模光纤作为选波长元件的成本低，工艺简单，选波长方式简单，波长灵活。

在本具体实施例中，为了获得1064nm的激光输出，所述的特定长度的有源多模光纤105采用掺镱稀土离子的光纤，且其自再现距离由公式（1）确定，为1.361cm。考虑该自再现距离太短，且其滤过谱较宽如图3，该长度下的泵浦效率不高且不易切割。所以取其整数倍9倍，长度为12.25cm，其滤过谱变窄如图4。另外，掺Yb稀土离子的光纤的激发谱在1000nm-1200nm，如果所需的激光器中心波长处于这个范围内，根据公式（1）计算有源多模光纤的长度，再根据计算的有源多模光纤的长度来进行实际的调整。为了获得用于通讯波段1550nm的激光器，采用掺铒光纤，根据公式（1）计算有源多模光纤的长度，再根据计算的有源多模光纤的长度来进行实际的调整做最后的确定。为了获得中红外波段2000nm左右的激光器，可采用掺铥光纤，根据公式（1）计算有源多模光纤的长度，再根据计算的有源多模光纤的长度来进行实际的调整做最后的确定。

所述的泵浦源101采用带尾纤输出的976nm半导体泵浦源，该泵源通过光纤熔接方式，与合束器104的泵浦纤相熔接，易于操作，且具有较高的耦合效率。

所述的合束器104的泵浦输入光纤的作用是耦合泵浦光，激励有源多模光纤105。合束器104的信号输入光纤端熔接单包层单模光纤高反射镜102，与激光器中的单包层单模光纤低反射镜106形成谐振腔。合束器104的输出尾纤必须是双包层单模光纤，且与本发明所述的单包层单模光纤低反射镜106的单模光纤具有相同纤芯直径，其作用是使单模光纤中的基模进入有源多模光纤105中。

所述的单包层单模光纤高反射镜102与合束器104的信号输入光纤熔接在一起，单包层单模光纤低反射镜106熔接在特定长度的有源多模光纤105的输出端，两个单包层单模光纤高低反射镜形成一对谐振腔。单包层单模光纤低反射镜102激光耦合有源多模光纤105输出端面形成的自再现单模，使其保持单模特性，并从单包层单模光纤低反射镜106端输出。

本发明所述的单模光纤激光器中的单包层单模光纤高反射镜102的信号激光反射率需>99%。此外所述的单包层单模光纤高反射镜可以由1:1光纤输出耦合器制作成的环形镜替代。单包层单模光纤低反射镜106的激光信号反射率应<50%，泵浦光的反射率应>80%。此外，所述的单包层单模光纤低反射镜106可用1:9或2:8光纤输出耦合器制作成的环形镜替代。

为使本发明的单模光纤激光器的性能保持稳定，必须使所述的有源多模光纤105处于直线状态。

实施例2，与实施例1的区别在于，实施例2采用光纤输出耦合器制成的环形镜取代具体实施例1中的单包层单模光纤高低反射镜。

请参照图5，图5为本发明单模光纤激光器实施例2的光路示意图，包括976nm半导体（LD）泵浦源201、1：1光纤输出耦合器制成的环形镜202、熔点203、(2+1)×1的合束器204、有源多模光纤205、1：9光纤输出耦合器制成的环形镜206和输出激光207，沿着所述光纤激光器系统的光传播方向，976nmLD泵浦源201熔接到(2+1)×1的合束器204的泵浦输入光纤端，1：1光纤输出耦合器制成的环形镜202熔接到合束器204的信号输入光纤端，合束器204的双包层10/125单模尾纤输出端熔接长度为12.25cm的60/125有源多模光纤205，该有源多模光纤205的另一端与1：9光纤输出耦合器制成的环形镜206熔接。

实施例3，与实施例2的区别在于，具体实施例3采用2:8光纤输出耦合器制成的环形镜取代实施例2中的1:9光纤输出耦合器制成的环形镜。

请参照图6，图6为本发明单模光纤激光器实施例3的光路示意图，包括976nm半导体（LD）泵浦源301、1：1光纤输出耦合器制成的环形镜302、熔点303、(2+1)×1的合束器304、有源多模光纤305、2:8光纤输出耦合器制成的环形镜306和输出激光307，沿着所述光纤激光器系统的光传播方向，976nmLD泵浦源301熔接到(2+1)×1的合束器304的泵浦输入光纤端，1：1光纤输出耦合器制成的环形镜302熔接到合束器304的信号输入光纤端，合束器304的双包层10/125单模尾纤输出端熔接长度为12.25cm的60/125有源多模光纤305，该有源多模光纤305的另一端与1：9光纤输出耦合器制成的环形镜306熔接。

本发明是一种基于多模光纤的单模光纤激光器，泵浦光101经合束器104激励有源多模光纤105，使有源多模光纤105获得增益，具有较低损耗的波长自再现形成的基模模式在由单包层单模光纤高反射镜102和单包层单模光纤低反射镜106组成的谐振腔之间来回振荡，最后获得激光输出。本发明基于多模光纤的单模光纤激光器，其具有成本低、波长灵活、结构简单、且可望实现高功率的光纤激光器。

利用所述装置实现获得激光输出，该实现步骤如下：

①搭好实施例中的激光系统的系统结构，并使有源多模光纤成直线状态；

②开启LD泵浦源101；

③获得1064nm激光输出，可使用功率计测量光强，使用光谱仪获得输出激光的光谱图。

Claims

1.一种单模光纤激光器，特征在于其构成包括泵浦源（101）、合束器（104）、有源多模光纤（105），单包层单模光纤高反射镜（102）或1:1光纤输出耦合器制作成的环形镜（202），单包层单模光纤低反射镜（106）或1:9光纤输出耦合器制作成的环形镜（206）或2:8光纤输出耦合器制作成的环形镜（306），所述的合束器的信号光纤、单模光纤高反射镜的单模光纤、单模光纤低反射镜的单模光纤的纤芯直径是相同的，所述的合束器的信号输入光纤熔接所述的单包层单模光纤高反射镜，合束器的泵浦输入光纤熔接所述的泵浦源，合束器的输出光纤熔接所述的有源多模光纤的一端，该有源多模光纤的另一端熔接所述的单包层单模光纤低反射镜，并使所述的有源多模光纤处于直线状态，所述的有源多模光纤的长度满足下列关系式：

L＝16na²/λ

2.根据权利要求1所述的单模光纤激光器，其特征在于所述的有源多模光纤（105）为纤芯截面>50mm2的有源多模光纤。