專利名稱：波長穩定的高功率半導體泵浦源及泵浦方法
技術領域：
本發明涉及光纖激光系統，特別是一種用于高功率光纖激光系統的波長穩定的高功率半導體泵浦源及泵浦方法。
背景技術：
光纖激光器是目前激光技術領域最為活躍的研究方向之一。由于其具有結構緊湊、穩定性好、轉換效率高、光束質量好等一系列優點，在激光先進制造、激光醫療、國防軍事等領域有著重要應用。對于摻稀土離子的光纖激光器，通過選擇發射波長和光纖吸收特性相匹配的半導體激光器為抽運源，可以實現比較高的激光轉化效率。由于Yb3+離子的能級結構非常簡單， 不存在上轉換、激發態吸收和濃度淬滅效應，故而可以獲得很高的量子效率和能量轉換效率，而Yb3+離子上能級的熒光壽命比較長，能夠有效的儲存能量以實現高功率的運作。對于摻鐿的雙包層光纖，一般選擇915 nm或976 nm的高功率半導體激光器。Yb3+離子在915 nm附近的吸收帶寬較寬，所以對泵浦源的波長穩定性和溫控要求相對較弱。而976 nm波長泵浦時Yb3+離子具有較高的吸收系數進而輸出功率和效率都優于915 nm波長泵浦，所以一般采用976 nm的高功率半導體激光器泵浦摻Yb3+的雙包層光纖。對于摻稀土離子的光纖激光器，作為泵浦源的大功率半導體激光器的光譜性質對激光器的性能影響比較大。對于半導體激光器而言，當驅動電流增大，輸出功率增加時，PN結的溫度就會升高，從而使得激光器的輸出中心波長向長波方向紅移。隨著半導體激光器工作電流和功率的不斷提高，導致在從閾值電流上升到滿功率電流的過程中產生了更大的波長漂移。為了確保在整個工作范圍內實現穩定、有效的泵浦，需要控制泵浦半導體激光器的光譜，使其光譜帶寬始終與激活激光介質的吸收帶寬相匹配。鐿離子對976 nm波長附近的吸收譜寬較窄，只有幾個 nm (參見 “Ytterbium-Doped Fiber Amplifiers”，QUANTUMELECTRONICS, VOL. 33，NO. 7，1997，1049 1056)，為保證LD的發射波長在工作條件變化過程中始終是976nm，可以對LD進行自動恒溫控制，但一般來說，溫度調制速度較慢，而且這樣的激光系統結構較為復雜。鎖定LD的發射波長可以有效降低激光器系統的熱負載和重量負載，是推動光纖激光器結構簡化、體積和重量大幅度降低、可靠性明顯提高的關鍵技術。為了鎖定LD的發射波長，研究人員探討了一些不同的方法。包括激光器內部解決方案和外部解決方案。內部解決方案將波長穩定結構集成到半導體激光器芯片內部的方法，分布式反饋半導體激光器(DFB)是采用內部波長穩定解決方案的一個典型例子。一般來說這種DFB半導體激光器的制造過程更為復雜，導致成本增加。這種激光器的另一個缺點是效率低。外部解決方案，VBG (體布拉格光柵)被廣泛用于大功率LD波長鎖定系統，并取得了很好的效果。既可鎖定在VBG的布拉格波長處，又可把光譜線寬壓窄。但是外部波長穩定方案的缺點是需要敏感和高度對準的VBG，而且若激光器發射波長與VBG的布拉格波長相差較大時，往往達不到穩定波長的目的。當然，與沒有采用波長穩定方案的半導體激光器相比，采用波長穩定方案的激光器因為插入了外部元件，將會導致輸出功率有所下降，對激光器本身的散熱處理也增加了難度，波長穩定的優化始終需要在鎖定范圍和功率損耗間進行權衡。目前市面上無論是單芯結式還是bar式高功率半導體激光器工作時均是系統內部所有LD同時工作，低功率到滿功率的過程中，隨著功率的提高波長進行向長波方向進行漂移。
發明內容
本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種波長穩定的高功率半導體泵浦源及泵浦方法。，該半導體泵浦源具有波長穩定、泵浦效率高、結構簡單、成本低的特點。本發明的技術解決方案如下
一種波長穩定的高功率半導體泵浦源，其特點是該泵浦源包括由泵浦塊、電源、控制器、電腦和NX I光纖合束器組成，其中N ^ 2，所述的泵浦塊由N個泵浦單元組成，每個泵浦單元由一個驅動器、一個開關和一個激光二極管組成，激光二極管的兩極與所述的驅動器的正負極相連，該驅動器的輸入端經所述的開關的接所述的電源，所述的開關的控制端接所述的控制器的輸出端，該控制器的輸入端接電腦，所述的激光二極管的激光輸出端通過光纖與所述的NX I光纖合束器的一個輸入端相連,該NX I光纖合束器的輸出端為泵浦源的輸出端。利用上述波長穩定的高功率半導體泵浦源對高功率光纖激光系統進行泵浦的方法，其特點在于該方法包括下列步驟
①將所需的泵浦光功率值輸入所述的電腦，該電腦計算應參與工作的激光二極管數量Q (Q ^ N)
Q=所需的泵浦光功率值/單個激光二極管激光功率值；
②通過電腦控制控制器連通Q個開關，相應的Q個驅動器對各自的激光二極管按滿功率的額定電流驅動激光二極管工作，然后Q個激光二極管輸出的激光經所述的NX I光纖合束器的輸出尾纖輸出，對光纖激光系統進行空間泵浦或全光纖泵浦。與現有技術相比，本發明的優點是
I、本發明處于工作狀態的激光二極管皆處于滿功率狀態，輸出波長均在激光二極管的中心波長，未工作的激光二極管處于短路保護狀態。可以使高功率半導體泵浦源更好地穩定中心波長，可以使高功率光纖激光系統一直高效率運轉。2、本發明不需要改變半導體泵浦源芯片結構，也不需要插入外部器件，使泵浦源光學結構大大被簡化，泵浦源電光轉化效率可以得到進一步提高。·
圖I為波長穩定的高功率泵浦源示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖與實施對本發明作進一步的說明。先請參閱圖1，圖I為本發明波長穩定的高功率泵浦源示意圖。泵浦源包括泵浦塊I、電源2、控制器3、電腦4和NX I光纖合束器5，其中N彡2。所述的泵浦塊I由N個泵浦單元Ii組成，其中i=l，2，…，N，每個泵浦單元Ii由一個驅動器lil、一個開關li2和一個激光二極管li3組成，激光二極管li3的兩極與所述的驅動器Iil的正負極相連，該驅動器Iil的輸入端經所述的開關li2的接所述的電源2，所述的開關li2的控制端接所述的控制器3的輸出端，該控制器3的輸入端接電腦4，所述的激光二極管li3的激光輸出端通過光纖與所述的NX I光纖合束器5的一個輸入端相連，該NX I光纖合束器5的輸出端為泵浦源的輸出端。激光二極管li3的正負極均在圖中標出。將所需的泵浦光功率值輸入所述的電腦4，該電腦4計算應參與工作的激光二極管li3數量Q(Q ^ N)
Q=所需的泵浦光功率值/單個激光二極管激光功率值。
所述的電腦4控制控制器3連通Q個開關li2，相應的Q個驅動器Iil對激光二極管Π3按滿功率的額定電流驅動激光二極管li3工作，處于工作狀態的激光二極管li3皆處于滿功率狀態，輸出波長均在976nm中心波長，未工作的激光二極管li3處于短路保護狀態。然后Q個激光二極管Π3輸出的激光經所述的NX I光纖合束器5的輸出尾纖輸出，對摻Yb3+光纖激光系統進行空間泵浦或全光纖泵浦。通過控制工作激光二極管Π3數目的增加或減少，可以實現半導體泵浦源輸出功率的增加或減少。此高功率半導體泵浦源的輸出波長可始終在976nm中心波長不漂移，實現波長穩定的運轉，能夠使摻Yb3+光纖激光系統始終處于高功率高效率運作狀態，大大提高了能量的利用率。
權利要求
1.一種波長穩定的高功率半導體泵浦源，其特征是該泵浦源包括泵浦塊、電源、控制器、電腦和NX I光纖合束器，其中N ^ 2，所述的泵浦塊由N個泵浦單元組成，每個泵浦單元由一個驅動器、一個開關和一個激光二極管組成，所述的激光二極管的兩極與所述的驅動器的正負極相連，該驅動器的輸入端經所述的開關接所述的電源，所述的開關的控制端接所述的控制器的輸出端，該控制器的輸入端接電腦，所述的激光二極管的激光輸出端通過光纖與所述的NXl光纖合束器的一個輸入端相連,該NX I光纖合束器的輸出端為泵浦源的輸出端。
2.利用權利要求I所述的波長穩定的高功率半導體泵浦源對高功率光纖激光系統進行泵浦的方法，其特征在于該方法包括下列步驟 ①將所需的泵浦光功率值輸入所述的電腦，該電腦計算應參與工作的激光二極管的數量Q，其中Q≤N: Q=所需的泵浦光功率值/單個激光二極管的激光功率值； ②所述的電腦控制所述的控制器連通Q個開關，相應的Q個驅動器對激光二極管按滿功率的額定電流驅動相應的激光二極管工作，然后Q個激光二極管輸出的激光經所述的NX I光纖合束器的輸出尾纖輸出，對光纖激光系統進行空間泵浦或全光纖泵浦。
全文摘要
一種波長穩定的高功率半導體泵浦源，該泵浦源包括泵浦塊、電源、控制器、電腦和N×1光纖合束器，所述的泵浦塊由N個泵浦單元組成，每個泵浦單元由一個驅動器、一個開關和一個激光二極管組成。該半導體泵浦源根據需要的功率值，通過控制工作激光二極管的數目的增加或減少，實現半導體泵浦源輸出功率的增加或減少。所有參與工作的激光二極管都處于滿功率輸出，以保證輸出波長始終穩定在中心波長。本發明具有波長穩定、泵浦效率高、結構簡單和成本低的特點。
文檔編號H01S3/0941GK102931575SQ20121044945
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月12日 優先權日2012年11月12日
發明者何兵, 代守軍, 周軍, 趙純, 臧華國 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所