CN219458292U - 直接泵浦的被动调q光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种直接泵浦的被动调Q光纤激光器，通过在光纤段的第一纵向断面和第二纵向断面处分别设置第一激光反射元件和第二激光反射元件，第一激光反射元件的激光反射率比第二激光反射元件高；在第二纵向断面和第二激光反射元件之间设置可饱和吸收体，半导体激光器泵浦产生888nm泵浦激光耦合进入到由两个激光反射元件与光纤段形成的激光谐振腔，并经可饱和吸收体饱和吸收之后，在第二激光反射元件处产生向外发射的激光。采用可饱和吸收体作为被动Q开关的同时，也起到模式选择器的作用，通过设计腔结构甚至依靠可饱和吸收体的模式自然选择效应就能够实现单纵模输出，使激光器不仅可实现单纵模脉冲激光的高输出，而且激光器结构更具紧凑型。

Description

直接泵浦的被动调Q光纤激光器

技术领域

本实用新型涉及脉冲激光器技术领域，尤其涉及一种直接泵浦的被动调Q光纤激光器。

背景技术

窄脉宽高能量的脉冲激光在很多领域都有很广泛的应用，如激光测距、激光光谱学、医疗美容和军事领域等。对于产生脉冲激光，一种简单的方法是通过声光调制或电光调制对连续波激光器进行外部调制。尽管脉冲参数易于控制，但这种方法产生的激光信号衰减严重，应用时需要几个放大级才能达到所需要强度的激光信号。Q开关是一种能够获得可观输出功率和高光束质量激光的合适设备，受到了研究人员的广泛关注。与需要通过额外控制器来生成调制信号的主动调Q激光器相比，被动调Q激光具有紧凑、简单、可靠和易于使用，以及设计灵活的优点。

然而，被动调Q光纤激光器在实现单纵模性能方面仍然遇到困难。多纵模振荡现象是由窄纵模间隔的长腔长度引起的。因此，应采用模式选择机制，如可饱和吸收体、法布里-珀罗干涉仪和其他复杂结构，但激光的集成变得更加困难。与大纵向模式间隔相对应的短腔长度可以确保稳定的单纵模性能，但是在腔中使用较短的增益光纤则限制了被动调Q光纤激光器的输出功率。

因此，如何获得高输出功率的单纵模被动调Q光纤激光器是目前需要解决的一个技术问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种直接泵浦的被动调Q光纤激光器。该直接泵浦的被动调Q光纤激光器能够产生高输出功率的单纵模脉冲激光。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：直接泵浦的被动调Q光纤激光器，其特征在于，包括：

光纤段，具有包层和纤芯，包层包覆在纤芯的外侧；其中，该光纤段的一端具有被纵向切割而成的第一纵向断面，该光纤段的另一端具有被纵向切割而成的第二纵向断面，所述光纤段为掺钕磷酸盐光纤；

第一激光反射元件，设置在光纤段的第一纵向断面处；

第二激光反射元件，设置在光纤段的第二纵向断面处；

可饱和吸收体，设置在第二纵向断面和第二激光反射元件之间，且该可饱和吸收体与第二激光反射元件平齐；其中，第一激光反射元件、光纤段以及第二激光反射元件形成激光谐振腔，第一激光反射元件的反射率大于第二激光反射元件的反射率；以及，

受控的激光器泵浦，用于发射经第一激光反射元件耦合到激光谐振腔内且在第二激光反射元件处产生激光的泵浦激光。

优选地，所述第一纵向断面和所述第二纵向断面均为经平整化切割处理的断面。

优选地，所述第一激光反射元件为针对所述激光做全反射的元件，所述第二激光反射元件为针对所述激光做部分反射的元件。

优选地，所述第一激光反射元件和所述第二激光反射元件均为二向色镜。

优选地，所述的可饱和吸收体为晶体；或者，所述的可饱和吸收体为二维材料；或者，所述的可饱和吸收体为半导体饱和吸收镜。

优选地，所述激光器泵浦为888nm半导体激光器泵浦。

优选地，所述第一激光反射元件对888nm激光高透过，且对1054nm激光高反射；所述第二激光反射元件对1054nm激光做部分反射。

优选地，所述泵浦激光的激光中心波长为1054nm。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：在该实用新型的直接泵浦的被动调Q光纤激光器中，通过采用可饱和吸收体作为被动Q开关的同时，该可饱和吸收体也可以起到模式选择器的作用，并依靠第一激光反射元件、光纤段以及第二激光反射元件所形成的激光谐振腔结构，甚至单独依靠可饱和吸收体的模式自然选择效应就能够实现激光的单纵模输出；而且由于光纤段使用的是掺钕磷酸盐光纤，得益于其对稀土离子具有相对较高的溶解度，确保了使用极短的有源光纤(掺钕磷酸盐光纤)也能获得较高功率的激光输出，且该被动调Q光纤激光器结构紧凑。

附图说明

图1为本实用新型实施例中直接泵浦的被动调Q光纤激光器示意图；

图2为图1所示被动调Q光纤激光器的制造方法流程示意图；

图3为本实用新型实施例中的经纵向切割后所得光纤段的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

实施例一

本实施例提供一种直接泵浦的被动调Q光纤激光器。参见图1所示，该直接泵浦的被动调Q光纤激光器包括光纤段1、第一激光反射元件4、第二激光反射元件5以及受控的激光器泵浦6，光纤段1为掺钕磷酸盐光纤，光纤段1具有包层2和纤芯3，包层2包覆在纤芯3的外侧；其中，该光纤段1的一端具有被纵向切割而成的第一纵向断面11，该光纤段1的另一端具有被纵向切割而成的第二纵向断面12，第一纵向断面11和第二纵向断面12均为经平整化切割处理的断面，第一激光反射元件4设置在光纤段1的第一纵向断面11处，第一激光反射元件4优选设置成与第一纵向断面11正对设置，第二激光反射元件5设置在光纤段1的第二纵向断面12处，第二激光反射元件5优选设置成与第二纵向断面12正对设置，可饱和吸收体7设置在第二纵向断面12和第二激光反射元件5之间，且该可饱和吸收体7与第二激光反射元件5平齐。其中，此处的第一激光反射元件4、光纤段1以及第二激光反射元件5形成线型的激光谐振腔，第一激光反射元件4的反射率大于第二激光反射元件5的反射率，激光器泵浦6发射连续泵浦激光B，经第一激光反射元件4入射到增益的光纤段1，然后发射到可饱和吸收体7，最后经过可饱和吸收体7后到达第二激光反射元件5，并输出中心波长为1054nm的激光。其中，该激光器泵浦6为888nm的半导体激光器泵浦，该888nm半导体激光器泵浦的掺钕磷酸盐光纤激光器具有更小的量子亏损和更大的光纤散热面积。

至于该实施例中的两个激光反射元件，第一激光反射元件4为对激光A做全反射的二向色镜，第二激光反射元件5为针对激光A做部分反射的二向色镜；另外该实施例中的可饱和吸收体为Cr:YAG晶体。

为了控制上述所得掺钕磷酸盐光纤激光器的输出功率和功率稳定性，还可以增加设置对光纤段1进行散热处理的光纤散热装置。当然，也可以通过调整控制激光器泵浦的功率以及光纤散热装置来控制该掺钕磷酸盐光纤激光器的输出功率和功率稳定性。

可饱和吸收体工作原理是：泵浦过程开始时，可饱和吸收体对腔内弱自发辐射光的吸收系数较大，无法形成激光振荡，此阶段增益介质逐渐形成反转粒子数密度差；随着增益介质上能级反转能量的逐渐积累，自发辐射也在增强，腔内损耗随之降低，此消彼长直到增益平衡损耗，振荡激光随即产生。此后可饱和吸收体吸收系数继续减小，直到“漂白”。此时前一阶段积累的反转粒子数雪崩般跃迁到基态能级，受激辐射急剧增长，直到腔内损耗等于增益，光强达到最大值；腔内光强达到最大值后增益小于损耗，直到光强触底一个完整脉冲结束；在泵浦光作用下增益介质再次积累反转粒子数，开始下一脉冲的周期。

该实施例还提供了上述被动调Q光纤激光器的制造方法，参见图2所示。具体步骤参见如下：

步骤1，取待用的掺钕磷酸盐光纤，并对该掺钕磷酸盐光纤做纵向切割，得到一段经纵向切割而成的光纤段1；其中，该实施例中的掺钕磷酸盐光纤作为增益光纤，该光纤段1具有包层2和纤芯3，包层2包覆在纤芯3的外侧，该光纤段1的一端具有被纵向切割而成的第一纵向断面11，该光纤段1的另一端具有被纵向切割而成的第二纵向断面12，第一纵向断面11和第二纵向断面12均做平整化切割处理；在对该掺钕磷酸盐光纤做纵向切割时，可以利用软玻璃光纤切割刀按照0°角垂直切割上述掺钕磷酸盐光纤的端部端面，此处所得光纤段1的情况参见图3所示；

步骤2，在光纤段1的第一纵向断面11处设置第一激光反射元件4，并在光纤段1的第二纵向断面12处设置第二激光反射元件5，可饱和吸收体7设置在第二纵向断面12和第二激光反射元件5之间，可饱和吸收体7与第二激光反射元件5平齐；其中，第一激光反射元件4、光纤段1以及第二激光反射元件5形成激光谐振腔，第一激光反射元件4的反射率大于第二激光反射元件5的反射率；此处的激光谐振腔为一个线型激光谐振腔；具体地，第一激光反射元件4为对激光A做全反射的二向色镜，第二激光反射元件5为针对激光A做部分反射的二向色镜；

步骤3，令受控的888nm激光器泵浦6发射连续泵浦光B，经第一激光反射元件4入射到增益光纤段1，然后发射到可饱和吸收体7，最后经过可饱和吸收体7后到达第二激光反射元件5输出中心波长为1054nm的激光A。其中，该888nm的半导体激光器泵浦的泵浦激光通过准直聚焦系统耦合到激光谐振腔。

与现有技术相比，该实施例中基于888nm半导体激光器泵浦的被动调Q光纤激光器具有更小的量子亏损和更大的光纤散热面积，可以有效地缓解热问题对掺钕磷酸盐光纤激光器的不利影响，减小激光热效应，提高光学转换效率，从而大大提高掺钕磷酸盐光纤激光器的输出功率和功率稳定性；以及由于可饱和吸收体具有被动调Q的慢饱和吸收特性，只需通过优化可饱和吸收体的初始透过率、激光谐振腔的腔长和输出镜反射率等参数，而不用在两面线性腔中插入其他模式选择器就可以实现单纵模脉冲激光的输出，如此可以使得激光器的结构更具紧凑型。

实施例二

本实施例提供一种直接泵浦的被动调Q光纤激光器。参见图1所示，该直接泵浦的被动调Q光纤激光器包括光纤段1、第一激光反射元件4、第二激光反射元件5以及受控的激光器泵浦6，光纤段1为掺钕磷酸盐光纤，光纤段1具有包层2和纤芯3，包层2包覆在纤芯3的外侧；其中，该光纤段1的一端具有被纵向切割而成的第一纵向断面11，该光纤段1的另一端具有被纵向切割而成的第二纵向断面12，第一纵向断面11和第二纵向断面12均为经平整化切割处理的断面，第一激光反射元件4设置在光纤段1的第一纵向断面11处，第一激光反射元件4优选设置成与第一纵向断面11正对设置，第二激光反射元件5设置在光纤段1的第二纵向断面12处，第二激光反射元件5优选设置成与第二纵向断面12正对设置，可饱和吸收体7设置在第二纵向断面12和第二激光反射元件5之间，且该可饱和吸收体7与第二激光反射元件5平齐。其中，此处的第一激光反射元件4、光纤段1以及第二激光反射元件5形成线型的激光谐振腔，第一激光反射元件4的反射率大于第二激光反射元件5的反射率，激光器泵浦6发射连续泵浦激光B，经第一激光反射元件4入射到增益的光纤段1，然后发射到可饱和吸收体7，最后经过可饱和吸收体7后到达第二激光反射元件5，并输出中心波长为1054nm的激光。其中，该激光器泵浦6为888nm的半导体激光器泵浦，该888nm半导体激光器泵浦的掺钕磷酸盐光纤激光器具有更小的量子亏损和更大的光纤散热面积。

至于该实施例中的两个激光反射元件，第一激光反射元件4为对激光A做全反射的二向色镜，第二激光反射元件5为针对激光A做部分反射的二向色镜；另外该实施例中的可饱和吸收体为二维材料石墨烯。

为了控制上述所得掺钕磷酸盐光纤激光器的输出功率和功率稳定性，还可以增加设置对光纤段1进行散热处理的光纤散热装置。当然，也可以通过调整控制激光器泵浦的功率以及光纤散热装置来控制该掺钕磷酸盐光纤激光器的输出功率和功率稳定性。

可饱和吸收体工作原理是：泵浦过程开始时，可饱和吸收体对腔内弱自发辐射光的吸收系数较大，无法形成激光振荡，此阶段增益介质逐渐形成反转粒子数密度差；随着增益介质上能级反转能量的逐渐积累，自发辐射也在增强，腔内损耗随之降低，此消彼长直到增益平衡损耗，振荡激光随即产生。此后可饱和吸收体吸收系数继续减小，直到“漂白”。此时前一阶段积累的反转粒子数雪崩般跃迁到基态能级，受激辐射急剧增长，直到腔内损耗等于增益，光强达到最大值；腔内光强达到最大值后增益小于损耗，直到光强触底一个完整脉冲结束；在泵浦光作用下增益介质再次积累反转粒子数，开始下一脉冲的周期。

该实施例还提供了上述被动调Q光纤激光器的制造方法，参见图2所示。具体步骤参见如下：

步骤1，取待用的掺钕磷酸盐光纤，并对该掺钕磷酸盐光纤做纵向切割，得到一段经纵向切割而成的光纤段1；其中，该实施例中的掺钕磷酸盐光纤作为增益光纤，该光纤段1具有包层2和纤芯3，包层2包覆在纤芯3的外侧，该光纤段1的一端具有被纵向切割而成的第一纵向断面11，该光纤段1的另一端具有被纵向切割而成的第二纵向断面12，第一纵向断面11和第二纵向断面12均做平整化切割处理；在对该掺钕磷酸盐光纤做纵向切割时，可以利用软玻璃光纤切割刀按照0°角垂直切割上述掺钕磷酸盐光纤的端部端面，此处所得光纤段1的情况参见图3所示；

步骤2，在光纤段1的第一纵向断面11处设置第一激光反射元件4，并在光纤段1的第二纵向断面12处设置第二激光反射元件5，可饱和吸收体7设置在第二纵向断面12和第二激光反射元件5之间，可饱和吸收体7与第二激光反射元件5平齐；其中，第一激光反射元件4、光纤段1以及第二激光反射元件5形成激光谐振腔，第一激光反射元件4的反射率大于第二激光反射元件5的反射率；此处的激光谐振腔为一个线型激光谐振腔；具体地，第一激光反射元件4为对激光A做全反射的二向色镜，第二激光反射元件5为针对激光A做部分反射的二向色镜；

步骤3，令受控的888nm激光器泵浦6发射连续泵浦光B，经第一激光反射元件4入射到增益光纤段1，然后发射到可饱和吸收体7，最后经过可饱和吸收体7后到达第二激光反射元件5输出中心波长为1054nm的激光A。其中，该888nm的半导体激光器泵浦的泵浦激光通过准直聚焦系统耦合到激光谐振腔。

与现有技术相比，该实施例中基于888nm半导体激光器泵浦的被动调Q光纤激光器具有更小的量子亏损和更大的光纤散热面积，可以有效地缓解热问题对掺钕磷酸盐光纤激光器的不利影响，减小激光热效应，提高光学转换效率，从而大大提高掺钕磷酸盐光纤激光器的输出功率和功率稳定性；以及由于可饱和吸收体具有被动调Q的慢饱和吸收特性，只需通过优化可饱和吸收体的初始透过率、激光谐振腔的腔长和输出镜反射率等参数，而不用在两面线性腔中插入其他模式选择器就可以实现单纵模脉冲激光的输出，如此可以使得激光器的结构更具紧凑型。

实施例三

本实施例提供一种直接泵浦的被动调Q光纤激光器。参见图1所示，该直接泵浦的被动调Q光纤激光器包括光纤段1、第一激光反射元件4、第二激光反射元件5以及受控的激光器泵浦6，光纤段1为掺钕磷酸盐光纤，光纤段1具有包层2和纤芯3，包层2包覆在纤芯3的外侧；其中，该光纤段1的一端具有被纵向切割而成的第一纵向断面11，该光纤段1的另一端具有被纵向切割而成的第二纵向断面12，第一纵向断面11和第二纵向断面12均为经平整化切割处理的断面，第一激光反射元件4设置在光纤段1的第一纵向断面11处，第一激光反射元件4优选设置成与第一纵向断面11正对设置，第二激光反射元件5设置在光纤段1的第二纵向断面12处，第二激光反射元件5优选设置成与第二纵向断面12正对设置，可饱和吸收体7设置在第二纵向断面12和第二激光反射元件5之间，且该可饱和吸收体7与第二激光反射元件5平齐。其中，此处的第一激光反射元件4、光纤段1以及第二激光反射元件5形成线型的激光谐振腔，第一激光反射元件4的反射率大于第二激光反射元件5的反射率，激光器泵浦6发射连续泵浦激光B，经第一激光反射元件4入射到增益的光纤段1，然后发射到可饱和吸收体7，最后经过可饱和吸收体7后到达第二激光反射元件5，并输出中心波长为1054nm的激光。其中，该激光器泵浦6为888nm的半导体激光器泵浦，该888nm半导体激光器泵浦的掺钕磷酸盐光纤激光器具有更小的量子亏损和更大的光纤散热面积。

至于该实施例中的两个激光反射元件，第一激光反射元件4为对激光A做全反射的二向色镜，第二激光反射元件5为针对激光A做部分反射的二向色镜；另外该实施例中的可饱和吸收体为半导体饱和吸收镜SESAM。

为了控制上述所得掺钕磷酸盐光纤激光器的输出功率和功率稳定性，还可以增加设置对光纤段1进行散热处理的光纤散热装置。当然，也可以通过调整控制激光器泵浦的功率以及光纤散热装置来控制该掺钕磷酸盐光纤激光器的输出功率和功率稳定性。

可饱和吸收体工作原理是：泵浦过程开始时，可饱和吸收体对腔内弱自发辐射光的吸收系数较大，无法形成激光振荡，此阶段增益介质逐渐形成反转粒子数密度差；随着增益介质上能级反转能量的逐渐积累，自发辐射也在增强，腔内损耗随之降低，此消彼长直到增益平衡损耗，振荡激光随即产生。此后可饱和吸收体吸收系数继续减小，直到“漂白”。此时前一阶段积累的反转粒子数雪崩般跃迁到基态能级，受激辐射急剧增长，直到腔内损耗等于增益，光强达到最大值；腔内光强达到最大值后增益小于损耗，直到光强触底一个完整脉冲结束；在泵浦光作用下增益介质再次积累反转粒子数，开始下一脉冲的周期。

该实施例还提供了上述被动调Q光纤激光器的制造方法，参见图2所示。具体步骤参见如下：

步骤1，取待用的掺钕磷酸盐光纤，并对该掺钕磷酸盐光纤做纵向切割，得到一段经纵向切割而成的光纤段1；其中，该实施例中的掺钕磷酸盐光纤作为增益光纤，该光纤段1具有包层2和纤芯3，包层2包覆在纤芯3的外侧，该光纤段1的一端具有被纵向切割而成的第一纵向断面11，该光纤段1的另一端具有被纵向切割而成的第二纵向断面12，第一纵向断面11和第二纵向断面12均做平整化切割处理；在对该掺钕磷酸盐光纤做纵向切割时，可以利用软玻璃光纤切割刀按照0°角垂直切割上述掺钕磷酸盐光纤的端部端面，此处所得光纤段1的情况参见图3所示；

步骤2，在光纤段1的第一纵向断面11处设置第一激光反射元件4，并在光纤段1的第二纵向断面12处设置第二激光反射元件5，可饱和吸收体7设置在第二纵向断面12和第二激光反射元件5之间，可饱和吸收体7与第二激光反射元件5平齐；其中，第一激光反射元件4、光纤段1以及第二激光反射元件5形成激光谐振腔，第一激光反射元件4的反射率大于第二激光反射元件5的反射率；此处的激光谐振腔为一个线型激光谐振腔；具体地，第一激光反射元件4为对激光A做全反射的二向色镜，第二激光反射元件5为针对激光A做部分反射的二向色镜；

步骤3，令受控的888nm激光器泵浦6发射连续泵浦光B，经第一激光反射元件4入射到增益光纤段1，然后发射到可饱和吸收体7，最后经过可饱和吸收体7后到达第二激光反射元件5输出中心波长为1054nm的激光A。其中，该888nm的半导体激光器泵浦的泵浦激光通过准直聚焦系统耦合到激光谐振腔。

与现有技术相比，该实施例中基于888nm半导体激光器泵浦的被动调Q光纤激光器具有更小的量子亏损和更大的光纤散热面积，可以有效地缓解热问题对掺钕磷酸盐光纤激光器的不利影响，减小激光热效应，提高光学转换效率，从而大大提高掺钕磷酸盐光纤激光器的输出功率和功率稳定性；以及由于可饱和吸收体具有被动调Q的慢饱和吸收特性，只需通过优化可饱和吸收体的初始透过率、激光谐振腔的腔长和输出镜反射率等参数，而不用在两面线性腔中插入其他模式选择器就可以实现单纵模脉冲激光的输出，如此可以使得激光器的结构更具紧凑型。

Claims (8)

1.直接泵浦的被动调Q光纤激光器，其特征在于，包括：

光纤段(1)，具有包层(2)和纤芯(3)，包层(2)包覆在纤芯(3)的外侧；其中，该光纤段(1)的一端具有被纵向切割而成的第一纵向断面(11)，该光纤段(1)的另一端具有被纵向切割而成的第二纵向断面(12)，光纤段(1)为掺钕磷酸盐光纤；

第一激光反射元件(4)，设置在光纤段(1)的第一纵向断面(11)处；

第二激光反射元件(5)，设置在光纤段(1)的第二纵向断面(12)处；

可饱和吸收体(7)，设置在第二纵向断面(12)和第二激光反射元件(5)之间，且该可饱和吸收体(7)与第二激光反射元件(5)平齐；其中，第一激光反射元件(4)、光纤段(1)以及第二激光反射元件(5)形成激光谐振腔，第一激光反射元件(4)的反射率大于第二激光反射元件(5)的反射率；以及，

受控的激光器泵浦(6)，用于发射经第一激光反射元件(4)耦合到激光谐振腔内且在第二激光反射元件(5)处产生激光(A)的泵浦激光。

2.根据权利要求1所述的直接泵浦的被动调Q光纤激光器，其特征在于，所述第一纵向断面(11)和所述第二纵向断面(12)均为经平整化切割处理的断面。

3.根据权利要求1所述的直接泵浦的被动调Q光纤激光器，其特征在于，所述第一激光反射元件(4)为针对所述激光(A)做全反射的元件，所述第二激光反射元件(5)为针对所述激光(A)做部分反射的元件。

4.根据权利要求3所述的直接泵浦的被动调Q光纤激光器，其特征在于，所述第一激光反射元件(4)和所述第二激光反射元件(5)均为二向色镜。

5.根据权利要求1所述的直接泵浦的被动调Q光纤激光器，其特征在于，所述可饱和吸收体(7)为晶体；或者，所述可饱和吸收体(7)为二维材料；或者，所述可饱和吸收体(7)为半导体饱和吸收镜。

6.根据权利要求1～5任一项所述的直接泵浦的被动调Q光纤激光器，其特征在于，所述激光器泵浦(6)为888nm半导体激光器泵浦。

7.根据权利要求1～5任一项所述的直接泵浦的被动调Q光纤激光器，其特征在于，所述第一激光反射元件(4)对888nm激光高透过，且对1054nm激光高反射；所述第二激光反射元件(5)对1054nm激光做部分反射。

8.根据权利要求1～5任一项所述的直接泵浦的被动调Q光纤激光器，其特征在于，所述泵浦激光的激光中心波长为1054nm。