CN109861066A

CN109861066A - 一种1.6μm高光束质量大功率的单频激光器

Info

Publication number: CN109861066A
Application number: CN201910100640.2A
Authority: CN
Inventors: 杨昌盛; 李景明; 徐善辉; 彭明营; 冯洲明; 杨中民
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2019-06-07

Abstract

本发明公开了一种1.6μm高光束质量大功率的单频激光器，该激光器系统包括：1.6μm单频激光种子源、泵浦源、光纤合束器、高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤以及光隔离器。所述种子源和泵浦源分别与光纤合束器的信号输入端口、泵浦端口连接，高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤作为激光增益介质，一端与光纤合束器的信号输出端口连接，高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤的另一端与光隔离器的输入端连接，光隔离器的输出端作为激光输出端口。本发明提供的1.6μm高光束质量大功率单频激光器具有光束质量好、输出功率大、信噪比高等优点。

Description

一种1.6μm高光束质量大功率的单频激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，具体涉及一种工作波段1.6μm、高光束质量、大功率、单频输出的全玻璃磷酸盐光纤激光器。

背景技术

1.6μm激光因其独特的性能，如在石英光纤中传输损耗低、对人眼安全、对大气穿透性能强等，使得此波段的激光在分子光谱学、非线性频率转换、以及中红外激光器的同带泵浦源等领域有着重要的应用。而目前实现1.6μm激光的增益介质主要有两类：晶体和光纤。相对于基于晶体材料的固体激光器而言，光纤激光器具有全光纤化、体积小、结构紧凑、光束质量好等优点。2018年，英国南安普顿大学的Huaiqin Lin等人基于多模大芯径（146μm）掺铒增益光纤，实现了波长1610nm、功率656W、M²≈10.5的连续光纤激光输出（Opt.Lett., 2018, 43: 3080），但是其较差的光束质量制约了激光的应用。此外，一些特殊应用场合，例如：激光雷达、引力波探测等强烈要求输出激光单一纵模（单频）运转，且具有高输出功率、窄线宽、低噪声等性能。然而光纤中存在着明显的非线性效应，如受激布里渊散射效应（SBS）等，想要进一步提高单频光纤的输出功率极为困难，目前采用掺铒石英光纤，单频光纤激光的最高输出功率为207W（Proc. of SPIE, 2016, 9728: 97282L-1）。

石英光纤具有较低的稀土离子溶解度。然而，光纤芯径的增大会支持高阶模式，劣化输出激光的光束质量。因此，需要采用一些技术措施对光纤进行模式控制，以抑制高阶模的激励与传输，实现高光束质量的单频激光输出。再者，一般掺铒石英光纤的发射截面较小，其工作波长常集中在C波段（1535-1565nm）。

此外，双包层光纤激光工作在高功率状态时，增益光纤一般会遭受较大的热负荷。然而，双包层增益光纤常使用熔点低、热传导性能更差的聚合物作为外包层和涂覆层，因而对双包层增益光纤的散热提出了严峻挑战。

相关专利有：（1）2012年，中国科学院福建物质结构研究所申请了一种1.5-1.6μm波段激光器[申请号：CN 201110270044.2]，通过采用掺铒硼酸镱锶晶体作为增益介质，优化晶体中铒离子的掺杂浓度，实现了1.5-1.6μm波段固体激光输出。（2）2014年，中国科学院福建物质结构研究所又申请了一种1.5至1.6μm波段薄盘片激光器[申请号：CN201410139343.6]，通过利用铒镱共掺的RAl₃(BO₃)₄或铒单掺的YbAl₃(BO₃)₄激光晶体作为增益介质，基于薄盘片激光设计方案，实现了1.5-1.6μm波段固体激光输出。虽然上述专利中的激光器具有高功率、工作波长1.6μm等性能，但是其激光不具备单频、高光束质量等输出特性。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明旨在提供一种基于全玻璃磷酸盐光纤的1.6μm高光束质量大功率单频激光器。首先，分别将1.6μm单频激光种子源发射的信号光和泵浦源发射的泵浦光经由光纤合束器，耦合进入高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤，其纤芯内的Er³⁺离子吸收泵浦光，并被激发至高能级，实现粒子数反转；当信号光进入光纤纤芯后，通过受激发射过程实现对1.6μm单频激光的放大输出。由于全玻璃双包层磷酸盐光纤具有较高的稀土离子掺杂浓度和较大的纤芯直径，光纤的使用长度较短（数厘米至数十厘米）和光纤模场面积较大，有效地提高了1.6μm单频激光器的非线性效应阈值。一方面，双包层磷酸盐光纤为全玻璃结构，其导热性能好，能够承受更高功率的激光输出。另一方面，双包层磷酸盐光纤两端分别通过均匀拉锥的方式形成双锥状，从而实现模式控制，大大提高了输出激光的光束质量。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

基于全玻璃磷酸盐光纤的1.6μm高光束质量大功率单频激光器，包括：1.6μm单频激光种子源、泵浦源、光纤合束器、高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤和光隔离器；各部件之间的连接为：种子源和泵浦源分别与光纤合束器的信号输入端口、泵浦端口连接，高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤作为激光增益介质，与光纤合束器的信号输出端口连接，高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤的另一端与光隔离器的输入端连接，光隔离器的输出端作为激光输出端口。首先，1.6μm单频激光种子源发射的信号光和泵浦源发射的泵浦光经由光纤合束器，耦合进入高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤，其纤芯内的Er³⁺离子吸收泵浦光，并被激发至高能级，实现粒子数反转；接着，当信号光进入全玻璃双包层磷酸盐光纤纤芯后，通过受激发射过程实现对1.6μm单频激光的放大输出。

所述的高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤的纤芯、内包层和外包层均由磷酸盐玻璃材料构成。其中纤芯组分为45-80mol%P₂O₅、8-20mol%K₂O、0-6mol%Al₂O₃、0-25mol%Ba₂O₃、0-8mol%La₂O₃、1-10mol%Er₂O₃、0-10mol%Yb₂O₃。

所述的高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤的纤芯掺杂了高浓度稀土离子，为Er³⁺单掺或Er³⁺/Yb³⁺共掺，其中Er³⁺的掺杂浓度大于1mol%，且在纤芯内均匀掺杂。

所述的高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤的纤芯直径为5~100μm，其纤芯数值孔径为0.02~0.3；内包层形状为D形、矩形、六边形、八边形等非圆形结构，其内切圆直径为80~600μm，其包层数值孔径为0.3~0.6；外包层直径为200~2000μm。

所述的高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤在1.6μm波段具有更大的受激发射截面，大于1×10⁻²¹ cm²，有利于实现1.6μm激光振荡激射或者光放大输出。

所述的高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤的两端均匀拉锥成双锥状，其锥面的纤芯直径、内包层内切圆直径根据光链路中的光纤合束器输出端尾纤、光隔离器输入端尾纤类型而定。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明中高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤的外包层均采用了玻璃材料而非常用的聚合物，其热传导性能好、且尺寸大，具有较好的散热能力和机械性能，能够承受更高的激光输出功率。同时双包层磷酸盐光纤的稀土离子掺杂浓度高（可达几十万ppm）、纤芯直径大，不易产生荧光淬灭效应，故采用的增益光纤长度较短（数厘米至数十厘米），且光纤具有较大的模场面积，可以有效提高光纤中的非线性效应阈值。此外，双包层磷酸盐光纤通过拉锥的方式与光纤合束器的输出端口尾纤进行熔接耦合，其耦合效率高；同样其通过拉锥的方式与光隔离器的尾纤进行熔接耦合，可以滤除一定的高阶模式而实现模式控制，最终实现波长1.6μm、高光束质量、大功率单频光纤激光输出。掺铒磷酸盐光纤具有较大的吸收和发射截面，非常有利于实现1.6μm激光振荡激射或者光放大输出。本发明提供的1.6μm高光束质量大功率单频激光器具有光束质量好、输出功率大、信噪比高等优点，可用于分子光谱学、激光雷达、非线性频率转换、引力波探测以及中红外激光器的同带泵浦源等方面。

附图说明

图1为本发明实施例中基于全玻璃磷酸盐光纤的1.6μm高光束质量大功率单频激光器的结构示意图。

图中：1—1.6μm单频激光种子源；2—泵浦源；3—光纤合束器；4—高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤；5—光隔离器；

图2为本发明实施例中所提供的高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤的端面结构图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

图1是基于全玻璃磷酸盐光纤的1.6μm高光束质量大功率单频激光器结构示意图。如图1所示，1.6μm单频激光种子源1和泵浦源2分别与光纤合束器3的信号输入端口、泵浦端口连接，高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤4作为激光增益介质，其一端在高温下软化拉细成锥型，再与光纤合束器3的输出端口熔接耦合，而高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤4的另一端同样在高温下拉锥，再与光隔离器5的输入端连接。光隔离器5的输出端作为激光输出端口。

本实施例中所使用的高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤4的端面结构如图2所示，其纤芯、内包层和外包层均由磷酸盐玻璃组成。其中纤芯的组成为Er³⁺/Yb³⁺共掺磷酸盐玻璃，组成为60mol%P₂O₅、13mol%K₂O、2mol%Al₂O₃、14mol%Ba₂O₃、3mol%La₂O₃、3mol%Er₂O₃、5mol%Yb₂O₃，高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤4的纤芯均匀掺杂了高浓度稀土离子（Yb₂O₃达到5mol%、Er₂O₃达到3mol%）。高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤4在1.6μm的受激发射截面为2.5×10⁻²¹ cm²。高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤4的纤芯直径为20μm，纤芯数值孔径0.04；内包层形状为六边形，其内切圆直径为260μm，包层数值孔径为0.5；外包层直径为800μm。其中，高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤4的纤芯与内包层拉锥成10/130μm，然后与光纤合束器3和光隔离器5的尾纤10/125μm兼容、耦合连接。种子源1的信号光波长和泵浦光源2的泵浦波长分别为1610nm和980nm。

1610nm单频激光种子源1发射的信号光和泵浦源2发射的980nm泵浦光经由光纤合束器3，耦合进入高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤4的纤芯和内包层，其纤芯内的Er³⁺离子吸收泵浦光，并被激发至高能级，实现粒子数反转；当信号光进入光纤纤芯后，通过受激发射过程实现对1610nm单频激光的放大输出。首先，由于掺铒磷酸盐光纤具有较大的吸收和发射截面，可以有利实现1610nm单频激光的高效放大。其次，由于全玻璃双包层光纤结构，即光纤内、外包层皆为玻璃材料，可以有效提高双包层光纤的散热能力和机械性能，改善大功率光纤激光领域中常见的热致模式不稳定问题，避免输出激光光束质量的退化。再次，由于磷酸盐光纤的双锥状结构，当放大的激光在逐渐进入全玻璃双包层磷酸盐光纤4的输出锥端时，其高阶模式会逐步泄漏出光纤，并且基模激光会得到放大；只有基模激光可以进入光隔离器5的输入端，从而提高输出激光的光束质量。最后，由于使用的Er³⁺/Yb³⁺共掺全玻璃双包层磷酸盐光纤长度较短（本例中使用50厘米），而且大的模场面积可以抑制非线性效应，从而可以实现全光纤化、工作波长1610nm、高光束质量（M²≤1.1）、高信噪比（>60dB）、大功率（瓦级乃至数百瓦量级）的单频光纤激光输出。

上述实施例为本发明较佳的实例方式，但本发明的实施方式不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种1.6μm高光束质量大功率的单频激光器，其特征在于包括：1.6μm单频激光种子源（1）、泵浦源（2）、光纤合束器（3）、高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤（4）和光隔离器（5）；所述1.6μm单频激光种子源（1）和泵浦源（2）分别相应地与光纤合束器（3）的信号输入端口、泵浦端口连接；高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤（4）作为激光增益介质，一端与光纤合束器（3）的信号输出端口连接，高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤（4）的另一端与光隔离器（5）的输入端连接，光隔离器（5）的输出端作为激光输出端口。

2.根据权利要求1所述1.6μm高光束质量大功率的单频激光器，其特征在于：所述高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤（4）的纤芯、内包层和外包层均由磷酸盐玻璃材料构成。

3.根据权利要求1所述1.6μm高光束质量大功率的单频激光器，其特征在于：所述纤芯的组成为45-80mol%P₂O₅、8-20mol%K₂O、0-6mol%Al₂O₃、0-25mol%Ba₂O₃、0-8mol%La₂O₃、1-10mol%Er₂O₃、0-10mol%Yb₂O₃。

4.根据权利要求1所述1.6μm高光束质量大功率的单频激光器，其特征在于：所述高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤（4）的纤芯掺杂高浓度稀土离子，为Er³⁺单掺或Er³⁺/Yb³⁺共掺，其中Er³⁺的掺杂浓度大于1mol%，且在纤芯内均匀掺杂。

5.根据权利要求1所述1.6μm高光束质量大功率的单频激光器，其特征在于：所述高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤（4）的纤芯直径为5~100μm，且纤芯数值孔径为0.02~0.3；内包层形状为D形、矩形、六边形或八边形，内切圆直径为80~600μm，包层数值孔径为0.3~0.6；外包层直径为200~2000μm。

6.根据权利要求1所述1.6μm高光束质量大功率的单频激光器，其特征在于：所述高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤（4）在1.6μm波段受激发射截面大于1×10⁻²¹ cm²。

7.根据权利要求1所述1.6μm高光束质量大功率的单频激光器，其特征在于：所述高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤（4）的两端均匀拉锥成双锥状，分别与光纤合束器的信号输出端口尾纤和光隔离器的输入端尾纤进行熔接耦合。

8.根据权利要求1所述1.6μm高光束质量大功率的单频激光器，其特征在于：所述高掺杂全玻璃双包层磷酸盐光纤（4）的长度为5~500厘米。