CN1186862C - 双包层光纤腔内倍频激光器 - Google Patents
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Abstract
一种双包层光纤腔内倍频激光器，其构成包括半导体激光器电源、半导体激光器、输入耦合系统、第一光纤系统、倍频系统、第二光纤系统和输出耦合透镜，所述的第一光纤系统、第二光纤系统和倍频系统组成一个标准的F-P谐振腔，该半导体激光器输出的激光束通过耦合系统整形后入射到第一光纤系统，在第一光纤系统、倍频系统和第二光纤系统组成谐振腔中形成激光振荡，并在倍频系统中实现腔内倍频，通过输出耦合透镜输出。本发明的双包层光纤腔内倍频激光器融合了双包层光纤结构紧凑、输出功率高、电光转换效率高、光束质量好的优点，同时克服了光纤激光器腔外倍频转换效率低的不足，能够获得高能量，高质量的倍频激光输出。
Description
技术领域：
本发明涉及双包层光纤激光器，特别是一种将倍频晶体置于两段有源双包层光纤之间，构成一种高效的双包层光纤腔内倍频激光器。
背景技术：
近年来光纤激光器得到了突飞猛进的发展，特别是双包层光纤激光器。双包层光纤激光器结构紧凑、外形轻巧、工作稳定、输出光束质量好和易实现高功率的特点吸引了人们的注意。但是其输出波长的单一化，限制了其广泛应用，因此需要提出一种频率变换技术，来实现新波长的输出。现有技术中，光纤激光器的倍频都是采用腔外倍频技术[S.A.Guskov，Electronics Letters Vol.34 No.14(1998)，1419]，[S.V.Popov，Optics Communications 174(2000)，231]，这种方法虽然能实现倍频光输出，但其转换效率低、不易实现高功率，不容易实现激光器一体化。该技术对脉冲激光比较适用，而对于连续激光则受到了很大的限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术腔外倍频的不足，提供一种双包层光纤腔内倍频激光器，使之较容易地实现高功率，高转换效率和一体化，不仅可对脉冲激光倍频，还能实现连续激光的倍频。
本发明的技术解决方案如下：
一种双包层光纤腔内倍频激光器，其构成包括半导体激光器电源、半导体激光器、输入耦合系统、第一光纤系统、倍频系统、第二光纤系统和输出耦合透镜，其位置关系是：所述的第一光纤系统、第二光纤系统和倍频系统组成一个标准的F-P谐振腔，该半导体激光器输出的激光束通过耦合系统整形后入射到第一光纤系统，在第一光纤系统、倍频系统和光纤系统组成谐振腔中形成激光振荡，并在倍频系统中实现腔内倍频，通过输出耦合透镜输出。
所述的半导体激光器的泵光波长应与第一、第二双包层光纤的纤芯材料的吸收波长相匹配。
所述的输入耦合系统是一个非球面透镜组。
所述的第一光纤系统由第一双色片、第一光纤插针和第一双包层光纤构成，该第一双色片是一种对半导体激光器的输出波长高透而对基频光波长高反的镜片。
所述的倍频系统由第三、第四两光纤插针、第一、第二自聚焦透镜及倍频晶体构成，该第三光纤插针的右端面、第四光纤插针的左端面、第一自聚焦透镜的左端面和第二自聚焦透镜的右端面都具有8度的倾斜角，第三光纤插针和第一自聚焦透镜紧密粘合在一起，第四光纤插针和第二自聚焦透镜紧密粘合在一起。
所述的第二光纤系统由第二双包层光纤、第二光纤插针和第二双色片构成，第二双包层光纤的特性和第一双包层光纤一样，但其长度比第一双包层光纤短，该双色片是对基频光高反，对倍频光高透的镜片。
所述的输出耦合镜是单个非球透镜或显微镜用物镜。
所述的第一光纤系统的第一双包层光纤的纤芯材料是激光工作物质，是掺杂稀土离子的晶体或玻璃，内包层的横截面外形是矩形，或是正方形，或是其它多边形。
所述的倍频系统的倍频晶体是具有匹配角和基频光波长相匹配的非线性晶体，可以是KTP、CLBO、BBO，也可以是采用准相位匹配技术的PPLN或PPKTP晶体，该倍频晶体左端面镀有对半导体激光器输出激光高透，对基频光高透和对倍频光高反的介质膜，右端面镀有对半导体激光器输出激光、基频光和倍频光的增透膜。
本发明的技术效果：
双包层光纤倍频激光器由于采用了双包层光纤激光器技术，因此具有电光转换效率高、光束质量好、易实现高功率输出等特点。发明中采用了腔内倍频技术，倍频转换效率高，对脉冲激光和连续激光都能实现倍频输出，弥补了光纤激光器腔外倍频的不足。在光纤和倍频系统耦合中，采用了成熟的光纤插针和自聚焦透镜耦合技术，耦合损耗较小，进一步提高了激光器的转换效率。本发明首先提出了双包层光纤激光器的腔内倍频技术，所有的器件都能很容易的组装在一起，可实现一体化，因此具有结构紧凑、体积小、工作稳定的特点，便于在各种工作环境中使用。
附图说明：
图1为本发明的双包层光纤倍频激光器的结构示意图
具体实施方式
请参阅图1，图1是本发明的双包层光纤倍频激光器最佳实施例的结构示意图，由图可见，本发明双包层光纤腔内倍频激光器，其特点是它由半导体激光器电源1、半导体激光器2、输入耦合系统15、第一光纤系统16、倍频系统17、第二光纤系统18和输出耦合透镜9构成，其位置关系是：所述的第一光纤系统16、第二光纤系统18和倍频系统17组成一个标准的F-P谐振腔，该半导体激光器2输出的激光束通过耦合系统15整形后入射到第一光纤系统16，在第一光纤系统16、倍频系统17和过耦合系统15整形后入射到第一光纤系统16，在第一光纤系统16、倍频系统17和第二光纤系统18组成谐振腔中形成激光振荡，并在倍频系统17中实现腔内倍频，通过输出耦合透镜9输出。
所述的半导体激光器2是输出中心波长975nm，输出功率连续可调，最大输出功率30W的商用半导体激光器。光波长与第一双包层光纤4、第二双包层光纤7的纤芯材料的吸收波长相匹配。
所述的输入耦合系统15是一个非球面透镜组。
所述的第一光纤系统16包括第一双色片3、第一光纤插针14和第一双包层光纤4构成，该第一双色片3是一种对半导体激光器2输出波长高透而对基频光波长高反的镜片，即第一双色片3是对975nm高透(透射率＞95％)，1110nm高反(反射率＞99％)的镜片。
所述的倍频系统17由第三光纤插针13和第四光纤插针11、第一自聚焦透镜5和第二自聚焦透镜6，及倍频晶体12构成，该第三光纤插针13右端面、第四光纤插针11左端面、第一自聚焦透镜5左端面和第二自聚焦透镜6右端面都具有8度的倾斜角，第三光纤插针13和第一自聚焦透镜5紧密粘合在一起，第四光纤插针11和第二自聚焦透镜6紧密粘合在一起。
所述的第二光纤系统18由第二双包层光纤7、第二光纤插针10和第二双色片8构成，第二双包层光纤7的特性和第一双包层光纤4一样，但其长度比第一双包层光纤4短，第二双色片8是对基频光高反，对倍频光高透的镜片，在本实施例中，该第二双色片8是975nm高反(反射率＞98％)、1110nm高反(反射率＞99％)，550nm高透(透射率＞96％)的镜片。
所述的输出耦合镜9为单个非球透镜或显微镜用物镜。
所述的第一光纤系统16的第一双包层光纤4的纤芯材料是激光工作物质，是掺杂稀土离子的晶体或是玻璃，内包层的横截面外形是矩形，或是正方形，或是其它多边形。在本实施例中，纤芯材料是掺杂Yb3+离子的石英玻璃，波长的吸收峰在915nm和975nm。双包层光纤长纤芯直径9μm，内包层的横截面为330×170μm，外包层横截面为350×190μm。第一双包层光纤4长40m，第二双包层光纤7长10m。输出耦合透镜为焦距7mm的非球面透镜。
所述的倍频系统17的倍频晶体12是具有匹配角和基频光波长相匹配的非线性晶体，可以是KTP、CLBO、BBO，也可以是采用准相位匹配技术的PPLN或PPKTP晶体，该倍频晶体12左端面镀有对半导体激光器2输出激光高透，对基频光高透和对倍频光高反的介质膜，右端面镀有对半导体激光器2输出激光、基频光和倍频光的增透膜。在本实施例中，倍频晶体12采用4×4×5mm的KTP晶体，晶体采用对1110nm波长的II类匹配方式，左端面镀1110nm高透，975nm高透和550nm高反的介质膜，右端面镀1110nm，975nm，550nm高透的介质膜。
半导体激光器2输出的激光通过耦合系统15整形，其焦斑大小和数值孔镜分别与双包层光纤的纤芯大小和数值孔径相当，然后进入F-P腔形成激光振荡，产生激光，再通过倍频晶体产生倍频激光输出。本实施例的双包层光纤倍频激光器输出为TEM00模的倍频激光束，有良好的光束质量。
Claims (9)
1.一种双包层光纤腔内倍频激光器，其特征在于包括半导体激光器电源(1)、半导体激光器(2)、输入耦合系统(15)、第一光纤系统(16)、倍频系统(17)、第二光纤系统(18)和输出耦合透镜(9)，其位置关系是：所述的第一光纤系统(16)、第二光纤系统(18)和倍频系统(17)组成一个标准的F-P谐振腔，该半导体激光器(2)输出的激光束通过耦合系统(15)整形后入射到第一光纤系统(16)，在第一光纤系统(16)、倍频系统(17)和第二光纤系统(18)组成谐振腔中形成激光振荡，并在倍频系统(17)中实现腔内倍频，通过输出耦合透镜(9)输出。
2.根据权利要求1所述的双包层光纤腔内倍频激光器，其特征在于所述的半导体激光器(2)的泵光波长应与第一双包层光纤(4)和第二双包层光纤(7)纤芯材料的吸收波长相匹配。
3.根据权利要求1所述的双包层光纤腔内倍频激光器，其特征在于所述的输入耦合系统(15)是一个非球面透镜组。
4.根据权利要求1所述的双包层光纤腔内倍频激光器，其特征在于所述的第一光纤系统(16)包括第一双色片(3)、第一光纤插针(14)和第一双包层光纤(4)构成，该第一双色片(3)是一种对半导体激光器(2)输出波长高透而对基频光波长高反的镜片。
5.根据权利要求1所述的双包层光纤倍频激光器，其特征在于所述的倍频系统(17)由第三光纤插针(13)和第四光纤插针(11)、第一自聚焦透镜(5)和第二自聚焦透镜(6)，及倍频晶体(12)构成，该第三光纤插针(13)右端面、第四光纤插针(11)左端面、第一自聚焦透镜(5)左端面和第二自聚焦透镜(6)右端面都具有8度的倾斜角，第三光纤插针(13)和第一自聚焦透镜(5)紧密粘合在一起，第四光纤插针(11)和第二自聚焦透镜(6)紧密粘合在一起。
6.根据权利要求1所述的双包层光纤倍频激光器，其特征在于所述的第二光纤系统(18)由第二双包层光纤(7)、第二光纤插针(10)和第二双色片(8)构成，第二双包层光纤(7)的特性和第一双包层光纤(4)一样，但其长度比第一双包层光纤(4)短，第二双色片(8)是对基频光高反，对倍频光高透的镜片。
7.根据权利要求1所述的双包层光纤倍频激光器，其特征在于所述的输出耦合镜(9)为单个非球透镜或显微镜用物镜。
8.根据权利要求4所述的双包层光纤倍频激光器，其特征在于所述的第一光纤系统(16)的第一双包层光纤(4)的纤芯材料是激光工作物质，是掺杂稀土离子的晶体或是玻璃，内包层的横截面外形是矩形，或是正方形，或是其它多边形。
9.根据权利要求5所述的双包层光纤倍频激光器，其特征在于所述的倍频系统(17)的倍频晶体(12)是具有匹配角和基频光波长相匹配的非线性晶体，可以是KTP、CLBO、BBO，也可以是采用准相位匹配技术的PPLN或PPKTP晶体，该倍频晶体(12)左端面镀有对半导体激光器(2)输出激光高透，对基频光高透和对倍频光高反的介质膜，右端面镀有对半导体激光器(2)输出激光、基频光和倍频光的增透膜。
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