CN103872559A - 输出高功率2微米激光的掺铥全光纤激光器 - Google Patents

Abstract

一种输出高功率2微米激光的掺铥全光纤激光器，包括N1个带尾纤输出头、输出波长为750纳米～820纳米的高功率激光二极管、N2个第一光纤合束器、N2个第一高反射率光纤光栅、N2段第一双包层掺铥光纤、N2个第一低反射率光纤光栅、N2个第一隔离器、N3个第二光纤合束器、N3个第二高反射率光纤光栅、N3段第二掺铥光纤、N3个第二低反射率光纤光栅、N3个第二隔离器、第三光纤合束器、第三高反射率光纤光栅、第三掺铥光纤、第三低反射率光纤光栅和高功率耦合输出头。本发明级联泵浦方式，获得高功率2微米激光输出，提高了光转换效率，减少了光纤中的热量。

Description

输出高功率2微米激光的掺铥全光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，特别是一种采用级联泵浦方式输出高功率2微米激光的掺铥全光纤激光器。

背景技术

2微米激光在国防、医疗及生物学研究等领域有着广泛的应用。因此2微米激光器一直是研究和应用推广的重点，尤其是输出高功率2微米激光的掺铥全光纤激光器。一方面是因为掺铥二氧化硅作为增益介质的一些特性。第一，掺铥二氧化硅在790纳米附近吸收峰的吸收截面很大。我们可以采用包层泵浦吸收790纳米附近的泵浦光，获得很高的增益，同时可以利用790纳米附近的激光二极管作为泵浦源。第二，掺铥二氧化硅在2微米附近发射谱很宽，可输出从1850纳米到2050纳米的激光，这意味着具有很宽的波长调谐范围，也意味着可以支持超短脉冲输出。第三，790纳米附近泵浦光能使铥三价阳离子引发能级间的交叉弛豫过程，从而使泵浦光到激光的量子效率大大提升。另一方面是因为光纤激光器的一些优良特性，如单模运转、光束质量高、全光纤化后易于集成为产品等。

目前获得2微米激光的光纤激光器的常见泵浦方式是：利用790纳米激光二极管或1500纳米光纤激光器直接泵浦掺铥光纤，获得2微米激光输出。尽管这种泵浦方式能够带来不错的效率（约50%），但同时也在掺铥光纤中产生了大量的热。大量的热量积累是绝不能忽视的问题，必须认真对待。例如，2微米光纤激光器输出功率为1000瓦，效率为50%，那么将在掺铥光纤中产生1000瓦的热量，当此热量不能够很好散出时，光纤会变得很热甚至损坏。显然，这种直接泵浦方式一次性产生的大量热量是很难处理的，这会限制我们对更高功率输出的追求。

综上所述，找到一种高效率、产热低、合理分配热量的方法，对于实现更高功率输出，如千瓦级别输出，是很有意义的。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种输出高功率2微米激光的掺铥全光纤激光器，采用级联泵浦的方式，实现高效率、产热低、合理分配热量。

本发明的技术解决方案如下：

一种输出高功率2微米激光的掺铥全光纤激光器，其特点在于，包括N1个带尾纤输出头、输出波长为750纳米～820纳米的高功率激光二极管、N2个第一光纤合束器、N2个第一高反射率光纤光栅、N2段第一双包层掺铥光纤、N2个第一低反射率光纤光栅、N2个第一隔离器、N3个第二光纤合束器、N3个第二高反射率光纤光栅、N3段第二掺铥光纤、N3个第二低反射率光纤光栅、N3个第二隔离器、第三光纤合束器、第三高反射率光纤光栅、第三掺铥光纤、第三低反射率光纤光栅和高功率耦合输出头；

上述各部件的连接关系如下：

所述的激光二极管的输出端分别与所述的第一光纤合束器的输入端连接，该第一光纤合束器的输出端分别依次经第一高反射率光纤光栅、第一双包层掺铥光纤、第一低反射率光纤光栅与所述的各第一隔离器的输入端连接，该第一隔离器的输出端分别与所述的第二光纤合束器的输入端连接，该第二光纤合束器的输出端分别依次经所述的第二高反射率光纤光栅、第二掺铥光纤、第二低反射率光纤光栅与所述的各第二隔离器的输入端连接，该第二隔离器的输出端分别与所述的第三光纤合束器的输入端连接，该第三光纤合束器的输出端依次经所述的第三高反射率光纤光栅、第三掺铥光纤、第三低反射率光纤光栅与所述的高功率耦合输出头连接。

所述的第二掺铥光纤和所述的第三掺铥光纤分别为双包层掺铥光纤或三包层掺铥光纤。

所述的三包层掺铥光纤的横截面由内至外依次为纤芯、内包层和外包层。

所述的外包层的材质为玻璃，其折射率低于内包层所用材质的折射率。

所述的外包层外还设有保护层，该保护层为丙烯酸酯材质。

所述的N1、N2、N3均为自然数，三者之间相互关联，N1与N2的关系由所选用的第一光纤合束器决定，N2与N3的关系由所选用的第二光纤合束器决定。

所述的第一高反射率光纤光栅与第一低反射率光纤光栅构成第一激光腔，其反射中心波长在1850纳米到1910纳米之间。

所述的第二高反射率光纤光栅与第二低反射率光纤光栅构成第二激光腔，其反射中心波长在1920纳米到1980纳米之间。

所述的第三高反射率光纤光栅与第三低反射率光纤光栅构成第三激光腔，其反射中心波长在1990纳米到2050纳米之间。

所述的第一双包层掺铥光纤、第二掺铥光纤和第三掺铥光纤纤芯中铥的三价阳离子的掺杂重量比均大于等于百分之一。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

通过一种级联泵浦，即通过较短波长掺铥光纤激光器泵浦掺铥光纤激光器的方式，获得高功率2微米激光输出。提高光转换效率，减少了光纤中的热量。

本发明采用级联泵浦的方式，相较于直接泵浦的方式，将热量分成了3个部分，对于每个部分的热量，都更容易维持在可承受范围之内。

本发明中用波长在1920纳米到1980纳米之间的激光作为泵浦源，去泵浦掺铥光纤，获得波长在1990纳米到2050纳米之间的激光，同时产生热量，该热量为第3部分热量。在1920纳米到1980纳米之间，选取1950纳米；在1990纳米到2050纳米之间，选取2000纳米。1950纳米至2000纳米的量子缺陷有2.50%。实际效率可以达到80%以上。意味着产生1千瓦2微米激光，只需要1.25千瓦1.95微米的泵浦源，其间产生的热量只有250瓦。1.25千瓦1.95微米的泵浦源可通过2个700瓦1.95微米激光器与第三光纤合束器实现。

本发明中用波长在1850纳米到1910纳米之间的激光作为泵浦源，去泵浦掺铥光纤，获得波长在1920纳米到1980纳米之间的激光，同时产生热量，该热量为第2部分热量。在1850纳米到1910纳米之间，选取1900纳米。1900纳米至1950纳米的量子缺陷有2.56%。实际效率可以达到80%以上。意味着产生700瓦1.95微米激光，只需要875瓦1.9微米的泵浦源，其间产生的热量只有175瓦。875瓦1.9微米的泵浦源可通过6个150瓦1.9微米激光器与第二光纤合束器实现。

本发明中用输出波长在750纳米到820纳米的带尾纤输出头的高功率激光二极管作为泵浦源，去泵浦掺铥光纤，获得波长在1850纳米到1910纳米之间的激光，同时产生热量，该热量为第1部分热量。在750纳米到820纳米之间，选取790纳米。790纳米至1900纳米的量子缺陷有58.42%。但因为交叉弛豫作用，目前激光器已经能达到50%效率。意味着产生150瓦1.9微米激光，只需要300瓦790纳米的泵浦源，其间产生的热量只有150W。300瓦790纳米的泵浦源可通过6个60瓦790纳米高功率激光二极管与第一光纤合束器实现。

这样各个环节热量都被控制在可承受范围之内，最高时为250瓦，相对于直接泵浦时候1000瓦的热量，改善了很多。这就意味着，采用级联泵浦的方式获得高功率2微米激光输出更具潜力。

附图说明

图1为本发明输出高功率2微米激光的掺铥全光纤激光器的结构示意图。

图2为掺铥光纤激光器吸收截面和发射截面示意图。

图3为三包层光纤横截面示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做详细的说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请参阅图1，图1是本发明采用级联泵浦方式输出高功率2微米激光的掺铥全光纤激光器的结构示意图，如图所示，一种采用级联泵浦方式输出高功率2微米激光的掺铥全光纤激光器，包括：N1个带尾纤输出头的高功率激光二极管1，N2个第一光纤合束器21，N2个第一高反射率光纤光栅31，N2段第一双包层掺铥光纤41，N2个第一低反射率光纤光栅32，N2个第一隔离器51，N3个第二光纤合束器22，N3个第二高反射率光纤光栅33，N3段第二掺铥光纤42，N3个第二低反射率光纤光栅34，N3个第二隔离器52，第三光纤合束器23，第三高反射率光纤光栅35，第三掺铥光纤43，第三低反射率光纤光栅36，高功率耦合输出头6。

本实施例中，采用带尾纤输出头的高功率激光二极管作为泵浦源1，输出波长为793纳米。双包层掺铥光纤41对793纳米附近的光吸收强，泵浦光在包层中传输时可以被很好的吸收。第一高反射率光纤光栅31与第一低反射率光纤光栅32形成第一激光腔，反射中心波长为1900纳米。793纳米泵浦光经过第一激光腔和第一双包层掺铥光纤41产生1900纳米激光。1900纳米激光将作为下一级激光器的泵浦源。第二高反射率光纤光栅33与第二低反射率光纤光栅34形成第二激光腔，反射中心波长为1950纳米。1900纳米泵浦光经过第二激光腔和第二双包层掺铥光纤42产生1950纳米激光。1950纳米激光将作为下一级激光器的泵浦源。第三高反射率光纤光栅35与第三低反射率光纤光栅36形成第三激光腔，反射中心波长为2000纳米。1950纳米泵浦光经过第三激光腔和第三双包层掺铥光纤43产生2000纳米激光。2000纳米激光最终经过高功率耦合输出头6输出。

图2为掺铥光纤激光器吸收截面和发射截面示意图，在掺铥光纤激光器中，1.9微米附近的泵浦光虽然吸收很少，但是可以通过增加掺铥光纤长度的方法来解决这个问题，达到吸收更多泵浦光的效果，进而产生2微米附近的激光。

在追求高功率输出的过程中，包层泵浦是一种不错的选择。它能够将更多的泵浦光汇集进掺杂光纤包层，用于泵浦。在本发明后两级中，如果采用传统的双包层光纤将导致泵浦光损失。原因是：其丙烯酸酯材质的保护层对1.9微米附近的光是吸收的。这意味着波长在1.9微米附近的泵浦光在包层内传播时，将被吸收，导致泵浦光损失，同时丙烯酸酯材质的保护层因吸收泵浦光，产生热量并积累热量，保护层甚至会损坏，使得激光器效率下降，甚至无法正常工作。为此，提出了一种三包层光纤来解决该问题，其横截面示意图为图3。1a为纤芯。1b为内包层。1c为外包层，其材质为玻璃，其折射率低于内包层1b所用材质的折射率。外包层1c的存在，使得波长在1.9微米附近的泵浦光能够在内包层1b中传播且不被吸收。1d为丙烯酸酯材质的保护层，它仅起到保护作用。

Claims (5)

1.一种输出高功率2微米激光的掺铥全光纤激光器，其特征在于，包括N1个带尾纤输出头、输出波长为750纳米～820纳米的高功率激光二极管（1）、N2个第一光纤合束器（21）、N2个第一高反射率光纤光栅（31）、N2段第一双包层掺铥光纤（41）、N2个第一低反射率光纤光栅（32）、N2个第一隔离器（51）、N3个第二光纤合束器（22）、N3个第二高反射率光纤光栅（33）、N3段第二掺铥光纤（42）、N3个第二低反射率光纤光栅（34）、N3个第二隔离器（52）、第三光纤合束器（23）、第三高反射率光纤光栅（35）、第三掺铥光纤（43）、第三低反射率光纤光栅（36）和高功率耦合输出头（6）；

上述各部件的连接关系如下：

所述的激光二极管（1）的输出端分别与所述的第一光纤合束器（21）的输入端连接，该第一光纤合束器（21）的输出端分别依次经第一高反射率光纤光栅（31）、第一双包层掺铥光纤（41）、第一低反射率光纤光栅（32）与所述的各第一隔离器（51）的输入端连接，该第一隔离器（51）的输出端分别与所述的第二光纤合束器（22）的输入端连接，该第二光纤合束器（22）的输出端分别依次经所述的第二高反射率光纤光栅（33）、第二掺铥光纤（42）、第二低反射率光纤光栅（34）与所述的各第二隔离器（52）的输入端连接，该第二隔离器（52）的输出端分别与所述的第三光纤合束器（23）的输入端连接，该第三光纤合束器（23）的输出端依次经所述的第三高反射率光纤光栅（35）、第三掺铥光纤（43）、第三低反射率光纤光栅（36）与所述的高功率耦合输出头（6）连接。

2.根据权利要求1所述的输出高功率2微米激光的掺铥全光纤激光器，其特征在于，所述的第二掺铥光纤和所述的第三掺铥光纤分别为双包层掺铥光纤或三包层掺铥光纤。

3.根据权利要求2所述的输出高功率2微米激光的掺铥全光纤激光器，其特征在于，所述的三包层掺铥光纤的横截面由内至外依次为纤芯（1a）、内包层（1b）和外包层（1c）。

4.根据权利要求3所述的输出高功率2微米激光的掺铥全光纤激光器，其特征在于，所述的外包层（1c）的材质为玻璃，其折射率低于内包层（1b）所用材质的折射率。

5.根据权利要求3所述的输出高功率2微米激光的掺铥全光纤激光器，其特征在于，所述的外包层（1c）外还设有保护层（1d），该保护层（1d）为丙烯酸酯材质。

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