專利名稱：基于鉺鐿共摻雙包層光纖的中紅外高功率激光光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及高功率中紅外激光光源，特別是一種基于鉺鐿共摻 雙包層光纖的中紅外高功率激光光源。
技術(shù)背景近年來，激光器的輸出波長擴展到中紅外已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注， 不僅是因為氣體分子在中紅外波長區(qū)域的吸收譜線強度要比近紅外波段 高幾個量級，因而中紅外激光光譜技術(shù)有著非常重要的應(yīng)用前景，還因為在3 5pm波段是大氣的窗口波段，在該波段內(nèi)激光對大霧、煙塵具有 較強的穿透力，在海平面上傳輸受氣體分子散射小，因此適合運用在激 光雷達、光電對抗等領(lǐng)域。目前，獲得這一波長范圍內(nèi)中紅外激光的技 術(shù)主要有，氟氘化學(xué)激光器直接產(chǎn)生，光參量振蕩器(OPO)及差頻(DFG) 產(chǎn)生等多種方法來獲得這一波長范圍內(nèi)的激光?；瘜W(xué)激光器的能量分布 在較寬的光譜范圍內(nèi)，但結(jié)構(gòu)龐大，造價昂貴；光參量振蕩器輸出光能 量低，光束質(zhì)量較差；而差頻相對于光參量振蕩器和化學(xué)激光器，有很 多優(yōu)點，如可調(diào)諧范圍靈活、全固化結(jié)構(gòu)緊湊、輸出能量高等。采用差頻產(chǎn)生中紅外激光的在先技術(shù)中，需要兩臺不同輸出波長的 Nd:YAG激光器，以產(chǎn)生4pm波段的中紅外激光。參見在先技術(shù)[光學(xué)與 光電技術(shù).3:26-28,2005]，固體Nd:YAG激光器的效率相對較低，并且高功 率運轉(zhuǎn)時激光光束質(zhì)量低，導(dǎo)致差頻轉(zhuǎn)換效率低；另外，由于采用了兩 臺激光器，系統(tǒng)的成本高，穩(wěn)定性不高。在先技術(shù)中，使用鉺鐿共摻光 纖作為激光介質(zhì)，通過采取抑制1.06^im的激光振蕩來獲得1.5pm波長的
激光，輸出激光的光譜帶寬較大。參見在先技術(shù)[OPTICSEXPRESS.14:3936-3941,2006]，在這種技術(shù)中，由于采用鍍膜腔片構(gòu)成諧振腔，不能實現(xiàn)激光器的全光纖化，其推廣應(yīng)用受到一定限制。 發(fā)明內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題在于克服上述在先技術(shù)的不足，提供 一種基于鉺鐿共摻雙包層光纖的中紅外高功率激光光源，以提高激光光 源的轉(zhuǎn)換效率和輸出穩(wěn)定性，獲得高功率、高光束質(zhì)量的中紅外激光輸 出，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光纖化，以利于激光光源的小型化。本實用新型的基本思想是采用高功率半導(dǎo)體激光器泵浦熔接有兩個光纖光柵的鉺鐿共摻雙包層光纖，實現(xiàn)了 1.06|am附近和1.56pm附近的雙波長激光的同時輸出，然后利用非線性晶體實現(xiàn)兩個波長激光的差 頻，獲得高功率的中紅外激光輸出。 本實用新型的技術(shù)解決方案如下一種基于鉺鐿共摻雙包層光纖的中紅外高功率激光光源，其構(gòu)成包括高功率半導(dǎo)體激光器和自該高功率半導(dǎo)體激光器的輸出端依次設(shè)置 的傳能光纖、第一光纖光柵、第二光纖光柵、鉺鐿共摻雙包層光纖、 準直透鏡、聚焦透鏡、非線性晶體和準直輸出透鏡，所述的鉺鐿共摻雙 包層光纖的輸出端位于所述的準直透鏡的前焦點，所述的聚焦透鏡的后 焦點和準直輸出透鏡的前焦點共焦，該焦點位于所述的非線性晶體之 中，所述的高功率半導(dǎo)體激光器發(fā)出的泵浦光通過傳能光纖耦合到鉺鐿 共摻雙包層光纖，在所述的傳能光纖和鉺鐿共摻雙包層光纖之間，熔接 有分別對中心波長^和中心波長入2高反的第一光纖光柵和第二光纖光 柵，分別作鉺鐿共摻雙包層光纖激光器的、和^激光波長的諧振腔鏡，
鉺鐿共摻雙包層光纖的另一端垂直軸線切割，作為諧振腔的輸出鏡。所述的鉺鐿共摻雙包層光纖的纖芯為圓形，直徑為20pm，纖芯數(shù) 值孔徑為0.07;其內(nèi)包層為六角形或八角形，直徑為200pm或400(im， 內(nèi)包層數(shù)值孔徑為0.46。所述的第一光纖光柵是中心波長^二1.06(im具有高反射率的雙包 層光纖光柵，其光纖光柵僅僅刻寫在圓形纖芯區(qū)域，反射率大于90%; 其纖芯和內(nèi)包層的直徑和數(shù)值孔徑與所述的鉺鐿共慘雙包層光纖的相 應(yīng)參數(shù)相同。所述的第二光纖光柵是中心波長X2=1.56pm具有高反射率的雙包 層光纖光柵，其光纖光柵僅僅刻寫在圓形纖芯區(qū)域，反射率大于90%; 其纖芯和內(nèi)包層的直徑和數(shù)值孔徑與所述的鉺鐿共摻雙包層光纖的參 數(shù)相同。所述的高功率半導(dǎo)體激光器的中心波長同鉺鐿共摻雙包層光纖的 吸收波長相匹配，為975nm或915nm，所述的高功率半導(dǎo)體激光器是 多個半導(dǎo)體激光器陣列的組合或多個單管半導(dǎo)體激光器的組合所述的準直透鏡是由一球面透鏡組構(gòu)成的對波長、和、消色差的準 直透鏡，其各個面均鍍有該兩個波長的增透膜，實現(xiàn)兩個波長激光的高 效率準直輸出。所述的聚焦透鏡是由一球面透鏡組構(gòu)成的對波長^和、消色差的聚 焦透鏡，或是由非球面透鏡構(gòu)成的消色差透鏡，并對其各個面均鍍有該 兩個波長的增透膜。使鉺鐿共摻雙包層光纖產(chǎn)生的雙波長激光更有效地 聚焦到非線性晶體中，實現(xiàn)高效的差頻轉(zhuǎn)換。
所述的非線性晶體是LiNb03晶體、MgO: LiNb03晶體或其它非線性 晶體。所述的非線性晶體具有較高的激光損傷閾值和大非線性系數(shù)，其 在1^im 4pm波長范圍內(nèi)能夠通過調(diào)整角度或溫度控制實現(xiàn)相位匹配， 通過其對波長入1和X2的差頻轉(zhuǎn)換，獲得高效率、高功率的中紅外激光 輸出。本實用新型的技術(shù)效果本實用新型采用高功率半導(dǎo)體激光器泵浦熔接有兩個光纖光柵的鉺 鐿共摻雙包層光纖，實現(xiàn)了 1.06pm和1.56pm的雙波長激光的高功率、 高光束質(zhì)量的激光同時輸出，而在先技術(shù)，要獲得兩個波長的激光輸出， 必須采用兩個激光器，因而，本實用新型具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、效率高的 優(yōu)點，且會大大降低系統(tǒng)成本。本實用新型采用兩個光纖光柵分別作為兩個不同波長激光的諧振腔 鏡，實現(xiàn)兩個波長激光的同時輸出，光纖光柵的采用使得雙波長光纖激 光器實現(xiàn)了全光纖化，并且有利于窄譜線激光的輸出，提高非線性差頻 轉(zhuǎn)換效率。在本實用新型中，采用LiNb03晶體或MgO: LiNb03晶體對高光束 質(zhì)量的兩個波長激光進行差頻，可以實現(xiàn)波長在3.3pm左右的高功率的 中紅外激光輸出。


圖1為本實用新型的基于鉺鐿共摻雙包層光纖的中紅外高功率激光 光源的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖與實施例對本實用新型作進一步的說明。 先請參閱圖1，圖1為本實用新型基于鉺鐿共摻雙包層光纖的中紅 外高功率激光光源的結(jié)構(gòu)示意圖。，由圖可見，本實用新型基于鉺鐿共
摻雙包層光纖的中紅外高功率激光光源的構(gòu)成包括高功率半導(dǎo)體激光 器1和自該高功率半導(dǎo)體激光器1的輸出端依次設(shè)置的傳能光纖2、 第一光纖光柵3、第二光纖光柵4、鉺鐿共摻雙包層光纖5、準直透鏡6、聚焦透鏡7、非線性晶體8和準直輸出透鏡9，所述的鉺鐿共摻雙包層 光纖5的輸出端10位于所述的準直透鏡6的前焦點，所述的聚焦透鏡 7的后焦點和準直輸出透鏡9的前焦點共焦，該焦點位于所述的非線性 晶體8之中，所述的高功率半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的泵浦光通過傳能光纖 2耦合到鉺鐿共摻雙包層光纖5，在所述的傳能光纖2和鉺鐿共摻雙包 層光纖5之間，熔接有分別對中心波長^和中心波長^高反的第一光 纖光柵3和第二光纖光柵4，分別作鉺鐿共摻雙包層光纖激光器的、 和、激光波長的諧振腔鏡，鉺鐿共摻雙包層光纖5的另一端10垂直軸 線切割，作為諧振腔的輸出鏡。所述的高功率半導(dǎo)體激光器1發(fā)出的泵浦光通過傳能光纖2耦合到 鉺鐿共摻雙包層光纖5，提供鉺鐿共摻雙包層光纖纖芯的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)， 在傳能光纖2和鉺鐿共摻雙包層光纖5之間，熔接有分別對波長^和、 具有高反射率的第一光纖光柵和4，分別作為^和、激光波長的諧振 腔鏡，^在1.06(im附近，人2在1.56(im附近，光纖的另一端垂直軸線切 割，作為激光的輸出鏡10;從垂直切割光纖端面10輸出的波長為^ 和X2的激光通過準直透鏡準直后，再通過聚焦透鏡共同聚焦于非線性 晶體8，兩個波長的激光在非線性晶體8內(nèi)通過差頻作用，產(chǎn)生波長為 (、x、) /(、一^)中紅外激光，并通過準直輸出透鏡實現(xiàn)準直輸出。下面是本實用新型一個具體實施例的物理參數(shù)
如圖1所示，所述的高功率半導(dǎo)體激光器1的中心波長在975nm, 其由多個半導(dǎo)體激光陣列經(jīng)光束整形后，通過傳能光纖2耦合輸出，輸 出激光功率達300W。傳能光纖2的纖芯直徑為400^im，數(shù)值孔徑為0.44。 傳能光纖2與第一光纖光柵3直接熔接，第一光纖光柵3的中心波長 X產(chǎn)1064nm，反射率為97%，為雙包層光纖光柵，光柵僅刻寫在纖芯區(qū) 域，纖芯直徑為20pm，數(shù)值孔徑為0.06，內(nèi)包層橫界面為圓形，直徑 400pm，數(shù)值孔徑為0.46。第一光纖光柵3的另一端與第二光纖光柵4 熔接，第二光纖光柵4的中心波長、=1565nm，反射率為97%，第二 光纖光柵4也為雙包層光纖光柵，其內(nèi)包層和纖芯參數(shù)同第一光纖光柵 3的參數(shù)相同。第二光纖光柵4的另一端與鉺鐿共摻雙包層光纖5熔接。鉺鐿共摻雙包層光纖5為大模場面積的雙包層光纖，纖芯中鉺離子和 鐿離子按照一定的比例共同摻雜，Ybl勺濃度為l wt%， E,的濃度為 0.125wt%。摻雜纖芯為圓形，直徑為20pm，數(shù)值孔徑為0.06左右，內(nèi)包 層形狀為八角形，直徑40(^m，數(shù)值孔徑約為0.46;其一端與光纖光柵4 熔接，另一端直接垂直光纖軸線切割，作為激光的輸出端IO。鉺鐿共摻 雙包層光纖5對975nm的小信號吸收約為2dB/m，光纖的長度為6.5m。高 功率半導(dǎo)體激光器l發(fā)出的975nm的泵浦光經(jīng)傳能光纖2，第一光纖光柵3 和第二光纖光柵4高效率地耦合到鉺鐿共摻雙包層光纖5中，為摻雜纖芯 中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)提供能量，第二光纖光柵4和光纖端面10構(gòu)成X產(chǎn)1565nm 的一對激光諧振腔，第一光纖光柵3和光纖端面10構(gòu)成人產(chǎn)1064nm另一對 的激光諧振腔，從而可實現(xiàn)1064nm和1565nm兩個波長激光的同時運轉(zhuǎn)。從光纖端面10輸出的雙波長激光通過焦距f二8mm的消色差復(fù)合準直
透鏡6準直后，再由焦距f二40mm的消色差復(fù)合聚焦透鏡7聚焦于非線性晶體8，準直透鏡6和聚焦透鏡7的各個面均鍍對波長^和、增透膜。非線性晶體8為LiNb03，其非線性系數(shù)^f產(chǎn)0.88x10—8esu，對應(yīng)晶體切割角為0=48.5°， (p=0°，非線性晶體8的長度為12mm。注入非線性晶體8的波長X廣1064nm的激光和波長X^1565nm的激光在LiNbO3中進行差頻，從而獲得波長為a"X2) /(12—11)=3.3|^的中紅外激光，準直輸出透鏡9對于3.3(am波長的焦距為40mm，實現(xiàn)對中紅外激光的準直。本實施例的基于鉺鐿共摻雙包層光纖的中紅外激光光源，在高功率半導(dǎo)體激光器的輸出功率為300W時，將能實現(xiàn)波長為3.3pm的近20W的高功率、高光束質(zhì)量的中紅外激光輸出。綜上所述，本實用新型基于鉺鐿共摻雙包層光纖的中紅外高功率激 光光源，采用兩個高反射率的光纖光柵分別作為1.06|im附近波長和 1.56pm附近波長的諧振腔鏡，采用一個高功率半導(dǎo)體激光器作為泵浦 源， 一段鉺鐿共摻的雙包層光纖作為激光增益介質(zhì)，從一個全光纖化的 光纖激光器中實現(xiàn)了兩個波長的高功率激光輸出；高光束質(zhì)量的兩個波 長的激光通過非線性晶體進行差頻，以獲得高功率、高光束質(zhì)量的中紅 外激光輸出。與在先技術(shù)相比，本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、 轉(zhuǎn)換效率高的特點，并且能夠獲得高功率、高光束質(zhì)量的中紅外激光輸 出。
權(quán)利要求1、一種基于鉺鐿共摻雙包層光纖的中紅外高功率激光光源，特征在于其構(gòu)成包括高功率半導(dǎo)體激光器(1)和自該高功率半導(dǎo)體激光器(1)的輸出端依次設(shè)置的傳能光纖(2)、第一光纖光柵(3)、第二光纖光柵(4)、鉺鐿共摻雙包層光纖(5)、準直透鏡(6)、聚焦透鏡(7)、非線性晶體(8)和準直輸出透鏡(9)，所述的鉺鐿共摻雙包層光纖(5)的輸出端(10)位于所述的準直透鏡(6)的前焦點，所述的聚焦透鏡(7)的后焦點和準直輸出透鏡(9)的前焦點共焦，該焦點位于所述的非線性晶體(8)之中，所述的高功率半導(dǎo)體激光器(1)發(fā)出的泵浦光通過傳能光纖(2)耦合到鉺鐿共摻雙包層光纖(5)，在所述的傳能光纖(2)和鉺鐿共摻雙包層光纖(5)之間，熔接有分別對中心波長λ1和中心波長λ2高反的第一光纖光柵(3)和第二光纖光柵(4)，分別作鉺鐿共摻雙包層光纖激光器的λ1和λ2激光波長的諧振腔鏡，鉺鐿共摻雙包層光纖(5)的另一端(10)垂直軸線切割，作為諧振腔的輸出鏡。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鉺鐿共摻雙包層光纖的中紅外高功 率激光光源，其特征在于所述的鉺鐿共摻雙包層光纖(5)的纖芯為圓 形，直徑為20)im，纖芯數(shù)值孔徑為0.07;其內(nèi)包層為六角形或八角形， 直徑為200pm或400(im，內(nèi)包層數(shù)值孔徑為0.46。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鉺鐿共摻雙包層光纖的中紅外高功 率激光光源，其特征在于所述的第一光纖光柵(3)是中心波長、= 1.06pm具有高反射率的雙包層光纖光柵，其光纖光柵僅僅刻寫在圓形 纖芯區(qū)域，反射率大于90%;其纖芯和內(nèi)包層的直徑和數(shù)值孔徑與所 述的鉺鐿共摻雙包層光纖(5)的相應(yīng)參數(shù)相同。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鉺鐿共摻雙包層光纖的中紅外高功 率激光光源，其特征在于所述的第二光纖光柵(4)是中心波長、=1.56pm具有高反射率的雙包層光纖光柵，其光纖光柵僅僅刻寫在圓形 纖芯區(qū)域，反射率大于90%;其纖芯和內(nèi)包層的直徑和數(shù)值孔徑與所述的鉺鐿共摻雙包層光纖(5)的相應(yīng)參數(shù)相同。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鉺鐿共摻雙包層光纖的中紅外高功 率激光光源，其特征在于所述的高功率半導(dǎo)體激光器(1)的中心波長 同鉺鐿共摻雙包層光纖(7)的吸收波長相匹配，為975nm或915nm， 所述的高功率半導(dǎo)體激光器(1)是多個半導(dǎo)體激光器陣列的組合或多 個單管半導(dǎo)體激光器的組合。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的的基于鉺鐿共摻雙包層光纖的中紅外高功 率激光光源，其特征在于所述的準直透鏡(6)是由一球面透鏡組構(gòu)成 的對波長X,和、消色差的準直透鏡，其各個面均鍍兩個波長的增透膜， 實現(xiàn)兩個波長激光的高效率準直輸出。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的的基于鉺鐿共摻雙包層光纖的中紅外高功 率激光光源，其特征在于所述的聚焦透鏡(7)是由一球面透鏡組構(gòu)成 的對波長、和、消色差的聚焦透鏡，或是由非球面透鏡構(gòu)成的消色差 透鏡，并對其各個面均鍍兩個波長的增透膜。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的的基于鉺鐿共摻雙包層光纖的中紅外高功 率激光光源，其特征在于所述的非線性晶體(8)是LiNb03晶體、MgO: LiNb03晶體或其它非線性晶體。
專利摘要一種基于鉺鐿共摻雙包層光纖的中紅外高功率激光光源，其構(gòu)成包括高功率半導(dǎo)體激光器和自該高功率半導(dǎo)體激光器的輸出端依次設(shè)置的傳能光纖、第一光纖光柵、第二光纖光柵、鉺鐿共摻雙包層光纖、準直透鏡、聚焦透鏡、非線性晶體和準直輸出透鏡。所述的鉺鐿共摻雙包層光纖熔接有對1.06μm附近波長λ₁和對1.56μm附近波長λ₂具有高反射率的第一光纖光柵、第二光纖光柵與鉺鐿共摻雙包層光纖的另一端的端面構(gòu)成諧振腔，從而實現(xiàn)波長為λ₁和λ₂的高功率激光輸出并通過消色差透鏡聚焦于非線性晶體，在非線性晶體內(nèi)進行差頻，經(jīng)準直輸出透鏡輸出中紅外光高功率激光。本實用新型具有激光轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、系統(tǒng)穩(wěn)定性高等優(yōu)點。
文檔編號H01S3/06GK201054460SQ20072007143
公開日2008年4月30日 申請日期2007年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月22日
發(fā)明者軍 周, 張芳沛, 樓祺洪, 董景星, 虹 蔡, 魏運榮 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所