CN117394123A - 掺镱光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种掺镱光纤激光器，包括泵浦系统、前端二向色镜、掺镱光纤、空芯反谐振光纤和后端二向色镜，所述泵浦系统产生聚焦的激光，所述前端二向色镜设置在所述泵浦系统聚焦的光斑处，所述掺镱光纤的前端紧贴所述前端二向色镜，所述掺镱光纤的后端空间耦合所述空芯反谐振光纤，所述空芯反谐振光纤的后端紧贴所述后端二向色镜；所述空芯反谐振光纤为同轴圆柱形结构，包括纤芯区域、包层管区域和外包层；所述纤芯区域位于所述空芯反谐振光纤的中心，所述包层管区域围绕所述纤芯区域的外周设置，所述外包层位于所述空芯反谐振光纤的最外层；所述包层管的壁厚为466nm。相较于现有技术，本发明能够促进976nm的激光输出。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器技术领域，特别是涉及一种单模掺镱光纤激光器。
背景技术
光纤激光器是以光纤为增益介质的激光器，其中应用最广泛的增益光纤为稀土掺杂光纤。而通过使用掺杂不同稀土元素的增益光纤，光纤激光器的工作波长可覆盖从紫外到中红外的广阔范围。由于光纤激光器具有结构简单紧凑、免于维护、低能耗、高转换效率、高稳定性、高光束质量等鲜明优点，所以其在通信、医学、材料加工等方面有着广泛的应用。
掺镱光纤激光器是一种利用掺杂了镱（Yb）元素的光纤作为工作材料的激光器，由于其具有量子效率高、增益带宽大、无激发态吸收、无浓度淬灭、吸收带宽以及可以采用波长在915nm或980nm附近的多模大功率半导体激光器泵浦的特点，尤其适合于高功率器件。
请参阅图1，现有技术的掺镱光纤激光器包括泵浦源1’、耦合透镜组2’、二色镜3’、掺镱光纤4’和反射镜5’，泵浦源1’发出的光经耦合透镜组2’准直聚焦后，耦合到掺镱光纤4’，二色镜3’、掺镱光纤4’和反射镜5’构成谐振腔。
在室温下，Yb离子的吸收峰主要对应于波长915nm和波长976nm，发射峰对应于三能级的976nm和四能级的1064nm。由于Yb离子对976nm的重吸收作用，1064nm的激光会产生增益，从而抑制三能级系统的出现，使得掺镱光纤激光器不容易产生976nm激光。
发明内容
基于此，本发明提供一种掺镱光纤激光器。
本发明是通过以下技术方案实现的：包括泵浦系统、前端二向色镜、掺镱光纤、空芯反谐振光纤和后端二向色镜，所述泵浦系统产生聚焦的激光，所述前端二向色镜设置在所述泵浦系统聚焦的光斑处，所述掺镱光纤的前端紧贴所述前端二向色镜，所述掺镱光纤的后端空间耦合所述空芯反谐振光纤，所述空芯反谐振光纤的后端紧贴所述后端二向色镜；
所述空芯反谐振光纤为同轴圆柱形结构，包括纤芯区域、包层管区域和外包层；所述纤芯区域位于所述空芯反谐振光纤的中心，所述包层管区域围绕所述纤芯区域的外周设置，所述外包层位于所述空芯反谐振光纤的最外层；所述包层管的壁厚为466nm。
相较于现有技术，本发明在掺镱光纤的后端空间耦合空芯反谐振光纤，由于空芯反谐振光纤在1064nm波段的损耗比976nm波段大，能够减少掺镱光纤中1064nm波段的增益对976nm波段的影响，从而能够促进976nm的激光输出。
在其中一个实施例中，所述包层管区域包括6个包心管，所述包层管的直径d与所述纤芯区域的直径D之比为0.62。
在其中一个实施例中，所述纤芯区域的直径D为30μm，所述包层管直径d为18.6μm。
在其中一个实施例中，所述外包层的内径为50μm，所述外包层的外径为65μm。
在其中一个实施例中，所述掺镱光纤的后端面和所述空芯反谐振光纤的前端面设置为斜面。
在其中一个实施例中，所述前端二向色镜对915nm激光具有高透过性，对976nm激光具有高反射性。
在其中一个实施例中，所述后端二向色镜对915nm激光具有高反射性，对976nm激光具有高透光性。
在其中一个实施例中，所述后端二向色镜的后端设置有滤波片。
在其中一个实施例中，所述泵浦系统包括915nm激光泵浦源和准直聚焦系统，所述准直聚焦系统设置在所述915nm激光泵浦源和所述前端二向色镜之间，所述前端二向色镜位于所述准直聚焦系统的聚焦光斑处。
在其中一个实施例中，所述准直聚焦系统包括准直凸透镜和聚焦凹透镜，所述准直凸透镜将所述915nm激光泵浦源产生的激光变为平行光，所述聚焦凹透镜将所述平行光聚焦在焦点上。
附图说明
图1为现有技术的掺镱光纤激光器整体结构示意图；
图2为本申请一个实施例的单模掺镱激光器整体结构示意图；
图3为本申请一个实施例的空芯反谐振光纤端面结构图；
图4为本申请一个实施例的空芯反谐振光纤的传输损耗谱图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
针对现有技术的掺镱光纤激光器不容易产生976nm激光，本发明在掺镱光纤的后端空间耦合空芯反谐振光纤，激光不是在掺镱光纤的两端直接形成振荡，而是在掺镱光纤和空芯反谐振光纤的范围内振荡，由于1064nm波段在空芯反谐振光纤损耗大，使得1064nm波段的激光无法在掺镱光纤和空芯反谐振光纤的范围内振荡输出，从而有利于976nm波段的激光振荡输出。
下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。
请参阅图2。本申请的单模掺镱光纤激光器，包括：915nm激光泵浦源1、准直凸透镜2、聚焦凹透镜3、前端二向色镜4、掺镱光纤5、空芯反谐振光纤6、后端二向色镜7和滤波片8。
915nm激光泵浦源1、准直凸透镜2和聚焦凹透镜3构成泵浦系统，915nm激光泵浦源1产生915nm的泵浦光，准直凸透镜2将泵浦光变为平行光，聚焦凹透镜3将泵浦光聚焦在焦点上。即，准直凸透镜2和聚焦凹透镜3组成准直聚焦系统。准直聚焦系统的光路为笼式结构光学系统，光轴位于笼式结构的中心点。搭建准直聚焦光路时，通过测试准直光斑和聚焦光斑的高度，调节准直凸透镜2和聚焦凹透镜3的位置，使得光轴始终在同一直线上。另外，可借助绿光指示器，来调节光轴的横向稳定。
前端二向色镜4和后端二向色镜7构成激光谐振腔，前端二向色镜4位于准直聚焦系统的聚焦光斑处。前端二向色镜4对915nm激光具有高透过性，对976nm激光具有高反射性。后端二向色镜7对915nm激光具有高反射性，对976nm激光具有高透光性。
掺镱光纤5的前端紧贴前端二向色镜4，保证掺镱光纤5前端在泵浦光焦点处，提高耦合效率。掺镱光纤5后端空间耦合空芯反谐振光纤6，空芯反谐振光纤6后端紧贴后端二向色镜7。在其中一个实施例中，掺镱光纤5的后端面和空芯反谐振光纤6的前端面设置为斜面，能够抑制由于菲涅耳反射而可能在光纤内形成的激光振荡，并同时提高谐振腔的耦合效率。
空芯反谐振光纤的包层由一层空气孔组成，各个毛细管之间无节点，有效地减少了表面模对纤芯模式的损耗，光纤在导光时，光被限制在纤芯中传输，最大程度地降低了固体介质对光纤的传输损耗。包层内壁高折射率石英脉区构成的结构可视作一个法布里-珀罗（F-P）谐振腔，在共振状态时F-P腔可视作透明状态，光从包层泄漏出去；而在反共振状态下，F-P腔的反射系数很高，可将光限制在纤芯当中。
请参阅图3。空芯反谐振光纤6为同轴圆柱形结构，包括纤芯61、多个包层管62和外包层63。纤芯61位于空芯反谐振光纤6的中心，多个包层管62围绕纤芯61的外周设置，外包层63包覆多个包层管62。
本实施例中，包层管62的壁厚为466nm。采用截断法测量空芯反谐振光纤6的损耗如图4所示，与976nm相比，空芯反谐振光纤6在1000nm以上波段的损耗大。而掺镱光纤5在915nm和976nm附近有两个吸收峰，在976nm和1064nm附近有两个发射峰。由于976nm具有重吸收作用，相较于1064nm，掺镱光纤5不易产生976nm的激光。因此，本申请将空芯反谐振光纤6与掺镱光纤5相耦合，能够通过1064nm的损耗来促进976nm激光的产生。
高阶模抑制比可以反映光纤的模式转换能力。当高阶模抑制比较高时，高阶模式的损耗高，基模的损耗低，从而可以将多模激光转换为单模激光。但是高阶模式损耗会影响光纤的谐振耦合。本实施例中，包层管62为6个，包层管的直径d与纤芯61的直径D之比为0.62，能够同时达到较好的高阶模抑制比和耦合效果。具体地，纤芯61的直径D设置为30μm，包层管62的直径d为18.6μm。
另外，外包层63的内径ID为50μm，外包层63的外径OD为65μm，能够减少外包层对纤芯中光场的影响。结合光纤拉丝工艺，将符合上述参数的薄壁石英玻璃管用堆积方法制备成空芯反谐振光纤预制棒，然后将预制棒置于实验室特种光纤拉丝塔上，通过控制炉温及光纤拉丝参数，拉制出本申请的空芯反谐振光纤。
后端二向色镜7的后端设置有滤波片8。由于后端二向色镜7对残余泵浦光的反射能力有限，滤波片8可以对滤除出射的泵浦光。
本申请的掺镱光纤激光器，915nm激光泵浦源1产生915nm的激光，首先经过准直聚焦系统，之后透过前端二向色镜4耦合进入掺镱光纤5和空芯反谐振光纤6中，振荡输出的976nm激光透过后端二向色镜7，经滤波片8后输出。
与现有技术相比，本发明在掺镱光纤的后端空间耦合空芯反谐振光纤，激光不是在掺镱光纤的两端直接形成振荡，而是在掺镱光纤和空芯反谐振光纤的范围内振荡，由于1064nm波段在空芯反谐振光纤损耗大，使得1064nm波段的激光无法在掺镱光纤和空芯反谐振光纤的范围内振荡输出，从而有利于976nm波段的激光振荡输出。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种掺镱光纤激光器，其特征在于，包括泵浦系统、前端二向色镜、掺镱光纤、空芯反谐振光纤和后端二向色镜，所述泵浦系统产生聚焦的915nm激光，所述前端二向色镜设置在所述泵浦系统聚焦的光斑处，所述掺镱光纤的前端紧贴所述前端二向色镜，所述掺镱光纤的后端空间耦合所述空芯反谐振光纤，所述空芯反谐振光纤的后端紧贴所述后端二向色镜；
所述空芯反谐振光纤为同轴圆柱形结构，包括纤芯、多个包层管和外包层；所述纤芯位于所述空芯反谐振光纤的中心，所述包层管围绕所述纤芯区域的外周设置，所述外包层包覆所述多个包层管；所述包层管的壁厚为466nm。
2.根据权利要求1所述的掺镱光纤激光器，其特征在于，所述包层管为6个，所述包层管的直径d与所述纤芯的直径D之比为0.62。
3.根据权利要求2所述的掺镱光纤激光器，其特征在于，所述纤芯的直径D为30μm，所述包层管直径d为18.6μm。
4.根据权利要求2所述的掺镱光纤激光器，其特征在于，所述外包层的内径为50μm，所述外包层的外径为65μm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的掺镱光纤激光器，其特征在于，所述掺镱光纤的后端面和所述空芯反谐振光纤的前端面设置为斜面。
6.根据权利要求1-4任一项所述的掺镱光纤激光器，其特征在于，所述前端二向色镜对915nm激光具有高透过性，对976nm激光具有高反射性。
7.根据权利要求1-4任一项所述的掺镱光纤激光器，其特征在于，所述后端二向色镜对915nm激光具有高反射性，对976nm激光具有高透光性。
8.根据权利要求1-4任一项所述的掺镱光纤激光器，其特征在于，所述后端二向色镜的后端设置有滤波片。
9.根据权利要求1-4任一项所述的掺镱光纤激光器，其特征在于，所述泵浦系统包括915nm激光泵浦源和准直聚焦系统，所述准直聚焦系统设置在所述915nm激光泵浦源和所述前端二向色镜之间，所述前端二向色镜位于所述准直聚焦系统的聚焦光斑处。
10.根据权利要求9所述的掺镱光纤激光器，其特征在于，所述准直聚焦系统包括准直凸透镜和聚焦凹透镜，所述准直凸透镜将所述915nm激光泵浦源产生的激光变为平行光，所述聚焦凹透镜将所述平行光聚焦在焦点上。
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