CN114512883A - 高功率光纤雷射结构 - Google Patents

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Abstract

一种高功率光纤雷射结构，为一应用于高功率雷射放大器的泵浦源技术，主要包括一种子光源的雷射主波长落在～1020nm的雷射二极管，此光源将经过一光隔离器进入由一泵浦源激光器、一光结合器及一镱掺杂的增益光纤组成的光纤式雷射放大器，并以一局部散热该增益光纤的降温装置实现硅基光纤中输出高功率1010～1020 nm雷射作为泵浦源之技术，而利用此散热装置调变该增益光纤周围温度。藉由此高功率雷射泵浦源设计减少增益光纤所产生的自发辐射放大（amplified spontaneous emission,ASE）与降低泵浦源在增益光纤端产生的热累积。

Description

高功率光纤雷射结构
技术领域
本发明有关于一种高功率光纤雷射结构，尤指涉及一种利用一局部散热增益光纤的降温装置，实现硅基光纤中输出高功率1010～1020 nm雷射作为泵浦源之技术，特别是指可减少增益光纤所产生的自发辐射放大（amplified spontaneous emission, ASE）并降低泵浦源在增益光纤端产生的热累积的结构。
背景技术
高平均功率光纤雷射已在精细材质加工、非线性应用及生医上具有相当潜力，而如何提升至高平均功率光纤雷射输出的挑战技术有：“如何对热声子产生非线性效应抑制”、“制作稳定且高功率用的光纤组件”、“更多泵浦且有更佳的转换效率”等，但各有其优缺点。
在现有相关技术中，列举如下：
1.利用整合多段增益光纤来取代单一延伸的增益光纤，可减少光纤长度以降低噪声。然而，多段增益光纤整合导致占用空间体积较多，散热不易，并且利用合束器汇合全部光能量，对于合束器耐受度要求极高。
2.使用滤光片作为噪声过滤组件后使讯号纯化，提高下一级放大噪声比。然而，滤光片会使得雷射光过光效率太低，从而大幅提高制造成本。
3.采用异纤核光纤直接熔接提升雷射效能。然而，异纤核光纤着重于熔接质量，熔接点过光效率若太低，则容易造成光纤熔断之损坏。
4.采用特定光纤几何形状控制V值（V-number），使光纤于小光纤与大光纤连接时，于高功率下获得稳定讯号，并获得良好模态。然而，特定光纤几何形状系利用熔化光纤且施加拉力延展，以达塑型效果，但对于熔化温度、延展拉力的控制非常不易，因此不利于标准化作业。
面对高功率雷射大量应用于汽车、航天及机械产业，目前使用多段增益光纤整合、加装滤光片及光纤塑形等工艺已无法满足技术及市场需求。鉴于已知技术的各项问题，为了能够兼顾解决并有效提升产业技术发展，实有急待改进的必要，针对既有的缺失加以改良，发展一种能避免已知技术的方法与设备的缺点并且能够进行符合实用进步性与产业利用性的方法与设备有其必要。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服已知技术所遭遇的上述问题，并提供一种改变增益离子迈斯威尔-波兹曼（Maxwell-Boltzmann）的分布，实现硅基光纤中输出高功率1010～1020 nm雷射作为泵浦源可能性的高功率光纤雷射结构。
本发明的另一目的在于，提供一种抑制热声子产生的非线性效应，使雷射输出率增加且稳定，提高泵浦转换效率，减少光纤热吸收的高功率光纤雷射结构。
本发明的又一目的在于，提供一种改变增益离子其< 1020 nm波段（band）的居量数并增加荧光生命周期达到抑制1030 nm ASE产生的效果及降低泵浦源在增益光纤端产生热累积（此易导致光纤核心融毁）的高功率光纤雷射结构。
本发明的再一目的在于，提供一种实施架构简单，例如使用单一增益光纤，无需加装滤光片及光纤塑形即可稳定讯号的高功率光纤雷射结构。
为达以上目的，本发明采用的技术方案是：一种高功率光纤雷射结构，其包括：一雷射二极管（Laser Diode, LD），其种子光源的雷射主波长落在～1020 nm，此一光源被利用为讯号种子光源（Signal Seed）；一光纤式雷射放大器，由一泵浦源激光器（Pump LD）、一光结合器（Combiner）及一镱掺杂的增益光纤（Yb-doped fiber）组成，该雷射二极管输出的光源经过一光隔离器（Isolator）进入该光纤式雷射放大器，经适度控制局部散热该增益光纤及调整该泵浦源激光器的参数，改变镱离子其<1020 nmband的居量数并增加荧光生命周期达到抑制1030nmASE产生的效果及降低该泵浦源激光器在该增益光纤端所产生的热累积；以及一降温装置，设在该增益光纤外部，用以调变该增益光纤周围的温度以提供局部散热降温。
于本发明上述实施例中，该高功率光纤雷射结构输出泵浦源波长范围从1010～1020nm。
于本发明上述实施例中，该降温装置使用干冰、液态氮或液态氦中的一种低温物质进行降温。
于本发明上述实施例中，该降温装置调制温差范围介于50～70℃之间。
于本发明上述实施例中，该泵浦源激光器的波长可为915nm及975nm。
附图说明
图1是本发明的高功率光纤雷射结构示意图。
图2是本发明改变增益离子其<1020nm band的居量数分布图。
图3是本发明976nm比较1012nm的热累积模拟图。
图4是本发明局部散热增益光纤降低1030 nm ASE产生的先期实验图。
图5是本发明的1012nm硅基光纤雷射最高纪录图。
标号对照：
雷射二极管1
光纤式雷射放大器2
泵浦源激光器21
光结合器22
增益光纤23
降温装置3
光隔离器4。
具体实施方式
请参阅图1至图5所示，分别为本发明的高功率光纤雷射结构示意图、本发明改变增益离子其<1020nm band的居量数分布图、本发明976nm比较1012nm的热累积模拟图、本发明局部散热增益光纤降低1030 nm ASE产生的先期实验图、及本发明的1012nm硅基光纤雷射最高纪录图。如图所示：本发明为一种高功率光纤雷射结构，为一应用于高功率雷射放大器的泵浦源技术，主要包括一雷射二极管（Laser Diode, LD）1、一光纤式雷射放大器2以及一降温装置3所构成。
上述所提的雷射二极管1种子光源的雷射主波长落在～1020nm，此光源被利用为讯号种子光源（Signal Seed），该光源将经过一光隔离器（Isolator）4进入该光纤式雷射放大器2。
该光纤式雷射放大器2由一泵浦源激光器（Pump LD）21、一光结合器（Combiner）22及一镱掺杂的增益光纤（Yb-doped fiber）23组成，接收该雷射二极管1输出的光源，经适度控制局部散热该增益光纤23及调整该泵浦源激光器21的参数，改变增益离子其<1020 nm波段（band）的居量数并增加荧光生命周期达到抑制1030nm自发辐射放大（amplifiedspontaneous emission, ASE）产生的效果及降低泵浦源在该增益光纤23端所产生的热累积。
该降温装置3设在该增益光纤23外部，用以调变该增益光纤23周围的温度以提供局部散热降温，从而实现硅基光纤中输出高功率1010～1020 nm雷射作为泵浦源之技术。如是，藉由上述揭露的结构构成一全新的高功率光纤雷射结构。
当运用时，本发明利用适当的泵浦源激光器21连接光结合器22，激发增益光纤23达居量反转出光，并使用降温装置3将增益光纤23降温。其中：
于一具体实施方式中，上述降温装置3可选用以干冰、液态氮及液态氦等低温物质作为降温方式，可调制温差范围为50～70℃之间。
于一具体实施方式中，上述泵浦源激光器21波长可选用为915nm及975nm，应用于高功率雷射放大器的1010～1020 nm泵浦源技术；可对输出的雷射具有抑制1030nm ASE的效果。
以下实施例仅举例以供了解本发明的细节与内涵，但不用于限制本发明的申请专利范围。
本发明的实施架构如图1所示；以一个雷射主波长落在～1020.4nm的雷射二极管1输出的光源作为种子源输入光纤式雷射放大器2，藉由局部冷却增益光纤23的方式；从室温25℃降至约-10℃。
本发明所提技术可改变增益离子（本实施例为镱离子；Yb3+）其迈斯威尔-波兹曼（Maxwell-Boltzmann）分布，改变后期增益离子其<1020 nm band的居量数分布如图2所示；藉此增加增益离子荧光生命周期达到抑制1030nm ASE产生的效果，并降低泵浦在增益光纤端所产生的热累积（此易导致光纤核心融毁）如图3所示；且对应到模拟输出的结果如图4所示，可知以1012 nm的泵浦热分布较为平坦化且在先期实验结果成功降低1030nm的产生如图4所示。
适度地控制局部散热增益光纤及调整泵浦源激光器之参数，从室温25℃降至约-80℃可成功输出10W等级平均功率的1012 nm的雷射输出，是本发明目前所知的最高纪录，如图5所示。
本发明采用一崭新概念，用意在于改变增益离子迈斯威尔-波兹曼的分布，实现硅基光纤中输出高功率1010～1020 nm雷射作为泵浦源的可能性，本发明利用局部增益光纤散热用降温装置，改变增益离子其<1020 nm band的居量数并增加荧光生命周期达到抑制1030 nm ASE产生的效果，辅以本发明发展已久的放大器技术，已成功输出平均功率10W级且中心波长落在约1012nm的最高纪录。藉由此高功率雷射泵浦源设计的新颖性，与前期实验上的可行性，达到提升雷射平均输出功率后可降低泵浦源在增益光纤端所产生的热累积（此易导致光纤核心融毁）并降低1030nm ASE的产生。
藉此，本发明采用增益光纤降温方式来抑制热声子产生的非线性效应，从而减少非性线效应降低噪声，使雷射输出率增加且稳定，提高泵浦转换效率并减少光纤热吸收。所提实施架构简单，例如使用单一增益光纤，无需加装滤光片及光纤塑形即可稳定讯号。
综上所述，本发明的一种高功率光纤雷射结构，可有效改善现有技术的种种缺点，利用一局部散热增益光纤的降温装置，实现硅基光纤中输出高功率1010～1020 nm雷射作为泵浦源之技术，可减少增益光纤所产生的ASE并降低泵浦源在增益光纤端产生的热累积，进而使本发明的产生能更进步、更实用、更符合使用者所须，确已符合发明专利申请的要件，依法提出专利申请。
但以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围；故，凡依本发明申请专利范围及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (5)

1.一种高功率光纤雷射结构，其特征在于，其包括：
一雷射二极管，其种子光源的雷射主波长落在～1020nm，此光源被利用为讯号种子光源；
一光纤式雷射放大器，由一泵浦源激光器、一光结合器及一镱掺杂的增益光纤组成，该雷射二极管输出的光源经过一光隔离器进入该光纤式雷射放大器，经适度控制局部散热该增益光纤及调整该泵浦源激光器的参数，改变镱离子其<1020 nm波段的居量数并增加荧光生命周期达到抑制1030nm自发辐射放大产生的效果及降低该泵浦源激光器在该增益光纤端所产生的热累积；以及
一降温装置，设在该增益光纤外部，用以调变该增益光纤周围的温度以提供局部散热降温。
2.如权利要求1所述的高功率光纤雷射结构，其特征在于，所述输出泵浦源波长范围为1010～1020 nm。
3.如权利要求1所述的高功率光纤雷射结构，其特征在于，所述降温装置使用干冰、液态氮或液态氦进行降温。
4.如权利要求1或3所述的高功率光纤雷射结构，其特征在于，所述降温装置调制温差范围介于50～70℃之间。
5.如权利要求1所述的高功率光纤雷射结构，其特征在于，所述泵浦源激光器的波长为915 nm及975 nm。
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