CN105428982A - 半导体直接泵浦光纤激光器 - Google Patents

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赵保银
李刚
高奇
赵卫
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    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
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Abstract

本发明提供了一种半导体直接泵浦光纤激光器，包括外柱面、内柱面以及盘绕在内柱面上的增益光纤；内柱面与外柱面同心设置；外柱面、内柱面对泵浦光全反射，形成泵浦光波导；泵浦光的两端设置有半导体泵浦模块的发光芯片。本发明半导体直接泵浦光纤激光器以及采用该泵浦方式的光纤放大器和光纤激光器，制作工艺简单、结构紧凑，不破坏光纤结构且易于实现。

Description

半导体直接泵浦光纤激光器
技术领域
本发明属于激光技术领域，涉及一种采用半导体直接泵浦增益光纤的光纤激光器及光纤放大器。
背景技术
近几年，双包层光纤等大功率光纤器件和高功率二极管泵浦技术逐渐成熟带来光纤激光器输出功率水平的快速提升。然而，随着高功率光纤激光器在材料加工、激光打标、生物医学、空间通信和国防安全等领域的广泛应用，能够实现输出功率大幅度提升的新型泵浦耦合技术成为高功率光纤激光技术研究的热点。端面泵浦技术是一种出现较早且较为成熟的泵浦技术，现有输出功率在千瓦以内的工业级全光纤激光器一般采用该技术对增益光纤的进行泵浦。
如图1所示为现有全光纤激光器的基本原理，端面泵浦耦合技术需要先将半导体泵浦模块的芯片发出的泵浦光耦合进泵浦输出光纤，再将泵浦输出光纤与泵浦耦合器10的泵浦输入光纤相熔接，为与泵浦耦合器的输出光纤相熔接的增益光纤提供泵浦。现有高功率全光纤激光器一般使用的泵浦耦合器为“(6+1)×1”型，可用6个半导体泵浦模块为增益光纤11提供泵浦光功率，其缺点是：高功率的泵浦耦合器很容易由于光热损伤而使光纤激光器系统崩溃；全光纤激光器的输出功率不能通过增加半导体泵浦模块的数目进行提升；同时，半导体泵浦模块中发光芯片所发出的泵浦光，在由光学整形和耦合透镜耦合进泵浦输出光纤的过程中，会产生较大的泵浦光功率损耗，降低了全光纤激光器系统的整体效率；此外，半导体泵浦模块在对增益光纤进行泵浦时，泵浦光沿光纤长度方向被逐渐吸收，会造成增益光纤中泵浦光功率分布不均匀以及热分布不均匀等问题。因此，采用端面泵浦耦合技术的光纤激光系统存在泵浦功率扩展性差、泵浦耦合器件易损、增益分布不均匀以及光纤端面热效应等缺陷，最终限制了光纤激光器输出功率的进一步提升。
侧面泵浦耦合技术是通过双包层光纤侧面将泵浦光耦合进内包层的技术，相比于端面泵浦耦合技术具有很多优点，如泵浦功率扩展性强、增益光纤中泵浦光分布及热分布均匀、结构紧凑等。但目前已有的侧面泵浦方案大多对制作工艺要求十分苛刻，且在一定程度上破坏了光纤的结构，实现起来成本高、难度大，最终限制了该技术的实际应用以及光纤激光器输出功率的提升。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种半导体直接泵浦光纤激光器以及采用该泵浦方式的光纤放大器和光纤激光器，制作工艺简单、结构紧凑，不破坏光纤结构且易于实现。
本发明的技术解决方案是：半导体直接泵浦光纤激光器，其特殊之处在于：包括外柱面、内柱面以及盘绕在内柱面上的增益光纤；所述内柱面与外柱面同心设置；所述外柱面、内柱面对泵浦光全反射，形成泵浦光波导；泵浦光的两端设置有半导体泵浦模块的发光芯片。
上述发光芯片是多个，平均分布设置。
上述外柱面和内柱面的表面是光滑平面。
上述同轴光滑柱面采用金属材料或非金属材料。
金属材料是铜或铝。
本发明的优点是：
本发明提所涉及的光纤放大器和光纤激光器采用半导体直接泵浦增益光纤的泵浦方案。该泵浦方案具有独特的泵浦结构，制作工艺简单、结构紧凑，不破坏光纤结构且易于实现。该泵浦结构具有相对独立的光纤激光波导和泵浦光波导，泵浦光在泵浦光波导内来回反射并多次穿过增益光纤纤芯，极大提高泵浦光耦合效率，同时增益光纤中的泵浦光分布以及热分布均匀。增益光纤缠绕在具有一定弯曲直径的光滑柱面上，可将光纤激光高阶模滤除掉，使输出的激光具有更高的光束质量。两同轴光滑柱面采用热导性好的材料制作，可使光纤激光器或光纤放大器具有高效的热管理能力。
该泵浦方案省去了现有光纤激光器必须使用的大功率泵浦耦合器，避免了因使用该器件造成的泵浦光功率损耗，提高了光纤激光器和光纤放大器的能源利用率，同时简化了光纤激光器和光纤放大器的结构，降低了光纤激光器和光纤放大器的成本。
附图说明
图1是全光纤激光器的基本原理图；
图2.1—图2.2是半导体直接泵浦结构示意图；
具体实施方式
本发明提供了一种半导体直接泵浦增益光纤的光纤激光器以及光纤放大器，区别于现有的光纤激光器及光纤放大器，本发明具有独特的泵浦方式及结构设计。
参见图2.1，图2.2，将增益光纤1盘绕填充于两直径不同的同轴内柱面2和外柱面3之间，内柱面2和外柱面3是光滑柱面，使之形成光纤激光和泵浦光的两个波导：增益光纤纤芯是光纤激光波导；内、外两光滑柱面对泵浦光全反射，形成泵浦光波导。半导体泵浦模块的发光芯片4直接封装在泵浦光波导两端，对增益光纤1进行直接泵浦。增加发光芯片4的数量可为光纤激光器提供更高的泵浦光功率，进而能够提升光纤激光器的输出功率。
光纤激光器或光纤放大器工作时，半导体发光芯片发射的泵浦光在泵浦波导内来回反射，多次穿过增益光纤纤芯，能够实现沿增益光纤长度的均匀泵浦，极大提升了泵浦光的利用率和耦合效率。
同轴光滑柱面采用热导性好的材料制作，可使光纤激光器或光纤放大器具有高效的热管理能力。同时，增益光纤缠绕在具有一定弯曲直径的光滑柱面上，可将光纤激光高阶模滤除掉，从而使输出的激光具有更高的光束质量。

Claims (5)

1.半导体直接泵浦光纤激光器，其特征在于：包括外柱面、内柱面以及盘绕在内柱面上的增益光纤；所述内柱面与外柱面同心设置；所述外柱面、内柱面对泵浦光全反射，形成泵浦光波导；泵浦光的两端设置有半导体泵浦模块的发光芯片。
2.根据权利要求1所述的半导体直接泵浦光纤激光器，其特征在于：所述发光芯片是多个，平均分布设置。
3.根据权利要求2所述的半导体直接泵浦光纤激光器，其特征在于：所述外柱面和内柱面的表面是光滑平面。
4.根据权利要求3所述的半导体直接泵浦光纤激光器，其特征在于：所述同轴光滑柱面采用金属材料或非金属材料。
5.根据权利要求4所述的半导体直接泵浦光纤激光器，其特征在于：金属材料是铜或铝。
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