CN103474868A

CN103474868A - 输出高功率2微米线偏振激光的掺铥全光纤激光器

Info

Publication number: CN103474868A
Application number: CN2013103956262A
Authority: CN
Inventors: 徐剑秋; 杨建龙; 唐玉龙; 李宏强; 王尧; 罗永锋
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2033-09-03
Also published as: CN103474868B

Abstract

一种输出高功率2微米线偏振激光的掺铥全光纤激光器，包括：N个带尾纤输出头的第一高功率激光二极管、N个带尾纤输出头的第二高功率激光二极管、第一光纤合束器、第二光纤合束器、第一段刻写了布拉格光栅的无源光纤、第二段刻写了布拉格光栅的无源光纤、第一段保偏双包层掺铥光纤、第二段保偏双包层掺铥光纤、第一光纤端帽、第二光纤端帽和单偏光纤。本发明具有结构简单、紧凑，输出2微米激光的功率高、线偏振度高等优点，且由于全光纤结构，易于搭建和使用以及商业化推广。

Description

输出高功率2微米线偏振激光的掺铥全光纤激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，特别是一种输出高功率2微米线偏振激光的掺铥全光纤激光器。

背景技术

近年来，由于2微米激光在国防、医疗、遥感技术以及生物学研究等领域的广泛应用，激发了研究其产生手段的热潮，进而使得2微米激光器在功率、光束质量、商业化等方面有了长足的进步。在这之中，可用来产生2微米激光的掺铥光纤激光器尤为引人注目。这一方面是由于光纤激光器共有的一些优良特性，如热效应弱、单模运转、光束质量高以及全光纤化后易于集成为产品等。另一方面则是由于掺铥二氧化硅作为激光增益介质本身所具有的一些特点。首先，掺铥二氧化硅在各波长有多个吸收峰，所以泵浦源的选择有很大余地。特别是在790纳米附近的吸收峰有很大的吸收截面，因此即使采用包层泵浦也可在几米内充分吸收在此波长范围的泵浦光，进而产生很高的增益。这就正好可以利用目前也发展得十分迅猛的这个波长范围的激光二极管作为泵浦源。在这二者的结合下，目前已有公司报道获得超过1千瓦的两微米连续光输出。其次，掺铥二氧化硅在2微米附近有很宽的发射谱，这意味着其具有很宽的波长调谐范围，前人实验表明，可输出从约1850纳米到2050纳米的激光。此外，宽的发射谱同样意味其支持超短秒冲输出。根据傅里叶变化关系，理论上可支持小于100飞秒超短脉冲的产生。再者，800纳米附近泵浦光可引发铥的三价阳离子引发能级间的交叉弛豫过程，进而使得泵浦光到激光的量子效率大大提升，理论上接近百分之两百，实验中也已获得约百分之六十的斜效率。如此高的转化效率使得掺铥激光器在2微米激光产生领域具有主导地位。

尽管已有报道通过全光纤掺铥激光器获得了超过1千瓦的2微米连续光输出，但其输出光是随机偏振的，无法满足一些需要线偏振激光的应用如激光雷达、非线性波长转换等的要求。目前，报道的输出百瓦以上2微米偏振光的激光器都采用了空间光耦合的方式，这不利于激光器的使用和实现商业化。而易于使用的全光纤激光器目前还未有获得百瓦级2微米偏振光输出的报道。此外，为实现偏振光振荡输出，目前普遍采用了谐振腔两端反馈快慢轴波长匹配的方式，这一方式由于受到激光在保偏光纤中传输时偏振度的退化、熔接时对轴的精确度等因素的影响很难获得很高的线偏振度。偏振度的问题同样出现在了采用传统的“主功率振荡放大”构型的激光器中。由于这一类激光器通常有多个放大级，也就意味着需要采用较长的保偏光纤以及多个需要对轴熔接的熔接点，这些因素都是获得高功率、高线偏振度激光的阻碍。

发明内容

本发明为克服上述采用全光纤结构获得高功率、高线偏振度2微米激光的困难，提出了一种输出高功率2微米线偏振激光的掺铥全光纤激光器。

本发明的技术解决方案如下：

一种输出高功率2微米线偏振激光的掺铥全光纤激光器，其特点在于，包括：N个带尾纤输出头的第一高功率激光二极管、N个带尾纤输出头的第二高功率激光二极管、第一光纤端帽、第二光纤端帽、第一光纤合束器、第二光纤合束器、第一段刻写了布拉格光栅的无源光纤、第二段刻写了布拉格光栅的无源光纤、第一段保偏双包层掺铥光纤、第二段保偏双包层掺铥光纤和单偏光纤；

上述各元件的连接关系如下：

所述的N个第一高功率激光二极管的输出端分别经N段第一泵浦光纤与第一光纤合束器的第一泵浦光输入端、第二泵浦光输入端、……、第N泵浦光输入端连接，该第一光纤合束器的信号光输入端与所述的第一光纤端帽连接，第一光纤合束器的信号光输出端依次经所述的第一段刻写了布拉格光栅的无源光纤、第一段保偏双包层掺铥光纤、单偏光纤、第二段保偏双包层掺铥光纤和第二段刻写了布拉格光栅的无源光纤与所述的第二光纤合束器的信号光输入端连接，所述的N个第二高功率激光二极管的输出端分别经N段第二泵浦光纤与第二光纤合束器的第一泵浦光输入端、第二泵浦输入端、……、第N泵浦光输入端连接，该第二光纤合束器的信号光输出端与第二光纤端帽连接。

所述的第一保偏双包层掺铥光纤和第二保偏双包层掺铥光纤纤芯中铥的三价阳离子的掺杂重量比均大于等于百分之一。

第一段刻写了布拉格光栅的无源光纤对激光波长处的光反射率大于等于95%，所述的第二段刻写了布拉格光栅的无源光纤对激光波长处的光反射率小于等于20%。

所述的第一段刻写了布拉格光栅的无源光纤、第二段刻写了布拉格光栅的无源光纤中布拉格光栅的反射线宽分别小于0.5纳米。

所述的第一光纤合束器和第二光纤合束器的泵浦光输入端个数为N=2、6、12或18。

所述的带尾纤输出头的第一高功率激光二极管和第二高功率激光二极管的输出的泵浦光为连续光，波长范围为750纳米到820纳米。

所述的单偏光纤的长度为0.1～0.5米。

所述的第一光纤端帽和第二光纤端帽的截面直径均大于1毫米，各输出面均为8度角斜切。

所述的各元件之间通过熔接连接，以实现全光纤结构。

所述的第一保偏双包层掺铥光纤和单偏光纤熔接时熔接点的两侧、单偏光纤和第二保偏双包层掺铥光纤熔接时熔接点的两侧、第二保偏双包层掺铥光纤和第二无源光纤熔接时熔接点的两侧慢轴和慢轴之间保持相互垂直，其余各元件熔接时熔接点两侧的慢轴和慢轴之间保持相互重合。

本发明掺铥全光纤激光器各元件的光纤连接处应满足数值孔径的匹配，其激光的输出波长和光谱宽度由第一无源光纤和第二无源光纤中的布拉格光栅决定。，激光输出的波长范围为1850纳米到2050纳米。

与现有技术相比，本发明的改进和创新包括：

1）在激光谐振腔内加入了一段单偏光纤。不同保偏光纤只是保持通过光的偏振态，单偏光纤在选定波段只有慢轴光可以通过，快轴光则被损耗。由于这一特点，只有特定偏振方向的光可以在腔内起振和被放大，其它方向的光则在通过单偏光纤时被损耗，这可使得输出偏振光的线偏振度提高。同时，由于其它偏振成分的减少，增益介质中所储存的能量也可以得到更为有效的利用，这使得泵浦光到激光的转化效率得到提高。

2）本发明采用了直接通过振荡级输出百瓦级高功率激光的方式，相较于传统的采用“主功率振荡放大”方式的激光器，直接振荡更为高效，且由于激光在光纤中传输距离的变短，偏振态退化效应的影响变弱，使得输出激光具有更高的线偏振度。

3）将高功率激光二极管泵浦、光纤包层泵浦、合束器合束和耦合入腔、端泵浦、光纤熔接、端帽抑制放大的自发辐射以及谐振腔两端反馈快慢轴波长匹配等技术结合了起来使得全光纤掺铥激光器输出高功率、高线偏振度的2微米激光成为了可能。

本发明具有结构简单、紧凑，输出2微米激光的功率高、线偏振度高等优点，且由于全光纤结构，易于搭建和使用以及商业化推广。

附图说明

图1是本发明输出高功率2微米线偏振激光的掺铥全光纤激光器的结构示意图。

图2是铥的三价阳离子的简易能级结构图，各箭头代表了利用³H₆到³H₄跃迁泵浦产生2微米激光时所涉及的主要物理过程。

图3所示为两段写有布拉格光栅的无源光纤的反射谱和单偏光纤的透射谱。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做详细的说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请先参阅图1，图1是本发明输出高功率2微米线偏振激光的掺铥全光纤激光器的结构示意图，如图所示，一种输出高功率2微米线偏振激光的掺铥全光纤激光器，其构成包括：N个带尾纤输出头的第一高功率激光二极管1、N个带尾纤输出头的第二高功率激光二极管5、第一光纤端帽7、第二光纤端帽8、第一光纤合束器41、第二光纤合束器42和激光谐振腔。激光谐振腔由第一段刻写了布拉格光栅的无源光纤2、第二段刻写了布拉格光栅的无源光纤3、第一段保偏双包层掺铥光纤11、第二段保偏双包层掺铥光纤12和单偏光纤6组成。

第一段保偏双包层掺铥光纤11和第二段保偏双包层掺铥光纤12是增益介质，受激吸收泵浦光和自发及受激辐射2微米光。第一段刻写了布拉格光栅的无源光纤2和第二段刻写了布拉格光栅的无源光纤3则相当于传统固体激光器中前后腔镜，提供了在特定波长及方向上的光反馈。一段单偏光纤6则对产生激光的偏振态进行了进一步筛选。增益介质的长度通常根据掺铥光纤对泵浦的包层吸收系数决定。优选可吸收约百分之九十泵浦光的掺杂光纤为宜。为保证2微米激光从第二光纤端帽8的端面输出，第一段刻写了布拉格光栅的无源光纤2在激光波长处的反射率应越高越好，根据目前工艺，反射率通常可达百分之九十九以上，而第二段刻写了布拉格光栅的无源光纤3，由于掺铥光纤在2微米附近的高增益系数，通常不需要高的反射率，一般取百分之十左右为宜。单偏光纤6不需要太长，小于半米即可，这一方面是由于其价格昂贵，另一方面也是因为当其过长时同样会出现偏振态退化现象。此外，关于激光腔选偏振态的部分我们将在下面结合图3进行说明。

泵浦源为若干第一高功率激光二激管1和第二高功率激光二激管5，泵浦光的输出则是通过微透镜耦合进光纤，然后通过光纤输出。根据目前工艺，激光二极管的输出光可以高效的耦合入纤芯直径细至100微米光纤之中。泵浦源的波长选择我们则在下面结合图2进行说明。高功率激光二极管的输出光纤通过与光纤合束器的泵浦光输入纤熔接，将若干个高功率激光二极管的输出光合束并注入激光谐振腔。为了进一步提高激光器的斜效率，采用了双向端面泵浦的方式，即如图1所示第一光纤合束器41和第二光纤合束器42分别连接激光谐振腔两端，将泵浦光注入腔内。光纤合束器需进行高功率封装以及主动散热。

本发明掺铥全光纤激光器的两端分别所接8度角切割的第一光纤端帽7和第二光纤端帽8的主要是用来抑制激光器中的寄生振荡和放大的自发辐射。此外，光纤端帽的输出端面最好镀上对激光波长光的增透膜，以减少输出损耗以及端面菲涅尔反射而产生的热效应。

图2所示为铥的三价阳离子的简易能级结构图，各箭头代表了利用³H₆到³H₄跃迁泵浦产生2微米激光时所涉及的主要物理过程。其中箭头p代表了上面提到泵浦光的受激吸收过程。箭头l代表了³F₄到³H₆跃迁的激光受激发射过程。r1和r2分别代表了从³H₄到³H₅和从³H₅到³F₄的自发跃迁过程。c1和c2则代表了由p过程激发的一对交叉弛豫过程：³H₄到³F₄和³H₆到³F₄。正是这对交叉弛豫过程给出了我们选择泵浦波长为800纳米附近（对应于³H₆到³H₄跃迁的吸收峰）的理由：一个泵浦光子可以激发两个分别来自³H₄和³H₆能级的离子跃迁至激光上能级³F₄，使得激光器量子效率接近百分之两百，也就使得掺铥光纤激光器具有很高的斜效率。此外，需要指出的是，在800纳米附近的商业高功率激光二极管通常有793纳米的和808纳米的，我们一般会选择793纳米的作为所述掺铥光纤激光器的泵浦源，这是因为铥的三价阳离子在这一波长具有更大的吸收截面。

图3是两段写有布拉格光栅的无源光纤的反射谱和单偏光纤的透射谱。可以注意到高反射率光栅和低反射率光栅之间反射波长并不完全匹配，只有高反光栅的快轴反射波长与低反光栅的慢轴反射波长相吻合。这是刻写光栅时有意为之，这样在熔接时通过将低反光栅旋转90度（如图1所示），就可使得保偏掺铥光纤中只有一个轴可以形成激光振荡，从而输出线偏振光。同时利用如图3中间图所示单偏光纤对快慢轴光的截止波长不同这一性质，进一步抑制了其它偏振方向激光的起振，起到了对所需线偏振光的“净化”作用。

Claims

1.一种输出高功率2微米线偏振激光的掺铥全光纤激光器，其特征在于，包括：N个带尾纤输出头的第一高功率激光二极管（1）、N个带尾纤输出头的第二高功率激光二极管（5）、第一光纤端帽（7）、第二光纤端帽（8）、第一光纤合束器（41）、第二光纤合束器（42）、第一段刻写了布拉格光栅的无源光纤（2）、第二段刻写了布拉格光栅的无源光纤（3）、第一段保偏双包层掺铥光纤（11）、第二段保偏双包层掺铥光纤（12）和单偏光纤（6）；

上述各元件的连接关系如下：

所述的N个第一高功率激光二极管（1）的输出端分别经N段第一泵浦光纤与第一光纤合束器（41）的第一泵浦光输入端、第二泵浦光输入端、……、第N泵浦光输入端连接，该第一光纤合束器（41）的信号光输入端与所述的第一光纤端帽（7）连接，第一光纤合束器（41）的信号光输出端依次经所述的第一段刻写了布拉格光栅的无源光纤（2）、第一段保偏双包层掺铥光纤（11）、单偏光纤（6）、第二段保偏双包层掺铥光纤（12）和第二段刻写了布拉格光栅的无源光纤（3）与所述的第二光纤合束器（42）的信号光输入端连接，所述的N个第二高功率激光二极管（2）的输出端分别经N段第二泵浦光纤与第二光纤合束器（42）的第一泵浦光输入端、第二泵浦输入端、……、第N泵浦光输入端连接，该第二光纤合束器（42）的信号光输出端与第二光纤端帽连接（8）。

2.根据权利要求1所述的输出高功率2微米线偏振激光的掺铥全光纤激光器，其特征在于，所述的第一保偏双包层掺铥光纤（11）和第二保偏双包层掺铥光纤（12）纤芯中铥的三价阳离子的掺杂重量比均大于等于百分之一。

3.根据权利要求1所述的输出高功率2微米线偏振激光的掺铥全光纤激光器，其特征在于，第一段刻写了布拉格光栅的无源光纤（2）对激光波长处的光反射率大于等于95%，所述的第二段刻写了布拉格光栅的无源光纤（3）对激光波长处的光反射率小于等于20%。

4.根据权利要求3所述的输出高功率2微米线偏振激光的掺铥全光纤激光器，其特征在于，所述的第一段刻写了布拉格光栅的无源光纤、第二段刻写了布拉格光栅的无源光纤中布拉格光栅的反射线宽分别小于0.5纳米。

5.根据权利要求1所述的输出高功率2微米线偏振激光的掺铥全光纤激光器，其特征在于，所述的第一光纤合束器（41）和第二光纤合束器（42）的泵浦光输入端个数为N=2、6、12或18。

6.根据权利要求1所述的输出高功率2微米线偏振激光的掺铥全光纤激光器，其特征在于，所述的带尾纤输出头的第一高功率激光二极管（1）和第二高功率激光二极管（5）的输出的泵浦光为连续光，波长范围为750纳米到820纳米。

7.根据权利要求1所述的输出高功率2微米线偏振激光的掺铥全光纤激光器，其特征在于，所述的单偏光纤（6）的长度为0.1～0.5米。

8.根据权利要求1所述的输出高功率2微米线偏振激光的掺铥全光纤激光器，其特征在于，所述的第一光纤端帽（7）和第二光纤端帽（8）的截面直径均大于1毫米，各输出面均为8度角斜切。

9.根据权利要求1所述的输出高功率2微米线偏振激光的掺铥全光纤激光器，其特征在于，所述的各元件之间通过熔接连接，以实现全光纤结构。

10.根据权利要求9所述的输出高功率2微米线偏振激光的掺铥全光纤激光器，其特征在于，所述的第一保偏双包层掺铥光纤（11）和单偏光纤（6）熔接时熔接点的两侧、单偏光纤（6）和第二保偏双包层掺铥光纤（12）熔接时熔接点的两侧、第二保偏双包层掺铥光纤（12）和第二无源光纤（3）熔接时熔接点的两侧慢轴和慢轴之间保持相互垂直，其余各元件熔接时熔接点两侧的慢轴和慢轴之间保持相互重合。