CN109787083B - 一种基于YVO4-SiO2光纤的拉曼激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于YVO4‑SiO2光纤的拉曼激光器。该激光器包括沿光路依次设置的第一泵浦激光器、光纤隔离器、第一光纤光栅、第一YVO4‑SiO2光纤、第二光纤光栅、第一光纤波分复用器、第二光纤波分复用器、第二YVO4‑SiO2光纤和第三光纤波分复用器；所述第一光纤光栅与第二光纤光栅形成拉曼激光的谐振腔；所述第二光纤波分复用器连接有第二泵浦激光器，第二光纤波分复用器、第二泵浦激光器、第二YVO4‑SiO2光纤和第三光纤波分复用器构成拉曼放大结构。该拉曼激光器使用的YVO4‑SiO2光纤的长度可以达到几百米，能够有效地解决当前YVO4拉曼晶体长度过短的问题；同时该拉曼激光器采用光纤结构能够极大地提升激光器的散热效率，能够有效地解决当前大功率YVO4固体拉曼激光器的散热问题。

Description

一种基于YVO4-SiO2光纤的拉曼激光器
技术领域
本发明涉及一种基于YVO4-SiO2光纤的拉曼激光器，属于拉曼激光器的技术领域。
背景技术
固体拉曼激光器是实现激光频率变换的一种重要方式，有效地扩展了激光的光谱范围。当一定波长的泵浦光入射到拉曼介质中，泵浦光和拉曼介质相互作用会产生一种新波长的激光输出，新产生的激光波长由泵浦光波长和拉曼介质决定，因而通过选择不同的泵浦光和拉曼介质，可以获得波长遍及紫外到近红外的激光输出。目前，固体拉曼激光器在信息、交通、医疗、国防和科学研究等领域得到了重要的应用。
拉曼介质是固体拉曼激光器的核心器件，目前常用的固体拉曼介质主要有：钒酸盐(如 YVO4，GdVO4)、钨酸盐(如SrWO4，KGd(WO4)2，CaWO4，BaWO4)、硝酸盐(如 Ba(NO3)2)、碘酸盐(如LiIO3)等，在这些拉曼介质当中，YVO4晶体的制作工艺相对成熟，是目前商用最为广泛的拉曼晶体之一。YVO4晶体具有优秀的光学和机械性能，其拉曼增益系数为4.5cm/GW@1064nm，光谱透射范围为0.35～5μm，热传导系数为5.2W·m-1·K-1，损伤阈值约为1GW/cm2。
传统的YVO4固体拉曼激光器采用由透镜、激光增益介质以及YVO4拉曼晶体组成的谐振腔结构，YVO4晶体作为激光器的核心器件，其长度对激光器的性能起着重要作用，而目前成熟的商用YVO4拉曼晶体的长度一般不超过50mm，这极大地限制了当前YVO4固体拉曼激光器的发展。此外，拉曼激光器在高功率运转模式下会产生严重的热效应，热效应会导致拉曼激光器的稳定性变差、输出功率降低，从而成为限制当前YVO4固体拉曼激光器发展的另一个不利因素。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于YVO4-SiO2光纤的拉曼激光器。该拉曼激光器使用的YVO4-SiO2光纤的长度可以达到几百米，能够有效地解决当前YVO4拉曼晶体长度过短的问题；同时该拉曼激光器的拉曼介质采用了光纤结构，具有极低的体积表面积比，能够极大地提升激光器的散热效率，可以有效地解决当前大功率YVO4固体拉曼激光器的散热问题。
本发明的技术方案为：
一种基于YVO4-SiO2光纤的拉曼激光器，包括沿光路依次设置的第一泵浦激光器、光纤隔离器、第一光纤光栅、第一YVO4-SiO2光纤、第二光纤光栅、第一光纤波分复用器、第二光纤波分复用器、第二YVO4-SiO2光纤和第三光纤波分复用器；所述第一光纤光栅与第二光纤光栅形成拉曼激光的谐振腔；所述第二光纤波分复用器连接有第二泵浦激光器；第二光纤波分复用器、第二泵浦激光器、第二YVO4-SiO2光纤和第三光纤波分复用器构成拉曼放大结构。
根据本发明优选的，所述YVO4-SiO2光纤的制作方法为：
1)采用棒管法制作YVO4-SiO2光纤预制棒：首先选取SiO2玻璃管与YVO4晶体棒，利用无水乙醇对SiO2玻璃管和YVO4晶体棒进行2～3次冲洗，去除表面杂质；然后对SiO2玻璃管和YVO4晶体棒进行干燥处理，去除表面残留的无水乙醇；
2)将干燥处理后的YVO4晶体棒插入SiO2玻璃管中，使用氢氧焰对SiO2玻璃管的一端加热，使其融化封闭，得到光纤预制棒；
3)将光纤预制棒夹持在拉丝机的送棒器上，固定并调整预制棒的位置，然后送入到石墨炉中；
4)通入冷却水，对石墨炉炉体、炉顶盖、炉底盖、电极和送棒器进行冷却，同时向石墨炉内通入氩气作为保护气体，避免石墨件与氧气接触发生反应；
5)将石墨炉的加热温度以固定的速率升高到约2000℃，受热后的预制棒融化并在重力作用下自然下垂；
6)测径系统实时监控光纤的尺寸并向系统提供反馈，系统通过调节送棒速度和光纤的拉制速度保证光纤的均匀性；
7)光纤经过固化、牵引和成品收集装置，最后得到芯径为10/125μm的YVO4-SiO2光纤。
根据本发明优选的，第一光纤波分复用器包括两个输出端口，第二光纤波分复用器包括两个输入端口，第三光纤波分复用器包括两个输出端口；第一光纤波分复用器的一个输出端口连接第二光纤波分复用器，另一个输出端口输出第一泵浦激光器剩余的泵浦光；第二光纤波分复用器的一个输入端口连接第一光纤波分复用器，另一个输入端口连接第二泵浦激光器；第三光纤波分复用器的一个输出端口输出拉曼激光，另一个输出端口输出第二泵浦激光器剩余的泵浦光。
根据本发明优选的，所述第一光纤波分复用器、第二光纤波分复用器和第三光纤波分复用器的波分复用的中心波长均为1064nm/1176nm，带宽为30nm；
根据本发明优选的，所述第一YVO4-SiO2光纤的长度为1～50m，第二YVO4-SiO2光纤的长度为50～200m；
根据本发明优选的，所述第一泵浦激光器1为脉冲光纤激光器，中心波长为1064nm，脉冲重复频率为100kHz，脉冲宽度为10ns，输出光纤芯径为10/125μm；第二泵浦激光器7 为连续光纤激光器，中心波长为1064nm，输出光纤芯径为10/125μm。
根据本发明优选的，所述光纤隔离器的光纤芯径为10/125μm，中心波长为1064nm；
根据本发明优选的，所述第一光纤光栅为高反射率布拉格光纤光栅，反射率不小于99％，中心波长为1176nm；所述第二光纤光栅为低反射率布拉格光纤光栅，反射率为80％～95％，中心波长为1176nm；
根据本发明优选的，所述第一泵浦激光器和第二泵浦激光器的波长不限于1064nm，包括976nm、1064nm、1550nm等不同波长的激光器。
根据本发明优选的，泵浦激光器不限于脉冲光纤激光器，还包括连续光纤激光器。
本发明的有益效果为：
1、本发明所述基于YVO4-SiO2光纤的拉曼激光器，该拉曼激光器采用的YVO4-SiO2光纤的长度可以达到数百米，远大于现有的商用YVO4拉曼晶体的长度，可以解决当前YVO4固体拉曼激光器中拉曼晶体长度过短的问题。
2、本发明所述基于YVO4-SiO2光纤的拉曼激光器，该拉曼激光器的拉曼介质采用光纤结构，具有极低的体积面积比，能够极大地提高激光器的散热效率，解决当前YVO4固体拉曼激光器的散热问题，可以进一步提高YVO4拉曼激光器的输出功率。
3、本发明所述YVO4-SiO2光纤，该光纤可以通过更换不同的晶体得到多种拉曼光纤材料，不同的泵浦波长，因而可以产生多种波长的拉曼激光输出，从而满足不同领域的应用需求，适用度广。
4、与传统的YVO4固体拉曼激光器相比，本发明中的激光器的谐振腔内无光学镜片，具有调节简单，稳定性好的优点；且激光直接由光纤输出，使得激光器使用更加灵活方便，工作距离更长。
附图说明
图1为本发明所述基于YVO4-SiO2光纤的拉曼激光器的结构示意图；
图2为本发明所述YVO4-SiO2光纤预制棒的结构示意图；
其中，1、第一泵浦激光器；2、光纤隔离器；3、第一光纤光栅；4、第一YVO4-SiO2光纤；5、第二光纤光栅；6、第一光纤波分复用器；7、第二泵浦激光器；8、第二光纤波分复用器；9、第二YVO4-SiO2光纤；10、第三光纤波分复用器；11、YVO4-SiO2光纤预制棒的SiO2包层；12、YVO4-SiO2光纤预制棒的YVO4纤芯。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
本实施例基于YVO4-SiO2光纤的拉曼激光器的结构如图1所示。
一种基于YVO4-SiO2光纤的拉曼激光器，包括沿光路依次设置的第一泵浦激光器1、光纤隔离器2、第一光纤光栅3、第一YVO4-SiO2光纤4、第二光纤光栅5、第一光纤波分复用器6、第二光纤波分复用器8、第二YVO4-SiO2光纤9和第三光纤波分复用器10；所述第一光纤光栅3与第二光纤光栅5形成拉曼激光的谐振腔，所述第二光纤波分复用器8连接有第二泵浦激光器7；第二光纤波分复用器8、第二泵浦激光器7、第二YVO4-SiO2光纤9和第三光纤波分复用器10构成拉曼放大结构。
本实施例所述YVO4-SiO2光纤的制作方法为：
1)采用棒管法制作YVO4-SiO2光纤预制棒：首先选取SiO2玻璃管与YVO4晶体棒，利用无水乙醇对SiO2玻璃管和YVO4晶体棒进行3次冲洗，去除表面杂质；然后对SiO2玻璃管和YVO4晶体棒进行干燥处理，去除表面残留的无水乙醇；
2)将干燥处理后的YVO4晶体棒插入SiO2玻璃管中，使用氢氧焰对SiO2玻璃管的一端加热，使其融化封闭，得到光纤预制棒；
3)将光纤预制棒夹持在拉丝机的送棒器上，固定并调整预制棒的位置，然后送入到石墨炉中；
4)通入冷却水，对石墨炉炉体、炉顶盖、炉底盖、电极和送棒器进行冷却，同时向石墨炉内通入氩气作为保护气体，避免石墨件与氧气接触发生反应；
5)将石墨炉的加热温度以固定的速率升高到约2000℃，受热后的预制棒融化并在重力作用下自然下垂；
6)测径系统实时监控光纤的尺寸并向系统提供反馈，系统通过调节送棒速度和光纤的拉制速度保证光纤的均匀性；
7)光纤经过固化、牵引和成品收集装置，最后得到芯径为10/125μm的YVO4-SiO2光纤。
本实施例所述的SiO2玻璃管的外直径为10mm，内直径为3mm，长度为1000mm； YVO4晶体棒的直径为2.6mm，长度为20mm；
本实施例所述的SiO2玻璃管为高纯度SiO2玻璃管，SiO2纯度为99.99％；
本实施例所述的第一光纤波分复用器6包括两个输出端口，第二光纤波分复用器8包括两个输入端口，第三光纤波分复用器10包括两个输出端口；第一光纤波分复用器6的一个输出端口连接第二光纤波分复用器8，另一个输出端口输出第一泵浦激光器1剩余的泵浦光；第二光纤波分复用器8的一个输入端口连接第一光纤波分复用器6，另一个输入端口连接第二泵浦激光器7；第三光纤波分复用器10的一个输出端口输出拉曼激光，另一个输出端口输出第二泵浦激光器7剩余的泵浦光。
所述第一光纤波分复用器6、第二光纤波分复用器8和第三光纤波分复用器10的波分复用的中心波长均为1064nm/1176nm，带宽为30nm。
所述第一YVO4-SiO2光纤4的长度为20m，第二YVO4-SiO2光纤9的长度为100m。
所述第一泵浦激光器1为脉冲光纤激光器，中心波长为1064nm，脉冲重复频率为100kHz，脉冲宽度为10ns，输出光纤芯径为10/125μm；第二泵浦激光器7为连续光纤激光器，中心波长为1064nm，输出光纤芯径为10/125μm。
所述光纤隔离器2的光纤芯径为10/125μm，中心波长为1064nm；
所述第一光纤光栅3为高反射率布拉格光纤光栅，反射率为99％，中心波长为1176nm；所述第二光纤光栅5为低反射率布拉格光纤光栅，反射率为90％，中心波长为1176nm。
实施例2
如实施例1所述的第一泵浦激光器和第二泵浦激光器，其区别在于，泵浦激光器的波长为976nm；
如实施例1所述的光纤隔离器，其区别在于，光纤隔离器的中心波长为976nm；
如实施例1所述的第一光纤波分复用器、第二光纤波分复用器和第三光纤波分复用器，其区别在于，波分复用的中心波长均为976nm/1068nm，带宽为30nm。

Claims (7)

1.一种基于YVO4-SiO2光纤的拉曼激光器，其特征在于，包括沿光路依次设置的第一泵浦激光器、光纤隔离器、第一光纤光栅、第一YVO4-SiO2光纤、第二光纤光栅、第一光纤波分复用器、第二光纤波分复用器、第二YVO4-SiO2光纤和第三光纤波分复用器；所述第一光纤光栅与第二光纤光栅形成拉曼激光的谐振腔；所述第二光纤波分复用器连接有第二泵浦激光器；第二光纤波分复用器、第二泵浦激光器、第二YVO4-SiO2光纤和第三光纤波分复用器构成拉曼放大结构。
2.一种权利要求1中YVO4-SiO2光纤的制作方法，包括步骤如下：
1)采用棒管法制作YVO4-SiO2光纤预制棒：首先选取SiO2玻璃管与YVO4晶体棒，利用无水乙醇对SiO2玻璃管和YVO4晶体棒进行2～3次冲洗，去除表面杂质；然后对SiO2玻璃管和YVO4晶体棒进行干燥处理，去除表面残留的无水乙醇
2)将干燥处理后的YVO4晶体棒插入SiO2玻璃管中，使用氢氧焰对SiO2玻璃管的一端加热，使其融化封闭，得到光纤预制棒；
3)将光纤预制棒夹持在拉丝机的送棒器上，固定并调整预制棒的位置，然后送入到石墨炉中；
4)通入冷却水，对石墨炉炉体、炉顶盖、炉底盖、电极和送棒器进行冷却，同时向石墨炉内通入氩气作为保护气体，避免石墨件与氧气接触发生反应；
5)将石墨炉的加热温度以固定的速率升高到2000℃，受热后的预制棒融化并在重力作用下自然下垂；
6)测径系统实时监控光纤的尺寸并向系统提供反馈，系统通过调节送棒速度和光纤的拉制速度保证光纤的均匀性；
7)光纤经过固化、牵引和成品收集装置，最后得到芯径为10/125μm的YVO4-SiO2光纤。
3.根据权利要求2所述YVO4-SiO2光纤的制作方法，其特征在于，SiO2纯度不小于99％。
4.权利要求1所述的基于YVO4-SiO2光纤的拉曼激光器，其特征在于，所述第一YVO4-SiO2光纤的长度为1～50m，第二YVO4-SiO2光纤的长度为50～200m。
5.权利要求1所述的基于YVO4-SiO2光纤的拉曼激光器，其特征在于：泵浦激光器的波长不限于1064nm，包括976nm、1064nm、1550nm等不同波长的激光器。
6.权利要求1所述的基于YVO4-SiO2光纤的拉曼激光器，其特征在于：泵浦激光器不限于脉冲光纤激光器，还包括连续光纤激光器。
7.权利要求1所述的基于YVO4-SiO2光纤的拉曼激光器，其特征在于：第一光纤光栅为高反射率布拉格光纤光栅，反射率不小于99％；第二光纤光栅为低反射率布拉格光纤光栅，反射率的范围为80％～95％。
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