大功率多波段多芯光纖雷射器的製作方法
2023-07-07 01:00:31 2
專利名稱：大功率多波段多芯光纖雷射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及大功率多波段多芯光纖雷射器，屬於大功率寬帶光纖雷射器、特種光
纖技術領域。
背景技術：
摻稀土光纖雷射器以其卓越的性能和低廉的價格，在光纖通信、工業加工、醫療、 軍事等領域取得了日益廣泛的應用。摻稀土元素有Nd， Sm， Ho， Er， Pr， Tm， Yb等，由於摻稀 土元素的光電學特性彼此之間都不相同，導致各摻稀土元素工作波長範圍也不一樣。例如， 摻釹光纖雷射器工作波長範圍為900-950nm， 1000-1150nm， 1320-1400nm ;摻鉺光纖雷射器 工作波長範圍為550nm， 850nm， 980-1000nm， 1500-1600nm， 1660nm， 1720nm， 2700nm ;摻鐿 光纖雷射器工作波長範圍為970-1040nm ;摻釷光纖雷射器工作波長範圍為455nm，480nm， 803-825nm， 1460-1510nm， 1700-2015nm， 2250-2400nm ;摻鐠光纖雷射器工作波長範圍為 490nm， 520nm， 601_618線631_641線707_725線880_886線902_916線1060-1110nm， 1260-1350nm ;摻鈥光纖雷射器工作波長範圍為550nm， 753nm， 1380nm， 2040-2080nm， 2900nm，摻釤光纖雷射器工作波長範圍為651nm。摻不同的玻璃基質的稀土離子，其增益帶 寬與性質也有差異，例如純矽光纖玻璃基質的摻鉺光纖，其波長1500nm時增益半波譜寬為 7. 94nm，而鋁磷矽光纖玻璃基質的摻鉺光纖，其波長1500nm時增益半波譜寬為43. 3nm[W. J. Miniscalco. Optical and electronic properties ofrare—earth ions in glasses in rare—earth doped fiber lasers and amplifier. NewYork :Marcel Dekker. 2001，pp : 17-112]。 2002年5月國際電信聯盟ITU-T組織將光纖通信系統光波段劃分如下O波段(原 始波段)為1260-1360nm， E波段(擴展波段)為1360_1460nm ;S波段(短波長波段)為 1460-1530nm，C波段(常規波段)為1530_1565nm ;L波段(長波長波段)為1565_1625nm ; U波段(超長波長波段)為1625-1675nm 。 現有的光纖雷射器多涉及單個波段或相鄰兩波段，覆蓋波長範圍小於lOOnm， 如美國IPG公司報導的ELT系列的C+L波段波長可調諧光纖雷射器，其波長調諧範圍為 1540-1605nm。現有實現波長範圍超過lOOnm的多波段雷射的器件中，需要先產生單波段或 波長範圍小於lOOnm的相鄰兩波段雷射，最後將這些單波段或波長範圍小於lOOnm的相鄰 兩波段雷射進行合波處理，結構複雜、引入的插入損耗大、分立元件多，可靠性差、對環境敏 感且成本很高。
發明內容
為了克服已有光纖雷射器僅僅只能產生單波段或波長範圍小於lOOnm的相鄰兩 波段雷射的缺點，本發明提供一種波長範圍超過lOOnm的多波段多芯光纖雷射器。
本發明的技術方案 —種大功率多波段多芯光纖雷射器，該雷射器包括泵浦源、有源光纖；有源光纖採用的是多摻稀土離子多芯雙包層光纖；在多摻稀土離子多芯雙包層光纖的所有纖芯中，寫 入所有纖芯所含全部或部分摻稀土離子的激射波長的100%反射係數的光柵，或在多摻稀 土離子多芯雙包層光纖端面上鍍所有纖芯所含全部或部分摻稀土離子的激射波長的100% 反射係數的膜； 在多摻稀土離子多芯雙包層光纖的所有纖芯中，寫入所有纖芯所含全部或部分摻
稀土離子的激射波長的部分反射係數的光柵，或在多摻稀土離子多芯雙包層光纖端面上鍍
所有纖芯所含全部或部分摻稀土離子的激射波長的部分反射係數的膜； 寫入的對應摻稀土離子的激射波長的100%反射係數的光柵，或在多摻稀土離子
多芯雙包層光纖端面上鍍的對應摻稀土離子的激射波長的100%反射係數的膜，與寫入的
對應摻稀土離子的激射波長的部分反射係數的光柵，或在多摻稀土離子多芯雙包層光纖端
面上鍍的對應摻稀土離子的激射波長的部分反射係數的膜以及兩者之間的多摻稀土離子
多芯雙包層光纖構成諧振腔； 寫入的對應摻稀土離子的激射波長的100%反射係數的光柵，或在多摻稀土離子 多芯雙包層光纖端面上鍍的對應摻稀土離子的激射波長的100%反射係數的膜為諧振腔的 輸入端； 寫入的對應摻稀土離子的激射波長的部分反射係數的光柵，或在多摻稀土離子多 芯雙包層光纖端面上鍍的對應摻稀土離子的激射波長的部分反射係數的膜為諧振腔的輸 出端； 泵浦源耦合進多摻稀土離子多芯雙包層光纖，產生多波段雷射從諧振腔的輸出端 輸出。 所述的摻稀土離子的激射波長的部分反射係數光柵是指摻稀土離子的激射波長 的反射係數小於100%的光柵；所述的摻稀土離子的激射波長的部分反射係數膜是指摻稀 土離子的激射波長的反射係數小於100%的膜。 泵浦源，對有源光纖進行端面泵浦或側面泵浦或同時端面泵浦與側面泵浦。
泵浦源為多波段多芯光纖雷射器摻稀土離子吸收截面對應的波長範圍內光源。
泵浦源，或由多個不同的波長範圍的泵浦源構成，其總的泵浦源波長範圍對應多 波段多芯光纖雷射器摻稀土離子吸收截面對應的波長範圍內。 為了將摻稀土元素工作波長範圍全部覆蓋上，這裡定義A波段(最短波長波段) 為小於1260nm ;Z波段(最長波長波段)為大於1675nm。 本發明的有益效果具體如下這種大功率多波段多芯光纖雷射器，能同時產生A、 0、 E、 S， C， L， U、 Z波段的雷射。相對於現有實現波長範圍超過100nm的多波段雷射的器件 中，需要先產生單波段或波長範圍小於100nm的相鄰兩波段雷射，最後將這些單波段或波 長範圍小於100nm的相鄰兩波段雷射進行合波處理，採用多波段多芯光纖雷射器結構更加 緊湊，插入損耗降低，可靠性提高，受環境影響小等優點。由於採用多摻稀土離子多芯雙包 層光纖，各摻稀土離子纖芯空間上獨立，因此不需要用複雜的光機電的控制系統來消除激 光信號之間的串擾問題，容易處理輸出雷射信號。
圖1為大功率兩波段兩芯光纖雷射器示意圖。
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圖2為兩摻稀土離子兩芯雙包層光纖截面圖。 圖3為大功率三波段四芯光纖雷射器示意圖。 圖4為三摻稀土離子四芯雙包層光纖截面圖。 圖5為大功率五波段六芯光纖雷射器示意圖。 圖6為五摻稀土離子六芯雙包層光纖截面圖。 圖7為大功率八波段十二芯光纖雷射器示意圖。 圖8為九摻稀土離子十二芯雙包層光纖截面圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步描述。
實施例一 —種大功率兩波段兩芯光纖雷射器如圖1所示，第一泵浦源11、有源光纖3，有源 光纖3採用的是兩摻稀土離子兩芯雙包層光纖；在兩摻稀土離子兩芯雙包層光纖的所有纖 芯中，寫入鉺離子的激射波長1550nm與鐿離子的激射波長1064nm的反射係數均為100%的 第一光柵21 ; 在兩摻稀土離子兩芯雙包層光纖的所有纖芯中，寫入鉺離子的激射波長1550nm 與鐿離子的激射波長1064nm的反射係數均為5%的第二光柵22 ; 第一光柵21和第二光柵22與這兩光柵之間的一段兩摻稀土離子兩芯雙包層光纖 構成諧振腔，第一光柵21為諧振腔的輸入端，第二光柵22為諧振腔的輸出端。
第一泵浦源11端面耦合進兩摻稀土離子兩芯雙包層光纖，產生A波段1064nm與 C波段1550nm的雷射從諧振腔的輸出端輸出。 兩摻稀土離子兩芯雙包層光纖截面圖如圖2所示，內包層包括摻鉺離子纖芯61， 摻鐿離子纖芯62，纖芯61與62直徑均為5 ii m，內包層5直徑為60 y m，外包層4直徑為 125 ii m。 第一泵浦源11為鉺離子、鐿離子吸收截面對應的波長範圍內光源。 第一泵浦源ll，或由兩個不同的波長範圍的泵浦源構成，一個為鉺離子吸收截面
對應的波長範圍內光源， 一個為鐿離子吸收截面對應的波長範圍內光源。 實施例二 —種大功率三波段四芯光纖雷射器，如圖3所示，該雷射器包括第一泵浦源11、有 源光纖3 ;有源光纖3採用的是三摻稀土離子四芯雙包層光纖；在三摻稀土離子四芯雙包 層光纖的所有纖芯中，寫入釹離子的激射波長1060nm、釷離子的激射波長2280nm的反射系 數均為100%的第三光柵23，在三摻稀土離子四芯雙包層光纖端面上鍍鈥離子的激射波長 1380nm的100%反射係數的第一膜71 ; 在三摻稀土離子四芯雙包層光纖的所有纖芯中，釹離子的激射波長1060nm、釷離 子的激射波長為2280nm的反射係數均為30%的光柵24，在三摻稀土離子四芯雙包層光纖 端面上鍍鈥離子的激射波長1380nm的30%反射係數的第二膜72。 第三光柵23和第四光柵24與這兩光柵之間的一段三摻稀土離子四芯雙包層光纖 構成第一個諧振腔，第三光柵23為第一個諧振腔的輸入端，第四光柵24為第一個諧振腔的 輸出端。
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第一膜71和第二膜72與這兩膜之間的一段三摻稀土離子四芯雙包層光纖構成第 二個諧振腔，第一膜71為第二個諧振腔的輸入端，第二膜72為第二個諧振腔的輸出端。
第一泵浦源11側面耦合進三摻稀土離子四芯雙包層光纖，產生A波段的1060nm、 E波段的1380nm與Z波段的2280nm的雷射從兩諧振腔的輸出端輸出。
三摻稀土離子四芯雙包層光纖截面圖如圖4所示，內包層包括釹鐿互摻離子纖芯 63，摻鈥離子纖芯64，摻釷離子纖芯65，纖芯63、64與65直徑均為10 y m ;內包層5為矩形， 尺寸為500 X 600 ii m，外包層4直徑為750 y m。 第一泵浦源11為鐿離子、鈥離子與釷離子吸收截面對應的波長範圍內光源。
第一泵浦源ll，或由兩個不同的波長範圍的泵浦源構成，一個為鐿離子與鈥離吸 收截面對應的波長範圍內光源， 一個為釷離子吸收截面對應的波長範圍內光源。
實施例三 —種大功率五波段六芯光纖雷射器，如圖5所示，該雷射器包括第一泵浦源11、第 二泵浦源12、有源光纖3，有源光纖3採用的是五摻稀土離子六芯雙包層光纖；在五摻稀土 離子六芯雙包層光纖的所有纖芯中，寫入鉺離子的激射波長1550nm和1580nm，鐠離子的 激射波長1310nm與釹離子的激射波長1380nm的反射係數均為100%的第五光柵25，在五 摻稀土離子六芯雙包層光纖端面上鍍釤離子的激射波長651nm的100%反射係數的第三膜
73 ; 在五摻稀土離子六芯雙包層光纖的所有纖芯中，寫入鉺離子的激射波長1550nm
和1580nm，鐠離子的激射波長1310nm與釹離子的激射波長1380nm的反射係數均為60%的
第六光柵26，寫入釤離子的激射波長651nm的反射係數50%的第七光柵27。 第五光柵25和第六光柵26與這兩光柵之間的一段五摻稀土離子六芯雙包層光纖
構成第一個諧振腔，第五光柵25為第一個諧振腔的輸入端，第六光柵26為第一個諧振腔的
輸出端。 第三膜73和第七光柵27與這兩者之間的一段五摻稀土離子六芯雙包層光纖構成 第二個諧振腔，第五光柵25為第二個諧振腔的輸入端，第六光柵26為第二個諧振腔的輸出
丄山順。 第一泵浦源11、第二泵浦源12分別以端面與側面耦合進五摻稀土離子六芯雙包 層光纖，產生的A波段的651nm、0波段的1310nm、E波段的1380nm、C波段的1550nm與L波 段的1580nm的雷射從兩諧振腔的輸出端輸出。 五摻稀土離子六芯雙包層光纖截面圖如圖6所示，內包層包括芯層直徑為20微米
的鉺鐿互摻離子纖芯69，芯層直徑為10微米的摻鐠離子纖芯66，芯層直徑為10微米的摻
釤離子纖芯67，芯層直徑為30微米的摻釹離子纖芯68，芯層直徑為10微米的摻鉺離子纖
芯61 ;內包層5為八角形，直徑為800微米，外包層4直徑為900微米。 第一泵浦源11、第二泵浦源12均為鉺離子、鐿離子、鐠離子、釤離子與釹離子吸收
截面對應的波長範圍內光源。 或第一泵浦源11為鉺離子、鐿離子、鐠離子與釹離子吸收截面對應的波長範圍內 光源，第二泵浦源12為釤離子吸收截面對應的波長範圍內光源。
實施例四 —種大功率八波段十二芯光纖雷射器，如圖7所示，該雷射器包括第一泵浦源11、第二泵浦源12、有源光纖3，有源光纖3採用的是九摻稀土離子十二芯雙包層光纖；在九摻 稀土離子十二芯雙包層光纖的所有纖芯中，寫入鉺離子的激射波長1560nm、1580nm、鐿離子 的激射波長1064nm、釹離子的激射波長1060nm、鈥離子的激射波長1380nm的反射係數均為 100%的第八光柵28，寫入釷離子的激射波長1480nm、1660nm、2300nm、鐠離子的激射波長 1310nm，釤離子的激射波長651nm的反射係數均為100%的第九光柵29 ;
在九摻稀土離子十二芯雙包層光纖的所有纖芯中，寫入鉺離子的激射波長 1560nm、1580nm、鐿離子的激射波長1064nm、釹離子的激射波長1060nm、鈥離子的激射波長 1380nm反射係數均為80%的第十光柵210，寫入釷離子的激射波長1480nm， 1660nm、2300nm 反射係數均為60% ，鐠離子的激射波長1310nm反射係數為95%的第i^一光柵211，在九摻 稀土離子十二芯雙包層光纖端面上鍍釤離子的激射波長651nm的90%反射係數的第四膜 74。 第八光柵28和第十光柵210與這兩光柵之間的一段九摻稀土離子十二芯雙包層 光纖構成第一個諧振腔，第八光柵28為第一個諧振腔的輸入端，第十光柵210為第一個諧 振腔的輸出端。 第九光柵29和第i^一光柵211與這兩光柵之間的一段九摻稀土離子十二芯雙包 層光纖構成第二個諧振腔，第九光柵29為第二個諧振腔的輸入端，第十一光柵211為第二 個諧振腔的輸出端。 第四膜74和第九光柵29與這兩者之間的一段九摻稀土離子十二芯雙包層光纖構 成第三個諧振腔，第九光柵29為第三個諧振腔的輸入端，第四膜74為第三個諧振腔的輸出
丄山順。 九摻稀土離子十二芯雙包層光纖截面圖如圖8所示，內包層包括芯層直徑為10微 米的摻鉺離子纖芯61，芯層直徑為10微米的摻鐿離子纖芯62，芯層直徑為10微米的釹鐿 互摻離子纖芯63，芯層直徑為10微米的摻鈥離子纖芯64，芯層直徑為15微米的摻釷離子 纖芯65，芯層直徑為10微米的鉺鐿互摻離子纖芯69，芯層直徑為10微米的摻鐠離子纖芯 66，芯層直徑為20微米的摻釤離子纖芯67，芯層直徑為10微米的摻釹離子纖芯68 ;內包層 5直徑為1000微米，外包層4直徑為1150微米。 第一泵浦源11、第二泵浦源12分別以正向端面、反向端面耦合進九摻稀土離子 十二芯雙包層光纖，產生的A波段的651nm、1060nm、1064nm、 0波段的1310nm、 E波段的 1380nm、 S波段的1480nm、 C波段的1560nm、 L波段的1580nm、 U波段的1660nm與Z波段的 2300nm的雷射從三個諧振腔的輸出端輸出。 第一泵浦源11、第二泵浦源12均為鉺離子、鐿離子、鈥離子，釷離子，鐠離子，釤離 子和釹離子吸收截面對應的波長範圍內光源。 或泵浦源11，為鉺離子、鐿離子、鈥離子、釷離子和鐠離子吸收截面對應的波長範 圍內光源，，第二泵浦源12為釤離子和釹離子吸收截面對應的波長範圍內光源。
權利要求
一種大功率多波段多芯光纖雷射器，該雷射器包括泵浦源、有源光纖；其特徵在於有源光纖採用的是多摻稀土離子多芯雙包層光纖；在多摻稀土離子多芯雙包層光纖的所有纖芯中，寫入所有纖芯所含全部或部分摻稀土離子的激射波長的100％反射係數的光柵，或在多摻稀土離子多芯雙包層光纖端面上鍍所有纖芯所含全部或部分摻稀土離子的激射波長的100％反射係數的膜；在多摻稀土離子多芯雙包層光纖的所有纖芯中，寫入所有纖芯所含全部或部分摻稀土離子的激射波長的部分反射係數的光柵，或在多摻稀土離子多芯雙包層光纖端面上鍍所有纖芯所含全部或部分摻稀土離子的激射波長的部分反射係數的膜；寫入的對應摻稀土離子的激射波長的100％反射係數的光柵，或在多摻稀土離子多芯雙包層光纖端面上鍍的對應摻稀土離子的激射波長的100％反射係數的膜，與寫入的對應摻稀土離子的激射波長的部分反射係數的光柵，或在多摻稀土離子多芯雙包層光纖端面上鍍的對應摻稀土離子的激射波長的部分反射係數的膜以及兩者之間的多摻稀土離子多芯雙包層光纖構成諧振腔；寫入的對應摻稀土離子的激射波長的100％反射係數的光柵，或在多摻稀土離子多芯雙包層光纖端面上鍍的對應摻稀土離子的激射波長的100％反射係數的膜為諧振腔的輸入端；寫入的對應摻稀土離子的激射波長的部分反射係數的光柵，或在多摻稀土離子多芯雙包層光纖端面上鍍的對應摻稀土離子的激射波長的部分反射係數的膜為諧振腔的輸出端；泵浦源耦合進多摻稀土離子多芯雙包層光纖，產生多波段雷射從諧振腔的輸出端輸出。
2. 根據權利要求1所述的大功率多波段多芯光纖雷射器，其特徵在於泵浦源，對有源 光纖進行端面泵浦或側面泵浦或同時端面泵浦與側面泵浦。
3. 根據權利要求1所述的大功率多波段多芯光纖雷射器，其特徵在於所述的摻稀土 離子的激射波長的部分反射係數光柵是指摻稀土離子的激射波長的反射係數小於100%的 光柵；所述的摻稀土離子的激射波長的部分反射係數膜是指摻稀土離子的激射波長的反射 係數小於100 %的膜。
全文摘要
一種大功率多波段多芯光纖雷射器，屬於大功率寬帶光纖雷射器。在多摻稀土離子多芯雙包層光纖的所有纖芯中，寫入所有纖芯所含全部或部分摻稀土離子的激射波長的100％反射係數的光柵，或在多摻稀土離子多芯雙包層光纖端面上鍍所有纖芯所含全部或部分摻稀土離子的激射波長的100％反射係數的膜；在多摻稀土離子多芯雙包層光纖的所有纖芯中，寫入所有纖芯所含全部或部分摻稀土離子的激射波長的部分反射係數的光柵，或在多摻稀土離子多芯雙包層光纖端面上鍍所有纖芯所含全部或部分摻稀土離子的激射波長的部分反射係數的膜；泵浦源耦合進多摻稀土離子多芯雙包層光纖，產生多波段雷射。該雷射器具有結構緊湊，受環境影響小，易處理輸出雷射等優點。
文檔編號H01S3/06GK101719621SQ20091024202
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月2日 優先權日2009年12月2日
發明者周倩, 寧提綱, 張帆, 李晶, 王春燦, 胡旭東, 裴麗, 鄭晶晶 申請人:北京交通大學