一種發熱抑制的光纖雷射器及其製作方法

2023-04-23 01:25:46

專利名稱：一種發熱抑制的光纖雷射器及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種雙包層有源光纖及光纖雷射器，特別涉及發熱抑制的雙包層有源光纖和光纖雷射器。
背景技術：
由於光纖材料本身表面積對體積的比值較大,輸出的光束質量好，體積小等優點，光纖雷射器近年來經歷了快速的發展，目前稀土摻雜光纖雷射器能夠得到的輸出光功率不斷提高。但是，隨著光功率的提高，有源摻雜光纖的發熱量也越來越多。有源光纖的散熱問題成為大功率光纖雷射器的瓶頸問題之一。該光纖發熱會對光纖雷射器產生很多負面影響，比如光纖模式改變、熱透鏡效應、光纖熔絲效應、光纖損傷等。儘管通過風冷、水冷等方式能夠在一定程度上緩解有源光纖的發熱問題，但是均不能從根本上解決問題。本專利提出了一項新的技術，有效地對光纖雷射器中有源光纖的發熱進行吸收，從整體上來看，有源光纖的發熱量明顯減小，從根本上抑制了有源光纖的發熱，為更大光功率的光纖雷射器的研製拓展了空間。

發明內容
針對現有技術的不足，本發明提出一種新型的有源光纖發熱抑制的光纖雷射器的方法，該方法有效地從光纖內部減小了有源光纖的發熱，緩解了光纖雷射器的發熱問題。本發明採用的技術方案是:一種光纖雷射器，由光功率吸收器、光纖光柵1、前向光纖泵浦光合束器、雙包層有源光纖、反向光纖泵浦光合束器、光纖光柵I1、信號泵浦雷射器、製冷泵浦雷射器、輸出準直隔離器，其特徵在於:所述的雙包層有源光纖的左端和前向光纖泵浦光合束器連接、右端和反向光纖泵浦光合束器連接；信號泵浦雷射器與前向光纖泵浦光合束器連接，信號泵浦雷射器與反向光纖泵浦光合束器連接，光纖光柵I的右端與前向光纖泵浦光合束器連接、左端與光功率吸收器連接；光纖光柵II左端與反向光纖泵浦光合束器連接，右端與輸出·準直隔離器的輸入端連接。所述的雙包層有源光纖，由纖芯、內包層、外包層和塗覆層組成，所述的纖芯與塗覆層之間設有內包層和外包層，其纖芯芯徑為8 20微米，內包層直徑為10(Γ400微米。一種製作光纖雷射器方法，包括以下步驟:
I)、雙包層有源光纖製作:以氟化物玻璃作為基質，摻雜兩種稀土元素製作雙包層有源光纖的預製棒；在纖芯中摻入第一雜質釹(Nd)和第二雜質鐿(Yb)，在光纖拉絲塔上將上述預製棒拉製成雙包層光纖，並在裸光纖外部塗上塗覆層；
所述的在纖芯中摻入第一雜質釹和第二雜質鐿，摻雜濃度為1018 102°cm_3。2)、搭建光纖雷射器光學系統:將前向光纖泵浦光合束器與第一波長的信號泵浦雷射器的雷射耦合至雙包層有源光纖中，反向光纖泵浦光合束器將第二波長的製冷泵浦雷射器的雷射耦合至雙包層有源光纖中；光纖光柵I右端與前向光纖泵浦光合束器連接、其左端與光功率吸收器連接；光纖光柵II左端與反向光纖泵浦光合束器連接，其右端與輸出準直隔離器的輸入端連接。3)、搭建光纖雷射器電路系統:將光纖雷射器的驅動源與各個信號泵浦雷射器、製冷泵浦雷射器連接，控制電路與各個驅動源電路和監控電路連接，接口電路與雷射器控制電路和外部計算機連接。4)、運行調試:啟動製冷泵浦雷射器，使得光纖處於製冷狀態，啟動信號泵浦雷射器，使得光纖處於雷射輸出狀態，依次地增大製冷泵浦雷射器的功率和信號泵浦雷射器的功率，逐漸讓兩個泵浦雷射器的功率到達目標值，此時光纖雷射器的發熱和製冷基本處於平衡狀態，在不影響輸出雷射的狀態下，有源光纖的發熱受到抑制。本發明，1、光纖雷射器中有源增益光纖的發熱量得到顯著減小。2、降低了光纖雷射器中製冷系統的要求。3、避免了熱透鏡效應引起的光束畸變。4、用拉曼光散射的方式進行製冷，過程是全固態的，可靠性高，性能穩定。5、除有源摻雜光纖需要有額外摻雜和製冷泵浦的波長改變以 外，對於其它部件都是可以和通常的光纖雷射器兼容的。


圖1是本發明的雙包層有源光纖的結構示意圖。圖2是本發明光纖雷射器結構示意圖。圖3是摻雜光纖激射過程中離子和光子相互作用示意圖。圖4是摻雜光纖中的反斯託克斯拉曼散射過程的光子和聲子相互作用。圖中:201光功率吸收器、202光纖光柵1、203前向光纖泵浦光合束器、204雙包層有源光纖、2041纖芯、2042內包層、2043外包層、2044塗覆層，205反向光纖泵浦光合束器、206光纖光柵I1、207信號泵浦雷射器、208製冷泵浦雷射器、209輸出準直隔離器、301#1摻雜離子的基態能級，302 #1摻雜離子的亞穩態能級，303 #1摻雜離子的激發態能級，401 #2摻雜離子的第一基態能級，402 #2摻雜離子的第二基態能級，403#2摻雜離子的第一激發態能級，404#2摻雜離子的第二激發態能級。
具體實施例方式一種光纖雷射器，由光功率吸收器201、光纖光柵I 202、前向光纖泵浦光合束器203、雙包層有源光纖204、反向光纖泵浦光合束器205、光纖光柵II 206、信號泵浦雷射器207、製冷泵浦雷射器208、輸出準直隔離器209，雙包層有源光纖204的左端和前向光纖泵浦光合束器203連接、右端和反向光纖泵浦光合束器205連接；信號泵浦雷射器207與前向光纖泵浦光合束器203連接，製冷泵浦雷射器208與反向光纖泵浦光合束器205連接。所述的雙包層有源光纖204，由纖芯2041、內包層2042、外包層2043和塗覆層2044組成，纖芯2041與塗覆層2044之間設有內包層2042和外包層2043，其纖芯芯徑為8^20微米，內包層直徑為10(Γ400微米。一種製備光纖雷射器方法，包括以下步驟:
1、雙包層有源光纖製作:以氟化物玻璃作為基質，摻雜兩種稀土元素製作雙包層有源光纖的預製棒；在纖芯2041中摻入第一雜質釹和第二雜質鐿,2042是光纖的內包層，2043是光纖外包層，在光纖拉絲塔上將上述預製棒拉製成雙包層光纖，並在裸光纖外部塗上塗覆層2044 ;其纖芯2041中摻入有第一雜質釹(Nb)和第二雜質鐿(Yb)，摻雜濃度為IO18 1020cnT3。在有源摻雜的雙包層光纖中，第一種雜質離子在第一個波長泵浦雷射的作用下，形成粒子數反轉，通過受激輻射產生光放大而發出雷射；第二種雜質離子，在第二個波長雷射泵浦下，通過反斯託克斯散射吸收聲子，產生製冷效果。使用氟化物玻璃光纖，適當選擇氟化物的種類，使得上述的反斯託克斯效應能夠有效地進行。一種優化的選擇是採用鋯(Zr)、硼(B)、鑭(La)、鋁(Al)、鈉(Na)、鉛(Pb)的重金屬氟化物作為光纖基質材料；有源雙包層光纖中的其它雜質和缺陷要儘量減小，降低發生非輻射複合的機率；製冷摻雜元素的下能級寬度要小於平均聲子能量，製冷泵浦雷射的光子能量要與製冷摻雜雜質的較低躍遷能量相當，以促進光纖中的反斯託克斯拉曼散射，抑制光纖中的斯託克斯拉曼散射。2、搭建光纖雷射器光學系統:將前向光纖泵浦光合束器203與第一波長的信號泵浦雷射器207耦合至雙包層有源光纖204中，反向光纖泵浦光合束器205將第二波長的製冷泵浦雷射器208耦合至雙包層有源光纖204中；光纖光柵I 202右端與前向光纖泵浦光合束器203連接、其左端與光功率吸收器201連接；光纖光柵II 206左端與反向光纖泵浦光合束器205連接，其右端與輸出準直隔離器209的輸入端連接。3)、搭建光纖雷射器電路系統:將光纖雷射器的驅動源與各個信號泵浦雷射器207、製冷泵浦雷射器208連接，控制電路與各個驅動源電路和監控電路連接，接口電路與雷射器控制電路和外部計算機連接。4)、運行調試:啟動製冷泵浦雷射器208，使得光纖處於製冷狀態，啟動信號泵浦雷射器207，使得光纖處於雷射輸出狀態，依次地增大製冷泵浦雷射器的功率和信號泵浦雷射器的功率，逐漸讓兩個泵浦雷射器的功率到達目標值，此時光纖雷射器的發熱和製冷基本處於平衡狀態，在不影響輸出雷射的狀態下，有源光纖的發熱受到抑制。實施例1:
一種製備大功率連續光纖雷射器方法，其步驟:
步驟一:氟玻璃光纖製作。以氟化物玻璃作為基質，摻雜兩種稀土元素製作有源雙包層氟玻璃光纖的預製棒。在纖芯2041中摻入第一雜質釹和第二雜質鐿,2042是光纖的內包層，2043是光纖外包層，2044是塗覆層。在光纖拉絲塔上將上述預製棒拉製成雙包層光纖，並在裸光纖外部塗上塗覆層。此雙包層有源光纖的結構如圖1所示。步驟二:搭建光纖雷射器光學系統。利用上述有源雙包層氟玻璃光纖製作大功率連續光纖雷射器。連續大功率光纖雷射器的結構如圖2所示。步驟三:搭建光纖雷射器電路系統。將半導體雷射器的驅動源與各個信號泵浦雷射器207、製冷泵浦雷射器208連接，將控制電路與各個驅動源電路和監控電路連接，將接口電路與雷射器控制電路和外部計算機連接。步驟四:運行調試。啟動製冷泵浦雷射器208，使得光纖處於被冷卻狀態，但開始該製冷泵浦調節到較低水平。啟動信號泵浦雷射器207，使得光纖處於雷射輸出狀態，但開始該泵浦調節到較低水平，使其發熱量不是太大。然後依次地增大製冷泵浦雷射器的功率和信號泵浦雷射器的功率，逐漸讓兩個泵浦雷射器的功率到達目標值。此時光纖雷射器的發熱和製冷基本處於平衡狀態，在不影響輸出雷射的狀態下，有源光纖的發熱受到抑制。本發明與 傳統雷射器不同的是:本發明採用了雙元素摻雜的氟玻璃光纖，取代了傳統的二氧化矽單元素摻雜光纖；本發明採用了兩個不同的泵浦，分別是第一泵浦用於光纖雷射器的激射，第二泵浦用於有源光纖的製冷降溫。原理說明如下:在第一波長泵浦雷射的激勵下，有源雙包層氟玻璃光纖中#1摻雜離子產生光增益區，增益區和左右兩個有相同中心反射波長的光纖光柵I 202和光纖光柵II 206組成光學諧振腔，並產生雷射。在第二波長泵浦雷射的激勵下，有源雙包層氟玻璃光纖中#2摻雜離子產生反斯託克斯拉曼散射，吸收聲子，發出一個能量更大的拉曼散射光子。聲子會帶走有源光纖中的熱量，散射光子向外輻射離開了雙包層有源光纖。有源雙包層氟玻璃光纖中的雷射發生過程如圖3所示。在激射過程中，#1波長的泵浦雷射將#1摻雜離子從基態301躍遷到激發態303，然後通過非輻射轉移到亞穩態302上，再通過受激輻射，躍遷到基態301，同時產生了信號雷射。這個過程中，光子的量子虧損轉化為熱量，使光纖發熱。有源雙包層氟玻璃光纖中的製冷過程如圖4所示。在製冷過程中，#2波長的泵浦雷射將摻雜離子#2中的離子從基態402躍遷到激發態403，聲學聲子促使激發態401和402之間發生粒子數轉移，離子從激發態404輻射躍遷至401，發出一個拉曼散射光子，並且吸收一個能量等於401和402之間能級差的光學聲子。這種反斯託克斯拉曼散射過程，通過帶走一個光學聲子吸收了有源光纖的熱量，達到製冷的效果。

本實施例的核心是採用雙摻雜雙包層氟玻璃光纖，通過雙波長泵浦，在產生受激輻射的同時，用反斯託克斯拉曼散射帶走熱量的方法來部分或全部抵消光纖雷射器激射過程中的發熱。緩解了大功率光纖雷射器的散熱問題。摻雜元素可以在多種稀土元素中進行選擇，以配合信號泵浦波長和製冷泵浦波長。在某些情況下，如果第一摻雜離子在第一泵浦光作用下，產生的雷射光子能量正好等於所需的第二泵浦光的光子能量，則可以省去第二泵浦，而直接用信號雷射的一部分來泵浦第二種離子產生反斯託克斯拉曼螢光，從而製冷光纖雷射器的有源光纖，簡化了光纖雷射器的結構。上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍，凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種發熱抑制的光纖雷射器，由光功率吸收器(201)、光纖光柵I (202)、前向光纖泵浦光合束器(203)、雙包層有源光纖(204)、反向光纖泵浦光合束器(205)、光纖光柵II(206)、信號泵浦雷射器(207)、製冷泵浦雷射器(208)、輸出準直隔離器(209)，其特徵在於:所述的雙包層有源光纖(204)的左端和前向光纖泵浦光合束器(203)連接、右端和反向光纖泵浦光合束器(205)連接；信號泵浦雷射器(207)與前向光纖泵浦光合束器(203)連接，製冷泵浦雷射器(208)與反向光纖泵浦光合束器(205)連接，光纖光柵I (202)的右端與前向光纖泵浦光合束器(203)連接、左端與光功率吸收器(201)連接；光纖光柵II (206)左端與反向光纖泵浦光合束器(205)連接，右端與輸出準直隔離器(209)的輸入端連接。
2.根據權利要求1 所述的一種發熱抑制的光纖雷射器，其特徵在於:所述的雙包層有源光纖204，由纖芯(2041 )、內包層(2042 )、外包層(2043 )和塗覆層(2044)組成，所述的纖芯(2041)與塗覆層(2044 )之間設有內包層(2042 )和外包層(2043 )，其纖芯芯徑為8 20微米，內包層(2042)直徑為10(Γ400微米。
3.一種製作權利要求1所述的光纖雷射器的方法，其特徵在於:包括以下步驟: 1)、雙包層有源光纖製作:以氟化物玻璃作為基質，摻雜兩種稀土元素製作雙包層有源光纖的預製棒；在纖芯(2041)中摻入第一雜質釹(Nd)和第二雜質鐿(Yb),在光纖拉絲塔上將上述預製棒拉製成雙包層光纖，並在裸光纖外部塗上塗覆層(2044)； 2)、搭建光纖雷射器光學系統:將前向光纖泵浦光合束器(203)與第一波長的信號泵浦雷射器(207 )的雷射耦合至雙包層有源光纖(204 )中，反向光纖泵浦光合束器(205 )將第二波長的製冷泵浦雷射器(208)的雷射耦合至雙包層有源光纖(204)中；光纖光柵I (202)右端與前向光纖泵浦光合束器(203)連接、其左端與光功率吸收器(201)連接；光纖光柵II(206)左端與反向光纖泵浦光合束器(205)連接，其右端與輸出準直隔離器(209)的輸入端連接； 3)、搭建光纖雷射器電路系統:將光纖雷射器的驅動源與各個信號泵浦雷射器(207)、製冷泵浦雷射器(208 )連接，控制電路與各個驅動源電路和監控電路連接，接口電路與雷射器控制電路和外部計算機連接； 4)、運行調試:啟動製冷泵浦雷射器(208)，使得光纖處於製冷狀態，啟動信號泵浦雷射器(207)，使得光纖處於雷射輸出狀態，依次增大製冷泵浦雷射器的功率和信號泵浦雷射器的功率，逐漸讓兩個泵浦雷射器的功率到達目標值，此時光纖雷射器的發熱和製冷處於基本平衡狀態，在不影響輸出雷射的狀態下，有源光纖的發熱受到抑制。
4.根據權利要求1所述的製備光纖雷射器的方法，其特徵在於:所述的步驟I)中的雙包層有源光纖(204)在纖芯(2041)中摻入第一雜質釹和第二雜質鐿，其摻雜濃度為IO18 1020cnT3。
全文摘要
一種發熱抑制的光纖雷射器及其製作方法，其特徵在於所述的抑制發熱的雙包層有源光纖(204)的左端和前向光纖泵浦光合束器(203)連接、右端和反向光纖泵浦光合束器(205)連接；信號泵浦雷射器(207)與前向光纖泵浦光合束器(203)連接，製冷泵浦雷射器(208)與反向光纖泵浦光合束器(205)連接。本發明通過兩個泵浦波長的雷射，分別產生信號雷射和製冷效應，緩解了大功率光纖雷射器的散熱壓力，提高了光纖雷射器的可靠性和工作穩定性。同時該光纖雷射器在結構上與傳統的光纖雷射器系統兼容，具有工藝可行性。
文檔編號H01S3/16GK103236628SQ201310135119
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月18日 優先權日2013年4月18日
發明者周勝, 李豐, 談根林 申請人:江蘇天元雷射科技有限公司, 丹陽聚辰光電科技有限公司