CN201323377Y - 可调谐掺镱双包层光纤激光器 - Google Patents

Abstract

可调谐掺镱双包层光纤激光器，涉及一种光纤激光器。提供一种参数优化、调谐范围较宽和功率较高的可调谐掺镱双包层光纤激光器。设有泵浦源、循环水冷温控装置、尾纤、平凸镜、二向色镜、双包层光纤和闪耀光栅。泵浦源激光输出端与尾纤耦合，第1平凸镜置于尾纤正前方，泵浦光通过平凸镜从凸面端准直输出，第1二向色镜置于第1平凸镜前方，第2与第1二向色镜平行，第2与第3平凸镜平面相对，第2平凸镜置于第2二向色镜前方，双包层光纤置于第2与第3平凸镜之间，由第2二向色镜反射的平行光通过第2平凸镜聚焦，由第2平凸镜的平面输出，再通过双包层光纤照射到第3平凸镜的平面端，由第3平凸镜进行准直，闪耀光栅置于第3平凸镜凸面正前方。

Description

可调谐掺镱双包层光纤激光器

技术领域

本实用新型涉及一种光纤激光器，尤其是涉及一种高功率可调谐掺镱双包层光纤激光器。它主要是通过选择优化的参数，利用掺镱Yb³⁺大模面积双包层光纤作为增益介质，闪耀光栅作为波长调谐元件，通过调谐光栅转角来选择激光器的激射波长。具有调节方法简便、调谐范围广且激光功率高的优点。主要可作为拉曼光纤激光器的泵浦源，也可用于激光加工、医疗、测距等方面。

背景技术

光纤激光器具有阈值低、效率高、易调谐和紧凑小巧等特点。近年来，随着光纤设计和工艺的改进、包层泵浦技术的发展以及高功率多模半导体激光器技术的完善，高功率双包层光纤激光器倍受国内外学者的关注，在通信、激光加工、激光医疗和激光测距等方面都有广阔的应用前景。利用掺杂于玻璃介质中的Yb³⁺离子极宽的发射谱线的特性，可实现宽范围波长调谐。

在现有的可调谐双包层光纤激光器中，由于需要在激光腔中插入各种偏振及调谐控制元件，使得腔体损耗增加，从而降低了激光输出功率。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有的可调谐双包层光纤激光器的腔体损耗较大，激光输出功率较低等问题，提供一种参数优化、调谐范围较宽和功率较高的可调谐掺镱双包层光纤激光器。

本实用新型的技术方案是基于双包层光纤激光器的速率方程，在考虑散射损耗的情况下推导掺镱双包层光纤激光器的解析解并进行数值分析，得到使激光器输出功率较高的优化光纤长度和腔镜反射率，对双包层光纤激光器进行优化设计，从而获得宽调谐范围和高输出功率。

本实用新型设有泵浦源、循环水冷温控装置、尾纤、第1平凸镜、第1二向色镜、第2二向色镜、第2平凸镜、双包层光纤、第3平凸镜和闪耀光栅。

泵浦源与循环水冷温控装置连接，泵浦源的激光输出端与尾纤耦合连接，第1平凸镜置于尾纤正前方，第1平凸镜与尾纤的距离等于第1平凸镜的焦距，从尾纤输出的泵浦光通过平凸镜的平面端，从凸面端准直输出，第1二向色镜与第1平凸镜轴向成45°角置于第1平凸镜前方，第2二向色镜与第1二向色镜平行放置，第2平凸镜与第3平凸镜平面相对，第2平凸镜置于第2二向色镜前方，双包层光纤置于第2平凸镜与第3平凸镜之间，由第2二向色镜反射的平行光通过第2平凸镜聚焦，由第2平凸镜的平面输出，第2平凸镜的平面输出的平行光通过双包层光纤的第一端耦合进双包层光纤，从双包层光纤的第二端输出并照射到第3平凸镜的平面端，由第3平凸镜进行准直，闪耀光栅置于第3平凸镜凸面正前方。

泵浦源可选用多模半导体激光器LD，多模半导体激光器LD的输出激光最大功率最好为200W、中心波长最好为970～980nm。

双包层光纤的第二端最好为7°～10°角倾斜抛光，以抑制双包层光纤两端面因菲涅尔反射而造成的寄生振荡。

第1二向色镜和第2二向色镜最好镀有薄膜，对泵浦波长激光高反R＞97％@975nm，而对出射波长激光具有高透T＞85％@1080mm。第1二向色镜和第2二向色镜以45°角平行放置，将泵浦光与输出激光分开。

第1平凸镜和第2平凸镜最好具有相同的焦距，且焦距可为22～28mm；第3平凸镜的焦距可为48～52mm，从而更好地扩大光斑直径，减小对闪耀光栅的损害，并增强光栅的分光能力。

循环水冷温控装置用于调节泵浦源的工作温度，使泵浦源发射的泵浦光中心波长与双包层光纤的纤芯材料吸收波长相同。尾纤数值孔径小于双包层光纤内包层数值孔径。

实验表明，本实用新型的波长可调谐范围为1046～1121nm，在1089nm处获得最大输出功率。当入纤泵浦功率48W时，1089nm处最高输出功率为23.7W，相应的斜效率为53％。

由此可见，本实用新型具有功率大、调谐范围广、操作方便和用途广等一系列优点。

附图说明

图1是本实用新型实施例的结构示意图。

图2是本实用新型实施例的二向色镜反射谱曲线。在图2中，横坐标为波长Wavelength(nm)，纵坐标为反射率Reflectivity。

图3是本实用新型实施例的输出激光光谱图。在图3中，横坐标为波长Wavelength(nm)，纵坐标为光强度Optical intensity(dBm)。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型设有泵浦源(LD)1、循环水冷温控装置2、尾纤3、第1平凸镜4、第1二向色镜5、第2二向色镜6、第2平凸镜7、双包层光纤8、第3平凸镜10和闪耀光栅11。

以下给出当输出激光连续可调谐范围选为1046～1121nm时的实施例。

泵浦源1与循环水冷温控装置2连接，泵浦源1的激光输出端与尾纤3耦合连接，第1平凸镜4置于尾纤3正前方，第1平凸镜4与尾纤3的距离等于第1平凸镜4的焦距，从尾纤3输出的泵浦光通过平凸镜4的平面端，从凸面端准直输出，第1二向色镜5与第1平凸镜4轴向成45°角置于第1平凸镜4前方，第2二向色镜6与第1二向色镜5平行放置，第2平凸镜7与第3平凸镜10平面相对，第2平凸镜7置于第2二向色镜6前方，双包层光纤8置于第2平凸镜7与第3平凸镜10之间，由第2二向色镜6反射的平行光通过第2平凸镜7聚焦，由第2平凸镜7的平面输出，第2平凸镜7的平面输出的平行光通过双包层光纤8的第一端81耦合进双包层光纤8，从双包层光纤8的第二端82输出并照射到第3平凸镜10的平面端，由第3平凸镜10进行准直，闪耀光栅11置于第3平凸镜10凸面正前方。

泵浦源1采用高功率半导体激光器光纤耦合模块，所选高功率半导体激光器光纤耦合模块在室温20℃左右时，其发射的泵浦光中心波长为975nm，典型线宽为5nm，激光最大输出功率为200W。泵浦源1的尾纤3的直径为400μm，数值孔径为0.22。

双包层光纤的第二端82最好为7°～10°角倾斜抛光，以抑制双包层光纤两端面因菲涅尔反射而造成的寄生振荡。

第1二向色镜5和第2二向色镜6最好镀有薄膜，对泵浦波长激光高反R＞97％@975nm，而对出射波长激光具有高透T＞85％@1080nm。第1二向色镜5和第2二向色镜6以45°角平行放置，将泵浦光与输出激光分开。

第1平凸镜4和第2平凸镜7最好具有相同的焦距，且焦距可为22～28mm；第3平凸镜10的焦距可为48～52mm，从而更好地扩大光斑直径，减小对闪耀光栅的损害，并增强光栅的分光能力。

循环水冷温控装置2用于调节泵浦源1的工作温度，使泵浦源1发射的泵浦光中心波长与双包层光纤8的纤芯材料吸收波长相同。尾纤3数值孔径小于双包层光纤8内包层数值孔径。通过循环水冷温控装置2保证泵浦源1发射的中心波长为975nm，与掺镱双包层光纤纤芯材料吸收波长相同。

掺镱双包层光纤8可选择内包层和纤芯直径分别为400μm和20μm，纤芯数值孔径和内包层数值孔径可分别选择为0.06和0.46。掺镱双包层光纤8的第一端81以0°角抛光，利用它提供的4％的菲涅尔反射与闪耀光栅11构成利特罗Littrow谐振腔。

掺镱双包层光纤8的第二端82可采用8°角倾斜抛光，以抑制双包层光纤8两端面因菲涅尔反射而造成的寄生振荡，同时提高外腔耦合效率。

掺镱双包层光纤8的优化长度可以通过理论计算得出，以获得最大激光器斜效率和输出功率。在本实施例中，基于双包层光纤激光器速率方程，在考虑散射损耗的情况下，推导掺镱双包层光纤激光器的解析解并对掺镱双包层光纤激光器进行数值模拟和优化设计，得到使激光器斜效率好输出功率最佳的光纤的优化长度约12m。本实施例中光纤长度约为14m。

第1二向色镜5和第2二向色镜6对泵浦光波长高反，对出射激光波长1050～1100nm具有高透特性。参数可取为R＞97％@975nm，T＞85％@1080nm。

第1平凸镜4和第2平凸镜7的焦距为25mm，第3平凸镜10的焦距相对较大，为50mm，用以准直光束，以扩大光栅反射面上的光斑直径，从而减小对闪耀光栅的损害，并增强光栅的分光能力。

闪耀光栅11的闪耀波长为1.0μm，600线/mm，闪耀角为17°27″，在1080nm波长附近一级衍射平均效率约60％。

泵浦光经第1平凸镜4准直，再经过第1二向色镜5和第2二向色镜6反射，最后经过第2平凸镜7聚焦后由双包层光纤8的第一端81注入双包层光纤8，再通过双包层光纤8的第二端82输出的光束经第3平凸镜10准直后照射到闪耀光栅11，利用闪耀光栅11的一级衍射分光效应，调节其转角，从而选择不同的反馈波长，实现可调谐波长激光输出。用光功率计测量不同泵浦光功率下不同输出光波长时的输出激光功率，用光谱仪记录激光器所输出的不同激射波长、观察调谐范围。

实验表明，本实用新型的波长可调谐范围为1046～1121nm，在1089nm处获得最大输出功率。当入纤泵浦功率48W时，1089nm处最高输出功率为23.7W，相应的斜效率为53％。

综上所述，本实用新型具有功率大、调谐范围广、操作方便和用途广等一系列优点。

Claims (10)

1.可调谐掺镱双包层光纤激光器，其特征在于设有泵浦源、循环水冷温控装置、尾纤、第1平凸镜、第1二向色镜、第2二向色镜、第2平凸镜、双包层光纤、第3平凸镜和闪耀光栅；泵浦源与循环水冷温控装置连接，泵浦源的激光输出端与尾纤耦合连接，第1平凸镜置于尾纤正前方，第1平凸镜与尾纤的距离等于第1平凸镜的焦距，从尾纤输出的泵浦光通过平凸镜的平面端，从凸面端准直输出，第1二向色镜与第1平凸镜轴向成45°角置于第1平凸镜前方，第2二向色镜与第1二向色镜平行放置，第2平凸镜与第3平凸镜平面相对，第2平凸镜置于第2二向色镜前方，双包层光纤置于第2平凸镜与第3平凸镜之间，由第2二向色镜反射的平行光通过第2平凸镜聚焦，由第2平凸镜的平面输出，第2平凸镜的平面输出的平行光通过双包层光纤的第一端耦合进双包层光纤，从双包层光纤的第二端输出并照射到第3平凸镜的平面端，由第3平凸镜进行准直，闪耀光栅置于第3平凸镜凸面正前方。

2.如权利要求1所述的可调谐掺镱双包层光纤激光器，其特征在于泵浦源为多模半导体激光器。

3.如权利要求1所述的可调谐掺镱双包层光纤激光器，其特征在于多模半导体激光器的输出激光最大功率为200W、中心波长为970～980nm。

4.如权利要求1所述的可调谐掺镱双包层光纤激光器，其特征在于双包层光纤的第二端为7°～10°角倾斜抛光。

5.如权利要求1所述的可调谐掺镱双包层光纤激光器，其特征在于第1二向色镜和第2二向色镜镀有薄膜，对泵浦波长激光高反R＞97％@975nm，而对出射波长激光具有高透T＞85％@1080nm。

6.如权利要求1所述的可调谐掺镱双包层光纤激光器，其特征在于第1二向色镜和第2二向色镜以45°角平行放置。

7.如权利要求1所述的可调谐掺镱双包层光纤激光器，其特征在于第1平凸镜和第2平凸镜具有相同的焦距。

8.如权利要求7所述的可调谐掺镱双包层光纤激光器，其特征在于焦距为22～28mm。

9.如权利要求1所述的可调谐掺镱双包层光纤激光器，其特征在于第3平凸镜的焦距为48～52mm。

10.如权利要求1所述的可调谐掺镱双包层光纤激光器，其特征在于泵浦源发射的泵浦光中心波长与双包层光纤的纤芯材料吸收波长相同。

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