CN1877928A - 双面泵浦腔内倍频双包层绿光光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双面泵浦腔内倍频双包层绿光光纤激光器，由前端泵浦光输出装置、前端双包层光纤装置、倍频装置、末端双包层光纤装置、末端泵浦光输出装置、耦合输出装置构成。前端泵浦光输出装置与前端双包层光纤装置通过光纤之间的熔接相连接；前端双包层光纤装置、倍频装置和末端双包层光纤装置依次通过光纤相连接，并组成谐振腔；末端双包层光纤装置之后设置耦合输出装置，倍频激光束通过耦合输出装置准直输出；末端泵浦光输出装置设置在耦合输出装置的正上方。本发明提高了双包层光纤对泵浦光的吸收效率，并使用腔内倍频技术提高了倍频效率，得到大功率的倍频激光输出。

Description

双面泵浦腔内倍频双包层绿光光纤激光器
技术领域
本发明属于激光技术领域，涉及光纤激光器，特别涉及一种大功率的高效腔内倍频产生绿光激光输出的双面泵浦腔内倍频双包层绿光光纤激光器。
背景技术
光纤激光器以其小型化、全固化及好的热稳定性等一系列优点被大家广泛研究，尤其是双包层激光器的出现为光纤激光器的高功率输出找到了很好的出路。但是由于材料及生产工艺上的限制，使双包层光纤激光器的波长范围较小，因而使用各种频率转换技术来对其频率进行扩展成为现在研究的热点。目前实现绿光光纤激光输出主要采用的是光纤上转换技术或者是腔外倍频技术。而采用上转换技术，由于其机理的限制使其绿光激光的输出功率很低；而采用腔外倍频技术，其效率则比较低。从泵浦方式来看大都采用单面泵浦的方式，这样使泵浦光在光纤工作介质中的分布很不均匀，从而大大减小了工作介质对泵浦光的吸收效率，并影响了激光光束的质量。而且由于在光纤激光器中非光纤光学元件的较多使用，使损耗大幅上升，并影响了激光的光束质量，大功率的激光输出也受到很大的限制，光纤激光器的高效、稳定、一体化的特点远没有发挥出来。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种双面泵浦腔内倍频双包层绿光光纤激光器，其光纤一体化程度高、可实现大功率绿光激光输出。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明的双面泵浦腔内倍频双包层绿光光纤激光器，由前端泵浦光输出装置、前端双包层光纤装置、倍频装置、末端双包层光纤装置、末端泵浦光输出装置、耦合输出装置构成。前端泵浦光输出装置与前端双包层光纤装置通过光纤之间的熔接相连接；前端双包层光纤装置、倍频装置和末端双包层光纤装置依次通过光纤相连接，并组成谐振腔；末端双包层光纤装置之后设置耦合输出装置，倍频激光束通过耦合输出装置准直输出；末端泵浦光输出装置设置在耦合输出装置的正上方，末端泵浦光输出装置产生的泵浦光以垂直于输出激光光路的方向入射到耦合输出装置内二色镜的中心。
所述的前端泵浦光输出装置由半导体激光器电源、半导体激光器光纤输出模块及锥形光纤组成。半导体激光器电源与半导体激光器光纤输出模块相连接；半导体激光器光纤输出模块带尾纤输出与锥形光纤通过尾纤与锥形光纤之间的熔接相连接。
该前端泵浦光输出装置输出的泵浦光波长与第一双包层光纤纤芯材料的峰值吸收波长相一致。
所述的前端双包层光纤装置由光纤光栅及第一双包层光纤组成。光纤光栅的左端与前端泵浦光输出装置中的锥形光纤通过光纤之间的熔接相连接；光纤光栅的右端与第一双包层光纤的左端通过光纤之间的熔接相连接。
该光纤光栅对泵浦光高透，对基频光高反。
所述的倍频装置由左光纤插针、第一自聚焦透镜、倍频晶体、第二自聚焦透镜、右光纤插针组成。自左向右顺次位于同一准直光路上，其中前端双包层光纤装置中的第一双包层光纤插入左光纤插针且光纤端面紧贴第一自聚焦透镜，左光纤插针的右端面和第一自聚焦透镜的左端面粘贴，第一自聚焦透镜右端面紧贴倍频晶体的左端面，倍频晶体的右端面紧贴第二自聚焦透镜左端面，第二自聚焦透镜的右端面和右光纤插针的左端面粘贴。
其中倍频晶体是对基频光波长相位匹配或准相位匹配的非线性晶体，如磷酸氧钛钾KT、β-硼酸钡(BBO、三硼酸锂LBO、周期性极化的磷酸氧钛钾PPKTP等晶体。
所述的末端双包层光纤装置由第二双包层光纤及双色片组成。其中第二双包层光纤的左端插入倍频装置中的右光纤插针中，并且其光纤端面紧贴倍频装置中的第二自聚焦透镜；第二双包层光纤的右端通过光纤调节架的调节紧贴双色片表面。
该双色片镀对泵浦光、倍频光的高透膜，对基频光的高反膜。
所述的末端泵浦光输出装置由半导体激光器电源及具有准直输出的半导体激光器模块构成，半导体激光器电源与具有准直输出的半导体激光器模块相连接。
末端泵浦光输出装置输出的泵浦光中心波长应与第二双包层光纤纤芯材料的峰值吸收波长相一致，并且与前端泵浦光输出装置输出的泵浦光中心波长相一致。
所述的耦合输出装置由光学耦合透镜组及二色镜组成。光学耦合透镜组后设置二色镜，两者在同一准直光路上。
该二色镜镀对泵浦光的高反膜，对倍频光的高透膜，并以45°倾角放置。
所述第一双包层光纤和第二双包层光纤是具有相同参数的双包层光纤：纤芯均为掺杂镱离子Yb3+的晶体或玻璃，而内包层的横截面外形是矩形或D形。
所述的倍频晶体是对基频光波长相位匹配或准相位匹配的非线性晶体，倍频晶体左端面镀对泵浦光、基频光的高透膜，对倍频光高反的介质膜，右端面镀对泵浦光、基频光、倍频光的高透膜。
本发明采用腔内倍频方式，并采用双面泵浦激光工作方式，从而解决了腔外倍频效率低，及单面泵浦泵浦效率低等问题，使倍频激光的输出功率大幅提高。同时光纤光栅、锥形光纤以及光纤融接技术的使用，大大减少了非光纤光学元件的使用。这样就大大减少了各种非光纤光学元件较大的器件损耗，使激光的输出功率得到提高，同时也使光纤激光器的一体化程度及其稳定性得到大幅度提高。
附图说明
附图为本发明的结构示意图。
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
具体实施方式
参照图1所示，本发明的结构如下：半导体激光器电源7与半导体激光器光纤输出模块8相连接，半导体激光器光纤输出模块8与锥形光纤9通过尾纤与锥形光纤之间的熔接相连接，锥形光纤9的右端与光纤光栅10的左端通过光纤之间的熔接相连接，光纤光栅10的右端与第一双包层光纤11的左端通过光纤之间的熔接相连接，第一双包层光纤11的右端插入光纤插针12中且其光纤端面紧贴第一自聚焦透镜13，左光纤插针12、第一自聚焦透镜13、倍频晶体14、第二自聚焦透镜15、右光纤插针16自左向右顺次位于同一准直光路上，左光纤插针12的右端面和第一自聚焦透镜13的左端面粘贴，第一自聚焦透镜13右端面紧贴倍频晶体14的左端面，倍频晶体14的右端面紧贴第二自聚焦透镜15左端面，第二自聚焦透镜15的右端面和右光纤插针16的左端面粘贴，第二双包层光纤17的左端插入右光纤插针16中且其光纤端面紧贴第二自聚焦透镜15，第二双包层光纤17的右端通过光纤调节架的调节紧贴于双色片18的表面，双色片18后依次设置光学耦合透镜组21、以45°倾角放置的二色镜22，且三者在同一准直光路上，二色镜22的正上方设置具有准直输出的半导体激光器模块20，具有准直输出的半导体激光器模块20与半导体激光器电源19连接。
本发明的双面泵浦腔内倍频双包层绿光光纤激光器，其具体的工作过程为：前端泵浦光输出装置1提供的975nm泵浦光，通过熔接到尾纤的锥形光纤9的耦合作用从左端注入到前端双包层光纤装置2，同时末端泵浦光输出装置5提供的975nm泵浦光，通过耦合输出装置6从右端耦合聚焦进入末端双包层光纤装置4，达到双面泵浦的效果，并将由前端双包层光纤装置2、倍频装置3和末端双包层光纤装置4组成的谐振腔内的第一双包层光纤11和第二双包层光纤17激活，产生1080nm基频光振荡，再经倍频装置3实现腔内倍频作用，产生540nm绿光，最终通过耦合输出装置6准直输出。
所述的前端泵浦光输出装置1由半导体激光器电源7、半导体激光器光纤输出模块8及锥形光纤9组成。半导体激光器电源7为半导体激光器光纤输出模块8提供稳定的电源输入；该半导体激光光纤输出模块8是带尾纤输出的、中心波长在975nm、输出功率连续可调、最大输出功率为25W的商用半导体激光器模块，尾纤直径为800um，数值孔径为0.22，该半导体激光光纤输出模块8的输出中心波长与第一双包层光纤11纤芯材料的峰值吸收波长相一致；锥形光纤9的尺寸为：输入端光纤直径为800um，数值孔径为0.22，输出端的光纤直径为350um，锥形光纤总长度为2.0m，其中锥形区长度为1.5m，该锥形光纤与其它光纤通过大纤芯融接机进行融接，再通过合适的紫外胶进行封装。
所述的前端双包层光纤装置2由光纤光栅10及第一双包层光纤11组成。其中光纤光栅10是采用相位掩模法在双包层光敏光纤上制作而成的，对975nm光高透(透过率＞99％)，对1080nm光高反(反射率＞99％)；第一双包层光纤11纤芯为掺杂镱离子(Yb3+)的晶体或玻璃，而内包层的横截面外形是矩形或D形，在本实施例中，采用国产的D形内包层的双包层光纤，纤芯为掺杂镱离子(Yb3+)的石英晶体，最大吸收峰位于975nm，纤芯直径为18μm，数值孔径为0.12，内包层尺寸为350/400um，数值孔径为0.46，掺杂浓度为6500ppm，光纤长度为20m。
所述的倍频装置3由左光纤插针12、第一自聚焦透镜13、倍频晶体14、第二自聚焦透镜15、右光纤插针16组成。其中倍频晶体14是对基频光波长相位匹配或准相位匹配的非线性晶体，如磷酸氧钛钾(KTP)、β-硼酸钡(BBO)、三硼酸锂(LBO)、周期性极化的磷酸氧钛钾(PPKTP)等晶体，本实验例中采用对1080nm II类相位匹配的磷酸氧钛钾(KTP)，倍频晶体尺寸为4×4×6mm3，其左端面镀975nm、1080nm的高透膜(透过率＞95％)、540nm高反(反射率＞98％)的介质膜，右端面镀975nm、1080nm、540nm的高透膜(透过率＞95％)。
所述的末端双包层光纤装置4由第二双包层光纤17，双色片18组成。双色片18对975nm、540nm光高透(透过率＞95％)，对1080nm光高反(反射率＞98％)。第二双包层光纤17是与第一双包层光纤11具有相同参数的光纤，长度为20m。
所述的末端泵浦光输出装置5由半导体激光器电源19、具有准直输出的半导体激光器模块20组成。半导体激光器电源19为具有准直输出的半导体激光器模块20提供稳定的电源输入；具有准直输出的半导体激光器模块20是具有准直输出的商用半导体激光器，其输出中心波长为975nm，输出功率连续可调，最大输出功率为30W，其输出波长与第二双包层光纤17的峰值吸收波长相一致。
所述的耦合输出装置6由光学耦合透镜组21及二色镜22组成，其中的光学耦合透镜组21是一种通过特殊设计的透镜系统，对540nm倍频激光进行准直，同时将具有准直输出的半导体激光器模块20输出的975nm的泵浦光耦合聚焦到末端双包层光纤装置4内；二色镜22对975nm泵浦光高反(反射率＞98％)，对540nm倍频光高透(透射率＞95％)，并倾斜45°角放置，其将泵浦光与倍频光分开：准直的540nm倍频激光从其右端透射输出，同时准直输出的半导体激光器模块20输出的975nm泵浦光从其正上方入射，通过反射进入光学耦合透镜组21。
本实施例的双面泵浦腔内倍频双包层绿光光纤激光器，可获得光束质量好，平均功率大的单模倍频激光输出，而且激光器的效率高、稳定性好、体积小、寿命长，是产生绿光激光的理想激光源，在激光电视、激光医疗等领域有着广阔的应用前景。

Claims (9)

1.双面泵浦腔内倍频双包层绿光光纤激光器，包括前端泵浦光输出装置(1)，其特征在于，前端泵浦光输出装置(1)与前端双包层光纤装置(2)通过光纤之间的熔接相连接；前端双包层光纤装置(2)、倍频装置(3)和末端双包层光纤装置(4)依次通过光纤相连接，形成谐振腔；末端双包层光纤装置(4)之后设置耦合输出装置(6)，倍频激光束通过耦合输出装置(6)准直输出；末端泵浦光输出装置(5)设置在耦合输出装置(6)的正上方。
2.根据权利要求1所述的双面泵浦腔内倍频双包层绿光光纤激光器，其特征在于，所述的前端泵浦光输出装置(1)由半导体激光器电源(7)、半导体激光器光纤输出模块(8)及锥形光纤(9)组成，半导体激光器电源(7)与半导体激光器光纤输出模块(8)相连接；半导体激光器光纤输出模块(8)带尾纤输出并与锥形光纤(9)通过尾纤与锥形光纤之间的熔接相连接，
该前端泵浦光输出装置(1)输出的泵浦光波长与第一双包层光纤(11)纤芯材料的峰值吸收波长相一致。
3.根据权利要求1所述的双面泵浦腔内倍频双包层绿光光纤激光器，其特征在于，所述的前端双包层光纤装置(2)由光纤光栅(10)及第一双包层光纤(11)组成，光纤光栅(10)的左端与前端泵浦光输出装置(1)中的锥形光纤(9)通过光纤之间的熔接相连接；光纤光栅(10)的右端与第一双包层光纤(11)的左端通过光纤之间的熔接相连接；
该光纤光栅(10)对泵浦光高透，对基频光高反。
4.根据权利要求1所述的双面泵浦腔内倍频双包层绿光光纤激光器，其特征在于，所述的倍频装置(3)由左光纤插针(12)、第一自聚焦透镜(13)、倍频晶体(14)、第二自聚焦透镜(15)和右光纤插针(16)组成，自左向右顺次位于同一准直光路上，其中前端双包层光纤装置(2)中的第一双包层光纤(11)插入左光纤插针(12)且光纤端面紧贴第一自聚焦透镜(13)，左光纤插针(12)的右端面和第一自聚焦透镜(13)的左端面粘贴，第一自聚焦透镜(13)右端面紧贴倍频晶体(14)的左端面，倍频晶体(14)的右端面紧贴第二自聚焦透镜(15)左端面，第二自聚焦透镜(15)的右端面和右光纤插针(16)的左端面粘贴；
其中倍频晶体(14)是对基频光波长相位匹配或准相位匹配的非线性晶体，指磷酸氧钛钾KTP、β-硼酸钡BBO、三硼酸锂LBO、周期性极化的磷酸氧钛钾PPKTP晶体。
5.根据权利要求1所述的双面泵浦腔内倍频双包层绿光光纤激光器，其特征在于，所述的末端双包层光纤装置(4)由第二双包层光纤(17)及双色片(18)组成，其中第二双包层光纤(17)的左端插入倍频装置(3)中的右光纤插针(16)，且光纤端面紧贴第二自聚焦透镜(15)；第二双包层光纤(17)的右端通过光纤调节架调节紧贴双色片(18)的表面；
该双色片(18)镀对泵浦光、倍频光的高透膜，对基频光高反膜。
6.根据权利要求1所述的双面泵浦腔内倍频双包层绿光光纤激光器，其特征在于，所述的末端泵浦光输出装置(5)由半导体激光器电源(19)及具有准直输出的半导体激光器模块(20)构成，半导体激光器电源(19)与具有准直输出的半导体激光器模块(20)相连接，
末端泵浦光输出装置(5)输出的泵浦光中心波长与第二双包层光纤(17)纤芯材料的峰值吸收波长相一致，并且与前端泵浦光输出装置(1)输出的泵浦光中心波长相一致。
7.根据权利要求1所述的双面泵浦腔内倍频双包层绿光光纤激光器，其特征在于，所述的耦合输出装置(6)由光学耦合透镜组(21)及二色镜(22)组成的，其中光学耦合透镜组(21)后设置二色镜(22)，两者在同一准直光路上，
该二色镜(22)镀对泵浦光的高反膜、对倍频光的高透膜，以45°倾角放置。
8.根据权利要求3或5所述的双面泵浦腔内倍频双包层绿光光纤激光器，其特征在于，所述第一双包层光纤(11)和第二双包层光纤(17)是具有相同参数的双包层光纤，纤芯均为掺杂镱离子Yb3+的晶体或玻璃，内包层的横截面外形是矩形或D形。
9.根据权利要求4所述的双面泵浦腔内倍频双包层绿光光纤激光器，其特征在于，所述的倍频晶体(14)是对基频光波长相位匹配或准相位匹配的非线性晶体，倍频晶体(14)的左端面镀对泵浦光、基频光的高透膜，对倍频光高反的介质膜，右端面镀对泵浦光、基频光、倍频光的高透膜。
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