CN1979979A - 一种光纤激光器的侧面泵浦方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤激光器的侧面泵浦方法，该方法利用特定参数的飞秒级脉冲激光器在双包层光纤侧面斜向打孔，再用若干半导体激光二极管耦合器件嵌入，然后在双包层光纤的两端面加上前、后腔镜，形成谐振，最终实现光纤激光器激光输出。本发明的优点是，1)不会影响光纤激光器中的光波导传输，斜孔处没有附加位错或缺陷可以避免这些局部位置因为高光功率密度而带来的非线形效应和热熔等问题；2)可提高泵浦源的光模式质量，且易于泵浦源的散热提高寿命，同时也有利于维修更换；3)能无限地进行泵浦功率的累积，以便最终实现大功率光纤激光器的输出；4)操作方便。

Description

一种光纤激光器的侧面泵浦方法

技术领域

本发明属于光电器件领域，具体的说，本发明涉及一种光纤激光器的侧面泵浦方法。

背景技术

近年来随着大功率光纤耦合半导体激光器以及包层泵浦技术的迅猛发展，掺镱光纤激光器的泵浦功率和输出功率都得到了大幅度的提高，国外很多研究单位都已经实现数百至万瓦激光输出，不少公司已经实现了大功率光纤激光器商品化。

双包层掺稀土光纤的构造是，模纤芯由掺镱离子等元素的石英材料构成，作为激光振荡通道；而内包层则由横向尺寸和数值孔径比纤芯大的多、折射率比纤芯小的纯石英材料构成，它是接受多模激光二极管(LD)泵浦光的多模光纤；正是因为掺杂激活纤芯和接受多模泵浦光的多模内包层分开，才得以实现了多模光泵浦而单模光输出的可能，从而无形化解了激光功率和光束质量这一矛盾。

但增益光纤的改进还不足以满足现在对光纤激光器的大功率输出要求，因此国内外许多研究人员又用新颖的侧面泵浦模式替代传统的端面泵浦，侧面泵浦方法与端面泵浦模式相比较如下：

1.端面泵浦模式中，提高最终功率输出有两种途径：一种是提高LD泵源的输出功率；另一种就是增大双包层光纤的包层面积。这两种方法目前都受各自相关工艺技术的限制，不能大幅度提高，而侧面泵浦模式的运用就巧妙的避开了这些问题，因为光纤侧面面积可以很大，并且可以同时接受若干LD的泵浦；

2.端面泵浦模式中，整个光学系统的精密性要求十分高，尤其在光纤的前后端面，是出入光纤光功率的唯一通道，耦合系统的微小偏差都能直接影响整个系统的出光效率以及最后的输出功率，因此必须精密调节，这就给系统的集成带来障碍，而侧面泵浦模式能很好地解决这个矛盾。

3.侧面泵浦模式是从光纤侧面各个不同点进行单个泵浦，可避免端面泵浦中强激光单点引起的非线性效应和模式恶化。

目前有报道的侧面泵浦方法有：V槽侧面泵浦技术、熔锥侧面泵浦方式、嵌入反射镜泵浦模式、角度磨抛法等。具体内容可参考文献：韦文楼等，《双包层光纤的侧面泵浦耦合技术》，激光技术，Vol.28，No.2，2004，116-120。这些方法的最终实现有些需要精细复杂的光纤工艺，如V槽侧面泵浦技术、嵌入反射镜泵浦模式等；有些机械性不稳定，可重复性差，如角度磨抛法等。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种有效的侧面泵浦方法，实现光纤激光器的高功率输出。

为实现上述发明目的，本发明提供的光纤激光器的侧面泵浦方法包括如下步骤：

1、一种光纤激光器的侧面泵浦方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)调节飞秒级脉冲激光器，使得该飞秒级脉冲激光器的波长为800±2nm，脉冲宽度为120fs，脉冲频率为0.1～1kHz，峰值功率为1000kW，光斑直径在100μm～5mm之间；

2)用调节好的飞秒级脉冲激光器对双包层光纤打斜孔，该斜孔轴线与光纤轴线成θ角，且

其中n_外为双包层光纤外包层的折射率，n_内为双包层光纤内包层的折射率；

3)分别在斜孔内壁和半导体激光二极管光纤输出模块的尾纤上涂抹折射率匹配胶；

4)将尾纤插入斜孔，使其粘牢，尾纤的轴线与双包层光纤的轴线成θ角，形成一个侧面泵浦结构；

5)在光纤上取N个横截面作为泵浦截面，相邻泵浦截面的间距至少为5mm；在每个泵浦截面的圆周上分别取M个点作为泵浦插入点，其中1≤M≤6；重复步骤2)、3)、4)的侧面泵浦方法，在双包层光纤的每个泵浦插入点上设置侧面泵浦结构；

6)在双包层光纤的两端面加上前、后腔镜，形成谐振，最终实现光纤激光器激光输出。

2、按权利要求1所述的光纤激光器的侧面泵浦方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述θ角在5～30°的范围内。

3、按权利要求1所述的光纤激光器的侧面泵浦方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述斜孔穿过双包层光纤外包层，进入内包层，在内包层内截止。

本发明与现有技术相比，其优点在于：

1)这种侧面泵浦模式不会影响光纤激光器中的光波导传输，斜孔处没有附加位错或缺陷可以避免这些局部位置因为高光功率密度而带来的非线形效应和热熔等问题；

2)这种侧面泵浦模式一般采用多个高功率LD单管代替LD集成阵列作为泵浦源，这样一可提高泵浦源的光模式质量，二则易于泵浦源的散热提高寿命，三有利于维修更换；

3)这种模式在一定程度上能无限地进行泵浦功率的累积，以便最终实现大功率光纤激光器的输出；

4)泵浦源中LD单管尾纤的外径一般有220μm和120μm两种，这和飞秒级脉冲激光器的打孔直径基本吻合，方便操作。

附图说明

图1是本发明的侧面泵浦结构示意图；

图2是本发明的总体结构示意图；

图3是本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。

实施例

图1是本发明的侧面泵浦结构示意图，本实施例中的双包层光纤9的参数为为：芯层直径：20±2μm；内包层直径：400±15μm；外包层直径：550±20μm；芯层N.A.1(数值孔径)：0.06±0.01；内包层N.A.2(数值孔径)：0.46±0.01。

本实施例的光纤激光器的侧面泵浦方法包括如下步骤：

a)用飞秒级脉冲激光器在双包层光纤侧面打孔，该飞秒级脉冲激光器的波长为800±2nm，脉冲宽度为120fs，脉冲频率为0.1～1kHz，峰值功率为1000kW，光斑直径在100μm～5mm之间，该光斑直径可调，打出的孔4与双包层光纤的夹角θ＝5～30°。孔4穿过双包层光纤外包层5，进入内包层6，在显微镜下监控飞秒脉冲激光器的打孔深度使其截止于内包层6，不进入纤芯7。

b)选取折射率匹配胶3，其折射率与内包层6折射率相近，差值＜0.1，本实施例中的折射率匹配胶采用9805型光学胶，其主要材料为丙烯酸酯。将折射率匹配胶3分别涂在斜孔内和LD(LD为976±1nm半导体激光二极管光纤输出模块)的尾纤2末端上，使其布满孔壁和尾纤末端的圆柱侧面，然后将尾纤2插入斜孔4，使其粘牢，尾纤和孔的整体结构主线与双包层光纤成θ角，θ角必须满足泵浦光在双包层光纤内包层的全反射条件，(可以根据内外包层的折射率得出，即 其中n_外为双包层光纤外包层5的折射率，n_内为双包层光纤内包层6的折射率)一般在5～30°之间。此即构成本发明的侧面泵浦结构。

c)在光纤上取N个横截面作为泵浦截面，相邻泵浦截面间的间距一般大于5mm。在每个泵浦截面的圆周上分别取M个点作为泵浦插入点(即总共NM个泵浦插入点，其中1≤M≤6)，重复步骤a)、b)的侧面泵浦方法，在双包层光纤的每个泵浦插入点上设置侧面泵浦结构。

d)最后在双包层光纤的两端面加上前、后腔镜8、10，形成谐振(如图2所示)，最终实现光纤激光器激光输出。

通常，按激光脉冲标准来说，持续时间大于10皮秒(相当于热传导时间)的激光脉冲属于长脉冲，用它来加工材料，由于热效应使周围材料发生变化，从而影响加工精度。本发明中，脉冲宽度只有几千万亿分之一秒的飞秒激光脉冲则拥有独特的材料加工特性，如加工孔径的熔融区很小或者没有，加工区域可以小于聚焦尺寸，突破衍射极限，因此用这种飞秒级脉冲激光器在光纤上打孔，不会引起孔周围光纤材料的性质变化，包括材料折射率、位错，缺陷浓度等，从而不会影响光纤激光器中的光波导传输，没有带来附加的位错缺陷可以避免这些局部位置因为大光功率密度而承受不住的问题。这在某些其他的侧面泵浦方法中是很难克服的，如角度磨抛侧面泵浦模式中，光纤的打磨容易引起光纤材料和磨料的混杂，以及在磨抛面增生光纤材料的非晶缺陷，这些最终都能影响光纤激光器输出激光的模式与功率。

另外，本发明中的侧面泵浦模式一般采用多个高功率LD单管代替LD集成阵列作泵浦源，一可提高光源的模式，二是易于泵源的散热提高寿命，三有利于维修更换。LD单管尾纤的外径一般有220μm和120μm两种，这和飞秒级脉冲激光器的打孔直径基本吻合，方便操作。

Claims (3)

1、一种光纤激光器的侧面泵浦方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)调节飞秒级脉冲激光器，使得该飞秒级脉冲激光器的波长为800±2nm，脉冲宽度为120fs，脉冲频率为0.1～1kHz，峰值功率为1000kW，光斑直径在100μm～5mm之间；

2)用调节好的飞秒级脉冲激光器对双包层光纤打斜孔，该斜孔轴线与光纤轴线成θ角，且

其中n_外为双包层光纤外包层的折射率，n_内为双包层光纤内包层的折射率；

3)分别在斜孔内壁和半导体激光二极管光纤输出模块的尾纤上涂抹折射率匹配胶；

4)将尾纤插入斜孔，使其粘牢，尾纤的轴线与双包层光纤的轴线成θ角，形成一个侧面泵浦结构；

5)在光纤上取N个横截面作为泵浦截面，相邻泵浦截面的间距至少为5mm；在每个泵浦截面的圆周上分别取M个点作为泵浦插入点，其中1≤M≤6；重复步骤2)、3)、4)的侧面泵浦方法，在双包层光纤的每个泵浦插入点上设置侧面泵浦结构；

6)在双包层光纤的两端面加上前、后腔镜，形成谐振，最终实现光纤激光器激光输出。

2、按权利要求1所述的光纤激光器的侧面泵浦方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述θ角在5～30°的范围内。

3、按权利要求1所述的光纤激光器的侧面泵浦方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述斜孔穿过双包层光纤外包层，进入内包层，在内包层内截止。

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