CN106785830B - 一种共谐振腔的级联泵浦模块及激光器 - Google Patents

一种共谐振腔的级联泵浦模块及激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种共谐振腔的级联泵浦模块，该泵浦模块包括沿光路方向依次设置的碟片激光器、分光***、耦合***(7)、增益物质及反射***(8)，其中，所述碟片激光器包括泵浦光源、腔镜(2)和有源增益镜(1)；所述泵浦光源用于对所述有源增益镜(1)进行泵浦，产生激光，所述激光被所述分光***反射，并经耦合***聚焦耦合进所述增益物质，被所述反射***(8)反射，所述激光按原光路返回，所述分光***用于透射需要的激光，反射不需要的激光。本发明还公开了一种具有所述泵浦模块的激光器。本发明的共谐振腔的级联泵浦模块，利用碟片激光器腔内产生的激光，多次经过增益光纤，从而使得光纤吸收的泵浦光增加，光转换效率大大提高。

Description

一种共谐振腔的级联泵浦模块及激光器
技术领域
本发明属于光电子技术领域，更具体地，涉及一种共谐振腔的级联泵浦模块及激光器。
背景技术
同带泵浦，又称谐振泵浦，是一种可以极大提高泵浦功率，减小激光***量子亏损，降低热效应的泵浦方式。目前IPG公司生产的10kw基模光纤激光器，采取的就是同带泵浦方案。
现有的同带泵浦方案最大的问题是，泵浦波长并不是在增益物质的吸收峰上，导致增益物质对泵浦光的吸收系数很低。对于光纤激光器来说，目前解决这一问题的办法有：(1)提高掺杂浓度；(2)增加纤芯面积；(3)减小内包层面积。但是随之而来带来的问题在于，提高掺杂浓度容易引入更多杂质，引起浓度淬灭；增加纤芯面积不仅会导致输出激光的模式变差，也会导致纤芯的热透镜效应增加；减小内包层会导致注入泵浦光总功率降低。目前解决上述问题的方法主要有采用大模场面积光纤，以及光子晶体光纤两种方案。
专利文献US8953648 B2公开了一种光纤激光器的多次泵浦方案，如图1所示。但专利文献US8953648 B2公开的多此泵浦方案存在如下缺陷或不足：
(1)泵浦光经过光纤后，球面反射镜被反射，再次回到光纤中；当泵浦光从光纤中出射时，是一个环形，会有一部分光经过球面反射镜漏掉，造成损耗；
(2)泵浦源采用半导体泵浦，光束质量很差，亮度很低，没办法让更多的泵浦光进入光纤，使得其输出功率有一个上限。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种共谐振腔的级联泵浦模块，并提供一种具有所述共谐振腔的级联泵浦模块的激光器，其目的在于利用碟片激光器腔内产生的激光，多次经过增益光纤，从而使得光纤吸收的泵浦光增加，光转换效率大大提高。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种共谐振腔的级联泵浦模块，其特征在于，该泵浦模块包括沿光路方向依次设置的碟片激光器、分光***、耦合***、增益物质及反射***，其中，
所述碟片激光器包括泵浦光源、腔镜和有源增益镜；
所述泵浦光源用于对所述有源增益镜进行泵浦，以产生激光，所述激光可入射到所述分光***后被反射至所述耦合***，该耦合***用于对所述激光进行聚焦耦合，以对所述增益物质进行增益，增益后的激光入射到所述反射***中，该反射***用于对入射的激光进行反射，反射后的激光用于再次进入所述增益物质并被增益，增益后的激光经过所述耦合***后进入所述分光***，该分光***可将不需要的激光分光并反射至所述有源增益镜进行再次泵浦，泵浦产生的激光可再次入射到分光***中，以此方式实现激光的多次循环泵浦和增益。
进一步地，所述碟片激光器为一台或多台。
进一步地，所述耦合***(7)的数量与所述碟片激光器的数量相匹配。
进一步地，所述分光***的数量与所述碟片激光器的数量相匹配。
进一步地，所述分光***为双色镜。
进一步地，所述耦合***(7)为球面透镜或抛物面反射镜。
进一步地，所述球面透镜组耦合镜或抛物面反射镜组的口径、焦距与所述增益物质的内包层口径，数值孔径相匹配。
按照本发明的另一个方面，提供一种具有所述的共谐振腔的级联泵浦模块的激光器。
进一步地，所述激光器包括一套、两套或多套所述共谐振腔的级联泵浦模块。
进一步地，所述泵浦模块可以沿光路方向对称设置，也可以不对称设置。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明利用碟片激光器腔内产生的激光振荡，多次经过增益光纤，从而使得光纤吸收的泵浦光增加，光光转换效率提高。
(2)本发明利用碟片激光器腔内产生的激光振荡，多次经过增益光纤，能够充分利用能量，除了激光器本身的损耗以外，不会引入其他损耗。
(3)本发明可以有效缩短增益光纤的长度，降低光纤激光器内的本征损耗，以及受激拉曼散射效应。
(4)本发明可以极大提高泵浦光的亮度(光束质量)，因此可以极大增加增益物质中注入泵浦光的总功率，以此提高激光器的输出功率。
附图说明
图1为现有技术实施例的一种光纤激光器的多次泵浦方案装置示意图；
图2为本发明实施例的一种共谐振腔的级联泵浦模块涉及的1个碟片，球面透镜组耦合的泵浦装置示意图；
图3为本发明实施例的一种共谐振腔的级联泵浦模块涉及的2个碟片，球面透镜组耦合的泵浦装置示意图；
图4为本发明实施例的一种共谐振腔的级联泵浦模块涉及的1个碟片，抛物面反射镜耦合的泵浦装置示意图；
图5为本发明实施例的一种共谐振腔的级联泵浦模块涉及的2个碟片，抛物面反射镜耦合的泵浦装置示意图；
图6为本发明实施例的一种共谐振腔的级联泵浦模块数值模拟的结果。
图2～图5中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-有源增益镜，2-腔镜，3-第一双色镜，4-抛物面反射镜，5-增益光纤，6-第二双色镜，7-耦合***，8-反射***。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种共谐振腔的级联泵浦模块，其包括有源增有源增益镜1，腔镜2，第一双色镜3，抛物面反射镜4，增益光纤5，第二双色镜6，耦合***7以及反射***8。
实施例1
图2为本发明实施例的一种共谐振腔的级联泵浦模块涉及的1个碟片，球面透镜组耦合的泵浦装置示意图。如图1所示，该光器包括碟片1，反射镜2，第二双色镜6，聚焦镜7，增益光纤5，反射镜8。
碟片1的材料选用Yb：YAG晶体，其直径为15mm，厚度为200um，碟片的背面镀高反膜，膜系对应的波长为940nm和1030nm，反射率分别为99.9％和99.9％；反射镜2为1030nm高反镜，反射率为99.9％，曲率半径为2m；双色镜6为1030nm高反、1080nm高透的平面镜，反射率为99.9％，透射率99.9％；聚焦镜7为口径15mm，有效焦距17mm的聚焦透镜；增益光纤5为掺Yb的双包层石英光纤，纤芯直径为20um，内包层平均直径为400um，内包层为正八边形，纤芯的数值孔径为0.06，内包层的数值孔径为0.46，包层泵浦光的吸收系数为0.42dB/m；反射镜8为1030nm和1080nm高反镜，反射率为99.9％。
工作时，首先用940nm的泵浦光对碟片1进行泵浦，碟片1的泵浦区域会积累很多的上能级粒子，此时泵浦区域会在各个方向发生自发辐射。把传播方向为反射镜2，双色镜6方向的1030nm的振荡光，通过聚焦透镜7聚焦耦合进增益光纤5，再通过反射镜8把增益光纤没有吸收掉的剩余1030nm的振荡光，按照原路返回至反射镜2。这样，碟片激光器就形成了8—1—2的一个谐振腔；而由于双色镜6对1080nm的激光高透，因此增益光纤会形成光纤端面—反射镜8这样一个谐振腔，而光纤端面是输出面，输出的激光通过双色镜6提取出来。
由图2可知，在8—1—2的腔内，腔内形成1030nm的振荡激光不断的在光纤中传输，不停的被光纤吸收，从而使得光纤吸收的泵浦光增加，光光转换效率提高。
用表1所示的光纤和碟片激光其进行了数值模拟，结果如图6所示。图6中“*”表示腔内泵浦时，光纤激光器的输出功率，‘O’表示碟片激光其输出镜透过率为10％(最佳透过率10％)时，光纤激光器的输出功率，而两种情况下光纤激光器端面的透过率均为96％。图6的横坐标为光纤长度，表明针对不同长度的增益光纤进行了数值模拟，而最后一根光纤长度为60m，是求出的光线最佳长度，此时输出功率最高。图6的纵坐标为光纤激光器总的光光转换效率，即940nm—1080nm的转换效率，其中940nm半导体激光器为作为泵浦源的碟片激光其本身的泵浦源。数值模拟时，940nm激光的功率设为1000W。
表1光纤和碟片激光参数
碟片参数 光纤参数
碟片温度 T＝273+150K 吸收系数 0.1dB/m@1030nm
掺杂浓度 1.38×10<sup>27</sup>m<sup>-3</sup> 直径 30/250um
泵浦光斑面积 10×10<sup>-6</sup>m<sup>2</sup> 数值孔径 0.06/0.46
基模光斑面积 7×10<sup>-6</sup>m<sup>2</sup> 泵浦光反射率 0.99@1030nm
泵浦光反射率 0.99@940nm 腔镜反射率 0.99@1080nm
腔镜反射率 0.99@1030nm 输出镜反射率 0.04@1080nm
泵浦次数 48 光纤长度 10m
图6为本发明实施例的一种共谐振腔的级联泵浦激光器数值模拟的结果。从图6可以看出，光纤长度为2m和4m时，腔内和腔外泵浦都不会产生激光；当光纤长度大于2m小于14m时，发现腔内泵浦的光纤激光器输出功率高于腔外泵浦的光纤激光器，特别在光纤长度小于7m时，腔内泵浦的光纤激光器输出功率是腔外泵浦光纤激光器的40倍左右。
从图6可知，腔内泵浦光纤激光器的最佳长度远小于腔外泵浦光纤激光器，这就使得其SRS(受激拉曼散射)阈值提高，更加不容易发生SRS现象；而且光纤的最佳长度越小，光纤对泵浦光和激光的本征损耗越低。
图6表明，光纤都处于最佳长度时，腔内泵浦光纤激光器(7m)的光光转换效率仍然比腔外泵铺光纤激光器(60m)高。
因此，共谐振腔模式的光纤激光器，可以利用长度更短的光纤，获得比腔外泵浦光纤激光器更高的输出功率。
实施例2
图3为本发明实施例的一种共谐振腔的级联泵浦模块涉及的2个碟片，球面透镜组耦合的泵浦装置示意图。如图3所示，该泵浦模块包括2个碟片1，2个反射镜2，第一双色镜3和第一双色镜6，两个聚焦镜7，1个增益光纤5，一个反射镜8。
其中，碟片1的材料选用Yb：YAG晶体，其直径为15mm，厚度为200um，碟片的背面镀高反膜，膜系对应的波长为940nm和1030nm，反射率分别为99.9％和99.9％；反射镜2为1030nm高反镜，反射率为99.9％，曲率半径为2m；双色镜6为1030nm高反、1080nm高透的平面镜，反射率为99.9％，透过率为99.9％；聚焦镜7为口径15mm，有效焦距17mm的聚焦透镜；增益光纤5为掺Yb的双包层石英光纤，纤芯直径为20um，内包层平均直径为400um，内包层为正八边形，纤芯的数值孔径为0.06，内包层的数值孔径为0.46，包层泵浦光的吸收系数为0.42dB/m；反射镜8为1030nm和1080nm高反镜，反射率为99.9％。
工作时，首先用940nm的泵浦光分别对两个碟片1进行泵浦，碟片1的泵浦区域会积累很多的上能级粒子，此时泵浦区域会在各个方向发生自发辐射。把传播方向为反射镜2，双色镜6方向的1030nm的振荡光，分别通过两个聚焦透镜7，经增益光纤5两端聚焦耦合进光纤，剩余的1030nm的振荡光分别对面的双色镜6反射，经对面的碟片1以及对面的反射进2反射，原路回到光纤中，从而达到泵浦光多次经过光纤的效果。
对于增益光纤5，可以看到，纤芯内产生的1080nm激光，通过右侧的聚焦透镜7，准直为平行光，再通过右侧的双色镜6投射，平行入射到平面反射镜8上。平行光垂直入射到平面镜8上，会原路返回至纤芯，反射镜8即为谐振腔光纤端面—反射镜8的腔镜；反射回去的激光经过光纤端面输出，被双色镜6投射，与泵浦光分离开来，实现激光输出。
明显看出，经过双端泵浦，达到了多次泵浦的效果。
实施例3
图4为本发明实施例的一种共谐振腔的级联泵浦模块涉及的1个碟片，抛物面反射镜耦合的泵浦装置示意图。如图4所示，该泵浦模块包括碟片1，反射镜2，第一双色镜3，抛物面反射镜4，增益光纤5，反射镜8。
其中，碟片1的材料选用Yb：YAG晶体，其直径为15mm，厚度为200um，碟片的背面镀高反膜，膜系对应的波长为940nm和1030nm，反射率分别为99.9％和99.9％；反射镜2为1030nm高反镜，反射率为99.9％，曲率半径为2m；双色镜3为1030nm高透、1080nm高反的平面镜，透过率为99.9％，反射率为99.9％；抛物面反射镜的焦距为50mm，口径为100mm，为1030nm和1080nm的全反镜，对1030nm的反射率和对1080nm的反射率分别为99.9％，99.9％；增益光纤5为掺Yb的双包层石英光纤，纤芯直径为20um，内包层平均直径为400um，内包层为正八边形，纤芯的数值孔径为0.06，内包层的数值孔径为0.46，包层泵浦光的吸收系数为0.42dB/m，调整角度使得聚焦光斑垂直入射进光纤端面；反射镜8为1030nm和1080nm高反镜，反射率为99.9％。
工作时，首先用940nm的泵浦光分别对碟片1进行泵浦，碟片1的泵浦区域会积累很多的上能级粒子，此时泵浦区域会在各个方向发生自发辐射。把传播方向为反射镜2的振荡光，通过双色镜3，准直传播到抛物面4上，保证振荡的1030nm激光与抛物面光轴平行，这样可以使得1030nm的激光聚焦到抛物面的焦点；把增益光纤5的端面放置到抛物面焦点，以保证聚焦光斑垂直入射在光纤端面上。反射镜8放置在增益光纤5的末端，用来反射剩余的1030nm激光以及增益光纤5产生的1080nm激光。
剩余的1030nm激光，经过反射镜8的反射，回到光纤，在经过抛物面反射镜4反射，双色镜3透射，碟片1反射，反射回反射镜2的表面。此时1030nm光再经过反射镜2的反射，返回原路，实现多次泵浦；
而增益光纤5的腔镜为反射镜8，输出经为左侧光纤端面，产生的激光经过抛物面反射镜4反射，变成平行光，在经过双色镜3反射，提取出激光。
实施例4
图5为本发明实施例的一种共谐振腔的级联泵浦模块涉及的2个碟片，抛物面反射镜耦合的泵浦装置示意图。如图5所示，该泵浦模块包括碟片1，反射镜2，第一双色镜3，抛物面反射镜4，增益光纤5，反射镜8。
其中，碟片1的材料选用Yb：YAG晶体，其直径为15mm，厚度为200um，碟片的背面镀高反膜，膜系对应的波长为940nm和1030nm，反射率分别为99.9％和99.9％；反射镜2为1030nm高反镜，反射率为99.9％，曲率半径为2m；双色镜3为1030nm高透、1080nm高反的平面镜，透射率为99.9％，反射率为99.9％；抛物面反射镜的焦距为50mm，口径为100mm，为1030nm和1080nm的全反镜，对1030nm的反射率和对1080nm的反射率分别为99.9％，99.9％；增益光纤5为掺Yb的双包层石英光纤，纤芯直径为20um，内包层平均直径为400um，内包层为正八边形，纤芯的数值孔径为0.06，内包层的数值孔径为0.46，包层泵浦光的吸收系数为0.42dB/m，调整角度使得聚焦光斑垂直入射进光纤端面。
工作时，首先用940nm的泵浦光分别对两片碟片1进行泵浦，碟片1的泵浦区域会积累很多的上能级粒子，此时泵浦区域会在各个方向发生自发辐射。
由图5可知，传播方向为反射镜2的1030nm振荡光通过双色镜3，准直传播到抛物面4上，保证振荡的1030nm激光与抛物面光轴平行，这样可以使得1030nm的激光聚焦到抛物面的焦点；把增益光纤5的端面放置到抛物面焦点，以保证聚焦光斑垂直入射在光纤端面上。第一双色镜3放置在增益光纤5的末端，用来反射增益光纤5产生的1080nm激光，同时可以把剩余的1030nm激光透射过去；透射的1030nm激光经过抛物面反射镜4，碟片1，反射到反射镜2的表面，再原路返回，达到了多次泵浦的目的；
由图5可知，传播方向为反射镜2的1030nm振荡光经过抛物面4，聚焦耦合到增益光纤5的端面；耦合进光纤之前，聚焦的激光会透过第一双色镜3。剩余的1030nm激光经过抛物面反射镜4准直反射，在透过第一双色镜3，经过碟片1的反射，垂直入射到反射镜2，然后经过反射镜2原路返回，达到多次泵浦的目的。
通过上述原理方案可知，新型的有源增益镜腔内多次泵浦模块可以有效的形成光纤激光器的多次泵浦，以达到提高增益光纤吸收功率，提高光光转换效率的目的。
本发明的技术方案中，实施例中给出了效果较优的双色镜的透射膜系的中心波长和谱宽，但本发明不限于上述实施例中给出的双色镜的透射膜系的中心波长和谱宽，所示双色镜的透射膜系的中心波长为1000nm～1100nm，谱宽小于10nm，可以取实施中的1030nm、1080nm，还可以取1000nm、1050nm、1100nm等，具体的双色镜的透射膜系的中心波长和谱宽根据实际需要确定。
本发明的技术方案中，实施例中给出了效果较优的双色镜的反射膜系的中心波长和谱宽，但本发明不限于上述实施例中给出的双色镜的反射膜系的中心波长和谱宽，所示双色镜的反射膜系的中心波长1000nm～1200nm，谱宽小于10nm，可以取实施例中的1030nm、1080nm，还可以取1000nm、1050nm、1100nm等，具体的双色镜的反射膜系的中心波长和谱宽根据实际需要确定。
本发明的技术方案中，实施例中给出了效果较优的碟片激光器的数量，但本发明不限于上述实施例中给出的碟片激光器的数量，碟片激光器为一台或多台，可以取本实施例中的一台、两台、也可以取多台，具体碟片激光器的数量，根据实际需要确定。
本发明的技术方案中，实施例中给出了效果较优的双色镜数量，但本发明不限于上述实施例中给出的双色镜数量，双色镜数量为1个、2个或多个，可以取实施例中的1个、2个，还可以取多个，具体双色镜数量与所述碟片激光器的数量匹配。
本发明的技术方案中，实施例中给出了效果较优的耦合***的数量，但本发明不限于上述实施例中给出的耦合***的数量，可以取实施例中的一个或两个，也可取多个，具体耦合***的数量与所述碟片激光器的数量相匹配。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种共谐振腔的级联泵浦模块，其特征在于，该泵浦模块包括沿光路方向依次设置的碟片激光器、分光***、耦合***(7)、增益物质及反射***(8)，其中，
所述碟片激光器包括泵浦光源、腔镜(2)和有源增益镜(1)；
所述泵浦光源用于对所述有源增益镜(1)进行泵浦，以产生激光，所述激光入射到所述分光***后被反射至所述耦合***，该耦合***用于对所述激光进行聚焦耦合，以对所述增益物质进行增益，增益后的激光入射到所述反射***(8)中，该反射***(8)用于对入射的激光进行反射，反射后的激光用于再次进入所述增益物质并被增益，增益后的激光经过所述耦合***后进入所述分光***，该分光***将不需要的激光分光并反射至所述有源增益镜(1)进行再次泵浦，泵浦产生的激光再次入射到分光***中，以此方式实现激光的多次循环泵浦和增益。
2.根据权利要求1所述的一种共谐振腔的级联泵浦模块，其特征在于：所述碟片激光器为一台或多台。
3.根据权利要求1所述的一种共谐振腔的级联泵浦模块，其特征在于：所述耦合***(7)的数量与所述碟片激光器的数量相匹配。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种共谐振腔的级联泵浦模块，其特征在于：所述分光***的数量与所述碟片激光器的数量相匹配。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种共谐振腔的级联泵浦模块，其特征在于：所述分光***为双色镜。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的一种共谐振腔的级联泵浦模块，其特征在于：所述耦合***(7)为球面透镜或抛物面反射镜。
7.根据权利要求6所述的一种共谐振腔的级联泵浦模块，其特征在于：所述球面透镜或抛物面反射镜的口径、焦距与所述增益物质的内包层口径、数值孔径相匹配。
8.一种具有权利要求1-7中任一项所述的共谐振腔的级联泵浦模块的激光器。
9.根据权利要求8所述的一种具有所述的共谐振腔的级联泵浦模块的激光器，其特征在于：所述激光器包括一套、两套或多套所述共谐振腔的级联泵浦模块。
10.根据权利要求8或9所述的一种具有所述的共谐振腔的级联泵浦模块的激光器，其特征在于：所述泵浦模块沿光路方向对称设置或者不对称设置。
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