CN104051938A

CN104051938A - 一种光纤激光器装置

Info

Publication number: CN104051938A
Application number: CN201410324115.6A
Authority: CN
Inventors: 杜峰; 谭满清; 焦健; 郭小峰; 郭文涛; 孙宁宁
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2014-07-09
Filing date: 2014-07-09
Publication date: 2014-09-17

Abstract

本发明公开了一种光纤激光器装置，包括：制冷器，对激光器管芯进行控温；热沉；过渡热沉，与所述热沉共同对激光器管芯和增益光纤散热；热敏电阻，精确控制制冷器的温度；激光器管芯，产生第一预定波长的激光；第一光纤部分，包括楔形透镜和第一光纤光栅，所述楔形透镜制作在靠近激光器管芯的第一光纤部分的一端，减小端面反射；所述第一光纤光栅制作在所述第一光纤部分的另一端，透射第一预定波长的激光，反射第二预定波长的激光；第二光纤部分，包括第二光纤光栅，透射一部分第二预定波长的激光；所述第一光纤光栅和第二光纤光栅对第二预定波长的光进行选膜和放大；增益光纤，将激光器管芯输出的第一预定波长的光吸收后产生第二预定波长的光。

Description

一种光纤激光器装置

技术领域

本发明所属半导体技术领域，是一种在光纤通信领域中有重要作用的紧凑型1550nm光纤激光器装置。

背景技术

LD泵浦光纤激光器具有结构紧凑、***稳定、光学转换效率高、输出激光的线宽窄、信噪比低等优点。在印刷、材料微加工、医用激光、通信工业、国防军事、高精度传感、超快激光等领域，具有广阔的应用前景。光纤激光器在军事、航天等关系国计民生的重要领域有着举足轻重的作用和地位，对其展开进一步的研究是很有必要的。光纤激光器的主要原理是用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质，在泵浦光的作用下增益光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，当加入适当的正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡输出，光纤激光器由工作物质、谐振腔和泵浦源三个部分组成。在研制光纤激光器方面，国内外已经取得重大突破并形成了成熟的技术方案，目前主要研究较多的是掺铒、掺镱和掺铥等石英基质光纤激光器，其输出功率可达几个毫瓦，线宽为几十个kHz。

但对于普通的光纤激光器而言，由于光纤的掺铒浓度较低，导致单位长度的光纤增益较低，为了保证输出功率，必须使用较长的铒纤，往往都在几米甚至几十米。这会使光纤激光器件造价相对较贵，并且光纤中非线性效应很强，会影响到激光器的性能。而且由于光纤最小弯曲半径的限制，不利于实现器件的小型紧凑化，而光器件低成本、小型化、集成化是当前器件发展的一个重要趋势。因此，如何提高光纤单位长度增益、缩小光纤激光器体积成为了当前国内外研究的热点之一；目前国内外生产的大部分光纤激光器中，光学谐振腔是在增益光纤两端的端面镀反射膜实现，其工艺操作较为复杂，且薄膜质量难以得到保证，薄膜反射率受激光器的工作温度影响较大，薄膜的温度也不容易控制，从而影响激光的输出功率。

发明内容

为解决上述的一个或多个问题，本发明提出了一种集成化的光纤激光器件，主要利用高掺杂的铒镱共掺磷酸盐玻璃单模光纤(EYPF)作为增益介质，大大提高了单位光纤长度的吸收增益，使增益介质光纤长度缩短到了几个厘米甚至毫米量级，从而缩小了光纤激光器的体积。另外，器件结构中采用在增益光纤两端的石英单模光纤上写入光纤光栅的方法来构成激光谐振腔，起到选模和光放大作用，这种制作谐振腔的方法较光纤端面镀反射膜的方法，工艺上更加容易实现，也更容易调节和控制其反射率和反射波长。同时，对光纤激光器模块中的光纤光栅组成的激光谐振腔加以温度控制电路对其工作温度进行调节控制，避免因工作温度的改变影响光纤光栅周期的改变，从而导致光纤激光器的输出光波长发生漂移，提高了光纤激光器的输出稳定性。

(一)技术方案

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种光纤激光器装置，其包括：

制冷器，其用于对激光器管芯进行控温；

热沉，其固定在制冷器上；

过渡热沉，其固定在热沉上，其与所述热沉共同对激光器管芯和增益光纤散热；

热敏电阻，其焊接在过渡热沉上，用于精确控制制冷器的温度；

激光器管芯，其固定在过渡热沉上，用于产生第一预定波长的激光；

第一光纤部分，其包括楔形透镜和第一光纤光栅，所述楔形透镜制作在靠近激光器管芯的第一光纤部分的一端，用于减小端面反射；所述第一光纤光栅制作在所述第一光纤部分的另一端，用于透射第一预定波长的激光，反射第二预定波长的激光；

第二光纤部分，其包括第二光纤光栅，用于透射一部分第二预定波长的激光；所述第一光纤光栅和第二光纤光栅形成激光谐振腔，用于对第二预定波长的光进行选膜和放大输出；

增益光纤，其位于第一光纤部分和第二光纤部分之间，且与第一光纤部分和第二光纤部分固定连接，其用于将激光器管芯输出的第一预定波长的光吸收后产生第二预定波长的光。

其中，所述增益光纤为铒镱共掺磷酸盐单模光纤，其外部嵌套有石英玻璃管。

其中，所述铒镱共掺光磷酸盐单模光纤中，铒的掺杂浓度为3.0mol％，镱的掺杂浓度为5.0mol％，传播损耗为0.04dB/cm，在1535nm波长处的净增益为5.2dB/cm，荧光寿命8.1ms。

其中，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅为一级光栅，其中心波长为1550nm，光栅的周期为528nm。

其中，楔形透镜的楔角为70°～120°，曲率半径为3μm～8μm。

其中，热敏电阻的阻值在9.5kΩ～10.5kΩ之间。

其还包括：集成管壳，用于封装所述光纤激光器模块的各个部件，其还具有光纤引出孔，所述第二光纤部分从所述光纤引出孔延伸至集成管壳外部。

其还包括：光隔离器，其位于所述集成管壳外部，通过光纤连接器连接在所述第二光纤部分的延伸部分。

其中，所述第一预定波长为980nm，所述第二预定波长为1550nm。

综上所述，本实施例提出的一种紧凑型的1550nm光纤激光集成模块，使用高掺杂的铒镱共掺磷酸盐光纤(EYPF)，大大提高了单位长度光纤的吸收增益，缩短了增益光纤长度的同时还可以保证很好的输出特性。从而实现了光纤激光器的小型化、集成化。同时，将增益光纤通过硅的V型槽固定在热沉上，并用制冷器对其进行控温，从而避免了光纤的吸收截面和发射截面随温度的变化而变化，进而影响到光纤激光器输出波长的稳定性，减小激光器中心波长的漂移，一定程度上压窄了激光线宽。另外，本发明使用了两个光纤光栅作为激光谐振腔，可以使其输出波长稳定在光纤光栅的谐振波长上，而且光纤光栅制作工艺较传统的光纤端面镀膜更加容易实现。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明紧凑型的1550nm光纤激光器具有以下有益效果：

a、利用高掺杂铒镱共掺磷酸盐光纤(EYPF)对980nm泵浦光的高吸收、高增益，缩短了增益介质光纤的长度，将所有的光源器件集成在一个管壳内，实现了光纤激光器的小型化、集成化。

b、将铒镱共掺增益介质光纤利用硅V型槽固定在热沉上，用制冷电路对其进行控温，克服环境温度对光纤的光学参数的影响，降低光源对环境温度的依赖性，从而提高激光器的稳定性。

c、激光光源结构中采用了两个光纤光栅作为激光谐振腔，并利用温度控制电路对光纤光栅进行温度精确控制，使其输出波长稳定在光纤光栅的谐振波长上，且光纤光栅制作工艺较传统的光纤端面镀膜更加简单、容易实现。

附图说明

图1是本发明中紧凑型的1550nm光纤激光器模块装置的侧视结构图。

图2是本发明中紧凑型的1550nm光纤激光器模块的光路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1示出了本发明中紧凑型的1550nm光纤激光器模块装置侧视结构图。如图1所示，其包括：

-制冷器1，该制冷器1采用铟锡焊工艺焊接在整个集成的管壳内，其用于对980nm激光器管芯5和铒镱共掺光纤9进行控温，控温精度可以达到0.2℃以内；

-热沉2，其材料为镍，该热沉2采用铟锡焊工艺焊接在制冷器1上，该热沉上要焊接过渡热沉，并起到散热的作用；

-两个过渡热沉3，其材料为氮化铝，该两个过渡热沉3采用金锡焊工艺分别焊接在热沉2的两个部分上，第一过渡热沉用于导出激光管芯产生的热能，第二过渡热沉用于导出增益光纤产生的热能；其中，所述过渡热沉用来导热，所述热沉用来散热。

-两个热敏电阻4；采用金锡焊工艺焊接在第一和第二过渡热沉3上，用于控制制冷电流，进而实现对制冷器温度的精确控制；具体地，当激光管芯和增益光纤的温度升高时，位于其附近的热敏电阻即可感应到温度的变化，由于热敏电阻也是制冷电路的一部分，热敏电阻的阻值随温度的变化而产生变化，进而影响制冷电路中的电流大小，起到控制、调节温度的作用；

-980nm激光管芯5，采用金锡焊工艺焊接在第一过渡热沉3上；

光纤，其包括第一光纤部分和第二光纤部分，其中，所述第一光纤部分包括：靠近激光管芯5的楔形透镜6和靠近增益光纤的第一光纤光栅7；所述第二光纤部分包括靠近增益光纤一端的第二光纤光栅7，其另一端作为激光尾纤延伸至所述激光器模块装置的外部；所述增益光纤9位于第一光纤部分和第二光纤部分之间；

所述楔形透镜6采用光纤研磨工艺制作在光纤靠近激光管芯5的一端上，通过将光纤头磨成楔形，可以减小端面的反射，降低光损耗，提高耦合效率；

所述第一、第二光纤光栅7采用紫外曝光法写入第一光纤部分和第二光纤部分中，其中第一光纤光栅对1550nm的光反射率高达99％，相当于高反射率薄膜，对980nm的泵浦光有极高的透射率；第二光纤光栅对1550nm的光有一定的透射率。第一个光纤光栅是对980nm的泵浦光具有很高的透射率，对1550nm的光高反，具有99％以上的反射率；第二个光栅作为激光的输出口，对1550nm的光有一定的透射率，在5％～10％之间。之所以出现1550nm的光，是因为增益光纤中掺杂的铒离子的能级对980nm的光具有很高的吸收作用，同时通过自发辐射释放出波长为1550nm附近的光。所述第一、第二光纤光栅7共同形成激光谐振腔，作用是对1550nm附近的光进行选膜和放大输出，即第二光纤光栅7每次选择输出一部分1550nm的光，并且对未输出的光来回反射并放大。

-光纤之间的熔接部分8，其是利用光纤熔接机把第一光纤部分、第二光纤部分和增益光纤9熔接起来形成的部分，使980nm的泵浦光有效地耦合进增益光纤中；

-增益光纤9，其为铒镱共掺磷酸盐玻璃单模光纤，由于其裸纤很脆，需要用石英玻璃将其包起来，然后焊接在第二过渡热沉上。该光纤是增益介质光纤，利用其中掺杂的Yb³⁺的能级对980nm的光具有强烈的吸收，然后Yb³⁺通过能量转移将吸收的能量转移给Er³⁺，最后经过Er³⁺的自发放大辐射的产生1550nm附近的光；

-石英玻璃管10，将嵌套在增益光纤9的外面，用于保护增益光纤，还用于将增益光纤9的温度通过传热反馈给热敏电阻；

-光隔离器(ISO)11，位于整个集成管壳的外部，通过光纤连接器与所述第二光纤部分延伸至集成管壳外部的光纤连接。其作用是消除整个光路中反馈光对光源的影响(包括引入噪声、频率漂移及激光振荡)；

集成管壳12，其用于封装上述部件，且具有光纤引出孔，所述第二光纤部分从所述引出孔延伸至集成管壳外部。

图2示出了本发明中紧凑型的1550nm光纤激光器模块的光路图。如图2所示，980nm的泵浦光由激光管芯发出，通过楔形透镜耦合进增益增益光纤，经过对980nm光高透过率的光纤光栅进入谐振腔，经过激光谐振腔的放大选膜，通过第二个光纤光栅输出1550nm的激光输出。

本发明-优选实例中，所述铒镱共掺光纤9的参数为：Er³⁺掺杂浓度3.0mo1％，Yb³⁺掺杂浓度5.0mol％，传播损耗0.04dB/cm，在1535nm处的净增益5.2dB/cm，荧光寿命8.1ms，光纤包层直径125μm，纤芯直径7.4μm。所述热敏电阻4的阻值可以为9.5kΩ～10.5kΩ之间

本发明-优选实例中，所述楔形透镜6的楔角为70°～120°，曲率半径为3μm～8μm。本发明中采用楔形透镜，是为了提高光纤的数值孔径，而且其圆柱端面可以增大入射光束的波前曲率半径，实现模式变换，有利于LD光束模式与光纤模式的匹配，从而提高LD的耦合效率；所述980nm激光器管芯利用MOCVD进行外延生长，采用FP腔结构减小远场发散角，其脊宽为2μm～4μm，两边分别刻蚀20μm宽的沟槽，单管的宽度为300μm～500μm，腔长为500μm～1500μm。

本发明-优选实例中，所述均匀光纤光栅7的谐振波长为1550nm，周期为528nm。

综上所述，本实例提出的一种紧凑型的1550nm光纤激光器集成模块，使用高掺杂的铒镱共掺磷酸盐光纤(EYPF)，大大提高了单位长度光纤的吸收增益，缩短了光纤长度的同时还可以保证很好的输出特性。从而实现了光纤激光器件的集成化。

与此同时，将增益光纤固定在热沉上，并用制冷电路对其进行控温，从而避免了光纤的吸收截面和发射截面随温度的变化而变化，进而影响到光源输出中心波长的稳定性，实现很好的全温范围内输出波波长稳定的光纤激光器。

另外，本发明提出了激光光源结构中采用了两个光纤光栅作为激光谐振腔，并利用温度控制电路对光纤光栅进行温度精确控制，避免了由于温度变化引起的光纤光栅的周期和谐振波长的变化，使其输出波长稳定在光纤光栅的谐振波长上，避免了输出光波长的漂移，提高了激光器的稳定性。光纤光栅制作工艺较传统的光纤端面镀反射膜更加简单、容易实现。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种光纤激光器装置，其包括：

制冷器，其用于对激光器管芯进行控温；

热沉，其固定在制冷器上；

2.如权利要求1所述的光纤激光器装置，其中，所述增益光纤为铒镱共掺磷酸盐单模光纤，其外部嵌套有石英玻璃管。

3.如权利要求1所述的光纤激光器装置，其中，所述铒镱共掺光磷酸盐单模光纤中，铒的掺杂浓度为3.0mol％，镱的掺杂浓度为5.0mol％，传播损耗为0.04dB/cm，在1535nm波长处的净增益为5.2dB/cm，荧光寿命8.1ms。

4.如权利要求1所述的光纤激光器装置，其中，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅为一级光栅，其中心波长为1550nm，光栅的周期为528nm。

5.如权利要求1所述的光纤激光器模块，其中，楔形透镜的楔角为70°～120°，曲率半径为3μm～8μm。

6.如权利要求1所述的光纤激光器装置，其中，热敏电阻的阻值在9.5kΩ～10.5kΩ之间。

7.如权利要求1所述的光纤激光器装置，其还包括：集成管壳，用于封装所述光纤激光器模块的各个部件，其还具有光纤引出孔，所述第二光纤部分从所述光纤引出孔延伸至集成管壳外部。

8.如权利要求7所述的光纤激光器装置，其还包括：光隔离器，其位于所述集成管壳外部，通过光纤连接器连接在所述第二光纤部分的延伸部分。

9.如权利要求1所述的光纤激光器装置，其中，所述第一预定波长为980nm，所述第二预定波长为1550nm。