CN106356704A - 一种0.9μm波段高功率单频光纤激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种0.9µm波段高功率单频光纤激光器，包括单频激光种子源、泵浦源、合束器、大模场高增益磷酸盐玻璃光纤和二色镜。本发明采用的大模场高增益磷酸盐玻璃光纤，可以适合于短波长激光功率放大，能够有效的抑制放大过程中自发辐射（ASE）的产生，降低泵浦功率阈值；并且显著的提高受激布里渊散射（SBS）阈值，将磷酸盐玻璃光纤两端拉制成双锥形结构进行模式控制，能够有效的克服大纤芯光纤放大过程中带来的光束质量劣化问题，并能够与目前常用的商用石英光纤形成良好兼容，采用单频激光种子源和磷酸盐玻璃光纤放大器进行功率放大，最终能够实现高信噪比、良好光束质量、功率稳定的0.9µm波段高功率单频光纤激光输出，整个结构非常紧凑，简单与可靠。

Description

一种0.9μm波段高功率单频光纤激光器
技术领域
本发明涉及光纤激光器，具体涉及一种0.9µm波段高功率单频光纤激光器。
背景技术
980nm激光在泵浦掺Yb或掺Er光纤激光中具有显著的优势；此外，将其进行非线性频率转换可以获得光数据存储、海底成像、彩色显示、水下通信等领域亟需的蓝光激光。因此，0.9µm波段激光有着十分重要的应用价值，尤其是同时满足高功率和单频输出特性的0.9µm波段光纤激光至关重要。
目前商业化程度非常高的掺Yb石英光纤，其吸收截面在短波段增加明显和再吸收严重，导致其工作在低于1030 nm波段比较困难。在稀土离子掺杂光纤中，由于980nm辐射属于三能级***，而1020~1100nm范围的辐射属于四能级***，该波段的放大会产生严重的ASE。同时，增益光纤对980nm的再吸收过程又进一步增强了产生的ASE。因此，必须有效的抑制放大过程中产生的ASE。其中方法之一是：提高增益光纤的纤芯直径/包层直径比例。当纤芯/包层比越大，泵浦光与信号光的重叠面积也相应增加，有效的降低了泵浦光在增益光纤中的光功率密度，从而达到抑制ASE的目的。然而，由于较大的纤芯直径，使得信号光在增益光纤里面为多横模传输，放大后的输出激光光束质量出现变差。方法之二是：通过缩短增益光纤的长度从而减少信号波长的再吸收。同时，较短长度的增益光纤，对应较高的受激布里渊散射（SBS）阈值。然而，目前常用的石英基质增益光纤受限于稀土离子的掺杂浓度水平无法进一步提升，其泵浦吸收系数普遍偏低，意味着较短的增益光纤所能提供的增益非常有限，这对于实现高功率激光输出十分不利。
有研究表明：多组分玻璃对稀土离子具有较大的溶解度，尤其是磷酸盐玻璃对稀土离子的溶解度高达上百万ppm，并且也未发现因稀土离子高浓度掺杂而引起的荧光淬灭现象。目前，已经成功拉制了泵浦吸收系数高达260dB/m的大模场磷酸盐玻璃光纤，比同类型商用石英光纤高出1~2个数量级，相应的增益系数也比石英光纤高出1个数量级。因而以较短的大模场高增益磷酸盐玻璃光纤作为增益介质，可以有效的抑制放大过程中的ASE产生和非线性效应，打破传统石英光纤放大器在0.9µm波段的工作障碍，最终获得更稳定、更高功率的0.9µm波段单频光纤激光输出。
发明内容
本发明的目的是提供一种0.9µm波段高功率单频光纤激光器，基于种子源主振荡功率放大（MOPA）技术方案，利用大模场高增益磷酸盐玻璃光纤作为激光增益介质。通过设计与优化磷酸盐玻璃光纤，结合短长度、大模场面积（纤芯直径/包层直径比例大）等特性，以及将磷酸盐玻璃光纤两端拉制成较小直径的双锥形结构，解决现有技术中0.9µm波段在放大过程中ASE严重致使输出功率受到制约、光束质量变差等一系列问题。
为达到上述发明目的，本发明至少采用如下技术方案之一。
一种0.9µm波段高功率单频光纤激光器，包括单频激光种子源、n个大功率泵浦源、(n+1)×1合束器、大模场高增益磷酸盐玻璃光纤、二色镜。各结构部件之间的连接关系为：单频激光种子源的输出端与合束器的输入端相连接，n个大功率泵浦源的尾纤分别与合束器的n个泵浦端相连接，合束器的输出端与大模场高增益磷酸盐玻璃光纤的一端通过熔接或者空间耦合的方式相连接，大模场高增益磷酸盐玻璃光纤的另一端与二色镜相连接。单频激光种子源产生的信号光、泵浦源产生的泵浦光通过合束器分别耦合进入到大模场高增益磷酸盐玻璃光纤的纤芯和内包层里面；其中n为正整数，且n≥1。
进一步地，所述单频激光种子源为光纤激光器、半导体激光器或非平面环形腔激光器（NPRO）类型，信号波长范围为930~980nm。
进一步地，所述泵浦源是半导体激光器、光纤激光器或其它固体激光器，为多横模输出，泵浦波长范围为790~920nm。
进一步地，所述大模场高增益磷酸盐玻璃光纤的纤芯成分为磷酸盐玻璃，其化学组成为aP2O5-bAl2O3-cBaO-dLa2O3-eRE2O3。其中，30<a<100，0<b<15，0<c<25，0<d<15，0<e<15；其中，RE为高掺杂浓度的稀土离子Nd或Yb，掺杂浓度大于1×1019ion/cm3，且为均匀掺杂于纤芯。
进一步地，所述大模场高增益磷酸盐玻璃光纤的纤芯直径15~200µm，纤芯数值孔径NA大于0.05；其内包层直径125~800µm，包层数值孔径NA大于0.3。
进一步地，所述大模场高增益磷酸盐玻璃光纤的内包层横截面形状为圆型、D型、六边形、八边形等。磷酸盐玻璃光纤使用长度为0.5~200cm，其具体使用长度根据信号波长、泵浦功率、输出激光功率等进行相应选择。
进一步地，所述大模场高增益磷酸盐玻璃光纤的一端拉制成锥形，拉制后锥形区域终端的纤芯直径、内包层直径与合束器的输出端尾纤类型是直接匹配的。
进一步地，所述大模场高增益磷酸盐玻璃光纤的一端与合束器的输出端是通过光纤端面研磨抛光后直接进行空间耦合或者通过熔接机进行熔融连接。
进一步地，所述大模场高增益磷酸盐玻璃光纤的另一端同样拉制成锥形，并且将锥形区域终端的端面研磨抛光成5~20°角或者镀增透膜以防止端面反射。
进一步地，所述二色镜对信号波长930~980nm高透，透射率大于90%；对泵浦波长790~920nm高反，反射率大于90%。
与现有技术相比较，本发明的技术效果是：基于MOPA技术方案，使用0.9µm波段单频激光种子源作为信号光源，利用短长度大模场高增益磷酸盐玻璃光纤作为激光增益介质，多个大功率泵浦源提供泵浦能量。在泵浦源的不断激励下，磷酸盐玻璃光纤中的高掺杂稀土离子发生粒子数反转并产生受激辐射，当信号光通过时，对信号光进行功率放大，最后可以获得高功率单频激光输出。由于磷酸盐玻璃光纤长度很短，可达厘米量级，同时磷酸盐玻璃光纤具有较大的纤芯直径/内包层直径比例，使得在放大过程中可以有效的抑制ASE，并且提高非线性效应SBS的阈值。此外，将磷酸盐玻璃光纤两端拉制成较小直径的双锥形结构，可以实现输出激光模式的控制，解决大纤芯增益光纤放大过程中光束质量变差的问题；并且可以与目前常用的光器件的输出尾纤相匹配，整个激光***更紧凑与可靠。最终可以获得高信噪比、良好光束质量、功率稳定的0.9µm波段高功率单频激光输出。
附图说明
图1为本发明实施例中0.9µm波段高功率单频光纤激光器原理示意图。
图中：1—单频激光种子源，2—大功率泵浦源，3—合束器，4—大模场高增益磷酸盐玻璃光纤，5—二色镜。
具体实施方式
下面结合附图通过具体的实施例对本发明做进一步详细说明，但不仅限于该实施方式，以便于更清楚地理解本发明，需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或参数均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。
如图1所示，本实例的0.9µm波段高功率单频光纤激光器，主要包括：单频激光种子源、大功率泵浦源、(n+1)×1合束器、大模场高增益磷酸盐玻璃光纤、二色镜。其中所述的单频激光种子源产生的信号光和大功率泵浦源产生的泵浦光，分别经由(n+1)×1合束器的输入端口、n个泵浦端口耦合进入大模场高增益磷酸盐玻璃光纤的纤芯和内包层里面。泵浦源的输出尾纤与合束器的泵浦端口尾纤相匹配，并通过熔接机进行熔融连接。合束器的输入端与单频激光种子源的输出端是采用熔融连接，合束器的输出端与大模场高增益磷酸盐玻璃光纤的一端也是采用熔融连接。
其中单频激光种子源1是DBR短腔光纤激光器，本例中信号波长为978nm。其中泵浦源2是2个多模半导体激光器，本例中泵浦波长为915nm。其中合束器3是（2+1）×1形式，即2个泵浦端口。其中大模场高增益磷酸盐玻璃光纤4是通过钻孔法、管棒法制作预制棒，并在光纤拉丝塔中高温拉制而成。其纤芯成分为掺Yb磷酸盐玻璃，本例中化学组成为65P2O5-10Al2O3-15BaO-5La2O3-5Yb2O3，其中Yb的掺杂浓度为2×1019ion/cm3，且为均匀掺杂于纤芯。本例中掺Yb磷酸盐玻璃光纤的纤芯直径为50µm，纤芯数值孔径NA为0.06；其内包层直径为130µm，包层数值孔径NA为0.5。本例中掺Yb磷酸盐玻璃光纤的内包层横截面形状为八边形；根据信号波长、泵浦功率来进行选择本例中磷酸盐玻璃光纤使用长度为20cm。其中大模场高增益磷酸盐玻璃光纤的输入端通过微纳光纤拉伸器拉制成锥形，拉制后锥形区域终端的纤芯直径、内包层直径与合束器的输出端尾纤类型相匹配，拉制的长度为2cm。同样，对输出端也进行拉制，拉制的程度取决于放大***后面的结构，为达到较好的改善输出激光光束质量的效果，此处拉制的长度为4cm；并且将输出端镀增透膜以防止端面反射。其中二色镜5对信号波长978nm高透，本例中透射率为99.9%；对泵浦波长915nm高反，本例中反射率为99.9%。
将大模场高增益磷酸盐玻璃光纤4作为激光增益介质，泵浦吸收系数比同类型商用石英光纤高出10倍以上，同时具有较大的纤芯直径/包层直径比例。单频激光种子源1产生的信号光和大功率泵浦源2产生的泵浦光，分别经由合束器3的输入端口、泵浦端口耦合进入大模场高增益磷酸盐玻璃光纤4的纤芯和内包层里面。在泵浦源2的持续抽运下，泵浦光以折射方式反复穿越纤芯，被Yb掺杂离子吸收之后形成粒子数反转，进而产生受激辐射光，当信号光通过时，对信号光进行功率放大。从大模场高增益磷酸盐玻璃光纤4输出的激光再经过二色镜5，分离出放大的激光信号和残留泵浦光。由于在放大过程中有效的抑制了ASE和SBS效应，最后可以在短长度掺Yb磷酸盐玻璃光纤中实现高信噪比、高功率0.9µm波段单频光纤激光输出。再者，由于磷酸盐玻璃光纤两端采用双锥形结构，使得激光在保证高功率输出的同时还能保证良好的光束质量。
本实例采用大模场高增益磷酸盐玻璃光纤作为激光增益介质，一方面，其吸收截面和发射截面在小于1.0µm短波段与商用石英光纤存在明显不同，可以适合于短波长激光功率放大。另一方面，由于高的稀土离子掺杂浓度，磷酸盐玻璃光纤的单位长度增益系数可达石英光纤的数十倍，使用短光纤长度（厘米量级）就可以实现理想的放大效果和避免再吸收现象。再者，磷酸盐玻璃光纤长度短且模场面积大（纤芯直径/包层直径比例大），能够有效的抑制放大过程中自发辐射（ASE）的产生，降低泵浦功率阈值；并且显著的提高受激布里渊散射（SBS）阈值。同时，通过将磷酸盐玻璃光纤两端拉制成较小直径的双锥形结构进行模式控制，能够有效的克服大纤芯光纤放大过程中带来的光束质量劣化问题，并能够与目前常用的商用石英光纤形成良好兼容，实现全光纤结构的单频激光放大***。因此，采用单频激光种子源和磷酸盐玻璃光纤放大器进行功率放大，最终能够实现高信噪比、良好光束质量、功率稳定的0.9µm波段高功率单频光纤激光输出，整个结构非常紧凑，简单与可靠。
本发明中的***结构同样也适用于不同泵浦源个数、输出功率、泵浦波长，以及不同增益光纤掺杂离子类型、掺杂浓度、使用长度等其它参数。如上所述，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定其实施范围。

Claims (10)

1.一种0.9µm波段高功率单频光纤激光器，其特征在于包括单频激光种子源（1）、n个大功率泵浦源（2）、（n+1）×1合束器（3）、大模场高增益磷酸盐玻璃光纤（4）、二色镜（5）；单频激光种子源（1）的输出端与合束器（3）的输入端相连接，n个大功率泵浦源（2）的尾纤分别与合束器（3）的n个泵浦端相连接，合束器（3）的输出端与大模场高增益磷酸盐玻璃光纤（4）的一端通过熔接或者空间耦合的方式相连接，大模场高增益磷酸盐玻璃光纤（4）的另一端与二色镜（5）相连接；单频激光种子源（1）产生的信号光、泵浦源（2）产生的泵浦光通过合束器（3）分别耦合进入到大模场高增益磷酸盐玻璃光纤（4）的纤芯和内包层里面；其中n为正整数，且n≥1。
2.如权利要求1所述的0.9µm波段高功率单频光纤激光器，其特征在于：所述单频激光种子源（1）为光纤激光器、半导体激光器或非平面环形腔激光器（NPRO）类型，信号波长为930~980nm。
3.如权利要求1所述的0.9µm波段高功率单频光纤激光器，其特征在于：所述泵浦源（2）是半导体激光器、光纤激光器或者固体激光器，为多横模输出，泵浦波长为790~920nm。
4.如权利要求1所述的0.9µm波段高功率单频光纤激光器，其特征在于：所述大模场高增益磷酸盐玻璃光纤（4）的纤芯为磷酸盐玻璃，化学组成为aP2O5-bAl2O3-cBaO-dLa2O3-eRE2O3，其中，30<a<100，0<b<15，0<c<25，0<d<15，0<e<15；其中，RE为高掺杂浓度的稀土离子Nd或Yb，所述稀土离子在纤芯中为均匀掺杂，掺杂浓度大于1×1019ions/cm3。
5.如权利要求4所述的0.9µm波段高功率单频光纤激光器，其特征在于：所述大模场高增益磷酸盐玻璃光纤（4）的纤芯直径为15~200µm，纤芯数值孔径NA大于0.05；其内包层直径125~800µm，包层数值孔径NA大于0.3。
6.如权利要求4所述的0.9µm波段高功率单频光纤激光器，其特征在于：所述大模场高增益磷酸盐玻璃光纤（4）的内包层横截面形状为圆型、D型、六边形或八边形；磷酸盐玻璃光纤使用长度为0.5~200cm，其具体使用长度根据信号波长、泵浦功率、输出激光功率等进行相应选择。
7.如权利要求4所述的0.9µm波段高功率单频光纤激光器，其特征在于：所述大模场高增益磷酸盐玻璃光纤（4）的输入端拉制成锥形，锥形区域终端的纤芯直径、内包层直径与合束器（3）的输出端尾纤类型相匹配。
8.如权利要求7所述的0.9µm波段高功率单频光纤激光器，其特征在于：所述大模场高增益磷酸盐玻璃光纤（4）的另一端同样拉制成锥形，并且将锥形区域的终端研磨抛光成5~20°角的斜面或者镀增透膜。
9.如权利要求1所述的0.9µm波段高功率单频光纤激光器，其特征在于：所述合束器（3）的输出端与大模场高增益磷酸盐玻璃光纤（4）的一端是通过光纤端面研磨抛光后直接进行端面对接或者通过熔接机进行熔融连接。
10.如权利要求1所述的0.9µm波段高功率单频光纤激光器，其特征在于：所述二色镜（5）对信号波长930~980nm高透，透射率大于90%；对泵浦波长790~920nm高反，反射率大于90%。
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