專利名稱：大功率雙包層光纖激光器端面泵浦方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于大功率光纖激光器泵浦技術，具體是指大功率雙包層光纖激光 器端面泵浦方法及其裝置。
背景技術：
大功率雙包層光纖激光器由于其本身具有光束質(zhì)量好、效率高、易于散熱 和易于實現(xiàn)高功率等特點，近年來發(fā)展迅速，已經(jīng)成為高精度激光加工、激光 雷達系統(tǒng)、高速光通信及目標指示等領域中的重要光源，在國防軍事領域更有 著廣泛的應用前景，因此，高功率光纖激光器已經(jīng)受到各國政府、科學界和企 業(yè)界的高度重視。
要實現(xiàn)雙包層光纖激光器的大功率輸出，泵浦技術是其關鍵。目前常用的 泵浦方法主要分為光纖端面泵浦和側面泵浦兩種。光纖側面泵浦技術中有代表
性的主要有v形槽泵浦技術、微棱鏡泵浦技術和樹杈形光纖泵浦技術。v形槽 技術是在裸露的內(nèi)包層上刻蝕一個v形槽，槽的表面磨拋成光學平面，二極管 泵浦光經(jīng)微透鏡聚焦于v形槽的一邊側面并全反射進入內(nèi)包層，實施對摻雜纖
芯的泵浦。這種技術雖然可以獲得較高的泵浦效率，但會對光纖的機械性能造
成一定影響，且v形槽刻蝕工藝較為復雜。微棱鏡技術是將微棱鏡用光學膠粘
貼于裸露的內(nèi)包層上，然后用透鏡將泵浦光聚焦在微棱鏡上進行泵浦。該技術 雖然可以實現(xiàn)多點泵浦，但微棱鏡的尺寸太小，加工難度較大，二極管抽運光 還要通過透鏡或非球面鏡聚焦到微棱鏡上，整個耦合系統(tǒng)較為復雜。樹形光纖
泵浦技術是IPG公司的專利，該技術十分先進。但樹形光纖的拉制工藝要求很 高，國內(nèi)雖有不少科研機構對其進行研制，并取得一定進展，但仍未能拉制出 理想的樹形光纖。
因此，目前實驗室研制大功率雙包層光纖激光器時，較為常用的仍是端面 泵浦技術，利用透鏡耦合系統(tǒng)將泵浦光聚焦到雙包層光纖的內(nèi)包層上。這就要 求透鏡組的數(shù)值孔徑和聚焦光斑大小與雙包層光纖相匹配?？墒怯捎诒闷止馐?整形質(zhì)量不高，透鏡系統(tǒng)存在像差等原因，使得在滿足數(shù)值孔徑匹配的情況下， 聚焦光斑往往大于雙包層光纖內(nèi)包層的尺寸，使得相當一部分泵浦光不能進入
內(nèi)包層而逸射到光纖外面去，導致泵浦效率較低。為進一步提高泵浦效率，常 用的方法是利用非球面透鏡對泵浦光束進行整形，并采用精密設計的透鏡耦合 系統(tǒng)。這就使得加工裝配精度要求高，且整形耦合系統(tǒng)的價格非常昂貴，不利 于產(chǎn)品的商業(yè)化。另一方面，現(xiàn)有的透鏡耦合方式對整個光學系統(tǒng)的精密性要 求非常高，耦合系統(tǒng)的微小偏差(比如振動使得焦斑位置發(fā)生變化)都能直接 影響整個系統(tǒng)的泵浦效率，使得系統(tǒng)不穩(wěn)定，這就給系統(tǒng)的集成帶來困難。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點和不足，提出一種大功率雙 包層光纖激光器端面泵浦方法，其不需對泵浦光束進行整形，既能充分利用 逸散到光纖外的泵浦光，使之重新進入光纖，又能提高透鏡耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性。
本發(fā)明的另一目的在于提供實現(xiàn)上述大功率雙包層光纖激光器端面泵浦 方法的大功率雙包層光纖激光器端面泵浦裝置。
本發(fā)明的目的通過下述技術方案實現(xiàn)本大功率雙包層光纖激光器端面泵 浦方法，是指首先使雙包層光纖去掉涂覆層和外包層后的內(nèi)包層及纖芯部分 (即裸纖)的光纖端面位于兩塊開有中心孔的共焦凹面鏡的焦點上，然后從激 光器發(fā)出的泵浦光經(jīng)透鏡耦合系統(tǒng)聚焦后通過第一塊凹面鏡的中心孔入射，并 使焦斑也位于共焦凹面鏡的焦點上，泵浦光從光纖端面進入光纖，當焦斑尺寸 比內(nèi)包層端面尺寸大時，初次泵浦不能直接進入光纖而逸出的的泵浦光在兩塊 共焦凹面鏡間來回振蕩反射，并不斷進入光纖。
實現(xiàn)上述大功率雙包層光纖激光器端面泵浦方法的大功率雙包層光纖激 光器端面泵浦裝置，包括激光器(通常采用LD泵浦激光器)、透鏡耦合系統(tǒng)， 所述透鏡耦合系統(tǒng)后沿光路方向還依次設置有前、后兩塊共焦凹面鏡，所述前、 后凹面鏡表面均鍍有對泵浦光的高反射膜；前、后凹面鏡均開有中心孔，激光 器發(fā)出的泵浦光經(jīng)透鏡耦合系統(tǒng)聚焦后通過前凹面鏡的中心孔入射，且焦斑也 位于前、后凹面鏡的焦點上；后凹面鏡的中心孔通過光學膠與裸纖粘結，且裸 纖的光纖端面位于前、后凹面鏡的焦點上。
為更好地實現(xiàn)本發(fā)明，所述前、后凹面鏡為球面鏡，也可以是拋物面鏡或 橢球面鏡。
后凹面鏡的焦距比前凹面鏡的焦距大0. 1至0. 4mm。
所述前、后凹面鏡的中心孔的孔徑分別為r,和^，且。-y;.i^，其中y;為
前凹面鏡的焦距，^4為內(nèi)包層的數(shù)值孔徑；^等于內(nèi)包層的半徑。所述高反膜反射率大于97% 。
所述光學膠折射率與雙包層光纖外包層的折射率匹配。
本發(fā)明的工作原理是泵浦激光束經(jīng)透鏡耦合系統(tǒng)聚焦入射到光纖端面 后，即使焦斑尺寸比內(nèi)包層尺寸大，由于光纖端面恰位于共焦凹面鏡的焦點上， 逸出的泵浦光經(jīng)后凹面鏡反射后就會變成近乎平行的光束，然后射在前凹面鏡 上，這些平行光束又再次會聚于光纖端面上。如果再有逸出，就會按照上述過 程進行第二回合的會聚。這樣，經(jīng)過多次振蕩反射入纖后，就能極大的提高入 纖耦合效率。而且，由于后凹面鏡的焦距比前凹面鏡的焦距略大，故平行光束 的尺寸在振蕩過程中會越來越大，其被前凹面鏡聚焦形成的焦斑尺寸將越來越 小(這是由高斯光束的變換特性決定的)，這顯然有利于耦合。另一方面，由 于凹面鏡微小像差等原因，使得部分平行光束(尤其是離光軸較遠的部分)經(jīng) 反射后未必恰好聚焦于光纖端面，而往往射在靠近光纖端面的側面上。這部分 泵浦光在穿越裸纖內(nèi)包層及纖芯后，從裸纖的另一側射出。由于入射點非?？?近雙凹面鏡的焦點，故透射光束依靠共焦雙凹面鏡的振蕩反射，在多次穿越光 纖時仍可被摻雜纖芯不斷吸收。這樣，泵浦光束就可獲得充分利用，從而有效 的提高耦合效率。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點和有益效果
(1) 利用兩塊共焦凹面鏡，使得那些經(jīng)初次泵浦不能進入光纖的泵浦 光在凹面鏡間來回振蕩反射聚焦，并不斷進入內(nèi)包層，從而可以方便自然地 提高泵浦效率。
(2) 本發(fā)明提供的光纖端面泵浦方法不需對泵浦光束進行特殊整形， 也不需透鏡組的數(shù)值孔徑和聚焦光斑大小與雙包層光纖完全匹配，可以直接 對透鏡耦合系統(tǒng)進行改造，有利于降低成本，并且方法簡單易行，對試驗條 件有更為廣泛的適應性。
(3) 即使透鏡耦合系統(tǒng)由于外部因素(如振動)使得焦斑略為偏離雙 包層光纖的內(nèi)包層，利用本發(fā)明提供的基于共焦雙凹面鏡振蕩反射入纖的端 面泵浦方法，也能將外部因素對泵浦效率的影響減小到最低限度，這有利于 提高透鏡耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而有利于實現(xiàn)透鏡耦合系統(tǒng)的集成及產(chǎn)品的 商業(yè)化。
(4) 基于本發(fā)明的端面泵浦方法，不僅適用于雙包層光纖，也適用于 普通的多模光纖甚至單模光纖的耦合。
圖1是本發(fā)明所述雙包層光纖結構示意圖； 圖2a、 2b分別是本發(fā)明所述共焦凹面鏡俯視圖及側視圖； 圖3是本發(fā)明大功率雙包層光纖激光器端面泵浦裝置的結構示意圖； 圖4是激光束在本發(fā)明所述共焦雙凹面鏡間振蕩反射入纖原理圖。
具體實施例方式
下面結合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施 方式不限于此。 實施例
如圖1所示，本發(fā)明所采用的雙包層光纖從內(nèi)至外由纖芯l、內(nèi)包層2、 外包層3、涂覆層4組成，本實施例中的雙包層光纖的參數(shù)為纖芯l直徑 20±2//m;內(nèi)包層2直徑130±15//附；外包層3直徑300±20//附；纖芯數(shù)
值孔徑NA. 1: 0.06士0.01;內(nèi)包層2數(shù)值孔徑NA.2: 0.45±0.01。
如圖2所示，本發(fā)明所采用的凹面鏡示意圖，前、后凹面鏡為球面鏡，也 可以是拋物面鏡或橢球面鏡。凹面鏡鏡體5材料為Si02，其中心孔6可用高 功率飛秒脈沖激光器打出。本實施例中采用的飛秒脈沖激光器波長為810± 2nm，脈沖寬度為80fs，峰值功率為1000kw，光斑直徑在100//附 7mm之間可 調(diào)。前凹面鏡9和后凹面鏡10的中心孔半徑分別為。和^，且^乂.(7VA2)，其 中《為凹面鏡9的焦距，^4.2為內(nèi)包層的數(shù)值孔徑；^約等于光纖去掉涂覆層 和外包層后所剩裸纖11的半徑。之后，在凹面鏡9和10表面鍍上對泵浦光的 高反膜(反射率大于97%)。兩塊凹面鏡共焦放置，其中凹面鏡10的焦距比 凹面鏡9的焦距略大，在本例中，約大0.2mm。
如圖3所示，本大功率雙包層光纖激光器端面泵浦裝置，包括LD泵浦激 光器7、透鏡耦合系統(tǒng)8，透鏡耦合系統(tǒng)8后沿光路方向還依次設置有前、后 兩塊共焦凹面鏡9、 i0，能、后凹面鏡9、 i0表面均鍍有對泵浦光的高反射膜； 前、后凹面鏡9、 10均開有中心孔6，將雙包層光纖去掉涂覆層4和外包層3 后僅剩下裸纖11，裸纖長度等于凹面鏡10的焦距。在裸纖11末端側面和凹 面鏡10的中心小孔內(nèi)壁分別涂上光學膠(其折射率與雙包層光纖外包層的折 射率匹配)，然后將裸纖11從凹面鏡10的中心小孔伸入，并使光纖端面恰位 于共焦凹面鏡9、 IO的焦點上，待光學膠固化后，光纖即與凹面鏡10牢固地 連接在一起。激光器7發(fā)射的激光束經(jīng)透鏡耦合系統(tǒng)8聚束后經(jīng)凹面鏡9的中
心孔6入射，并使焦斑也位于共焦凹面鏡9、 IO的焦點上。由于受到中心孔6 的限制，入射泵浦光束的數(shù)值孔徑A^3asin(arctanATA2)〈A^.2，故滿足數(shù)值孔徑 匹配條件，并留有一定余地，為接下來的雙凹面鏡振蕩反射入纖創(chuàng)造條件。
本大功率雙包層光纖激光器端面泵浦裝置是這樣實現(xiàn)端面泵浦過程的-
首先使雙包層光纖的裸纖ll (內(nèi)包層2及纖芯1部分)的光纖端面位于 兩塊開有中心孔6的共焦凹面鏡9、 10的焦點上，然后從激光器7發(fā)出的泵浦 光經(jīng)透鏡耦合系統(tǒng)8聚焦后通過前凹面鏡9的中心孔6入射，并使焦斑也位于 共焦凹面鏡9、 IO的焦點上，從而泵浦光從光纖端面進入光纖；
泵浦激光束經(jīng)透鏡耦合系統(tǒng)8聚焦入射到光纖端面后，即使焦斑尺寸比 內(nèi)包層2尺寸大，由于光纖端面恰位于共焦凹面鏡9、 IO的焦點上，逸出的泵 浦光經(jīng)后凹面鏡10反射后就會變成近乎平行的光束，然后射在前凹面鏡9上， 這些平行光束又再次會聚于光纖端面上。如果再有逸出，就會按照上述過程進 行第二回合的會聚。這樣，經(jīng)過多次振蕩反射入纖后，就能極大的提高入纖耦 合效率。而且，由于后凹面鏡10的焦距比前凹面鏡9的焦距略大，故平行光 束的尺寸在振蕩過程中會越來越大，其被前凹面鏡9聚焦形成的焦斑尺寸將越 來越小(這是由高斯光束的變換特性決定的)，這顯然有利于耦合。另一方面， 由于凹面鏡微小像差等原因，使得部分平行光束(尤其是離光軸較遠的部分) 經(jīng)反射后未必恰好聚焦于光纖端面，而往往射在靠近光纖端面的側面上。這部 分泵浦光在穿越裸纖ll內(nèi)包層2及纖芯1后，從裸纖ll的另一側射出。由于 入射點非?？拷p凹面鏡9、 IO的焦點，故透射光束依靠共焦雙凹面鏡9、 10 的振蕩反射，在多次穿越光纖時仍可被摻雜纖芯1不斷吸收。這樣，泵浦光束 就可獲得充分利用，從而有效的提高耦合效率。
本發(fā)明不僅適用于雙包層光纖，也適用于普通的多模光纖甚至單模光纖 的耦合。
如上所述，便可較好地實現(xiàn)本發(fā)明，上述實施例僅為本發(fā)明的較佳實施 例，并非用來限定本發(fā)明的實施范圍；即凡依本發(fā)明內(nèi)容所作的均等變化與 修飾，都為本發(fā)明權利要求所要求保護的范圍所涵蓋。
權利要求
1、大功率雙包層光纖激光器端面泵浦方法，其特征在于首先使雙包層光纖去掉涂覆層和外包層后的內(nèi)包層及纖芯部分即裸纖的光纖端面位于兩塊開有中心孔的共焦凹面鏡的焦點上，然后從激光器發(fā)出的泵浦光經(jīng)透鏡耦合系統(tǒng)聚焦后通過第一塊凹面鏡的中心孔入射，并使焦斑也位于共焦凹面鏡的焦點上，泵浦光從光纖端面進入光纖，當焦斑尺寸比內(nèi)包層端面尺寸大時，初次泵浦不能直接進入光纖而逸出的的泵浦光在兩塊共焦凹面鏡間來回振蕩反射，并不斷進入光纖。
2、 實現(xiàn)權利要求1所述大功率雙包層光纖激光器端面泵浦方法的大功率雙 包層光纖激光器端面泵浦裝置，包括激光器、透鏡耦合系統(tǒng)，其特征在于所 述透鏡耦合系統(tǒng)后沿光路方向還依次設置有前、后兩塊共焦凹面鏡，所述前、 后凹面鏡表面均鍍有對泵浦光的高反射膜；前、后凹面鏡均開有中心孔，激光 器發(fā)出的泵浦光經(jīng)透鏡耦合系統(tǒng)聚焦后通過前凹面鏡的中心孔入射，且焦斑也 位于前、后凹面鏡的焦點上；后凹面鏡的中心孔通過光學膠與裸纖粘結，且裸 纖的光纖端面位于位于前、后凹面鏡的焦點上。
3、 根據(jù)權利要求2所述大功率雙包層光纖激光器端面泵浦裝置，其特征在于所述前、后凹面鏡為球面鏡、拋物面鏡或橢球面鏡。
4、 根據(jù)權利要求2所述大功率雙包層光纖激光器端面泵浦裝置，其特征在 于后凹面鏡的焦距比前凹面鏡的焦距大O. l至0.4ram。
5、 根據(jù)權利要求2所述大功率雙包層光纖激光器端面泵浦裝置，其特征在 于所述前、后凹面鏡的中心孔的孔徑分別為r,和^，且^/.W，其中/為前 凹面鏡的焦距，A^為內(nèi)包層的數(shù)值孔徑；^等于內(nèi)包層的半徑。
6、 根據(jù)權利要求2所述大功率雙包層光纖激光器端面泵浦裝置，其特征在于所述高反膜反射率大于97%。
7、 根據(jù)權利要求2所述大功率雙包層光纖激光器端面泵浦裝置，其特征在于所述光學膠折射率與雙包層光纖外包層的折射率匹配。
全文摘要
本發(fā)明提供一種大功率雙包層光纖激光器端面泵浦方法，是指首先使雙包層光纖去掉涂覆層和外包層后的內(nèi)包層及纖芯部分即裸纖的光纖端面位于兩塊開有中心孔的共焦凹面鏡的焦點上，然后從激光器發(fā)出的泵浦光經(jīng)透鏡耦合系統(tǒng)聚焦后通過第一塊凹面鏡的中心孔入射，并使焦斑也位于共焦凹面鏡的焦點上，泵浦光從光纖端面進入光纖，當焦斑尺寸比內(nèi)包層端面尺寸大時，初次泵浦不能直接進入光纖而逸出的泵浦光在兩塊共焦凹面鏡間來回振蕩反射，并不斷進入光纖。本發(fā)明不需對泵浦光束進行整形，既能充分利用逸散到光纖外的泵浦光，使之重新進入光纖，又能提高透鏡耦合系統(tǒng)穩(wěn)定性，裝置成本低，簡單易行，還可適用于普通的多模光纖甚至單模光纖的耦合。
文檔編號H01S3/094GK101183771SQ20071003226
公開日2008年5月21日 申請日期2007年12月7日 優(yōu)先權日2007年12月7日
發(fā)明者吳俊芳, 潮 李, 斌 黃 申請人:華南理工大學