CN107370015A - 一种波分复用的多波长倍频光纤激光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种波分复用的多波长倍频光纤激光装置，包括多波长基频光纤激光器模组、倍频模组和合束模组；其中多波长基频光纤激光器模组包括多个915nm或者976nm的半导体泵浦源，泵浦合束器，全反射镜I与多级光纤布拉格光栅(FBG)构成的谐振腔，掺镱双包层光纤，泵浦光剥离器，其输出中心波长间隔大致相等(约为0.5～2nm)的多波长激光；倍频模组包括波分解复用器，多个倍频晶体，多个准直透镜，获得多波长倍频光；合束模组包括凸透镜I和多模传输光纤，其将前面经过准直的倍频光进行合束，入射到大口径多模光纤中。本发明采用分波长倍频方式，提高了倍频效率，保证了倍频带宽并且该装置结构灵活，运行稳定，应用前景广阔。

Description

一种波分复用的多波长倍频光纤激光装置
技术领域
本发明涉及光纤激光器领域，具体为一种波分复用的多波长倍频光纤激光装置。
背景技术
近年来，光纤激光器以其体积小、效率高、稳定性好，易于集成等优点，发展十分迅速，但是目前成熟的、占大半市场份额的高功率光纤激光器输出波长主要集中在1.0μm波段和1.5μm波段，输出波长的单一化限制了光纤激光器在许多领域尤其是可见光波段的应用。
绿光激光器在医疗、存储、生物材料、水下通信、激光显示等许多领域都有许多重要应用，此外绿光拥有更小的光斑直径、对大多数材料有着更高的吸收率，因此在高端激光应用方面也有这广阔前景。一般绿光激光器采用钕玻璃的固体激光器倍频技术或者半导体激光器直接输出绿光，然而这类方法产生的绿色激光相干性过高，引起严重的激光散斑，需在激光显示等领域中配合开发相应的消散斑技术，导致系统成本过高，结构复杂。
发明内容
针对现有技术方案的不足，本发明提供一种波分复用的多波长倍频光纤激光装置。本发明采用多波长结构的激光光源，中心波长间隔大致相等，大约为0.5～2nm，利用波分复用技术，分波长倍频，利用多个倍频晶体并且使每一个倍频晶体的工作波长与对应输入的激光波长匹配，大大提高了倍频效率，而且也解决了倍频绿光线宽过窄的问题。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种波分复用的多波长倍频光纤激光装置，包括：多波长基频光纤激光器模组、倍频模组和合束模组。多波长基频光纤激光器模组在l.06μm波段，输出中心波长间隔大致相等(约为0.5～2nm)的多波长激光；倍频模组利用波分解复用器，将输入的多波长激光分成多路激光，分别通过对应倍频晶体和准直透镜，获得准直的倍频绿光；合束模组将前面经过准直的倍频光通过凸透镜I汇聚，入射到多模传输光纤中。
其中，多波长基频光纤激光器模组包括多个915nm或者976nm的半导体泵浦源，泵浦合束器，全反射镜I与多级光纤布拉格光栅(FBG)构成的谐振腔，掺镱双包层光纤，泵浦光剥离器；其中多个多模915nm或者976nm的半导体泵浦光源通过泵浦合束器对双包层掺镱光纤进行泵浦，双包层掺镱光纤的另一端与泵浦光剥离器的一端相连，将残余的泵浦光滤除，泵浦光剥离器另一端与全反射镜I相连，全反射镜I对l.06μm波段的基频光全反，泵浦合束器输入端的信号端口与多级光纤布拉格光栅(FBG)相连，整个系统组成一个多波长基频光纤激光器，在l.06μm波段，输出中心波长间隔大致相等(约为0.5～2nm)的多波长基频光。
其中，泵浦合束器为(M+l)×1泵浦合束器，其中M为泵浦输入端口，可接入M个半导体泵浦激光器，(M+l)中的1为在泵浦合束器输入端的信号输入端口，泵浦合束器的工作波长需与双包层掺镱光纤泵浦波长相匹配。
其中，光纤布拉格光栅共有N个级联使用，对l.06μm波段进行反射，其反射的中心波长为λ1、λ2、……λn每个光栅反射带宽大约为0.5～1nm，其波长间隔大致相等，约为0.5～2nm，光纤布拉格光栅(FBG)既作为激光器的腔内滤波器和反射腔镜又作为光纤输出。
其中，倍频模组包括波分解复用器，多个倍频晶体，多个准直透镜。波分解复用器，根据中心波长不同，将输入的N个多波长(λ1、λ2、……λn)激光分成N路激光，分别通过N个倍频晶体，其工作波长与输入的多波长激光波长匹配，进行倍频，倍频输出在绿光波段，然后经过准直透镜，进行准直。
其中，倍频晶体包括但不限于准相位匹配的周期性铌酸锂倍频晶体(PPLN)或者三硼酸锂晶体(LBO)，每个PPLN/LBO与波分复用器输出激光的空间位置一一对应，并且倍频晶体附带温控装置，温控装置可采用反馈控制的半导体制冷片或热炉，使PPLN/LBO工作在所对应输出波长λn倍频的最佳工作点，所输出的倍频绿光在空间上形成一维或者二维周期性排布。
其中，倍频晶体的倍频系数deff受基频光与晶体作用时偏振方向的匹配程度的影响，所以为了获得最大光能利用率必须保证入射到倍频晶体上的基频光为线偏振光，且偏振方向必须与晶体极化方向匹配。可采用将倍频晶体之前的光学器件全部采用保偏器件或者在倍频晶体之前增加偏振转换系统等方式，使基频光变为线偏振光，同时使基频光偏振方向与晶体极化方向匹配。
其中，合束模组包括凸透镜I和多模传输光纤，将前面经过准直的倍频光通过凸透镜I汇聚，入射到多模传输光纤中。
本发明具有以下优点：
1、倍频效率高，利用光波分复用技术，分波长倍频，提高了倍频效率。
2、倍频光带宽较宽，低相干性可以明显降低激光散斑的对比度，在激光照明与显示领域，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明一种波分复用的多波长倍频光纤激光装置结构示意图；
图2为多波长基频光纤激光器模组输出的多波长激光光谱示意图；
图3为一种偏振转换系统；
图4为本发明利用偏振转换系统的倍频模组示意图。
图中附图标记含义为：1为全反射镜I，2为泵浦光剥离器，3为双包层掺镱光纤，4为泵浦合束器，5-1、5-2、5-3……5-m为多个915nm或者976nm的半导体泵浦源，6-1、6-2……6-n为多级光纤布拉格光栅(FBG)，7为波分解复用器，8-1、8-2……8-n为多个倍频晶体，9-1、9-2……9-n为多个准直透镜，10为凸透镜I，11为多模传输光纤，12为偏振分光棱镜，13为二分之一波片，14为全反射镜II，15为凸透镜II。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
图1为本发明一种波分复用的多波长倍频光纤激光装置结构示意图，包括多波长基频光纤激光器模组、倍频模组和合束模组；其中，多波长基频光纤激光器模组包括全反射镜I 1，泵浦光剥离器2，双包层掺镱光纤3，泵浦合束器4，多个915nm或者976nm的半导体泵浦源5-1、5-2、5-3……5-m，多级光纤布拉格光栅(FBG)6-1、6-2……6-n；倍频模组包括波分解复用器7，多个倍频晶体8-1、8-2……8-n，多个准直透镜9-1、9-2……9-n；合束模组包括凸透镜I 10和多模传输光纤11。
其中，多个915nm或者976nm的半导体泵浦源5-1、5-2、5-3……5-m通过泵浦合束器4，将泵浦光耦合进双包层掺镱光纤3，对双包层掺镱光纤3进行泵浦，双包层掺镱光纤3的另一端与泵浦光剥离器2的一端相连，通过泵浦光剥离器2将残余的泵浦光滤除，泵浦光剥离器2与全反射镜I 1相连，全反射镜I 1对l.06μm波段的基频光全反，泵浦合束器4输入端的信号端口与N个级联的光纤布拉格光栅(FBG)6-1、6-2……6-n相连，FBG对l.06μm波段的基频光进行反射，其反射的中心波长为λ1、λ2、……λn，每个光栅反射带宽大约为0.5～1nm，其波长间隔大致相等，约为0.5～2nm，整个系统组成一个多波长基频光纤激光器，光纤布拉格光栅(FBG)6-1、6-2……6-n既作为激光器的腔内滤波器和反射腔镜又作为光纤输出。多波长基频光纤激光器模组在l.06μm波段，输出中心波长间隔大致相等(约为0.5～2nm)的多波长激光，中心波长为λ1、λ2、……λn，光谱示意图如图2所示。本发明的多波长基频光纤激光器模组通过共振直接产生多波长激光相比于其他多波长产生方式，效率较高。
然后中心波长为λ1、λ2、……λn的激光，进入倍频模组，首先经波分解复用器7，根据中心波长不同，将输入的N个多波长激光(λ1、λ2、……λn)分成N路激光，然后N路激光经过N个倍频晶体8-1、8-2……8-n，每一个倍频晶体的工作波长与对应输入的激光波长匹配，得到N路倍频光，然后获得的倍频光分别经过多个准直透镜9-1、9-2……9-n，进行准直，最终在绿光波段获得多波长准直倍频光。倍频晶体8-1、8-2……8-n包括但不限于准相位匹配的周期性铌酸锂倍频晶体(PPLN)或者三硼酸锂晶体(LBO)，每个PPLN/LBO与波分复用器7输出激光的空间位置一一对应，并且倍频晶体附带温控装置，温控装置可采用反馈控制的半导体制冷片或热炉，使PPLN/LBO工作在所对应输出波长λn倍频的最佳工作点，所输出的倍频绿光在空间上形成一维或者二维周期性排布。
常规的倍频方案，都是采用单一倍频晶体，通常使倍频晶体工作波长与输入激光的中心波长匹配，而倍频晶体不同输入波长，具有不同的最佳匹配角，所以倍频晶体对输入波长很敏感，往往稍微偏离倍频晶体的工作波长，效率就急剧下降，所以为了获得高倍频效率，存在最佳工作波长且工作波长带宽一般较窄，但通常输入的激光波长带宽大于倍频晶体的工作波长带宽，导致采用单一倍频晶体方案倍频效率较低，而且偏离最佳匹配波长较远的波长会被损耗掉，会导致倍频光效率较低，带宽较窄，相干性过高，会产生非常严重的激光散斑，限制了在激光照明和显示等领域的应用。而本发明采用波分复用技术，分波长倍频，利用多个倍频晶体，使所有倍频晶体工作波长都与对应输入的基频光波长匹配，最大化的提高了倍频效率，同时也保持了倍频光的带宽。
倍频晶体的倍频系数deff受基频光与晶体作用时偏振方向的匹配程度的影响，所以为了获得最大光能利用率必须保证入射到倍频晶体上的基频光为线偏振光，且偏振方向必须与晶体极化方向匹配。所以可采用将倍频晶体之前的光学器件全部采用保偏器件或者在倍频晶体之前增加偏振转换系统等方式，使基频光变为线偏振光，并通过调节倍频晶体角度使基频光偏振方向与晶体极化方向匹配。
本发明提供了一种偏振转换系统如图3所示，包括偏振分光棱镜12，二分之一波片13，全反射镜II 14，凸透镜II 15。入射的基频光垂直进入偏振分光镜12，以夹角45°入射到偏振膜上，被分成两束线偏振光，反射光为S偏振光，透射光为P偏振光。S偏振光向上直接进入到二分之一波片13被转换成P偏振光，再向上以45°角入射到全反射镜II 14上，由其反射，使光线传播方向变成水平方向，再将获得的两路P偏振光通过凸透镜II 15合束聚焦，入射到倍频晶体中，并且调节倍频晶体角度使基频光偏振方向与晶体极化方向匹配。采用这种倍频转换系统比直接用起偏器获得线偏光，光能利用率大大提高。采用这一种偏振转换系统的倍频模组示意图如图4所示。
最终经过准直的多波长倍频绿光，通过合束模组，由凸透镜I 10将输入的倍频绿光汇聚，耦合进大口径多模传输光纤11，方便应用。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

Claims (8)

1.一种波分复用的多波长倍频光纤激光装置，其特征在于：包括多波长基频光纤激光器模组、倍频模组和合束模组；
多波长基频光纤激光器模组输出中心波长间隔大致相等的多波长激光，中心波长间隔相差范围为0.5～2nm；
倍频模组利用波分解复用器，将输入的多波长激光分成多路激光，分别通过对应倍频晶体和准直透镜，获得准直的倍频绿光；
合束模组将前面经过准直的倍频光通过凸透镜I汇聚，入射到多模传输光纤中。
2.根据权利要求1所述的波分复用的多波长倍频光纤激光装置，其特征在于：所述多波长基频光纤激光器模组包括多个915nm或者976nm的半导体泵浦源，泵浦合束器，全反射镜I与多级光纤布拉格光栅(FBG)构成的谐振腔，掺镱双包层光纤，泵浦光剥离器；其中多个多模915nm或者976nm的半导体泵浦光源通过泵浦合束器对双包层掺镱光纤进行泵浦，双包层掺镱光纤的另一端与泵浦光剥离器的一端相连，将残余的泵浦光滤除，泵浦光剥离器另一端与全反射镜I相连，全反射镜I对l.06μm波段的基频光全反，泵浦合束器输入端的信号端口与多级光纤布拉格光栅(FBG)相连，整个系统组成一个多波长基频光纤激光器，在l.06μm波段，输出中心波长间隔大致相等的多波长基频光。
3.根据权利要求1或2所述的波分复用的多波长倍频光纤激光装置，其特征在于：所述泵浦合束器为(M+l)×1泵浦合束器，其中M为泵浦输入端口，可接入M个半导体泵浦激光器，(M+l)中的1为在泵浦合束器输入端的信号输入端口，泵浦合束器的工作波长需与双包层掺镱光纤泵浦波长相匹配。
4.根据权利要求1或2所述的波分复用的多波长倍频光纤激光装置，其特征在于：所述光纤布拉格光栅共有N个级联使用，对l.06μm波段进行反射，其反射的中心波长为λ1、λ2、……λn，每个光栅反射带宽大约为0.5～1nm，其波长间隔大致相等，约为0.5～2nm，光纤布拉格光栅(FBG)既作为激光器的腔内滤波器和反射腔镜又作为光纤输出。
5.根据权利要求1所述的波分复用的多波长倍频光纤激光装置，其特征在于：所述倍频模组包括波分解复用器，多个倍频晶体，多个准直透镜；波分解复用器，根据中心波长不同，将输入的N个多波长(λ1、λ2、……λn)激光分成N路激光，分别通过N个倍频晶体，其工作波长与输入的多波长激光波长匹配，进行倍频，倍频输出在绿光波段，然后经过准直透镜，进行准直。
6.根据权利要求1或5所述的波分复用的多波长倍频光纤激光装置，其特征在于：所述的倍频晶体包括但不限于准相位匹配的周期性铌酸锂倍频晶体(PPLN)或者三硼酸锂晶体(LBO)，每个PPLN/LBO与波分复用器输出激光的空间位置一一对应，并且倍频晶体附带温控装置，温控装置可采用反馈控制的半导体制冷片或热炉，使PPLN/LBO工作在所对应输出波长λn倍频的最佳工作点，所输出的倍频绿光在空间上形成一维或者二维周期性排布。
7.根据权利要求1或5所述的波分复用的多波长倍频光纤激光装置，其特征在于：所述的倍频晶体的倍频系数deff受基频光与晶体作用时偏振方向的匹配程度的影响，所以为了获得最大光能利用率必须保证入射到倍频晶体上的基频光为线偏振光，且偏振方向必须与晶体极化方向匹配；可采用将倍频晶体之前的光学器件全部采用保偏器件或者在倍频晶体之前增加偏振转换系统等方式，同时使基频光偏振方向与晶体极化方向匹配。
8.根据权利要求1所述的波分复用的多波长倍频光纤激光装置，其特征在于：所述合束模组包括凸透镜I和多模传输光纤，将前面经过准直的倍频光通过凸透镜I汇聚，入射到多模传输光纤中。
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