CN112332206B - 基于光纤光栅反馈的半导体光纤耦合单模激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于光纤光栅反馈的半导体光纤耦合单模激光器，其具体装置结构包括电流泵浦源、多模半导体激光芯片、准直耦合系统及少模光纤，在多模半导体激光芯片的前端面设置有减反膜，在少模光纤上刻写有布拉格光纤光栅，多模半导体激光芯片在电流泵浦源的激励下产生基模和高阶模式光束，经过减反膜和准直耦合系统进入少模光纤，其中的高阶模式经过布拉格光纤光栅反射回多模半导体激光芯片继续参与运转谐振，而基模光束透过布拉格光纤光栅输出。本发明制作的激光器可以实现高功率的基模光束输出，在激光加工、光放大、光通信等应用领域有显著优势。

Description

基于光纤光栅反馈的半导体光纤耦合单模激光器
技术领域
本发明涉及激光器的技术领域，特别涉及光纤耦合半导体激光器的实现方法。
背景技术
随着光纤激光器技术的飞速发展，主流的光纤激光器产品中，单基模光纤耦合半导体激光器大都为中小功率，而高功率产品多为多模激光器。单基模激光能量集中，光束质量大大优于多模激光。例如激光焊接中的深熔焊，单模激光得到的小孔更小、更深，孔内压力更大更稳定，相同功率的单模激光焊接更有优势，而且合理利用单模激光，可以有效地提高加工能力或效率。再例如激光放大领域，多模泵浦需要配合双包层光纤才可以实现有效泵浦，信号光模式纯度下降，光纤热管理结构复杂。因此应对市场的需求，近些年来也在不断提高单基模光纤耦合半导体激光功率，但是由于半导体解理面积较小，电流耐受较小，输出功率受限。而基于多模激光腔外转换为单基模激光的技术方案则由于模式间相位随机性及模式不匹配等因素导致耦合效率下降，激光输出功率不稳定。
发明内容
基于上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供一种基于光纤光栅反馈的半导体光纤耦合单模激光器，旨在利用布拉格光纤光栅将高阶模式激光反射回半导体激光芯片继续参与谐振，选择性透过基模光束，从而实现光纤中高功率的单基模激光输出。
本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：
所述激光器的装置由电流泵浦源(Pump Current)、多模半导体激光芯片(Multi-mode Semiconductor Laser Chip)、准直耦合系统及少模光纤(Few Mode Fiber)组成；在所述多模半导体激光芯片的前端面(Front Facet)设置有减反膜(AR Film)；在所述少模光纤上刻写有布拉格光纤光栅(Bragg Grating)。
所述激光器的运转过程为：所述电流泵浦源为多模半导体激光芯片提供增益，产生基模激光信号和高阶模式激光信号，经由多模半导体激光芯片前端面的减反膜和准直耦合系统进入到少模光纤中；少模光纤上刻写的特定周期的布拉格光纤光栅将其中的高阶模式激光反射回多模半导体激光芯片继续参与运转谐振，基模激光则直接透过布拉格光纤光栅输出。
由于多模半导体激光芯片增益介质较长，半导体解理面积较大，可以耐受较大泵浦电流，因此可以实现在大电流泵浦下的高功率基模激光直接输出。该仪器装置设计充分利用了布拉格光栅的选模特性，充分利用了泵浦源输出的各种高阶模，得到更高功率的基模激光。
进一步的，激光器的谐振波长由多模半导体激光芯片后端面刻蚀形成的半导体布拉格反射光栅决定。
进一步的，针对激光器谐振波长λ的高阶模式激光反射，对应的布拉格光纤光栅的周期Λ＝λ/2neff，其中neff为该高阶模式激光在少模光纤中的有效折射率。
进一步的，准直耦合系统由透镜L1和透镜L2组成，为满足最大耦合效率，两透镜焦距和数值孔径应与多模半导体激光芯片及少模光纤匹配：透镜L1数值孔径应大于多模半导体激光芯片数值孔径，透镜L2数值孔径应大于少模光纤数值孔径，透镜L1和透镜L2的焦距比值应满足f1/f2＝d1/d2，其中d1和d2分别为多模半导体激光器芯片和少模光纤中的激光光斑直径。
进一步的，多模半导体激光芯片前端面的减反膜为单层低折射率膜层(折射率
Figure BDA0002769951290000021
光学厚度nLd＝λ/4)，或为对应的等效膜层(现实生活中很难获得所需的单层低折射率膜层。折射率nL时，可以通过多层介质膜在激光器谐振波长处等效出单层介质膜，等效折射率等于nL，等效光学厚度等于λ/4)，其中ns为多模半导体激光芯片的基底折射率、n0为空气折射率。该减反膜可以避免前端面的反射与后端面的布拉格反射光栅直接成腔输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1.本发明利用布拉格光纤光栅选模特性，将高阶模式激光反射回谐振腔内重复运转振荡，避免了单次模式转换过程中的损耗，激光器能量利用率高，谐振效率与电光转换效率高。
2.相比于腔外模式转换得到的单基模激光，本发明基模为激光器直接谐振输出，光束质量更好，功率稳定性更高。
3.相比于单基模光纤耦合半导体激光器，本发明可以耐受更高电流，从而可以实现更高的输出功率。
4.相比于单基模光纤耦合半导体激光器，本发明的激光器纵模间隔更低，相同光谱范围内运转纵模数更多，激光器输出功率更稳定。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图。
图2为根据有限元分析得到的少模光纤中的基模激光(LP01)和各类可以存在传输的高阶模式激光(LP02、LP03、LP11、LP12、LP21、LP22、LP31、LP41、LP51)的光斑图样。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
实施例1
本实施例以利用OFS公司出售的少模光纤(FourModeFiber@1550nm)结合多模976nm半导体激光芯片输出高功率基模激光为例。
如图1所示，装置结构由电流泵浦源、多模半导体激光芯片、准直耦合系统及少模光纤；在多模半导体激光芯片的前端面设置有减反膜；在少模光纤上刻写有布拉格光纤光栅。
电流泵浦源为多模半导体激光芯片提供增益，产生976nm的基模和高阶模式激光信号，经由多模半导体激光芯片前端面的减反膜和准直耦合系统进入到OFS四模光纤中，由于光纤尺寸限制导致976nm的基模(LP01 Mode)和其他9种高阶模式(LP02、LP03、LP11、LP12、LP21、LP22、LP31、LP41、LP51Modes)光束均可以在四模光纤中传输，各阶模式光束的强度分布如图2所示，对比可以发现基模激光光斑半径最大、亮度最高，高阶模激光产生的光斑半径小、亮度低且随着阶次增加，光场分布越来越偏离中心。OFS四模光纤的纤芯折射率为1.4629，包层折射率为1.4560，纤芯直径19μm，基于阶跃光纤模式理论及布拉格光纤反射公式Λ＝λ/2neff得到的各高阶模式有效折射率及光栅周期如表1所示。
表1
模式 有效折射率n<sub>eff</sub> 光栅周期Λ(μm)
LP<sub>11</sub> 1.4607 334.09
LP<sub>21</sub> 1.4599 334.27
LP<sub>02</sub> 1.4596 334.34
LP<sub>31</sub> 1.4588 334.52
LP<sub>12</sub> 1.4582 334.66
LP<sub>41</sub> 1.4576 334.80
LP<sub>22</sub> 1.4568 334.98
LP<sub>03</sub> 1.4566 335.03
LP<sub>51</sub> 1.4562 335.12
由于布拉格光纤光栅的反射峰具有一定宽度，因此有效折射率相近的模式可以采取同一个光栅反射回谐振腔，可以采取周期为334.09μm的布拉格光纤光栅反射LP11模式，采取周期为334.30μm的布拉格光纤光栅反射LP21和LP02模式，采取周期为334.59μm的布拉格光纤光栅反射LP31和LP12模式，采取周期为334.80μm的布拉格光纤光栅反射LP41模式，采取周期为335.05μm的布拉格光纤光栅反射LP22、LP03和LP51模式。因此在四模光纤上刻写上述五个周期的布拉格光栅即可将高阶模式激光反射回多模半导体激光芯片继续参与运转谐振，基模激光则直接透过布拉格光纤光栅输出；由于多模半导体激光芯片增益介质较长，半导体解理面积较大，可以耐受较大泵浦电流，因此可以实现在大电流泵浦下的高功率基模激光直接输出。该仪器装置设计充分利用了布拉格光栅的选模特性，充分利用了泵浦源输出的各种高阶模，得到更高功率的基模激光。
准直耦合系统由透镜L1和L2组成，为满足最大耦合效率两透镜焦距和数值孔径应与多模半导体激光芯片及少模光纤匹配。本实施例中多模半导体激光芯片数值孔径为0.4，少模光纤数值孔径为0.12，为满足最大耦合效率，所选取的透镜L1数值孔径应大于0.4，透镜L2数值孔径应大于0.12。本实施例中多模半导体激光芯片中激光光斑直径为0.8mm，少模光纤中激光光斑直径为26μm，所选取的透镜L1和透镜L2的焦距比例应接近于光斑直径比例即30.77。
多模半导体激光芯片前端面的减反膜为单层低折射率膜层(折射率
Figure BDA0002769951290000041
光学厚度nLd＝λ/4)或对应的等效膜层，其中ns为多模半导体激光芯片基底折射率，n0为空气折射率。该减反膜可以避免前端面的反射与后端面的布拉格光栅直接成腔输出。
本发明在耦合输出的少模光纤中刻写布拉格光纤光栅，既起到了反射高阶模选取基模激光的作用，又能有效增加激光腔长，减小纵模间隔，有利于输出高质量、高功率、高稳定的的单基模光纤激光。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.基于光纤光栅反馈的半导体光纤耦合单模激光器，其特征在于：所述激光器的装置包括电流泵浦源、多模半导体激光芯片、准直耦合系统及少模光纤；在所述多模半导体激光芯片的前端面设置有减反膜；在所述少模光纤上刻写有布拉格光纤光栅；
针对激光器谐振波长λ的高阶模式激光反射，对应的布拉格光纤光栅的周期Λ＝λ/2neff，其中neff为该高阶模式激光在少模光纤中的有效折射率；
所述激光器的运转过程为：所述电流泵浦源为多模半导体激光芯片提供增益，产生基模激光信号和高阶模式激光信号，经由多模半导体激光芯片前端面的减反膜和准直耦合系统进入到少模光纤中；少模光纤上刻写的特定周期的布拉格光纤光栅将其中的高阶模式激光反射回多模半导体激光芯片继续参与运转谐振，基模激光则直接透过布拉格光纤光栅输出；
准直耦合系统由两个透镜组成，为满足最大耦合效率，两透镜焦距和数值孔径应与多模半导体激光芯片及少模光纤匹配；
多模半导体激光芯片前端面的减反膜为折射率
Figure FDA0003489188050000011
光学厚度nLd＝λ/4的单层低折射率膜层，或为对应的等效膜层，其中ns为多模半导体激光芯片的基底折射率、n0为空气折射率。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅反馈的半导体光纤耦合单模激光器，其特征在于：激光器的谐振波长由多模半导体激光芯片后端面刻蚀形成的半导体布拉格反射光栅决定。
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