CN111129929A - 基于多粒度量子点掺杂的多波长光纤激光器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于多粒度量子点掺杂的多波长光纤激光器，包括增益光纤和连接在所述增益光纤两端的第一单模光纤和第一单模光纤，所述第一单模光纤的纤芯处刻有第一复合光纤光栅，所述第二单模光纤的纤芯处刻有第二复合光纤光栅，所述第一复合光纤光栅和第二复合光纤光栅组合成光纤光栅对，形成激光器反馈腔镜。本发明实施例还提供上述多波长光纤激光器的设计方法，该方法利用多颗粒度量子点掺杂光纤作为增益介质，通过超快光先激光写入，完成多波长复合腔镜制备，实现多波长光纤激光器设计。

Description

基于多粒度量子点掺杂的多波长光纤激光器及其设计方法

技术领域

本发明实施例属于光纤光学工程领域，特别涉及了一种基于多粒度量子点掺杂的多波长光纤激光器及其设计方法。

背景技术

目前成熟的、占一半以上市场份额的高功率和用于光通信的光纤激光器，输出波长主要集中在1060nm和1550nm附近。输出波长的单一化限制了光纤激光器在更多领域尤其是重要波段——可见光波段的应用。近年来，可见光波段的激光器发展迅速，在生物医学光学(比如：激光眼科手术、血管性疾病治疗、超分辨率荧光成像等)、光存储、激光彩色显示、激光精密加工以及作为光参量振荡器的抽运源等方面都有着广泛的应用。特别是目前激光照明和可见光通信(LiFi)研究的火热，也吸引着更多力量加入到可见光激光器的研究中。而对于光纤激光器而言，由于增益光纤中掺杂稀土元素的限制，难以直接获得可见光输出。伴随着光纤技术的进步和材料科学的发展，研究发现通过高功率泵浦和频率上转换效应，光纤激光器可以实现近红外和可见光波段激光输出。除了传统的石英有源光纤，氟化物稀土掺杂光纤在可见光光纤激光器研究方面应用十分广泛。通过不同元素(Er，Ti，Pr，Nd等)的掺杂，基于氟化物光纤的光纤激光器可以实现从400nm到800nm多种波长的输出，且最大输出功率已可以达到1W。尽管利用频率上转换的方式可以实现光纤的可见光输出，但存在着很多问题，如光功率转换效率低(<20％)、对泵浦源的功率和波长要求高、输出波长选择有限、氟化物光纤上制备光纤光栅腔镜困难，与普通单模光纤熔接困难等，需要进一步的研究和解决。

发明内容

鉴于此，本发明实施例提供基于多粒度量子点掺杂的多波长光纤激光器及其设计方法，解决了相关技术中存在的输出波长选择有限、氟化物光纤上制备光纤光栅腔镜困难，与普通单模光纤熔接困难等问题。

本发明实施例所采用的技术方案如下：

本发明实施例提供一种基于多粒度量子点掺杂的多波长光纤激光器，包括增益光纤和连接在所述增益光纤两端的第一单模光纤和第一单模光纤，所述第一单模光纤的纤芯处刻有第一复合光纤光栅，所述第二单模光纤的纤芯处刻有第二复合光纤光栅，所述第一复合光纤光栅和第二复合光纤光栅组合成光纤光栅对，形成激光器反馈腔镜。

进一步地，所述增益光纤的纤芯中掺杂有量子点。

进一步地，所述量子点为经过Q频移处理的量子点；所述量子点具有不同颗粒度。

进一步地，所述第一复合光纤光栅中具有不同周期的光纤光栅。

进一步地，所述第二复合光纤光栅中具有不同周期的光纤光栅。

本发明实施例还提供一种基于多粒度量子点掺杂的多波长光纤激光器的设计方法，包括：

根据所需激光输出波长要求(波长数i，波长λ_i，i＝1,2,3……)，选择不同颗粒度量子点掺杂的光纤作为增益光纤，保证增益带宽覆盖输出波长所在的波段；

根据输出功率P和激光器运转纵模间隔Δυ要求，确定增益光纤长度L，并将增益光纤两端分别熔接上第一单模光纤和第二单模光纤；

根据激光输出波长，在第一单模光纤和第二单模光纤上刻写相对应的不同谐振波长的光纤光栅对FBGP_k(k＝1,2,3……)，形成激光器反馈腔镜，最终完成多波长光纤激光器设计。

进一步地，所述不同颗粒度量子点指经过Q频移处理过的量子点。

进一步地，光纤的输出功率P∝L，且纵模间隔Δυ表达式如下：

其中c是光速，n是激光在光纤中传输有效折射率，L_eff是光纤光栅对引入的等效腔长。结合功率输出功率P和激光器运转纵模间隔Δυ要求，确定增益光纤长度L，需满足输出功率P>P_out和纵模输出Δυ>υ_FBG单纵模或Δυ<υ_FBG多纵模要求，其中，P_out为激光器输出功率指标，υ_FBG为上述光纤光栅对的带宽。

进一步地，所述光纤光栅对FBGP_k，其谐振波长λ_k匹配激光器所需输出的波长λ_i，即λ_k＝λ_i，k＝i。

进一步地，所述光纤光栅对FBGP_k的制作过程如下：

利用旋转夹具固定上述熔接好的光纤样品，采用超快飞秒激光，聚焦在纤芯上部，在第一单模光纤和第二单模光纤上分别制备高低反射率的光纤光栅，形成一对光纤光栅对FBGP₁；光纤夹具旋转

角度，再在第一单模光纤和第二单模光纤上分别制备高低反射率的光纤光栅，形成光纤光栅对FBGP₂；依次按上述过程制备完成光纤光栅对FBGP_k。

本发明实施例具有如下有益效果：

1、本发明实施例利用量子点增益光纤配合光纤光栅腔镜制备技术实现光纤激光输出的方案，丛制备手段上来讲，克服了氟化物光纤与普通单模光纤熔接困难，又难以直接在其上实现光纤光栅腔镜制备的难点。

2、丰富了了光纤激光器输出波段。传统光纤激光器由于增益介质荧光谱特性限制，要实现可见光激光输出，需要进行频率上转换，存在光功率转换效率低、对泵浦源的功率和波长要求高、输出波长选择有限等问题。本发明实施例利用量子点作为增益介质，实现可见光量子点光纤激光器。通过调整所掺杂量子点的尺寸，配合相应腔镜，可以实现可见光区域任意波长激光输出，极大地拓宽了光纤激光器的工作波长。

3、本发明中实例中提出利用经过Q平移技术处理的不同尺寸量子点进行共掺杂制备，并配以相对应的复合腔镜，可以实现多波长同时输出。特别的，红绿蓝三波长的输出可以实现准白光光纤激光器。与目前通过几台独立的激光器来产生原色合成白光激光输出相比，减少了不必要的庞大装置，避免了对光共轴的困难，结构紧凑，抗电磁干扰，成本低。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例提供的基于多粒度量子点掺杂的多波长光纤激光器的结构示意图；

图2是图1中在第一复合光纤光栅处的截面图示意图；

图3是本发明实施例提供的多波长光纤激光器制备过程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例具体实施例及相应的附图对本发明实施例技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。

图1是本发明实施例提供的基于多粒度量子点掺杂的多波长光纤激光器的结构示意图；图2是图1中在第一复合光纤光栅处的截面图；本发明实施例提供一种基于多粒度量子点掺杂的多波长光纤激光器，包括增益光纤4和连接在所述增益光纤4两端的第一单模光纤1和第一单模光纤7，所述第一单模光纤1的纤芯2处刻有第一复合光纤光栅3，所述第二单模光纤7的纤芯8处刻有第二复合光纤光栅6，所述第一复合光纤光栅3和第二复合光纤光栅6组合成光纤光栅对，形成激光器反馈腔镜。

进一步的技术方案是，所述增益光纤4的纤芯5中掺杂有量子点。

进一步的技术方案是，所述量子点为经过Q频移处理的量子点，保证发射峰和吸收峰不重叠，不产生二次吸收；所述量子点具有不同颗粒度，满足激光器输出波长，增益全覆盖。

进一步的技术方案是，所述第一复合光纤光栅3中具有不同周期的光纤光栅；所述第二复合光纤光栅6中具有不同周期的光纤光栅。

图3是本发明实施例提供的多波长光纤激光器制备过程示意图；该设计方法，包括：

(1)根据所需激光输出波长要求(波长数i，波长λ_i，i＝1,2,3……)，选择不同颗粒度量子点掺杂的光纤作为增益光纤，保证增益带宽覆盖输出波长所在的波段；增益光纤是光纤激光器基本组成部分，完成激光的放大。

特别的，所述量子点掺杂的增益光纤4，其纤芯区域5所掺杂的量子点经过Q频移处理过，使其荧光发射峰与吸收峰不发生重叠，避免二次吸收产生；同时，根据输出波长数量要求，不同颗粒度，即不同尺寸的量子，其对应的荧光峰与所需的输出波长一一匹配。

(2)根据输出功率P和激光器运转纵模间隔Δυ要求，确定增益光纤长度L，并将增益光纤两端分别熔接上第一单模光纤1和第二单模光纤7；

其中，光纤的输出功率P∝L，且纵模间隔Δυ表达式如下：

其中c是光速，n是激光在光纤中传输有效折射率，L_eff是光纤光栅对引入的等效腔长。结合功率输出功率P和激光器运转纵模间隔Δυ要求，确定增益光纤长度L，需满足输出功率P>P_out和纵模输出Δυ>υ_FBG单纵模或Δυ<υ_FBG多纵模要求，其中，P_out为激光器输出功率指标，υ_FBG为上述光纤光栅对的带宽。

(3)根据激光输出波长，在第一单模光纤1和第二单模光纤7上刻写相对应的不同谐振波长的光纤光栅对FBGP_k(k＝1,2,3……)，形成激光器反馈腔镜，最终完成多波长光纤激光器设计。

其中激光器腔镜是光纤激光器另一个基本组成部分，为激光器提供光信号反馈。多波长激光器的腔镜需要满足不同波长信号的谐振的需求，此发明中提出利用超快激光加工技术实现单模光纤芯层复合腔镜制备的设计。

具体的，所述光纤光栅对FBGP_k的制作过程如下：利用旋转夹具固定上述熔接好的光纤样品，利用飞秒超快激光器通过光学系统，将激光9聚焦到第一单模光纤1纤芯2上部，制备低反射率光纤光栅，通过电动位移平台，将激光移动到图中虚线位置，依然聚焦在第二单模光纤7纤芯8上部，制备高反射率光纤光栅，完成光纤光栅对10的制备。

光纤夹具旋转

角度，重复上述过程，在两侧单模光纤上分别制备高低反射率的光纤光栅，形成光纤光栅对11；依次按上述过程制备完成光纤光栅对FBGP_k。

制备过程中，通过光栅周期Λ_k和折射率调制深度δ_k控制，保证其谐振波长λ_k匹配激光器所需输出的波长λ_i，即λ_k＝λ_i，k＝i；

最终在两侧单模光纤纤芯出完成复合多波长光纤光栅腔镜的刻写，完成光纤激光器设计的实现。

可以看到，本发明提出的利用量子点增益光纤配合光纤光栅腔镜制备技术实现光纤激光输出的方案，从制备手段上来讲，克服了氟化物光纤与普通单模光纤熔接困难，又难以直接在其上实现光纤光栅腔镜制备的难点。

同时，结合量子点材料荧光光谱覆盖光谱范围广，光纤光栅腔镜制备灵活等特点，通过调整所掺杂量子点的尺寸，配以相应反射波长的光纤光栅对腔镜，可以实现可见光区域任意波长激光输出，极大地拓宽了光纤激光器的工作波长。

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，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于多粒度量子点掺杂的多波长光纤激光器，其特征在于，包括增益光纤和连接在所述增益光纤两端的第一单模光纤和第一单模光纤，所述第一单模光纤的纤芯处刻有第一复合光纤光栅，所述第二单模光纤的纤芯处刻有第二复合光纤光栅，所述第一复合光纤光栅和第二复合光纤光栅组合成光纤光栅对，形成激光器反馈腔镜。

2.根据权利要求1所述的一种基于多粒度量子点掺杂的多波长光纤激光器，其特征在于，所述增益光纤的纤芯中掺杂有量子点。

3.根据权利要求1所述的一种基于多粒度量子点掺杂的多波长光纤激光器，其特征在于，所述量子点为经过Q频移处理的量子点；所述量子点具有不同颗粒度。

4.根据权利要求1所述的一种基于多粒度量子点掺杂的多波长光纤激光器，其特征在于，所述第一复合光纤光栅中具有不同周期的光纤光栅。

5.根据权利要求1所述的一种基于多粒度量子点掺杂的多波长光纤激光器，其特征在于，所述第二复合光纤光栅中具有不同周期的光纤光栅。

6.一种基于多粒度量子点掺杂的多波长光纤激光器的设计方法，其特征在于，包括：

根据所需激光输出波长要求，选择不同颗粒度量子点掺杂的光纤作为增益光纤，保证增益带宽覆盖输出波长所在的波段；

根据输出功率P和激光器运转纵模间隔Δυ要求，确定增益光纤长度L，并将增益光纤两端分别熔接上第一单模光纤和第二单模光纤；

根据激光输出波长，在第一单模光纤和第二单模光纤上刻写相对应的不同谐振波长的光纤光栅对FBGP_k，其中k为正整数，形成激光器反馈腔镜，最终完成多波长光纤激光器设计。

7.根据权利要求6所述的一种基于多粒度量子点掺杂的多波长光纤激光器的设计方法，其特征在于，所述不同颗粒度量子点指经过Q频移处理过的量子点。

8.根据权利要求6所述的一种基于多粒度量子点掺杂的多波长光纤激光器的设计方法，其特征在于，光纤的输出功率P∝L，且纵模间隔Δυ表达式如下：

其中c是光速，n是激光在光纤中传输有效折射率，L_eff是光纤光栅对引入的等效腔长。结合功率输出功率P和激光器运转纵模间隔Δυ要求，确定增益光纤长度L，需满足输出功率P>P_out和纵模输出Δυ>υ_FBG单纵模或Δυ<υ_FBG多纵模要求，其中，P_out为激光器输出功率指标，υ_FBG为上述光纤光栅对的带宽。

9.根据权利要求6所述的一种基于多粒度量子点掺杂的多波长光纤激光器的设计方法，其特征在于，所述光纤光栅对FBGP_k，其谐振波长λ_k匹配激光器所需输出的波长λ_i，即λ_k＝λ_i，k＝i。

10.根据权利要求6所述的一种基于多粒度量子点掺杂的多波长光纤激光器的设计方法，其特征在于，所述光纤光栅对FBGP_k的制作过程如下：

利用旋转夹具固定上述熔接好的光纤样品，采用超快飞秒激光，聚焦在纤芯上部，在第一单模光纤和第二单模光纤上分别制备高低反射率的光纤光栅，形成一对光纤光栅对FBGP₁；光纤夹具旋转

角度，再在第一单模光纤和第二单模光纤上分别制备高低反射率的光纤光栅，形成光纤光栅对FBGP₂；依次按上述过程制备完成光纤光栅对FBGP_k。

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