CN103746278A - 百瓦级掺铥单模连续全光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种百瓦级掺铥单模连续全光纤激光器，该激光器主要实现80W~150W中红外2um波段激光连续输出。该激光器由带尾纤输出的二极管泵浦源、泵浦合束器、信号光反射光纤光栅、双包层掺铥光纤、光纤模式滤波器、输出耦合光纤光栅和包层光剥离器组成。泵浦合束器的泵浦输入端与二极管泵浦源相连接，合束器信号输出端光纤与信号光反射光纤光栅相连接，信号光反射光纤光栅与输出耦合光纤光栅之间依次熔接双包层掺铥光纤、光纤模式滤波器，输出耦合光纤光栅另一端与包层光剥离器相连接，包层光剥离器的另一端作为激光输出端。本发明为光纤激光器振荡级结构，整个系统元器件数量少，结构简单、紧凑，采用水冷方式，具有高光束质量、高可靠性、高稳定性、高转换效率等显著优点，非常适合产品化。
Description
技术领域
本发明涉及一种高功率掺铥连续全光纤激光器。
背景技术
近十年来，铥激光正越来越广泛地被应用到生物医学领域。由于水分子对该波段光的强吸收，2μm激光对组织的穿透深度很浅，因此有很高的外科手术精确度，且对人眼安全，可以使用纤细的石英光纤传输能量到达手术治疗界面，是进行微创手术的最理想激光类型。
目前比较有效实现该波段激光的方法有固体激光器和光纤激光器两种，高功率掺铥光纤激光器与固体激光器相比，具有效率高、散热特性好、输出光束质量好等显著优势，已广泛引起生物医学领域的重视。尤其是80W~150W中红外2um连续全光纤激光器非常适合应用在生物组织切割研究领域。
国内外只有少数几家单位在做这方面的研究。国内的上海交通大学和国防科技大学也对这方面进行了研究，但这些研究仅限于实验室，所用方案使用了大量光学镜片、精密调整架等空间元件，很难实现产品化。国外比较著名的主要有美国IPG公司和英国南安普顿大学光电研究中心等，它们采用了种子源加放大器的全光纤结构。与其相比，本发明涉及的激光器结构简单，元器件数量少，并且可以解决全光纤激光器中全反射光纤光栅在大模场双包层光纤中对基模反射率不高及对高阶模反射率不可控带来的问题，易于实现产品化。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的问题及缺点，提供一种百瓦级掺铥单模连续全光纤激光器，整个系统元器件数量少，结构简单、紧凑，采用水冷方式，具有高光束质量、高可靠性、高稳定性、高转换效率等显著优点，非常适合产品化。
本发明的技术解决方案如下：
百瓦级掺铥单模连续全光纤激光器，如图1所示，采用F-P腔振荡结构，其特征在于：由带尾纤输出的二极管泵浦源（1）、泵浦合束器（2）、信号光反射光纤光栅（3）、双包层掺铥光纤（4）、光纤模式滤波器（5）、输出耦合光纤光栅（6）、包层光剥离器（7）组成。泵浦合束器（2）的泵浦输入端与二极管泵浦源（1）相连接，泵浦合束器（2）信号输出端光纤与信号光反射光纤光栅（3）相连接，信号光反射光纤光栅（3）与输出耦合光纤光栅（6）之间依次熔接双包层掺铥光纤（4）、光纤模式滤波器（5），输出耦合光纤光栅（6）另一端与泵浦光剥离器（7）相连接，泵浦光剥离器（7）的另一端作为激光输出端。该激光器可以输出2um波段激光功率80W~ 150W。
所述的带尾纤输出的二极管泵浦源（1）输出波长为793nm，尾纤为多模光纤，为防止合束器泵浦端反馈光损坏泵浦源，泵浦源带有对1900~2100nm波段激光的防护功能。
所述的泵浦合束器（2）泵浦输入端为多根与泵浦源（1）尾纤相同的多模光纤，使多束泵浦光实现合束，该合束器具有较大的反向隔离度，可以保证带尾纤输出的二极管泵浦源（1）不会因为反馈功率过大而损坏。
所述的信号光反射光纤光栅（3）对793nm泵浦光高透，透过率大于99%；对信号光反射，反射率大于98%，信号光的波长在1900～2100nm范围可选。
所述的双包层掺铥光纤（4）为双包层光纤，其纤芯材料为掺铥石英玻璃，内包层的横截面是八角形或者非圆形的其它形状。该光纤为大模场面积光纤，以保证实现高功率激光的输出。
所述的光纤模式滤波器（5）是通过对大模场双包层光纤进行拉锥，使拉锥区仅仅支持单模传输，高阶模式被滤除，从而保证光纤激光腔中只有单模振荡输出。
所述的输出耦合光纤光栅（6）对793nm泵浦光高透，透过率大于99%；对信号光部分反射，反射率为5%-20%。其与信号光反射光纤光栅（3）构成激光器的谐振腔，信号光反射光纤光栅（3）选取的信号光波长与输出耦合光纤光栅（5）的反射波长相匹配。
所述的包层光剥离器（7）可以实现对双包层光纤包层中残留光的剥离，泵浦光可以实现20dB的剥离，从而大大减少输出端包层光的功率，有利于对光纤输出端面的保护。
附图说明
图1 本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行详细的说明，但不应以此限制本发明的保护范围：
如图1所示，本发明采用F-P腔振荡结构，其特征在于：该结构由带尾纤输出的二极管泵浦源（1）、泵浦合束器（2）、信号光反射光纤光栅（3）、双包层掺铥光纤（4）、光纤模式滤波器（5）、输出耦合光纤光栅（6）和包层光剥离器（7）组成。泵浦合束器（2）的泵浦输入端与二极管泵浦源（1）相连接，泵浦合束器（2）信号输出端光纤与信号光反射光纤光栅（3）相连接，信号光反射光纤光栅（3）与输出耦合光纤光栅（6）之间依次熔接双包层掺铥光纤（4）、光纤模式滤波器（5），输出耦合光纤光栅（6）另一端与包层光剥离器（7）相连接，包层光剥离器（7）的另一端作为激光输出端。该激光器可以输出2um波段激光功率80W~ 150W。
所述的带尾纤输出的二极管泵浦源（1）输出波长为793nm，单个输出功率为50W，采用6个泵浦源总功率为300W，6个泵浦源尾纤分别与泵浦合束器（2）的6根泵浦输入端相熔接，使泵浦功率以最少的损耗耦合进泵浦合束器（2）信号输出端光纤的包层内。
所述的泵浦合束器（2）采用（6+1）*1的合束器，该合束器是把6个泵浦端输入的泵浦光合束到信号输出端的光纤包层内。泵浦合束器（2）有6个泵浦输入端、一个信号输入端和一个信号输出端。泵浦合束器（2）的信号输出端光纤与信号光反射光纤光栅（3）的一端熔接，该熔接需要尽量保证信号光的损耗最小。
所述的信号光反射光纤光栅（3）是对793nm泵浦光高透，透过率大于99%；对信号光1940nm反射，反射带宽为1.5nm，反射率大于98%。
所述的双包层掺铥光纤（4）是大模场面积双包层光纤，其纤芯材料为掺铥石英玻璃，内包层的横截面是八角形，其参数需要与无源光纤相匹配，才能保证熔接时损耗最小。双包层掺铥光纤（4）需要进行有效散热，才能达到最好的激光转换效率。双包层掺铥光纤（4）的另一端与光纤模式滤波器（5）的一端熔接。
所述的光纤模式滤波器（5）是对25/400um的双包层光纤拉锥成200um，高阶模式将无法通过拉锥区，从而保证光纤激光腔中只有单模振荡输出。
所述的输出耦合光纤光栅（6）对793nm泵浦光高透，透过率大于99%；对信号光1940nm部分反射，反射带宽为0.5nm，反射率为10%。其与信号光反射光纤光栅（3）构成激光器的谐振腔。
所述的包层光剥离器（7）一端与输出耦合光纤光栅（6）相熔接，实现对双包层光纤包层中残余光的剥离，从而大大减少输出端包层光的功率，有利于对光纤输出端面的保护。
随着泵浦光的增加，在解决好双包层掺铥光纤（4）的散热情况下，激光输出功率可以达到80W~150W，波长相匹配的信号光反射光纤光栅（3）和输出耦合光纤光栅（5）可以实现对激光波长的选择。
我们采用这种结构获得了最大150W功率1940nm激光的输出。
Claims (8)
1.百瓦级掺铥单模连续全光纤激光器，其特征在于由带尾纤输出的二极管泵浦源（1）、泵浦合束器（2）、信号光反射光纤光栅（3）双包层掺铥光纤（4）、光纤模式滤波器（5）、输出耦合光纤光栅（6）和包层光剥离器（7）组成，泵浦合束器（2）的泵浦输入端与二极管泵浦源（1）相连接，泵浦合束器（2）信号输出端光纤与信号光反射光纤光栅（3）相连接，信号光反射光纤光栅（3）与输出耦合光纤光栅（6）之间依次熔接双包层掺铥光纤（4）、光纤模式滤波器（5），输出耦合光纤光栅（6）另一端与包层光剥离器（7）相连接，包层光剥离器（7）的另一端作为激光输出端。
2.根据权利要求1所述的百瓦级掺铥单模连续全光纤激光器，其特征在于：所述的带尾纤输出的二极管泵浦源（1）输出波长为793nm，尾纤为多模光纤。
3.根据权利要求1所述的百瓦级掺铥单模连续全光纤激光器，其特征在于：所述的泵浦合束器（2）为（6+1）×1合束器，泵浦输入端为多根与泵浦源（1）尾纤相同的多模光纤。
4.根据权利要求1所述的百瓦级掺铥单模连续全光纤激光器，其特征在于：所述的信号光反射光纤光栅（3）对793nm泵浦光高透，透过率大于99%；对信号光反射，信号光的波长范围为1900～2100nm，反射率大于98%。
5.根据权利要求1所述的百瓦级掺铥单模连续全光纤激光器，其特征在于：所述的双包层掺铥光纤（4）是大模场面积双包层光纤，内包层的横截面是八角形。
6.根据权利要求1所述的百瓦级掺铥单模连续全光纤激光器，其特征在于：所述的光纤模式滤波器（5）采用对大模场双包层光纤高阶模式有滤除作用的光纤模式滤波器。
7.根据权利要求1所述的百瓦级掺铥单模连续全光纤激光器，其特征在于：所述的输出耦合光纤光栅（6）对793nm泵浦光高透，透过率大于99%；对信号光部分反射，信号光的波长范围为1900～2100nm，反射率为5%～20%。
8.根据权利要求1所述的百瓦级掺铥单模连续全光纤激光器，其特征在于：所述的包层光剥离器（7）采用对双包层光纤包层光剥离度为20dB的包层光剥离器。
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