非線性效應調q光纖激光器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種全光譜范圍的非線性效應調Q光纖激光器，包括：高數值孔徑非摻雜光纖、泵浦源、光纖合束器、雙包層增益光纖和單模光纖。本發明通過非線性受激布里淵散射效應的弛豫振蕩與增益光纖中激光放大過程的動態相互作用來周期性調制光纖諧振腔中激光的放大和衰減，自動實現Q因子的周期性變化，從而得到穩定的脈沖輸出，是一種全光譜范圍的脈沖激光技術，覆蓋了紫外、可見光、1微米、1.5微米(通信波段)、2微米、3-5微米及5微米以上的中紅外波段，具有功率高、結構簡潔(全光纖)、全光譜范圍適用等特點。
【專利說明】非線性效應調Q光纖激光器
【技術領域】
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[0001]本發明涉及高功率脈沖光纖激光器領域，特別是涉及一種任意波長范圍的非線性效應調Q光纖激光器。
【背景技術】
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[0002]近年來，包層泵浦的高功率稀土離子摻雜的脈沖光纖激光器已經成為國際上光纖激光器領域的研究熱點，因為這種激光器在工業生產和生活領域具有廣泛的應用前景。其中I微米波段的光纖激光器已經在工業加工領域占據了很大市場，而1.5微米的光纖激光器是通信領域不可或缺的關鍵部件，而“人眼安全”的2微米光纖激光因為處在水的強吸收峰將成為主要的生物醫學及醫療工具，而3-5微米的中紅外光纖激光器在傳感、探測及國防領域具有重要的應用價值。因為光纖的表面一體積大，所以光纖激光器易于散熱，能夠提供更高的輸出功率和更好的光束質量。相比于連續光纖激光器，脈沖光纖激光器因為具有更高的峰值功率，在加工、探測等領域具備更快的工作速度和更高的精度，因此脈沖光纖激光器特別是高平均功率的脈沖光纖激光器已經逐漸成為光纖激光器領域的發展主流。
[0003]獲取光纖激光脈沖的主要技術手段是調Q和鎖模，其中調Q需要用到聲光Q開關或電光Q開關，而鎖模主要是借助于半導體可飽和吸收鏡(SESAM)等鎖模器件。在傳統領域，不管是調Q還是鎖模都具有損失閾值低、工作線寬窄(只能工作在一個有限的波長范圍)等缺點，而且對于不同的波段需要采用不同的調Q或鎖模器件。石墨烯(graphene)具有寬光譜可飽和吸收的特點，但損失閾值低且集成起來操作繁雜，穩定性也較差。因此，發明一種對整個電磁波長范圍(從紫外到可見到紅外)都適用的脈沖光纖激光技術將是該領域中的重大突破，將極大地推動高功率光纖激光器的發展并具有廣泛而重要的實際應用價值。
【發明內容】
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[0004]本發明為了克服在先技術的不足，采用在高非線性光纖中激發非線性效應(主要是SBS效應，也可以采用Raman效應)來周期性調制光纖諧振腔中的Q值，通過該非線性效應與增益光纖的相互作用(周期性放大和衰減)，從而實現穩定的激光脈沖序列輸出。通過改變泵浦功率可以得到不同重復率、不同激光平均功率的激光脈沖，并保持激光脈沖寬度基本不變。這種新型的光纖激光調Q技術所實現的脈沖光纖激光器結構非常簡潔(不需要專門的塊體調制器件)，損失閾值極高(相當于光纖本身的破損閾值)，能夠直接獲得高平均功率的脈沖激光輸出，同時具有較高的斜率效率。
[0005]本發明技術解決方案是:
[0006]一種全光譜范圍的非線性效應調Q光纖激光器，其特點在于，包括:高數值孔徑非摻雜光纖、泵浦源、光纖合束器、雙包層增益光纖和單模光纖；
[0007]所述的光纖合束器的泵浦輸入光纖熔接所述的泵浦源，該光纖合束器信號光纖第一端口熔接所述的高數值孔徑非摻雜光纖的一端，該光纖合束器信號光纖第二端口熔接所述的雙包層增益光纖的一端，所述的高數值孔徑非摻雜光纖的另一端切割成光纖斜角，所述的雙包層增益光纖的另一端熔接所述的單模光纖的一端，該單模光纖的另一端切割成直角；
[0008]所述的泵浦源發射的泵浦光中心波長與所述的雙包層增益光纖的纖芯材料的中心吸收波長匹配。
[0009]所述的泵浦源為高功率激光二極管陣列光纖耦合模塊，中心波長根據所采用的雙包層增益光纖纖芯材料的吸收波長來選取，波長包括790nm、808nm、880nm、915nm、940nm、976nm、?L2um、?L5um、?L9um。
[0010]所述的雙包層增益光纖為摻Yb3+光纖、摻Nd3+光纖、摻Er3+光纖、Er3+Yb3+共摻光纖、摻Tm3+光纖、摻Ho3+光纖、或摻Tm3+Ho3+共摻光纖的各種稀土離子摻雜的特種光纖。
[0011]所述的雙包層增益光纖中的稀土離子的摻雜濃度可變，根據摻雜濃度來選取增益光纖的長度。
[0012]所述的高數值孔徑非摻雜光纖的結構參數與光纖合束器尾纖的結構參數以及雙包層增益光纖的結構參數匹配，雙包層增益光纖的結構參數與普通單模光纖的結構參數匹配。
[0013]所述的高數值孔徑非摻雜光纖為一種數值孔徑高而纖芯小的特種非增益光纖，利于激發非線性效應。
[0014]所述的雙包層增益光纖的一端熔接I米長的單模光纖濾除殘余泵浦光，得到的調Q脈沖從單模光纖輸出端輸出。
[0015]所述的高數值孔徑非摻雜光纖還連接第一溫控裝置，所述的雙包層增益光纖還連接第二溫控裝置。
[0016]所述的第二溫控裝置是一個外立面上刻有螺紋的圓形銅制熱沉。
[0017]所述的光纖合束器尾纖與泵浦源的輸出尾纖參數相匹配。
[0018]所述的光纖合束器的信號光纖與雙包層增益光纖參數(光纖直徑及數值孔徑)相匹配。
[0019]所述的光纖合束器的信號光纖與高數值孔徑非摻雜光纖參數相匹配。
[0020]所述的單模光纖為任意參數結構的單模光纖。
[0021]泵浦源的工作溫度通過調節循環水溫度進行控制，使泵浦源的發射中心波長與雙包層光纖的纖芯吸收波長相同；泵浦光通過光纖合束器耦合進雙包層增益光纖，泵浦源的輸出尾纖與合束器的尾纖結構參數匹配，合束器的信號光纖與雙包層增益光纖的結構參數匹配；合束器的信號光纖一端與雙包層增益光纖熔接；泵浦源通過泵浦增益光纖產生粒子數反轉來提供激光的增益，增益光纖中產生的自發輻射得到放大形成放大的自發輻射(ASE)，合束器信號光纖的另一端與一段高數值孔徑非摻雜光纖相熔接；雙包層增益光纖的輸出端與單模光纖的一端相熔接；單模光纖的另一端的直角端面提供的4%的Fresnel反射與高數值孔徑非摻雜光纖中的微小的折射率不均勻性帶來的分布式瑞利散射一起形成一個隨機(random)諧振腔，該諧振腔增強了某些ASE的光強，直至在高數值孔徑非摻雜光纖中激發出受激布里淵散射波。該受激布里淵散射波以弛豫脈沖的形式輸入到增益光纖中得到放大，消耗掉粒子數反轉，對整個諧振腔的Q值實現調制，得到一個高能量的激光脈沖輸出。脈沖輸出后，粒子數反轉需要時間重新建立，此時沒有脈沖輸出，直至諧振腔中的激光強度達到下一次激發受激布里淵散射波。這樣就通過非線性效應實現了周期性的Q開關效應，得到了周期性的激光脈沖輸出。該種非線性效應的調Q激光方式可以應用于所有波長的光纖或波導結構中。
[0022]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0023](I)由于采用尾纖輸出的高功率半導體激光二極管泵浦源，降低了泵浦光耦合進光纖的難度，同時通過調節泵浦源的工作溫度使泵浦光波長與摻銩光纖的吸收波長相同，提高了泵浦效率。
[0024](2)保證光學器件(泵浦源、合束器)與光纖的參數(數值孔徑與光纖直徑)相匹配，從而減小了損耗、提高了工作效率。
[0025](3)可以采用摻雜任意稀土離子(需要與泵浦源波長相匹配)的光纖得到各種波長的脈沖激光輸出。
[0026](4)采用非線性效應對諧振腔進行Q調制，不需要額外的塊體調制器件，器件結構簡潔。
[0027](5)不受調制器件損失閾值的限制，損失閾值只與光纖的損傷或熔接點的損傷相關，通過有效散熱，激光輸出功率(平均功率)可以達到幾十瓦以及數百瓦量級，峰值功率為數千瓦到10千瓦量級。
[0028](6)采用雙包層增益光纖有利于直接從一級振蕩器中得到高平均功率的脈沖激光輸出。
【專利附圖】
【附圖說明】
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[0029]圖1是本發明非線性效應調Q光纖激光器的結構示意圖。
[0030]圖2是增益光纖中銩離子(Tm3+)的簡化能級示意圖。
[0031 ] 圖3是輸出的激光脈沖序列圖。
【具體實施方式】
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[0032]以下結合附圖與實施例對本發明做進一步的說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。
[0033]本發明的非線性效應調Q光纖激光器的結構如圖1所示，包括:高數值孔徑非摻雜光纖2、泵浦源5、光纖合束器6、雙包層增益光纖7和單模光纖9 ;所述的光纖合束器6的泵浦輸入光纖熔接所述的泵浦源，該光纖合束器6信號光纖第一端口熔接所述的高數值孔徑非摻雜光纖2的一端，該光纖合束器6信號光纖第二端口熔接所述的雙包層增益光纖7的一端，所述的高數值孔徑非摻雜光纖2的另一端切割成光纖斜角1，所述的雙包層增益光纖7的另一端熔接所述的單模光纖9的一端，該單模光纖9的另一端切割成直角；所述的高數值孔徑非摻雜光纖2還連接第一溫控裝置3，所述的雙包層增益光纖7還連接第二溫控裝置
8。所述的泵浦源5發射的泵浦光中心波長與所述的雙包層增益光纖7的纖芯材料的中心吸收波長匹配。
[0034]泵浦源5是高功率激光二極管陣列光纖耦合模塊。本實施例采用一個可以溫控的水冷裝置來調節泵浦源的工作溫度，使泵浦源5的發射波長與雙包層增益光纖7的吸收峰很好的重合。泵浦功率可選擇為60瓦。
[0035]光纖合束器6的尾纖及信號光纖的直徑和數值孔徑(NA)可以根據雙包層增益光纖7和高數值孔徑非摻雜光纖2的參數進行選擇，在本實施例中，雙包層增益光纖7為10/130微米雙包層光纖，數值孔徑為0.15/0.46 ;高數值孔徑非摻雜光纖2的參數為3.5微米(數值孔徑為0.41)。
[0036]雙包層增益光纖7的吸收峰為790納米，纖芯直徑為10微米、數值孔徑為0.15，內包層橫截面為六邊形，內包層橫截面形狀還可以選擇為圓形、方形、D形或梅花瓣形等。雙包層增益光纖7纖芯中銩離子的摻雜濃度約為2.5%重量比，同時還摻入了少量的Al3+離子。
[0037]泵浦源5發射出的泵浦光，通過光纖合束器6耦合進雙包層摻銩增益光纖7。當泵浦源5對雙包層增益光纖7進行縱向泵浦時，雙包層增益光纖7中將產生自發輻射熒光。該自發輻射熒光傳輸到右端的普通單模光纖9的輸出端面時受到4%菲涅爾反射形成反饋，而傳輸到左端的高數值孔徑非摻雜光纖2中時因為材料的折射率不均勻性會產生反向的瑞利散射(Rayleigh scattering)形成隨機反饋。這兩種反饋在光纖中形成變化的激光諧振腔，當泵浦光增強到一定值時(達到閾值)就會在光纖中形成2微米左右的連續激光振蕩。某些振蕩的激光模式獲得了較高的增益，導致激光強度放大到超過受激布里淵散射的閾值從而激發受激布里淵散射(stimulated Brillouin scattering)。受激布里淵散射波一般以弛豫脈沖的形式(relaxat1n oscillat1n)產生,這種布里淵散射波的弛豫脈沖向右傳輸到雙包層增益光纖7時受到放大，從而形成強激光脈沖并通過普通單模光纖9從右端輸出。
[0038]為了有效散熱，雙包層增益光纖7的纏繞在水冷的銅制熱沉中(溫控裝置8)，光纖的工作溫度可以通過改變循環水的溫度進行控制。
[0039]圖2所示為增益光纖中銩離子(Tm3+)的簡化能級示意圖。當泵浦源5泵浦雙包層增益光纖7時，電子從基態3H6被泵浦到較高的激發態3H4,然后通過非輻射馳豫到準穩態3F4,即激光上能級。電子從激光上能級3F4躍遷到激光下能級3H6時，就會輻射出波長為?2微米的光子。當激光二極管泵浦源I對該激光器進行連續泵浦時，上述輻射光子的過程也就連續發生，從而使得上激光能級3F4和下激光能級3H6之間產生連續激光輻射。采用其他種類光纖時增益離子的能級圖相應的會改變。
[0040]圖3所示是一個典型的激光脈沖序列，顯示了該激光脈沖具有較高的穩定性。
[0041]該發明展示了，用激光二極管陣列5泵浦高濃度的雙包層增益光纖7，同時利用高數值孔徑非摻雜光纖2中的隨機反饋形成的諧振腔來增強自發輻射，從而得到受激布里淵散射波，該布里淵散射波通過增益光纖的放大可以實現高功率的脈沖激光輸出。
[0042]因此，本發明所展示的是激光二極管泵浦的、高功率、適用于任何波長的通過非線性效應來進行調制的脈沖光纖激光器，這種無需體塊調制器件的全光纖結構的激光器在激光加工、探測、傳感、生物醫學等領域具有廣闊的應用前景。
[0043]最為關鍵的是，通過選用不同類型的增益光纖及相應的泵浦源，該發明可以實現任意波段的全光纖脈沖光纖激光器，使其性能和用途不僅僅局限于該聲明的范疇。
【權利要求】
1.一種全光譜范圍的非線性效應調Q光纖激光器，其特征在于，包括:高數值孔徑非摻雜光纖(2)、泵浦源(5)、光纖合束器(6)、雙包層增益光纖(7)和單模光纖(9)； 所述的光纖合束器￠)的泵浦輸入光纖熔接所述的泵浦源，該光纖合束器(6)信號光纖第一端口熔接所述的高數值孔徑非摻雜光纖(2)的一端，該光纖合束器(6)信號光纖第二端口熔接所述的雙包層增益光纖(7)的一端，所述的高數值孔徑非摻雜光纖(2)的另一端切割成光纖斜角(I)，所述的雙包層增益光纖(7)的另一端熔接所述的單模光纖(9)的一端，該單模光纖(9)的另一端切割成直角； 所述的泵浦源(5)發射的泵浦光中心波長與所述的雙包層增益光纖(7)的纖芯材料的中心吸收波長匹配。
2.根據權利要求1所述的非線性效應調Q光纖激光器，其特征在于，所述的泵浦源(5)為高功率激光二極管陣列光纖耦合模塊，中心波長根據所采用的雙包層增益光纖(7)纖芯材料的吸收波長來選取，波長包括790nm、808nm、880nm、915nm、940nm、976nm、?1.2μπκ?L 5 μ m、?L 9 μ m。
3.根據權利要求1所述的非線性效應調Q光纖激光器，其特征在于，所述的雙包層增益光纖(7)為摻Yb3+光纖、摻Nd3+光纖、摻Er3+光纖、Er3+Yb3+共摻光纖、摻Tm3+光纖、摻Ho3+光纖、或摻Tm3+Ho3+共摻光纖的各種稀土離子摻雜的特種光纖。
4.根據權利要求3所述的非線性效應調Q光纖激光器，其特征在于，所述的雙包層增益光纖(7)中的稀土離子的摻雜濃度可變，根據摻雜濃度來選取增益光纖的長度。
5.根據權利要求1所述的非線性效應調Q光纖激光器，其特征在于，所述的高數值孔徑非摻雜光纖(2)的結構參數與光纖合束器(6)尾纖的結構參數以及雙包層增益光纖(7)的結構參數匹配，雙包層增益光纖(7)的結構參數與普通單模光纖(9)的結構參數匹配。
6.根據權利要求1所述的非線性效應調Q光纖激光器，其特征在于，所述的高數值孔徑非摻雜光纖(2)為一種數值孔徑高而纖芯小的特種非增益光纖，利于激發非線性效應。
7.根據權利要求1所述的非線性效應調Q光纖激光器，其特征在于，所述的雙包層增益光纖(7)的一端熔接I米長的單模光纖(9)濾除殘余泵浦光，得到的調Q脈沖從單模光纖(9)輸出端輸出。
8.根據權利要求1所述的非線性效應調Q光纖激光器，其特征在于，所述的單模光纖O)為普通單模光纖。
9.根據權利要求1至9任一項所述的非線性效應調Q光纖激光器，其特征在于，所述的高數值孔徑非摻雜光纖(2)還連接第一溫控裝置(3)，所述的雙包層增益光纖(7)還連接第二溫控裝置(8)。
10.根據權利要求9所述的非線性效應調Q光纖激光器，其特征在于，所述的第二溫控裝置(8)是一個外立面上刻有螺紋的圓形銅制熱沉。
【文檔編號】H01S3/115GK104134927SQ201410359275
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月25日 優先權日:2014年7月25日
【發明者】唐玉龍, 徐劍秋, 張帥一 申請人:上海交通大學