專利名稱：短波長間隔泵浦的大功率光纖激光器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種大功率光纖激光器，尤其涉及泵浦波長與信號波長之間的間隔較小的大功率光纖激光器的結構方案。
背景技術：
光纖激光器在近年來得到了迅速的發展。其類型包括光纖脈沖激光器、光纖連續激光器和光纖準連續激光器。這些光纖激光器有多種不同的泵浦結構，比如前向泵浦、后向泵浦、雙向泵浦、及分布式泵浦。泵浦光源通常為半導體單管激光器或者半導體多管組合光源。泵浦波長較多米用915nm,940nm和975nm。
在這些大功率激光器中，特別是大功率連續和準連續激光器中，散熱和熱管理問題尤為突出。用上述的9XX泵浦的光纖激光器均遇到了熱耗散巨大，熱管理困難的問題。這些大量的散熱的實質就是慘雜原子從泵浦波長的光子吸收轉換給激射波長的光子釋放過程中，光子的能量差異轉變成為熱量，導致有源光纖上的發熱量過大。為了解決這個問題， 必須縮短泵浦激光波長和信號波長之間的波長差是個有效而新穎的途徑。發明內容
為了克服現有技術的不足，本發明目的是提供一種短波長間隔泵浦的大功率光纖激光器，是采用101(Tl020nm之間的波長進行泵浦，泵浦激光波長和主激射波長的差小于 55nm,使得光纖的發熱量減少,有效降低了大功率光纖激光器中的熱耗散問題。
本發明采用的技術方案是通過以下方式實現的短波長間隔泵浦的大功率光纖激光器，包括單級大功率光纖激光器和多級大功率光纖激光器，在單級大功率光纖激光器中， 包括前向光纖泵浦激光合束器、雙包層有源光纖和無源光纖的熔接點、泵浦光纖激光器、反向光纖泵浦激光合束器、雙包層Yb+摻雜有源光纖、光纖輸出端帽和主激光器激光輸出端， 其特征在于所述的前向光纖泵浦激光合束器和反向光纖泵浦激光合束器將泵浦光纖激光器的泵浦激光通過雙包層有源光纖和無源光纖的熔接點，輸送到雙包層Yb+摻雜有源光纖的內包層中；在泵浦激光的激勵下，雙包層Yb+摻雜有源光纖中產生光增益區，光增益區和左右兩個中心反射波長相同的光纖光柵組合形成激光諧振腔，產生大功率激光，在光纖的大功率輸出端設置了一個光纖輸出端帽將激光進行發散，防止光纖端面的熱損傷。
所述的光纖的非輸出端設置有一個光功率吸收器。
所述的多級大功率光纖激光器中，包括前向光纖泵浦激光合束器、雙包層有源光纖和無源光纖的熔接點、泵浦光纖激光器、反向光纖泵浦激光合束器、雙包層Yb+摻雜有源光纖、光纖輸出端帽、種子激光器光源和主激光器激光輸出端，前向光纖泵浦激光合束器和反向光纖泵浦激光合束器將泵浦光纖激光器的泵浦激光通過雙包層Yb+摻雜有源光纖和無源光纖的熔接點，輸送到雙包層Yb+摻雜有源光纖的內包層中；種子激光器光源輸出的較小功率的激光輸入到有光增益區的雙包層Yb+摻雜有源光纖中，被放大到較高的水平然后通過光纖的大功率輸出端設置了一個光纖輸出端帽。
所述的泵浦光纖激光器的輸出波長在101(Tl020nm之間，輸出功率在200W以下。
所述的泵浦光纖激光器或反向光纖泵浦激光合束器的輸入端為無芯的雙包層光纖，形成Nxl形式的合束器結構；或為有芯的雙包層光纖，形成N+lxl形式的合束器結構,雙包層光纖的內包層直徑在40-200微米之間。
所述的主光纖激光器和泵浦光纖激光器的輸出波長差小于55nm。
本發明，將雙包層有源光纖的內包層直徑減小，使得纖芯直徑與內包層直徑的比增大，提高了泵浦光的吸收效率。這種熱管理負擔較輕的大功率光纖激光器，特別是連續光纖激光器和準連續光纖激光器，為今后光纖激光器向更大功率方向發展提供了新的技術路線。以往的大功率光纖激光器中，泵浦激光波長和主激射波長的差大于85nm ;而本發明的大功率光纖激光器中，泵浦激光波長和主激射波長的差小于55nm。就是這個波長差的不同， 帶來了有源光纖在大功率工作條件下發熱情況的明顯不同。縮短了泵浦光子的能量和信號光子能量的能量差。
圖I是本發明的單諧振腔大功率光纖激光器示意圖。
圖2為本發明中的多級大功率光纖激光器示意圖。
具體實施方式
實施例I :
由圖I知，是單諧振腔大功率光纖激光器示意圖。短波長間隔泵浦的大功率光纖激光器，由光功率吸收器101、光纖光柵102、前向光纖泵浦激光合束器(N+lxl型)103、雙包層有源光纖和無源光纖的熔接點、泵浦光纖激光器105、反向光纖泵浦激光合束器(N+lxl 型)106、雙包層Yb+摻雜有源光纖107、光纖輸出端帽108、和主激光器激光輸出端120組成，前向光纖泵浦激光合束器(N+lxl型)103和反向光纖泵浦激光合束器(N+lxl型)106將泵浦光纖激光器105的泵浦激光通過雙包層有源光纖和無源光纖的熔接點104，輸送到雙包層Yb+摻雜有源光纖107的內包層中；在泵浦激光的激勵下，雙包層Yb+摻雜有源光纖 107中產生光增益區，增益區和左右兩個中心反射波長相同的光纖光柵102組合形成激光諧振腔，并產生大功率激光，在光纖的大功率輸出端120設置了一個光纖輸出端帽108輸出激光。在光纖非輸出的另外一側，不需要有激光輸出，也不希望產生激光的端面反射，因此設置一個光纖端面光功率吸收器101。
所述的泵浦光纖激光器105或反向光纖泵浦激光合束器106的輸入端為細芯徑的單包層光纖，芯徑在5-10微米之間，泵浦光纖激光器105或反向光纖泵浦激光合束器106 的輸入端為無芯的雙包層光纖，形成Nxl形式的合束器結構；或為有芯的雙包層光纖，形成 N+lxl形式的合束器結構，雙包層光纖的內包層直徑在40-200微米之間。主光纖激光器和泵浦光纖激光器的輸出波長差小于55nm。
本實施例的特點是只用單個有源光纖環和兩端的光纖光柵構成一個單激光器諧振腔，而不需要額外的光纖放大器單元或種子激光單元。
實施例2:
由圖2知，是多級大功率光纖激光器示意圖。短波長間隔泵浦的大功率光纖激光器，由前向光纖泵浦激光合束器(N+lxl型)103、雙包層有源光纖和無源光纖的熔接點104、 泵浦光纖激光器105、反向光纖泵浦激光合束器(N+lxl型)106、雙包層Yb+摻雜有源光纖 107、光纖輸出端帽108、種子激光器光源110和主激光器激光輸出端120組成,前向光纖泵浦激光合束器(N+lxl型)103和反向光纖泵浦激光合束器(N+lxl型)106將泵浦光纖激光器105的較小功率的泵浦激光通過雙包層有源光纖和無源光纖的熔接點104，輸送到雙包層Yb+摻雜有源光纖107的內包層中，形成大功率光纖放大器，較小功率的激光輸入到有增益的雙包層Yb+摻雜有源光纖107中，被放大到較高的水平然后通過輸出端帽108輸出激光。功率放大級是由有源光纖和泵浦激光器組成的增益光纖，它起到了一個光纖放大器的作用。通過這級的光纖功率放大，最后讓輸出光功率達到了較高的水平。
本實施例的特點是采用一個低光功率的種子光源，進行1-3級放大。其中最末級的功率放大單元用本發明的結構，最后將總輸出功率放大到較高的功率水平上。
本發明最重要的技術核心是，它縮短了泵浦光子的能量和信號光子能量的能量差。也就是
本發明方案的Iiv1-Iiv/傳統方案的Iiv1-Iivq
其中h是普朗克常數，V1是泵浦光子的光頻，V0是信號光子的光頻，hVl是泵浦光子的能量，11%是主激射光子的能量。光頻和波長的關系為ν·λ =c，其中λ是波長，c是真空光速，V是光頻。
激光器的泵浦光子能量的量子虧損為其中λρ是泵浦激光的波長，4。λ s是主激光器的輸出波長或稱為信號波長。舉例說明在傳統的915nm波長泵浦的情況下，光子的量子虧損為14%。而本發明采用IOlSnm波長泵浦的情況下，光子的量子虧損為 5%ο而該損失最終都轉化成了熱。在泵浦功率為1500W的情況下，傳統方案將有210W的功率轉化為光纖上的熱量；而本發明的激光器僅將60W的功率轉化為光纖上的熱量。大大緩解了光纖冷卻的問題。由此可見，本發明的激光器在耗熱方面有大幅度優于傳統激光器。
因為這個光子的量子虧損決定了在泵浦光轉換為信號光過程中的發熱量大小。所以本發明從物理層面上抑制和減少了主光纖激光器的發熱量，為其系統散熱壓力的緩解提供了堅實的保障。
在采用本發明方案的系統中，系統發熱量明顯地得到降低，緩解了大功率光纖激光器的散熱瓶頸問題。
本發明由于大幅度地減小了有源光纖的熱耗散，因此也可以縮短有源光纖的長度。長度縮短后，該光纖的非線性效應可以得到抑制，其中包括=SRS受激拉曼散射、SBS受激布里淵散射、SPM自相位調制、XPM交叉相位調制、自脈動效應等。
權利要求
1.短波長間隔泵浦的大功率光纖激光器，包括單級大功率光纖激光器和多級大功率光纖激光器，在單級大功率光纖激光器中，包括前向光纖泵浦激光合束器(103)、雙包層有源光纖和無源光纖的熔接點(104)、泵浦光纖激光器(105)、反向光纖泵浦激光合束器(106)、雙包層Yb+摻雜有源光纖(107)、光纖輸出端帽(108)和主激光器激光輸出端(120)，其特征在于所述的前向光纖泵浦激光合束器(103)和反向光纖泵浦激光合束器(106)將泵浦光纖激光器(105)的泵浦激光通過雙包層有源光纖和無源光纖的熔接點(104)，輸送到雙包層Yb+摻雜有源光纖(107)的內包層中；在泵浦激光的激勵下，雙包層Yb+摻雜有源光纖(107)中產生光增益區，光增益區和左右兩個中心反射波長相同的光纖光柵(102)組合形成激光諧振腔，并產生大功率激光，在光纖的大功率輸出端(120)設置了一個光纖輸出端帽(108)將激光進行發散，防止光纖端面的熱損傷。
2.根據權利要求I所述的短波長間隔泵浦的大功率光纖激光器，其特征在于所述的多級大功率光纖激光器中，包括前向光纖泵浦激光合束器(103)、雙包層有源光纖和無源光纖的熔接點(104)、泵浦光纖激光器(105)、反向光纖泵浦激光合束器(106)、雙包層Yb+摻雜有源光纖(107)、光纖輸出端帽(108)、種子激光器光源(110)和主激光器激光輸出端(120)，前向光纖泵浦激光合束器(103)和反向光纖泵浦激光合束器(106)將泵浦光纖激光器(105)的泵浦激光通過雙包層Yb+摻雜有源光纖(107)和無源光纖的熔接點(104)，輸送到雙包層Yb+摻雜有源光纖(107)的內包層中；種子激光器光源(110)輸出的較小功率的激光輸入到有光增益區的雙包層Yb+摻雜有源光纖(107)中，被放大到較高的水平然后通過光纖的大功率輸出端設置了一個光纖輸出端帽(108)。
3.根據權利要求I或2所述的短波長間隔泵浦的大功率光纖激光器，其特征在于所述的泵浦光纖激光器(105)的輸出波長為101(Tl020nm，輸出功率在200W以下。
4.根據權利要求I或2所述的短波長間隔泵浦的大功率光纖激光器，其特征在于所述的泵浦光纖激光器(105)或反向光纖泵浦激光合束器(106)的輸入端為無芯的雙包層光纖，形成N X I形式的合束器結構；或為有芯的雙包層光纖，形成N+1 X I形式的合束器結構，雙包層光纖的內包層直徑在40-200微米之間。
5.根據權利要求I或2所述的短波長間隔泵浦的大功率光纖激光器，其特征在于所述的泵浦光纖激光器(105)和主光纖激光器的輸出波長差小于55nm。
全文摘要
短波長間隔泵浦的大功率光纖激光器，短波長間隔泵浦的大功率光纖激光器，包括單級大功率光纖激光器和多級大功率光纖激光器，其特征在于所述的前向光纖泵浦激光合束器(103)和反向光纖泵浦激光合束器(106)將泵浦光纖激光器(105)的泵浦激光通過雙包層有源光纖和無源光纖的熔接點(104)組合形成激光諧振腔，并產生大功率激光。本發明，將雙包層有源光纖的內包層直徑減小，使得纖芯直徑與內包層直徑的比增大，提高了泵浦光的吸收效率，泵浦激光波長和主激射波長的差小于55nm，縮短了泵浦光子的能量和信號光子能量的能量差。
文檔編號H01S3/16GK102931572SQ201210438590
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月6日 優先權日2012年11月6日
發明者周勝, 李豐, 談根林 申請人:江蘇天元激光科技有限公司