專利名稱：圓柱形排布的脈沖雙包層光纖放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及激光器，是一種圓柱形排布的脈沖雙包層光纖放大器，是將雙包層光纖按一定直徑的圓柱形排布作為放大器，由脈沖激光器作為種子光源，構(gòu)成一種輸出高能量、高光束質(zhì)量的脈沖雙包層光纖放大器。
背景技術(shù)：
在調(diào)Q的脈沖雙包層光纖激光器中，需要的短焦距非球面微透鏡和特種聲光調(diào)制器及其耦合是技術(shù)難點(diǎn)，并且這種方式難以實(shí)現(xiàn)高平均功率的脈沖激光輸出，參見(jiàn)在先技術(shù)[Opt.Lett.，25(1)，2000，P37]。在光纖激光器和放大器中，泵浦光要進(jìn)入內(nèi)包層才能起到泵浦作用。在先技術(shù)中，脈沖光纖激光器或放大器是通過(guò)聚焦使泵浦光進(jìn)入光纖的兩端，通過(guò)使用雙色片實(shí)現(xiàn)泵浦光和種子光進(jìn)入雙包層光纖。由于一根光纖只有兩個(gè)端面，每個(gè)端面有一定的破壞域值，這就限制了總的泵浦能量，參見(jiàn)在先技術(shù)[Electron.Lett.351158-1160，1999]。另一種結(jié)構(gòu)是將光纖盤(pán)成蚊香盤(pán)的形狀，通過(guò)去掉側(cè)面外包層，對(duì)光纖纖芯進(jìn)行泵浦，參見(jiàn)在先技術(shù)[JP PatentNo.9-174450]和[JP Patent No.9-289851]，可以增大泵浦光的耦合，但由于蚊香盤(pán)的結(jié)構(gòu)中心部分圓周長(zhǎng)遠(yuǎn)小于外圍部分，要達(dá)到均勻泵浦(即每隔一定距離有一個(gè)泵浦源)在技術(shù)上比較復(fù)雜。利用雙色片實(shí)現(xiàn)泵浦光和種子光的同時(shí)進(jìn)入，參見(jiàn)在先技術(shù)[CLEO2002，591-592]，對(duì)實(shí)現(xiàn)種子光高反和泵浦光高透的雙色片有很高要求，且必須同時(shí)實(shí)現(xiàn)種子光進(jìn)入纖芯和泵浦光進(jìn)入內(nèi)包層，技術(shù)難度較大。
本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思是本實(shí)用新型將粗芯的多模雙包層光纖盤(pán)成圓柱形作為放大器，選擇合適的圓柱形直徑(一般在1.5cm～2.5cm)，使之實(shí)現(xiàn)單模運(yùn)轉(zhuǎn)。沿圓柱體的一條圓外切線去除外包層作為耦合泵浦窗口，形成長(zhǎng)條形的耦合泵浦窗口，正好適合與條狀半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)陣列的泵浦源條狀輸出相匹配，從而實(shí)現(xiàn)高泵浦效率。種子源的脈沖激光先通過(guò)由波片組成的偏振控制器，然后經(jīng)耦合光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)入雙包層光纖的纖芯，被圓柱形排布的光纖放大器放大，實(shí)現(xiàn)高能量、高光束質(zhì)量的脈沖激光輸出。
本實(shí)用新型的具體技術(shù)解決方案如下一種圓柱形排布的脈沖雙包層光纖放大器，包括多模大芯徑雙包層光纖，泵浦源，聚焦透鏡，種子源激光器，1/2波片，1/4波片和耦合光學(xué)系統(tǒng)，其特點(diǎn)是所說(shuō)的雙包層光纖排布成圓柱體，其端面為垂直光纖軸線拋光，端面為和光纖軸線成8°～15°拋光，光纖緊密排布成直徑合適的圓柱體，沿著圓柱體的一條圓外切線(OO’)去掉雙包層光纖的外包層，形成一長(zhǎng)條內(nèi)包層作為耦合泵浦窗口，泵浦源輸出的激光束對(duì)準(zhǔn)圓柱體上的耦合泵浦窗口，在耦合泵浦窗口與泵浦源之間置有聚焦透鏡，耦合泵浦窗口在聚焦透鏡的焦點(diǎn)上，其中耦合泵浦窗口的中心線(O1O’)與聚焦透鏡的縱向中心軸線(O2O”)和泵浦源發(fā)光面的縱向中心軸線(O3O)在同一平面上相互平行，所述的種子源激光器的輸出脈沖激光沿X1X2方向出射，繞軸線X1X2通過(guò)1/2波片和1/4波片實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖激光偏振態(tài)的調(diào)節(jié)控制，由耦合光學(xué)系統(tǒng)將種子光注入雙包層光纖端面的纖芯中。
所說(shuō)的雙包層光纖的纖芯材料是激光工作物質(zhì)，是摻雜稀土離子(Yb或Nd)的石英或是玻璃，是纖芯較粗的多模雙包層光纖。
所說(shuō)的雙包層光纖內(nèi)包層的橫截面外形是矩形，或是正方形，或是其它多邊形。
所說(shuō)的泵浦源的泵光波長(zhǎng)應(yīng)與雙包層光纖纖芯材料的吸收波長(zhǎng)相匹配，是長(zhǎng)發(fā)光面的半導(dǎo)體激光器，或者是半導(dǎo)體激光器陣列。
所說(shuō)的聚焦透鏡為焦斑是線狀的柱面鏡，或是微柱透鏡列陣。
所說(shuō)的種子源脈沖激光器為調(diào)Q的Nd:YAG激光器，或是調(diào)Q的Nd:YVO4激光器，或是脈沖光纖激光器。
所說(shuō)的1/2波片和1/4波片為石英晶體材料的波片，或是云母材料的波片，或是由單模普通光纖作成的波片。
所說(shuō)的耦合光學(xué)系統(tǒng)是由球面透鏡組構(gòu)成的耦合系統(tǒng)，或是由非球面透鏡構(gòu)成的耦合系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
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圖1，本實(shí)用新型圓柱形排布的脈沖雙包層光纖放大器的結(jié)構(gòu)。包括雙包層光纖1、泵浦源4、聚焦透鏡3、種子源激光器8、1/2波片9、1/4波片10和耦合光學(xué)系統(tǒng)11。雙包層光纖1排布成，或者說(shuō)如線圈一樣繞成圓柱體5，沿著圓柱體5的一條圓外切線O1O’將雙包層光纖1的外包層去掉，露出一長(zhǎng)條內(nèi)包層，作為耦合泵浦窗口2。由泵浦源4發(fā)射的激光束對(duì)準(zhǔn)圓柱體5上的耦合泵浦窗口2，在耦合泵浦窗口2與泵浦源4之間置有聚焦透鏡3。耦合泵浦窗口2位于聚焦透鏡3的焦點(diǎn)上。其中耦合泵浦窗口2的中心線O1O’與聚焦透鏡3的縱向中心軸線O2O”和泵浦源4長(zhǎng)條形發(fā)光面的縱向中心軸線O3O在同一平面上相互平行。種子源激光器8的輸出脈沖激光沿X1X2方向出射，繞軸線X1X2旋轉(zhuǎn)1/2波片9和1/4波片10實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖激光偏振態(tài)的調(diào)節(jié)，由耦合光學(xué)系統(tǒng)11將種子光注入雙包層光纖1的纖芯中。
所說(shuō)的雙包層光纖1的一個(gè)端面7垂直于光纖軸線并被拋光，另一端面6和光纖軸線成8°～15°角并被拋光，以避免產(chǎn)生激光振蕩。
所說(shuō)的雙包層光纖1的纖芯材料是激光工作物質(zhì)，是摻稀土離子(Yb或Nd)的石英或是玻璃。
所說(shuō)的雙包層光纖1的纖芯為多模纖芯，直徑可為25～60μm，纖芯面積增大使得非線性效應(yīng)閾值升高，儲(chǔ)能增加，破壞閾值升高，可得到大于1mJ的單脈沖能量。并且方便了種子光的進(jìn)入。
所說(shuō)的雙包層光纖1內(nèi)包層的橫截面的外形是矩形，或是方形，或是其它多邊形。
所說(shuō)的圓柱體5的直徑為1.5cm～2.5cm，使得摻雜纖芯的低階模損耗最小，而高階模的損耗較大，采用這種技術(shù)，光纖1的纖芯直徑可以不受單模條件的限制，光纖彎曲增強(qiáng)了纖芯對(duì)泵浦的吸收，提高了效率。由于光纖彎曲引入的應(yīng)力雙折射在一定程度上起到保偏的作用，只需通過(guò)對(duì)種子光源8的偏振態(tài)通過(guò)旋轉(zhuǎn)波片8和10進(jìn)行調(diào)節(jié)就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的線偏振輸出。
所說(shuō)的泵浦源4的泵光波長(zhǎng)應(yīng)與雙包層光纖1中芯纖材料的吸收波長(zhǎng)相匹配，例如對(duì)于摻雜Yb3+離子的材料，其吸收峰在915nm，940nm和975nm，則泵浦源4的波長(zhǎng)可選擇915nm，940nm或選擇975nm。對(duì)于摻Nd3+稀土離子，泵浦波長(zhǎng)要選擇808nm。因?yàn)閳A柱體5上的耦合泵浦窗口2是一長(zhǎng)條，因此泵浦源4的發(fā)光面也應(yīng)與之相對(duì)應(yīng)，是一長(zhǎng)條發(fā)光面。若圓柱體5較長(zhǎng)，則泵浦源4是長(zhǎng)發(fā)光面的半導(dǎo)體激光器，或者是半導(dǎo)體激光陣列。
所說(shuō)的聚焦透鏡3是焦斑為線狀的柱面鏡，或者是是微透鏡陣列。
所說(shuō)的種子源脈沖激光器8可為調(diào)Q的Nd:YAG激光器，或是摻Nd玻璃脈沖激光器，或是脈沖光纖激光器。
所說(shuō)的1/2波片9和1/4波片10可為石英晶體材料的波片，或是云母材料的波片，或是由單模普通光纖作成的波片。
所說(shuō)的耦合光學(xué)系統(tǒng)11可由球面透鏡組構(gòu)成的耦合系統(tǒng)，也可由非球面透鏡構(gòu)成的耦合系統(tǒng)。
具有長(zhǎng)發(fā)光面的泵浦源4發(fā)射出波長(zhǎng)與雙包層光纖1纖芯材料的吸收波長(zhǎng)相匹配的泵浦光束，經(jīng)過(guò)聚焦透鏡3聚焦成一條線狀光斑恰好聚在圓柱體5長(zhǎng)條形的耦合泵浦窗口2上，通過(guò)內(nèi)包層泵浦纖芯，使纖芯的激光工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。通過(guò)1/2波片9和1/4波片10調(diào)節(jié)控制種子源8的脈沖激光的偏振態(tài)，由耦合光學(xué)系統(tǒng)11將種子光注入雙包層光纖1的纖芯，實(shí)現(xiàn)種子光的放大，由端面6輸出高能脈沖激光。
列舉一個(gè)具體實(shí)施例的物理參數(shù)如下如
圖1所示，所述的雙包層光纖1的纖芯材料是摻雜Yb3+離子的石英玻璃，波長(zhǎng)的吸收峰在915nm，940nm和975nm。泵浦源4是半導(dǎo)體激光二極管陣列，4有兩塊，與之相對(duì)應(yīng)的聚焦透鏡3也有兩塊長(zhǎng)柱面透鏡。雙包層光纖長(zhǎng)25m，纖芯直徑30μm，數(shù)值孔徑0.1，內(nèi)包層的橫截面為400×340μm，外包層橫截面為430×370μm，光纖端面6與光纖軸線成12°拋光，端面7與光纖軸線垂直拋光，緊密排布在直徑為1.86cm的圓柱體上。種子源8為調(diào)Q的Nd:YAG微片激光器，波長(zhǎng)1064nm，脈沖寬度80～300ps，重復(fù)頻率10～50kHz，平均功率可達(dá)2W。1/2波片9和1/4波片10為高精度的石英晶體波片，耦合光學(xué)系統(tǒng)11為非球面耦合系統(tǒng)。本實(shí)施例的脈沖雙包層光纖放大器輸出為單偏振高光束質(zhì)量的激光束，單脈沖能量大于1mJ，平均功率可達(dá)近百瓦。
綜上所述，本實(shí)用新型圓柱形排布的脈沖雙包層光纖放大器，與在先技術(shù)相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊，泵浦均勻，泵浦效率較高的特點(diǎn)，能夠獲得高能量、光束質(zhì)量好的偏振激光輸出。
權(quán)利要求1.一種圓柱形排布的脈沖雙包層光纖放大器，包括多模大芯徑雙包層光纖(1)，泵浦源(4)，聚焦透鏡(3)，種子源激光器(8)，1/2波片(9)，1/4波片(10)和耦合光學(xué)系統(tǒng)(11)，其特征在于所說(shuō)的雙包層光纖(1)排布成圓柱體(6)，其端面(7)為垂直光纖軸線拋光，端面(6)為和光纖軸線成8°～15°拋光，光纖緊密排布成直徑合適的圓柱體(5)，沿著圓柱體(5)的一條圓外切線(OO’)去掉雙包層光纖(1)的外包層，形成一長(zhǎng)條內(nèi)包層作為耦合泵浦窗口(2)，泵浦源(4)輸出的激光束對(duì)準(zhǔn)圓柱體(5)上的耦合泵浦窗口(2)，在耦合泵浦窗口(2)與泵浦源(4)之間置有聚焦透鏡(3)，耦合泵浦窗口(2)在聚焦透鏡(3)的焦點(diǎn)上，其中耦合泵浦窗口(2)的中心線(O1O’)與聚焦透鏡(3)的縱向中心軸線(O2O”)和泵浦源(4)發(fā)光面的縱向中心軸線(O3O)在同一平面上相互平行，所述的種子源激光器(8)的輸出脈沖激光沿X1X2方向出射，繞軸線X1X2通過(guò)1/2波片(9)和1/4波片(10)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖激光偏振態(tài)的調(diào)節(jié)控制，由耦合光學(xué)系統(tǒng)(11)將種子光注入雙包層光纖端面(7)的纖芯中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓柱形排布的脈沖雙包層光纖放大器，其特征在于所說(shuō)的雙包層光纖(1)的纖芯材料是激光工作物質(zhì)，是摻雜稀土離子(Yb或Nd)的石英或是玻璃，是纖芯較粗的多模雙包層光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓柱形排布的脈沖雙包層光纖放大器，其特征在于所說(shuō)的雙包層光纖(1)內(nèi)包層的橫截面外形是矩形，或是正方形，或是其它多邊形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓柱形排布的脈沖雙包層光纖放大器，其特征在于所說(shuō)的泵浦源(4)的泵光波長(zhǎng)應(yīng)與雙包層光纖(1)纖芯材料的吸收波長(zhǎng)相匹配，是長(zhǎng)發(fā)光面的半導(dǎo)體激光器，或者是半導(dǎo)體激光器陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓柱形排布的脈沖雙包層光纖放大器，其特征在于所說(shuō)的聚焦透鏡(3)為焦斑是線狀的柱面鏡，或是微柱透鏡列陣。
6.根據(jù)權(quán)利書(shū)要求1所述的圓柱形排布的脈沖雙包層光纖放大器，其特征在于所說(shuō)的種子源脈沖激光器(8)為調(diào)Q的Nd:YAG激光器，或是調(diào)Q的Nd:YVO4激光器，或是脈沖光纖激光器。
7.根據(jù)權(quán)利書(shū)要求1所述的圓柱形排布的脈沖雙包層光纖放大器，其特征在于所說(shuō)的1/2波片(9)和1/4波片(10)為石英晶體材料的波片，或是云母材料的波片，或是由單模普通光纖作成的波片。
8.根據(jù)權(quán)利書(shū)要求1所述的圓柱形排布的脈沖雙包層光纖放大器，其特征在于所說(shuō)的耦合光學(xué)系統(tǒng)(11)是由球面透鏡組構(gòu)成的耦合系統(tǒng)，或是由非球面透鏡構(gòu)成的耦合系統(tǒng)。
專利摘要一種圓柱形排布的脈沖雙包層光纖放大器，是將多模雙包層光纖排布成一定直徑的圓柱形，將高光束質(zhì)量的低功率脈沖激光作種子光源，沿著圓柱體的一條圓外切線去掉雙包層光纖的外包層，形成一長(zhǎng)條內(nèi)包層耦合泵浦窗口，與它相對(duì)的有長(zhǎng)發(fā)光面的半導(dǎo)體激光泵浦源和焦斑呈線狀的聚焦透鏡，種子源激光器發(fā)出的線偏振脈沖激光通過(guò)1/2波片和1/4波片，變換為合適偏振態(tài)的脈沖激光，耦合進(jìn)雙包層光纖的纖芯，經(jīng)圓柱形排布的雙包層光纖放大器放大后，高功率的脈沖激光由雙包層光纖的另一端輸出。本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)緊湊、泵浦均勻、泵浦效率高的特點(diǎn)，能夠輸出高能量、高光束質(zhì)量的單偏振脈沖激光。
文檔編號(hào)G02B6/00GK2599842SQ03228090
公開(kāi)日2004年1月14日 申請(qǐng)日期2003年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月10日
發(fā)明者樓祺洪, 周軍, 朱曉峰, 孔令峰, 董景星, 魏運(yùn)榮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所