CN104466633A - 一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器，有泵浦源和耦合透镜，双色镜、有源单晶光纤和对激光波长部分透过的输出元件，泵浦源、耦合透镜、双色镜、有源单晶光纤和输出元件依次设置在光路上。泵浦源采用半导体激光器或光纤激光器或固体激光器。双色镜采用镀膜镜片或光纤光栅或光纤端镜。有源单晶光纤包括有：有源单晶光纤纤芯，包裹在有源单晶光纤纤芯外侧的有源单晶光纤包层，包裹在有源单晶光纤包层外侧的有源单晶光纤涂覆层，其中，有源单晶光纤纤芯的基质采用Nd:YAG晶体或YAP晶体。有源单晶光纤纤芯掺杂离子为Nd或Yb或Er。输出元件采用镀膜镜片或光纤光栅或光纤端镜。本发明起到避免光纤损伤、提高光纤激光器输出功率的作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤激光器。特别是涉及一种以单晶光纤为有源光纤的基于单晶光纤的高功率光纤激光器。
背景技术
热效应会导致热退偏、热致衍射损耗等问题，严重影响激光器的输出功率、转换效率以及光束质量等主要性能指标，严重时甚至引起增益介质的损坏，是高功率激光器性能的最主要限制因素。为缓解热效应带来的影响，相关领域的技术人员通过采用板条、DISK和光纤等形式的增益介质，增加增益介质的表面积体积比，大幅提高散热效率，从而极大地推进了激光器的功率输出能力。与板条和DISK激光器相比，光纤激光器具有如下几方面的优势：其泵浦结构较为简单；光纤本身的结构对于模式的限制作用使之在光束质量方面也存在明显优势；能够采用光纤耦合输出，应用环境适应性很好；基于这些优点，光纤激光器已成为高功率激光器的主要发展方向之一。
然而，高功率光纤激光器发展的一个明显障碍在于，目前广泛用作有源光纤基质的石英玻璃导热系数很小，仅为1.4-1.6W m-1K-1，小导热系数对散热带来巨大的不利影响，因此光纤激光器高功率运转时仍然对于制冷有较高的要求，也限制了其功率的继续提升。对于单晶激光增益介质而言，常用的激光晶体钇铝石榴石(YAG)晶体导热系数～14Wm-1K-1，铝酸钇(YAP)晶体的导热系数也超过～11Wm-1K-1，高于石英玻璃数倍；因此，可考虑采用单晶作为有源光纤的基质，利用其高导热系数改善光纤本身的散热性能，降低系统对于制冷的要求，简化系统的复杂性，提升激光器的功率和光束质量等输出性能指标。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够改善光纤激光器的散热性能的基于单晶光纤的高功率光纤激光器。
本发明所采用的技术方案是：一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器，包括有泵浦源和耦合透镜，还设置有对泵浦光波长高透、对激光波长高反的双色镜、有源单晶光纤和对激光波长部分透过的输出元件，所述的泵浦源、耦合透镜、双色镜、有源单晶光纤和输出元件依次设置在光路上。
所述的泵浦源采用半导体激光器或光纤激光器或固体激光器。
所述的双色镜采用镀膜镜片或光纤光栅或光纤端镜。
所述的有源单晶光纤包括有：有源单晶光纤纤芯，包裹在有源单晶光纤纤芯外侧的有源单晶光纤包层，包裹在有源单晶光纤包层外侧的有源单晶光纤涂覆层，其中，所述的有源单晶光纤纤芯的基质采用Nd:YAG晶体或YAP晶体。
所述的有源单晶光纤纤芯掺杂离子为Nd或Yb或Er。
所述的输出元件采用镀膜镜片或光纤光栅或光纤端镜。
本发明的一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器，本发明通过采用导热系数较高的单晶替代石英玻璃作为有源光纤的基质，增加光纤的导热系数，改善有源光纤的导热性能，提高其散热性能，有效降低纤芯处的温度，起到避免光纤损伤、提高光纤激光器输出功率的作用。本发明从根本上解决高功率光纤激光器中石英玻璃基质导热系数较小影响散热效率，不利于高功率运转的问题。
附图说明
图1是本发明一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器的结构示意图；
图2是本发明中单晶光纤的结构示意图。
图中，
1：泵浦源 2：耦合透镜
3：双色镜 4：有源单晶光纤
41：有源单晶光纤纤芯 42：有源单晶光纤包层
43：有源单晶光纤涂覆层 5：输出元件
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器做出详细说明。
如图1所示，本发明的一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器，包括有泵浦源1和耦合透镜2，其特征在于，还设置有对泵浦光波长高透、对激光波长高反的双色镜3、有源单晶光纤4和只对激光波长部分透过的输出元件5，所述的泵浦源1、耦合透镜2、双色镜3、有源单晶光纤4和输出元件5依次设置在光路上。其中，
所述的泵浦源1是采用多个激光器叠阵构成的高功率激光器。所述的激光器采用半导体激光器或光纤激光器或固体激光器等，发射波长对应于有源单晶光纤吸收带即可。如采用高功率半导体激光器叠阵，输出波长808nm，输出功率1000W
所述的耦合透镜2可采用焦距30mm的聚焦透镜，镀有808nm增透膜；
所述的双色镜3采用镀膜镜片或光纤光栅或光纤端镜。如双色镜3采用镀有808nm增透、1064nm高反的平面双色镜，紧贴有源单晶光纤4放置。
所述的输出元件5采用镀膜镜片或光纤光栅或光纤端镜，如采用反射率10％的平面镜。
所述的有源单晶光纤4，吸收泵浦光，发生粒子数反转，提供激光增益，在所述双色镜3和输出元件5构成的激光器谐振腔的反馈作用下形成激光振荡。所述的有源单晶光纤4如图2所示，所述的有源单晶光纤4包括有：有源单晶光纤纤芯41，包裹在有源单晶光纤纤芯41外侧的有源单晶光纤包层42，包裹在有源单晶光纤包层42外侧的有源单晶光纤涂覆层43，其中，所述的有源单晶光纤纤芯41的基质采用导热系数远高于传统光纤所用的石英玻璃基质的晶体，如Nd:YAG晶体或YAP晶体，以此改善光纤的散热性能，降低纤芯温度，提高激光器输出功率。所述的有源单晶光纤纤芯41掺杂离子为Nd或Yb或Er等常用激光掺杂离子。
掺杂浓度1.0-at.％的Nd:YAG单晶折射率为1.81971064nm，纯YAG晶体折射率为1.81471064nm，根据光纤单模条件可知，利用掺杂Nd:YAG为纤芯，纯YAG为包层，可以构造芯径3μm，数值孔径NA＝0.13的单模单晶光纤，具体应用中，可以通过降低Nd:YAG纤芯的掺杂浓度或在纯YAG中掺Ge等调节折射率，使纤芯和包层的折射率更为接近，从而构造大芯径单模结构单晶光纤以及双包层光纤，满足不同功率水平以及泵浦方式的需要。
本发明的实施例中，有源单晶光纤纤芯41的基质为Nd:YAG、包层42为纯YAG晶体，纤芯直径100μm，掺杂浓度0.03-at.％，长度1m。
本发明的一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器，泵浦源1发射的808nm泵浦光经耦合透镜2聚焦后进入有源单晶光纤4，有源单晶光纤4吸收泵浦光，形成粒子数反转，产生激光增益，在双色镜3和输出元件5构成的激光谐振腔反馈作用下形成高功率激光振荡，经输出元件5输出。其中，有源单晶光纤的掺杂浓度和长度可根据对于折射率的需要以及泵浦吸收等因素综合考虑选择，本发明实施例对此不做限制。
本发明的一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器，通过采用导热系数较高的单晶替代石英玻璃作为有源光纤的基质，改善有源光纤的导热性能，降低纤芯温度，起到避免光纤损伤、提高光纤激光器输出功率的作用。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器，包括有泵浦源(1)和耦合透镜(2)，其特征在于，还设置有对泵浦光波长高透、对激光波长高反的双色镜(3)、有源单晶光纤(4)和对激光波长部分透过的输出元件(5)，所述的泵浦源(1)、耦合透镜(2)、双色镜(3)、有源单晶光纤(4)和输出元件(5)依次设置在光路上。
2.根据权利要求1所述的一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器，其特征在于，所述的泵浦源(1)采用半导体激光器或光纤激光器或固体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器，其特征在于，所述的双色镜(3)采用镀膜镜片或光纤光栅或光纤端镜。
4.根据权利要求1所述的一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器，其特征在于，所述的有源单晶光纤(4)包括有：有源单晶光纤纤芯(41)，包裹在有源单晶光纤纤芯(41)外侧的有源单晶光纤包层(42)，包裹在有源单晶光纤包层(42)外侧的有源单晶光纤涂覆层(43)，其中，所述的有源单晶光纤纤芯(41)的基质采用Nd:YAG晶体或YAP晶体。
5.根据权利要求4所述的一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器，其特征在于，所述的有源单晶光纤纤芯(41)掺杂离子为Nd或Yb或Er。
6.根据权利要求1所述的一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器，其特征在于，所述的输出元件(5)采用镀膜镜片或光纤光栅或光纤端镜。
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