CN105591268A - 内腔倍频大功率光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内腔倍频大功率光纤激光器，包括：光纤激光谐振腔和内腔二倍频系统：光纤激光谐振腔包括至少一对腔镜形成谐振腔，谐振腔设有：至少一组高功率泵浦光源、至少一个光纤合束器将泵浦光耦合至有源光纤形成粒子数反转、至少一个信号波长选择器、至少一段大模场双包层保偏掺稀土光纤；内腔二倍频系统包括：至少一个倍频晶体、至少一个反射镜和至少一个双色镜，激光光束经倍频晶体之后由双色镜输出。本发明的内腔倍频大功率光纤激光器是采用双包层大模场光纤，提高近红外光纤激光的输出功率，通过腔内倍频的方式，显著提高二倍频的转换效率，利用保偏光纤使光纤近红外激光输出偏振方向与倍频晶体一致，得到稳定的二倍频输出。

Description

内腔倍频大功率光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种内腔倍频大功率光纤激光器。
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，具有光束质量好、结构简单、寿命长、转换效率高等优点，其主要性能已明显优于传统的固体激光器、CO2激光器等，成为工业激光市场上发展最快的一支生力军。
通过不同的掺杂稀土元素(如镱、铒、铥)，光纤激光器可实现不同波段的近红外激光输出。而为得到可见光，则通常需通过利用非线性光学晶体进行倍频。和其它非线性频率变换效应一样，只有打在非线性晶体材料上的光强足够大时才会具有较高的频率变换效率，而对于连续光这种峰值功率较低的情况则转换效率很低。腔内倍频已被广泛应用于固体激光器倍频中，但在光纤激光器领域还不多见。较早提出将光纤激光器与非线性光学倍频相结合的是美国McDonnelDouglas公司的Zediker等人,但由于当时大模场双包层保偏掺稀土光纤技术发展的限制，该方案并不能实现大功率的输出。
发明内容
本发明的目的在于提供一种内腔倍频大功率光纤激光器，尤其涉及一种基于大模场双包层保偏掺稀土光纤的内腔倍频大功率光纤激光器。用于解决现有技术中可见光倍频转换效率低、输出功率低的技术问题。
为达到上述目的，本发明所提出的技术方案为：
一种内腔倍频大功率光纤激光器，其包括：
光纤激光谐振腔：
所述的光纤激光谐振腔包括至少一对腔镜，所述光纤激光谐振腔内设有：至少一组高功率泵浦源、至少一个光纤合束器将泵浦光耦合至有源光纤形成粒子数反转、至少一个信号波长选择器、至少一段大模场双包层保偏掺稀土光纤；
内腔二倍频系统：
所述内腔二倍频系统包括：至少一个倍频晶体、至少一个反射镜和至少一个可以将腔内二倍频光取出、而使基频光仍在腔内震荡的双色镜或色散器件。
其中，所述的高功率泵浦源包括：高功率多模半导体激光器和驱动电源，通过给所述高功率泵浦源连续供电或进行调制，实现激光连续或准连续输出。
其中，所述的高功率泵浦源的波长为所掺杂稀土元素的吸收区内，对于掺镱光纤所使用的泵浦源的波长为900至980纳米。
其中，所述的光纤合束器为基于熔融拉锥技术的光纤泵浦/信号合束器。
其中，所述的光纤合束器包括至少一双色镜和两准直透镜将信号光和泵浦光组合的合束器。
其中，所述的信号波长选择器为所需信号波长处的窄线宽滤光片。
其中，所述的信号波长选择器是对选定波长衍射的反射式体布拉格光栅。
其中，所述的大模场双包层保偏掺稀土光纤的纤芯直径不低于10微米。
其中，所述的倍频晶体为在偏振发射的激光中使用的非线性倍频晶体，包括三硼酸锂、磷酸钛氧钾、偏硼酸钡晶体。
其中，所述的腔镜为至少一组全反射镜。
其中，所述的腔镜为至少一个全反射镜和至少一个发射式体光栅。
其中，所述的光纤激光谐振腔内可放置与保偏光纤的输出偏振一致的偏振分光镜，抑制s偏振光在谐振腔中的增益。
其中，所述的光纤激光谐振腔内的偏振分光镜还作为倍频输出器件。
与现有技术相比，该发明的一种内腔倍频大功率光纤激光器，采用双包层大模场光纤，提高近红外光纤激光的输出功率；通过腔内倍频的方式，显著提高二倍频的转换效率；利用保偏光纤使光纤近红外激光输出与倍频晶体一致，从而得到稳定的二倍频输出。
附图说明
图1为本发明内腔倍频大功率光纤激光器第一实施例的结构示意图。
图2为本发明内腔倍频大功率光纤激光器第二实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下参考附图，对本发明予以进一步地详尽阐述。
请参阅附图1，其为一种大功率内腔倍频光纤激光器的第一实施例，在该实施例中其包括：光纤激光谐振腔和内腔二倍频系统组成。
所述的光纤激光谐振腔包括：光纤激光器高功率泵浦源5，所述的高功率泵浦源5前方设有一准直透镜4，所述准直透镜4前方设有一45°方向放置的双色镜3，所述双色镜3与准直透镜4垂直方向的前方设有准直透镜6、大模场双包层保偏掺稀土光纤7以及扩束透镜8，所述所述双色镜3与准直透镜4垂直方向的后方还设有一窄线宽滤光片2和一全反射镜1。
其中，所述高功率泵浦源5由n个波长在900纳米附近的多模半导体激光器和驱动电源组成，每个半导体激光器功率为数十瓦乃至上百瓦，其输出的波长可以是975纳米附近、940纳米附近、或915纳米附近，优选的采用波长为975纳米。通过给所述高功率泵浦源5连续供电或进行调制，实现激光连续或准连续输出。
其中，双色镜3和准直透镜4、准直透镜6为本实施案例中的光纤合束器，实现了信号光与泵浦光的组合。
其中窄线宽滤光片2和反射镜1为本实施案例中的信号波长选择与腔镜组合器。
其中，大模场双包层保偏掺稀土光纤7为本实施案例中的大模场双包层保偏掺镱光纤，大模场光纤通过增大光纤纤芯直径，其直径可为10微米、25微米、30微米，从而显著提高光纤可以承受的功率，双包层结构则可以使得泵浦光在较粗内包层与纤芯的掺杂稀土元素发生作用、从而使得大功率泵浦成为可能而保持信号光的光束输出质量，通过选用适当的大模场双包层保偏掺稀光纤长度，使得泵浦吸收率超过10dB；选用保偏光纤可使得激光输出偏振与下文的非线性光学倍频晶体偏振选择一致、从而获得高转换效率。
其中，所述的扩束透镜8放置在光纤输出的特定位置，以增加工作距离。
其中，扩束透镜8后面在光腰附近的全反镜9与全反镜1组成光纤激光谐振腔的2个镜腔的腔镜。
在该实施例中，内腔二倍频系统包括位于所述全反射镜9后方的倍频晶体10，以及位于倍频晶体10后方的双色镜11，激光光束经倍频晶体10之后由双色镜11输出。
其中，所述的倍频晶体10为在偏振发射的激光中使用的I型相位匹配的倍频晶体，如三硼酸锂、磷酸钛氧钾、偏硼酸钡晶体，还包括对倍频晶体进行温控的加热设备。
其中，所述的全反镜9，对二倍频绿光全反射，对近红外光增透。
其中，所述的双色镜11对近红外光全反射，对倍频光增透，使二倍频光输出。
本实施案例大功率内腔倍频光纤激光器具体工作模式为：波长在976纳米的半导体激光器泵浦源5，通过准直透镜4由双色镜3反射再通过准直透镜6耦合到大模场保偏掺镱的大模场双包层保偏掺稀光纤7，大模场双包层保偏掺稀光纤7一端输出的信号光通过准直透镜6准直并透过双色镜3由窄线宽滤光片2和全反镜1选择近红外光的输出波长(如1064纳米)。大模场双包层保偏掺稀光纤7的另一端通过扩束透镜8汇聚到倍频晶体10，在倍频晶体10两侧分别放置全反镜9和双色镜11，使二倍频绿光透过双色镜11输出。
请参阅附图2，其为该种大功率内腔倍频光纤激光器的第二实施例结构图，其包括：光纤激光谐振腔和内腔二倍频系统。
所述的光纤激光谐振腔包括：若干高功率泵浦源15，所述的高功率泵浦源15后方依次设有一光纤合束器16、大模场双包层保偏掺稀光纤7、光剥离器18、准直器19、偏振分光镜20以及扩束透镜8，所述若干高功率泵浦源15的前方依次设有包层光剥离器14、尾纤准直器13和反射式布拉格光栅12。
其中，所述的泵浦原15由若干多模半导体激光器和驱动电源组成，输出波长可以为975纳米，940纳米或915纳米，优选的采用975纳米。
其中所述的光纤合束器16为基于熔融拉锥技术的光纤泵浦/信号合束器，将900纳米附近信号光和与1030-1080纳米泵浦光组合。
其中，所述的反射式体布拉格光栅12为本实施案例中的信号波长选择与腔镜组合器。
其中，扩束镜8后面在光腰附近的全反射镜22与发射式体光栅12组成光纤谐振腔的两个腔镜。
其中，所述的大模场双包层保偏掺稀光纤7为本实施案例中的大模场双包层保偏掺镱光纤，大模场光纤通过增大光纤纤芯直径(可为10微米、25微米、30微米)从而显著提高光纤可以承受的功率，双包层结构则可以使得泵浦光在较粗内包层与纤芯的掺杂稀土元素发生作用、从而使得大功率泵浦成为可能而保持信号光的光束输出质量(接近衍射极限)，通过选用适当的大模场双包层保偏掺稀光纤长度，使得泵浦吸收率超过10dB；选用保偏光纤可使得激光输出偏振与下文的非线性光学倍频晶体偏振选择一致、从而获得高转换效率。使泵浦光在内包层不被泄漏。
其中，所述的光纤准直器13、19为本实施案例中的两个尾纤准直器，熔接在光纤谐振腔的两端。其作用是将光纤内的传输光转变成准直光(平行光)，或将外界平行(近似平行)光耦合至单模光纤内。
所述的二倍频系统包括位于所述扩束透镜8后方的双色镜21和倍频晶体10。激光光束经倍频晶体10，再经全反射镜22反射由双色镜21输出。
其中，所述的倍频晶体10为在偏振发射的激光中使用的I型相位匹配的倍频晶体，如三硼酸锂、磷酸钛氧钾、偏硼酸钡晶体，还包括对倍频晶体进行温控的加热设备。
其中，所述的全反镜22对二倍频绿光全反射和近红外光均全反射。
其中，所述的双色镜21对近红外光增透，对倍频光全反射，使二倍频绿光输出。
本实施案例大功率内腔倍频光纤激光器具体工作模式为：n(n＝6)个波长为976纳米的高功率多模半导体激光器泵浦源15，通过(n+1)x1光纤泵浦/信号合束器16与大模场双包层保偏掺镱大模场双包层保偏掺稀光纤7熔接，其中熔接处涂低折射率胶17使泵浦光在内包层不被泄漏，在腔内产生近红外激光。光纤谐振腔的一端输出通过光纤准直器13准直并由反射式体布拉格光栅12衍射返回，以选择信号光的波长，还可以通过旋转光栅12实现波长调谐，范围在1030-1080纳米。通过大模场双包层保偏掺稀光纤7后未吸收的泵浦光由光纤包层光剥离器18、14去除。在大模场双包层保偏掺稀光纤7的另一端熔接光纤准直器19，其输出端放置偏振分光镜20与保偏光纤的输出偏振一致(p偏振)，进一步抑制s偏振光在谐振腔中的增益。之后通过扩束透镜8会聚到倍频晶体10，在倍频晶体10两侧分别放置双色镜21对近红外光增透，对倍频光全反，以及全反镜22对倍频光和近红外光均全反，使二倍频绿光由斜置的双色镜21反射输出。
综合上述实施例一和实施例二，可以看出：
本发明的内腔倍频大功率光纤激光器，其包括：光纤激光谐振腔和内腔二倍频系统两个大的部分。
其中，光纤激光谐振腔包括至少一对腔镜，所述光纤激光谐振腔内设有：至少一组高功率泵浦源、至少一个光纤合束器将泵浦光耦合至有源光纤形成粒子数反转、至少一个信号波长选择器、至少一段大模场双包层保偏掺稀土光纤。
其中，内腔二倍频系统：所述内腔二倍频系统包括：至少一个倍频晶体、至少一个反射镜和至少一个可以将腔内二倍频光取出、而使基频光仍在腔内震荡的双色镜或色散器件。
更具体的，上述的高功率泵浦源包括：高功率多模半导体激光器和驱动电源，通过给所述高功率泵浦源连续供电或进行调制，实现激光连续或准连续输出。上述高功率泵浦源的波长为所掺杂稀土元素的吸收区内，对于掺镱光纤所使用的泵浦源的波长为900至980纳米。光纤合束器为基于熔融拉锥技术的光纤泵浦/信号合束器。光纤合束器包括至少一双色镜和两准直透镜将信号光和泵浦光组合的合束器。其中，信号波长选择器为所需信号波长处的窄线宽滤光片。
其中，所述的信号波长选择器是对选定波长衍射的反射式体布拉格光栅。大模场双包层保偏掺稀土光纤的纤芯直径不低于10微米。
倍频晶体为在偏振发射的激光中使用的非线性倍频晶体，包括三硼酸锂、磷酸钛氧钾、偏硼酸钡晶体。所述的腔镜为至少一组全反射镜，也可以是至少一个全反射镜和至少一个发射式体光栅。
其中，所述的光纤激光谐振腔内可放置与保偏光纤的输出偏振一致的偏振分光镜，抑制s偏振光在谐振腔中的增益。上述的光纤激光谐振腔内的偏振分光镜还作为倍频输出器件。
上述内容，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种内腔倍频大功率光纤激光器，其特征在于，包括：
光纤激光谐振腔：
所述的光纤激光谐振腔包括至少一对腔镜，所述光纤激光谐振腔内设有：至少一组高功率泵浦源、至少一个光纤合束器将泵浦光耦合至有源光纤形成粒子数反转、至少一个信号波长选择器、至少一段大模场双包层保偏掺稀土光纤；
内腔二倍频系统：
所述内腔二倍频系统包括：至少一个倍频晶体、至少一个反射镜和至少一个可以将腔内二倍频光取出、而使基频光仍在腔内震荡的双色镜或色散器件。
2.如权利要求1所述的内腔倍频大功率光纤激光器，其特征在于，所述的高功率泵浦源包括：高功率多模半导体激光器和驱动电源，通过给所述高功率泵浦源连续供电或进行调制，实现激光连续或准连续输出。
3.如权利要求1所述的内腔倍频大功率光纤激光器，其特征在于，所述的高功率泵浦源的波长为所掺杂稀土元素的吸收区内，对于掺镱光纤所使用的泵浦源的波长为900至980纳米。
4.如权利要求1所述的内腔倍频大功率光纤激光器，其特征在于，所述的光纤合束器为基于熔融拉锥技术的光纤泵浦/信号合束器。
5.如权利要求1所述的内腔倍频大功率光纤激光器，其特征在于，所述的光纤合束器包括至少一双色镜和两准直透镜将信号光和泵浦光组合的合束器。
6.如权利要求1所述的内腔倍频大功率光纤激光器，其特征在于，所述的信号波长选择器为所需信号波长处的窄线宽滤光片。
7.如权利要求1所述的内腔倍频大功率光纤激光器，其特征在于，所述的信号波长选择器是对选定波长衍射的反射式体布拉格光栅。
8.如权利要求1所述的内腔倍频大功率光纤激光器，其特征在于，所述的大模场双包层保偏掺稀土光纤的纤芯直径不低于10微米。
9.如权利要求1所述的内腔倍频大功率光纤激光器，其特征在于，所述的倍频晶体为在偏振发射的激光中使用的非线性倍频晶体，包括三硼酸锂、磷酸钛氧钾、偏硼酸钡晶体。
10.如权利要求1所述的内腔倍频大功率光纤激光器，其特征在于，所述的腔镜为至少一组全反射镜。
11.如权利要求1所述的内腔倍频大功率光纤激光器，其特征在于，所述的腔镜为至少一个全反射镜和至少一个发射式体光栅。
12.如权利要求1所述的内腔倍频大功率光纤激光器，其特征在于，所述的光纤激光谐振腔内可放置与保偏光纤的输出偏振一致的偏振分光镜，抑制s偏振光在谐振腔中的增益。
13.如权利要求1所述的内腔倍频大功率光纤激光器，其特征在于，所述的光纤激光谐振腔内的偏振分光镜还作为倍频输出器件。
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