非線性效應(yīng)調(diào)q光纖激光器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種全光譜范圍的非線性效應(yīng)調(diào)Q光纖激光器，包括：高數(shù)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(fā)明通過(guò)非線性受激布里淵散射效應(yīng)的弛豫振蕩與增益光纖中激光放大過(guò)程的動(dòng)態(tài)相互作用來(lái)周期性調(diào)制光纖諧振腔中激光的放大和衰減，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)Q因子的周期性變化，從而得到穩(wěn)定的脈沖輸出，是一種全光譜范圍的脈沖激光技術(shù)，覆蓋了紫外、可見(jiàn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔(全光纖)、全光譜范圍適用等特點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】非線性效應(yīng)調(diào)Q光纖激光器

【技術(shù)領(lǐng)域】
:
[0001]本發(fā)明涉及高功率脈沖光纖激光器領(lǐng)域，特別是涉及一種任意波長(zhǎng)范圍的非線性效應(yīng)調(diào)Q光纖激光器。

【背景技術(shù)】
:
[0002]近年來(lái)，包層泵浦的高功率稀土離子摻雜的脈沖光纖激光器已經(jīng)成為國(guó)際上光纖激光器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，因?yàn)檫@種激光器在工業(yè)生產(chǎn)和生活領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。其中I微米波段的光纖激光器已經(jīng)在工業(yè)加工領(lǐng)域占據(jù)了很大市場(chǎng)，而1.5微米的光纖激光器是通信領(lǐng)域不可或缺的關(guān)鍵部件，而“人眼安全”的2微米光纖激光因?yàn)樘幵谒膹?qiáng)吸收峰將成為主要的生物醫(yī)學(xué)及醫(yī)療工具，而3-5微米的中紅外光纖激光器在傳感、探測(cè)及國(guó)防領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。因?yàn)楣饫w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(zhì)量。相比于連續(xù)光纖激光器，脈沖光纖激光器因?yàn)榫哂懈叩姆逯倒β?，在加工、探測(cè)等領(lǐng)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(jīng)逐漸成為光纖激光器領(lǐng)域的發(fā)展主流。
[0003]獲取光纖激光脈沖的主要技術(shù)手段是調(diào)Q和鎖模，其中調(diào)Q需要用到聲光Q開(kāi)關(guān)或電光Q開(kāi)關(guān)，而鎖模主要是借助于半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)等鎖模器件。在傳統(tǒng)領(lǐng)域，不管是調(diào)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(gè)有限的波長(zhǎng)范圍)等缺點(diǎn)，而且對(duì)于不同的波段需要采用不同的調(diào)Q或鎖模器件。石墨烯(graphene)具有寬光譜可飽和吸收的特點(diǎn)，但損失閾值低且集成起來(lái)操作繁雜，穩(wěn)定性也較差。因此，發(fā)明一種對(duì)整個(gè)電磁波長(zhǎng)范圍(從紫外到可見(jiàn)到紅外)都適用的脈沖光纖激光技術(shù)將是該領(lǐng)域中的重大突破，將極大地推動(dòng)高功率光纖激光器的發(fā)展并具有廣泛而重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。


【發(fā)明內(nèi)容】

:
[0004]本發(fā)明為了克服在先技術(shù)的不足，采用在高非線性光纖中激發(fā)非線性效應(yīng)(主要是SBS效應(yīng)，也可以采用Raman效應(yīng))來(lái)周期性調(diào)制光纖諧振腔中的Q值，通過(guò)該非線性效應(yīng)與增益光纖的相互作用(周期性放大和衰減)，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的激光脈沖序列輸出。通過(guò)改變泵浦功率可以得到不同重復(fù)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(diào)Q技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的脈沖光纖激光器結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)潔(不需要專(zhuān)門(mén)的塊體調(diào)制器件)，損失閾值極高(相當(dāng)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(shí)具有較高的斜率效率。
[0005]本發(fā)明技術(shù)解決方案是:
[0006]一種全光譜范圍的非線性效應(yīng)調(diào)Q光纖激光器，其特點(diǎn)在于，包括:高數(shù)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(hào)光纖第一端口熔接所述的高數(shù)值孔徑非摻雜光纖的一端，該光纖合束器信號(hào)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(shù)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(fā)射的泵浦光中心波長(zhǎng)與所述的雙包層增益光纖的纖芯材料的中心吸收波長(zhǎng)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(zhǎng)根據(jù)所采用的雙包層增益光纖纖芯材料的吸收波長(zhǎng)來(lái)選取，波長(zhǎng)包括790nm、808nm、880nm、915nm、940nm、976nm、?L2um、?L5um、?L9um。
[0010]所述的雙包層增益光纖為摻Y(jié)b3+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(jù)摻雜濃度來(lái)選取增益光纖的長(zhǎng)度。
[0012]所述的高數(shù)值孔徑非摻雜光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)與光纖合束器尾纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及雙包層增益光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配，雙包層增益光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)與普通單模光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配。
[0013]所述的高數(shù)值孔徑非摻雜光纖為一種數(shù)值孔徑高而纖芯小的特種非增益光纖，利于激發(fā)非線性效應(yīng)。
[0014]所述的雙包層增益光纖的一端熔接I米長(zhǎng)的單模光纖濾除殘余泵浦光，得到的調(diào)Q脈沖從單模光纖輸出端輸出。
[0015]所述的高數(shù)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(gè)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(shù)相匹配。
[0018]所述的光纖合束器的信號(hào)光纖與雙包層增益光纖參數(shù)(光纖直徑及數(shù)值孔徑)相匹配。
[0019]所述的光纖合束器的信號(hào)光纖與高數(shù)值孔徑非摻雜光纖參數(shù)相匹配。
[0020]所述的單模光纖為任意參數(shù)結(jié)構(gòu)的單模光纖。
[0021]泵浦源的工作溫度通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)水溫度進(jìn)行控制，使泵浦源的發(fā)射中心波長(zhǎng)與雙包層光纖的纖芯吸收波長(zhǎng)相同；泵浦光通過(guò)光纖合束器耦合進(jìn)雙包層增益光纖，泵浦源的輸出尾纖與合束器的尾纖結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配，合束器的信號(hào)光纖與雙包層增益光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配；合束器的信號(hào)光纖一端與雙包層增益光纖熔接；泵浦源通過(guò)泵浦增益光纖產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)來(lái)提供激光的增益，增益光纖中產(chǎn)生的自發(fā)輻射得到放大形成放大的自發(fā)輻射(ASE)，合束器信號(hào)光纖的另一端與一段高數(shù)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(shù)值孔徑非摻雜光纖中的微小的折射率不均勻性帶來(lái)的分布式瑞利散射一起形成一個(gè)隨機(jī)(random)諧振腔，該諧振腔增強(qiáng)了某些ASE的光強(qiáng)，直至在高數(shù)值孔徑非摻雜光纖中激發(fā)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(shù)反轉(zhuǎn)，對(duì)整個(gè)諧振腔的Q值實(shí)現(xiàn)調(diào)制，得到一個(gè)高能量的激光脈沖輸出。脈沖輸出后，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)需要時(shí)間重新建立，此時(shí)沒(méi)有脈沖輸出，直至諧振腔中的激光強(qiáng)度達(dá)到下一次激發(fā)受激布里淵散射波。這樣就通過(guò)非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了周期性的Q開(kāi)關(guān)效應(yīng)，得到了周期性的激光脈沖輸出。該種非線性效應(yīng)的調(diào)Q激光方式可以應(yīng)用于所有波長(zhǎng)的光纖或波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0023](I)由于采用尾纖輸出的高功率半導(dǎo)體激光二極管泵浦源，降低了泵浦光耦合進(jìn)光纖的難度，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)泵浦源的工作溫度使泵浦光波長(zhǎng)與摻銩光纖的吸收波長(zhǎng)相同，提高了泵浦效率。
[0024](2)保證光學(xué)器件(泵浦源、合束器)與光纖的參數(shù)(數(shù)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(zhǎng)相匹配)的光纖得到各種波長(zhǎng)的脈沖激光輸出。
[0026](4)采用非線性效應(yīng)對(duì)諧振腔進(jìn)行Q調(diào)制，不需要額外的塊體調(diào)制器件，器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔。
[0027](5)不受調(diào)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(diǎn)的損傷相關(guān)，通過(guò)有效散熱，激光輸出功率(平均功率)可以達(dá)到幾十瓦以及數(shù)百瓦量級(jí)，峰值功率為數(shù)千瓦到10千瓦量級(jí)。
[0028](6)采用雙包層增益光纖有利于直接從一級(jí)振蕩器中得到高平均功率的脈沖激光輸出。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
:
[0029]圖1是本發(fā)明非線性效應(yīng)調(diào)Q光纖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖2是增益光纖中銩離子(Tm3+)的簡(jiǎn)化能級(jí)示意圖。
[0031 ] 圖3是輸出的激光脈沖序列圖。

【具體實(shí)施方式】
:
[0032]以下結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0033]本發(fā)明的非線性效應(yīng)調(diào)Q光纖激光器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括:高數(shù)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(hào)光纖第一端口熔接所述的高數(shù)值孔徑非摻雜光纖2的一端，該光纖合束器6信號(hào)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(shù)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(shù)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(fā)射的泵浦光中心波長(zhǎng)與所述的雙包層增益光纖7的纖芯材料的中心吸收波長(zhǎng)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(shí)施例采用一個(gè)可以溫控的水冷裝置來(lái)調(diào)節(jié)泵浦源的工作溫度，使泵浦源5的發(fā)射波長(zhǎng)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(hào)光纖的直徑和數(shù)值孔徑(NA)可以根據(jù)雙包層增益光纖7和高數(shù)值孔徑非摻雜光纖2的參數(shù)進(jìn)行選擇，在本實(shí)施例中，雙包層增益光纖7為10/130微米雙包層光纖，數(shù)值孔徑為0.15/0.46 ;高數(shù)值孔徑非摻雜光纖2的參數(shù)為3.5微米(數(shù)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(shù)值孔徑為0.15，內(nèi)包層橫截面為六邊形，內(nèi)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(shí)還摻入了少量的Al3+離子。
[0037]泵浦源5發(fā)射出的泵浦光，通過(guò)光纖合束器6耦合進(jìn)雙包層摻銩增益光纖7。當(dāng)泵浦源5對(duì)雙包層增益光纖7進(jìn)行縱向泵浦時(shí)，雙包層增益光纖7中將產(chǎn)生自發(fā)輻射熒光。該自發(fā)輻射熒光傳輸?shù)接叶说钠胀▎文９饫w9的輸出端面時(shí)受到4%菲涅爾反射形成反饋，而傳輸?shù)阶蠖说母邤?shù)值孔徑非摻雜光纖2中時(shí)因?yàn)椴牧系恼凵渎什痪鶆蛐詴?huì)產(chǎn)生反向的瑞利散射(Rayleigh scattering)形成隨機(jī)反饋。這兩種反饋在光纖中形成變化的激光諧振腔，當(dāng)泵浦光增強(qiáng)到一定值時(shí)(達(dá)到閾值)就會(huì)在光纖中形成2微米左右的連續(xù)激光振蕩。某些振蕩的激光模式獲得了較高的增益，導(dǎo)致激光強(qiáng)度放大到超過(guò)受激布里淵散射的閾值從而激發(fā)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(chǎn)生,這種布里淵散射波的弛豫脈沖向右傳輸?shù)诫p包層增益光纖7時(shí)受到放大，從而形成強(qiáng)激光脈沖并通過(guò)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(guò)改變循環(huán)水的溫度進(jìn)行控制。
[0039]圖2所示為增益光纖中銩離子(Tm3+)的簡(jiǎn)化能級(jí)示意圖。當(dāng)泵浦源5泵浦雙包層增益光纖7時(shí)，電子從基態(tài)3H6被泵浦到較高的激發(fā)態(tài)3H4,然后通過(guò)非輻射馳豫到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)3F4,即激光上能級(jí)。電子從激光上能級(jí)3F4躍遷到激光下能級(jí)3H6時(shí)，就會(huì)輻射出波長(zhǎng)為?2微米的光子。當(dāng)激光二極管泵浦源I對(duì)該激光器進(jìn)行連續(xù)泵浦時(shí)，上述輻射光子的過(guò)程也就連續(xù)發(fā)生，從而使得上激光能級(jí)3F4和下激光能級(jí)3H6之間產(chǎn)生連續(xù)激光輻射。采用其他種類(lèi)光纖時(shí)增益離子的能級(jí)圖相應(yīng)的會(huì)改變。
[0040]圖3所示是一個(gè)典型的激光脈沖序列，顯示了該激光脈沖具有較高的穩(wěn)定性。
[0041]該發(fā)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(shí)利用高數(shù)值孔徑非摻雜光纖2中的隨機(jī)反饋形成的諧振腔來(lái)增強(qiáng)自發(fā)輻射，從而得到受激布里淵散射波，該布里淵散射波通過(guò)增益光纖的放大可以實(shí)現(xiàn)高功率的脈沖激光輸出。
[0042]因此，本發(fā)明所展示的是激光二極管泵浦的、高功率、適用于任何波長(zhǎng)的通過(guò)非線性效應(yīng)來(lái)進(jìn)行調(diào)制的脈沖光纖激光器，這種無(wú)需體塊調(diào)制器件的全光纖結(jié)構(gòu)的激光器在激光加工、探測(cè)、傳感、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0043]最為關(guān)鍵的是，通過(guò)選用不同類(lèi)型的增益光纖及相應(yīng)的泵浦源，該發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)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(quán)利要求】
1.一種全光譜范圍的非線性效應(yīng)調(diào)Q光纖激光器，其特征在于，包括:高數(shù)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(hào)光纖第一端口熔接所述的高數(shù)值孔徑非摻雜光纖(2)的一端，該光纖合束器(6)信號(hào)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(shù)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(fā)射的泵浦光中心波長(zhǎng)與所述的雙包層增益光纖(7)的纖芯材料的中心吸收波長(zhǎng)匹配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性效應(yīng)調(diào)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(zhǎng)根據(jù)所采用的雙包層增益光纖(7)纖芯材料的吸收波長(zhǎng)來(lái)選取，波長(zhǎng)包括790nm、808nm、880nm、915nm、940nm、976nm、?1.2μπκ?L 5 μ m、?L 9 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性效應(yīng)調(diào)Q光纖激光器，其特征在于，所述的雙包層增益光纖(7)為摻Y(jié)b3+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(jù)權(quán)利要求3所述的非線性效應(yīng)調(diào)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(jù)摻雜濃度來(lái)選取增益光纖的長(zhǎng)度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性效應(yīng)調(diào)Q光纖激光器，其特征在于，所述的高數(shù)值孔徑非摻雜光纖(2)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與光纖合束器(6)尾纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及雙包層增益光纖(7)的結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配，雙包層增益光纖(7)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與普通單模光纖(9)的結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性效應(yīng)調(diào)Q光纖激光器，其特征在于，所述的高數(shù)值孔徑非摻雜光纖(2)為一種數(shù)值孔徑高而纖芯小的特種非增益光纖，利于激發(fā)非線性效應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性效應(yīng)調(diào)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(zhǎng)的單模光纖(9)濾除殘余泵浦光，得到的調(diào)Q脈沖從單模光纖(9)輸出端輸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性效應(yīng)調(diào)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(jù)權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)所述的非線性效應(yīng)調(diào)Q光纖激光器，其特征在于，所述的高數(shù)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(jù)權(quán)利要求9所述的非線性效應(yīng)調(diào)Q光纖激光器，其特征在于，所述的第二溫控裝置(8)是一個(gè)外立面上刻有螺紋的圓形銅制熱沉。
【文檔編號(hào)】H01S3/115GK104134927SQ201410359275
【公開(kāi)日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】唐玉龍, 徐劍秋, 張帥一 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)