專利名稱：采用濾模匹配器進(jìn)行橫向模式控制的波導(dǎo)激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種波導(dǎo)激光器，特別是一種采用濾模匹配器進(jìn)行橫向模式控制的波 導(dǎo)激光器。
背景技術(shù)：
在設(shè)計波導(dǎo)激光器時，一般希望獲得高功率、高光束質(zhì)量的激光輸出。其中激光器 的最大輸出功率受增益介質(zhì)飽和效應(yīng)的影響，與模場的等效截面面積成正比；對光纖激光 器而言，功率的提升，更受到包括受激布里淵散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)和自相位調(diào) 制(SPM)等在內(nèi)的非線性效應(yīng)的限制，這些非線性效應(yīng)產(chǎn)生的功率閾值也與模場的等效面 積成正比。為了獲得更高功率的激光輸出，往往需要增大波導(dǎo)的芯徑，但增大芯徑，必然造 成波導(dǎo)高階模的出現(xiàn)，導(dǎo)致輸出光束質(zhì)量的下降。為保證波導(dǎo)激光器在高功率運轉(zhuǎn)的同時， 還具備較高的光束質(zhì)量，目前主要采取彎曲波導(dǎo)、泄漏損耗、增益導(dǎo)引等選模方法來控制模 式的輸出。但這些方法是從波導(dǎo)的橫截面上改變折射率分布或摻雜分布來達(dá)到控制橫向模 式的輸出，對大芯徑、低數(shù)值孔徑的波導(dǎo)來說，選模的能力受到一定限制。在弱波導(dǎo)條件下，波導(dǎo)中的所有導(dǎo)模構(gòu)成亥姆霍茲波動方程解空間的完備正交 基，任意在波導(dǎo)中傳導(dǎo)的光場分布E(x，y，z)可以表示為這一組完備正交基的線性疊加，即
(1)其中，(x，y，z)表示直角坐標(biāo)變量，N為導(dǎo)模的個數(shù)，e(x，y)為傳導(dǎo)光束在波導(dǎo)橫 向上的場分布β i分別表示第i個模式的歸一化模場表達(dá)式及傳播常數(shù)，Ci為相 應(yīng)模式的權(quán)重因子，
OO OO
(2)且所有模式的權(quán)重因子平方和滿足 式中η為波阻抗，P為場分布的總功率。上式說明，各個模式權(quán)重因子的模平方 決定了該模式在場分布中所占有的功率大小。其中，基模權(quán)重因子的大小直接影響激光輸 出的光束質(zhì)量，基模的權(quán)重模平方值越大，則輸出光束質(zhì)量將越好。在波導(dǎo)激光器中，各橫模之間的競爭能力與模式的損耗、增益重疊程度、及模式 之間的耦合等因素有關(guān)，(參考文獻(xiàn) Optics Express, Vol. 15(6), p3236-3246, 2007), 如果一個模式在激光振蕩的一個回程中損耗超過增益，則該模式在競爭中將失去優(yōu)勢， 而逐漸被削弱或被抑制。對此，Mali Gong等在“High-order modes suppression in large-mode-area fiber amplifiers andlasers by controlling the mode power allocations"(Journals ofOptics, Vol. 11, No. 1,2009) 一文中，提出 了加入濾波光纖來控 制模式比例的方法，從而改變模式的損耗機制，使高階模的損耗大于低階模的損耗，以起到選模作用。但這種方法由于基于對光纖纖芯參數(shù)的改變，在兩段參數(shù)不同的光纖耦合時會 引入較大的損耗；光在纖芯中傳播時，無論高階模式還是低階模式均會產(chǎn)生一定的損耗，這 樣就影響了低階模式的功率，從而導(dǎo)致所需模式的功率下降。如果將其運用到激光器中，難 以得到高功率的激光輸出。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述問題，本發(fā)明提供一種采用濾模匹配器進(jìn)行橫向模式控制的波導(dǎo)激光
O本發(fā)明的技術(shù)之一，其特征在于，一種采用濾模匹配器進(jìn)行橫向模式控制的波導(dǎo) 激光器，是一種平板波導(dǎo)激光器。其含有由第一分段平板波導(dǎo)(I)和第二分段平板波導(dǎo) (II)在橫截面上熔接而成的作為濾膜匹配器的波導(dǎo)介質(zhì)、端面泵浦裝置以及鍍制在所述波 導(dǎo)介質(zhì)端面上的光學(xué)薄膜，其中第一分段平板波導(dǎo)(I)，具有上下縱對稱結(jié)構(gòu)從上到下依次由包層、導(dǎo)芯和襯底 構(gòu)成；所述第一分段平板波導(dǎo)(I)的導(dǎo)芯摻有增益粒子，構(gòu)成波導(dǎo)激光器的增益介質(zhì)；所述 第一分段平板波導(dǎo)(I)的外側(cè)端面鍍有全反膜，構(gòu)成激光器的一個腔鏡；所述全反膜對激 光波長大部分反射，對從所述第一分段平板波導(dǎo)(I)端面注入的泵浦波長大部分透射；第二分段平板波導(dǎo)(II)，具有上下縱對稱結(jié)構(gòu)從上到下依次由包層、導(dǎo)芯和襯 底構(gòu)成；所述第二分段平板波導(dǎo)(II)的外側(cè)端面鍍有半反半透膜，構(gòu)成激光器的另一個腔 鏡；所述半反半透膜對激光波長部分反射部分透射，對從所述第二分段平板波導(dǎo)(II)端面 注入的泵浦波長大部分透射；所述第一分段平板波導(dǎo)(I)占所述波導(dǎo)介質(zhì)的大部分長度，所述第一分段平板波 導(dǎo)(I)的包層在縱向尺寸上不同于所述第二分段平板波導(dǎo)(II)的包層，兩段波導(dǎo)的其它結(jié) 構(gòu)參數(shù)均相同。端面泵浦方式用側(cè)面泵浦、或多光束耦合泵浦、或分布式泵浦中的一種或多種的 組合代替。所述鍍制在波導(dǎo)介質(zhì)端面上的薄膜，用放置在波導(dǎo)介質(zhì)端面附近的二向色鏡代替。所述第一分段平板波導(dǎo)(I)和第二分段平板波導(dǎo)(II)，其襯底尺寸、包層形狀、襯 底形狀等結(jié)構(gòu)參數(shù)中的一種或多種不同。本發(fā)明的技術(shù)之二，其特征在于，一種采用濾模匹配器進(jìn)行橫向模式控制的波導(dǎo) 激光器，是一種光纖激光器。其含有由增益光纖和傳導(dǎo)光纖在橫截面上熔接而成的作為濾 膜匹配器的波導(dǎo)介質(zhì)、端面泵浦裝置以及鍍制在所述波導(dǎo)介質(zhì)端面上的光學(xué)薄膜，其中增益光纖的纖芯摻有增益粒子，構(gòu)成光纖激光器的增益介質(zhì)；所述增益光纖的外 側(cè)端面鍍有全反膜，構(gòu)成激光器的一個腔鏡；所述全反膜對激光波長大部分反射，對從所述 增益光纖端面注入的泵浦波長大部分透射；傳導(dǎo)光纖的外側(cè)端面鍍有半反半透膜，構(gòu)成激光器的另一個腔鏡；所述半反半透 膜對激光波長部分反射部分透射，對從所述傳導(dǎo)光纖端面注入的泵浦波長大部分透射；所述增益光纖占所述波導(dǎo)介質(zhì)的大部分長度，所述增益光纖的包層在縱向尺寸上 不同于所述傳導(dǎo)光纖的包層，兩段波導(dǎo)的其它結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同。
端面泵浦方式用側(cè)面泵浦、多光束耦合泵浦、或分布式泵浦中的一種或多種的組 合代替。所述鍍制在光纖端面上的薄膜，用放置在光纖端面附近的二向色鏡代替。所述增益光纖和所述傳導(dǎo)光纖，其包括包層形狀、包層尺寸、包層數(shù)目在內(nèi)的結(jié)構(gòu) 參數(shù)中的一種或多種不同。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明采用波導(dǎo)參數(shù)不同的 分段式波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，激光放大發(fā)生在增益波導(dǎo)區(qū)；產(chǎn)生的激光束在諧振腔內(nèi)振蕩，多次經(jīng)過參 數(shù)不同的波導(dǎo)后，其中高階模式的能量被削弱，失去模式競爭的優(yōu)勢，從而使得低階模式在 輸出光束中占據(jù)較多的功率比重，因此可以獲得較好光束質(zhì)量的激光輸出。2、本發(fā)明由于 采用分段式波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在增加增益介質(zhì)波導(dǎo)芯徑大小情況下，仍可以通過設(shè)計濾波波導(dǎo)的 橫截面結(jié)構(gòu)來保證低階模式的較大比重輸出，因此有利于增加激光波導(dǎo)的有效模場面積， 提高激光器的輸出功率。3、本發(fā)明是從縱向上改變光波導(dǎo)的折射率分布來實現(xiàn)對模式的控 制，與從橫向上改變折射率分布、增益分布的選模方法相輔相成，可以配合使用，獲得更好 的選模效果。4、本發(fā)明簡便易行，無需采用特殊的泵浦方式及腔鏡結(jié)構(gòu)即可達(dá)到提高光束 質(zhì)量的目的，在傳統(tǒng)波導(dǎo)激光器的基礎(chǔ)上很容易實現(xiàn)。本發(fā)明可以廣泛用于各種高功率平 板波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)、光纖波導(dǎo)激光器中。


圖1為本發(fā)明用于平板波導(dǎo)激光器橫向模式控制的實施例。圖2為本發(fā)明用于光纖激光器橫向模式控制的實施例。圖中，1為I部分波導(dǎo)的導(dǎo)芯，2為II部分波導(dǎo)的導(dǎo)芯，3為I部分波導(dǎo)的包層，4 為II部分波導(dǎo)的包層，5為I部分平板波導(dǎo)的襯底，6為II部分平板波導(dǎo)的襯底，7鍍膜，8 鍍膜，9LD泵浦源，10雙色鏡，11雙色鏡，12增益光纖，13傳導(dǎo)光纖。
具體實施例方式一種采用濾模匹配器進(jìn)行橫向模式控制的平板波導(dǎo)激光器，含有由第一分段平 板波導(dǎo)(I)和第二分段平板波導(dǎo)(II)在橫截面上熔接而成的作為濾膜匹配器的波導(dǎo)介質(zhì)、 端面泵浦裝置以及鍍制在所述波導(dǎo)介質(zhì)端面上的薄膜，其中第一分段平板波導(dǎo)(I)，具有上下縱對稱結(jié)構(gòu)從上到下依次由包層、導(dǎo)芯和襯底 構(gòu)成；所述第一分段平板波導(dǎo)(I)的導(dǎo)芯摻有增益粒子，構(gòu)成波導(dǎo)激光器的增益介質(zhì)；所 述第一分段平板波導(dǎo)(I)的外側(cè)端面鍍有全反膜，構(gòu)成激光器的一個腔鏡；所述全反膜對 激光波長具有高反射率，對從所述第一分段平板波導(dǎo)(I)端面注入的泵浦波長具有高透射 率；第二分段平板波導(dǎo)(II)，具有上下縱對稱結(jié)構(gòu)從上到下依次由包層、導(dǎo)芯和襯 底構(gòu)成；所述第二分段平板波導(dǎo)(II)的外側(cè)端面鍍有半反半透膜，構(gòu)成激光器的另一個腔 鏡；所述半反半透膜對激光波長部分反射部分透射，對從所述第二分段平板波導(dǎo)(II)端面 注入的泵浦波長具有高透射率；所述第一分段平板波導(dǎo)(I)占所述波導(dǎo)介質(zhì)的大部分長度，所述第一分段平板波 導(dǎo)(I)的包層在縱向尺寸上不同于所述第二分段平板波導(dǎo)(II)的包層，兩段波導(dǎo)的其它結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同。所述端面泵浦方式用側(cè)面泵浦、多光束耦合泵浦、或分布式泵浦等常用泵浦方式 中的一種或多種的組合代替。所述鍍制在波導(dǎo)介質(zhì)端面上的薄膜，用放置在波導(dǎo)介質(zhì)端面附近的二向色鏡代替。所述第一分段平板波導(dǎo)(I)和第二分段平板波導(dǎo)(II)，其襯底尺寸、包層形狀、襯 底形狀等結(jié)構(gòu)參數(shù)中的一種或多種不同。—種采用濾模匹配器進(jìn)行橫向模式控制的光纖激光器，含有由增益光纖和傳導(dǎo) 光纖在橫截面上熔接而成的作為濾膜匹配器的波導(dǎo)介質(zhì)、端面泵浦裝置以及鍍制在所述波 導(dǎo)介質(zhì)端面上的薄膜，其中增益光纖的纖芯摻有增益粒子，構(gòu)成光纖激光器的增益介質(zhì)；所述增益光纖的外 側(cè)端面鍍有全反膜，構(gòu)成激光器的一個腔鏡；所述全反膜對激光波長具有高反射率，對從所 述增益光纖端面注入的泵浦波長具有高透射率；傳導(dǎo)光纖的外側(cè)端面鍍有半反半透膜，構(gòu)成激光器的另一個腔鏡；所述半反半透 膜對激光波長部分反射部分透射，對從所述傳導(dǎo)光纖端面注入的泵浦波長具有高透射率；所述增益光纖占所述波導(dǎo)介質(zhì)的大部分長度，所述增益光纖的包層在縱向尺寸上 不同于所述傳導(dǎo)光纖的包層，兩段波導(dǎo)的其它結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同。所述端面泵浦方式用側(cè)面泵浦、多光束耦合泵浦、或分布式泵浦等常用泵浦方式 中的一種或多種的組合代替。所述鍍制在光纖端面上的薄膜，用放置在光纖端面附近的二向色鏡代替。所述增益光纖和所述傳導(dǎo)光纖，其包層形狀、包層尺寸、包層數(shù)目等結(jié)構(gòu)參數(shù)中的 一種或多種不同。實施例1 本實施例是采用橫向模式控制的平板波導(dǎo)激光器。如圖1所示，分段式平板波導(dǎo) 由I、II兩段組成。I、II均采用對稱結(jié)構(gòu)，導(dǎo)芯(1)、(2)的芯徑大小均為lOOum，波導(dǎo)I的 整個尺寸為0. 4謹(jǐn)X4謹(jǐn)X 12謹(jǐn)，波導(dǎo)II的整個波導(dǎo)尺寸為0. 5謹(jǐn)X5謹(jǐn)X 12謹(jǐn)。I的包 層(3)和襯底(5)的尺寸比II的包層(4)和襯底(6)要小。泵浦光通過耦合裝置從I的 一棱邊注入，激光振蕩在I中獲得增益，進(jìn)入II傳導(dǎo)后經(jīng)II端面的鍍膜全反射返回，然后 再進(jìn)入I，多次往返后，高階模損耗大于低階模損耗，較好光束質(zhì)量的激光束最終從II的端 面輸出。II端面的鍍膜(8)對激光波長和泵浦波長都是全反，I端面的鍍膜(7)對泵浦波 長全反，對激光波長部分透過。激光諧振腔為波導(dǎo)兩個端面之間形成的平平腔結(jié)構(gòu)。實施例2 本實施例是采用橫向模式控制的光纖激光器，如圖2所示。LD泵浦源(9)，雙色鏡 (10)、(11)和增益光纖(12)構(gòu)成基本的Fabry-Perot諧振腔，光纖采用分段式結(jié)構(gòu)，增益光 纖(12)和傳導(dǎo)光纖(13)具有相同的纖芯直徑、數(shù)值孔徑相同和包層尺寸。增益光纖(12) 的包層為梅花形，傳導(dǎo)光纖(13)的包層為圓形。雙色鏡(10)緊貼光纖(12)的端面，它對 泵浦光高透，對光纖激光高反；輸出鏡(11)對入射泵浦光高透，對光纖激光部分透過。泵浦 光從光纖兩端面透過雙色鏡后注入光纖的內(nèi)包層，在光纖段(12)激勵激光振蕩。在一個回 程中，激光光束要兩次穿過光纖段(13)，由于(13)的包層形狀與(12)不同，所以會引起激光束中模式的功率分配發(fā)生變化。當(dāng)兩段光纖的纖芯折射率分布選擇合理時，光束在諧振 腔內(nèi)多次振蕩，高階模會損失較大的功率，從而導(dǎo)致低階模在競爭中占據(jù)優(yōu)勢，有效地抑制 高階模的產(chǎn)生。
權(quán)利要求
采用濾模匹配器進(jìn)行橫向模式控制的波導(dǎo)激光器，其特征在于，是一種平板波導(dǎo)激光器，含有由第一分段平板波導(dǎo)(I)和第二分段平板波導(dǎo)(II)在橫截面上熔接而成的作為濾膜匹配器的波導(dǎo)介質(zhì)、端面泵浦裝置以及鍍制在所述波導(dǎo)介質(zhì)端面上的光學(xué)薄膜，其中第一分段平板波導(dǎo)(I)，具有上下縱對稱結(jié)構(gòu)從上到下依次由包層、導(dǎo)芯和襯底構(gòu)成；所述第一分段平板波導(dǎo)(I)的導(dǎo)芯摻有增益粒子，構(gòu)成波導(dǎo)激光器的增益介質(zhì)；所述第一分段平板波導(dǎo)(I)的外側(cè)端面鍍有全反膜，構(gòu)成激光器的一個腔鏡；所述全反膜對激光波長大部分反射，對從所述第一分段平板波導(dǎo)(I)端面注入的泵浦波長大部分透射；第二分段平板波導(dǎo)(II)，具有上下縱對稱結(jié)構(gòu)從上到下依次由包層、導(dǎo)芯和襯底構(gòu)成；所述第二分段平板波導(dǎo)(II)的外側(cè)端面鍍有半反半透膜，構(gòu)成激光器的另一個腔鏡；所述半反半透膜對激光波長部分反射部分透射，對從所述第二分段平板波導(dǎo)(II)端面注入的泵浦波長大部分透射；所述第一分段平板波導(dǎo)(I)占所述波導(dǎo)介質(zhì)的大部分長度，所述第一分段平板波導(dǎo)(I)的包層在縱向尺寸上不同于所述第二分段平板波導(dǎo)(II)的包層，兩段波導(dǎo)的其它結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同。
2.如權(quán)利要求1所述的采用濾模匹配器進(jìn)行橫向模式控制的平板波導(dǎo)激光器，其特征 在于端面泵浦方式用側(cè)面泵浦、或多光束耦合泵浦、或分布式泵浦中的一種或多種的組合代替。
3.如權(quán)利要求1所述的采用濾模匹配器進(jìn)行橫向模式控制的平板波導(dǎo)激光器，其特征 在于所述鍍制在波導(dǎo)介質(zhì)端面上的薄膜，用放置在波導(dǎo)介質(zhì)端面附近的二向色鏡代替。
4.如權(quán)利要求1所述的采用濾模匹配器進(jìn)行橫向模式控制的平板波導(dǎo)激光器，其特征 在于所述第一分段平板波導(dǎo)(I)和第二分段平板波導(dǎo)(II)，其襯底尺寸、包層形狀、襯底 形狀等結(jié)構(gòu)參數(shù)中的一種或多種不同。
5.采用濾模匹配器進(jìn)行橫向模式控制的波導(dǎo)激光器，其特征在于，是一種光纖激光器， 含有由增益光纖和傳導(dǎo)光纖在橫截面上熔接而成的作為濾膜匹配器的波導(dǎo)介質(zhì)、端面泵 浦裝置以及鍍制在所述波導(dǎo)介質(zhì)端面上的光學(xué)薄膜，其中增益光纖的纖芯摻有增益粒子，構(gòu)成光纖激光器的增益介質(zhì)；所述增益光纖的外側(cè)端 面鍍有全反膜，構(gòu)成激光器的一個腔鏡；所述全反膜對激光波長大部分反射，對從所述增益 光纖端面注入的泵浦波長大部分透射；傳導(dǎo)光纖的外側(cè)端面鍍有半反半透膜，構(gòu)成激光器的另一個腔鏡；所述半反半透膜對 激光波長部分反射部分透射，對從所述傳導(dǎo)光纖端面注入的泵浦波長大部分透射；所述增益光纖占所述波導(dǎo)介質(zhì)的大部分長度，所述增益光纖的包層在縱向尺寸上不同 于所述傳導(dǎo)光纖的包層，兩段波導(dǎo)的其它結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同。
6.如權(quán)利要求5所述的采用濾模匹配器進(jìn)行橫向模式控制的光纖激光器，其特征在 于端面泵浦方式用側(cè)面泵浦、多光束耦合泵浦、或分布式泵浦中的一種或多種的組合代 替。
7.如權(quán)利要求5所述的采用濾模匹配器進(jìn)行橫向模式控制的光纖激光器，其特征在 于所述鍍制在光纖端面上的薄膜，用放置在光纖端面附近的二向色鏡代替。
8.如權(quán)利要求5所述的采用濾模匹配器進(jìn)行橫向模式控制的光纖激光器，其特征在于所述增益光纖和所述傳導(dǎo)光纖，其包括包層形狀、包層尺寸、包層數(shù)目在內(nèi)的結(jié)構(gòu)參數(shù) 中的一種或多種不同。
全文摘要
一種采用濾模匹配器進(jìn)行橫向模式控制的波導(dǎo)激光器，屬于波導(dǎo)激光器技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，包括泵浦裝置，波導(dǎo)激光介質(zhì)及設(shè)置在激光介質(zhì)端面上的腔鏡。其主要技術(shù)方案是采用濾模匹配器的分段式波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，即縱向波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或參數(shù)變化的結(jié)構(gòu)，使激光束在參數(shù)不同的波導(dǎo)中傳導(dǎo)或振蕩。在此過程中，高階模比低階模損耗更多的能量，在模式競爭中被削弱甚至被抑制，模式分配的功率比例發(fā)生變化，從而使激光器輸出較好光束質(zhì)量的激光。本發(fā)明的波導(dǎo)激光器，由于采用新型的變參數(shù)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以改善光束質(zhì)量；并有助于實現(xiàn)大模場波導(dǎo)激光器，從而提升波導(dǎo)激光器的功率。本發(fā)明可應(yīng)用于高功率波導(dǎo)激光器中。
文檔編號H01S3/091GK101888054SQ20101019531
公開日2010年11月17日 申請日期2010年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月31日
發(fā)明者鞏馬理, 廖素英, 張海濤, 郝金坪, 閆平 申請人:清華大學(xué)