CN108155547A - 注入锁定光纤锥激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种注入锁定光纤锥激光器，系统由泵浦源1，光隔离器2，单模有源掺稀土光纤3，双包层有源掺稀土锥形光纤4；双包层有源掺稀土锥形光纤由有源掺稀土纤芯41、内包层42与外包层43构成，其折射率分别为n1，n2，n3且n1>n2>n3，这种折射率分布使在光传输过程所激发的高阶模能更有效的耦合到内包层，抑制模式不稳定效应。在单模有源掺稀土光纤3的两端写入高反射光栅31与部分反射光栅32，利用紫外激光器或飞秒激光器在双包层有源掺稀土锥形光纤4的粗端写入低反射光栅5。该激光器结构简单，实际应用性好，具有较高的信号吸收率，散热性好，泵浦效率高，能抑制模式跳变效应，拥有高功率高质量的激光输出。

Description

注入锁定光纤锥激光器

技术领域

本发明涉及一种注入锁定光纤锥激光器，属于高功率高质量光纤激光器领域。

背景技术

光纤可以用于光纤通信，也可以用来传输能量。基于后者的焊接、切割、钻孔和军事方面的应用已经在不断的进步。光纤激光器作为新一代的激光器代表，与传统固体激光器相比具有许多优点，第一，不需要准直，利用数值孔径匹配的光纤相互熔接作为传导介质；第二，由于光纤具有波导结构，全光纤激光器高功率运转时仍具有优良的光束质量；第三，结构紧凑，胜任恶劣的工作环境，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度具有很高的容忍度；第四，基于光纤结构的锁模激光器相比于固体激光器，能够实现自启动锁模。基于这些优点，光纤激光器正在逐步取代传统固体激光器在各个领域中的地位，发挥着越来越重要的作用。

随着双包层掺杂光纤制造工艺和高亮度泵浦源技术的发展，光纤激光器的输出功率以惊人的速度迅速提高，目前，单模光纤激光器的输出功率已经突破万瓦级。在高功率光纤激光器中，由于激光功率密度极高，光纤中发生的各种非线性效应成为了限制激光功率提升的关键因素，因此需要考虑色散和非线性的联合作用。而超短脉冲输出的峰值功率很高，由此产生的非线性效应还会导致脉冲形状的恶化。由于非线性效应、热损伤以及泵浦源亮度等因素的影响，普通双包层光纤超短脉冲激光输出功率受到了限制，单模有源光纤激光器纤芯连续波损坏阈值为1W/μm^2[J.Nilsson,J.K.Sahu,Y.Jeong,W.A.Clarkson,R.Selvas,A.B.Grudinin,and S.U.Alam,”High Power Fiber Lasers:NewDevelopments”,Proceedings of SPIEVol.4974,50-59(2003)]，其光学损坏危险成为实现大功率单模光纤激光器的一大挑战。除了光学损坏外，由于大功率光产生的热也会损坏光纤，甚至会最终融化纤芯。有文献报道，铒镱共掺光纤激光器每米可产生100W热[J.Nilsson,S.U.Alam,J.A.Alavarez-Chavez,P.W.Turner,W.A.Clakson,and A>B.Grudinin,”High-power and tunable operation of erbium-ytterbium co-dopedcladding-pumped fiber laser”,IEEE J.Quantum Electron.39,987-994(2003)]。

为了克服已有的传统双包层单模光纤激光器的输出单模激光功率有限以及随着光功率的增加，其输出光束质量变差，抗热等方面的缺陷，授权公告号：CN201584640U，公告日：2010.09.15，提供了“外腔耦合多根多模有源纤芯大功率单模激光器”；授权公告号：CN101764344B，公告日：2011.11.30，提供了“单模有源纤芯外腔耦合多模有源纤芯超亮度单模激光器”；授权公告号：CN101763340B，公告日：2011.11.30，提供了“强耦合多模掺稀土环芯超亮度单模激光器”，这些都用来实现大功率单模激光输出。然而，这些光纤激光器中多根有源掺稀土纤芯之间的耦合，与多根有源掺稀土纤芯之间的距离有关，要求多根有源掺稀土纤芯之间的距离在一定范围内，因此增加了有源光纤的制作难度，成品率低。同时为了保持纤芯间耦合条件，这些激光器对外界环境稳定性要求较高，不具有适用性。此外，多根有源掺稀土纤芯耦合的双包层光纤损耗大，总纤芯面积较小，导致泵浦效率降低，输出光功率较小，输出光质量较低。

发明内容

为了克服已有的传统双包层单模光纤激光器的制作工艺复杂，对外界环境稳定性要求较高，输出单模激光功率有限以及随着光功率的增加，其输出光束质量变差，抗热等方面的缺陷，提出一种注入锁定光纤锥激光器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种注入锁定光纤锥激光器，它包括泵浦源、隔离器、普通单模有源掺稀土光纤和双包层有源掺稀土锥形光纤；双包层有源掺稀土锥形光纤由有源掺稀土纤芯、内包层与外包层构成，其折射率分别为n1，n2，n3，并且有n1>n2>n3，此种光纤折射率分布不同于传统双包层有源光纤n1>n2＝n3的折射率分布，这种折射率分布能确保使得光传输过程所激发的高阶模更有效的耦合到内包层，获得较高的信号吸收率，同时还能够在一定程度上抑制模式不稳定效应，获得高质量大功率的输出光。所发明激光器特征为：在普通单模有源掺稀土光纤的两端写入对应激光波长的高反射光栅与对应激光波长的部分反射光栅，利用紫外激光器或者飞秒激光器在双包层有源掺稀土锥形光纤的粗端写入对应激光波长的部分反射光栅，或在双包层有源掺稀土锥形光纤的粗端端面镀对应激光波长的部分反射膜；将普通单模有源掺稀土光纤部分反射光栅对应末端与双包层有源掺稀土锥形光纤的细端连接构成谐振腔。

泵浦源采用的泵浦方式分为前向端面泵浦、后向端面泵浦、侧面泵浦、同时进行前向端面泵浦和后向端面泵浦、同时进行前向端面泵浦和侧面泵浦、同时进行后向端面泵浦和侧面泵浦、同时进行前向端面泵浦、后向端面泵浦和侧面泵浦。

普通单模有源掺稀土光纤纤芯和双包层有源掺稀土锥形光纤纤芯的掺稀土离子类型相同，其掺稀土离子类型包括铒离子、镱离子、钬离子、铥离子、钕离子、铒镱共掺离子。双包层有源掺稀土锥形光纤内包层结构可以为圆形，也可以为D形、矩形、六边形、八边形、偏芯圆形、星形或梅花形。

本发明的有益效果具体如下：所述光纤激光器，采用的双包层有源掺稀土锥形光纤的折射率分布与传统的双包层有源掺稀土光纤折射率分布不同，其有源掺稀土纤芯、内包层与外包层折射率分别为n1，n2，n3，并且有n1>n2>n3，而传统双包层有源掺稀土光纤折射率分布为n1>n2＝n3，双包层有源掺稀土锥形光纤的这种折射率分布好处在于能确保使得光传输过程所激发的高阶模更有效的耦合到内包层，获得较高的信号吸收率，因此可使得入射泵浦光的波长适当往短波长方向移动，同时还能够在一定程度上抑制模式不稳定效应，获得高质量大功率的输出光。同时，双包层有源掺稀土锥形光纤的大模场面积可以使激光器拥有更好的散热性和更高的泵浦效率，该光纤激光器结构简单，对外界环境条件要求低，有很好的实际应用性。

附图说明

图1为前向端面泵浦，双包层有源掺稀土锥形光纤粗端末尾写入反射光栅的注入锁定光纤锥激光器的纵截面示意图。

图2为侧面泵浦，普通单模有源掺稀土光纤一端端面镀高反射膜，双包层有源掺稀土锥形光纤粗端末尾端面镀反射膜的注入锁定光纤锥激光器的纵截面示意图。

图3为后向端面泵浦，双包层有源掺稀土锥形光纤粗端末尾写入反射光栅的注入锁定光纤锥激光器的纵截面示意图。

图4为多个泵浦源前向端面泵浦，双包层有源掺稀土锥形光纤粗端末尾写入反射光栅的注入锁定光纤锥激光器的纵截面示意图。

图5为多个泵浦源前向端面泵浦与侧面泵浦，双包层有源掺稀土锥形光纤粗端末尾写入反射光栅的注入锁定光纤锥激光器的纵截面示意图。

图6为多个泵浦源前向端面泵浦与后向端面泵浦，双包层有源掺稀土锥形光纤粗端末尾端面镀反射膜的注入锁定光纤锥激光器的纵截面示意图。

图7为后向端面泵浦和侧面泵浦，双包层有源掺稀土锥形光纤粗端末尾端面镀反射膜的注入锁定光纤锥激光器的纵截面示意图。

图8为多个泵浦源前向端面泵浦、后向端面泵浦和侧面泵浦，双包层有源掺稀土锥形光纤粗端末尾端面镀反射膜的注入锁定光纤锥激光器的纵截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例一

本实例中，一种注入锁定光纤锥激光器，如图1所示，该激光器包括：泵浦源1，光隔离器2，普通单模有源掺稀土光纤3，双包层有源掺稀土锥形光纤4。普通单模有源掺稀土光纤3和双包层有源掺稀土锥形光纤4的掺杂离子均为铒离子，普通单模有源掺稀土光纤3纤芯直径为9μm，包层直径125μm；双包层有源掺稀土锥形光纤4细端纤直径d1＝9μm，内包层直径d2＝90μm，外包层直径d3＝125μm；粗端纤芯直径d1＝150μm，内包层直径d2＝900μm，外包层直径d3＝4500μm，光纤长度为10米，内包层结构可以为圆形，也可以为D形、矩形、六边形、八边形、偏芯圆形、星形或梅花形。在普通单模有源掺稀土光纤3的两端分别写入反射系数超过99％的光栅31与反射系数为80％光栅32。在双包层有源掺稀土锥形光纤4粗端末尾利用紫外激光器或者飞秒激光器写入反射率为5％-8％的光栅5。普通单模有源掺稀土光纤3中的光栅31与光栅32，双包层有源掺稀土锥形光纤4中的光栅5构成激光腔，泵浦源1进行前向端面泵浦。

实施例二

本实例中，一种注入锁定光纤锥激光器，如图2所示，该激光器包括：泵浦源13，普通单模有源掺稀土光纤3，双包层有源掺稀土锥形光纤4。普通单模有源掺稀土光纤3和双包层有源掺稀土锥形光纤4的掺杂离子类型为镱离子，普通单模有源掺稀土光纤3纤芯纤芯直径为6μm，包层直径125μm；双包层有源掺稀土锥形光纤4细端纤直径d1＝6μm，内包层直径d2＝80μm，外包层直径d3＝125μm；粗端纤芯直径d1＝90μm，内包层直径d2＝400μm，外包层直径d3＝500μm，光纤长度为2米，内包层结构可以为圆形，也可以为D形、矩形、六边形、八边形、偏芯圆形、星形或梅花形。在普通单模有源掺稀土光纤3的两端分别写入反射系数超过99％的光栅31与反射系数为80％光栅32，并在光栅31一侧光纤前端端面镀一层反射率为100％的反射膜8。在双包层有源掺稀土锥形光纤4粗端末尾端面镀一层反射率为5％-8％的反射膜51。普通单模有源掺稀土光纤3前端端面的反射膜8、光栅31与光栅32，双包层有源掺稀土锥形光纤4中的反射膜51构成激光腔。在双包层有源掺稀土锥形光纤4的粗端的外包层43与内包层42刻上V字形，凹字形或任意形状的槽，泵浦源13利用这种槽进行侧面泵浦。

实施例三

本实例中，一种注入锁定光纤锥激光器，如图3所示，该激光器包括：泵浦源12，二分镜62，反射镜61，普通单模有源掺稀土光纤3，双包层有源掺稀土锥形光纤4。普通单模有源掺稀土光纤3和双包层有源掺稀土锥形光纤4的掺杂离子类型为钬离子，普通单模有源掺稀土光纤3纤芯直径为2μm，包层直径400μm；双包层有源掺稀土锥形光纤4细端纤直径d1＝2μm，内包层直径d2＝350μm，外包层直径d3＝400μm；粗端纤芯直径d1＝180μm，内包层直径d2＝1000μm，外包层直径d3＝1600μm，光纤长度为5米，内包层结构可以为圆形，也可以为D形、矩形、六边形、八边形、偏芯圆形、星形或梅花形。在普通单模有源掺稀土光纤3的两端分别写入反射系数超过99％的光栅31与反射系数为80％光栅32，并在光栅31一侧光纤前端端面镀一层反射率为100％的反射膜8。在双包层有源掺稀土锥形光纤4粗端末尾写入反射率为5％-8％的光栅5。普通单模有源掺稀土光纤3前端端面的反射膜8、光栅31与光栅32，双包层有源掺稀土锥形光纤4中的光栅5构成激光腔，泵浦源12通过二分镜62与反射镜61对激光腔进行后向端面泵浦。

实施例四

本实例中，一种注入锁定光纤锥激光器，如图4所示，该激光器包括：泵浦源1，泵浦源14，…，泵浦源1N，光合束器7，光隔离器2，普通单模有源掺稀土光纤3，双包层有源掺稀土锥形光纤4。光合束器7将多个泵浦光耦合进传输光纤中。普通单模有源掺稀土光纤3和双包层有源掺稀土锥形光纤4的掺杂离子均为铥离子，普通单模有源掺稀土光纤3纤芯直径为1μm，包层直径80μm；双包层有源掺稀土锥形光纤4细端纤直径d1＝1μm，内包层直径d2＝60μm，外包层直径d3＝80μm；粗端纤芯直径d1＝100μm，内包层直径d2＝800μm，外包层直径d3＝1000μm，光纤长度为2米，内包层结构可以为圆形，也可以为D形、矩形、六边形、八边形、偏芯圆形、星形或梅花形。在普通单模有源掺稀土光纤3的两端分别写入反射系数超过99％的光栅31与反射系数为80％光栅32。在双包层有源掺稀土锥形光纤4粗端末尾利用紫外激光器或者飞秒激光器写入反射率为5％-8％的光栅5。普通单模有源掺稀土光纤3中的光栅31与光栅32，双包层有源掺稀土锥形光纤4中的光栅5构成激光腔，泵浦源1，泵浦源14，…，泵浦源1N进行前向端面泵浦。

实施例五

本实例中，一种注入锁定光纤锥激光器，如图5所示，该激光器包括：泵浦源1，泵浦源13，泵浦源14，…，泵浦源1N，光合束器7，光隔离器2，普通单模有源掺稀土光纤3，双包层有源掺稀土锥形光纤4。光合束器7将多个泵浦光耦合进传输光纤中。普通单模有源掺稀土光纤3和双包层有源掺稀土锥形光纤4的掺杂离子均为钕离子，普通单模有源掺稀土光纤3纤芯直径为3μm，包层直径125μm；双包层有源掺稀土锥形光纤4细端纤直径d1＝3μm，内包层直径d2＝100μm，外包层直径d3＝125μm；粗端纤芯直径d1＝165μm，内包层直径d2＝210μm，外包层直径d3＝255μm，光纤长度为1米，内包层结构可以为圆形，也可以为D形、矩形、六边形、八边形、偏芯圆形、星形或梅花形。在普通单模有源掺稀土光纤3的两端分别写入反射系数超过99％的光栅31与反射系数为80％光栅32。在双包层有源掺稀土锥形光纤4粗端末尾利用紫外激光器或者飞秒激光器写入反射率为5％-8％的光栅5。普通单模有源掺稀土光纤3中的光栅31与光栅32，双包层有源掺稀土锥形光纤4中的光栅5构成激光腔，泵浦源1，泵浦源14，…，泵浦源1N进行前向端面泵浦，泵浦源13进行侧面泵浦。在双包层有源掺稀土锥形光纤4的粗端的外包层43与内包层42刻上V字形，凹字形或任意形状的槽，泵浦源13利用这种槽进行侧面泵浦。

实施例六

本实例中，一种注入锁定光纤锥激光器，如图6所示，该激光器包括：泵浦源1，泵浦源12，泵浦源14，…，泵浦源1N，光合束器7，光隔离器2，二分镜62，反射镜61，普通单模有源掺稀土光纤3，双包层有源掺稀土锥形光纤4。光合束器7将多个泵浦光耦合进传输光纤中。普通单模有源掺稀土光纤3和双包层有源掺稀土锥形光纤4的掺杂离子均为铒镱共掺离子，普通单模有源掺稀土光纤3纤芯直径为20μm，包层直径400μm；双包层有源掺稀土锥形光纤4细端纤直径d1＝20μm，内包层直径d2＝350μm，外包层直径d3＝400μm；粗端纤芯直径d1＝200μm，内包层直径d2＝3000μm，外包层直径d3＝3800μm，光纤长度为8米，内包层结构可以为圆形，也可以为D形、矩形、六边形、八边形、偏芯圆形、星形或梅花形。在普通单模有源掺稀土光纤3的两端分别写入反射系数超过99％的光栅31与反射系数为80％光栅32。在双包层有源掺稀土锥形光纤4粗端末尾端面镀一层反射率为5％-8％的反射膜51。普通单模有源掺稀土光纤3中的光栅31与光栅32，双包层有源掺稀土锥形光纤4中的反射膜51构成激光腔，泵浦源1，泵浦源14，…，泵浦源1N进行前向端面泵浦，泵浦源12通过二分镜62与反射镜61对激光腔进行后向端面泵浦。

实施例七

本实例中，一种注入锁定光纤锥激光器，如图7所示，该激光器包括：泵浦源12，泵浦源13，二分镜62，反射镜61，普通单模有源掺稀土光纤3，双包层有源掺稀土锥形光纤4。普通单模有源掺稀土光纤3和双包层有源掺稀土锥形光纤4的掺杂离子类型为掺铒或掺镱或掺钬或掺铥或掺钕或铒镱共掺离子，普通单模有源掺稀土光纤3纤芯直径为10μm，包层直径125μm；双包层有源掺稀土锥形光纤4细端纤直径d1＝10μm，内包层直径d2＝100μm，外包层直径d3＝125μm；粗端纤芯直径d1＝120μm，内包层直径d2＝800μm，外包层直径d3＝1000μm，光纤长度为4米，内包层结构可以为圆形，也可以为D形、矩形、六边形、八边形、偏芯圆形、星形或梅花形。在普通单模有源掺稀土光纤3的两端分别写入反射系数超过99％的光栅31与反射系数为80％光栅32，并在光栅31一侧光纤前端端面镀一层反射率为100％的反射膜8。在双包层有源掺稀土锥形光纤4粗端末尾端面镀一层反射率为5％-8％的反射膜51。普通单模有源掺稀土光纤3前端端面的反射膜8、光栅31与光栅32，双包层有源掺稀土锥形光纤4中的反射膜51构成激光腔。泵浦源12通过二分镜62与反射镜61对激光腔进行后向端面泵浦；在双包层有源掺稀土锥形光纤4的粗端的外包层43与内包层42刻上V字形，凹字形或任意形状的槽，泵浦源13利用这种槽进行侧面泵浦。

实施例八

本实例中，一种注入锁定光纤锥激光器，如图8所示，该激光器包括：泵浦源1，泵浦源12，泵浦源13，泵浦源14，…，泵浦源1N，光合束器7，光隔离器2，二分镜62，反射镜61，普通单模有源掺稀土光纤3，双包层有源掺稀土锥形光纤4。光合束器7将多个泵浦光耦合进传输光纤中。普通单模有源掺稀土光纤3和双包层有源掺稀土锥形光纤4的掺杂离子均为掺铒或掺镱或掺钬或掺铥或掺钕或铒镱共掺离子，普通单模有源掺稀土光纤3纤芯直径为30μm，包层直径1000μm；双包层有源掺稀土锥形光纤4细端纤直径d1＝30μm，内包层直径d2＝800μm，外包层直径d3＝1000μm；粗端纤芯直径d1＝600μm，内包层直径d2＝3000μm，外包层直径d3＝4500μm，光纤长度为7米，内包层结构可以为圆形，也可以为D形、矩形、六边形、八边形、偏芯圆形、星形或梅花形。在普通单模有源掺稀土光纤3的两端分别写入反射系数超过99％的光栅31与反射系数为80％光栅32。在双包层有源掺稀土锥形光纤4粗端末尾端面镀一层反射率为5％-8％的反射膜51。普通单模有源掺稀土光纤3中的光栅31与光栅32，双包层有源掺稀土锥形光纤4中的反射膜51构成激光腔，泵浦源1，泵浦源14，…，泵浦源1N进行前向端面泵浦；泵浦源12通过二分镜62与反射镜61对激光腔进行后向端面泵浦；在双包层有源掺稀土锥形光纤4的粗端的外包层43与内包层42刻上V字形，凹字形或任意形状的槽，泵浦源13利用这种槽进行侧面泵浦。

Claims (3)

1.一种注入锁定光纤锥激光器，它包括泵浦源1，光隔离器2，普通单模有源掺稀土光纤3，双包层有源掺稀土锥形光纤4；双包层有源掺稀土锥形光纤4由有源掺稀土纤芯41、内包层42与外包层构成43，其折射率分别为n1，n2，n3，并且有n1>n2>n3，此种光纤折射率分布不同于传统双包层有源光纤n1>n2＝n3的折射率分布，这种折射率分布能确保使得光传输过程所激发的高阶模更有效的耦合到内包层，获得较高的信号吸收率，同时还能够在一定程度上抑制模式不稳定效应，获得高质量大功率的输出光。所发明激光器特征为：在普通单模有源掺稀土光纤3的两端写入对应激光波长的高反射光栅31与对应激光波长的部分反射光栅32，利用紫外激光器或者飞秒激光器在双包层有源掺稀土锥形光纤4的粗端写入对应激光波长的低反射光栅5，或在双包层有源掺稀土锥形光纤4的粗端端面镀对应激光波长的部分反射膜51；将普通单模有源掺稀土光纤3部分反射光栅32对应末端与双包层有源掺稀土锥形光纤4的细端连接构成谐振腔。

2.根据权利要求1所述的注入锁定光纤锥激光器，其特征为：泵浦源1，泵浦源14，…，泵浦源1N采用前向端面泵浦；泵浦源12采用后向端面泵浦；泵浦源13采用侧面泵浦。泵浦可单独采用前向端面泵浦或后向端面泵浦或侧面泵浦，也可采用联合泵浦，如前向端面泵浦和后向端面泵浦、前向端面泵浦和侧面泵浦、后向端面泵浦和侧面泵浦、或同时进行前向端面泵浦、后向端面泵浦和侧面泵浦。

3.根据权利要求1所述的注入锁定光纤锥激光器，其特征为：普通单模有源掺稀土光纤3纤芯和双包层有源掺稀土锥形光纤4的掺稀土离子类型相同，其掺稀土离子类型包括铒离子、镱离子、钬离子、铥离子、钕离子、铒镱共掺离子。双包层有源掺稀土锥形光纤4内包层42结构可以为圆形，也可以为D形、矩形、六边形、八边形、偏芯圆形、星形或梅花形。