全光纖結構的窄線寬單橫模百瓦級2微米摻銩光纖雷射器的製作方法

2023-05-26 11:29:51 2

專利名稱：全光纖結構的窄線寬單橫模百瓦級2微米摻銩光纖雷射器的製作方法
技術領域：
本發明屬於雷射技術領域，具體涉及一種光纖雷射器，特別是一種全光纖結構的窄線寬單橫模百瓦級2 μ m摻銩光纖雷射器。
背景技術：
光纖雷射器以其體積小、效率高、穩定性好、光束質量好等優點，發展十分迅速。高功率2 μ m波段光纖雷射器在工業、生物醫學和軍事上都有著重要的應用，目前實現該波段雷射常用的技術有以下四種
第一種採用摻銩、摻鈥或銩鈥共摻固體雷射器。由於固體雷射晶體的熱效應或泵浦吸收帶過窄等問題，導致斜率效率不高，如中國專利申請(專利申請號200710093817.8)公開的一種大功率銩雷射器。第二種採用摻銩或摻鈥的光纖雷射器。該光纖雷射器由於採用光纖介質，具有較高的斜率效率，一般多採用二色鏡等元件所構成的分立元件光纖雷射器結構，光束質量較差——橫模尺寸較大，線寬較寬，也有在諧振腔中插入光柵等選模元件獲得窄線寬輸出，但其結構複雜，穩定性較差，如中國專利申請(專利申請號201010204385. 5)公開的一種窄線寬摻銩光纖雷射器。第三種固體雷射種子再進行光纖放大。輸出雷射質量主要靠固體雷射種子予以保證，原則上可以獲得較好的光束質量，但由於其種子部分和放大部分屬於分立結構，結構複雜、難以集成，如中國專利申請(專利申請號200810041644.X)公開的一種中紅外摻銩光纖雷射放大器。第四種方法，採用全光纖主振蕩一功率放大(MOPA)結構，雷射線寬主要依靠光柵的線寬所限定，在目前的技術條件下，這一限制正常情況在納米量級，要進一步降低雷射輸出線寬通過減小光柵反射譜的寬度是很困難的，依然難以實現很窄的線寬，如 Latest developments in 790nm_pμ mped Tm-doped fibre laser systems for DIRCM applications (www. nufern. com/whitepaper_detail. php/32)，
0. 5nm。

發明內容
為了獲得更窄的雷射輸出線寬，本發明的目的在於，提出一種全光纖複合腔結構的主振蕩一功率放大(MOPA)的窄線寬單橫模2 μ m光纖雷射器，實現可達ps量級的更窄線寬單橫模2 μ m雷射輸出，該雷射器是高功率摻銩光纖雷射器，種子源採用單模雙包層摻銩光纖及三光柵複合腔結構，能夠獲得單橫模窄線寬2 μ m高品質連續雷射輸出。為了達到上述目的，本申請採用如下的技術解決方案
一種全光纖結構的窄線寬單橫模百瓦級2 μ m摻銩光纖雷射器，包括種子泵浦源、全反射光纖光柵、雙包層主振蕩光纖、第一半反射光纖光柵，其特徵在於，還包括雙包層次振蕩光纖、第二半反射光纖光柵、光隔離器、放大級泵浦組件、合束器、雙包層放大光纖和輸出尾纖，其中，所述種子泵浦源發出的種子雷射的光路上依次設置所述全反射光纖光柵、雙包層主振蕩光纖、第一半反射光纖光柵、雙包層次振蕩光纖、第二半反射光纖光柵、光隔離器，上述部件首尾相連依次熔接，所述光隔離器的輸出端與所述合束器的信號輸入端熔接，所述放大級泵浦組件的6個泵浦模塊輸出端分別與所述合束器的6個泵浦輸入端熔接，所述合束器的輸出端與所述雙包層放大光纖熔接，該雙包層放大光纖的輸出端與所述輸出尾纖熔接。所述雙包層主振蕩光纖和雙包層次振蕩光纖均採用6/125 μ m單模摻銩雙包層光纖。所述雙包層主振蕩光纖的光纖長度為12. 8米，雙包層次振蕩光纖的光纖長度為 2. 9 米。所述種子泵浦源採用帶尾纖輸出40W的790nm半導體雷射器。所述全反射光纖光柵、第一半反射光纖光柵、第二半反射光纖光柵均採用中心波長為2030nm的Bragg光纖光柵，所述全反射光纖光柵的反射率大於99%，所述第一半反射光纖光柵和第二半反射光纖光柵的反射率小於等於80%。所述光隔離器採用工作波長為2030nm，插入損耗彡0. 5dB,隔離度彡40dB的光隔
1 " ο所述放大級泵浦組件採用帶6個60W的790nm帶100 μ m尾纖輸出的半導體雷射
ο所述合束器採用(6+1) *1合束器。所述雙包層放大光纖採用20/400 μ m雙包層摻銩光纖，包層吸收率為6dB/m。輸出尾纖採用損傷閾值> 300W的能量光纖。本發明的技術特徵及優點如下
1)本發明的雷射器由泵浦組件、光柵、雙包層摻銩光纖、光隔離器、合束器等組件通過光纖熔接方式連接而成，採用全光纖主振蕩一功率放大(MOPA)結構，無分立元件需要調整， 光束質量好、可靠性高、結構緊湊、運轉成本低、免維護，克服了傳統的分立結構結構複雜、 難以集成且穩定性差的缺陷。2)雷射種子源採用三個中心波長為2030nm的Bragg光纖光柵及兩個6/125 μ m的單模雙包層摻銩光纖構成複合腔結構，保證了雷射種子的質量，使得本發明的雷射器具有很好的光束質量——單橫模、窄線寬。本發明的創新點及有益效果如下
本發明的全光纖結構的窄線寬單橫模百瓦級2 μ m摻銩光纖雷射器，採用三Bragg光纖光柵及雙段單模雙包層摻銩光纖構成複合腔結構雷射種子振蕩和功率放大結構，實現高光束質量——單橫模窄線寬、高穩定可靠的全光纖結構大功率光纖雷射器，結構緊湊、運轉成本低、免維護。可在雷射醫學、雷射雷達、紅外通信等領域得到廣泛應用。


圖1為本發明的結構示意圖。圖2為2μπι雷射輸出功率與泵浦功率關係圖。圖3為本發明所輸出雷射的光譜圖。
以下結合附圖和具體實施方式
對本發明進一步解釋說明。
具體實施例方式如圖1所示，本發明的全光纖結構的窄線寬單橫模百瓦級2μπι摻銩光纖雷射器， 包括種子泵浦源1、全反射光纖光柵2、雙包層主振蕩光纖3、第一半反射光纖光柵4、雙包層次振蕩光纖5、第二半反射光纖光柵6、光隔離器7、放大級泵浦組件8、合束器9、雙包層放大光纖10和輸出尾纖11，其中，種子泵浦源1發出的種子雷射的光路上依次設置全反射光纖光柵2、雙包層主振蕩光纖3、第一半反射光纖光柵4、雙包層次振蕩光纖5、第二半反射光纖光柵6、光隔離器7，上述部件首尾相連依次熔接，光隔離器7的輸出端與光纖合束器9的信號輸入端熔接，放大級泵浦組件8的6個泵浦模塊輸出端分別與光纖合束器9的6個泵浦輸入端熔接，合束器9的輸出端與雙包層放大光纖10熔接，雙包層放大光纖10的輸出端與輸出尾纖11熔接。其中，種子泵浦源1採用帶尾纖輸出40W的790nm半導體雷射器，全反射光纖光柵 2、第一半反射光纖光柵4、第二半反射光纖光柵6均採用中心波長為2030nm的Bragg光纖光柵，全反射光纖光柵2的反射率大於99%，第一半反射光纖光柵4和第二半反射光纖光柵 6的反射率小於等於80%。在本實施例中，第一半反射光纖光柵4的反射率為30%，第二半反射光纖光柵6的反射率為20%。雙包層主振蕩光纖3和雙包層次振蕩光纖5均採用6/125 μ m 的單模雙包層摻銩光纖，包層吸收率為1. 5dB/m，數值孔徑NA=O. 22，在本實施例中，雙包層主振蕩光纖3的光纖長度為12. 8米，雙包層次振蕩光纖5的光纖長度為2. 9米；光隔離器 7採用工作波長為2030nm，插入損耗彡0. 5dB,隔離度彡40dB的光隔離器。本實施例中，雙包層放大光纖10採用20/400 μ m雙包層摻銩光纖，包層吸收率為6dB/m，放大級泵浦組件8選用帶6個60W的790nm帶100 μ m尾纖輸出半導體雷射器， 合束器9採用(6+1) *1合束器，合束器的信號輸入端採用與雙包層次振蕩光纖5相匹配的結構參數，即6/125 μ m,合束器的輸出端採用與雙包層放大光纖10相匹配的結構參數，即 20/400 μ m，輸出尾纖11採用損傷閾值彡300W的能量光纖。實際製作過程中，通過雙包層光纖熔接機對上述各部件進行熔接，雙包層放大光纖10的輸出端與輸出尾纖11的熔接點採用高折射率塗覆，用於剔除多餘的泵浦光，其餘所有的熔接點均採用低折射率塗覆。各熔接點的熔接損耗控制在0. IdB以內。本發明的設計思路及反應原理如下
本發明的光纖雷射器由高性能的雷射種子源和光纖雷射放大器兩部分組成，雷射種子源包括種子泵浦源1、全反射光纖光柵2、雙包層主振蕩光纖3、第一半反射光纖光柵4、雙包層次振蕩光纖5、第二半反射光纖光柵6和光隔離器7，上述部件共同構成複合腔結構單橫模窄線寬雷射種子光源；光纖雷射放大器包括放大級泵浦組件8、光纖合束器9、雙包層放大光纖10和輸出尾纖11，它們共同完成對高品質雷射種子的雷射放大。種子泵浦源1提供種子雷射泵浦，泵浦光透過全反射光纖光柵2依次注入雙包層主振蕩光纖3和雙包層次振蕩光纖5的內包層，再由各自的內包層傳輸，持續不斷地進入雙包層主振蕩光纖3和雙包層次振蕩光纖5的纖芯；雙包層主振蕩光纖3和雙包層次振蕩光纖5的纖芯構成雷射工作區域，雷射工作區域中的摻雜離子也即雷射工作物質(Tm3+)吸收泵浦光能量後產生2030nm附近的螢光輻射；全反射光纖光柵2、第一半反射光纖光柵4和第二半反射光纖光柵6構成複合諧振腔進行縱模選擇。該複合諧振腔由兩個雷射諧振腔疊加在一起形成，全反射光纖光柵2、第一半反射光纖光柵4和雙包層主振蕩光纖3構成第一諧振腔；全反射光纖光柵2、第二半反射光纖光柵6、雙包層主振蕩光纖3和雙包層次振蕩光纖5構成第二諧振腔。複合腔雷射器縱模選擇是雷射必須同時滿足兩個諧振腔的諧振條件，也即雷射在一個諧振腔內一個往返後相位改變是2 π的整數倍，當同時滿足兩個諧振腔的諧振條件時，會大大增大縱模的間隔，配合光纖光柵選模，使得在光纖光柵反射帶寬內，僅有一個縱模可以同時滿足兩個諧振腔的諧振條件，從而實現單縱模雷射輸出。通常情況下在選擇諧振腔腔長(諧振腔腔長實質上等於該諧振腔中的振蕩光纖的長度)時，選取兩諧振腔的腔長遠離倍數關係，根據經驗，在實施的時候，腔長儘量不要取整數，可多帶幾位小數位數。複合腔摻銩光纖雷射器種子雷射的縱模選擇是通過第一振蕩腔和第二振蕩腔相結合來實現的，根據複合腔雷射器的基本原理，能夠在複合諧振腔內存在的模式必須同時滿足兩個振蕩腔的諧振條件，也即
β Lf=2m η , β Ls=2n η
其中β表示傳輸常量，Lf表示第一振蕩腔的腔長，Ls表示第二振蕩腔的腔長，m、n為正整數。第一振蕩腔和第二振蕩腔的自由光譜範圍，即模式間隔為 Ff=CZn1Lf , Fs=CZn1Ls
其中c為真空中光速，H1為光纖纖芯的有效折射率，Ff表示第一振蕩腔的自由光譜範圍，Fs表示第二振蕩腔的自由光譜範圍。存在腔內的模式間隔，(即有效自由光譜範圍)F為各個振蕩腔模式間隔的最小公倍數 F = 2pFf = 2qFs 其中P、q為正整數。複合腔內存在的模式中，同時滿足兩個振蕩腔的諧振條件的模式才能夠在複合腔內振蕩，這樣使得複合腔的有效自由光譜範圍大大增加，使得在光柵反射譜內僅有單一縱模振蕩，保證種子雷射的窄線寬特性。事實上，在第一半反射光纖光柵4和第二半反射光纖光柵6反射率乘積大於0. 1 的條件下，本發明的雷射器的複合腔中還會出現一個由第一半反射光纖光柵4和第二半反射光纖光柵6構成的第三諧振腔，該腔在縱模選擇過程中會起一定的輔助作用，隨著當反射率乘積的增大，這種選模輔助作用會增強，當反射率乘積大於0. 2的時候，有較強的選模輔助效果，這時候可以看作是三腔複合結構，當反射率乘積小於0. 1的時候，其選模輔助效果可以忽略。本發明的雙包層主振蕩光纖3和雙包層次振蕩光纖5均採用6/125 μ m的單模雙包層摻銩光纖，光纖的歸一化頻率
V=2 π aNA/λ =2. 043，
這裡a為纖芯半徑，NA為光纖數值孔徑，λ為雷射波長。當V<2. 405時，光纖纖芯當中除基橫模以外的所有高階模全部截止，實現單橫模種子雷射輸出。對於窄線寬單橫模雷射種子，種子雷射通過光隔離器7注入通過合束器9信號光輸入端直接送入雙包層放大光纖10的纖芯，放大級泵浦組件8的6個泵浦模塊輸出泵浦光分別通過一級合束器12的6個泵浦輸入端送入雙包層放大光纖10的內包層，泵浦光源源不斷進入纖芯實現對種子雷射的放大，從而獲得超過100W的窄線寬單橫模2 μ m雷射輸出。如圖2所示，圖2為2 μ m雷射輸出功率與泵浦功率關係圖。實測中，首先將雙包層主振蕩光纖3、雙包層次振蕩光纖5及放大雙包層光纖10盤繞在直徑為15cm的鋁製散熱柱上，散熱柱的底部固定在帶有水冷的散熱器上，以實現對光纖的冷卻。開啟種子泵浦源1，將種子泵浦源1的供電電流調到35A，其對應的泵浦功率為25W，當放大級泵浦組件8的泵浦功率為0時，輸出功率為2. 7W，此時開始增加放大級泵浦組件8的泵浦功率，本實例中放大級泵浦組件8的6個泵浦模塊採用獨立控制，故而採用輪訓式增加泵浦功率，若將6個泵浦模塊編上1、2、3、4、5、6號，則先將1號泵浦模塊泵浦功率調到20W，測量輸出功率為8. Iff, 依次再將2、3、4、5、6號泵浦模塊的輸出功率都調到20W，再開始下一輪泵浦功率上調，即將 1 6號泵浦模塊的泵浦功率依次上調到40W，最後一輪，再將6個泵浦模塊的輸出功率依次上調到60W，此時總放大泵浦功率360W時獲得雷射輸出功率達109. 4W，剔除種子雷射功率後，光-光轉換效率為30. 4%，量子效率為78. 1%。圖3為本發明的全光纖結構的窄線寬單橫模百瓦級2 μ m摻銩光纖雷射器所輸出雷射的光譜圖，該光譜圖是在種子泵浦源1的雷射泵浦電流為35A (對應泵浦功率為25W) 時，放大級泵浦組件8的泵浦功率在MOW時採集的，從圖3可以看到，半高全寬(FWHM)約為0. 03nm，通過對不同放大泵浦功率時的光譜圖對比，當種子源泵浦功率固定時，放大後所獲得的雷射輸出光譜圖非常穩定，無論是中心波長還是光譜寬度都保持很好的穩定性。
權利要求
1.一種全光纖結構的窄線寬單橫模百瓦級2μπι摻銩光纖雷射器，包括種子泵浦源 (1)、全反射光纖光柵(2)、雙包層主振蕩光纖(3)、第一半反射光纖光柵(4)，其特徵在於， 還包括雙包層次振蕩光纖(5)、第二半反射光纖光柵(6)、光隔離器(7)、放大級泵浦組件 (8)、合束器(9)、雙包層放大光纖(10)和輸出尾纖(11)，其中，所述種子泵浦源(1)發出的種子雷射的光路上依次設置所述全反射光纖光柵(2)、雙包層主振蕩光纖(3)、第一半反射光纖光柵(4)、雙包層次振蕩光纖(5)、第二半反射光纖光柵(6)、光隔離器(7)，上述部件首尾相連依次熔接，所述光隔離器(7)的輸出端與所述合束器(9)的信號輸入端熔接，所述放大級泵浦組件(8)的6個泵浦模塊輸出端分別與所述合束器(9)的6個泵浦輸入端熔接，所述合束器(9)的輸出端與所述雙包層放大光纖(10)熔接，該雙包層放大光纖(10)的輸出端與所述輸出尾纖(11)熔接。
2.根據權利要求1所述的雷射器，其特徵在於，所述雙包層主振蕩光纖(3)和雙包層次振蕩光纖(5)均採用6/125 μ m單模摻銩雙包層光纖。
3.如權利要求1所述的雷射器，其特徵在於，所述雙包層主振蕩光纖(3)的光纖長度為 12. 8米，雙包層次振蕩光纖(5)的光纖長度為2. 9米。
4.如權利要求1所述的雷射器，其特徵在於，所述種子泵浦源(1)採用帶尾纖輸出40W 的790nm半導體雷射器。
5.如權利要求1所述的雷射器，其特徵在於，所述全反射光纖光柵(2)、第一半反射光纖光柵(4)、第二半反射光纖光柵(6)均採用中心波長為2030nm的Bragg光纖光柵，所述全反射光纖光柵(2)的反射率大於99%，所述第一半反射光纖光柵(4)和第二半反射光纖光柵 (6)的反射率小於等於80%。
6.如權利要求1所述的雷射器，其特徵在於，所述光隔離器(7)採用工作波長為 2030nm，插入損耗彡0. 5dB，隔離度彡40dB的光隔離器。
7.如權利要求1所述的雷射器，其特徵在於，所述放大級泵浦組件(8)採用帶6個60W 的790nm帶100 μ m尾纖輸出的半導體雷射器。
8.如權利要求1所述的雷射器，其特徵在於，所述合束器(9)採用(6+1)*1合束器。
9.如權利要求1所述的雷射器，其特徵在於，所述雙包層放大光纖(10)採用20/400μ m 雙包層摻銩光纖，包層吸收率為6dB/m。
10.如權利要求1所述的雷射器，其特徵在於，所述輸出尾纖(11)採用損傷閾值>300W 的能量光纖。
全文摘要
本發明公開一種全光纖結構的窄線寬單橫模百瓦級2μm摻銩光纖雷射器，種子泵浦源發出的種子雷射的光路上依次設置所述全反射光纖光柵、雙包層主振蕩光纖、第一半反射光纖光柵、雙包層次振蕩光纖、第二半反射光纖光柵、光隔離器，上述部件首尾相連依次熔接，所述光隔離器的輸出端與所述合束器的信號輸入端熔接，所述放大級泵浦組件的6個泵浦模塊輸出端分別與所述合束器的6個泵浦輸入端熔接，所述合束器的輸出端與所述雙包層放大光纖熔接，該雙包層放大光纖的輸出端與所述輸出尾纖熔接。本發明採用全光纖MOPA結構實現2μm雷射輸出，具有光束質量好、窄線寬單橫模、輸出功率高、結構緊湊、性能穩定可靠的優點。
文檔編號H01S3/08GK102299475SQ201110205448
公開日2011年12月28日 申請日期2011年7月21日 優先權日2011年7月21日
發明者馮曉強, 馮選旗, 白晉濤, 賀慶麗 申請人:西北大學