一種高能量短脈沖光纖激光放大器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高能量短脈沖光纖激光放大器，所述放大器包括新型大模場雙包層稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖、光纖合束器以及多模半導(dǎo)體泵浦光源，本發(fā)明采用高增益雙包層玻璃光纖作為激光放大介質(zhì)，泵浦吸收系數(shù)比商用同類石英光纖高10倍以上，可以在很短的光纖長度上實現(xiàn)數(shù)十mJ的高能量短脈沖激光輸出。由于作為激光放大介質(zhì)的大模場雙包層稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖很短（可達(dá)厘米量級），而且大的模場面積可減弱光強(qiáng)度與纖芯折射率的調(diào)制效應(yīng)，故光纖中的低階非線性效應(yīng)很小，因此在獲得更穩(wěn)定、更高能量的脈沖激光輸出的同時，整個激光放大結(jié)構(gòu)也更加緊湊。該發(fā)明可應(yīng)用于激光雷達(dá)、激光測距與指示、遠(yuǎn)距離傳感等領(lǐng)域。
【專利說明】一種高能量短脈沖光纖激光放大器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高能量短脈沖激光【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種高能量短脈沖光纖激光放 大器。

【背景技術(shù)】
[0002] 高能量短脈沖激光光源在激光雷達(dá)、激光測距與指示、遠(yuǎn)距離傳感等領(lǐng)域有顯著 應(yīng)用。而激光脈沖能量直接決定其工作距離，因此，高能量短脈沖激光輸出前的末級光放大 技術(shù)至關(guān)重要。
[0003] 目前針對高能量短脈沖激光的放大技術(shù)，按照增益介質(zhì)來分主要有兩類：晶體及 光纖。與晶體這種全固體激光放大相比，高能量短脈沖的光纖放大方案具有全光纖化、體積 小且緊湊、光束質(zhì)量好、無熱棱鏡效應(yīng)等優(yōu)點。但是，其在高能量脈沖方面與全固體激光放 大器相比，主要參數(shù)(峰值功率與平均功率之積）還存在至少一個數(shù)量級的差距。這是因為 光纖中存在著低階非線性效應(yīng)--自相位調(diào)制（SPM)，四波混頻（FWM)，自聚焦，受激拉曼散 射（SRS)，受激布里淵散射（SBS)，直接制約高能量短脈沖激光的放大性能。因此，光纖中實 現(xiàn)高能量短脈沖放大的最大挑戰(zhàn)是減小非線性效應(yīng)的影響。而光纖中低階非線性效應(yīng)產(chǎn) 生的根本原因是光強(qiáng)度與纖芯折射率的調(diào)制關(guān)系，為了減小光纖中非線性效應(yīng)的影響，可 通過增大模場直徑的同時，增加泵浦吸收系數(shù)，從而縮短光纖長度。石英光纖一般采用增大 模場直徑來實現(xiàn)高能量短脈沖激光的放大，而要進(jìn)一步實現(xiàn)更高能量(數(shù)十毫焦級）更短脈 沖（飛秒量級）的放大，則需要再進(jìn)一步提高光纖的泵浦吸收系數(shù)。但從稀土氧化物與石英 (Si0 2)的相圖可知，在稀土離子含量達(dá)到一定水平時，稀土和石英之間則出現(xiàn)了不混溶(分 相）現(xiàn)象。因此，必須尋求新的基質(zhì)玻璃材料，以滿足對稀土離子溶解度的要求。
[0004] 研究發(fā)現(xiàn)：多組分玻璃對稀土離子具有較大的溶解度，特別是氟化物和磷酸鹽玻 璃，對稀土離子的溶解度高達(dá)上百萬ppm，并且也未發(fā)現(xiàn)因稀土離子高濃度摻雜而引起的熒 光淬滅現(xiàn)象。稀土離子摻雜磷酸鹽玻璃由于具有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度、較好的化學(xué)穩(wěn)定性和極 低上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率而受到廣泛關(guān)注。目前，各國對基于稀土離子摻雜磷酸鹽玻璃的雙包層 光纖也進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，已經(jīng)拉制成功了大模場雙包層單模磷酸鹽光纖，其泵浦吸 收系數(shù)最高達(dá)到260 dB/m，比商用同類稀土摻雜石英光纖高1-2個數(shù)量級，相應(yīng)的增益系 數(shù)也可以比稀土石英光纖高1個數(shù)量級。以稀土離子摻雜大模場雙包層磷酸鹽玻璃光纖作 為增益介質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)更緊湊的光纖放大結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而進(jìn)一步降低光纖的非線性效應(yīng)，以 獲得更穩(wěn)定、更高能量的脈沖激光輸出，有利于突破傳統(tǒng)石英光纖放大器的限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種高能量短脈沖光纖激光放大器，其利用大模場雙包層稀 土摻雜磷酸鹽玻璃光纖作為激光增益介質(zhì)，采用多模半導(dǎo)體泵浦光源進(jìn)行前向泵浦。由于 大模場雙包層稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖具有極高的泵浦吸收系數(shù)，可使光纖放大器結(jié)構(gòu)更 加緊湊，并進(jìn)一步降低光纖的非線性效應(yīng)，最終可實現(xiàn)更穩(wěn)定、更高能量的脈沖激光輸出。 本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)。
[0006] -種高能量短脈沖光纖激光放大器，其包括η個多模半導(dǎo)體泵浦光源、（n+1) X 1 光纖合束器、大模場雙包層稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖；各部件的結(jié)構(gòu)關(guān)系是：n個多模半導(dǎo) 體泵浦光源分別與（n+1) X 1光纖合束器的η個泵浦端口連接，大模場雙包層稀土摻雜磷酸 鹽玻璃光纖作為激光放大介質(zhì)，與（η+1)Χ1光纖合束器的輸出端口連接。激光泵浦方式采 用前向泵浦，η個多模半導(dǎo)體泵浦光源產(chǎn)生的泵浦光分別經(jīng)由（n+1) X 1光纖合束器的η個 泵浦端口耦合進(jìn)大模場雙包層稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖中進(jìn)行泵浦。所述η為自然數(shù)，且 η > 2。
[0007] 進(jìn)一步優(yōu)化的，所述大模場雙包層稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖的纖芯成分為磷酸鹽 玻璃，組成為 xP2〇5_yAl203-uBa〇-wLa 203-zRE203 (其中，0 < X < 100,0 <y< 10,0<u<20， 0 < w < 10,0 < z < 10, RE為摻雜的發(fā)光離子），所述大模場雙包層稀土摻雜磷酸鹽玻璃 光纖（3)的纖芯摻雜高濃度的發(fā)光離子，所述發(fā)光離子為鑭系離子、過渡金屬離子中一種或 多種的組合體，所述發(fā)光離子摻雜濃度大于IX 1〇19 i〇ns/cm3,且在纖芯中是均勻摻雜。
[0008] 進(jìn)一步優(yōu)化的，所述大模場雙包層稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖的纖芯直徑為20-200 μ m，纖芯數(shù)值孔徑NA小于0. 05,泵浦包層（內(nèi)包層)直徑為纖芯直徑的4倍，內(nèi)包層數(shù)值孔 徑NA為0. 6-0. 8,光纖外徑大于1. 5倍內(nèi)包層直徑。
[0009] 進(jìn)一步優(yōu)化的，所述大模場雙包層稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖纖芯折射率為N1，光 纖內(nèi)、外包層的折射率分布為N2和N3,且滿足關(guān)系：N1>N2>N3,在纖芯與內(nèi)包層以及內(nèi)包 層與外包層的界面上的折射率階躍變化，光纖內(nèi)包層的橫截面形狀是圓形、矩形或D型。
[0010] 進(jìn)一步優(yōu)化的，所述大模場雙包層稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖和（n+1) X 1光纖合 束器的輸出端之間是通過研磨拋光各自的光纖端面后直接對接耦合，或者通過光纖熔接機(jī) 熔接耦合的。
[0011] 進(jìn)一步優(yōu)化的，所述大模場雙包層稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖的內(nèi)包層與（n+1) XI 光纖合束器的輸出端光纖的內(nèi)包層是直接匹配的。
[0012] 進(jìn)一步優(yōu)化的，所述大模場雙包層稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖的另一端被研磨拋光 成斜面或鍍增透膜以防止端面反射。
[0013] 進(jìn)一步優(yōu)化的，所放大的脈沖激光的脈寬小于100納秒。
[0014] 上述高能量短脈沖光纖激光放大器，可根據(jù)實際需求確定（n+1) X 1光纖合束器 的泵浦端口數(shù)以及對應(yīng)的多模半導(dǎo)體泵浦光源的個數(shù)。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果是：采用很短的大模場雙包層稀土摻雜磷酸 鹽玻璃光纖作為激光放大介質(zhì)，多模半導(dǎo)體泵浦光源進(jìn)行前向泵浦，在泵浦光源的連續(xù)激 勵下，磷酸鹽光纖中的高摻雜稀土粒子發(fā)生反轉(zhuǎn)產(chǎn)生受激發(fā)射，可對脈寬小于100納秒的 任意脈沖激光放大獲得高能量短脈沖的激光輸出。由于作為激光放大介質(zhì)的大模場雙包層 稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖很短(可達(dá)厘米量級)，而且大的模場面積可減弱光強(qiáng)度與纖芯折 射率的調(diào)制效應(yīng)，故光纖中的低階非線性效應(yīng)很小，因此在獲得更穩(wěn)定、更高能量的脈沖激 光輸出的同時，整個激光放大結(jié)構(gòu)也更加緊湊。
[0016]

【專利附圖】

【附圖說明】 圖1為本發(fā)明實施例高能量短脈沖光纖激光放大技術(shù)原理示意圖。
[0017] 圖2a~圖2c分別為本發(fā)明實施例圖1高能量短脈沖光纖激光放大器中大模場雙 包層稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖3端面的三種結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，需要說明的是本發(fā)明要求保護(hù) 的范圍并不局限于實施例表述的范圍，未特別說明的部件可參照現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)。 實施例
[0019] 圖1為本發(fā)明實施例的高能量短脈沖光纖激光放大器原理示意圖，其中泵浦方式 為多模半導(dǎo)體泵浦光源經(jīng)由光纖合束器稱合進(jìn)大模場雙包層稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖的 前向泵浦。大模場雙包層稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖3作為激光放大介質(zhì)，與（n+l)X 1光纖 合束器2的輸出端口連接。激光泵浦方式采用前向泵浦，η個多模半導(dǎo)體泵浦光源1產(chǎn)生的 泵浦光分別經(jīng)由（η+1) X 1光纖合束器2的η個泵浦端口耦合進(jìn)大模場雙包層稀土摻雜磷 酸鹽玻璃光纖3中進(jìn)行泵浦（圖1)。大模場雙包層稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖3是通過鉆孔 法、管棒法制作預(yù)制棒，并在光纖拉制塔中拉制而成的。其光纖纖芯成分為磷酸鹽玻璃，其 組成為：xP2〇5 _yAl203-uBa〇-wLa203_zRE 203 (其中，0 < X < 100,0 <y< 10,0<u<20， 0 < w < 10,0 < z < 10, RE 為摻雜的發(fā)光離子），如 70P205-8Al203-15Ba0-4La 203-3Nd203， 纖芯直徑為20-200 μ m，纖芯折射率為N1，內(nèi)外包層的折射率分布為N2和N3,且滿足波導(dǎo) 關(guān)系：N1>N2>N3,且在纖芯與內(nèi)包層以及內(nèi)包層與外包層的界面上折射率階躍變化。光纖 內(nèi)包層的橫截面形狀是圓形（圖2a)、矩形（圖2b)或D型（圖2c)，其中包括纖芯201、內(nèi)包層 202和外包層203。纖芯摻雜高濃度的發(fā)光離子(鑭系離子、過渡金屬離子中一種或幾種的 組合體)，稀土離子的摻雜濃度要大于1X10 19 i〇ns/cm3。稀土離子在纖芯中是均勻的高濃 度摻雜。增益光纖長度一般小于10 cm (如0. 5?5cm)，可根據(jù)實際需求來確定，同樣可調(diào) 整的是（n+l)X 1光纖合束器2的泵浦端口數(shù)以及對應(yīng)的多模半導(dǎo)體泵浦光源1的個數(shù)。由 于作為激光放大介質(zhì)的大模場雙包層稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖很短(可達(dá)厘米量級)，而且 大的模場面積可減弱光強(qiáng)度與纖芯折射率的調(diào)制效應(yīng)，故光纖中的低階非線性效應(yīng)很小， 因此在獲得更穩(wěn)定、更高能量的脈沖激光輸出的同時，整個激光放大結(jié)構(gòu)也更加緊湊。該高 能量短脈沖光纖激光放大器可應(yīng)用于脈寬小于100納秒的脈沖激光放大。本發(fā)明采用高增 益雙包層玻璃光纖作為激光放大介質(zhì)，泵浦吸收系數(shù)比商用同類石英光纖高10倍以上，相 比之下可以在很短的光纖長度上實現(xiàn)數(shù)十mj的高能量短脈沖激光輸出。
【權(quán)利要求】
1. 一種高能量短脈沖光纖激光放大器，其特征在于包括η個多模半導(dǎo)體泵浦光源（1 )、 (n+1) X 1光纖合束器（2)、大模場雙包層稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖（3);各部件的結(jié)構(gòu)關(guān)系 是：η個多模半導(dǎo)體泵浦光源（1)分別與（n+1) X 1光纖合束器（2)的η個泵浦端口連接，大 模場雙包層稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖（3)作為激光放大介質(zhì)，與（n+1) X 1光纖合束器（2) 的輸出端口連接；激光泵浦方式采用前向泵浦，η個多模半導(dǎo)體泵浦光源（1)產(chǎn)生的泵浦光 分別經(jīng)由（n+1) X 1光纖合束器（2)的η個泵浦端口耦合進(jìn)大模場雙包層稀土摻雜磷酸鹽 玻璃光纖（3)中進(jìn)行泵浦；所述η為自然數(shù)，且η > 2。
2. 如權(quán)利要求1所述的高能量短脈沖光纖激光放大器，其特征在于所述 大模場雙包層稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖（3)的纖芯成分為磷酸鹽玻璃，組成為 xP205-yAl203-uBa0_wLa 203-zRE203,其中，0 < X < 100,0 < y < 10,0 < u < 20,0 < w < 10， 〇 < z < 10,RE為摻雜的發(fā)光離子，所述大模場雙包層稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖（3)的纖芯 摻雜高濃度的發(fā)光離子，所述發(fā)光離子為鑭系離子、過渡金屬離子中一種或多種的組合體， 所述發(fā)光離子摻雜濃度大于1X10 19 i〇ns/cm3,且在纖芯中是均勻摻雜。
3. 如權(quán)利要求2所述的高能量短脈沖光纖激光放大器，其特征在于所述大模場雙包層 稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖（3)的纖芯直徑為20-200 μ m，纖芯數(shù)值孔徑NA小于0. 05,泵浦 包層即內(nèi)包層直徑為纖芯直徑的4倍，內(nèi)包層數(shù)值孔徑NA為0. 6-0. 8,光纖外徑大于1. 5倍 內(nèi)包層直徑。
4. 如權(quán)利要求3所述的高能量短脈沖光纖激光放大器，其特征在于所述大模場雙包層 稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖（3 )纖芯折射率為N1，光纖內(nèi)、外包層的折射率分布為N2和N3，且 滿足關(guān)系：N1>N2>N3,在纖芯與內(nèi)包層以及內(nèi)包層與外包層的界面上的折射率階躍變化， 光纖內(nèi)包層的橫截面形狀是圓形、矩形或D型。
5. 如權(quán)利要求1所述的高能量短脈沖光纖激光放大器，其特征在于所述大模場雙包層 稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖（3)和（n+1) X 1光纖合束器（2)的輸出端之間是通過研磨拋光 各自的光纖端面后直接對接耦合，或者通過光纖熔接機(jī)熔接耦合的。
6. 如權(quán)利要求5所述的高能量短脈沖光纖激光放大器，其特征在于所述大模場雙包層 稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖（3)的內(nèi)包層與（n+1) X 1光纖合束器（2)的輸出端光纖的內(nèi)包 層是直接匹配的。
7. 如權(quán)利要求5所述的高能量短脈沖光纖激光放大器，其特征在于所述大模場雙包層 稀土摻雜磷酸鹽玻璃光纖（3 )的另一端被研磨拋光成斜面或鍍增透膜以防止端面反射。
8. 如權(quán)利要求1所述的高能量短脈沖光纖激光放大器，其特征在于所放大的脈沖激光 的脈寬小于100納秒。
【文檔編號】G02B6/036GK104092087SQ201410271354
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月18日
【發(fā)明者】徐善輝, 楊中民, 李 燦, 馮洲明 申請人:華南理工大學(xué)