專利名稱：一種基于主振蕩功率放大器的光纖拉曼黃光激光器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光纖激光器，特別是一種基于主振蕩功率放大器的黃光拉曼光纖激光器。
背景技術：
波長在560 600nm范圍的激光在生物醫學、醫療美容、食品藥品檢測、信息存儲、 通訊、軍工、大氣遙感等方面有迫切需求和廣泛的應用。例如在醫學上，因為血紅蛋白對波長585 595nm的激光吸收率高，因此該波長的激光在眼科和皮膚科有重要應用前途；在軍事上，黃光激光可用于空間目標的探測與識別；在天文觀測領域，589nm激光可以作為激光導引星(LGQ光源應用于地基大型望遠鏡的自適應光學系統中，使望遠鏡產生近衍射極限的高分辨率圖像。相比于LD泵浦的固體激光器，光纖激光器具有緊湊、易于調節、散熱性能好、光束質量高、轉換效率高、可柔化操作等諸多優勢。近幾年，隨著稀土離子摻雜光纖和光纖布拉格光柵技術的應用和發展，光纖激光器可發射的波長范圍得到了極大拓展。在此基礎上，光纖黃光激光器的研究引起了科研人員的高度關注，特別是發射波長為589nm的光纖黃光激光器更是吸引了極大的研究興趣。國際上實現光纖黃光激光器(波長560 600nm)主要有以下三種技術途徑(1)倍頻紅外波長光纖激光器獲得黃光激光輸出。如2006年，加利福尼亞斯坦福大學的Supriyo Sinha等用980nm 二極管激光器泵浦摻％光纖激光器獲得1150nm紅外激光，然后利用周期極化鈮酸鋰(PPLN)晶體倍頻獲得40mW的575nm黃光激光輸出(Supriyo Sinha, Carsten Langrock, Michel J. Digonnet, Martin Μ. Fejer, and Robert L. Byer. Efficient yellow-light genetaion by frequency doubling a narrow-linewidth 1150nm ytterbium fiber oscillator. OPTICS LETTERS,2006,31(3) :347-349)。2008年， 俄羅斯的V. V. Dvoyrin等用1060nm摻％光纖激光器泵浦摻％鋁硅光纖獲得1160nm紅外基頻光，然后用PPLN倍頻獲得860mW的580nm黃光激光輸出，系統采用自加熱原理很好地抑制了短波長(1070nm左右)放大的自發輻射(ASE) (V. V. Dvoyrin, V. M. Mashinsky, 0.I.Medvedkov, and Ε. Μ. Dianov. Yellow frequency-doubled self-heated Yb fiber laser. San Jose, California, 0SA/CLE0，2008，Paper CWB5)。2009 年，日本的 Hiroki Maruyama等采用975nm 二極管激光器泵浦摻鐿實心光子晶體光纖獲得基頻光，然后用摻氧化鎂周期極化鈮酸鋰(Mg0:PPLN)倍頻獲得1. 4W連續589nm黃光激光。缺點在倍頻紅外激光技術中，光纖增益介質的增益峰值在1070nm左右， 1120nm 1200nm波長范圍處于增益譜末端，當用LD泵浦此類光纖激光器時，短波長將發生放大的自發輻射(ASE)，大大降低了泵浦光到1120 1200nm波長的轉換效率，甚至不能形成激光振蕩。因此，利用紅外光纖激光器倍頻法所得黃光的轉換效率比較低，對光學諧振腔的腔鏡或光纖布拉格光柵(FBG)有極高的要求，增大了激光器制作的技術難度；(2) 1583nm Er/Yb共摻光纖激光器和938nm摻Nd硅光纖激光器和頻獲得589nm激光輸出。研究單位主要是美國LLNL實驗室，自2004年起，他們將589nm黃光功率從0. 5W 依次提高至 2. 7W 和 3. 5W(Evgeny M. Dianov, Alexey V. Shubin, Mikhail A. Melkumov, Oleg I. Medvedkov and Igor A. Bufetov. High-power cw bismuth-fiber lasers. JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA B,2007,24 (8) :1749-1755)。缺點1583nm和938nm和頻方法需要兩套泵浦源和光纖放大器，設備相對復雜， 另外，兩路基頻光在耦合輸入倍頻晶體過程中引入了較大的基頻光功率損耗，因此利用 1583nm和938nm和頻法所得的黃光功率偏低；(3)拉曼光纖頻移獲得黃光激光輸出。受激拉曼散射能夠高效地轉換激光波長，是產生高功率黃光的一種重要技術途徑，近年已有較大進展。這種技術首先由光纖拉曼頻移獲得紅外基頻光，然后用倍頻晶體獲得黃光(Yan Feng, Luke R. Taylor and Domenico Bonaccini Calia. 25W Raman-fiber-amplifier-based 589nm laser for laser guide star. OPTICS EXPRESS,2009，17Ul) : 19021-19026。Luke R. Taylor, Yan Feng and Domenico Bonaccini Calia. 50W Cff visible laser source at 589nm obtained via frequency doubling of three coherently combined narrow-band Raman fiber amplifiers. OPTICS EXPRESS,2010,18(8) :8540-8555)。缺點目前報道的倍頻拉曼光纖激光器方法中，拉曼信號光的高功率和窄線寬是不易兼得的。原因在于，為使信號光獲得足夠高的拉曼增益，拉曼光纖的長度應盡可能地長，但是，信號光在此類光纖激光器中傳播時，譜線寬度往往很快增寬，激光質量下降(其原因主要在于光纖中諸多縱模之間的四波混頻效應以及光纖中的受激布里淵(SBS)散射效應)，大大降低信號光的功率和光束質量，進而降低二次諧波轉化效率。一種由寬帶光纖布拉格光柵(FBG)做高反射鏡，窄帶FBG做輸出耦合鏡的非對稱諧振腔可在一定程度上改善此種光譜弱化問題。但是對于高功率的拉曼光纖激光器來講，光纖布拉格光柵限制信號光譜線弱化的能力是極其有限的。
發明內容
為克服現有技術的缺陷，實現體積小、成本低、窄線寬的光纖黃光激光器，本發明的目的在于提供一種基于主振蕩功率放大器的光纖拉曼黃光激光器，在提升信號光輸出功率的同時，可以極大地壓縮信號光的譜線增寬，保證輸出激光的質量。并可避免短波長放大的自發輻射(ASE)問題，簡化實驗設備，提高泵浦效率，克服拉曼光纖激光器中信號光譜線過度增寬的問題，大大提高信號光的功率和光束質量，進而提升二次諧波轉換效率。為實現上述技術效果，本發明采用如下技術方案基于主振蕩功率放大器的光纖拉曼黃光激光器，包括半導體激光泵浦源、摻鐿雙包層光纖、光纖光柵、拉曼光纖(如摻鍺硅光纖)、倍頻晶體、多模泵浦合束器；其特征在于系統全部器件采用光纖耦合或直接熔接，其順序依次為半導體激光器、第一光纖光柵、摻鐿雙包層光纖、第二光纖光柵、第三光纖光柵、摻鍺硅光纖、第四光纖光柵、第一泵浦光纖激光器、多模泵浦合束器、摻鍺硅光纖、多模泵浦合束器、第二泵浦光纖激光器、倍頻晶體。所述半導體激光器為光纖耦合輸出半導體激光器，輸出波長為915nm或976nm左右，包括驅動電源、激光二極管、冷卻裝置、輸出尾纖。所述第一光纖光柵、第二光纖光柵可以為雙包層Bragg光纖光柵，中心諧振波長為1120nm ；也可以是單包層Bragg光纖光柵，中心諧振波長為1120nm。所述摻鐿雙包層光纖為保偏雙包層光纖，對1120nm激光為單模傳輸。所述第一泵浦光纖激光器、第二泵浦光纖激光器均為1120nm光纖激光器，其結構由圖中1、2、3、4四部分構成。所述第三光纖光柵、第四光纖光柵為中心波長1178nm的Bragg光纖光柵，采用保偏光纖寫制。所述第一光纖光柵、第三光纖光柵為全反射光柵，中心波長反射率高于98%，第二光纖光柵、第四光纖光柵為低反射率光柵，中心波長反射率不高于30%，具體參數根據系統實際效果確定。系統中光纖光柵帶寬不高于0.3nm。所述摻鍺硅光纖為保偏單模光纖，提供拉曼增益。所述倍頻晶體可以為KTP晶體，也可以是摻氧化鎂周期極化鈮酸鋰(MgO = PPLN)晶體，晶體的長度、端面形狀和面積可根據光束面積來確定，晶體可根據相位匹配及其他需要沿不同方向和角度切割。所述泵浦合束器為光纖(N+l) X 1結構，一側為N個泵浦輸入端口和一個信號輸入端，另一側為輸出端口，泵浦輸入端口光纖為多模光纖，信號輸入端口為保偏單模光纖，輸出端為保偏單模光纖。激光器工作原理如下整個激光系統分為四個部分，第一步產生1120nm激光，第二步由得到的1120nm激光作為泵浦源產生1178nm種子激光，第三步對1178nm種子激光進行拉曼放大獲得高功率的1178nm基頻光，第四步對1178nm激光進行倍頻，獲得所需的 589nm黃光激光。具體為由半導體激光器輸出激光對摻鐿雙包層光纖進行泵浦，通過第一光纖光柵和第二光纖光柵選頻產生1120nm激光，1120nm激光耦合進入摻鍺硅光纖，產生拉曼增益，并通過第三光纖光柵和第四光纖光柵選頻產生低功率1178nm基頻種子激光， 1178nm種子光進入由泵浦光纖激光器、摻鍺硅光纖組成的拉曼放大器進行放大，得到高功率1178nm激光，最后由倍頻晶體倍頻獲得589nm黃色激光輸出。在拉曼放大部分中，利用 1120nm的光纖激光器進行泵浦，泵浦所用的1120nm光纖激光器結構由圖中1、2、3、4部分構成，可以采用后向、前向或雙向泵浦方式，系統結構分別對應圖1、圖2和圖3。與現有技術相比，本發明的積極效果為由于采用先產生低功率基頻激光再進行拉曼放大的方式，低功率種子激光的激光質量能夠得到保證，可以獲得窄線寬、高保偏的種子基頻光，并且產生種子激光部分在較低功率下運轉(圖中12，13部分)，可以降低對光纖光柵耐熱度方面的要求，避免了光纖光柵在高功率情況下退化、反射率降低、帶寬增大等問題，有利于對基頻光質量的控制，可獲得更高的二次諧波轉化效率。
圖1為本發明實施例一的結構示意圖；圖2為本發明實施例二的結構示意圖；圖3為本發明實施例三的結構示意圖；其中1.半導體激光器，2.第一光纖光柵，3.保偏摻鐿雙包層光纖，4.第二光纖光柵，5.第三光纖光柵，6.第一摻鍺硅光纖，7.第四光纖光柵，8.多模泵浦合束器9.第二摻鍺硅光纖，10.多模泵浦合束器，11.倍頻晶體，12. 1120nm光纖激光器(即泵浦光纖激光器)，13. 1178nm種子激光諧振腔，14. 1178nm種子激光光纖拉曼放大器。
具體實施例方式實施例1 如圖1所示，基于主振蕩功率放大器的589nm光纖拉曼黃光激光器，包括半導體激光泵浦源、摻鐿雙包層光纖、光纖光柵、摻鍺硅光纖、倍頻晶體、多模泵浦合束器；其特征在于系統全部器件采用光纖耦合或直接熔接，其順序依次為半導體激光器、第一光纖光柵、保偏摻鐿雙包層光纖、第二光纖光柵、第三光纖光柵、第一摻鍺硅光纖、第四光纖光柵、第二摻鍺硅光纖、多模泵浦合束器、泵浦光纖激光器、倍頻晶體。半導體激光泵浦源1采用波長為915nm半導體激光器，尾纖輸出，光纖尺寸為 50/125 μ m,激光器最大輸出功率10W，采用風冷方式制冷。保偏摻鐿雙包層光纖3的模場直徑6. 5士0.5 μ m，對915nm泵浦激光吸收率為 0. 55士0. 10dB/m ；纖芯數值孔徑0. 13 ；包層數值孔徑0. 46 ；纖芯雙折射B彡2· 5xl0_4 ；包層直徑130 士 5 μ m，纖芯/包層偏差< 1 μ m ；涂覆層直徑245 士 15 μ m ；外包層材料低折射率聚酯；強度測試水平彡100(0. 7GN/m2)，長度為10m。第一光纖光柵2的中心波長為1120nm，反射率> 99%，第二光纖光柵4的中心波長1120nm，反射率為10%，兩個光柵的帶寬均為0. 3nm。第一光纖光柵、第二光纖光柵加上摻鐿雙包層光纖，構成1120nm激光部分12的諧振腔。第三光纖光柵5、第四光纖光柵7的中心波長為1178nm，帶寬為0. 3nm ；第三光纖光柵反射率為99%，第四光纖光柵反射率為10%。第三光纖光柵、第四光纖光柵加上第一摻鍺硅光纖6構成了 1178nm種子激光部分的諧振腔13。第一摻鍺硅光纖6和第二摻鍺硅光纖9均為單模保偏光纖，用于產生拉曼增益。第一摻鍺硅光纖長度為20米，第二摻鍺硅光纖長度為50米。由一個1120nm光纖激光器12對第二摻鍺硅光纖9進行后向泵浦，獲得拉曼增益。 其中1120nm光纖激光器12組成由圖中1、2、3、4四個部分組成。泵浦半導體激光器采用 915nm半導體激光器，最大輸出功率為30W。多模泵浦合束器為保偏型合束器，用來將高功率泵浦光耦合進入光路。泵浦工作波長范圍800-1200nm，多模泵浦合束器中泵浦輸入端纖芯直徑/包層直徑為105/125 μ m， 數值孔徑為0. 22 ；多模泵浦合束器中信號光輸入端的光纖參數纖芯直徑/包層直徑為 ΡΜ5/130μ m，數值孔徑為0. 14/0. 46 ；輸出雙包層光纖參數纖芯直徑/包層直徑為PM 5/130 μ m,數值孔徑為0. 14/0. 46 ；最大泵浦輸入功率(單臂)7W ；總泵浦功率14W ；最大信號插入損耗< 0. 35dB，最大泵浦插入損耗< 0. 5dB，回波損耗40dB。倍頻晶體采用KTP晶體，兩端面均鍍有對1000-1200nm波長激光增透膜。激光器工作流程如下半導體激光器1輸出激光對摻鐿雙包層光纖3進行泵浦，通過第一光纖光柵2和第二光纖光柵4選頻產生1120nm激光，1120nm激光耦合進入摻鍺硅光纖6，產生拉曼增益，并通過第三光纖光柵5和第四光纖光柵7選頻產生低功率1178nm基頻種子激光，1178nm種子光進入由泵浦光纖激光器12、摻鍺硅光纖9組成的拉曼放大器14進行放大，得到高功率1178nm激光，最后由KTP倍頻晶體11倍頻獲得589nm黃色激光輸出。
實施例2:在1178nm激光拉曼放大部分中，用一個1120nm光纖激光器12對摻鍺硅光纖9進行前向泵浦，其它部分與實施例1 一致，其結構示意圖如圖2所示。實施例3 在1178nm激光拉曼放大部分中，采用雙向泵浦方式，即用兩個1120nm光纖激光器 12對摻鍺硅光纖9進行雙向泵浦，其它部分與實施例1 一致，其結構示意圖如圖3所示。本發明主要用于制備黃光光纖激光器，上面以598nm為光纖拉曼黃光激光器例， 給出了本發明主要部件的參數，但是本發明并不局限于598nm光纖拉曼黃光激光器。
權利要求
1.一種基于主振蕩功率放大器的光纖拉曼黃光激光器，其特征在于包括一泵浦光纖激光器(12)，種子激光光纖諧振腔(13)，種子激光拉曼光纖放大器(14)，倍頻器(11)；所述泵浦光纖激光器(1 輸出端與所述種子激光光纖諧振腔(1 輸入端通過光纖耦合或直接光纖熔接，所述種子激光光纖諧振腔(1 輸出端與所述種子激光拉曼光纖放大器(14)輸入端通過光纖耦合或直接光纖熔接，所述倍頻器(11)位于所述種子激光拉曼光纖放大器 (14)輸出端光路中；其中，種子激光光纖諧振腔的諧振波長為目標黃光波長的二倍。
2.如權利要求1所述的光纖拉曼黃光激光器，其特征在于所述種子激光拉曼光纖放大器(14)為后向泵浦拉曼光纖放大器，其包括一拉曼光纖，一多模泵浦合束器，另一泵浦光纖激光器(1 ；其中，所述拉曼光纖一端與所述種子激光光纖諧振腔(1 輸出端熔接，另一端與所述多模泵浦合束器信號輸入端熔接，所述多模泵浦合束器的泵浦輸入端與該泵浦光纖激光器(1 的輸出端熔接。
3.如權利要求1所述的光纖拉曼黃光激光器，其特征在于所述種子激光拉曼光纖放大器(14)為前向泵浦拉曼光纖放大器或雙向泵浦拉曼光纖放大器。
4.如權利要求1或2或3所述的光纖拉曼黃光激光器，其特征在于所述泵浦光纖激光器(1 包括一半導體激光器(1)，其尾纖輸出端依次與一高反射率光纖光柵O)、一摻鐿雙包層光纖、一低反射率光纖光柵(4)熔接。
5.如權利要求4所述的光纖拉曼黃光激光器，其特征在于所述光纖光柵O)、(4)為雙包層或單包層Bragg光纖光柵，中心反射波長為1120nm。
6.如權利要求5所述的光纖拉曼黃光激光器，其特征在于所述泵浦光纖激光器(12)的中心波長為915nm或976nm ；所述摻鐿雙包層光纖為保偏摻鐿雙包層光纖，且對1120nm激光單模傳輸；所述光纖光柵(2)的反射率大于98%，所述光纖光柵(4)的反射率小于30%， 且所述光纖光柵的帶寬小于0. 3nm。
7.如權利要求6所述的光纖拉曼黃光激光器，其特征在于所述保偏摻鐿雙包層光纖的長度為10m，模場直徑為6. 5士0. 5μπι，對915nm包層泵浦吸收為0. 55士0. 10dB/m ；纖芯數值孔徑0. 13 ；包層數值孔徑0. 46 ；雙折射B彡2. 5X 10_4 ；包層直徑130 士 5 μ m,纖芯 /包層偏差彡Iym;涂覆層直徑M5 士 15 μπι;所述泵浦光纖激光器(12)最大輸出功率為 IOff ；所述倍頻器為KTP晶體，所述KTP晶體兩端面均鍍有對1000-1200nm波長激光增透膜。
8.如權利要求2所述的光纖拉曼黃光激光器，其特征在于所述多模泵浦合束器為保偏多模泵浦合束器；所述拉曼光纖為單模保偏摻鍺硅光纖，長度為50m。
9.如權利要求1或2或3所述的光纖拉曼黃光激光器，其特征在于所述種子激光諧振腔(1 包括兩光纖光柵( 、(7)，所述光纖光柵( 、(7)之間熔接一拉曼光纖；所述光纖光柵( 與所述泵浦光纖激光器(1 的輸出端熔接。
10.如權利要求9所述的光纖拉曼黃光激光器，其特征在于所述光纖光柵(5)、(7)為雙包層保偏光纖制備的Bragg光纖光柵或單包層保偏光纖制備的Bragg光纖光柵，中心反射波長為1178nm，所述光纖光柵(5)的反射率大于98 %，所述光纖光柵(7)的反射率小于 30%，且所述光纖光柵(5)、(7)的帶寬均小于0.3nm;所述拉曼光纖為單模保偏摻鍺硅光纖，長度為20m。
全文摘要
本發明公開了一種基于主振蕩功率放大器的光纖拉曼黃光激光器，屬于激光器技術領域。本發明激光器包括一泵浦光纖激光器，種子激光光纖諧振腔，種子激光拉曼光纖放大器，倍頻器；所述泵浦光纖激光器輸出端與所述種子激光光纖諧振腔輸入端通過光纖耦合或直接光纖熔接，所述種子激光光纖諧振腔輸出端與所述種子激光拉曼光纖放大器輸入端通過光纖耦合或直接光纖熔接，所述倍頻器位于所述種子激光拉曼光纖放大器輸出端光路中；其中，種子激光光纖諧振腔的諧振波長為目標黃光波長的二倍。本發明具有實現體積小、成本低、窄線寬的特點，且有利于對基頻光質量的控制，可獲得更高的二次諧波轉化效率。
文檔編號H01S3/30GK102522693SQ201110430690
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月20日 優先權日2011年12月20日
發明者付圣貴, 劉曉娟, 葛筱璐, 袁玉珍, 郭立萍, 魏功祥 申請人:山東理工大學