CN107591668A - 一种掺镱光纤、激光系统及掺镱光纤的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种掺镱光纤、激光系统及掺镱光纤的应用，掺镱光纤长度方向包括泵浦光吸收系数按设定规律变化的N段区域，N为大于2的正整数；其中：第1段区域至第M段区域，泵浦光吸收系数分别为D1、D2、…、Dm，M为小于N/2的正整数且M≥2；第M+1段区域至第N‑M段区域，泵浦光吸收系数从Dm开始以设定的增长率增长到设定值Dmax后，再以设定的递减率递减到Dm；Dm小于Dmax；第N‑M+1段区域至第N段区域，泵浦光吸收系数分别为Dm、…、D2、D1。该掺镱光纤可以有效地将伴随在泵浦过程中产生的热能均匀分散，改善了有源光纤中的热沉积现象，提高了激光系统的稳定性。

Description

一种掺镱光纤、激光系统及掺镱光纤的应用

技术领域

本发明涉及一种掺镱光纤、激光系统及掺镱光纤的应用。

背景技术

与传统激光器相比，光纤激光器的光纤具有较大的表面积/体积比，具有良好的散热能力，但是随着市场需求日益提高，光纤激光器输出功率已达千瓦级甚至万瓦级，高强度的泵浦光进入有源光纤后只有一部分能量转化为激光输出，剩余的能量都转化为热能。目前现有掺镱光纤热效应主要集中在泵浦光入纤后的几米内，大量热沉积将会导致光纤受热膨胀引起热应力、光纤折射率改变，进而产生双折射和热透镜效应，严重影响了激光系统性能，强烈的热效应甚至直接引起光纤断裂，大大降低了激光系统稳定性。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种掺镱光纤、激光系统及掺镱光纤的应用。

第一方面，本发明实施例提供一种掺镱光纤，所述掺镱光纤由内到外包括折射率由高至低依次变化的掺镱纤芯、内包层、外包层、涂覆层；

所述光纤长度方向包括泵浦光吸收系数按设定规律变化的N段区域，N为大于2的正整数；其中：

第1段区域至第M段区域，泵浦光吸收系数分别为D1、D2、…、Dm，M为小于N/2的正整数且M≥2；

第M+1段区域至第N-M段区域，泵浦光吸收系数从Dm开始以设定的增长率增长到设定值Dmax后，再以设定的递减率递减到Dm；Dm小于Dmax；

第N-M+1段区域至第N段区域，泵浦光吸收系数分别为Dm、…、D2、D1。

在一个实施例中，所述D1满足在915nm波长处，D1＝0.25dB/m。

在一个实施例中，所述D2满足在915nm波长处，Dm＝0.5dB/m。

在一个实施例中，所述设定的增长率满足在915nm波长处为0～0.2dB/m。

在一个实施例中，所述Dmax满足在915nm波长处，Dmax＝0.7dB/m。

在一个实施例中，所述涂覆层为聚化合物材料。

在一个实施例中，所述外包层掺有氟石英。

在一个实施例中，所述内包层掺有纯石英。

第二方面，本发明实施例提供一种激光系统，包括：至少两个泵浦源、两个合束器、一对光纤光栅、QBH和如上述实施例任一项所述的掺镱光纤；

两端泵浦源发出的泵浦光通过两端合束器耦合到掺镱光纤内；通过所述掺镱光纤及一对光纤光栅构成的激光增益腔转化为激光，经第二合束器信号端传输到QBH后输出激光。

第三方面，本发明实施例提供一种如上述实施例任一项提供的掺镱光纤在光传播中的应用。

本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

本发明实施例提供的一种掺镱光纤、激光系统及掺镱光纤的应用，所述掺镱光纤长度方向包括泵浦光吸收系数按设定规律变化的N段区域，N为大于2的正整数；其中：第1段区域至第M段区域，泵浦光吸收系数分别为D1、D2、…、Dm，M为小于N/2的正整数且M≥2；第M+1段区域至第N-M段区域，泵浦光吸收系数从Dm开始以设定的增长率增长到设定值Dmax后，再以设定的递减率递减到Dm；Dm小于Dmax；第N-M+1段区域至第N段区域，泵浦光吸收系数分别为Dm、…、D2、D1。该掺镱光纤根据泵浦光吸收系数按设定规律变化可以分为N段区域，可以有效地将伴随在泵浦过程中量子亏损、无辐射驰豫、受激辐射冲吸收等现象产生的热能均匀分散，改善了有源光纤中的热沉积现象，提高了激光系统的稳定性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例提供的掺镱光纤端面的构造图；

图2为泵浦光在光纤内传播的示意图；

图3A为本发明实施例提供的掺镱光纤沿光纤方向N为奇数时结构示意图；

图3B为本发明实施例提供的掺镱光纤沿光纤方向N为偶数时结构示意图；

图4为本发明实施例提供的掺镱光纤沿光纤方向分为5段时结构示意图；

图5为本发明实施例提供的激光系统的示意图；

图中1-纤芯，2-内包层，3-外包层，4-涂覆层，5-泵浦光，6-半导体泵浦源，7-合束器，8-高反光栅，9-掺镱光纤，10-低反光栅，11-QBH。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本发明实施例提供了一种掺镱光纤，参照图1所示，光纤端面的构造，其包括掺镱纤芯、内包层、外包层、涂覆层，折射率变化由高到低满足光纤光波导理论，参照图2所示，泵浦光在光纤内传播示意图；参照图3A、3B所示，上述光纤长度方向包括泵浦光吸收系数按设定规律变化的N段区域，N为大于2的正整数；其中：第1段区域至第M段区域，泵浦光吸收系数分别为D1、D2、…、Dm，M为小于N/2的正整数且M≥2；

当N为奇数时，参照图3A所示，第N-M段区域，泵浦光吸收系数从Dm开始以设定的增长率增长到设定值Dmax后，再以设定的递减率递减到Dm；Dm小于Dmax；第N-M+1段区域至第N段区域，泵浦光吸收系数分别为Dm、…、D2、D1；

同理，当N为偶数时，参照图3B所示，第M+1段区域至第N-M段区域，泵浦光吸收系数从Dm开始以设定的增长率增长到设定值Dmax后，再以设定的递减率递减到Dm；Dm小于Dmax；第N-M+1段区域至第N段区域，泵浦光吸收系数分别为Dm、…、D2、D1。

与传统有源光纤相比，当高强度泵浦光耦合到掺镱光纤后纤芯中掺镱离子吸收泵浦光能力随光纤长度升高，当达到镱离子浓度最高区域后吸收能力降低，此过程中产生热能的能力，即量子亏损、无辐射弛豫、受激辐射重吸收等现象产生的热能，与纤芯内镱离子吸收泵浦光趋势相同，以此达到削弱有源光纤内部热效应现象。

参照图4所示，比如沿光纤长度方向光纤分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五段区域，五段区域对于泵浦光的吸收系数是变化的，变化规律为Ⅰ区由一个较低的初始值D1开始，经过一段距离后至Ⅱ区，Ⅱ区对泵浦光吸收系数变为一个相对较高的值D2，D2大于D1，经过一段距离后到达Ⅲ区吸收系数由D2开始以设定的增长率增加至D3后，再以设定的增长率递减至D2，Ⅳ区的长度及吸收系数与Ⅱ区相同，Ⅴ区的长度及吸收系数与Ⅰ区相同。

在一个实施例中，上述D1满足在915nm波长处，D1＝0.25dB/m。

在一个实施例中，上述Dm满足在915nm波长处，Dm＝0.5dB/m。

在一个实施例中，上述设定的增长率满足在915nm波长处为0～0.2dB/m。

在一个实施例中，上述Dmax满足在915nm波长处，Dmax＝0.7dB/m。Dmax为该掺镱光纤吸收系数最大值。

其中，dB/m表示计量单位，掺杂光纤对915nm泵浦光每米的吸收量。

本实施例中提供的掺镱光纤，比普通单模光纤增加了一个内包层，其横截面尺寸和数值孔径都远大于纤芯。内包层与掺稀土离子纤芯之间构成单模光波导，将激光限制在纤芯当中；同时它又与外包层构成了传输抽运光的多模光波导，使得抽运光在内包层中反射并多次穿越纤芯被掺杂离子所吸收，从而将抽运光高效地转换成为单模激光，极大提高了光-光转换效率。另外，由于抽运光入射面积的增加，允许采用大功率多模半导体激光器作为抽运源，而且耦合效率也得到了很大的提高。上述纤芯由掺一定浓度镱、铝石英构成，主要用于信号光的产生和传播；内包层由纯石英构成，主要用于泵浦光传播并将信号光限制在纤芯内；外包层掺一定浓度氟石英构成，用于将泵浦光限制在内包层内；涂覆层：一种聚化合物构成，用于机械保护。

通过一个具体实例作进一步说明。

本发明实施例还提供一种激光系统，包括：至少两个泵浦源、至少两个合束器、一对光纤光栅、高功率石英块(QBH)和掺镱光纤；

两端泵浦源发出的泵浦光通过两端合束器耦合到掺镱光纤内；通过所述掺镱光纤及一对光纤光栅构成的激光增益腔转化为激光，经第二合束器信号端传输到QBH后输出激光。

参照图5所示，比如搭建激光系统，泵浦源6发出的泵浦光5经合束器7耦合到掺镱光纤9内，中间圆圈代表掺镱光纤，在光纤内部泵浦光5按照图2所示传播路径传播，处于上述光纤纤芯中的镱离子吸收泵浦光5所携带的能量发生能级跃迁，镱离子由基态跃迁到激发态，再由激发态跃迁到基态的过程发出激光，发出的激光不断在由高反光栅8和低反光栅10构成的谐振腔内反复振荡，当增益大于损耗后，经第二合束器7信号端，传输到QBH11后输出激光。整个激光系统，在泵浦光反复穿过纤芯的过程中所携带的泵浦能量被逐步吸收，产生的热能，即发生的量子亏损、无辐射弛豫、受激辐射等，在整根光纤上均匀分散，而不是像传统光纤一样吸收效率始终不变，导致大量热能集中体现在有源光纤两端。对于千瓦级激光系统使用本公开实施例提供的掺镱光纤两端温度与传统掺镱光纤相比可降低15℃左右。

上述实施例提供比如五段区域的的掺镱光纤的制备步骤如下：

1、用改进型的管内气相沉积(Modified Chemical Vapour Deposition，MVCD)法制作内包层和纤芯层。

2、将内包层和纤芯层反应管浸入严格调制好的镱溶液内进行浸泡，调制三种不同浓度的镱溶液采用分段浸泡方法，以控制五个区域浓度，其中Ⅰ、Ⅴ区浸泡长度以及镱溶液浓度相同，Ⅱ、Ⅳ区浸泡长度以及镱溶液浓度相同，Ⅲ区使用分段制冷方法配制镱浓度渐变的镱溶液进行浸泡。

3、当掺镱浓度满足预设的要求后进行脱水、烧结。

4、拉丝。

根据本公开实施例的第二方面，本发明实施例提供一种激光系统，参照图5所示，包括：至少两个泵浦源6、两个合束器7、一个QBH11和如上述实施例中任一项所述的掺镱光纤9；

泵浦源6发出的泵浦光5经合束器7耦合到掺镱光纤9内，在高反光栅8和低反光栅10内振荡，经由合束器7信号端传输到QBH11后发出激光。

根据本公开实施例的第三方面，本发明实施例提供一种在如上述实施例提供的掺镱光纤在光传播中的应用。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种掺镱光纤，其特征在于，包括：

所述光纤长度方向包括泵浦光吸收系数按设定规律变化的N段区域，N为大于2的正整数；其中：

第1段区域至第M段区域，泵浦光吸收系数分别为D1、D2、…、Dm，M为小于N/2的正整数且M≥2；

第M+1段区域至第N-M段区域，泵浦光吸收系数从Dm开始以设定的增长率增长到设定值Dmax后，再以设定的递减率递减到Dm；Dm小于Dmax；

第N-M+1段区域至第N段区域，泵浦光吸收系数分别为Dm、…、D2、D1。

2.根据权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于，所述D1满足在915nm波长处，D1＝0.25dB/m。

3.根据权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于，所述Dm满足在915nm波长处，Dm＝0.5dB/m。

4.根据权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于，所述设定的增长率满足在915nm波长处为0～0.2dB/m。

5.根据权利要求1所述的掺镱光纤，其特征在于，所述Dmax满足在915nm波长处，Dmax＝0.7dB/m。

6.根据权利要求1-5任一所述的掺镱光纤，其特征在于，所述掺镱光纤由内到外包括折射率由高至低依次变化的掺镱纤芯、内包层、外包层、涂覆层。

7.根据权利要求6所述的掺镱光纤，其特征在于，所述涂覆层为聚化合物材料。

8.根据权利要求6所述的掺镱光纤，其特征在于，所述外包层掺有氟石英，所述内包层掺有纯石英。

9.一种激光系统，其特征在于，包括：至少两个泵浦源、至少两个合束器、一对光纤光栅、QBH和如权利要求1-8任一项所述的掺镱光纤；

两端泵浦源发出的泵浦光通过两端合束器耦合到掺镱光纤内；

通过所述掺镱光纤及一对光纤光栅构成的激光增益腔转化为激光，经第二合束器信号端传输到QBH后输出激光。

10.一种如权利要求1-8任一项所述的掺镱光纤在光传播中的应用。