CN103944047B - 一种级联式增益导引-折射率反导引大模场光纤激光器 - Google Patents
一种级联式增益导引-折射率反导引大模场光纤激光器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出的级联式增益导引折射率反导引大模场光纤激光器，在可以有效增加增益导引折射率反导引大模场光纤长度的情况下，使得器件的体积和便捷性得到了保障；采用导光光纤将每段增益光纤熔接相连，提高了光的耦合效率，降低了谐振腔内的光的损耗；每段增益光纤采用独立的泵浦源和会聚透镜，提高了泵浦光的均匀性和泵浦效率；同时该结构的光纤激光器在增益光纤的级联数量上具有可扩展性，可进一步提高该类型光纤激光器增益介质的长度及输出功率。该发明专利可以很好的应用于增益导引折射率反导引大模场光纤激光器，为提高该类型光纤激光器的功率提供一种有效的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种级联式增益导引--折射率反导引大模场光纤激光器，属于光纤激光器、光纤放大器的技术领域。
背景技术
高功率光纤激光器和放大器在商业和军事上具有很多潜在的应用，但在传统的单模光纤中，由于高功率所引起的非线性光学效应和光纤端面的光学损伤成为限制激光器和放大器功率进一步提高的主要障碍，而解决这一问题最直接的途径是通过增加模场面积来降低光功率密度。目前传统单模光纤激光器的纤芯直径可达40μm,通过设计光子晶体光纤可使芯径达到100μm，其它的增加模场面积的设计方法主要包括：模式转换法、手征耦合芯光纤法、弯曲损耗管理法以及锥型光纤法等。但所有这些光纤结构复杂，工艺要求高，生产成本较高，且不能使纤芯足够大（<100μm），以至于不能满足高能量单模激光输出和放大的需要。
2003年，A.E.Siegman提出了一种实现大模场光纤的新方法，即增益导引—折射率反导引大模场光纤。该光纤结构与普通光纤类似，仅由纤芯和包层组成，但纤芯折射率小于包层，存在模式泄露损耗因子；纤芯由稀土掺杂材料组成，为光信号提供了功率增益因子。目前已经实现了芯径在100-400μm范围内的单模激光输出。
但该类型光纤一般采用高掺杂的多组分玻璃制成，对泵浦光吸收系数较大，端面泵浦时在几厘米长度内即将泵浦光吸收完毕，从而使得该激光器的增益光纤长度受到了限制，进而限制了功率的进一步提高；且该类型的光纤由于折射率反导引的作用不适合弯曲使用；因此要使光纤在保证不弯曲的情况下大幅增加长度，必然造成设备体积的增加及使用不便。
本发明通过将增益光纤分割成多段，每段平行放置，再用导光光纤将每段增益光纤串接起来，通过在光纤的尾部和头部设置谐振腔反射镜，再采用侧面泵浦技术形成光纤激光器。该方法既能合理增加光纤长度，又不会使激光器体积太大，且方便采用侧面泵浦技术，为增益导引--折射率反导引大模场光纤激光器增加增益介质的长度提供了一种有效的方法，有望在相关领域获得良好的应用。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于，提出一种级联式增益导引--折射率反导引大模场光纤激光器，解决该类型光纤激光器增益介质长度受限的问题。
技术方案：本发明提出的级联式增益导引--折射率反导引大模场光纤激光器由金属板、增益光纤、导光光纤、全反射镜、激光输出镜、V型槽、条形光源、泵浦源固定装置、柱透镜、柱透镜固定装置组成；其中，泵浦源固定装置、柱透镜固定装置和金属板三者顺序依次平行放置，
在金属板上制作一系列互相平行的V型槽，增益光纤分别置于V型槽中，每段增益光纤之间用一根导光光纤相连，导光光纤与增益光纤之间通过光纤熔接技术相连；
在泵浦源固定装置上设有一系列互相平行的条形光源，条形光源之间间距与增益光纤之间间距相同，长度与增益光纤相同，构成泵浦源；
在透镜固定装置上设有一系列互相平行的的柱透镜，柱透镜之间间距与条形光源之间间距相同，长度与条形光源相同，构成泵浦光汇聚透镜；
条形光源、柱透镜和增益光纤依次一一对准，每一个条形光源发出的光经过对应的柱透镜汇聚在对应的增益光纤上进行泵浦；金属板与透镜固定装置之间的距离等于柱透镜的焦距；增益光纤由多组分玻璃材料组成，增益光纤的纤芯的稀土掺杂离子包括Yb3+、Er3+、Nd3+、Tm3+、Ho3+等；纤芯具有光功率增益因子，即具有增益导引作用；纤芯折射率小于包层折射率，具有折射率反导引作用；增益光纤只有一个包层，纤芯半径大于等于50微米。
所述的多组分玻璃材料包括：磷酸盐玻璃、氟磷酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、锗酸盐玻璃或硅酸盐玻璃。
所述导光光纤的纤芯折射率大于包层折射率，纤芯半径和包层半径与增益光纤相同,导光光纤长度及弯曲半径要足够大以使弯曲损耗可以忽略。
所述的全反射镜和激光输出镜组成谐振腔，激光增益介质为谐振腔内多段增益光纤组成；全反射镜和激光输出镜与光纤端面平行放置，增益光纤在条形光源的泵浦下，在谐振腔内来回振荡形成激光输出。
所述的增益光纤与V型槽之间用导热硅胶填充固定。
所述的条形光源为LDbar条或者闪光灯管。
有益效果：根据以上叙述可知，本发明具有如下特点：
本发明通过采用级联式光纤激光器结构，在可以有效的增加增益导引折射率反导引大模场光纤长度的情况下，使得器件的体积和便捷性得到了保障；采用导光光纤将每段增益光纤熔接相连，提高了光的耦合效率，降低了谐振腔内的光的损耗；每段增益光纤采用独立的泵浦源和会聚透镜，提高了泵浦光的均匀性和泵浦效率；同时该结构的光纤激光器在增益光纤的级联数量上具有可扩展性，可进一步提高该类型光纤激光器增益介质的长度及输出功率。该发明专利可以很好的应用于增益导引折射率反导引大模场光纤激光器，为提高该类型光纤激光器的功率提供一种有效的方法。
附图说明
图1为光纤激光器光纤排布级联示意图；
图2为光纤置于V型槽示意图；
图3为级联式增益导引--折射率反导引大模场光纤激光器泵浦示意图。
其中包括：金属板1、增益光纤2、导光光纤3、全反射镜4、激光输出镜5、V型槽6、条形光源7、泵浦源固定装置8、柱透镜9、柱透镜固定装置10。
具体实施方式
实施例1
本发明提出的级联式增益导引折射率反导引大模场光纤激光器如下：
金属板1采用铜板，在铜板上精确制作5个平行的V型槽，槽深180微米，长为10厘米，间距为5厘米,将5段长为10厘米的增益光纤2置于V型槽中，并用导热硅胶填充固定；再将4段导光光纤3与增益光纤2之间用熔接技术相连，从而形成一个由5段增益光纤和4段导光光纤间隔相连的级联式光纤；在该级联式光纤的一端放置一个全反射镜4，在波长1050nm处反射率为100%，在该级联式光纤的另一端放置激光输出镜5，在波长1050nm处反射率为90%，全反射镜4和激光输出镜5均与光纤端面严格平行，从而形成激光谐振腔。
其中增益光纤2由磷酸盐玻璃材料制成，纤芯的稀土掺杂离子为Yb3+；纤芯具有光功率增益因子，即具有增益导引作用；纤芯折射率小于包层折射率，包层折射率为1.575，芯/包层折射率差为-0.005，具有折射率反导引作用；增益光纤只有一个包层，纤芯半径等于50微米，包层半径为100微米；5段增益光纤2的性能参数完全相同。
导光光纤3由石英材料做成，纤芯折射率大于包层折射率，芯/包层折射率差为0.003，纤芯半径为50微米，包层半径为100微米，光纤弯曲半径约20厘米，长度1.3米。
固定在泵浦源固定装置8上的5个条形光源7为LDbar条组成，bar条长为10厘米，间距为5厘米，相互平行。
将固定在柱透镜固定装置10上的5个柱透镜9作为泵浦光汇聚透镜，柱透镜（9）长为10厘米，间距为5厘米，相互平行。
依次平行放置泵浦源固定装置8、柱透镜固定装置10和金属板1；LDbar
条形光源7、柱透镜9和增益光纤2依次一一对准，每一个LDbar条形光源7发出的光经过对应的柱透镜9汇聚在对应的增益光纤2上进行泵浦。金属板1和柱透镜固定装置10之间的距离等于柱透镜9的焦距；泵浦源固定装置8和柱透镜固定装置10之间的距离取决于实际要求。
实施例2
本发明提出的级联式增益导引折射率反导引大模场光纤激光器如下：
金属板1采用铜板，在铜板上精确制作5个平行的V型槽，槽深350微米，长为10厘米，间距为5厘米,将5段长为10厘米的增益光纤2置于V型槽中，并用导热硅胶填充固定；再将4段导光光纤3与增益光纤2之间用熔接技术相连，从而形成一个由5段增益光纤和4段导光光纤间隔相连的级联式光纤；在该级联式光纤的一端放置一个全反射镜4，在波长1060nm处反射率为100%，在该级联式光纤的另一端放置激光输出镜5，在波长1060nm处反射率为90%，全反射镜4和激光输出镜5均与光纤端面严格平行，从而形成激光谐振腔。
其中增益光纤2由氟磷酸盐玻璃材料制成，纤芯的稀土掺杂离子为Nb3+；纤芯具有光功率增益因子，即具有增益导引作用；纤芯折射率小于包层折射率，包层折射率为1.550，芯/包层折射率差为-0.005，具有折射率反导引作用；增益光纤只有一个包层，纤芯半径等于100微米，包层半径为200微米；5段增益光纤2的性能参数完全相同。
导光光纤3由石英材料做成，纤芯折射率大于包层折射率，芯/包层折射率差为0.003，纤芯半径为100微米，包层半径为200微米，光纤弯曲半径约20厘米，长度1.3米。
固定在泵浦源固定装置8上的5个条形光源7为氙灯管组成，管长为10厘米，间距为5厘米，相互平行。
将固定在柱透镜固定装置10上的5个柱透镜9作为泵浦光汇聚透镜，柱透镜（9）长为10厘米，间距为5厘米，相互平行。
依次平行放置泵浦源固定装置8、柱透镜固定装置10和金属板1；氙灯管条形光源7、柱透镜9和增益光纤2依次一一对准，每一个氙灯管条形光源7发出的光经过对应的柱透镜9汇聚在对应的增益光纤2上进行泵浦。金属板1和柱透镜固定装置10之间的距离等于柱透镜9的焦距；泵浦源固定装置8和柱透镜固定装置10之间的距离取决于实际要求。
实施例3
本发明提出的级联式增益导引折射率反导引大模场光纤激光器如下：
金属板1采用铝板，在铝板上精确制作10个平行的V型槽，槽深350微米，长为10厘米，间距为3厘米,将10段长为10厘米的增益光纤2置于V型槽中，并用导热硅胶填充固定；再将9段导光光纤3与增益光纤2之间用熔接技术相连，从而形成一个由10段增益光纤和9段导光光纤间隔相连的级联式光纤；在该级联式光纤的一端放置一个全反射镜4，在波长1550nm处反射率为100%，在该级联式光纤的另一端放置激光输出镜5，在波长1550nm处反射率为90%，全反射镜4和激光输出镜5均与光纤端面严格平行，从而形成激光谐振腔。
其中增益光纤2由磷酸盐玻璃材料制成，纤芯的稀土掺杂离子为Er3+；纤芯具有光功率增益因子，即具有增益导引作用；纤芯折射率小于包层折射率，包层折射率为1.550，芯/包层折射率差为-0.005，具有折射率反导引作用；增益光纤只有一个包层，纤芯半径等于100微米，包层半径为200微米；5段增益光纤2的性能参数完全相同。
导光光纤3由磷酸盐玻璃材料做成，纤芯折射率大于包层折射率，芯/包层折射率差为0.003，纤芯半径为100微米，包层半径为200微米，光纤弯曲半径约20厘米，长度1.3米。
固定在泵浦源固定装置8上的10个条形光源7为LDbar条组成，LDbar条长为10厘米，间距为3厘米，相互平行。
将固定在柱透镜固定装置10上的10个柱透镜9作为泵浦光汇聚透镜，柱透镜9长为10厘米，间距为3厘米，相互平行。
依次平行放置泵浦源固定装置8、柱透镜固定装置10和金属板1；LDbar条、柱透镜9和增益光纤2依次一一对准，每一个LDbar条发出的光经过对应的柱透镜9汇聚在对应的增益光纤2上进行泵浦。金属板1和柱透镜固定装置10之间的距离等于柱透镜9的焦距；泵浦源固定装置8与柱透镜固定装置10之间的距离取决于实际要求。
Claims (7)
1.一种级联式增益导引-折射率反导引大模场光纤激光器，其特征在于，该光纤激光器由金属板(1)、增益光纤(2)、导光光纤(3)、全反射镜(4)、激光输出镜(5)、V型槽(6)、条形光源(7)、泵浦源固定装置(8)、柱透镜(9)、柱透镜固定装置(10)组成；其中，泵浦源固定装置(8)、柱透镜固定装置(10)和金属板(1)三者顺序依次平行放置，在金属板(1)上制作一系列互相平行的V型槽(6)，增益光纤(2)分别置于V型槽(6)中，每段增益光纤(2)之间用一根导光光纤(3)相连，导光光纤(3)与增益光纤(2)之间通过光纤熔接技术相连；
在泵浦源固定装置(8)上设有一系列互相平行的条形光源(7)，条形光源(7)之间间距与增益光纤(2)之间间距相同，长度与增益光纤(2)相同，构成泵浦源；
在透镜固定装置(10)上设有一系列互相平行的的柱透镜(9)，柱透镜(9)之间间距与条形光源(7)之间间距相同，长度与条形光源(7)相同，构成泵浦光汇聚透镜；
条形光源(7)、柱透镜(9)和增益光纤(2)依次一一对准，每一个条形光源(7)发出的光经过对应的柱透镜(9)汇聚在对应的增益光纤(2)上进行泵浦；金属板(1)与透镜固定装置(10)之间的距离等于柱透镜(9)的焦距。
2.根据权利要求1所述的一种级联式增益导引-折射率反导引大模场光纤激光器，其特征在于增益光纤(2)由多组分玻璃材料组成，增益光纤(2)的纤芯的稀土掺杂离子包括Yb3+、Er3+、Nd3+、Tm3+、Ho3+；纤芯具有光功率增益因子，即具有增益导引作用；纤芯折射率小于包层折射率，具有折射率反导引作用；增益光纤(2)只有一个包层，纤芯半径大于等于50微米。
3.根据权利要求2所述的一种级联式增益导引-折射率反导引大模场光纤激光器，其特征在于所述的多组分玻璃材料包括：磷酸盐玻璃、氟磷酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、锗酸盐玻璃或硅酸盐玻璃。
4.根据权利要求1所述的一种级联式增益导引-折射率反导引大模场光纤激光器，其特征在于所述导光光纤(3)的纤芯折射率大于包层折射率，纤芯半径和包层半径与增益光纤(2)相同,导光光纤长度及弯曲半径要足够大以使弯曲损耗可以忽略。
5.根据权利要求1所述的一种级联式增益导引-折射率反导引大模场光纤激光器，其特征在于所述的全反射镜(4)和激光输出镜(5)组成谐振腔，激光增益介质为谐振腔内多段增益光纤(2)组成；全反射镜(4)和激光输出镜(5)与光纤端面平行放置，增益光纤(2)在条形光源(7)的泵浦下，在谐振腔内来回振荡形成激光输出。
6.根据权利要求1所述的一种级联式增益导引-折射率反导引大模场光纤激光器，其特征在于所述的增益光纤(2)与V型槽(6)之间用导热硅胶填充固定。
7.根据权利要求1所述的一种级联式增益导引-折射率反导引大模场光纤激光器，其特征在于所述的条形光源(7)为LD bar条或者闪光灯管。
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