CN106169689A - 辅腔泵浦铒镱共掺光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光纤激光领域，为解决高功率泵浦下铒镱共掺光纤激光器中的Yb‑ASE及其导致的自激振荡和自脉动对激光器的稳定性和效率的影响，实现抑制Yb‑ASE并提高泵浦转换效率。本发明采用的技术方案是，辅腔泵浦铒镱共掺光纤激光器，包括泵浦源、泵浦合束器、前向反射Yb波段光纤光栅、前向反射Er波段高反光纤光栅、铒镱共掺增益光纤、后向反射Er波段低反光纤光栅、后向反射Yb波段光纤光栅、输出端；泵浦源输出的激光依序经由泵浦信号合束器、前向反射Yb波段光纤光栅、前向反射Er波段高反光纤光栅，被送入铒镱共掺增益光纤，对其进行抽运；所述激光器产生的激光最后经由输出端输出。本发明主要应用于光纤激光设备设计。

Description

辅腔泵浦铒镱共掺光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光领域，特别是一种带有Yb波段辅助谐振腔的铒镱共掺光纤激光器。
背景技术
高功率泵浦下铒镱共掺光纤中的镱离子辐射波段(1微米波段)的自发辐射(Yb-ASE)及其引发的自激振荡，是限制铒镱共掺光纤放大器和激光器输出功率提高和稳定性的主要因素。铒镱共掺光纤中同时掺杂有铒(Er)、镱(Yb)两种稀土离子。镱离子的掺入可以有效降低铒离子的浓度淬灭效应，提高其掺杂浓度，拓展泵浦波长的选择范围。但由于泵浦光子首先主要被光纤中的镱离子吸收，将之从基态抽运到上能级，然后处于激发态的镱离子再通过交叉驰豫将能量转移给周围的铒离子，将之从基态抽运到上能级。这是一种间接泵浦方式。由于镱离子向铒离子通过交叉驰豫传递能量的速率有限，当抽运速率大于二者之间的能量传递速率时，能量转移就会出现瓶颈效应，导致增益介质中处于上能级的镱离子数密度上升。由于不能及时将能量传递给周围的铒离子，这些处于激发态镱离子在向基态跃迁时会产生Yb-ASE。这一方面会造成能量的浪费，降低了泵浦转换效率。另一方面，随着泵浦不断增强，最终会产生自激振荡或自脉动，严重影响铒镱共掺放大器或激光器的稳定性，甚至还会造成器件的永久性破坏。
为解决铒镱共掺光纤放大器中的Yb-ASE问题，我们在专利[1]、[2]、[3]中分别提出通过在泵浦端添加一个合适波长的Yb波段的信号或Yb波段光纤光栅或一对Yb波段光纤光栅构成的谐振腔来抑制放大器中的Yb-ASE，从而提高泵浦转换效率的方法。
与铒镱共掺光纤放大器不同，铒镱共掺光纤激光器没有输入信号，而是通过增益介质中的受激振荡，产生特定波长的激光。高功率泵浦下，铒镱共掺光纤激光器中也会产生Yb-ASE及其导致的寄生振荡或自脉动等问题，使泵浦转换效率降低、稳定性和可靠性恶化。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在解决高功率泵浦下铒镱共掺光纤激光器中的Yb-ASE及其导致的自激振荡和自脉动对激光器的稳定性和效率的影响，提出一种辅腔泵浦铒镱共掺光纤激光器，实现抑制Yb-ASE并提高泵浦转换效率的目的。本发明采用的技术方案是，辅腔泵浦铒镱共掺光纤激光器，包括泵浦源、泵浦合束器、前向反射Yb波段光纤光栅、前向反射Er波段高反光纤光栅、铒镱共掺增益光纤、后向反射Er波段低反光纤光栅、后向反射Yb波段光纤光栅、输出端；泵浦源输出的激光依序经由泵浦信号合束器、前向反射Yb波段光纤光栅、前向反射Er波段高反光纤光栅，被送入铒镱共掺增益光纤，对其进行抽运；前向反射Yb波段光纤光栅与后向反射Yb波段光纤光栅形成辅腔，起辅助泵浦作用；前向反射Er波段高反光纤光栅与后向反射Er波段低反光纤光栅形成主谐振腔，产生所需波长的激光；所述激光器产生的激光最后经由输出端输出。
前向反射Er波段高反光纤光栅和后向反射Er波段低反光纤光栅的反射波长位于铒离子的发射波段，即1.5微米波段，二者构成主谐振腔，产生所需波长的激光振荡。
前向反射Yb波段光纤光栅和后向反射Yb波段光纤光栅的反射波长均位于镱离子的发射波段，即1微米波段，二者构成辅腔，对激光器起抑制Yb-ASE和辅助泵浦作用。
前向反射Yb波段光纤光栅、前向反射Er波段高反光纤光栅的前后顺序可以互换；后向反射Er波段低反光纤光栅、后向反射Yb波段光纤光栅的前后顺序也可以互换。
采用后向泵浦：所述泵浦源、泵浦合束器设置在后向反射Yb波段光纤光栅、输出端之间。
采用双向泵浦：在后向反射Yb波段光纤光栅、输出端之间增加一个泵浦源、泵浦合束器，泵浦源输出的激光经由泵浦信号合束器输入。
本发明的特点及有益效果是：
本发明通过在铒镱共掺增益光纤两端引入两对合适波长的光纤光栅，其中一对光纤光栅构成主谐振腔，通过受激振荡产生1.5微米波段特定波长的高功率激光；另一对光纤光栅构成Yb波段辅助谐振腔，其谐振波长位于1微米波段，通过辅腔中的受激振荡和重吸收，实现抑制Yb-ASE并提高泵浦转换效率的目的。与现有技术相比，本发明可以有效地抑制高功率泵浦时增益光纤中的Yb-ASE，提高高功率铒镱共掺光纤激光器的泵浦转换效率和稳定性。
附图说明：
图1是辅腔泵浦铒镱共掺光纤激光器示意图；其中(a)为前向泵浦方式；(b)为后向泵浦方式；(c)为双向泵浦方式。
图2是增益光纤中各光谱成分的功率演化曲线。(a)有辅腔时，增益光纤中泵浦、前/后向Er波段光纤光栅反射、前/后向Yb光纤光栅反射的功率演化；(b)无辅腔时，增益光纤中泵浦、前/后向Er波段光纤光栅反射的功率演化
图3是引入辅腔前后Yb-ASE谱对比图；
图4为后向反射Er波段低反光纤光栅反射率对输出功率的影响曲线。
附图标记：1、泵浦源，2、泵浦合束器，3、前向反射Yb波段光纤光栅，4、前向反射Er波段高反光纤光栅，5、铒镱共掺增益光纤、6、后向反射Er波段低反光纤光栅，7、后向反射Yb波段光纤光栅，8、输出端。
具体实施方式
为了解决高功率泵浦下铒镱共掺光纤激光器中的Yb-ASE及其导致的自激振荡和自脉动对激光器的稳定性和效率的影响，本发明提出了一种辅腔泵浦铒镱共掺光纤激光器。通过在铒镱共掺增益光纤两端引入两对合适波长的光纤光栅，其中一对光纤光栅构成主谐振腔，通过受激振荡产生1.5微米波段特定波长的高功率激光；另一对光纤光栅构成Yb波段辅助谐振腔，其谐振波长位于1微米波段，通过辅腔中的受激振荡和重吸收，实现抑制Yb-ASE并提高泵浦转换效率的目的。
本发明提出了一种辅腔泵浦铒镱共掺光纤激光器，包括泵浦源1、泵浦合束器2、前向反射Yb波段光纤光栅3、前向反射Er波段高反光纤光栅4、铒镱共掺增益光纤5、后向反射Er波段低反光纤光栅6、后向反射Yb波段光纤光栅7、输出端8。
泵浦源1输出的激光依序经由泵浦信号合束器2、前向反射Yb波段光纤光栅3、前向反射Er波段高反光纤光栅4，被送入铒镱共掺增益光纤5，对其进行抽运；前向反射Yb波段光纤光栅3与后向反射Yb波段光纤光栅7形成辅腔，起辅助泵浦作用；前向反射Er波段高反光纤光栅4与后向反射Er波段低反光纤光栅6形成主谐振腔，产生所需波长的激光；所述激光器产生的激光最后经由输出端8输出。3与4的前后顺序可以互换，6与7的前后顺序也可以互换，不影响实际效果。
所述输出端8尾纤抛磨成具有角度，通常为8度。
上述为前向泵浦情况，根据实际需要还可以采取附图所示的后向泵浦或双向泵浦方案。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明所提出的辅腔泵浦铒镱共掺光纤放大器可采用前向泵浦、后向泵浦或双向泵浦方式。其原理图分别如图1(a)、(b)、(c)所示。我们以前向泵浦为例对本发明的实施方式和效果做进一步说明。
本例中所用泵源中心波长为976nm，功率为15W；增益光纤为加拿大CorActive公司生产的DCF-EY-10/128型双包层铒镱共掺光纤，优化得到的最佳光纤长度为4.05米；Yb波段光纤光栅对的反射率均为99.9％，中心波长为1028nm；Er波段光栅对的中心波长为1550nm，前向高反光纤光栅反射率为99.9％，后向低反射光纤光栅的反射率为15％。工作原理为：在泵浦作用下，Er波段高反光栅与低反光栅形成主谐振腔，产生1550nm的激光振荡，透过低反光栅的部分激光经输出端形成激光输出。高功率泵浦下，谐振腔中因瓶颈效应积累的Yb反转粒子，会在一对Yb波段高反光栅形成的辅腔中形成受激振荡，从而很好的避免了Yb-ASE的产生。辅腔中的激光在谐振过程中会被增益光纤重新吸收并将能量转移给在主谐振腔中的1550nm激光，从而可以提高相同泵浦功率下输出信号的功率，即提高泵浦转化效率。
如图2所示为有辅腔和无辅腔两种情况下，激光器中各光谱成分的功率演化的对比。(a)图所示为有辅腔情况；(b)图所示为去掉辅腔的情况。从图2(a)可以看出，Yb波段辅腔中形成了稳定的1028nm的激光振荡。主谐振腔中也形成了1550nm的稳定激光振荡。前向传播的激光振荡经反射率为15％的后向反射Er波段低反光纤光栅反射后剩余85％形成激光输出。从图中数据可以得出，加辅腔后输出功率为6.84W，而无辅腔时的输出功率只有5.48W，即加辅腔后输出功率提高了约24.8％，效果非常明显。
如图3所示为，有辅腔和无辅腔两种情况下，激光器中Yb-ASE谱的对比图。从图3可以看出，引入Yb波段辅腔后，原来占主导地位的后向Yb-ASE得到了明显的抑制，虽然前向Yb-ASE有所增强，但Yb-ASE总功率明显下降。由于辅腔中的Yb波段激光振荡消耗了反转粒子数，Yb-ASE及其导致的自激振荡和自脉动等不稳定现象也可以得到有效的避免。
图4所示为后向反射Er波段低反光纤光栅反射率对输出功率的影响。对本实例而言，该光栅反射率在10％-15％之间可以得到较好的效果。反射率太低或太高，输出功率会发生下降，
通过上述应用例可以看出，引入合适波长的Yb波段辅腔后可以明显提高铒镱共掺光纤激光器的泵浦转化效率，辅腔中的Yb波段激光振荡也可以有效的抑制高功率泵浦下普通铒镱共掺光纤激光器中的Yb-ASE及其导致的自激振荡或自脉动，可以提高其稳定性。
【引证文献】
[1]韩群，宁继平，周雷，张伟毅，张蔚青，“提高高功率泵浦铒镱共掺光纤放大器泵浦转化效率的方法，”国家发明专利，ZL200910228944.3，天津大学，2011-06-15。(状态：授权)
[2]韩群，姚蕴秩，刘芳超，陈耀飞，刘铁根，“带有1微米波段光纤光栅的高功率铒镱共掺光纤放大器，”国家发明专利，申请CN2015100634726,天津大学2015-02-06.(状态：申请)
[3]韩群，姚蕴秩，刘芳超，陈耀飞，刘铁根，“带有1微米波段光纤光栅的高功率铒镱共掺光纤放大器，”国家发明专利，CN2015100634726,天津大学2015-02-06.(状态：申请)。

Claims (6)

1.一种辅腔泵浦铒镱共掺光纤激光器，其特征是，包括泵浦源、泵浦合束器、前向反射Yb波段光纤光栅、前向反射Er波段高反光纤光栅、铒镱共掺增益光纤、后向反射Er波段低反光纤光栅、后向反射Yb波段光纤光栅、输出端；泵浦源输出的激光依序经由泵浦信号合束器、前向反射Yb波段光纤光栅、前向反射Er波段高反光纤光栅，被送入铒镱共掺增益光纤，对其进行抽运；前向反射Yb波段光纤光栅与后向反射Yb波段光纤光栅形成辅腔，起辅助泵浦作用；前向反射Er波段高反光纤光栅与后向反射Er波段低反光纤光栅形成主谐振腔，产生所需波长的激光；所述激光器产生的激光最后经由输出端输出。
2.如权利要求1所述的一种辅腔泵浦铒镱共掺光纤激光器，其特征在于，前向反射Er波段高反光纤光栅和后向反射Er波段低反光纤光栅的反射波长位于铒离子的发射波段，即1.5微米波段，二者构成主谐振腔，产生所需波长的激光振荡。
3.如权利要求1所述的一种辅腔泵浦铒镱共掺光纤激光器，其特征在于，前向反射Yb波段光纤光栅和后向反射Yb波段光纤光栅的反射波长均位于镱离子的发射波段，即1微米波段，二者构成辅腔，对激光器起抑制Yb-ASE和辅助泵浦作用。
4.如权利要求1所述的辅腔泵浦铒镱共掺光纤激光器，其特征是，前向反射Yb波段光纤光栅、前向反射Er波段高反光纤光栅的前后顺序可以互换；后向反射Er波段低反光纤光栅、后向反射Yb波段光纤光栅的前后顺序也可以互换。
5.如权利要求1所述的辅腔泵浦铒镱共掺光纤激光器，其特征是，采用后向泵浦：所述泵浦源、泵浦合束器设置在后向反射Yb波段光纤光栅、输出端之间。
6.如权利要求1所述的辅腔泵浦铒镱共掺光纤激光器，其特征是，采用双向泵浦：在后向反射Yb波段光纤光栅、输出端之间增加一个泵浦源、泵浦合束器，泵浦源输出的激光经由泵浦信号合束器输入。
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