CN113675720A - 一种基于带内泵浦的高效率单频掺铥光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于带内泵浦的高效率单频掺铥光纤激光器。采用波长为1650nm的激光作为泵浦掺铥光纤激光器，该泵浦波长对应于掺铥光纤带内泵浦吸收谱的峰值附近，不仅有着较高吸收截面，并且还有较小的量子亏损，可以极大提高激光器的效率，改善激光器的噪声和线宽特性。本发明通过受激拉曼散射的方式可以获取高效率和高功率的1650nm激光输出，为获取高功率的单频光纤激光器奠定了基础。

Description

一种基于带内泵浦的高效率单频掺铥光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光器领域，尤其涉及一种基于带内泵浦的高效率单频掺铥光纤激光器，尤其是涉及掺铥光纤激光器的一种新的泵浦方式。
背景技术
掺铥光纤激光器是获取2μm光纤激光的有效技术手段，近些年来针对掺铥光纤激光器的研究日渐深入，目前主流的光纤谐振腔结构为DBR(分布布拉格反射式，distributeBragg reflection)短腔型结构，因其较短的有源纤长度(<2cm)，使得难以获取高效率的激光输出。在过去10年中，主流的方法是采用高掺杂的稀土掺杂软玻璃光纤作为谐振腔内的增益介质以提高激光器的输出效率。基于锗酸盐以及硅酸盐玻璃基质的掺铥光纤激光器相继被报道，其效率相比于采用普通石英光纤有显著的提升，但是浓度簇灭现象的存在使得有源光纤的掺杂浓度存在上限，因此激光斜效率的进一步提升需考虑对泵浦波长进行优选。
掺铥光纤激光器常用的泵浦波长有三个，793nm、1210nm以及1570nm。三个波长分别对应三个吸收带。793nm对应于3H6→3H4能级跃迁的吸收带，是目前最为主流的掺铥光纤激光器的泵浦波长，该泵浦方式为三能级结构，因交叉弛豫现象的存在使得这种泵浦方式的量子效率理论上能够达到200％，可极大提高激光的效率，但是采用793nm激光泵浦时受浓度簇灭效应的影响较为严重，很难达到理想的200％的量子效率，并且目前没有高功率的793nm单模激光二极管可以作为激光泵浦源，因此该泵浦方式在实际应用中受到了极大限制；1210nm对应于3H6→3H5能级跃迁的吸收带峰值，虽然有着和793nm几乎相同的吸收截面，但是由于缺少交叉弛豫过程使其在泵浦过程中存在较大的量子亏损，使激光效率很难有较大提升；1570nm对应于3H6→3F4跃迁受激吸收带，该泵浦方式为二能级结构，属于带内泵浦，在已报道的工作中该泵浦方式的效率均较低，主要受制于掺铥光纤对1570nm激光较低的吸收截面。在3H6→3F4跃迁受激吸收带内，吸收峰位于1650nm左右，其吸收截面为1570nm的约两倍，若采用该波长泵浦掺铥光纤激光器可极大提高激光器的斜效率，但是该波长的激光很难获取，其并不在Er离子的发射带宽内，已报道的最接近该波长的泵浦光为1610nm，其吸收截面相比于1650nm仍存在较大差距，因此急需通过特殊的方法获取该波长的激光为掺铥光纤激光器提供高效泵浦，从而实现高效率的2μm激光输出。
发明内容
本发明提供了一种基于带内泵浦的高效率单频掺铥光纤激光器，采用泵浦波长为1650nm，与铥离子的3H6→3F4跃迁受激吸收峰相匹配；谐振腔内的掺铥光纤对该波长的泵浦光有较高的泵浦吸收系数，本发明不仅保证在较短掺铥光纤情况下满足运转所需的泵浦强度，而且能够实现掺铥光纤激光器的高效率输出，详见下文描述：
一种基于带内泵浦的高效率单频掺铥光纤激光器，所述激光器包括：泵浦源、泵浦耦合器件、高反光纤光栅、掺铥有源光纤、输出光纤光栅；
所述泵浦源为1650nm激光器，该波长对应于掺铥光纤带内泵浦的吸收峰值，提高所述掺铥光纤对泵浦光的吸收效率，进而提高激光器输出功率；
所述泵浦源通过受激拉曼散射的方式实现1650nm激光激射，其形式是拉曼光纤振荡器、或拉曼光纤放大器；
所述泵浦源输出的1650nm激光，通过所述泵浦耦合器件注入所述高反光纤光栅、所述掺铥有源光纤、所述输出光纤光栅组成的单频掺铥光纤谐振腔中，通过泵浦所述掺铥光纤实现粒子数反转，进而产生激光振荡，通过所述输出光纤光栅输出目标波长单频激光。
进一步的，1650nm对应于铥离子3H6→3F4能级跃迁受激吸收带的峰值附近，铥离子对该波长激光有着较高的吸收截面约为4.7×10-21cm2，是常用掺铥光纤激光器泵浦波长1570nm的两倍以上。可以极大提高掺铥光纤谐振腔内的增益，尤其是对于短腔型单频掺铥光纤激光器，该特性可极大提高激光器的斜效率和输出功率。
进一步的，由于铥离子对1650nm较高的吸收截面，可以在较短的光纤长度上(～1cm)实现足够的增益，进而缩短谐振腔的有效长度，提高了激光器单纵模稳定运转的功率范围。
其中，所述泵浦源优选为1650nm的拉曼光纤激光器。采用受激拉曼散射的方式获取1650nm激光激射是一种高效率的方法。首先拉曼效率高，可达到85％以上，避免了能量的损失；系统配置灵活，对光纤的型号以及拉曼光纤激光器结构的要求较低，并且采用光纤系统极大的便利了其使用环境，适用于作为光纤激光器的泵浦源。进一步地，所述泵浦耦合器件为波分复用器或信号泵浦合束器，采用直接熔接耦合方法，根据泵浦源的形式和横模选择相应的耦合方式和器件。
其中，所述掺铥有源光纤为石英光纤，或锗酸盐、硅酸盐及其他宿主材料的光纤。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1)本发明优选泵浦源输出激光波长为1650nm附近，对应于铥离子带内泵浦吸收带的峰值处，可以实现极高的吸收系数，掺铥激光器的斜效率实现较大提升；
2)由于掺铥有源光纤对1650nm激光有着极高的吸收系数，可采用更短的掺铥有源光纤，有助于减小谐振腔长度，增大纵模间隔，有利于实现更高功率的单纵模激光输出；
3)由于1650nm泵浦波长与目标激光波长之间较小的量子亏损，因此可有效减小热沉积以及噪声的产生，改善输出激光的噪声特性，并实现线宽压缩的效果；
4)本发明的技术方案中采用受激拉曼散射这种非线性效应实现1650nm激光的获取，拉曼过程可以实现极高的斜效率，减小了能量转化过程中的损耗；
5)本发明采用1650nm拉曼激光器作为泵浦源，可以是单模激光输出，也可以是多模激光输出，配置灵活，适用于不同泵浦方式的掺铥光纤激光器；
6)本发明采用受激拉曼散射的方式获取高功率的1650nm激光，此方式实现较为方便，可通过1.5μm激光一阶拉曼获取，也可以通过1μm激光级联拉曼的方式获取，其输出功率可达到数百瓦至上千瓦；
7)本发明采用的1650nm激光作为掺铥光纤激光器泵浦源的方法，可适用于不同腔型结构的掺铥光纤激光器以及掺铥光纤放大器中。
附图说明
图1为一种基于带内泵浦的高效率单频掺铥光纤激光器示意图；
图2为1650nm拉曼光纤振荡器示意图；
图3为1650nm拉曼光纤放大器示意图；
图4为一种基于带内泵浦的高效率单频掺铥光纤激光器输出功率随泵浦功率的增长曲线示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：高反光纤光栅； 2：掺铥有源光纤；
3：输出光纤光栅； 4：泵浦耦合器件；
5：泵浦激光器； 6：拉曼泵浦源；
7：1650nm高反光纤光栅； 8：第一拉曼光纤；
9：1650nm输出光纤光栅； 10：1650nm半导体激光器；
11：拉曼泵浦源； 12：泵浦耦合器件；
13：第二拉曼光纤。
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，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
一种基于1650nm激光泵浦的高效率掺铥光纤激光器，参见图1，包括：高反光纤光栅1、掺铥有源光纤2、输出光纤光栅3、泵浦耦合器件4、泵浦激光器5。
其中，高反光纤光栅1、掺铥有源光纤2和输出光纤光栅3依次相连，组成掺铥光纤谐振腔；泵浦激光器5与泵浦耦合器件4相连，泵浦耦合器件4与高反光纤光栅1相连，泵浦激光器5通过泵浦耦合器件4将泵浦光注入掺铥光纤谐振腔内，为掺铥有源光纤2提供增益，在掺铥光纤谐振中产生的激光通过输出光纤光栅3输出。
优选的泵浦耦合器件4为分光型1650/1950nm波分复用器；高反光纤光栅1刻写在SMF-28光纤上中心波长1950nm，带宽0.3nm，反射率>99.99％；掺铥有源光纤2为单包层掺铥离子浓度为5wt％的锗酸盐光纤，纤芯/包层尺寸为9/125，长度0.8cm；输出光纤光栅3刻写在PM1550光纤上，中心波长1950nm，带宽小于0.05nm，反射率50％。
优选的泵浦激光器5为1650nm拉曼振荡器，参见图2，包括：拉曼泵浦源6、1650nm高反光纤光栅7；第一拉曼光纤8、1650nm输出光纤光栅9。
其中，1650nm高反光纤光栅7、第一拉曼光纤8以及1650nm输出光纤光栅9组成拉曼振荡器，拉曼泵浦源6与1650nm高反光纤光栅7相连，并直接将拉曼泵浦光注入拉曼振荡器中，在第一拉曼光纤8中产生拉曼非线性效应并在拉曼振荡器中多次振荡形成1650nm激光激射，并由1650nm输出光纤光栅9输出。
优选的拉曼泵浦源6为1570nm单模光纤激光器，最高输出功率5W，输出光纤为SMF-28光纤；1650nm高反光纤光栅7刻写在SMF-28光纤上，中心波长1650nm，反射率>99.99％；拉曼光纤8为300m型号为SMF-28的普通无源光纤；1650nm输出光纤光栅9刻写在SMF-28光纤上，中心波长1650nm，反射率50％。
其中，输出光纤光栅5刻写在PM1550保偏光纤上，在快慢轴效应下产生两个反射带，而只有一个反射带可以与高反光纤光栅3的反射带重合，从而实现单偏振的激光输出。
进一步的，泵浦激光器5在拉曼泵浦源6的最高输出功率下可产生1W激光输出，并以纤芯泵浦的方式注入掺铥有源光纤2中，由于掺铥有源光纤2为高掺铥锗酸盐光纤，掺杂浓度7.6×1020ions/cm3，因此相比于石英光纤，对1650nm泵浦激光有着更高的吸收效率，掺铥有源光纤2长度为1.2cm、输出光纤光栅5的反射率为50％可实现最高的斜率效率，其输出功率曲线如图4所示，在1W 1650nm泵浦功率下，可实现最高464mW的1950nm激光输出，斜效率可高达53.6％。
实施例2
上述实施例1中，泵浦激光器5为拉曼激光放大器，见图3，包括1650nm单模半导体激光器10、拉曼泵浦源11、泵浦耦合器件12、第二拉曼光纤13。
优选的1650nm单模半导体激光器10中心波长1650nm，输出功率10mW；拉曼泵浦源11为1570nm光纤激光器，尾纤SMF-28光纤，中心波长1570nm最高输出功率10W；泵浦耦合器件12为1650/1570nm波分复用器，最高承受功率5W，尾纤型号SMF-28，插损<0.5dB；第二拉曼光纤13为SMF-28普通单模光纤，长度2km。
进一步的，1650nm单模半导体激光器10输出激光注入第二拉曼光纤13中，提供拉曼放大所需的激光种子；拉曼泵浦源11输出的泵浦光经泵浦耦合器件12注入第二拉曼光纤13中，第二拉曼光纤13提供拉曼增益，使得拉曼泵浦源11输出的泵浦光转化为中心波长为1650nm激光。
上述实施例1中，泵浦耦合器件2可根据泵浦方式的改变进行调整，包层泵浦时为泵浦合束器，纤芯泵浦时为WDM，本发明实施例对此不做限制。
上述实施例1中，高反光纤光栅3可以刻写在单包层光纤上，也可以刻写在双包层或三包层光纤上，反射带宽可以覆盖输出光纤光栅5的反射带即可，本发明实施例对此不做限制。
上述实施例1中，掺铥有源光纤2可以是高掺铥锗酸盐光纤，也可以是掺铥硅酸盐光纤或掺铥磷酸盐光纤，也可以是商用掺铥光纤，本发明实施例对此不做限制。
上述实施例1中，掺铥有源光纤2的长度可以根据光纤的掺杂浓度进行优化，只要能实现单纵模输出即可，本发明实施例对此不做限制。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号和规格，包括光纤的尺寸、数值孔径、长度和掺杂浓度等，不做具体限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于带内泵浦的高效率单频掺铥光纤激光器，其特征在于，所述激光器包括：泵浦源、泵浦耦合器件、高反光纤光栅、掺铥有源光纤、输出光纤光栅；
所述泵浦源为1650nm激光器，该波长对应于掺铥光纤带内泵浦的吸收峰值，提高所述掺铥光纤对泵浦光的吸收效率，进而提高激光器效率和输出功率；
所述泵浦源通过受激拉曼散射的方式实现1650nm激光激射，其形式是拉曼光纤振荡器、或拉曼光纤放大器；
所述泵浦源输出的1650nm激光，通过所述泵浦耦合器件注入所述高反光纤光栅、所述掺铥有源光纤、所述输出光纤光栅组成的单频掺铥光纤谐振腔中，所述掺铥光纤对1650nm泵浦激光极高的吸收系数，使得在较短长度的掺铥光纤中产生足够的激光增益，进而产生激光振荡，通过所述输出光纤光栅输出目标波长的单频激光。
2.根据权利要求1所述的一种基于带内泵浦的高效率单频掺铥光纤激光器，其特征在于，所述泵浦源为1650nm激光器，其泵浦方式为带内泵浦，提高了掺铥光纤谐振腔内的增益，降低了量子亏损。
3.根据权利要求1所述的一种基于带内泵浦的高效率单频掺铥光纤激光器，其特征在于，采用1650nm激光作为泵浦源头，缩短了所述有源纤的长度，进而缩短了谐振腔的有效腔长，提高了单纵模稳定运转的功率范围。
4.根据权利要求1所述的一种基于带内泵浦的高效率单频掺铥光纤激光器，其特征在于，所述泵浦耦合器件为波分复用器或信号泵浦合束器，采用直接熔接耦合方式，根据泵浦源的形式和横模选择相应的耦合方式和器件，以实现全光纤的系统结构。
5.根据权利要求1所述的一种基于带内泵浦的高效率单频掺铥光纤激光器，其特征在于，所述掺铥有源光纤为石英光纤，或锗酸盐、硅酸盐及其他宿主材料的光纤。
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