CN103811978A

CN103811978A - 拉曼光纤激光器

Info

Publication number: CN103811978A
Application number: CN201210453691.1A
Authority: CN
Inventors: 耿振民
Original assignee: WUXI CINSEC INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: WUXI CINSEC INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2012-11-13
Publication date: 2014-05-21

Abstract

一种拉曼光纤激光器，包括：泵浦源，第一光栅，其构成第一斯托克斯分量的光学谐振腔的无窗式分布式反射器，光纤光波导，第二反射器，其构成所述谐振腔的输出式分布反射器，其特征在于：所述光纤光波导为光子晶体光纤。

Description

拉曼光纤激光器

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体涉及拉曼光纤激光器。

背景技术

光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光器可在光纤放大器的基础上开发出来：在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当适当加入正反馈回路（构成谐振腔）便可形成激光振荡输出。

光纤激光器应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/切割/焊接（铜焊、淬水、包层以及深度焊接）、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设,作为其他激光器的泵浦源等。

拉曼光纤激光器是常见的光纤激光器之一，现有技术中专利CN101494353B公开了一种ＴＨｚ拉曼光纤激光器，它是由泵浦源、耦合系统和金属镀层气芯光纤组成，其金属镀层光纤纤芯中充有ＴＨｚ活性气体，光纤前后两端加装封帽，封帽端头与金属镀层空芯光纤的端头平行；所述的泵浦源为射频运转的ＣＯ↓［2］或Ｎ↓［2］Ｏ激光器；所述的耦合系统为红外激光透镜组耦合系统。本发明拉曼光纤激光器在低损耗的金属镀层光纤纤芯中充入低压ＴＨｚ活性气体，制成ＴＨｚ活性光纤，代替粗重的石英管或大容器，用红外激光泵浦光纤产生ＴＨｚ波，泵浦光在光纤中的有效路径大大增加了，与石英管或大容器相比，相同长度的光纤效率更高，而且由于光纤质量轻、体积小和可弯曲的特性，使整套仪器更紧凑、灵活。

US2010/0284060A1公开了一种拉曼光纤激光器，包括：泵浦源，在源波长下提供泵浦功率；级联拉曼谐振器，所述泵浦功率作为输入发送到所述级联拉曼谐振器中，其中所述级联拉曼谐振器包括用于在所述泵浦功率中产生第一斯托克斯频移的一个或多个的嵌套拉曼腔体，从而提供从所述源波长到输出波长的逐步转换；以及位于所述级联拉曼谐振器之前的依赖于波长的损耗元件，其中所述依赖于波长的损耗元件被配置为以低损耗在所述源波长下传送光功率，并且在近似等于所述拉曼谐振器中的第一斯托克斯频移反射器的波长的波长下提供高损耗，从而所述依赖于波长的损耗元件减小反向传播回所述泵浦源中的光功率。

长春理工大学的谭勇等人报道了一种声光滤波可调谐拉曼光纤激光器，其，采用标准单模光纤作为工作物质，在光纤的输入端连接高反的布拉格光纤光栅，同时为了提高抽运光的利用率，在光纤的输出端连接一个工作波长为1064ｎｍ的高反射布拉格光纤光栅。当达到阈值时，输出激光波长分别为1116ｎｍ、1175ｎｍ、1180ｎｍ、1245ｎｍ。多波长激光进入近红外声光可调滤光器（ＡＯＴＦ），通过对调谐加载在ＡＯＴＦ上的超声波频率，改变其透射光谱范围，获得确定波长的激光输出。此技术解决了激光波长叠加的问题，该激光具有良好的光束质量，单色性、方向性和稳定性，可以广泛应用于传感器、光纤通信、光谱技术等领域。

但是在现有的报道中并没有关于将光子晶体光纤应用于拉曼光纤激光器的报道。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种拉曼光纤激光器，该拉曼光纤激光器采用了一种新型的光子晶体光纤，其与现有的拉曼光纤激光器相比具有光输出质量较高，光纤抗光损伤的阈值较高，因此，其输出功率能够明显高于现有的常规的光纤激光器。

具体技术方案如下：

所述光子晶体光纤包括：纤芯、形成在上述纤芯周围的包层，和形成在该包层内的多个通孔，从上述包层的端部入射激励光，在所述多个通孔中填充有介电常数为1.6-2.8的液体材料。

所述多个通孔中至少存在两种以上直径大小不同的通孔。

所述多个通孔分布在距离所述纤芯远近不同的所述光纤的径向位置处

附图说明

图1表示辐射波长为1.24μm的喇曼激光器；

图2表示辐射波长为1.48μm的喇曼激光器；

图3是光纤激光器用光纤的截面图。

图4是本发明另外一个实施例中的光子晶体光纤的截面图。

符号说明

1 光纤激光器用光纤

2 稀土族添加芯

3 包层

4 通孔

X 稀土族添加芯附近的包层

具体实施方式

下面按照附图说明本发明的优选实施方式。

具体实施方式

辐射波长为1.24μm的喇曼激光器(图1)，包括一个泵浦源1，光纤光波导2，作为布喇格光纤光栅3和4的光纤光波导部分，光栅3构成了第一斯托克斯分量之光学谐振腔的无窗分布式反射器，而反射器4是该谐振腔的输出分布式反射器。泵浦源1的类型，及它的调整(如果有)，它的辐射波长，都可以在喇曼激光器辐射波长可精确调整的基础上加以选择。

激光器(图1)按下列方式工作。由于受激复合散射的原因，来自于泵浦源1的泵浦光转换到光纤光波导2中。在设计原型的输出端处获得第三斯托克斯分量；在所提出的激光器(图1)中获得第一斯托克斯分量。向第一斯托克斯分量转换的效率明显高于向第三分量转换的效率，而且自身转换较为简单。为了提高效率，在激光器(1)中，如同在设计原型中一样，其谐振能量转换在第一斯托克斯辐射多次通过反射器(布喇格光栅)3和4构成的谐振腔过程中进行。但是在设计原型中，不仅第一，而且第二和第三斯托克斯分量同样需要谐振腔。

与第一方案(图1)类似的辐射波长为1.48μm的喇曼光纤激光器(图2)，还包含作为布喇格光纤光栅5和6的光纤光波导部分，光栅5构成了第二斯托克斯分量的光学谐振腔的无窗分布式反射器，而反射器6-该谐振腔的输出反射是分布式反射器。而且，有第二光栅3，而非光栅4。第二斯托克斯分量在此激光器(图2)中获得，而紧接着是第六分量。向第二斯托克斯分量转换的效率明显高于第六分量，而且自身转换比较简单。第一，第二，第三，第四，第五和第六斯托克斯分量都需要光学谐振腔，而在所提出的激光器(图2)中仅第一，第二分量需要。

图3是表示本发明优选实施方式的光纤激光器用光纤横截面图。

如图3所示，本发明的光纤激光器用光纤1具有通过进行规定的激励而发光的发光功能，并通过使该发出的光进行反射激励而成为激光振荡介质。

该光纤激光器用光纤1具备添加了稀土族元素的稀土族添加芯2、形成在该稀土族添加芯2周围的包层3、和在该包层3内以包围稀土族添加芯2的方式形成的多个通孔4。

在所述多个通孔4中填充有导热性能良好的、具有特定介电常数为1.6-2.8的液体材料，优选采用水、甘油等常规的液体材料，由于在通孔中填充了上述导热性能良好的液体材料，因此，相比于填充材料为空气的情况，芯部2产生的热量能够相对较好的向外扩散，提高了光子晶体光纤的散热性能，从而提高了光子晶体光纤的光损伤阈值。另外通过改变所述填充材料可以改变光子晶体的光学禁带宽度，从而实现对激光器的调谐。

在稀土族添加芯2中(在图3中的挂暗网的部分表示的中心部分)微量地添加(掺杂)了Yb、Er、Er/Yb、Tm、Nd等稀土族元素。在本实施方式中，激励光Le的波长为λe(915nm或975-980nm)，为了出射波长λ(1030-1100nm)的激光L，作为稀土族元素使用了Yb。Yb是适合波长λe的激励光L的吸收和波长λ光的放大(受激发射)的稀土族元素。

包层3由纯石英构成。各通孔4沿光纤的长度方向贯通地形成，在稀土族添加芯2的周围排列成蜂窝状，从而在包层3内形成光学晶体结构。

因此，光纤激光器用光纤1是一种PCF。形成了通孔4的部分的包层3成为激励波导。若将各通孔4的外经(通孔直径)设为d、将通孔间距离设为Λ则作为PCF的光纤激光器用光纤1的结构参数和特性由d/Λ决定。

进而，在光纤激光器用光纤1中，在稀土族添加芯2附近的包层3(在图3中用挂明网的部分X表示)中添加折射率增加剂，使稀土族添加芯2附近的包层3的折射率接近稀土族添加芯2的折射率。在本实施方式中，折射率增加剂使用Cl、使稀土族添加芯2和与其相邻的通孔4(图3中为6个通孔4)附近的包层3的折射率之差几乎等于零(稀土族添加芯2附近的包层3的折射率与稀土族添加芯2的折射率一致)。

下面详细说明光纤激光器用光纤1的一例。

1)宽频带单模条件结构设计

首先，为了使光纤激光器用光纤1在宽频带中动作，设定通孔4的外经d与相邻通孔4的中心间距离(通孔间距离)Λ之比d/Λ。

若设在光纤激光器用光纤1中传输的激光振荡光L的波长为λ、设稀土族添加芯2的折射率为nc、设成为稀土族添加芯2的附近的Cl添加包层3的折射率为ncl，则标准频率Veff由式(1)表示。

式1Veff(λ)＝2πΛ/λ√nc²(λ)-ncl²(λ) (1)

根据式(1)可知，Veff＜π时，光纤激光器用光纤1在光纤全长上进行单模动作。

附图4示出了本发明所使用的光子晶体光纤束，其中可以看出，在该光子晶体光纤束中具有四根光子晶体光纤，它们分别位于左上角，右上角，左下角和右下角。并且在每根光子晶体光纤的二维光子晶体的周期结构中心均存在一个缺陷位，并且在每根光子晶体光纤中掺杂有与光子晶体光纤所能传导的光波长相对应的增益物质。

使用上述的结构的光子晶体光纤作为可调谐光纤激光器的增益光纤之后，就可以实现四个不同波长的可调谐输出，其中调谐的手段可以是利特罗光栅，所采用的调谐手段均是现有技术已知的，在此不需要进行详细描述。上述的四个波长分别是由四个角位置上的二维光子晶体结构和其中掺杂的增益物质所决定的，由于每个波长均是由每个周期结构的光子晶体光纤所限定的，所以当调谐到该波长输出的时候，其会具有对于外界环境并不敏感的稳定的输出。

应该可以理解，二维光子晶体结构的数量并不局限于四种，需要几种波长输出就可以设置几种结构，例如两种，三种，五种均是可以的。也即在光纤束中可包括两根，三根或五根具有不同掺杂和不同周期结构的光子晶体光纤。并且，几种二维光子晶体结构的位置分布可随意设置，只要能够保证正常工作即可。

Claims

1.一种拉曼光纤激光器，包括：泵浦源，第一光栅，其构成第一斯托克斯分量的光学谐振腔的无窗式分布式反射器，光纤光波导，第二反射器，其构成所述谐振腔的输出式分布反射器，其特征在于：所述光纤光波导为光子晶体光纤。

2.如权利要求1所述的拉曼光纤激光器，所述光子晶体光纤包括：纤芯、形成在上述纤芯周围的包层，和形成在该包层内的多个通孔，从上述包层的端部入射激励光，在所述多个通孔中填充有介电常数为1.6-2.8的液体材料。

3.如权利要求2所述的拉曼光纤激光器，所述多个通孔中至少存在两种以上直径大小不同的通孔。

4.如权利要求2所述的拉曼光纤激光器，所述多个通孔分布在距离所述纤芯远近不同的所述光纤的径向位置处。