CN108092124B - 一种光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种光纤激光器。为避免因激光器中的增益光纤的纤芯温度过高而影响光纤激光器的系统稳定性，本发明提出一种光纤激光器，其包括正向合束器、反向合束器、增益光纤和泵浦激光器，正向合束器和反向合束器设置在增益光纤两端，泵浦激光器熔接在正向合束器和反向合束器的泵浦输入光纤上；增益光纤的纤芯的折射率大于内包层的折射率，纤芯上设置第一纤芯光栅和第二纤芯光栅；内包层上设置有第一包层光栅和第二包层光栅；第一包层光栅和第二包层光栅的工作波长介于泵浦激光器的输出光波长和第一纤芯光栅及第二纤芯光栅的工作波长之间。该光纤激光器的增益光纤的整体温度可控，系统稳定。

Description

一种光纤激光器
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种光纤激光器。
背景技术
现有的光纤激光器，利用设置在增益光纤的纤芯两端设置有纤芯光栅将泵浦装置发出的泵浦光反射到增益光纤的纤芯内，并在纤芯内转换成激光。但是，由于纤芯直径过小，当泵浦光在纤芯内转换成激光时，产生的热量全部集中在纤芯中，导致纤芯的温度过高，甚至影响光纤激光器的系统稳定性。
发明内容
为避免因激光器中的增益光纤的纤芯温度过高而影响光纤激光器的系统稳定性，本发明提出一种光纤激光器，该光纤激光器包括正向合束器、反向合束器、增益光纤和泵浦激光器，所述正向合束器设置在所述增益光纤的第一端，所述反向合束器设置在所述增益光纤的第二端，所述泵浦激光器熔接在所述正向合束器和所述反向合束器的泵浦输入光纤上；所述增益光纤包括纤芯和直接包覆在所述纤芯上的内包层，所述纤芯的折射率大于所述内包层的折射率，所述纤芯上设置第一纤芯光栅和第二纤芯光栅，且所述第一纤芯光栅靠近所述增益光纤的第一端，所述第二纤芯光栅靠近所述增益光纤的第二端，第一纤芯光栅的反射率高于所述第二纤芯光栅的反射率；所述内包层上设置有第一包层光栅和第二包层光栅，且所述第一包层光栅位于所述第一纤芯光栅背离所述正向合束器的一侧，所述第二包层光栅位于所述第二纤芯光栅背离所述反向合束器的一侧；所述第一包层光栅和所述第二包层光栅的工作波长a介于所述泵浦激光器的输出光波长b和所述第一纤芯光栅及所述第二纤芯光栅的工作波长c之间。该光纤激光器工作时，泵浦激光器的输出光波(泵浦光)一部分进入到内包层中，另一部分进入到纤芯中，其中，进入内包层的泵浦光在内包层中增益产生波长为a的中间波，且该部分泵浦光在增益产生中间波时产生的热量全部位于增益光纤的内包层中，增益生成的中间波被第一包层光栅和第二包层光栅反射而无法从内包层中出射，进而折射进入纤芯中并增益产生波长为c的激光，且增益产生的波长为c的激光从反射率较低的第二纤芯光栅处出射；进入纤芯的泵浦光在纤芯中增益产生波长为c的激光并从反射率较低的第二纤芯光栅处出射，且该部分泵浦光在增益产生波长为c的激光时产生的热量全部位于纤芯中。由此可见，该光纤激光器在将泵浦激光器输出的泵浦光转换成激光输出时，转换过程中产生的热量一部分位于截面积远大于纤芯的内包层中，一部分位于纤芯中，故可减小光纤激光器中增益光纤的纤芯的升温量，使增益光纤的整体温度更为可控，进而使光纤激光器的系统更为稳定。
优选地，所述增益光纤为双包层掺杂光纤或混合光纤，该混合光纤包括双包层掺杂光纤和普通双包层光纤，且该普通双包层光纤设置在所述双包层掺杂光纤的两端。采用双包层掺杂光纤作为增益光纤，可提高增益光纤的增益性能；采用混合光纤作为增益光纤，并在位于双包层掺杂光纤两端的普通光纤的内包层上刻设包层光栅的工艺较为简单，可降低光纤激光器的制作难度及成本。
优选地，所述双包层掺杂光纤的纤芯和内包层上掺杂有增益离子。进一步地，所述增益离子为稀土离子。进一步优选地，所述双包层掺杂光纤的内包层上包覆有外包层，该外包层外表面上涂覆有涂覆层，所述外包层的折射率小于所述内包层的折射率且大于所述涂覆层的折射率。这样，在纤芯及内包层上均掺杂有稀土离子作为增益离子，可有效提高纤芯和内包层的增益性能，从而可有效提高残留在内包层和纤芯之间的泵浦光折射进入纤芯中的效率，进而可降低光纤激光器的发热量。
优选地，所述正向合束器包括正向信号输入光纤、正向信号输出光纤和N个泵浦输入光纤，N为大于1的正整数，所述正向信号输出光纤与所述增益光纤的第一端连接，所述正向信号输入光纤和所述泵浦输入光纤均位于背离所述正向信号输出光纤的一侧；所述反向合束器包括反向信号输入光纤、反向信号输出光纤和N个泵浦输入光纤，N为大于1的正整数，所述反向信号输入光纤与所述增益光纤的第二端连接，所述反向信号输出光纤和所述泵浦输入光纤均位于背离所述反向信号输入光纤的一侧。
优选地，所述第一纤芯光栅、所述第一包层光栅和所述第二包层光栅均为高反射率光栅，所述第二纤芯光栅为低反射率光栅。进一步地，所述高反射率光栅在该高反射率光栅的工作波长的反射率大于99％，所述低反射率光栅在该低反射率光栅的工作波长的反射率小于30％。这样，该光纤激光器在工作过程中，泵浦激光器输出的泵浦光经增益光纤转换形成激光后，由反射率较低的第二纤芯光栅处出射，从而实现在一根光纤上的同带泵浦，提高光纤激光器获得的最大功率。进一步优选地，所述第一包层光栅和所述第二包层光栅的工作波长为1018nm，所述第一纤芯光栅和所述第二纤芯光栅的工作波长为1080nm，所述泵浦激光器的输出光波长为976nm。
附图说明
图1为本发明光纤激光器的结构示意图；
图2为本发明中采用的双包层掺杂光纤的剖视示意图；
图3为本发明中采用的正向合束器与泵浦激光器连接后的结构示意图；
图4为本发明中采用反向合束器与泵浦激光器连接后的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明光纤激光器包括正向合束器1、反向合束器2、增益光纤3和泵浦激光器4。其中，正向合束器1设置在增益光纤3的第一端，反向合束器2设置在增益光纤3的第二端，泵浦激光器4熔接在正向合束器1和反向合束器2的泵浦输入光纤11、21上。
如图1所示，增益光纤3包括纤芯31和直接包覆在纤芯31上的内包层32，且纤芯31的折射率大于内包层32的折射率。其中，纤芯31上设置第一纤芯光栅311和第二纤芯光栅312，且第一纤芯光栅311靠近增益光纤3的第一端，第二纤芯光栅312靠近增益光纤3的第二端，第一纤芯光栅3111的反射率高于第二纤芯光栅312的反射率。内包层32上设置有第一包层光栅321和第二包层光栅322，且第一包层光栅321位于第一纤芯光栅311背离正向合束器1的一侧，第二包层光栅322位于第二纤芯光栅312背离反向合束器2的一侧。第一包层光栅321和第二包层光栅322的工作波长a介于泵浦激光器4的输出光即泵浦光的波长b和第一纤芯光栅311及第二纤芯光栅312的工作波长c之间。这样，泵浦激光器4输出的泵浦光一部分进入增益光纤3的内包层32中，并在内包层32中增益生成波长为a的中间波，且该部分泵浦光在增益产生中间波时产生的热量全部位于增益光纤3的内包层32中，增益生成的中间波被第一包层光栅321和第二包层光栅322反射而无法从内包层32中出射，进而折射进入纤芯31中并增益产生波长为c的激光，且增益产生的波长为c的激光从反射率较低的第二纤芯光栅312处出射；进入纤芯31的泵浦光在纤芯31中增益产生波长为c的激光并从反射率较低的第二纤芯光栅312处出射，且该部分泵浦光在增益产生波长为c的激光时产生的热量全部位于纤芯31中。故，该光纤激光器在将泵浦激光器4输出的泵浦光转换成激光输出时，转换过程中产生的热量一部分位于截面积远大于纤芯31的内包层32中，一部分位于纤芯31中，减小了光纤激光器中增益光纤3的纤芯31的升温量，使增益光纤3的整体温度更为可控，进而使光纤激光器的系统更为稳定。优选地，增益光纤3可选用双包层掺杂光纤或混合光纤，该混合光纤包括双包层掺杂光纤和普通双包层光纤，且普通双包层光纤设置在双包层掺杂光纤的两端。当采用双包层掺杂光纤作为增益光纤时，可提高增益光纤的增益性能；当采用混合光纤作为增益光纤时，由于在位于双包层掺杂光纤两端的普通光纤的内包层上刻设包层光栅的工艺较为简单，可将第一纤芯光栅311、第二纤芯光栅312、第一包层光栅321和第二包层光栅322均设置在普通双包层光纤上，从而降低光纤激光器的制作难度及成本。如图2所示，双包层掺杂光纤的内包层32上包覆有外包层33，该外包层33的外表面上涂覆有涂覆层34，其中，外包层33的折射率小于内包层32的折射率且大于涂覆层34的折射率。优选地，双包层掺杂光纤的纤芯31和内包层32上掺杂有增益离子。在制作该双包层掺杂光纤时，优选使用稀土离子作为增益离子，且可选用的稀土元素包括铒(Er)、铷(Nd)、铥(Tm)、镱(Yb)、镝(Dy)和镨(Pr)。这样，在纤芯及内包层上均掺杂稀土离子作为增益离子，可有效提高纤芯31和内包层32的增益性能。优选地，第一纤芯光栅311、第一包层光栅321和第二包层光栅322均为高反射率光栅，第二纤芯光栅312为低反射率光栅，其中，高反射率光栅是指其反射率在其工作波长时大于99％，低反射率光栅是指其反射率在其工作波长时小于30％。比如，当第一纤芯光栅311的反射率在该第一纤芯光栅311的工作波长时大于99％，则第一纤芯光栅311为高反射率光栅；当第二纤芯光栅312的反射率在该第二纤芯光栅312的工作波长时小于30％，则第二纤芯光栅312为低反射率光栅。
如图1和3所示，正向合束器1包括正向信号输入光纤11、正向信号输出光纤12和N个泵浦输入光纤13，N为大于1的正整数，其中，正向信号输出光纤12与增益光纤3的第一端连接，正向信号输入光纤11和泵浦输入光纤13均位于背离正向信号输出光纤12的一侧。如图1和4所示，反向合束器2包括反向信号输入光纤21、反向信号输出光纤22和N个泵浦输入光纤23，N为大于1的正整数，其中，反向信号输入光纤21与增益光纤3的第二端连接，反向信号输出光纤22和泵浦输入光纤23均位于背离反向信号输入光纤21的一侧。为便于光纤激光器与传输光纤连接，在反向信号输出光纤22背离反向合束器2的一端设置有连接用端帽5。
以具有下述参数的光纤激光器为例，对该光纤激光器的工作原理进行说明。
泵浦激光器4的输出光波长为976nm，第一包层光栅321和第二包层光栅322的工作波长均为1018nm，反射率均大于99％，第一纤芯光栅311和第二纤芯光栅3121的工作波长均为1080nm，且第一纤芯光栅311的反射率大于99％，第二纤芯312的反射率小于30％。由于第一包层光栅321和第二包层光栅322的工作波长1018nm介于第一纤芯光栅311和第二纤芯光栅312的工作波长1080nm与泵浦激光器4的输出光波长976nm之间，一部分泵浦光首先在内包层32中增益产生波长为1018nm的中间波，由于第一包层光栅321和第二包层光栅322针对波长为1018nm的中间波的发射率大于99％，因此，波长为1018nm的中间波在内包层32中无法出射而折射进入到纤芯31中，并在纤芯31中增益产生波长为1080nm的激光，经由反射率小于30％的第二纤芯光栅312处出射；另一部分泵浦光进入纤芯31中，并在纤芯31中增益生成波长为1080nm的激光，并经由反射率小于30％的第二纤芯光栅312处出射。由此可见，本发明光纤激光器在将泵浦激光器输出的泵浦光转换成激光时，一部分热量产生在截面积远大于纤芯31的内包层32中，一部分热量产生在纤芯31中，可大大减小纤芯31因转换产生的热量而产生的升温量，从而提高增益光纤3的整体温度的可控性，进而提高光纤激光器的系统稳定性；同时，该光纤激光器可实现在一根光纤上的同带泵浦，从而获得的最大功率。

Claims (8)

1.一种光纤激光器，其特征在于，该光纤激光器包括正向合束器、反向合束器、增益光纤和泵浦激光器，所述正向合束器设置在所述增益光纤的第一端，所述反向合束器设置在所述增益光纤的第二端，所述泵浦激光器熔接在所述正向合束器和所述反向合束器的泵浦输入光纤上；所述增益光纤包括纤芯和直接包覆在所述纤芯上的内包层，所述纤芯的折射率大于所述内包层的折射率，所述纤芯上设置第一纤芯光栅和第二纤芯光栅，且所述第一纤芯光栅靠近所述增益光纤的第一端，所述第二纤芯光栅靠近所述增益光纤的第二端，第一纤芯光栅的反射率高于所述第二纤芯光栅的反射率；所述内包层上设置有第一包层光栅和第二包层光栅，且所述第一包层光栅位于所述第一纤芯光栅背离所述正向合束器的一侧，所述第二包层光栅位于所述第二纤芯光栅背离所述反向合束器的一侧；所述第一包层光栅和所述第二包层光栅的工作波长a介于所述泵浦激光器的输出光波长b和所述第一纤芯光栅及所述第二纤芯光栅的工作波长c之间；所述第一纤芯光栅、所述第一包层光栅和所述第二包层光栅均为高反射率光栅，所述第二纤芯光栅为低反射率光栅。
2.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤为双包层掺杂光纤或混合光纤，该混合光纤包括双包层掺杂光纤和普通双包层光纤，且该普通双包层光纤设置在所述双包层掺杂光纤的两端。
3.根据权利要求2所述的光纤激光器，其特征在于，所述双包层掺杂光纤的纤芯和内包层上掺杂有增益离子。
4.根据权利要求3所述的光纤激光器，其特征在于，所述增益离子为稀土离子。
5.根据权利要求3所述的光纤激光器，其特征在于，所述双包层掺杂光纤的内包层上包覆有外包层，该外包层外表面上涂覆有涂覆层，所述外包层的折射率小于所述内包层的折射率且大于所述涂覆层的折射率。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的光纤激光器，其特征在于，所述正向合束器包括正向信号输入光纤、正向信号输出光纤和N个泵浦输入光纤，N为大于1的正整数，所述正向信号输出光纤与所述增益光纤的第一端连接，所述正向信号输入光纤和所述泵浦输入光纤均位于背离所述正向信号输出光纤的一侧；所述反向合束器包括反向信号输入光纤、反向信号输出光纤和N个泵浦输入光纤，N为大于1的正整数，所述反向信号输入光纤与所述增益光纤的第二端连接，所述反向信号输出光纤和所述泵浦输入光纤均位于背离所述反向信号输入光纤的一侧。
7.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述高反射率光栅在该高反射率光栅的工作波长的反射率大于99％，所述低反射率光栅在该低反射率光栅的工作波长的反射率小于30％。
8.根据权利要求7所述的光纤激光器，其特征在于，所述第一包层光栅和所述第二包层光栅的工作波长为1018nm，所述第一纤芯光栅和所述第二纤芯光栅的工作波长为1080nm，所述泵浦激光器的输出光波长为976nm。
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