CN1284013C - 外包层为泵浦光波导的双包层光纤的光源侧边耦合方法 - Google Patents

外包层为泵浦光波导的双包层光纤的光源侧边耦合方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于外包层为泵浦光波导的双包层光纤激光器、光纤放大器的高效光纤侧边泵浦耦合方法。本发明将一颗连续的外包层为泵浦光波导的双包层光纤，往复缠绕(如盘绕成螺线管型、或绕8字盘绕成双螺线管型、或绕成圆盘型)，并使双包层光纤在某一区域紧密排成一列，并把这一区域用与外包层相同的材料涂成一完整表面；将泵浦光耦合镜与上述表面完全光学接触；LD发出的光被柱面镜汇聚后，射向耦合镜，从而耦合进双包层光纤的外包层，之后泵浦光就被约束在外包层内传播，最终全部被光纤芯材料吸收，产生激光辐射。发明可以简单的采用LD阵列直接侧面泵浦，能获得经济型的高功率泵浦结构。

Description

外包层为泵浦光波导的双包层光纤的光源侧边耦合方法
【技术领域】：本发明涉及一种适用于外包层为泵浦光波导的双包层光纤激光器、光纤放大器的高效光纤侧边泵浦耦合方法，它能够有效地将激光二极管(LD)阵列输出的泵浦光从光纤侧边耦合进光纤中，用于制造高效大功率输出的光纤激光器和光纤放大器。
【背景技术】：在光纤激光器和光纤放大器中，其中一个关键技术就是如何高效地把泵浦光耦合进光纤中。双包层光纤泵浦方式分为两大类，一是光纤端面泵浦，即是利用光学元件或光纤将泵浦光源从双包层光纤端面直接耦合进去，传统的双包层光纤主要是用于端面泵浦，其侧边高功率泵浦时，要达到高效泵浦，技术上实现的难度变大。
二是双包层光纤侧边泵浦，即是将泵浦光源从双包层光纤侧边直接耦合进去。双包层光纤侧边耦合技术具有如下优点：1、空出光纤两端面供其它用途；2、可进行分段泵浦，使泵浦更均匀。目前，双包层光纤侧边耦合方法采用的主要是，先把泵浦光源耦合进多模光纤中，然后再从双包层光纤侧边耦合，参见在先技术[中国专利03128067.6泵浦光源的光纤侧边耦合方法]。此法的不足是需先把泵浦光源耦合进多模光纤中这一中间环节，存在这一中间损耗，并且廉价的LD阵列发出的光很难高效汇聚到多模光纤中。
或是将圆柱形排布的双包层光纤沿某一切线将保护层去除作为泵浦窗口，从双包层光纤侧边直接耦合进去，参见在先技术[中国专利02136855.4圆形排布的双包层光纤激光器]，虽然其紧密排布，但是由于保护层的存在，作为泵浦光波导的内包层还是间隔排布，因此很难实现高效耦合。
【发明内容】：本发明为解决普通双包层光纤侧边直接耦合时，耦合效率和实现成本之间的矛盾问题，以获得高效低成本的光纤激光器和光纤放大器的光纤侧边耦合方法。
本发明方法1按以下步骤实现：
——选择外包层为泵浦光波导的双包层光纤，即该光纤仅由光纤芯、内包层、外包层构成，外包层为非圆形聚合物材料构成，并兼做保护层的部分作用；
——将上述双包层光纤往复缠绕，并使双包层光纤在某一区域紧密排成一列，并把这一区域用与外包层相同的材料涂成一完整表面；
——将泵浦光耦合棱镜与上述完整表面完全光学接触；
——激光二极管阵列发出的泵浦光被柱面镜汇聚后，先射入光纤，通过光纤后再射入泵浦光耦合棱镜，然后反射进入双包层光纤的外包层，之后泵浦光就被约束在外包层内传播，最终全部被光纤芯材料吸收，产生激光辐射；激光辐射光被约束在光纤芯内传播，在有光学谐振腔存在时，即可产生激光振荡。
本发明方法2按以下步骤实现：：
——选择外包层为泵浦光波导的双包层光纤，即该光纤仅由光纤芯、内包层、外包层构成，外包层为非圆形聚合物材料构成，并兼做保护层的部分作用；
——将上述双包层光纤往复缠绕，并使双包层光纤在某一区域紧密排成一列，并把这一区域用与外包层相同的材料涂成一完整表面；
——将泵浦光耦合棱镜与上述完整表面完全光学接触；
——激光二极管阵列发出的泵浦光被柱面镜汇聚后，直接射入泵浦光耦合棱镜，然后折射进入双包层光纤的外包层；之后泵浦光就被约束在外包层内传播，最终全部被光纤芯材料吸收，产生激光辐射；激光辐射光被约束在光纤芯内传播，在有光学谐振腔存在时，即可产生激光振荡。
本发明方法3按以下步骤实现：：
——选择外包层为泵浦光波导的双包层光纤，即该光纤仅由光纤芯、内包层、外包层构成，外包层为非圆形聚合物材料构成，并兼做保护层的部分作用；
——将上述双包层光纤往复缠绕，并使双包层光纤在某一区域紧密排成一列，并把这一区域用与外包层相同的材料涂成一完整表面；
——将泵浦光柱面耦合镜与上述完整表面完全光学接触；
——激光二极管阵列发出的泵浦光先射入光纤，通过光纤后再射入泵浦光柱面耦合镜，然后反射进入双包层光纤的外包层，之后泵浦光就被约束在外包层内传播，最终全部被光纤芯材料吸收，产生激光辐射；激光辐射光被约束在光纤芯内传播，在有光学谐振腔存在时，即可产生激光振荡。
所说的完全光学接触是指与耦合棱镜接触的一面，应是一个完整的平整表面，或被涂成一完整的平整表面。所说的泵浦光耦合棱镜，其折射率应不小于双包层光纤的外包层材料的折射率，其底面与光纤平整表面紧密接触。
本发明采用外包层为泵浦光波导的双包层光纤作为激光光纤。该光纤只有光纤芯、内包层和外包层三部分，没有普通光纤的保护层，而由外包层兼做保护层的部分功能，同时外包层的外表面为泵浦光波导的界面，其截面可以是以下任何一种非圆形：矩形、圆角矩形、八边形即由矩形削去四个角后的剩余形、圆饼形即中部为矩形或方形两端为部分圆形的组合形、D形、圆形削去二个少半圆后的剩余形。
光纤芯为石英、玻璃和晶体等无机光学材料掺杂激光激活物质制成。内包层是由与纤芯基体材料可匹配熔接的无机光学材料构成，内包层截面为圆形。其中，外包层折射率最小，内包层的折射率等于或稍微大于外包层的折射率，光纤芯的折射率最大。内包层和外包层同为泵浦光通道、共同完成泵浦光的传输与向纤芯耦合。
本发明的优点和积极效果：外包层为泵浦光波导的双包层光纤紧密排列时，可得到一个无间隙的波导阵列，所以很容易把所有泵浦光都输入到光纤的包层中，因此本发明可以简单的采用LD阵列直接侧面泵浦，省去了先把泵浦光源耦合进多模光纤中这一中间环节，没有了这一中间损耗。能获得更高的电光转换效率。能获得经济型的高功率泵浦结构。能将更高功率光源耦合到双包层光纤中。得到高转换效率的经济型结构的高功率光纤激光器和光纤放大器。
【附图说明】：
图1A至B，是本发明实施例示意图；
图2A至C，是本发明图1A至B中的局部放大示意图系列。
【具体实施方式】：
实施例1：
如图1所示，将外包层为泵浦光波导的双包层光纤1，盘绕成螺线管型(图1B)、或绕8字盘绕成双螺线管型(图1A)，在8字形两圆交汇区域，把光纤紧密排成一列，并用与外包层相同的材料涂成一完整平面；光纤的其他地方为互相之间不接触的间隔排列，把其外面充满折射率比外包层的折射率低的第四介质，如空气和水等，从而保证双包层光纤的外包层的外表面为泵浦光通道的全反射界面。将泵浦光耦合棱镜24(图2B、C)或柱面耦合镜(图2A)与上述平面完全光学接触；LD阵列泵浦光源28发出的光被柱面镜26汇聚后，从耦合棱镜或柱面耦合镜的相对光纤另一侧方向(图2A、B)射向耦合棱镜或柱面耦合镜，或从耦合棱镜同侧(图2C)射向耦合棱镜，从而耦合进双包层光纤的外包层，之后泵浦光就被约束在外包层内传播，最终全部被光纤芯材料吸收，产生激光辐射；激光辐射光被约束在光纤芯内传播，在有光学谐振腔存在时，即可产生激光振荡。
如图2A所示，外包层为泵浦光波导的双包层光纤，包括光纤芯10、内包层12、外包层14。光纤芯10由磷酸盐玻璃材料掺杂激光激活物质Nd+3构成，其折射率最大，为圆形截面，直径为6-90微米。内包层12是由与纤芯基体材料可匹配熔接的无机材料构成，为圆形截面，直径为60-600微米，内包层的折射率等于或稍微大于外包层的折射率。外包层14截面可以是矩形(如图2A)、圆角矩形、八边形即由矩形削去四个角后的剩余形、圆饼形即中部为矩形或方形两端为部分圆形的组合形、D形、圆形削去二个少半圆后的剩余形等非圆形。外包层和内包层同为泵浦光通道，外包层采用聚合物光学材料，外包层也是双包层光纤的最外层，对内包层玻璃等材料有保护裂纹产生的作用。外包层的外面为低折射率介质(如空气、水等)。24为柱面耦合镜，其底面与光纤列紧密接触，28为LD阵列泵浦光源，波长为0.8微米。28发射的泵浦光，由柱面耦合镜24反射进双包层光纤中，并在外包层和内包层组成的泵浦光通道中传播，最终全部被光纤芯10吸收，产生1.06微米的激光辐射。
实施例2：
如图2B所示，1为外包层为泵浦光波导的掺钕双包层光纤，24为耦合棱镜，材料与双包层光纤的外包层材料相同，其底面与光纤列紧密接触，26为柱面透镜，28为LD阵列泵浦光源，波长为0.8微米。28发射的泵浦光，经柱面透镜26汇聚后射向耦合棱镜24，然后反射进双包层光纤中，并在外包层和内包层组成的泵浦光通道中传播，最终全部被光纤芯10吸收，产生1.06微米的激光辐射。
实施例3：
如图2C所示，1为外包层为泵浦光波导的掺钕双包层光纤，24为耦合棱镜，其材料折射率不小于双包层光纤的外包层材料的折射率，其底面与光纤列紧密接触，26为柱面透镜，28为LD阵列泵浦光源，波长为0.8微米。28发射的泵浦光，经柱面透镜26汇聚后射向耦合棱镜24，然后折射进双包层光纤中，并在外包层和内包层组成的泵浦光通道中传播，最终全部被光纤芯10吸收，产生1.06微米的激光辐射。

Claims (5)

1、一种外包层为泵浦光波导的双包层光纤的光源侧边耦合方法，其特征是该方法按以下步骤实现：
——选择外包层为泵浦光波导的双包层光纤，即该光纤仅由光纤芯、内包层、外包层构成，外包层为非圆形聚合物材料构成，并兼做保护层的部分作用；
——将上述双包层光纤往复缠绕，并使双包层光纤在某一区域紧密排成一列，并把这一区域用与外包层相同的材料涂成一完整表面；
——将泵浦光耦合棱镜与上述完整表面完全光学接触；
——激光二极管阵列发出的泵浦光被柱面镜汇聚后，先射入光纤，通过光纤后再射入泵浦光耦合棱镜，然后反射进入双包层光纤的外包层，之后泵浦光就被约束在外包层内传播，最终全部被光纤芯材料吸收，产生激光辐射；激光辐射光被约束在光纤芯内传播，在有光学谐振腔存在时，即可产生激光振荡。
2、一种外包层为泵浦光波导的双包层光纤的光源侧边耦合方法，其特征是该方法按以下步骤实现：
——选择外包层为泵浦光波导的双包层光纤，即该光纤仅由光纤芯、内包层、外包层构成，外包层为非圆形聚合物材料构成，并兼做保护层的部分作用；
——将上述双包层光纤往复缠绕，并使双包层光纤在某一区域紧密排成一列，并把这一区域用与外包层相同的材料涂成一完整表面；
——将泵浦光耦合棱镜与上述完整表面完全光学接触；
——激光二极管阵列发出的泵浦光被柱面镜汇聚后，直接射入泵浦光耦合棱镜，然后折射进入双包层光纤的外包层；之后泵浦光就被约束在外包层内传播，最终全部被光纤芯材料吸收，产生激光辐射；激光辐射光被约束在光纤芯内传播，在有光学谐振腔存在时，即可产生激光振荡。
3、一种外包层为泵浦光波导的双包层光纤的光源侧边耦合方法，其特征是该方法按以下步骤实现：
——选择外包层为泵浦光波导的双包层光纤，即该光纤仅由光纤芯、内包层、外包层构成，外包层为非圆形聚合物材料构成，并兼做保护层的部分作用；
——将上述双包层光纤往复缠绕，并使双包层光纤在某一区域紧密排成一列，并把这一区域用与外包层相同的材料涂成一完整表面；
——将泵浦光柱面耦合镜与上述完整表面完全光学接触；
——激光二极管阵列发出的泵浦光先射入光纤，通过光纤后再射入泵浦光柱面耦合镜，然后反射进入双包层光纤的外包层，之后泵浦光就被约束在外包层内传播，最终全部被光纤芯材料吸收，产生激光辐射；激光辐射光被约束在光纤芯内传播，在有光学谐振腔存在时，即可产生激光振荡。
4、根据权利要求1或2或3所述的外包层为泵浦光波导的双包层光纤的光源侧边耦合方法，其特征是所述的双包层光纤外包层的截面是以下任何一种非圆形：矩形、圆角矩形、八边形即由矩形削去四个角后的剩余形、圆饼形即中部为矩形或方形两端为部分圆形的组合形、D形、圆形削去二个少半圆后的剩余形。
5、根据权利要求1或2或3所述的外包层为泵浦光波导的双包层光纤的光源侧边耦合方法，其特征是泵浦光耦合棱镜或柱面耦合镜的材料折射率不小于双包层光纤的外包层材料的折射率，其底面与光纤的上述完整表面紧密接触。
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