CN103633539B - 嵌入式气体放电泵浦掺稀土粒子增益光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种嵌入式气体放电泵浦掺稀土粒子增益光纤包括：工作气体、气体空腔、电极、密封套、掺杂纤芯及光纤包层，其中，所述气体空腔嵌入所述增益光纤中或者所述增益光纤嵌入所述气体空腔中，所述气体空腔内加所述工作气体，两端密封，加上所述电极，通过所述工作气体放电，对所述增益光纤进行泵浦。根据本发明，由于将气体泵浦与增益光纤相融合，气体放电可以对增益光纤直接进行泵浦，简化了实验装置，金属镀膜或者加入布拉格反射镜可以增加泵浦光的吸收，光纤结构使得激光器散热性能良好，并且气体泵浦输出能量大，峰值功率高，制造成本低，有利于光纤激光器或放大器的高功率输出。
Description
技术领域
本发明涉及光学激光器技术领域，尤其涉及一种嵌入式气体放电泵浦掺稀土粒子增益光纤。
背景技术
高功率光纤激光器或放大器是应用极其广泛的一类激光器，在高精度工业加工、光通信、生产加工、国防军事、医疗生物等各个领域获得广泛应用。它具有光束质量好、转换效率高、结构紧凑、可调谐范围广等优点。
光纤激光器和放大器因为表面体积比大，散热效果好，在高重频(>10kHz)激光振荡及放大中均可以获得最高近90％的光光转换效率，但由于掺镱、掺钕等稀土掺杂光纤通常近ms的上能级寿命，使得其在重频低于10kHz的脉冲产生与放大中，受到放大自发辐射噪声影响，为了减少放大自发辐射噪声影响，通常采用脉冲泵浦的方式才能获得较高的转换效率。目前，光纤激光器和放大器的泵浦源一般采用二极管，但是，二极管不是储能器件，价格也是按照功率值换算，因此，采用二极管泵浦的光纤激光器或放大器峰值功率受到限制，并且高功率的二极管泵浦源价格昂贵，大大增加了成本。在固体激光器中，通常采用氙灯泵浦，虽然其转换效率低，光谱线复杂，但是其输出脉冲能量大，峰值功率高，是一种能量器件，并且成本远小于二极管。
为了满足高功率光纤激光器和放大器泵浦要求，且降低成本，将氙气等工作气体泵浦与增益光纤融合，通过工作气体放电直接对增益光纤进行泵浦，采用这种方式可同时具备光纤激光器散热性好以及气体泵浦成本低等诸多优点。
然而，由于将工作气体加入到增益光纤中，气体空腔结构及光纤的拉制、空腔充气、气体密封、加电极等技术要求增加了光纤制作工艺难度，同时气体放电转换效率低，也增加了光纤激光器或放大器的热效应。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明所要解决的技术问题是：如何提出一种嵌入式气体放电泵浦掺稀土粒子光纤，以减小高功率光纤激光和放大器的成本。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提供一种嵌入式气体放电泵浦掺稀土粒子增益光纤，包括：工作气体、气体空腔、电极、密封套、掺杂纤芯及光纤包层，其中，所述气体空腔嵌入所述增益光纤中或者所述增益光纤嵌入所述气体空腔中，所述气体空腔内加所述工作气体，两端密封，加上所述电极，通过所述工作气体放电，对所述增益光纤进行泵浦。
优选地，所述工作气体是惰性气体或者金属蒸气。
优选地，所述增益光纤中掺杂多种稀土元素。
优选地，所述气体空腔可是圆柱形或者环形，数目为一个或多个，对称分布或非对称分布。
优选地，所述气体空腔嵌入所述光纤内包层中或者内包层外或者将所述增益光纤嵌入所述气体空腔中。
优选地，所述增益光纤是单芯或者多芯光纤，所述纤芯对称或者非对称分布，工作方式是串联或者并联。
优选地，所述密封套采用焊料封装和过渡玻璃封装。
优选地，所述电极为在所述气体空腔两端封入正、负两根电线，通过外部电源驱动提供放电电压；
或者，电极为在所述光纤两端光纤壁上穿孔，与气体空腔连通，外部加气泡，气泡上加常规电极。
优选地，所述电极采用抗气体放电腐蚀的金属材料。
本发明还提供一种嵌入式气体放电泵浦掺稀土粒子增益光纤激光器，其包括：上述任一种嵌入式气体放电泵浦掺稀土粒子增益光纤，以及谐振腔，其中，所述谐振腔包括全反镜及微调镜架或者光纤光栅。
优选地，所述谐振腔为平面反射镜或者光纤光栅。
本发明还提供一种嵌入式气体放电泵浦掺稀土粒子增益光纤放大器，其包括：上述任一种嵌入式气体放电泵浦掺稀土粒子增益光纤。
本发明还提供一种系统，包括上述的嵌入式气体放电泵浦掺稀土粒子增益光纤、激光器和放大器，其中，其包括单个增益光纤及激光器和放大器；
或者，包括一个由增益光纤、激光器和放大器组成的阵列，阵列中包含所述增益光纤的数目可变。
(三)有益效果
根据本发明，由于将气体泵浦与增益光纤相融合，气体放电可以对增益光纤直接进行泵浦，简化了实验装置，金属镀膜或者加入布拉格反射镜可以增加泵浦光的吸收，光纤结构使得激光器散热性能良好，并且气体泵浦输出能量大，峰值功率高，制造成本低，有利于光纤激光器或放大器的高功率输出。
附图说明
图1为依照本发明实施例1的嵌入式气体放电泵浦掺稀土粒子增益光纤激光器结构示意图；
图2为依照本发明实施例2的嵌入式气体放电泵浦掺稀土粒子增益光纤激光器结构示意图；
图3为依照本发明实施例3的嵌入式气体放电泵浦掺稀土粒子增益光纤放大器结构示意图；
图4为依照本发明实施例4的嵌入式气体放电泵浦掺稀土粒子增益光纤激光器结构示意图；
图5为依照本发明实施例5的嵌入式气体放电泵浦掺稀土粒子增益光纤激光器结构示意图；
图6为依照本发明实施例6的嵌入式气体放电泵浦掺稀土粒子增益光纤阵列结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明采取以下技术方案：一种嵌入式气放电泵浦掺稀土粒子增益光纤及激光器和放大器。所述增益光纤主要由工作气体、气体空腔、电极、密封套、掺杂纤芯及光纤包层组成，所述嵌入式气体泵浦掺稀土粒子增益光纤激光器主要由所述增益光纤及谐振腔组成，所述谐振腔主要由全反镜及微调镜架或者光纤光栅组成，所述嵌入式气体放电泵浦掺稀土粒子增益光纤放大器主要由所述增益光纤组成。其特征在于所述气体空腔嵌入所述增益光纤中或者将所述增益光纤嵌入所述气体空腔中，所述气体空腔内加所述工作气体，两端密封，加上所述电极，可以通过所述工作气体放电，直接对所述增益光纤进行泵浦。对所述增益光纤，可以采用光反射方法，使得所述工作气体辐射光全反射入所述光纤内包层中，增大泵浦吸收效率。其目的是设计一种低成本的高峰值功率掺稀土粒子增益光纤及激光器和放大器。与现有技术相比，具有减小光纤激光器和放大器成本，散热效果好等优点。
其中，所述工作气体可以是惰性气体，如氪、氙等，也可以是金属蒸气，如水银、铬等；所述稀土离子可以是钕、镱等。
其中，所述气体空腔可以是圆柱形或者环形，数目为一个或多个。可以对称分布或非对称分布。
其中，所述气体空腔可嵌入所述光纤内包层中或者内包层外或者将所述增益光纤嵌入所述气体空腔中。
其中，所述增益光纤可以是单芯或者多芯光纤，所述纤芯可以对称或者非对称分布，工作方式可以是串联或者并联。
其中，所述光反射方法可以是在所述光纤内包层壁上或者所述气体空腔外壁上镀金属膜或者采用布拉格反射镜。
其中，所述的密封套可采用焊料封装和过渡玻璃封装。
其中，所述电极可以是在所述气体空腔两端封入正、负两根电线，通过外部电源驱动提供放电电压。所述电极采用特殊处理的抗气体放电腐蚀的金属材料，如氙气作为工作气体时，阳极一半采用含钍钨合金，阴极一般采用钨晶片；也可以在两端光纤壁上穿孔，与气体空腔连通，外面加气泡，气泡上常规电极，可以避免电极被烧坏。
其中，所述谐振腔可以是平面反射镜或者光纤光栅。
其中，所述增益光纤及激光器和放大器，可以是单个光纤及激光器和放大器，也可以是一个光纤及激光器和放大器阵列，阵列中包含所述增益光纤的数目可变。
第一个实施例如图1所示，本实施例为嵌入式氙气放电泵浦增益光纤激光器，增益光纤由氙气1、气体空腔2、密封套3、电极4、纤芯5、内包层6及外包层7组成，谐振腔主要由全反镜8组成。电极4嵌入气体空腔中，采用特殊处理的钨材料，阳极为含钍钨合金，阴极为钨晶片，具有抗氙气放电腐蚀的特性。光纤设在谐振腔之间，纤芯5为钕玻璃材料，左端采用全反镜8，右端光纤垂直抛光作为激光输出端。气体空腔2为4个圆柱形，对称分布在光纤内包层中，光纤内包层壁镀金属膜9。
本实施例中气体空腔2参数取决于双包层光纤参数，氙气1的充气压取决于脉冲能量或者连续功率要求，电极4的参数取决于放电压要求，嵌入长度满足电极固定要求，全反镜8参数取决于双包层光纤及输出激光参数，金属膜9参数取决于光纤及气体空腔2参数，满足氙气辐射光的全反射要求。
本实施例中对电极4提供放电电流，根据激光器对泵浦脉冲波长、功率及脉冲时间或者功率的要求，通过改变输入电能和放点时间来控制放电电流密度，使氙气辐射光谱满足激光器泵浦要求。氙气放电提供的辐射光向四周传播，达到内包层6壁时通过金属膜9全反射入内包层6，辐射光被限制在内包层6中，从而对增益光纤进行泵浦。
谐振腔左端采用全反镜8，右端光纤垂直抛光作为输出端，具有4％反射率，激光在谐振腔中来回振荡，最终达到稳定输出。
第二个实施例如图2所示，本实施例为嵌入式氪气放电泵浦增益光纤激光器，增益光纤由氪气1、气体空腔2、密封套3、电极4、纤芯5、内包层6及外包层7组成，谐振腔主要由全反镜8组成。电极4嵌入气体空腔中，采用特殊处理的钨材料，阳极为含钍钨合金，阴极为钨晶片，具有抗氪气放电腐蚀的特性。增益光纤设在谐振腔之间，纤芯5为钕玻璃材料，左端采用全反镜8，右端光纤垂直抛光作为激光输出端。气体空腔2为环形结构，分布在内包层中，光纤内包层壁镀金属膜9。
本实施例中气体空腔2参数取决于双包层光纤参数，氪气1的充气压取决于激光功率要求，电极4的参数取决于放电压要求，嵌入长度满足电极固定要求，全反镜8参数取决于双包层光纤及输出激光参数，金属膜9参数取决于光纤及气体空腔2参数，满足氪气辐射光的全反射要求。
本实施例中对电极4提供放电电流，通过改变输入电能和放点时间来控制放电电流密度，使氪气辐射光谱满足激光器泵浦光功率要求。氪气放电提供的辐射光向四周传播，达到内包层6壁时通过金属膜9全反射入内包层6，辐射光被限制在内包层6中，从而对增益光纤进行泵浦。
谐振腔左端采用全反镜8，右端光纤垂直抛光作为输出端，具有4％反射率，激光在谐振腔中来回振荡，最终达到稳定输出。
第三个实施例如图3所示，本实施例为嵌入式氙气放电泵浦增益光纤放大器，增益光纤由氙气1、气体空腔2、密封套3、电极4、纤芯5、内包层6及外包层7组成，电极4嵌入气体空腔中，采用特殊处理的钨材料，阳极为含钍钨合金，阴极为钨晶片，具有抗氙气放电腐蚀的特性。增益光纤左端连接种子源8，纤芯5为钕玻璃材料。气体空腔2为环形结构，分布在内包层中，光纤内包层外采用布拉格反射镜9。
本实施例中氙气空腔2参数取决于双包层光纤参数，氙气1的充气压取决于脉冲能量或者连续功率的要求，电极4的参数取决于放电压要求，嵌入长度满足电极固定要求，种子源参数取决于所需输出激光参数，布拉格反射镜9参数取决于光纤及气体空腔2参数，满足氙气辐射光的全反射要求。
本实施例中对电极4提供放电电流，根据激光器对泵浦脉冲波长、功率及脉冲时间的或者功率要求，通过改变输入电能和放点时间来控制放电电流密度，使氙气辐射光谱满足激光器泵浦要求。氙气放电提供的辐射光向四周传播，达到内包层6壁时通过布拉格反射镜9全反射入内包层6，辐射光被限制在内包层6中，从而对增益光纤进行泵浦。
光纤左端与激光种子源连接，信号光在光纤放大过程中获得增益，由光纤右端输出。
第四个实施例如图4所示，本实施例为嵌入式氙气放电泵浦增益光纤激光器，增益光纤由氙气1、氙气空腔2、密封套3、电极4、纤芯5、内包层6及外包层7组成，光纤壁上穿孔与气体空腔2连通，外面加氙气泡10，氙气泡10上加常规电极4，这样可以避免电极被烧坏，谐振腔主要由全反镜8组成。增益光纤设在谐振腔之间，纤芯5为钕玻璃材料，且具有3个纤芯，并联式工作。左端采用全反镜8，右端光纤垂直抛光作为激光输出端。气体空腔2为环形结构，分布在内包层外，气体空腔2外壁镀金属膜9。
本实施例中气体空腔2参数取决于双包层光纤参数，氙气1的充气压取决于脉冲能量或者连续功率要求，电极4的参数取决于放电压要求，嵌入长度满足电极固定要求，全反镜8参数取决于双包层光纤及输出激光参数，金属膜9参数取决于光纤及气体空腔2参数，使得氙气辐射光不能从气体空腔2外壁辐射出去。
本实施例中对电极4提供放电电流，根据激光器对脉冲波长、功率及脉冲时间或者功率的要求，通过改变输入电能和放点时间来控制放电电流密度，使氙气辐射光谱满足激光器泵浦要求。氙气放电提供的辐射光由于金属镀膜9只能从气体空腔2内壁辐射出去，使辐射光被限制在内包层6中，从而对增益光纤进行泵浦。
谐振腔左端采用全反镜8，右端光纤垂直抛光作为输出端，具有4％反射率，激光在谐振腔中来回振荡，最终达到稳定输出。
第五个实施例如图5所示，本实施例为嵌入式氙气放电泵浦增益光纤激光器，增益光纤由氙气1、气体空腔2、密封套3、电极4、五个对称分布的增益光纤组成，增益光纤由纤芯5及内包层6组成，谐振腔主要由光纤光栅7组成。由于气体空腔2尺寸较大，电极4加在气体空腔2两端，采用常规氙灯电极。增益光纤设在气体空腔2中，纤芯5为钕玻璃材料，两端的封装套3同时起着密封氙气1和固定光纤的作用，光纤两端余留一定长度与光纤光栅7熔接，气体空腔2为圆柱形。
本实施例中氙气空腔2参数取决于增益光纤参数，氙气1的充气压取决于脉冲能量或者连续功率要求，光纤光栅7参数取决于增益光纤及输出激光参数，
本实施例中对电极4提供放电电流，根据激光器对脉冲波长、功率及脉冲时间或者功率的要求，通过改变输入电能和放点时间来控制放电电流密度，使氙气辐射光谱满足激光器泵浦要求。氙气1放电提供的辐射光向四周传播，直接对分布在腔内的增益光纤进行泵浦。
谐振腔采用光纤光栅7，根据输出激光波长要求设置光栅反射率参数，激光在谐振腔中来回振荡，最终达到稳定输出。
第六个实施例如图6所示，本实施例为嵌入式氙气放电泵浦增益光纤阵列，本阵列中包含三个增益光纤，增益光纤由氙气1、气体空腔2、密封套3、纤芯4、内包层5、外包层6组成，纤芯4为钕玻璃材料，气体空腔2为环形结构，分布在内包层外，气体空腔2外壁镀金属膜9。光纤壁上穿孔与气体空腔2连通，外面加氙气泡7，氙气泡7将三个增益光纤的气体空腔2联通，上面加上常规电极8，电极8采用特殊处理的钨材料，阳极为含钍钨合金，阴极为钨晶片，具有抗氙气放电腐蚀的特性。在光纤阵列两端加上相应的谐振腔或者种子源，可以构成光纤激光器或放大器。
采用光纤阵列不仅可以提高输出激光功率，还可以采用常规尺寸的电极8，避免电极8被烧坏。
本发明还提供一种系统，包括上述的嵌入式气体放电泵浦掺稀土粒子增益光纤、激光器和放大器，其中，其包括单个增益光纤及激光器和放大器；
或者，包括一个由增益光纤、激光器和放大器组成的阵列，阵列中包含所述增益光纤的数目可变。
上述实施例只是给出了该嵌入式气体放电泵浦光纤激光器的五种结构布局，并没有描述所有的可能。实际上，只要将气体空腔嵌入到增益光纤中或者将增益光纤嵌入到气体空腔中，腔内加工作气体，两边加密封套，端面或者侧壁加电极，并通过镀膜或者采用布拉格反射镜使得工作气体辐射光被限制在光纤内包层中，通过气体放电对增益光纤进行泵浦的光纤及光纤激光器和放大器，即为本发明所涵盖的范围。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (13)
1.一种嵌入式气体放电泵浦掺稀土粒子增益光纤，其特征在于，包括：工作气体、气体空腔、电极、密封套、掺杂纤芯及光纤包层，其中，所述气体空腔嵌入所述增益光纤中或者所述增益光纤嵌入所述气体空腔中，所述气体空腔内加所述工作气体，两端密封，加上所述电极，通过所述工作气体放电，对所述增益光纤进行泵浦。
2.如权利要求1所述的光纤，其特征在于：所述工作气体是惰性气体或者金属蒸气。
3.如权利要求1所述的光纤，其特征在于：所述增益光纤中掺杂多种稀土元素。
4.如权利要求1或2所述的光纤，其特征在于：所述气体空腔可是圆柱形或者环形，数目为一个或多个，对称分布或非对称分布。
5.如权利要求4所述的光纤，其特征在于：所述气体空腔嵌入所述光纤内包层中或者内包层外或者将所述增益光纤嵌入所述气体空腔中。
6.如权利要求1或2所述的光纤，其特征在于：所述增益光纤是单芯或者多芯光纤，所述纤芯对称或者非对称分布，工作方式是串联或者并联。
7.如权利要求1或2所述的光纤，其特征在于：所述密封套采用焊料封装和过渡玻璃封装。
8.如权利要求1或2所述的光纤，其特征在于：所述电极为在所述气体空腔两端封入正、负两根电线，通过外部电源驱动提供放电电压；或者，
所述电极为在所述光纤两端光纤壁上穿孔，与气体空腔连通，外部加气泡，气泡上加常规电极。
9.如权利要求1或2所述的光纤，其特征在于：所述电极采用抗气体放电腐蚀的金属材料。
10.一种嵌入式气体放电泵浦掺稀土粒子增益光纤激光器，其特征在于，包括：权利要求1～9中任一项所述的嵌入式气体放电泵浦掺稀土粒子增益光纤，以及谐振腔，其中，所述谐振腔包括全反镜及微调镜架或者光纤光栅。
11.如权利要求10所述的激光器，其特征在于：所述谐振腔为平面反射镜或者光纤光栅。
12.一种嵌入式气体放电泵浦掺稀土粒子增益光纤放大器，其特征在于，包括：权利要求1～9中任一项所述的嵌入式气体放电泵浦掺稀土粒子增益光纤。
13.一种嵌入式气体放电泵浦掺稀土粒子增益光纤系统，包括如权利要求1～9中任一项所述的嵌入式气体放电泵浦掺稀土粒子增益光纤、权利要求10所述的激光器和权利要求12所述的放大器，其中，其包括单个增益光纤及激光器和放大器；
或者，包括一个由增益光纤、激光器和放大器组成的阵列，阵列中包含所述增益光纤的数目可变。
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