CN117613649A - 一种频率转换光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种频率转换光纤，所述频率转换光纤包括头纤段、频率转换段光纤、尾纤段，含所述频率转换光纤的光纤激光器，上转换功率和转换效率随着基频光功率的增加而持续增加。本发明所述的频率转换光纤及含有所述频率转换光纤的激光器输出激光模式非常稳定，在不同的输出功率下，Mx 2、My 2在极小范围出现变动。本发明所述的频率转换光纤及含有所述频率转换光纤的激光器具有很强的线性效应，随着泵浦功率的增加，功放级的平均输出功率都呈现线性地增加。
Description
技术领域
本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种频率转换光纤。
背景技术
激光是20世纪以来，人类继原子能、计算机、半导体之后的又一项重大发明。1958年，A.L.肖洛和C.H.汤斯共同论述了微波放大器的设想和指出了产生激光的方法。随后1960年，T.H.梅曼等人发明了世界上第一台(红宝石)激光器。激光从一问世就获得了超乎寻常的发展速度，其不仅使古老的光学科学和光学技术焕发新生，而且导致了与激光技术相关的一系列新兴产业的不断涌现。激光及其激光技术的发展与应用，极大地促进了人类生产力的蓬勃发展，深刻地影响了人们生活的方方面面。与传统固态激光器相比，光纤激光器是将稀土离子掺杂光纤用作增益介质，具有泵浦阈值低、耦合效率高、光束质量好、热管理方便、结构紧凑、可调谐范围宽等诸多优点，一直备受科研人员的青睐，成为激光研究领域的热点。光纤激光器业已在光通信、工业加工、医疗卫生、国防军事、科学研究等应用领域大展身手，表现出大有替代目前常用的传统固体和气体激光器的趋势。
非线性频率转换技术是激光器的一个重要研究方向，其使得激光器产生的波长成倍地增长。其中，倍频技术在短波长激光的发展中有着不可替代的作用。尤其是大功率连续波(CW)绿光激光在材料加工、钛蓝宝石激光器泵浦源、光参量振荡(OPO)、全息成像、生物医学、原子冷却和捕获等领域有着广泛的应用价值。在绿光波段缺乏能够直接激射的增益介质情况下，使得基于1.0μm波段激光的二次谐波产生(SHG)绿光激光是一种非常有吸引力的方式。早在1998年，Guskov等人使用连续光纤激光和周期极化铌酸锂(PPLN)晶体获得了功率440mW的绿光输出；2009年，Samanta等人使用大功率连续单频光纤激光和掺MgO钽酸锂(LT)晶体获得了功率9.64W的532nm单频绿光输出；2014年，Stappel等人采用掺MgO钽酸锂(LT)晶体的双级结构，同样使用1091nm大功率连续单频光纤激光，获得了功率12.8W的545.5nm单频绿光输出。其中，基于窄线宽单频光纤激光和周期极化非线性晶体，使用准相位匹配方式来获得连续绿光激光输出，其有效地结合了近红外光纤激光(基频光)和单级二次谐波装置的优势，不仅具有紧凑、实用化的结构，而且具有基频光纤激光固有的线宽窄、光束质量良好等诸多优点。
现有技术如公开号为CN108199253A的中国发明专利公开了高效倍频的装置及方法，包括箱体及位于箱体内的光学组件，箱体上设有入射光进口和出射光出口，光学组件包括以光线传播方向依次放置的光束准直装置、缩束镜组和多个倍频装置；倍频装置由通水热沉或温控炉进行温度控制，相邻两倍频装置之间设有分光镜，分光镜将上一倍频装置产生的混有基频光的倍频光分为基频光和倍频光，基频光进入下一倍频装置中，所有倍频光经偏振合束方法或光纤熔接方法进行合束后从一个出射光出口输出，或所有倍频光未经合束后从多个出射光出口输出。但是该发明存在高功率固体激光倍频中由于热致双折射会造成退偏。进一步的，导致能量利用率不高和倍频晶体的损伤等问题。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种转换效率高、使用寿命长、耐热性好的频率转换光纤。
本发明所采用的技术方案为：
一种频率转换光纤，沿着光纤的长度方向包括头纤段、频率转换段和尾纤段或沿着光纤长度方向包括头纤段和频率转换段，所述频率转换段将传输激光频率转换为高频激光，或者将长波激光转换为短波激光。
作为优选，所述频率转换光纤沿着光纤的长度方向包括头纤段、频率转换段和尾纤段，所述头纤段的尾端与所述频率转换段的头端通过热熔接方式进行连接，所述频率转换段的尾端与所述尾纤段的头端通过热熔接方式进行连接，尾纤段尾端出射变频激光。
作为优选，所述频率转换光纤沿着光纤的长度方向包括头纤段、频率转换段，所述头纤段的尾端与所述频率转换段的头端通过热熔接方式进行连接频率转换段尾端出射变频激光。
作为优选，头纤段的结构包括头纤段纤芯和头纤段包层；所述头纤段纤芯的材料为石英玻璃、硼酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧卤化物玻璃中的一种或多种；所述头纤段包层的材料为石英玻璃、硼酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧卤化物玻璃中的一种或多种。
作为优选，频率转换段光纤的结构包括频率转换段纤芯和包层；所述频率转换段光纤的纤芯为具有频率转换效应的单晶纤维；
所述频率转换段光纤的包层为折射率略低于单晶纤维的玻璃材料或者晶体材料。
作为优选，所述单晶纤维为偏硼酸钡(β-BaB2O4)、三硼酸锂(LiB3O5)、磷酸二氢铵(ADP)、磷酸二氢钾(KDP)、磷酸二氘钾(DKDP)、砷酸二氘铯(DCDA)、砷酸二氢铯(CDA)、铌酸锂(LN)、铌酸钡钠、铌酸钾、α型碘酸锂、砷化镓、砷化铟、硫化锌、碲化镉、碲、硒中的一种或多种；
所述包层为单晶材料、石英玻璃、硼酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧卤化物玻璃中的一种或多种；
所述频率转换段光纤的纤芯的截面为圆形、椭圆形、或多边形；所述频率转换段光纤的包层的截面为圆环、椭圆环或多边形环；
所述频率转换段光纤的纤芯的截面面积大于或等于4平方微米。
作为优选，尾纤段的结构包括尾纤段纤芯和尾纤段包层；所述尾纤段纤芯的材料为石英玻璃、硼酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧卤化物玻璃中的一种或多种；所述尾纤段包层的材料为石英玻璃、硼酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧卤化物玻璃中的一种或多种。
作为优选，头纤段纤芯的折射率减去所述头纤段包层的折射率大于或等于10-7；所述频率转换段纤芯的折射率减去所述频率转换段包层的折射率大于或等于10-7；所述尾纤段纤芯的折射率减去所述尾纤段包层的折射率大于或等于10-7。
作为优选，头纤段包层的材料与所述频率转换段的包层材料相同或者两者的折射率差小于或等于10-6；
所述尾纤段包层的材料与所述频率转换段的包层材料相同或者两者的折射率差小于或等于10-6。
本发明还涉及含有频率转换光纤的激光器，其结构包括依次连接且同轴设置的泵浦光源、聚焦透镜、半波片、偏振分光镜、所述的频率转换光纤、镀膜二色镜和聚焦透镜。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提供一种频率转换光纤，所述频率转换光纤包括头纤段、频率转换段光纤、尾纤段，含有所述频率转换光纤的光纤激光器，SH功率和转换效率随着基频光功率的增加而持续增加，没有明显的下降趋势，转换效率极高。
(2)本发明所述的频率转换光纤，输出激光模式非常稳定，具有单横模TEM001输出；在不同的输出功率下，Mx 2、My 2在极小范围出现变动。本发明所述的频率转换光纤及含所述频率转换光纤的激光器具有很强的线性效应，随着泵浦功率的增加，功放级的平均输出功率都呈现线性地增加，光-光转换效率约为39.6％。
(3)本发明所述的频率转换光纤，即插即用，能过很好的匹配到激光器部件当中，简单方便，拆装成本极低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种频率转换光纤激光器的结构示意图；
图2为外接激光器的频率转换光纤的结构示意图。
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，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种频率转换光纤激光器，结构如图1所示，结构包括依次连接且同轴设置的泵浦光源、聚焦透镜、半波片、偏振分光镜、频率转换光纤、镀膜二色镜和聚焦透镜。
所述频率转换光纤的结构如图2所示，包括头纤段、频率转换段光纤、尾纤段；头纤段的结构包括头纤段纤芯和头纤段包层；头纤段纤芯的材料为石英玻璃；头纤段包层的材料为硼酸盐玻璃。
频率转换段光纤的结构包括频率转换段纤芯和包层；频率转换段光纤中的纤芯为具有频率转换效应的单晶纤维，单晶纤维的截面形状为圆形，包层的截面形状为圆环；作为可以选择的实施方式，所述频率转换段光纤的纤芯为具有频率转换效应的偏硼酸钡(β-BaB2O4)、三硼酸锂(LiB3O5)、磷酸二氢铵(ADP)中的一种，频率转换段光纤纤芯折射率减去包层折射率大于或等于10-7；频率转换段光纤的包层为折射率略低于单晶纤维的石英玻璃。所述频率转换段光纤的纤芯的截面面积大于或等于4平方微米。优选地，本实施例中，所述频率转换段光纤的纤芯为硼酸钡(β-BaB2O4)，频率转换段光纤纤芯折射率减去包层折射率大于10-7，所述频率转换段光纤的纤芯的截面面积大于4平方微米。
尾纤段的结构包括尾纤段纤芯和尾纤段包层，作为可以选择的实施方式，其中尾纤段纤芯的折射率减去包层的折射率大于或等于10-7。优选地，本实施例中，所述尾纤段纤芯的材料为锗酸盐玻璃，尾纤段包层的材料为30SiO2-20CdF2-15AlO1.5-10YbF3-24PbF2-ErF3的卤氧化物玻璃，尾纤段纤芯的折射率减去包层的折射率大于10-7。尾纤段包层的材料和频率转换段光纤的包层材料一致。头纤段的纤芯的尾端与频率转换段光纤的纤芯通过热熔接成为一个整体。
泵浦光源发出的基频光输出经过一个焦距10cm的聚焦透镜(Lens)准直之后，经过一个半波片，再经过一个偏振分光镜(PBS)成水平偏振光，然后耦合进入本发明所涉及频率转换光纤。然后通过两个对1064nm波长高反(反射率>99％)和对532nm波长高透(透射率>99％)的镀膜二色镜(DM)固定在非线性晶体的输出方向，用于有效地分离从非线性晶体出射的基频光和SH绿光。随后，输出SH绿光经一个焦距10cm的Lens聚焦进入功率计(PM)或其它探测器，测量其输出性能。当控制温度212.8℃左右条件下，测得SH功率和转换效率与基频光功率的关系曲线。在基频光功率22.1W时，获得了532nm绿光最高输出功率2.9W，SH转换效率约13.2％。
实施例2
本实施例提供一种频率转换光纤激光器，结构包括依次连接且同轴设置的泵浦光源、聚焦透镜、半波片、增益介质、频率转换光纤、镀膜二色镜和聚焦透镜。
所述频率转换光纤包括头纤段、频率转换段光纤、尾纤段；头纤段的结构包括头纤段纤芯和头纤段包层；头纤段纤芯的材料为石英玻璃；头纤段包层的材料为硼酸盐玻璃。
频率转换段光纤中的单晶纤维的截面形状为椭圆形、包层的截面形状为椭圆环；频率转换段光纤的结构包括频率转换段纤芯和包层；作为可以选择的实施方式，所述频率转换段光纤的纤芯为具有频率转换效应的磷酸二氢钾(KDP)、磷酸二氘钾(DKDP)、砷酸二氘铯(DCDA)、砷酸二氢铯(CDA)、铌酸锂(LN)中的一种，频率转换段光纤纤芯折射率减去包层折射率大于或等于10-7。优选地，本实施例中，所述频率转换段光纤的纤芯为砷酸二氘铯(DCDA)，频率转换段光纤纤芯折射率减去包层折射率大于10-7；频率转换段光纤的包层为折射率略低于单晶纤维的石英玻璃。
尾纤段的结构包括尾纤段纤芯和尾纤段包层，尾纤段纤芯的材料为锗酸盐玻璃。作为可以选择的实施方式，尾纤段包层的材料为磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、卤氧化物玻璃，其中尾纤纤芯折射率减去包层折射率大于或等于10-7。优选地，本实施例中，尾纤段包层的材料为30SiO2-20CdF2-15AlO1.5-10YbF3-24PbF2-ErF3的卤氧化物玻璃，其中尾纤纤芯折射率减去包层折射率大于10-7。
尾纤段包层的材料和频率转换段光纤的包层材料一致。头纤段的纤芯的尾端与频率转换段光纤的纤芯通过热熔接法贴合成为一个整体。
将本发明专利所涉及到的频率转换光纤熔接到直接购买的光纤激光器进行测试。当控制温度212.8℃左右条件下，测得SH功率和转换效率与基频光功率的关系曲线。在基频光功率25.5W时，获得了532nm绿光最高输出功率3.2W，SH转换效率约15.2％。
实施例3
本实施例提供一种频率转换光纤，结构上外接市面上采购的光纤激光器，如图2所示。所述频率转换光纤包括头纤段、频率转换段光纤、尾纤段；头纤段的结构包括头纤段纤芯和头纤段包层；头纤段纤芯的材料为石英玻璃；头纤段包层的材料为硼酸盐玻璃。
频率转换段光纤中的单晶纤维的截面形状为六边形、包层的截面形状为六边环；频率转换段光纤的结构包括频率转换段纤芯和包层；作为可以选择的实施方式，所述频率转换段光纤的纤芯为具有频率转换效应的砷酸二氢铯(CDA)铌酸锂(LN)、铌酸钡钠、铌酸钾、α型碘酸锂、砷化镓、砷化铟、硫化锌、碲化镉、碲、硒中的一种，频率转换段光纤纤芯折射率减去包层折射率大于或等于10-7；优选地，本实施例中，所述频率转换段光纤的纤芯为铌酸钡钠，频率转换段光纤纤芯折射率减去包层折射率大于10-7，频率转换段光纤的包层为折射率略低于单晶纤维的石英玻璃。
尾纤段的结构包括尾纤段纤芯和尾纤段包层，尾纤纤芯的材料为锗酸盐玻璃。尾纤包层的材料为30SiO2-20CdF2-15AlO1.5-10YbF3-24PbF2-ErF3的氧卤化物玻璃，其中尾纤纤芯折射率减去包层折射率大于10-7。尾纤段包层的材料和频率转换段光纤的包层材料，两者折射率差小于10-6。头纤段的纤芯的尾端与频率转换段光纤的纤芯，将两者端面采用热熔接法贴合在一起。
将本发明专利所涉及到的频率转换光纤熔接到直接购买的光纤激光器进行测试。当控制温度212.8℃左右条件下，测得SH功率和转换效率与基频光功率的关系曲线。在基频光功率22.1W时，获得了532nm绿光最高输出功率3.2W，SH转换效率约16.3％。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种频率转换光纤，其特征在于，所述频率转换光纤沿着光纤的长度方向包括头纤段、频率转换段和尾纤段或沿着光纤长度方向包括头纤段和频率转换段，所述频率转换段将传输激光频率转换为高频激光，或者所述频率转换段将长波激光转换为短波激光。
2.根据权利要求书1所述的频率转换光纤，其特征在于，沿着光纤的长度方向包括头纤段、频率转换段和尾纤段，所述头纤段的尾端与所述频率转换段的头端通过热熔接方式进行连接，所述频率转换段的尾端与所述尾纤段的头端通过热熔接方式进行连接，所述尾纤段的尾端出射变频激光。
3.根据权利要求书1所述的频率转换光纤，其特征在于，沿着光纤的长度方向包括头纤段、频率转换段，所述头纤段的尾端与所述频率转换段的头端通过热熔接方式进行连接；
所述频率转换段的尾端出射变频激光。
4.根据权利要求1-3任一项所述的频率转换光纤，其特征在于，所述头纤段的结构包括头纤段纤芯和头纤段包层；
所述头纤段纤芯的材料为石英玻璃、硼酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧卤化物玻璃中的一种或多种；所述头纤段包层的材料为石英玻璃、硼酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧卤化物玻璃中的一种或多种。
5.根据权利要求1-3任一项所述的频率转换光纤，其特征在于，所述频率转换段光纤的结构包括频率转换段纤芯和包层；
所述频率转换段光纤的纤芯为具有频率转换效应的单晶纤维；
所述频率转换段光纤的包层为折射率略低于单晶纤维的玻璃材料或者晶体材料。
6.根据权利要求5所述的频率转换光纤，其特征在于，所述单晶纤维为偏硼酸钡(β-BaB2O4)、三硼酸锂(LiB3O5)、磷酸二氢铵(ADP)、磷酸二氢钾(KDP)、磷酸二氘钾(DKDP)、砷酸二氘铯(DCDA)、砷酸二氢铯(CDA)、铌酸锂(LN)、铌酸钡钠、铌酸钾、α型碘酸锂、砷化镓、砷化铟、硫化锌、碲化镉、碲、硒中的一种或多种；
所述包层为单晶材料、石英玻璃、硼酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧卤化物玻璃中的一种或多种；
所述频率转换段光纤的纤芯的截面为圆形、椭圆形或多边形；所述频率转换段光纤的包层的截面为圆环、椭圆环或多边形环；
所述频率转换段光纤的纤芯的截面面积大于或等于4平方微米。
7.根据权利要求1-2任一项所述的频率转换光纤，其特征在于，所述尾纤段的结构包括尾纤段纤芯和尾纤段包层；
所述尾纤段纤芯的材料为石英玻璃、硼酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧卤化物玻璃中的一种或多种；
所述尾纤段包层的材料为石英玻璃、硼酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧卤化物玻璃中的一种或多种。
8.根据权利要求5所述的频率转换光纤，其特征在于，所述头纤段纤芯的折射率减去所述头纤段包层的折射率大于或等于10-7；
所述频率转换段纤芯的折射率减去所述频率转换段包层的折射率大于或等于10-7；
所述尾纤段纤芯的折射率减去所述尾纤段包层的折射率大于或等于10-7。
9.根据权利要求5所述的频率转换光纤，其特征在于，所述头纤段包层的材料与所述频率转换段的包层材料相同或者两者的折射率差小于或等于10-6；
所述尾纤段包层的材料与所述频率转换段的包层材料相同或者两者的折射率差小于或等于10-6。
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