CN1521906A - 具有对称曲面反射镜的包层泵浦光纤激光器和光纤放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有对称曲面反射镜的包层泵浦光纤激光器和光纤放大器，在双包层光纤两端有对称曲面反射镜，其表面镀全反射金膜或介质膜、或对泵浦光增反和对信号光增透的双色介质膜。对称曲面反射镜为球面反射镜、双球面反射镜、抛物线形曲面反射镜或同时包含有内球面和外环上的抛物面。本发明可以改变泵浦光线的传输模式，促进螺旋光线转变成子午光线而被纤芯吸收，有效地提高泵浦效率，减小双包层光纤长度，消除寄生激光波长的产生，提高激光器和放大器的稳定性。同时，使输出光束在输出端面上的光斑直径增加一个数量级，从而降低输出端面上的能量密度达两个数量级，保护输出端面不会被烧坏。

Description

具有对称曲面反射镜的包层泵浦光纤激光器和光纤放大器

技术领域

本发明涉及一种具有对称曲面反射镜的包层泵浦光纤激光器和光纤放大器，该类激光器和放大器可被用于激光工业加工、光纤通信、测试仪器、医疗设备和科学研究等领域。

技术背景

双包层光纤是一种具有一个纤芯，两个包层(内包层和外包层)的特殊光纤；其纤芯很细(通常5-10微米)，其中掺有有源介质，如Er、Yb、Pr、Nd或其它稀土元素；内包层是直径较大(通常＞100微米)的多模光纤；外包层对光纤起保护作用，并对内包层中的光能量进行有效地限制，但其本身不传输光能量。在双包层光纤激光器和放大器中，信号光(激光或放大的光信号)在纤芯中以单模方式传输，而泵浦光在内包层中以多模方式传输。采用双包层有源光纤的激光器和放大器能够产生较大的功率(或能量)输出，这是因为泵浦光源(通常是大功率多模半导体激光器或半导体激光器阵列)的功率可以相对容易地耦合进较大芯径的内包层。然而，能够高效率地产生较大输出功率(或能量)的先决条件是这些耦合进内包层的泵浦光功率能有效地被有源纤芯吸收。

在内包层中以多模方式传输的泵浦光包含有相当大数量的光传输模式，每一个模式沿着一特定的光线轨迹传输。这些光线分为子午光线和螺旋光线，子午光线与光纤轴相交或平行；而螺旋光线既不与光纤轴相交，也不于光纤轴平行，呈螺旋状绕着光纤轴前进。当某一特定的泵浦光线在其传输过程中与有源纤芯相交时，其功率就能够被有源纤芯部分吸收；如果光纤的长度足够长，多次相交的结果就使得该泵浦光线所携带的泵浦光功率逐渐转移到有源纤芯。但是，只有子午光线所携带的能量才能被吸收，螺旋光线所携带的能量不能被吸收。这些螺旋光线代表着内包层中的局部传输模式，相当一部分局部模式的存在，大大限制了光纤激光器和光纤放大器的光-光转换效率。

为了使有源纤芯能够有效地吸收内包层中的泵浦光功率，解决的办法是制造各种特殊的双包层光纤，早期的办法是将有源纤芯置于偏离中心的位置(见美国专利#4815079)；近年来出现的办法是使得内包层截面具有各种不同的形状，如星状(见美国专利#5966491)，D形状(见美国专利#5864645)等。这些特殊形状的双包层光纤的共同特点就是：内包层界面的对称性被打破，使其能够转变相当一部分的螺旋光线成为子午光线而被有源纤芯吸收。只要光纤具有足够的长度，泵浦光功率的吸收率可达90％。但存在的问题是这些光纤的制造程序较为复杂，需要较长的有源光纤才能有效地吸收泵浦光功率，而且即使有源光纤足够长，通常仍有10％左右的泵浦光功率不能被有源纤芯吸收。

此外，在现行的包层泵浦光纤激光器和放大器中，输入端面经过解理或研磨、抛光制成后通常直接暴露于空气中、或者光纤端面上直接镀有透射激光波长或放大信号波长的增透膜、或者端面上利用胶粘工艺加上平面双色片。因为该类激光器或放大器通常有几瓦甚至近百瓦的功率输出，而输出端面上的纤芯仅有几微米的直径，端面上的功率密度(或能量密度)非常高，任何加工缺陷或杂物都会造成端面被高温烧坏，使得光纤激光器或放大器报废。

发明内容

本发明的目的是通过在双包层光纤的两端加对称曲面镜，其表面镀有全反射金膜或全反射介质膜、或镀有对泵浦光增反和对信号光增透的双色介质膜。对称曲面镜能反射泵浦光功率而将其完全限制在内包层内，使其回到双包层光纤被重复利用，因而较短的有源光纤也能充分地吸收泵浦光功率；更重要的是对称曲面镜能够通过反射改变泵浦光线的传输模式，促进螺旋光线转变成子午光线而被有源纤芯吸收，所以有效地提高泵浦效率。

本发明的另一目的是通过在双包层光纤的端面融接上对称曲面反射镜，使得输出光束在输出端面上的光斑直径增加一个数量级，从而相应地降低输出端面上的能量密度达两个数量级，保护输出端面不会被烧坏。

本发明的另一目的是通过在双包层光纤的两端加对称曲面镜，提供一个附加的改善光纤激光器和放大器性能(如功率稳定性、效率等)的有效途经。例如，对称曲面反射镜的使用能有效地提高泵浦效率，因而缩短所需有源光纤的长度，有助于消除寄生激光波长的产生。

本发明的技术方案：本发明的具有对称曲面反射镜的包层泵浦光纤激光器和光纤放大器主要包括泵浦源、双包层光纤及其输入、输出端，在双包层光纤两端有对称曲面反射镜，曲面反射镜表面镀全反射金膜或全反射介质膜、或对泵浦光增反和对信号光增透的双色介质膜。

所述的光纤激光器和光纤放大器，其对称曲面反射镜为球面反射镜。

所述的光纤激光器和光纤放大器，其双包层有源光纤的端面离球面镜顶点的距离为R/2，这里球面镜半径R＝2b/tgα，其中2b为内包层直径，α为内包层最大发散角。

所述的光纤激光器和光纤放大器，其对称曲面反射镜为双球面反射镜，双球面反射镜由内球面和外环球面组合而成，双包层有源光纤端面离外环球面镜半径顶点的距离为B/2，这里外环球面的半径B＝2b/tgα，内球面的半径A＝B/2，即纤芯正好位于内球面的球心。

所述的光纤激光器和光纤放大器，其对称曲面反射镜为抛物线形曲面反射镜，双包层有源光纤端面位于抛物线形曲面反射镜的焦点处。

所述的光纤激光器和光纤放大器，该曲面反射镜同时包含有内球面和外环上的抛物面，镀有对泵浦光增反和对信号光增透的双色介质膜，选择光纤端面位于内球面的球心与该曲面反射镜的顶点的位置0之中间。

所述的光纤激光器，采用侧向泵浦，以光纤耦合输出的半导体激光二极管或二极管阵列为泵浦源，激光腔由双包层光纤和两端纤芯中的布拉格光栅、位于双包层光纤两端的球面反射镜构成，输出端的球面反射镜镀有双色介质膜，而另一端的球面反射镜镀有双色介质膜、全反射金膜或全反射介质膜。

所述的光纤激光器，采用侧向泵浦，以光纤耦合输出的半导体激光二极管或二极管阵列为泵浦源，激光腔包括双包层光纤、输入端纤芯中的光纤布拉格光栅、输出端的双球面反射镜和输入端的球面反射镜构成，输出端的双球面反射镜是镀有双色介质膜的双球面反射镜，输入端的球面反射镜镀有双色介质膜、全反射金膜或全反射介质膜。

所述的光纤放大器，采用侧向泵浦，以光纤耦合输出的半导体激光二极管或二极管阵列为泵浦源，放大区域由双包层光纤、双包层光纤两端的球面反射镜构成，球面反射镜均镀有对泵浦光增反和对信号光增透的双色介质膜，两端有耦合信号光的光学组件。

本发明的优点：

1.本发明通过在双包层光纤的两端加对称曲面镜，其表面镀全反射金膜或全反射介质膜、或对泵浦光增反和对信号光增透的双色介质膜。对称曲面镜能反射泵浦光功率而将其完全限制在内包层内，使其回到双包层光纤被重复利用，因而较短的有源光纤也能充分地吸收泵浦光功率；更重要的是对称曲面镜能够通过反射改变泵浦光线的传输模式，促进螺旋光线转变成子午光线而被有源纤芯吸收，所以有效地提高泵浦效率。

2.本发明是通过在双包层光纤的端面融接上对称曲面反射镜，使得输出光束在球面上的直径增加一个数量级，从而相应地降低输出端面上的能量密度达两个数量级，保护输出端面不会被烧坏。

3.本发明通过在双包层光纤的两端加对称曲面镜，提供一个附加的改善光纤激光器和放大器性能(如功率稳定性、效率等)的有效途经。例如，对称曲面反射镜的使用能有效地提高泵浦效率，因而缩短所需有源光纤的长度，有助于消除寄生激光波长的产生。

4.双球面反射镜外环球面镜的功能与单球面完全相同，用于反射泵浦光和改变泵浦光模式。对于内球面而言，由纤芯从端面发射出的信号光经内球面反射后，能高效率地耦合进有源区纤芯，因而，该内球面被用作激光器谐振腔的两个反射镜面之一。通过控制介质膜对信号光反射率的大小，能控制激光信号反馈的大小。

5.本发明的激光器和放大器可被用于激光工业加工、光纤通信、测试仪器、医疗设备和科学研究等各领域。

附图说明

图1为双包层有源光纤的示意图：双包层光纤1由纤芯2、内包层3和外包层4组成；

图2为本发明中优选的对称曲面反射镜为球面反射镜对泵浦光模式改变的示意图；

图3为球面镜对信号光反射的示意图；

图4为另一优选的对称曲面反射镜为双球面反射镜的基本原理及其功能的示意图；

图5为基于本发明的一种优选光纤激光器的示意图；

图6为基于本发明的第二种优选光纤激光器的示意图；

图7为基于本发明的一种优选光纤放大器的示意图；

图8为对称曲面反射镜是对称抛物面反射镜的示意图。

具体实施方式

图2为本发明中优选的对称曲面反射镜球面反射镜对泵浦光模式改变的示意图：双包层有源光纤的端面是半径为R的球面镜5，光纤端面位于球面镜R/2处(即球面反射镜的焦点处)。球面镜5的半径R这样来确定：由内包层数值孔径最大发射角决定的、位于内包层边缘的光线经球面镜反射后原路返回；内包层的数值孔径为NA，最大发散角α＝arcsin(NA)，光线6和7是由NA决定的具有最大发散角的泵浦光线，R＝2b/tgα，(其中2b为内包层直径，α为内包层最大发散角)。经球面镜反射后，光线6和7原路返回到内包层被重复利用；图中光线8是内包层中的另一根光线，经球面反射镜反射后的光线9具有与入射光线8不同的模角，对应不同的模式，因而，球面反射镜能对内包层中的泵浦光模式进行变换。对于螺旋光线，它有一个方位角，经球面反射后，总有一部份光线落在子午平面内、与有源纤心相交而被吸收。

当光纤端面稍微偏离球面镜R/2处时，球面反射镜对内包层中的泵浦光模式进行变换的效果甚至更显著，例如，光线6和7所对应的模式经反射后也能得到变换；这种安排的缺陷是少部分光线经反射变换后会偏出内包层的接收面或接收角；但是，该类少量泵浦光功率的损失在许多光纤激光器和放大器应用中是可以接受的。

为了制作该球面反射镜，选用半径比内包层半径稍大一倍、且材料特性与光纤一致的石英玻璃元柱棒，通过高温(电弧放电、CO₂激光束、H₂/O₂火焰等)将其融接到光纤的端面；再经过研磨、抛光制成所需半径的球面反射镜，其他可以用来制作该球面反射镜的方法包括腐蚀、激光加工、高温融化等。制作而成的球面反射镜上再镀上全反射金膜或全反射介质膜、或镀上双色介质膜。

图3为球面镜对信号光反射的示意图。由于双包层光纤的端面位于R/2处，此处是球面反射镜的焦点，所以反射的信号光11平行于光纤轴折回，一小部份耦合进有源纤芯。如前所述，球面镜在信号波长处是增透的，剩余反射至少在25dB左右，对于纤芯数值孔径0.15，纤芯直径8微米，内包层直径130-210微米，数值孔径0.45的双包层光纤，剩余反射进入有源纤心的耦合损耗在15-20dB。所以根据计算，只有大约40-45dB的信号光经反射后耦合进有源纤心，不足以对激光腔的工作特性产生不良影响。

此外，信号光在球面反射镜上的光斑大约为70微米；因而，对该种双包层光纤来说，输出端面上的能量密度降低了近80倍，输出端面得到了有效地保护。

图4为另一优选的对称曲面反射镜-双球面反射镜的基本原理及其功能的示意图。双球面镜由内球面12和外环上的球面5组成，外环球面与图2所述单球面镜的半径和位置都相同，外环球面5的半径为B＝2b/tgα，双包层光纤的端面也置于B/2处，内球面12的半径A＝B/2，即纤芯正好位于内球面的球心。双球面镜也镀有对泵浦光增反和对信号光有一定反射率的介质膜，外环球面镜的功能与单球面完全相同，用于反射泵浦光和改变泵浦光模式。对于内球面而言，由纤芯从端面发射出的信号光经内球面反射后，能高效率地耦合进有源区纤芯，因而，该内球面被用作激光器谐振腔的两个反射镜面之一。通过控制介质膜对信号光反射率的大小，能控制激光信号反馈的大小。

双球面反射镜的制作与前述单球面反射镜的制作工艺一致。内球面的大小为刚好能反射纤芯从端面发射出的信号光(即大致为信号光在该球面处的光斑大小)。

图5为基于本发明的一种优选光纤激光器的示意图。它采用侧向泵浦，以光纤耦合输出的半导体激光二极管(或二极管阵列)13为泵浦源；激光腔由双包层光纤14、两端纤芯中的光纤布拉格光栅15、16构成；输出端的光纤布拉格光栅16通常对激光波长有较低的反射率，而另一端光纤布拉格光栅15通常对激光波长有很高的反射率；本发明图2所述的球面反射镜17、18用于双包层光纤两端以实现本发明所带来的优点，它们能使泵浦光在内包层中多次前向和后向传输直至全部被有源纤心吸收，也就是说本发明能使泵浦光功率最大限度地被吸收。输出端的球面反射镜18镀有双色介质膜，而另一端的球面反射镜17镀有双色介质膜、全反射金膜或全反射介质膜。

图6为基于本发明的又一优选光纤激光器的示意图。它采用侧向泵浦，以光纤耦合输出的半导体激光二极管(或二极管阵列)13为泵浦源，激光腔由双包层光纤14、一端纤芯中的光纤布拉格光栅15、输出端的球面反射镜19构成；输出端的球面反射镜19为图4所示镀有双色介质膜的双球面反射镜，该双球面反射镜对激光波长有较低的反射率，另一端的光纤布拉格光栅15对激光波长通常有很高的反射率；本发明图2所述的球面反射镜17用于双包层光纤的另一端以实现本发明所带来的优点，使泵浦光在内包层中多次前向和后向传输直至全部被有源纤心吸收，也就是说本发明能使泵浦光功率最大限度地被吸收。另一端的球面反射镜17镀有双色介质膜、全反射金膜或全反射介质膜。

图7为基于本发明的一种优选光纤放大器的示意图。它采用侧向泵浦，以光纤耦合输出的半导体激光二极管(或二极管阵列)13为泵浦源；放大区域由双包层光纤14、双包层光纤两端由本发明图2所述球面反射镜20、21构成；球面反射镜20、21均镀有对泵浦光增反和对信号光增透的双色介质膜，用于双包层光纤两端以实现本发明所带来的优点，它们能使泵浦光在内包层中多次前向和后向传输直至全部被有源纤芯吸收，也就是说本发明能使泵浦光功率最大限度地被吸收。光学组件23将待放大信号22耦合进放大器，而光学组件24将放大后的信号25耦合出放大器。

除了球面以外，反射镜还可以是其他对称曲面，如圆锥形，抛物线形、椭球形、或其他特殊非球面曲面，在相当程度上同样能实现本发明所带来的优点。

图8为对称曲面反射镜是对称抛物面反射镜的示意图。基本原理及其功能与前述图2中的球面反射镜、以及图4中的双球面反射镜类似。设对称抛物面在子午平面内的抛物线方程为y²＝2Px(P唯一地确定了抛物线的的形状)，则抛物面的焦点在P/2处，P可以这样来确定，由双包层光纤内包层数值孔径NA决定的最大发散角α的光线经抛物面反射后按原路返回，且双包层光纤的端面置于抛物面的焦点处，即图8中A＝P/2，B＝(b/tan(α))+P/2。该曲面反射镜既可由对称抛物面26单独组成；也可由内球面27和外环上的对称抛物面26组成；内球面的半径R＝P/2，球面的顶点与旋转抛物面的顶点重合于0。

1)当该曲面反射镜只包含对称抛物面26、且表面镀有对泵浦光波长金反射金膜或全反射介质膜、或对泵浦光增反和对信号光增透的双色介质膜时，它可以代替前述球面反射镜17。当该曲面反射镜同时包含有内球面27和外环上的抛物面26、且镀有对泵浦光增反和对信号光有一定反射率的双色介质膜时，该曲面反射镜可用于反射泵浦光和改变泵浦光模式。同时，选择纤芯正好位于内球面的球心，对于内球面而言，由纤芯从端面发射出的信号光经内球面反射后，能高效率地耦合进有源区纤芯，因而，该内球面被用作激光器谐振腔的两个反射镜面之一，它可以代替前述球面反射镜19。

2)当该曲面反射镜同时包含有内球面27和外环上的抛物面26、且镀有对泵浦光增反和对信号光增透的双色介质膜时，该曲面反射镜可用于反射泵浦光和改变泵浦光模式。同时，选择光纤端面位于内球面的球心与该曲面反射镜的顶点的位置0之中间，它可以代替前述球面反射镜18、20和21。

当该曲面反射镜为椭圆或椭圆与球面结合时，其原则和用法与曲面反射镜同时包含有内球面和外环上的抛物面时的情况基本相同。

这些对称曲面反射镜的制作与前述单球面反射镜的制作工艺一致。内球面的大小为刚好能反射纤芯从端面发射出的信号光(即大致为信号光在该球面处的光斑大小)。

以上应被认作本发明原理的示范性描述，对掌握有相关技巧的人士(those skilled in the art)来说，进一步的改动是明显的、而且能够实现的。然而，这些改动不会背离本发明的范围和精神。如上述实例给出的曲面半径及其光纤端面与球面镜的相对位置均是最佳参数，实际上它们之间数值相对变化一定范围，也能达到本发明的目的，然而，这些改动不超出本发明的保护范围。本发明的核心是在双包层光纤的两端加对称曲面镜，其表面镀有全反射金膜或全反射介质膜、或对泵浦光增反和对信号光增透的双色介质膜，对称曲面镜能反射泵浦光功率而将其完全限制在内包层内，使其回到双包层光纤被重复利用，更重要的是对称曲面镜还能够通过反射改变泵浦光线的传输模式，促进螺旋光线转变成子午光线而被有源纤芯吸收，所以有效地提高泵浦效率。因此，凡是在双包层光纤的两端加对称曲面反射镜，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有对称曲面反射镜的包层泵浦光纤激光器和光纤放大器，主要包括泵浦源、双包层光纤及其输入、输出端，其特征是在双包层光纤两端有对称曲面反射镜，曲面反射镜表面镀全反射金膜或全反射介质膜、或对泵浦光增反和对信号光增透的双色介质膜。

2.根据权利要求1所述的光纤激光器和光纤放大器，其特征是对称曲面反射镜为球面反射镜。

3.根据权利要求2所述的光纤激光器和光纤放大器，其特征是双包层有源光纤的端面位于球面镜R/2处，球面镜半径R＝2b/tgα，其中2b为内包层直径，α为内包层最大发散角。

4.根据权利要求1所述的光纤激光器和光纤放大器，其特征是对称曲面反射镜为双球面反射镜，双球面反射镜由内球面和外环球面组合而成，双包层有源光纤端面位于外环球面镜半径B/2处，外环球面的半径B＝2b/tgα，内球面的半径A＝B/2，即纤芯正好位于内球面的球心。

5.根据权利要求1所述的光纤激光器和光纤放大器，其特征是对称曲面反射镜为抛物面反射镜，双包层有源光纤端面位于抛物面反射镜的焦点处。

6.根据权利要求1所述的光纤激光器和光纤放大器，其特征是当该曲面反射镜同时包含有内球面和外环上的抛物面，镀有对泵浦光增反和对信号光增透的双色介质膜，选择光纤端面位于内球面的球心与该曲面反射镜的顶点的位置0之中间。

7.根据权利要求1或2所述的光纤激光器，其特征是采用侧向泵浦，以光纤耦合输出的半导体激光二极管或二极管阵列为泵浦源，激光腔由双包层光纤和两端纤芯中的布拉格光栅、位于双包层光纤两端的球面反射镜构成；输出端的球面反射镜镀有双色介质膜，而另一端的球面反射镜镀有双色介质膜、全反射金膜或全反射介质膜。

8.根据权利要求2或4所述的光纤激光器，其特征是采用侧向泵浦，以光纤耦合输出的半导体激光二极管或二极管阵列为泵浦源，激光腔包括双包层光纤、输入端纤芯的光纤布拉格光栅、输出端的双球面反射镜和输入端的球面反射镜构成，输出端的双球面反射镜是镀有双色介质膜的双球面反射镜，输入端的球面反射镜镀有双色介质膜、全反射金膜或全反射介质膜。

9.根据权利要求1或2所述的光纤放大器，采用侧向泵浦，以光纤耦合输出的半导体激光二极管或二极管阵列为泵浦源，放大区域由双包层光纤、双包层光纤两端的球面反射镜构成，球面反射镜均镀有对泵浦光增反和对信号光增透的双色介质膜，两端有耦合信号光的光学组件。

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