專利名稱：一種遞進(jìn)式光纖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新型結(jié)構(gòu)光纖激光器和特種光纖領(lǐng)域技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種遞進(jìn)式光纖激光器。
背景技術(shù)：
近年來，光纖激光器得到了飛速發(fā)展，尤其是雙包層光纖發(fā)明以來，光纖激光器輸出功率從毫瓦級(jí)攀升至萬瓦級(jí)。但是隨著功率增長(zhǎng)，熱效應(yīng)成為制約光纖激光器光束質(zhì)量、穩(wěn)定性及功率的重要因素之一?，F(xiàn)有常規(guī)的光纖激光器由泵浦源、單一諧振腔、有源摻稀土光纖構(gòu)成，主諧振參量放大式光纖激光器由常規(guī)光纖激光器外加一級(jí)或多級(jí)放大器構(gòu)成，其中諧振腔由成對(duì)光纖光柵或雙色片及光纖端面構(gòu)成，泵浦源多采用半導(dǎo)體激光器(LD)。而作為泵源的LD存在光束質(zhì)量差、亮度低等問題，這使得在激光器系統(tǒng)中泵浦光的利用率不高，且由于泵浦波長(zhǎng)多位于稀土有源離子的主吸收峰或次吸收峰，與激光輸出波長(zhǎng)相距較遠(yuǎn)，量子虧損較大，基于以上原因高功率運(yùn)行時(shí)，激光器的熱耗散問題突出，嚴(yán)重影響激光器的性能。此外，特殊激光輸出波長(zhǎng)的光纖激光器應(yīng)用需求不斷增長(zhǎng)，1083nm激光可以泵浦氦氣，以產(chǎn)生超極化氦氣作為磁共振成像MRI中核磁共振信號(hào)源，可以對(duì)肺部進(jìn)行清晰成像；1053nm激光在光傳感、激光慣性約束核聚變、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。1070nm激光可以泵浦拉曼光纖激光器產(chǎn)生1120nm的激光，再由1120nm泵浦拉曼光纖激光器，產(chǎn)生1178nm的激光，再經(jīng)過倍頻，產(chǎn)生589nm用于激光導(dǎo)星。通過改變光柵或雙色片的高反波長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)所需波長(zhǎng)激光輸出。然而光纖激光器的電光轉(zhuǎn)換效率不高，僅憑提高泵浦功率很難獲得在這些特殊波長(zhǎng)上高功率激光輸出，同時(shí)將會(huì)在光纖中殘留更多的熱耗散，影響其穩(wěn)定性及光束質(zhì)量。當(dāng)前為解決光纖激光器的熱耗散問題，多采用機(jī)械制冷的方式，包括風(fēng)冷和水冷
坐寸ο

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種遞進(jìn)式波長(zhǎng)光纖激光器，解決光纖激光器中的熱問題，實(shí)現(xiàn)特殊波長(zhǎng)的激光輸出，提高激光輸出效率，抑制高階模，提高光束質(zhì)量。本發(fā)明提供的一種遞進(jìn)式光纖激光器，包括泵浦源、泵浦源所發(fā)射的泵浦光波長(zhǎng)為λ p，激光器的輸出激光波長(zhǎng)為λ 其特征在于在泵浦源之后設(shè)置η種有源光纖，全程在泵浦光波長(zhǎng)λ P和輸出激光波長(zhǎng)λ 之間存在η個(gè)轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)λ。,其中λρ< λ c < λ L，c為I n，n彡2，對(duì)于任一第c級(jí)光纖激光器由λ c l泵浦，輸出波長(zhǎng)為λ。的激光，λ。的激光進(jìn)入其下一級(jí)光纖激光器作為泵浦光，激發(fā)出輸出波長(zhǎng)為入。+1的激光，其中，令λ0= λρ，λη+1 = λ 最終通過遞進(jìn)式泵浦輸出需要的波長(zhǎng)的穩(wěn)定激光。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種新型遞進(jìn)式結(jié)構(gòu)的光纖激光器，它包括半導(dǎo)體泵浦源、多級(jí)諧振腔以及多段有源光纖。各個(gè)諧振腔中的光纖各不相同，在長(zhǎng)度、摻雜離子或濃度等方面存在差異；通過設(shè)計(jì)新型光纖激光器結(jié)構(gòu)，減小激光器的量子缺陷，優(yōu)化激光器光電轉(zhuǎn)換效率從根本上降低熱負(fù)載，提升光束質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)更高功率輸出。具體而言，本發(fā)明的有益效果為I.本發(fā)明的效果在于泵浦波長(zhǎng)與激光波長(zhǎng)相近，使得量子虧損減小，從而減少了光纖的熱負(fù)擔(dān)，可以極大提高光纖的輸出功率。2.本發(fā)明所述的遞進(jìn)式泵浦方式，在第二級(jí)以后的光纖激光器都是利用前一級(jí)的光纖激光輸出作為泵浦，泵浦光光束質(zhì)量好、耦合效率高，使得泵浦光利用率高，從而減少殘余熱量，并可以縮短有源光纖長(zhǎng)度，降低非線性效應(yīng)。3.本發(fā)明所述的遞進(jìn)式光纖激光器，可以通過在現(xiàn)有泵浦源的情況下，通過對(duì)有源光纖的不同輸出波長(zhǎng)和泵浦波長(zhǎng)的綜合運(yùn)用，采用遞進(jìn)式泵浦方式實(shí)現(xiàn)特殊波長(zhǎng)光纖激光器的激光輸出。
4.本發(fā)明所述的遞進(jìn)式泵浦方式，利用與激光波長(zhǎng)相近的波長(zhǎng)泵浦，可以抑制光纖纖芯邊緣增益，提高輸出激光的基模比例，提高光束質(zhì)量。


圖I為在不同波長(zhǎng)泵浦1070nm的情況下，纖芯區(qū)域沿徑向增益的分布圖，圖中，區(qū)域4表示纖芯區(qū)域，區(qū)域5代表包層區(qū)域。橫軸表示光纖徑向，縱軸代表增益強(qiáng)度。曲線I表示975nm泵浦時(shí)纖芯內(nèi)的增益分布，曲線2表示IOlSnm泵浦時(shí)纖芯內(nèi)的增益分布，曲線3表不1045nm泵浦時(shí)纖芯內(nèi)的增益分布。圖2為1053nm遞進(jìn)式摻鐿光纖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為1053nm遞進(jìn)式摻鐿光纖激光器的摻鐿雙包層光纖11預(yù)制棒的熒光光譜圖；圖4為1053nm遞進(jìn)式摻鐿光纖激光器的摻鐿雙包層光纖12預(yù)制棒的熒光光譜圖；圖5為1550nm遞進(jìn)式光纖激光器的結(jié)構(gòu)不意圖；圖6為1070nm遞進(jìn)式鎖模脈沖光纖激光器的結(jié)構(gòu)不意圖；圖7為1070nm遞進(jìn)式三級(jí)高功率光纖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種遞進(jìn)式特殊波長(zhǎng)光纖激光器，包括泵浦源、光纖光柵或雙色片、兩種或多種有源光纖，其特征在于在泵浦光波長(zhǎng)λρ和輸出激光波長(zhǎng)λ ^之間存在一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)λ C，其中λΡ< λ P C為I η, η彡2,對(duì)于任一第c級(jí)光纖激光器由λ 泵浦,輸出波長(zhǎng)為λ。的激光，λ。的激光進(jìn)入其下一級(jí)光纖激光器作為泵浦光，激發(fā)出輸出波長(zhǎng)為λ。+1的激光，其中，令Xci= λ ρ, λη+1= λ 最終通過遞進(jìn)式泵浦輸出需要的波長(zhǎng)的穩(wěn)定激光。這樣的結(jié)構(gòu)使得每一級(jí)光纖激光器的量子虧損減小，減少了熱的產(chǎn)生。而且由于第二級(jí)以后各級(jí)激光器都是由光纖激光泵浦，泵浦光的強(qiáng)度很高，增加了泵浦效率，減少了泵浦殘余，也會(huì)減輕光纖的熱負(fù)擔(dān)。這種方式會(huì)增加特殊波長(zhǎng)的輸出效率，擴(kuò)展了光纖激光器的應(yīng)用。同時(shí)，利用較長(zhǎng)波長(zhǎng)進(jìn)行泵浦，可以有效抑制光纖纖芯邊緣處增益，從而抑制高階模的產(chǎn)生，提高光束質(zhì)量。所述的遞進(jìn)式激光器結(jié)構(gòu)中，在有源光纖兩端熔接相應(yīng)波長(zhǎng)的光纖光柵，或者在有源光纖端面處放置相應(yīng)波長(zhǎng)的雙色片，形成激光諧振腔，提高激光輸出。所述的相應(yīng)波長(zhǎng)的光纖光柵或雙色片是指λ P高透λ i高反的光纖光柵或雙色片作為整個(gè)遞進(jìn)式激光器的輸入端，λη高透λ ^部分反射的光纖光柵或雙色片作為整個(gè)遞進(jìn)式激光器的輸出端。對(duì)于位于輸入端與輸出端之間的任一輸出激光波長(zhǎng)為λ C的有源光纖，該有源光纖的前一個(gè)光柵或雙色片為λ c_!高透λ。高反，該有源光纖的后一個(gè)光柵或雙色片為λ η高透λ。部分反射；
所述高透是指對(duì)于某一波長(zhǎng)透射率大于或等于98 %，所述高反是指對(duì)于某一波長(zhǎng)反射率大于或等于98 %，所述部分發(fā)射是指對(duì)于某一波長(zhǎng)發(fā)射率小于98 %。所述的泵浦源，為波長(zhǎng)為λ P的LD光源，其對(duì)第一級(jí)別的有源光纖泵浦方式為端面泵浦或側(cè)面泵浦，也可以采用合束器多個(gè)泵浦源同時(shí)合束泵浦有源光纖，提高泵浦功率。所述的有源光纖，是摻雜有原子序數(shù)為57 71的稀土離子光纖，有源光纖的結(jié)構(gòu)可以為單包層有源光纖、雙包層有源光纖，或有源光子晶體光纖。如有源光纖可以為摻鐿雙包層光纖、摻鉺雙包層光纖。所述的遞進(jìn)式激光器結(jié)構(gòu)中，各級(jí)之間采用光纖熔接方式連接或空間耦合方式組成。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說明。在此需要說明的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。實(shí)例一本發(fā)明較佳實(shí)例一，如圖I所示，一種1053nm級(jí)聯(lián)式光纖激光器，采用全光纖結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)975nmLD泵浦源17、有益于1018nm激光輸出的摻鐿雙包層光纖11、有益于1053nm激光輸出的摻鐿雙包層光纖12、975nm高透1018nm高反光纖光柵13、975nm高透1018部分反射光纖光柵14、1018nm高透1053nm高反光纖光柵15、1018nm高透1053nm部分反射光纖光柵16。光纖光柵16為整個(gè)光纖激光器的輸出端。摻鐿雙包層光纖11和摻鐿雙包層光纖12芯徑均為20 μ m,內(nèi)包層直徑均為400 μ m0通過對(duì)光纖制備參數(shù)的改進(jìn)和摻雜組分的調(diào)整，得到有利于IOlSnm激光輸出的摻鐿雙包層光纖11和有利于1053nm激光輸出的摻鐿雙包層光纖12。摻鐿雙包層光纖11的熒光譜如圖2所示，摻鐿雙包層光纖12的熒光譜如圖3所
/Jn ο由LD泵浦源17發(fā)出的975nm的LD泵浦光透過光纖光柵13，泵浦摻鐿雙包層光纖11，在光纖光柵13和14構(gòu)成的諧振腔的作用下，得到1018nm的激光輸出，1018nm的激光輸出透過光纖光柵15,對(duì)摻鐿雙包層光纖12進(jìn)行泵浦,在光纖光柵15和16構(gòu)成的諧振腔的作用下，得到1053nm的激光輸出。當(dāng)975nm的LD功率為20W時(shí)，1053nm的激光輸出功率為15W。實(shí)例二
本發(fā)明較佳實(shí)例二，如圖5所示，一種1550nm級(jí)聯(lián)式光纖激光器，采用空間耦合的結(jié)構(gòu)，包括915nmLD泵浦源27、摻鐿雙包層光纖21、摻鉺雙包層光纖22、915nm高透980nm高反的雙色片23、915nm高透980nm部分反射的雙色片24、980nm高透1550nm的雙色片25、980nm高透1550nm部分發(fā)射的雙色片26。摻鐿雙包層光纖21和摻鉺雙包層光纖22芯徑均為20 μ m,內(nèi)包層直徑均為400 μ m。雙色片23和雙色片24與之間的摻鐿雙包層光纖21構(gòu)成第一個(gè)諧振腔。雙色片25和雙色片26與之間的摻鉺雙包層光纖22構(gòu)成第二個(gè)諧振腔。雙色片26為整個(gè)光纖激光器的輸出端。915nm的LD泵浦光透過雙色片23，泵浦摻鐿雙包層光纖21，在第一個(gè)諧振腔的作用下，得到980nm的激光輸出，980nm的激光輸出透過雙色片25，對(duì)摻鉺雙包層光纖22進(jìn)行 泵浦，在第二個(gè)諧振腔的作用下，得到1550nm的激光輸出。實(shí)例三本發(fā)明實(shí)例三，如圖6所不，一種1070nm級(jí)聯(lián)式鎖模脈沖光纖激光器,米用全光纖結(jié)構(gòu)，為一線形腔光纖激光器級(jí)聯(lián)一個(gè)環(huán)形腔光纖激光器，包括一個(gè)975nmLD泵浦源37、摻鐿雙包層光纖31、另外一種摻鐿雙包層光纖32、975nm高透1018nm高反光纖光柵33、975nm高透1018部分反射光纖光柵34、偏振相關(guān)隔離器35、兩個(gè)偏振控制器36、泵浦耦合器1018nm/1070nm波分復(fù)用器(WDM) 38、1070nm50 50耦合器39。耦合器39作為整個(gè)系統(tǒng)的輸出端。摻鐿雙包層光纖31和摻鐿雙包層光纖32芯徑均為20 μ m,內(nèi)包層直徑均為400 μ m。通過對(duì)光纖制備時(shí)各種參數(shù)的改進(jìn)和摻雜組分的調(diào)整，得到有利于IOlSnm激光輸出的摻鐿雙包層光纖31和有利于1070nm激光輸出的摻鐿雙包層光纖32。975nm的LD泵浦光透過光纖光柵33,泵浦摻鐿雙包層光纖31,在光纖光柵33和34構(gòu)成的諧振腔的作用下，得到1018nm的激光輸出，1018nm的激光輸出通過泵浦耦合器38耦合進(jìn)摻鐿雙包層光纖32，對(duì)其進(jìn)行泵浦，在環(huán)形諧振腔作用下，得到1070nm的激光，當(dāng)光透過偏振相關(guān)隔離器35后變?yōu)榫€偏振光，線偏振光通過第一個(gè)偏振控制器后變?yōu)闄E圓偏振光。在光纖中傳輸?shù)臋E圓偏振光被認(rèn)為是兩個(gè)垂直的偏振分量的合成，即兩個(gè)相互垂直的線偏振光在光線中傳輸。這兩束光在腔體中傳播過程中，會(huì)因?yàn)樵诠饫w中產(chǎn)生的自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制的作用產(chǎn)生不同的非線性相移。由于產(chǎn)生的非線性相移與光脈沖的電場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)，因此，當(dāng)脈沖在腔體光纖中傳輸時(shí)，光脈沖的不同部位會(huì)因強(qiáng)度的不同而積累不同的非線性相移量，最后合成的偏振態(tài)也會(huì)因?yàn)椴煌姆蔷€性相移而產(chǎn)生不同程度的偏振旋轉(zhuǎn)，當(dāng)它再通過偏振相關(guān)隔離器35時(shí)，就會(huì)因脈沖不同部位的偏振態(tài)不同，而實(shí)現(xiàn)偏振相關(guān)的自振幅調(diào)制效應(yīng)，相當(dāng)于一個(gè)可飽和吸收體，使脈沖窄化，從而實(shí)現(xiàn)鎖模。實(shí)例四本發(fā)明實(shí)例四，如圖7所示，包括五個(gè)975nm LD泵浦激光器41、泵浦光合束器40、有益于1018nm激光輸出的摻鐿雙包層光纖31、有益于1045nm激光輸出的摻鐿雙包層光纖32、有益于1070nm激光輸出的摻鐿雙包層光纖33、975nm高透1018nm高反光纖光柵34、975nm高透1018nm部分反射光纖光柵35、1018nm高透1045nm高反光纖光柵36、1018nm高透1045nm部分反射光纖光柵37、1045nm高透1070nm高反光纖光柵38、1045nm高透1070nm部分反射光纖光柵39。所述實(shí)例中的摻鐿雙包層光纖均為纖芯直徑20 μ m,內(nèi)包層直徑400 μ m。光纖光柵34和光纖光柵35構(gòu)成第一級(jí)光纖激光器的諧振腔，光纖光柵36和光纖光柵37構(gòu)成第二級(jí)光纖激光器的諧振腔，光纖光柵38和光纖光柵39構(gòu)成第三級(jí)光纖激光器的諧振腔。光纖光柵39為整個(gè)光纖激光器的輸出端。975nm泵浦光透過光纖光柵34，泵浦摻鐿雙包層光纖31，在第一級(jí)諧振腔的作用下，輸出1018nm激光；1018nm激光透過光纖光柵36,泵浦摻鐿雙包層光纖32,在第二級(jí)諧振腔的作用下，輸出1045nm激光；1045nm激光透過光纖光柵38,泵浦摻鐿雙包層光纖33,在第三級(jí)諧振腔的作用下，從光纖光柵39輸出高功率1070nm激光。
以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種遞進(jìn)式光纖激光器，包括泵浦源、泵浦源所發(fā)射的泵浦光波長(zhǎng)為λ P，激光器的輸出激光波長(zhǎng)為λ 其特征在于在泵浦源之后設(shè)置η種有源光纖，全程在泵浦光波長(zhǎng)λ P和輸出激光波長(zhǎng)λ ^之間存在η個(gè)轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)λ。，其中λρ<入。< 為I η，η彡2，對(duì)于任一第c級(jí)光纖激光器由λ c l泵浦，輸出波長(zhǎng)為λ。的激光，λ。的激光進(jìn)入其下一級(jí)光纖激光器作為泵浦光，激發(fā)出輸出波長(zhǎng)為λ。+1的激光,其中,令X0= λρ，λη+1 = λ L，最終通過遞進(jìn)式泵浦輸出需要的波長(zhǎng)的穩(wěn)定激光。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的遞進(jìn)式光纖激光器，其特征在于，所述的遞進(jìn)式激光器結(jié)構(gòu)中，在所述有源光纖兩端熔接相應(yīng)波長(zhǎng)的光纖光柵，或者在有源光纖端面處放置相應(yīng)波長(zhǎng)的雙色片，形成激光諧振腔，提高激光輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的遞進(jìn)式光纖激光器，其特征在于，所述的相應(yīng)波長(zhǎng)的光纖光柵或雙色片是指λ P高透λ i高反的光纖光柵或雙色片作為整個(gè)遞進(jìn)式激光器的輸入端，λη高透λ L部分反射的光纖光柵或雙色片作為整個(gè)遞進(jìn)式激光器的輸出端。對(duì)于位于輸入端與輸出端之間的任一輸出激光波長(zhǎng)為λ。的有源光纖，該有源光纖的前一個(gè)光柵或雙色片為λ η高透λ。高反，該有源光纖的后一個(gè)光柵或雙色片為λ η高透λ。部分反射。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的遞進(jìn)式光纖激光器，其特征在于，所述的泵浦源，為波長(zhǎng)為λ P的LD光源，其對(duì)第一級(jí)別的有源光纖泵浦方式為端面泵浦或側(cè)面泵浦，或者采用合束器多個(gè)泵浦源同時(shí)合束泵浦有源光纖，提高泵浦功率。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的遞進(jìn)式光纖激光器，其特征在于，所述的有源光纖，是摻雜有原子序數(shù)為57 71的稀土離子光纖。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的遞進(jìn)式光纖激光器，其特征在于，所述有源光纖的結(jié)構(gòu)為單包層有源光纖、雙包層有源光纖，或有源光子晶體光纖。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的遞進(jìn)式光纖激光器，其特征在于，所述的遞進(jìn)式光纖激光器結(jié)構(gòu)中，各級(jí)之間采用光纖熔接方式連接或空間耦合方式組成。
全文摘要
一種遞進(jìn)式光纖激光器，包括泵浦源、泵浦源所發(fā)射的泵浦光波長(zhǎng)為λP，激光器的輸出激光波長(zhǎng)為λL，在泵浦源之后設(shè)置n種有源光纖，全程在泵浦光波長(zhǎng)λP和輸出激光波長(zhǎng)λL之間存在n個(gè)轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)λc，其中λP＜λc＜λL，對(duì)于任一第c級(jí)光纖激光器由λc-1泵浦，輸出波長(zhǎng)為λc的激光，λc的激光進(jìn)入其下一級(jí)光纖激光器作為泵浦光，激發(fā)出輸出波長(zhǎng)為λc+1的激光，令λ0＝λP，λn+1＝λL，最終通過遞進(jìn)式泵浦輸出需要的波長(zhǎng)的穩(wěn)定激光。這樣的結(jié)構(gòu)使得每一級(jí)光纖激光器的量子損耗減小，減少了熱的產(chǎn)生，而且由于第二級(jí)以后各級(jí)激光器都是由光纖激光泵浦，泵浦光的強(qiáng)度很高，增加了泵浦效率，減少了泵浦殘余，也會(huì)減輕光纖的熱負(fù)擔(dān)。該方式可增加特殊波長(zhǎng)的輸出效率，擴(kuò)展光纖激光器的應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01S3/067GK102969647SQ20121042748
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月30日
發(fā)明者李進(jìn)延, 王一礴, 蔣作文, 李海清, 彭景剛, 戴能利, 陳瑰, 謝璐, 廖雷 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)