專利名稱：瓦級(jí)980nm單模摻鐿光纖激光器及其倍頻系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種瓦級(jí)980nm單模摻鐿光纖激光器和其倍頻系統(tǒng)，屬激 光技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光纖激光器是以摻有稀土離子的光纖作為增益介質(zhì)的激光器，隨著摻雜技 術(shù)不斷發(fā)展，摻雜光纖的設(shè)計(jì)與制造的水平也在逐步提高，加上高功率半導(dǎo) 體激光器的飛速發(fā)展，使得光纖激光器的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)在激光加工、激光醫(yī)療、 光通信及國(guó)防等應(yīng)用領(lǐng)域得到充分的發(fā)揮，與傳統(tǒng)的固體激光器競(jìng)爭(zhēng)，成為 當(dāng)前激光領(lǐng)域中發(fā)展最快的激光技術(shù)之一。
在眾多的摻雜光纖激光器中，摻鐿光纖激光器發(fā)展最為迅速。當(dāng)前高功率 的光纖激光器主要以四能級(jí)的摻鐿光纖激光器為主。與其他摻雜光纖激光器 相比，它不存在激發(fā)態(tài)吸收(ESA)，不存在濃度淬滅效應(yīng)和量子轉(zhuǎn)換效率高的 優(yōu)點(diǎn)。準(zhǔn)三能級(jí)摻鐿光纖激光器的輸出波長(zhǎng)為980nm， 980nm激光器是摻鉺光 纖放大器的重要泵浦光源。隨著密集波分復(fù)用的頻道數(shù)的增加，對(duì)摻鉺光纖 放大器輸出激光的功率提出了越來(lái)越高的要求，獲得高功率高光束質(zhì)量980nm 激光源就成為需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。另外980nm激光通過(guò)倍頻還可以獲 得490nm藍(lán)綠光的輸出，490nm藍(lán)綠波段是海水的窗口波段，在海底通信，海 洋資源探測(cè)中具有重要應(yīng)用。
準(zhǔn)三能級(jí)單模摻鐿光纖激光器在國(guó)內(nèi)鮮有報(bào)道，在國(guó)外報(bào)道也不多。2000 年Corning公司用1. 1W的Nd:YAG (摻釹的釔鋁石榴石)固體激光器泵浦單包 層摻鐿全光纖激光器獲得了 0. 65W的單模980nm激光。2005年巴黎南大學(xué)用 915nmNd:YV04 (摻釹的釩酸釔)固體激光器泵浦單模摻鐿光纖激光器獲得了 2W的978nm激光輸出，經(jīng)過(guò)PPLN (周期性極化鈮酸鋰)倍頻晶體獲得83mW 的489nm的藍(lán)綠光。全光纖激光器利用光柵為反饋腔鏡和輸出鏡實(shí)驗(yàn)了 980rnn小功率輸出，這種簡(jiǎn)單方便的結(jié)構(gòu)是準(zhǔn)三能級(jí)慘鐿光纖激光器的發(fā)展趨勢(shì)， 但是這種激光器輸出功率較小，不能滿足一些應(yīng)用中的要求。使用一般的平
鏡作為腔鏡實(shí)驗(yàn)2W978nm輸出的光纖激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性差，并且由于 倍頻晶體PPLN的接受波長(zhǎng)和溫度帶寬都很小，而且周期性極化晶體的厚度方 向尺寸很小，這對(duì)輸出980nm的光束質(zhì)量和聚焦系統(tǒng)均有很高的要求。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供了一種瓦級(jí)980nm單模摻鐿光纖激光器和其 倍頻系統(tǒng)，本實(shí)用新型具有功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便的優(yōu)點(diǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取了如下技術(shù)方案。本實(shí)用新型包括 沿光的傳播方向依次設(shè)置的808nm半導(dǎo)體激光器、第一透鏡、第二透鏡、 946nmNd:YAG固體激光器、946nm高反鏡、第一二色鏡、第三透鏡、單模摻鐿 光纖、第四透鏡、第二二色鏡和倍頻系統(tǒng)。所述的946mnNd:YAG固體激光器 包括Nd:YAG晶體和凹面輸出鏡。所述的倍頻系統(tǒng)包括第五透鏡、第一BIB0 晶體、第一濾光鏡、第六透鏡、第二BIBO晶體和第二濾光鏡。從808nm半 導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光依次經(jīng)過(guò)第一透鏡、第二透鏡準(zhǔn)直聚焦后，泵浦Nd: YAG 晶體；946nmNd:YAG固體激光器通過(guò)凹面輸出鏡5輸出946nm激光，946nm激 光依次經(jīng)過(guò)946nm高反鏡和第一二色鏡折疊，再經(jīng)過(guò)第三透鏡聚焦到單模摻 鐿光纖中，980nm激光和剩余的946nm泵浦光從單模摻鐿光纖的兩端面出射， 分別經(jīng)過(guò)第三透鏡和第四透鏡準(zhǔn)直后，又分別透過(guò)第一二色鏡和第二二色鏡 濾光得到980nm激光，從第一二色鏡和第二二色鏡出射的980nm激光激光分 別通過(guò)倍頻系統(tǒng)中的第六透鏡和第五透鏡聚焦到第二 BIB0晶體和第一 BIB0 晶體上進(jìn)行倍頻，再分別經(jīng)過(guò)第二濾光鏡和第一濾光鏡將980nm基頻光濾除， 獲得490. 8nm藍(lán)光輸出。
本實(shí)用新型用結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的諧振腔實(shí)現(xiàn)了 946nm泵浦的瓦級(jí)準(zhǔn)三能級(jí)單 模慘鐿光纖激光器，通過(guò)對(duì)光纖長(zhǎng)度的選擇獲得980nm激光的最大輸出，并 且采用塊狀的倍頻晶體BIBO構(gòu)成了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便的倍頻系統(tǒng)，較容易地實(shí)現(xiàn)了對(duì)單模寬線寬980nm激光的倍頻，倍頻后獲得了 15mW的490. 8nm藍(lán) 光。這種980nm單模摻鐿光纖激光器可作為摻鉺光纖放大器的泵浦光源，廣 泛應(yīng)用于通信，倍頻后獲得490.8nm藍(lán)光可應(yīng)用于海底通信，海洋資源探測(cè)。

圖1本實(shí)用新型946nm固體激光器泵浦準(zhǔn)三能級(jí)單模摻鐿光纖激光器及倍頻 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖
圖中1. 808nm半導(dǎo)體激光器，2.第一透鏡，3.第二透鏡，4. Nd:YAG 晶體，5.凹面輸出鏡，6.946nm高反鏡，7.第一二色鏡，8.第三透鏡，9.單模 摻鐿光纖，IO.第四透鏡，ll.第二二色鏡，12.第五透鏡，13.第一BIB0晶體， 14.第一濾光鏡，15.第六透鏡，16.第二BIBO晶體，17.第二濾光鏡。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明
如圖1所示，本實(shí)施例包括帶尾纖的808nm半導(dǎo)體激光器1、第一透鏡2、 第二透鏡3、 946nmNd:YAG固體激光器、946nm高反鏡6、第一二色鏡7、第三 透鏡8、單模摻鐿光纖9、第四透鏡IO、第二二色鏡ll和倍頻系統(tǒng)。所述的 946nmNd: YAG固體激光器包括Nd: YAG晶體4和凹面輸出鏡5。所述的倍頻系 統(tǒng)包括第五透鏡12、第一 BIBO晶體13、第一濾光鏡14、第六透鏡15、第 二 BIBO晶體16和第二濾光鏡17。
如圖1所示808nm半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的激光通過(guò)芯徑200 W m、數(shù)值 孔徑為0. 22的尾纖輸出，LD最大電流32. 8A對(duì)應(yīng)808nm激光最大輸出功率為 23. 4W。 808nm光依次經(jīng)過(guò)兩焦距均為25mm的第一凸透鏡2、第二凸透鏡3準(zhǔn) 直聚焦后，泵浦Nd:YAG晶體，Nd:YAG固體激光器通過(guò)凹面輸出鏡5輸出946nm 激光，其輸出最大為4. 23W的946nm的激光(電流1=32. 8A)，其最大基模輸 出功率為3. 44W (電流I=28A)。 946rnn激光依次通過(guò)946nm高反鏡6和第一二 色鏡7折疊，再經(jīng)過(guò)第三透鏡8 (焦距f42.7)聚焦到36mm的單模摻鐿光纖 9中，946nm光基模輸出時(shí)的入纖耦合效率為58. 1%。 980nm激光從單模摻鐿光纖9的兩端面出射，分別經(jīng)過(guò)第三透鏡8、第四透鏡10準(zhǔn)直后，又分別通 過(guò)第一二色鏡7、第二二色鏡11出射，第一二色鏡7、第二二色鏡11是對(duì)946nm 光高反，對(duì)980nm光高透，起濾光的作用。測(cè)量得到從第一二色鏡7出射的 激光最大功率為642mW，從第二二色鏡ll出射的激光最大功率為681mW，泵 浦光閾值約為68mW，激光器的總斜效率為75. 3%，光轉(zhuǎn)化效率為66% (從入纖 946nm泵浦光到980nm激光輸出)。激光在978nm 982nm均有輸出，輸出線寬 為4nm，中心波長(zhǎng)為980nm。
將從第一二色鏡7、第二二色鏡11出射的單模980nm激光分別通過(guò)第六透 鏡15和第五透鏡12聚焦到兩個(gè)3X3X10 (mm)未鍍膜的第二 BIBO晶體16 和第以BIBO晶體13上進(jìn)行倍頻，再經(jīng)過(guò)第二濾光鏡17和第一濾光鏡14，將 980nm基頻光濾除，最后獲得了總功率為15mW的490. 8nm藍(lán)綠激光，倍頻轉(zhuǎn) 化效率為1. 1%。
946nmNckYAG端泵固體激光器4是摻鐿光纖激光器的泵浦源。單模摻鐿光 纖在946nm處的吸收截面相對(duì)較大，而且單模光纖要求的泵浦光光束質(zhì)量高， 因此采用946nmNd:YAG端泵固體激光器作為泵浦源，946nm激光最大輸出為 4. 23W (電流1=32. 8A)，激光基模最大輸出功率為3. 44W (電流I=28A)。通過(guò) 946nm高反鏡6和第一二色鏡7折疊并且通過(guò)第三透鏡8聚焦入射到單模摻鐿 光纖9中。這樣有利于實(shí)現(xiàn)激光雙端出射，并且能夠避免980nm激光入射到 Nd:YAG固體激光器4中影響946nm光的輸出甚至損壞晶體。
摻鐿光纖諧振腔就是整個(gè)單模摻鐿光纖9， 946nm泵浦光是通過(guò)折疊式入 射到單模摻鐿光纖9中，單模摻鐿光纖9的芯徑為6 u m，對(duì)泵浦光946nm吸 收系數(shù)大約為30dB/m，光纖兩端面被研磨成O度角，并且直接作為諧振腔的 兩腔鏡，光纖兩端面對(duì)激光的反射率為4% (菲涅爾反射)，與用平面鏡作為腔 鏡的諧振腔相比，最大限度地降低了腔內(nèi)損耗，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便。 激光從單模摻鐿光纖9兩端面出射，分別通過(guò)第三透鏡8和第四透鏡10聚焦， 又分別透過(guò)第一二色鏡7和第二二色鏡11濾光，濾除946nm泵浦光，得到980nm激光。從單模摻鐿光纖9兩端輸出的功率相等。
由于摻鐿光纖激光器的四能級(jí)非常容易起振，所以抑制四能級(jí)起振是保證 準(zhǔn)三能級(jí)運(yùn)轉(zhuǎn)的前提。在泵浦吸收系數(shù)和激光吸收系數(shù)確定的情況下，單模 摻鐿光纖激光器中四能級(jí)的增益是與準(zhǔn)三能級(jí)的增益成線性正比關(guān)系的，而 準(zhǔn)三能級(jí)的增益與光纖長(zhǎng)度有密切關(guān)系。通過(guò)選擇合適的光纖長(zhǎng)度可以使得 四能級(jí)增益小于準(zhǔn)三能級(jí)增益，從而保證準(zhǔn)三能級(jí)摻鐿光纖激光器的正常運(yùn) 轉(zhuǎn)。準(zhǔn)三能級(jí)摻鐿光纖激光器對(duì)激光有重吸收效應(yīng)，在滿足充分吸收泵浦光 的前提下，選擇光纖長(zhǎng)度要避免摻鐿光纖對(duì)激光有過(guò)多的重吸收。所以設(shè)計(jì) 增益光纖長(zhǎng)度必須均衡考慮激光的最大輸出和抑制四能級(jí)起振對(duì)光纖長(zhǎng)度的 要求，即光纖長(zhǎng)度在滿足抑制四能級(jí)起振的前提下，光纖長(zhǎng)度需要符合以下
原則當(dāng)泵浦光傳播到光纖末端時(shí)，剩余的泵浦光功率正好等于光纖準(zhǔn)三能 級(jí)起振的閾值功率，這時(shí)輸出激光功率最大，激光器效率也最高。經(jīng)過(guò)理論
數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，單模摻鐿光纖存在一個(gè)最佳長(zhǎng)度值，為34cm。
本實(shí)施例中的倍頻系統(tǒng)是用新型晶體BIBO對(duì)聚焦后的980nm激光進(jìn)行倍 頻獲得490.8nm藍(lán)光。選擇倍頻晶體的關(guān)鍵因素有非線性系數(shù)、接受波長(zhǎng)、 溫度帶寬和走離角等。報(bào)道中倍頻準(zhǔn)三能級(jí)摻鐿光纖激光器產(chǎn)生490nm的藍(lán) 光通常使用周期性極化晶體PPLN和PPKTP (周期性極化磷酸鈦氧鉀)。盡管 周期性極化晶體的非線性系數(shù)很高，但是它的接受波長(zhǎng)和溫度帶寬都很小， 即對(duì)基頻光的線寬要求很窄，對(duì)晶體的溫度需要嚴(yán)格的控制，而且周期性極 化晶體的厚度方向尺寸很小，對(duì)基頻光的光束質(zhì)量和耦合系統(tǒng)要求很高。所 以在實(shí)驗(yàn)中，我們考慮使用其他的倍頻晶體。BIBO晶體是一種比較新型的晶 體，盡管BIBO晶體在I類相位匹配情況下的走離角比較大，但其非線性系數(shù) (《,=3.24)是LBO (三硼酸鋰)的4倍，是BBO (偏硼酸鋇)倍頻晶體的1.6 倍，損傷閾值很高與LBO晶體相似，最大接受角度和最大接受溫度均滿足實(shí) 驗(yàn)的要求。綜合考慮后，在本實(shí)驗(yàn)中選用BIB0晶體對(duì)單模980nm激光進(jìn)行倍 頻。在本實(shí)用新型中，第一次使用了BIBO晶體對(duì)準(zhǔn)三能級(jí)摻鐿光纖激光器激光進(jìn)行倍頻，兩端輸出的980nm激光分別通過(guò)透鏡聚焦到3 X 3 X 10 (mm)的 BIBO晶體上，980nm激光倍頻后獲得的490. 8nm藍(lán)光透過(guò)濾光鏡(濾出980nm 基頻光)輸出。
權(quán)利要求1、瓦級(jí)980nm單模摻鐿光纖激光器及其倍頻系統(tǒng)，包括沿光的傳播方向依次設(shè)置的808nm半導(dǎo)體激光器(1)、第一透鏡(2)、第二透鏡(3)、946nmNd:YAG固體激光器；所述的946nmNd:YAG固體激光器包括Nd:YAG晶體(4)和凹面輸出鏡(5)；其特征在于還包括946nm高反鏡(6)、第一二色鏡(7)、第三透鏡(8)、單模摻鐿光纖(9)、第四透鏡(10)、第二二色鏡(11)和倍頻系統(tǒng)；所述的倍頻系統(tǒng)包括第五透鏡(12)、第一BIBO晶體(13)、第一濾光鏡(14)、第六透鏡(15)、第二BIBO晶體(16)和第二濾光鏡(17)；從808nm半導(dǎo)體激光器(1)發(fā)出的激光依次經(jīng)過(guò)第一透鏡(2)、第二透鏡(3)準(zhǔn)直聚焦后，泵浦Nd:YAG晶體(4)；946nmNd:YAG固體激光器通過(guò)凹面輸出鏡(5)輸出946nm激光，946nm激光依次經(jīng)過(guò)946nm高反鏡(6)和第一二色鏡(7)折疊，再經(jīng)過(guò)第三透鏡(8)聚焦到單模摻鐿光纖(9)中，980nm激光和剩余的946nm泵浦光從單模摻鐿光纖(9)的兩端面出射，分別經(jīng)過(guò)第三透鏡(8)和第四透鏡(10)準(zhǔn)直后，再分別透過(guò)第一二色鏡(7)和第二二色鏡(11)濾光得到980nm激光，從第一二色鏡(7)和第二二色鏡(11)出射的980nm激光激光分別通過(guò)倍頻系統(tǒng)中的第六透鏡(15)和第五透鏡(12)聚焦到第二BIBO晶體(16)和第一BIBO晶體(13)上進(jìn)行倍頻，再分別經(jīng)過(guò)第二濾光鏡(17)和第一濾光鏡(14)將980nm基頻光濾除，獲得490.8nm藍(lán)光輸出。
專利摘要本實(shí)用新型是一種瓦級(jí)980nm單模摻鐿光纖激光器及其倍頻系統(tǒng)。Nd:YAG固體激光器泵浦源采用折疊式泵浦方式入射到單模摻鐿光纖中，光纖激光器的諧振腔是整個(gè)單模摻鐿光纖，單模摻鐿光纖的兩0度角光纖端面作為諧振腔的腔鏡，通過(guò)合理選擇光纖長(zhǎng)度來(lái)抑制四能級(jí)起振和實(shí)現(xiàn)980nm激光的最大輸出，使用倍頻晶體BIBO對(duì)980nm激光進(jìn)行倍頻獲得490.8nm的藍(lán)光。通過(guò)本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了瓦級(jí)單模980nm激光輸出，倍頻后獲得了15mW的490.8nm藍(lán)光。這種980nm單模摻鐿光纖激光器可作為摻鉺光纖放大器的泵浦光源，廣泛應(yīng)用于通信。倍頻后獲得的490.8nm藍(lán)光可應(yīng)用于海底通信，海洋資源探測(cè)。
文檔編號(hào)H01S3/06GK201256244SQ20082012269
公開(kāi)日2009年6月10日 申請(qǐng)日期2008年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月27日
發(fā)明者港 李, 李平雪, 王凌昊, 鄒淑珍, 檬 陳 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)