CN109149339B - 可用于泵浦掺铥光纤的800nm波段高亮度光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可用于泵浦掺铥光纤的800nm波段高亮度光纤激光器及泵浦掺铥光纤激光器，800nm波段高亮度光纤激光器包括：多个泵浦激光器，用于按照预定功率输出790nm波段的激光；前级拉曼光纤振荡器，用于通过渐变折射率光纤中的拉曼反应对所述泵浦源进行净化；获得功率和亮度均得以提高的800nm波段激光。该方案解决了800nm波段光源亮度不足、功率较低的问题，提高了800nm波段光源亮度和输出功率。

Description

可用于泵浦掺铥光纤的800nm波段高亮度光纤激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其是一种可用于泵浦掺铥光纤的800nm波段高亮度光纤激光器。

背景技术

光纤激光器具有光束质量好、转换效率高、热管理便利、系统成本低廉等优势，在工业制造、生物医疗、国防科技等各个领域倍受青睐。其中主要发射波段在约2000nm的掺铥光纤激光可应用于人眼安全领域，且由于其非线性阈值高等特点，具有更大的功率提升潜力。

由铥离子(Tm³⁺)吸收谱可知，其在800nm、1200nm和1600nm附近有吸收峰，后两个波长的高功率激光二极管技术尚不成熟，无法实现二极管直接泵浦；在800nm波段目前利用790nm商用高功率激光二极管泵浦的方案已发展较为成熟，然而泵浦光源的亮度有限，限制了激光器输出功率的进一步提升，因此亟需800nm波段的高亮度光源。

发明内容

本发明提供一种可用于泵浦掺铥光纤的800nm波段高亮度光纤激光器，用于克服现有技术中800nm波段光源亮度不足、功率较低等缺陷，提高800nm波段光源亮度及激光器输出功率。

为实现上述目的，本发明提出一种可用于泵浦掺铥光纤的800nm波段高亮度光纤激光器，包括：

多个泵浦激光器，用于按照预定功率输出790nm波段的激光作为泵浦源；

前级拉曼光纤振荡器，用于通过渐变折射率光纤中的拉曼反应对所述泵浦源进行净化；获得功率和亮度均得以提高的800nm波段激光。

为实现上述目的，本发明还提供一种泵浦掺铥光纤激光器包括：

多个上述的可用于泵浦掺铥光纤的800nm波段高亮度光纤激光器，用于按照预定功率输出800nm波段的激光作为前级泵浦源；

掺铥光纤，输入所述前级泵浦源并输出功率得以提高的目标波长激光。

本发明提供的可用于泵浦掺铥光纤的800nm波段高亮度光纤激光器及泵浦掺铥光纤激光器，首先利用790nm波段激光泵浦渐变折射率光纤振荡器，获得一定功率的800nm波段激光，由于渐变折射率光纤中的拉曼效应具有光束净化效果，在获得高功率激光输出的同时能够获得激光亮度的提升。接下来将输出的800nm波段激光作为泵浦激光注入掺铥光纤振荡器，最终获得高功率掺铥光纤激光输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为发明实施例提供的可用于泵浦掺铥光纤的800nm波段高亮度光纤激光器的结构示意图；

图2为发明实施例提供的泵浦掺铥光纤激光器的结构示意图；

图3为图1中拉曼光纤的双包层折射率随径向变化的示意图；

图4为图1、图2中反射光纤光栅的结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种可用于泵浦掺铥光纤的800nm波段高亮度光纤激光器及泵浦掺铥光纤激光器。

实施例一

请参照图1，本发明实施例提供一种可用于泵浦掺铥光纤的800nm波段高亮度光纤激光器，包括多个泵浦激光器和前级拉曼光纤振荡器；其中

多个泵浦激光器用于按照预定功率输出790nm波段的激光作为泵浦源；所述的790nm波段激光可以是760nm-795nm波段，激光器所使用的数量依据系统所需要的泵浦能量大小而定，可以是一个或多个；

前级拉曼光纤振荡器用于通过渐变折射率光纤中的拉曼反应对所述泵浦源进行净化；获得功率和亮度均得以提高的800nm波段激光。

泵浦激光器与前级拉曼光纤振荡器之间的泵浦方式采用包层泵浦方式，所述的包层泵浦方式指的是泵浦激光注入振荡器中的渐变折射率光纤的包层，通过拉曼增益从纤芯中产生目标波长的激光。比如使用泵浦信号合束器，则泵浦激光会通过合束器进入到包层中，再与渐变折射率光纤熔接后，激光传输至渐变折射率光纤中的包层中。

优选地，所述前级拉曼光纤振荡器包括顺次连接的：

前级泵浦合束器，用于将所述泵浦源合成并输出；及

请参照图3，所述拉曼光纤，折射率渐变，光纤折射率在中心最高，沿径向方向逐渐减小，并对输入的所述泵浦源进行拉曼反应获得功率和亮度均得以提高的前级泵浦源。

所述的前级拉曼光纤振荡器结构中的泵浦合束器可以是n×1的合束器(n为正整数)，且泵浦臂光纤应与提供泵浦光的结构的输出尾纤尺寸相匹配，信号臂光纤应与光纤振荡器中的高反光纤尺寸相匹配，使得泵浦光能够进入包层进行泵浦。

优选地，所述前级拉曼光纤包括纤芯和包覆在所述纤芯外周侧的包层，所述纤芯的折射率渐变，光纤折射率在中心最高，沿径向方向逐渐减小；所述包层的折射率沿径向保持恒定；

优选地，所述包层包括内包覆在所述纤芯外周侧的内包层和包覆在所述内包层外周侧的外包层；

所述内包层沿径向的折射率大于所述外包层沿径向的折射率。

优选地，所述前级拉曼光纤振荡器还包括：

第一反射光纤光栅，连接于所述前级泵浦合束器与所述拉曼光纤之间，用于对产生的800nm波段的激光提供正向反馈；

第二反射光纤光栅，与所述拉曼光纤的输出端连接，用于将输入的800nm波段的激光进行反射后输出；与所述第一反射光纤光栅共同构成谐振腔。反射光纤光栅的结构参见图4。

第一、第二反射光纤光栅的反射率依据激光器的输出需要来选择。在本发明一实施例中，第一反射光纤光栅的反射率为90％，80％；第二反射光纤光栅的反射率为30％，20％；只要能更好的输出功率等特性，那么也可以选择其他范围的反射率。

所述的前级拉曼光纤振荡器中的第一反射光纤光栅与第二反射光纤光栅的工作中心波长(信号波长)一致，在800nm波长附近，且波长与泵浦激光的中心波长的间隔在拉曼增益谱范围内，计算公式：

其中，λ₂为反射信号光波长，λ₁为泵浦光波长，Δυ为渐变折射率拉曼光纤中对应的拉曼频移，对于普通硅基质光纤来说Δυ峰值在13.2THz左右，c为光速。

本发明中的可用于泵浦掺铥光纤的800nm波段高亮度光纤激光器参见图1，所述的可用于泵浦掺铥光纤的800nm波段高亮度光纤激光器的结构包括依次连接的790nm波段泵浦激光器、前级泵浦合束器1-8、800nm波段第一反射光纤光栅1-9、渐变折射率拉曼光纤1-10、800nm波段第二反射光纤光栅1-11。其中泵浦激光器为7个，分别为1#790nm波段泵浦激光器1-1、2#790nm波段泵浦激光器1-2、3#790nm波段泵浦激光器1-3、4#790nm波段泵浦激光器1-4、5#790nm波段泵浦激光器1-5、6#790nm波段泵浦激光器1-6、7#790nm波段泵浦激光器1-7。

首先选取790nm波段激光进行包层泵浦，利用渐变折射率光纤搭建前级拉曼光纤振荡器结构，在纤芯中获得对应的800nm波段激光输出，由于渐变折射率光纤中的拉曼效应具有光束净化效果，能够获得激光亮度的提升，同时泵浦光能量向信号波长激光转移，获得功率较高的信号波长激光。接下来将输出的800nm波段激光作为泵浦激光注入掺铥光纤振荡器，最终获得目标信号波长高功率激光输出。

利用790nm波段激光泵浦渐变折射率光纤振荡器，获得一定功率的800nm波段激光，由于渐变折射率光纤中的拉曼效应具有光束净化效果，在获得高功率激光输出的同时能够获得激光亮度的提升。

实施例二

请参照图2，本发明实施例提供一种泵浦掺铥光纤激光器，包括：

多个上述的可用于泵浦掺铥光纤的800nm波段高亮度光纤激光器，用于按照预定功率输出800nm波段的激光作为前级泵浦源；

掺铥光纤，输入所述前级泵浦源并输出功率得以提高的目标波长激光。

首先选取790nm波段激光进行包层泵浦，利用渐变折射率光纤搭建前级拉曼光纤振荡器结构，在纤芯中获得对应的800nm波段激光输出，由于渐变折射率光纤中的拉曼效应具有光束净化效果，在获得高功率激光输出的同时能够获得激光亮度的提升。接下来将输出的800nm波段激光作为泵浦激光注入掺铥光纤振荡器，最终获得目标信号波长高功率激光输出。

利用800nm波段高亮度光纤激光器泵浦掺铥光纤激光器的系统的结构参见图2，所述的利用800nm波段高亮度光纤激光器泵浦掺铥光纤激光器的系统结构包括依次连接的800nm波段前级光纤振荡器、次级泵浦合束器1-h、信号波长第三反射光纤光栅1-i、掺铥光纤1-j、信号波长第四反射光纤光栅1-k。其中800nm波段前级光纤振荡器为7个，分别为1#800nm波段前级光纤振荡器1-a、2#800nm波段前级光纤振荡器1-b、3#800nm波段前级光纤振荡器1-c、4#800nm波段前级光纤振荡器1-d、5#800nm波段前级光纤振荡器1-e、6#800nm波段前级光纤振荡器1-f、7#800nm波段前级光纤振荡器1-g。

优选地，泵浦掺铥光纤激光器还包括：

第三反射光纤光栅，连接于所述次级泵浦合束器与所述掺铥光纤之间，用于提供向信号光传播方向的反馈；

第四反射光纤光栅，与所述掺铥光纤输出端连接，和第三反射光纤光栅共同构成谐振腔。

第三反射光纤光栅和第四反射光纤光栅的反射率参见实施例一中第一、第二反射光纤光栅反射率的选择。

以上所述的所有器件均已全光纤化，各个器件通过光纤熔接组成一个整体。反射光纤光栅的结构参见图4。

以实现1940nm光纤激光器为例，首先通过790nm半导体激光器包层泵浦渐变折射率光纤激光器，获得高功率的810nm拉曼光纤激光以提供泵浦激光，由于渐变折射率光纤中的拉曼效应具有光束净化效果，在获得高功率激光输出的同时能够获得激光亮度的提升。接下来将输出的810nm波段激光作为泵浦激光注入1940nm掺铥光纤振荡器结构，最终获得目标信号波长高功率激光输出。

具体地，首先利用790nm半导体激光器包层泵浦渐变折射率拉曼光纤激光器，其中：单个790nm半导体激光器输出功率可达200W，输出尾纤为纤芯直径105μm、内包层直径125μm(105μm/125μm)多模光纤；使用7个790nm半导体激光器作为泵浦源，经由7×1前级泵浦合束器将泵浦光注入渐变折射率拉曼光纤激光器中；810nm高反光栅反射率为99％、有效带宽2nm，低反光栅反射率15％、有效带宽0.7nm；渐变折射率光纤使用62.5μm/125μm的双包层渐变折射率光纤，长度50m；810nm光纤振荡器输出功率约1100W。

利用810nm前级光纤振荡器泵浦1940nm掺铥光纤振荡器，其中：单个810nm前级光纤振荡器输出功率可达1100W，输出芯径尺寸62.5μm/125μm；使用7个810nm前级光纤振荡器作为泵浦源，经由7×1次级泵浦合束器将泵浦光注入1940nm掺铥光纤激光器中，合束器泵浦臂光纤尺寸为105μm/125μm合束后总泵浦功率可达7700W；1940nm高反光栅反射率为99％、有效带宽2nm，低反光栅反射率15％、有效带宽0.7nm；掺铥光纤使用20/130μm的双包层光纤，在810nm的吸收系数是3dB/m，长度8m；按照50％的转换效率，1940nm掺铥光纤激光器输出功率可达3850W。

与传统的直接使用790nm激光二极管泵浦掺铥光纤激光器结构对比：假定同样使用790nm激光二极管功率在200W左右，将7个790nm激光二极管通过7×1泵浦合束器合成一束输出，可以获得约1400W左右的泵浦功率。利用合束的高功率790nm光纤激光泵浦形成1940nm波长掺铥光纤激光器，即使按照55％的转换效率，也只能得到约770W的1940nm功率输出，功率提升受限于泵浦源的亮度。而采用810nm渐变折射率拉曼光纤振荡器作为泵浦激光器，可以使用多个790nm波段激光器进行泵浦，提高了可获得的拉曼激光的功率，同时利用渐变折射率光纤中的光束净化效果，提高了810nm拉曼激光的亮度，可以获得更高功率的810nm泵浦激光功率，从而提高1940nm掺铥光纤激光输出功率。由此可见使用渐变折射率拉曼光纤激光作为高亮度泵浦源对掺铥光纤激光器进行泵浦的优势。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种泵浦掺铥光纤激光器，其特征在于，包括：

多个可用于泵浦掺铥光纤的800nm波段高亮度光纤激光器，用于按照预定功率输出800nm波段的激光作为前级泵浦源；

掺铥光纤，输入合成后的所述前级泵浦源并输出功率得以提高的1940nm激光；

其中可用于泵浦掺铥光纤的800nm波段高亮度光纤激光器包括：

多个泵浦激光器，用于按照预定功率输出790nm波段的激光作为泵浦源；

前级拉曼光纤振荡器，用于通过渐变折射率光纤中的拉曼反应对所述泵浦源进行净化；获得功率和亮度均得以提高的800nm波段激光；

所述前级拉曼光纤振荡器包括顺次连接的：

前级泵浦合束器，用于将所述泵浦源合成并输出；及

所述拉曼光纤，折射率渐变，光纤折射率在中心最高，沿径向方向逐渐减小，并对输入的所述泵浦源进行拉曼反应，获得功率和亮度均得以提高的800nm波段激光；

所述前级拉曼光纤包括纤芯和包覆在所述纤芯外周侧的包层，所述纤芯的折射率渐变，光纤折射率在中心最高，沿径向方向逐渐减小；前级拉曼光纤的纤芯折射率随径向呈外凸曲线变化；所述包层的折射率沿径向保持恒定；

所述包层包括内包覆在所述纤芯外周侧的内包层和包覆在所述内包层外周侧的外包层；

所述内包层沿径向的折射率大于所述外包层沿径向的折射率。

2.如权利要求1所述的泵浦掺铥光纤激光器，其特征在于，所述前级拉曼光纤振荡器还包括：

第一反射光纤光栅，连接于所述前级泵浦合束器与所述拉曼光纤之间，用于对产生的800nm波段的激光提供正向反馈；

第二反射光纤光栅，与所述拉曼光纤的输出端连接，用于将产生的800nm波段的激光进行反射后输出；与所述第一反射光纤光栅共同构成谐振腔。

3.如权利要求2所述的泵浦掺铥光纤激光器，还包括：

次级泵浦合束器，连接于多个所述可用于泵浦掺铥光纤的800nm波段高亮度光纤激光器与所述掺铥光纤之间；用于将所述前级泵浦源合成并输出。

4.如权利要求3所述的泵浦掺铥光纤激光器，还包括：

第三反射光纤光栅，连接于所述次级泵浦合束器与所述掺铥光纤之间，用于提供向信号光传播方向的反馈；

第四反射光纤光栅，与所述掺铥光纤输出端连接，和第三反射光纤光栅共同构成谐振腔。

Images