專利名稱：光纖激光器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光領域，尤其涉及光纖激光器。
背景技術：
光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質的激光器，光纖激光
器可在光纖放大器的基礎上開發(fā)出來在泵浦光的作用下光纖內極易形成高功 率密度，造成激光工作物質的激光能級"粒子數(shù)反轉"，當適當加入正反饋回路(構 成諧振腔)便可形成激光振蕩輸出。
光纖激光器應用范圍非常廣泛，包括激光光纖通訊、激光空間遠距通訊、工 業(yè)造船、汽車制造、激光雕刻激光打標激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/ 切割/焊接(銅焊、淬水、包層以及深度焊接)、軍事國防安全、醫(yī)療器械儀器 設備、大型基礎建設等等。
光纖激光器有眾多的優(yōu)點，泵浦光耦合是其中一個重要的技術1^出。目前多 用半導體激光器作泵浦源從端面泵浦或側面泵浦。對非激光光源作泵浦源時， 由于目前光纖結構多數(shù)采用纖芯含有激光增益介質，而纖芯直徑很小，非波導 耦合的光源很難實現(xiàn)其振蕩。

發(fā)明內容
為解決上述問題，本發(fā)明提出一種光纖激光器結構，以滿足泵浦功率密度 較低的光泵浦源或連續(xù)光譜泵浦時，特別是以太陽光作泵浦源時能夠產生激光 輸出的新型光纖激光器。
本發(fā)明采用如下技術方案
本發(fā)明的光纖激光器，包括泵浦光源和光纖。所述的光纖是至少包含熒光材料層和激光增益介質層的包層光纖。
進一步的,.所述的泵浦光源側面泵浦所述的光纖?；蛘咚龅谋闷止庠炊?面泵浦所述的光纖，其光纖外層套上有高反射率外套。
進一步的，所述的泵浦光源可以是低功率密度的連續(xù)光鐠光源(主要是太
陽')或者常規(guī)的激光泵浦源。具體包括會聚的太陽光泵浦源、閃光燈泵浦源、 光導管泵浦源、連續(xù)燈泵浦源、半導體陣列激光器泵浦源、陣列發(fā)光二極管泵
第一種的，所述的包層光纖是環(huán)狀激光增益介質層的多包層光纖；其至少 包含由內至外順序排列的熒光材料的纖芯層、環(huán)狀的激光增益介質層、環(huán)狀的 外包層。
進一步的，所述的環(huán)狀激光增益介質層的多包層光纖還包括環(huán)狀的隔離內 包層，所述的隔離內包層處于激光增益介質層和外包層之間。
更進一步的，所述的環(huán)狀激光增益介質層的多包層光纖還包括環(huán)狀的緩沖 層，所述的緩沖層處于熒光材料的纖芯層和激光增益介質層之間。
更進一步的，所述的環(huán)狀激光增益介質層的多包層光纖還包括環(huán)狀的第二 熒光材料的層，所述的第二熒光材料的層緊靠于激光增益介質層外。
更進一步的，所述的環(huán)狀激光增益介質層的多包層光纖還包括環(huán)狀的第二 熒光材料的層，所述的第二熒光材料的層緊靠于激光增益介質層外。
更進一步的，所述的環(huán)狀激光增益介質層的多包層光纖還包括環(huán)狀的第二 隔離層，所述的第二隔離層處于熒光材料的纖芯層和環(huán)狀的激光增益介質層之 間。
另一種的，，所述的包層光纖是芯狀激光增益介質層的雙包層光纖；其至少包含由內至外順序排列的激光增益介質的纖芯層、環(huán)狀的熒光材料層和環(huán)狀的 外包層。
進一步的，所述的芯狀激光增益介質層的雙包層光纖還包括環(huán)狀的隔離層， 所述的隔離層處于激光增益介質的纖芯層和熒光材料層之間。
進一步的，把所述的第一種環(huán)狀激光增益介質層的多包層光纖組成光纖線圈。
進一步的，把所述的第二種所述的環(huán)狀激光增益介質層的多包層光纖組成 光纖線圈。
或者，多層所述的第 一種光纖線圏和多層所述的第二種光纖線圈組成混合 光纖線圈。
更進一步的，將所述的第一種光纖線圈或第二種光纖線圈或第一種光纖線 圏和第二種光纖線圈組成的混合光纖線圈置于有高反射率反射腔中。
.更進一步的，所述的反射腔內放置熒光材料，再度利用泵浦光。
進一步的，所述的激光增益介質摻入Nd3+、 Cr3+、 Er3+、 丫1)3+等離子。所述的 熒光材料摻入(y+、 Ti3+、 Yb3+、 E,等離子。
因此，本發(fā)明是一種新型的光纖激光器結構，能滿足泵浦功率密度較低的 光泵浦源或連續(xù)光譜泵浦時，特別是以太陽光作泵浦源時能夠產生激光輸出。 附圖i兌明
圖la是本發(fā)明的環(huán)狀激光增益介質層的多包層光纖的原理示意圖； 圖-lb是圖la的端面結構示意圖1 c是采用多層環(huán)狀激光增益介質層的多包層光纖光纖線圈的示意圖； 圖ld是本發(fā)明采用側面泵浦示意圖；圖le是本發(fā)明實施例一的示意圖If是圖le的端面結構示意圖lg是本發(fā)明實施例二的示意圖lh是圖lg的端面結構示意圖li是本發(fā)明實施例三的示意圖lj是圖li的端面結構示意圖lk是本發(fā)明實施例四的示意圖11是圖lk的端面結構示意圖lm是本發(fā)明的不同光纖端面示意圖ln是本發(fā)明多個圓形截面激光增益介質層示意圖lo是本發(fā)明另一種多個圓形截面激光增益介質層示意圖2a是本發(fā)明的芯狀激光增益介質層的雙包層光纖實施例一示意圖;
圖2b是圖2a的端面結構示意圖2c是本發(fā)明的芯狀激光增益介質層的雙包層光纖實施例二示意圖;
圖2d是圖2c的端面結構示意圖3是本發(fā)明的混合光纖線圈側面泵浦示意圖4a是本發(fā)明用會聚的太陽光泵浦的示意圖4b是圖4a的光纖線圈放置于高反射率反射腔中的示意圖4c是本發(fā)明用光導管泵浦的示意圖4d是本發(fā)明用閃光燈泵浦的示意圖4e是本發(fā)明用LED或LD陣列泵浦的示意圖4f是本發(fā)明采用端面泵浦示意圖。
具體實施方式
現(xiàn)結合


和具體實施方式
對本發(fā)明進一步說明。
光纖激光器。其核心思想是如何有效利用光纖激光器有效激光振蕩截面小，腔 內功率密度高，閾值低等特點，在低功率密度泵浦光泵浦的條件下實現(xiàn)激光振 蕩。
針對通常光纖激光器纖芯細，必須采用端面泵浦或側面有限點側泵的缺點， 本發(fā)明釆用兩種設計思路。
1. 釆用環(huán)狀薄層激光增益介質光纖，其特點是
a) 環(huán)狀可以使增益介質層接近光纖直徑，這樣側面泵浦可以向任意 方向任意點進行泵浦，并可基本保證泵浦截面接近于增益介質吸收截面。
b) 環(huán)狀結構可采用薄層結構這樣即使整個光纖直徑較大但有效激光 增益介質截面仍很小，從而保持了光纖激光有效截面小，腔內功率密度高 的特點。
2. 采用雙層激光器結構，在光纖中引入熒光材料，使側面自由方向泵浦 光被熒光材料吸收并發(fā)出為激光增益介質吸收的熒光，這些熒光至少有一半光 強可通過全內反射在光纖中來回反射而被激光增益介質吸收，這種結構可用于 環(huán)行薄層光纖，亦可應用于中心為單模光纖結構的光纖。
3. 采用環(huán)行薄層光纖與帶有熒光層的雙包層單模光纖混合構成光纖多層線 圈結構①環(huán)行薄層光纖直接吸收泵浦光中可被吸收波段，而熒光材料吸收不 能直接被激光增益介質吸收的波段，同時環(huán)行薄層光纖吸收光纖內發(fā)生全內反 射的熒光②雙包層帶熒光材料的單模光纖吸收泵浦光及產生的部分熒光從而產 生高光束質量的激光輸出。這種混合結構特別適應于寬帶連續(xù)泵浦源泵浦光的 利用。
4. 當熒光材料對激光波長有吸收時，可在熒光材料與激光增益介質層之間 增加一層隔離層。
5. 必要時可采用將光纖線圈放置于漫反射腔中，通過外腔將有助于泵浦光 被光纖吸收。
.如圖la表示本發(fā)明的環(huán)狀激光增益介質層的多包層光纖，101表示環(huán)狀的 激光增益介質層，102為光纖外包層，103為光纖內芯是熒光材料的纖芯層，其中環(huán)狀的激光增益介質層101折射率高于外包層102和熒光材料的纖芯層103 的折射率以保證激光增益介質環(huán)形成波導腔。為更加清楚的表示，圖lb是其端
面結構示意圖。
圖lc表示環(huán)形激光增益介質光纖采用多層光纖線圈，可通過多層重疊環(huán)繞 增強對側面泵浦光的有效吸收，如圖ld所示中，本發(fā)明的光纖采用側面泵浦， Sl與S2為光纖激光器端面形成諧振腔。
圖le表示在激光增益介質環(huán)中增加可吸收泵浦光并產生可被激光增益介質 吸收的熒光材料的纖芯層1031,同時增加了隔離內包層1041，其中激光增益介 質層101折射率最高，內包層1041折射率高于外包層102，從熒光材料的纖芯 層1031產生熒光，其中滿足全內反射的部分熒光會在內包層1041中全內反射， 從而被激光增益介質101吸收。如激光增益介質層101為摻有Nd3+或Yb3+離子 激光增益層，1031可為摻有Cr3+或Ti3+離了熒光材料層，Nd: 3+吸收808nm附 近光譜，而C,可以吸收可見光大部分波段光，產生808nm附件的熒光。為更加 清楚的表示，圖lf是其端面結構示意圖。
圖lg的實施例二是在圖le的實施例一的熒光材料的纖芯層1031與激光增 益介質層101之間增加一個緩沖層105，以防止圖le的實施例一中焚光材料通 過接觸面吸收激光振蕩波長。如熒光材料的纖芯層1031摻有C +中少量的Cr4+ 可能會吸收1. 064 jam波長光，加入不吸收與1. 064 jum緩沖層可減少振蕩光損 失。為更加清楚的表示，圖lh是其端面結構示意圖。
圖li的實施例三是在環(huán)狀激光增益介質層101的外層再增加一層可產生熒 光的第二熒光材料的包層1032。為更加清楚的表示，圖lj是其端面結構示意圖。
圖lk的實施例四則是在環(huán)狀激光增益層101與內外熒光層(熒光材料的纖 芯層1031和第二熒光材料的包層1032 )中均增加隔離層，是隔離內包層1041 和第二隔離層1042。為更加清楚的表示，圖ll是其端面結構示意圖。
圖lm表示環(huán)狀增益介質層可以是各種形狀，如多角形，D形，星狀，n形 等所需形狀。
圖ln表示通過多個圓形截面激光增益介質層以增加對泵浦光吸收。圖lo 則是另一種通過多個圓形截面激光增益介質層以增加對泵浦光吸收的示意圖。 如圖2a和圖2b表示的結構類似普通雙包層光纖，只是雙包層用產生熒光的熒光材料構成，其熒光可為激光增益介質吸收。圖2a中，，201為激光增益介質的纖芯層，它可以單模也可以是多模纖芯， 202為熒光材料層，203為外包層。圖2b同圖1系列一樣，在激光增益介質與熒光層中間增加一個隔離層204 防止熒光層對激光增益層振蕩波長的吸收。'圖2a、圖2b的芯狀激光增益介質層的雙包層光纖的優(yōu)勢是可產生工業(yè)所需 的圓形單模激光輸出。圖3表示本發(fā)明的圖1的環(huán)狀激光增益介質層的多包層光纖與圖2的芯狀 激光增益介質層的雙包層光纖混合使用形成一定面積吸收體的光纖線圈。圖2譜，而圖1的環(huán)狀激光增益介質層的多包層光纖系列吸收^f艮少為圖2的芯狀激 光增益介質層的雙包層光纖光纖系列增益介質直接吸收的光鐠部分，同時內部圖4系列表示本發(fā)明所述光纖激光器的泵浦方式。圖4a表示采用光學會聚系統(tǒng)將泵浦光直接泵浦在本發(fā)明所述光纖激光器線 圈上。圖4b表示將本發(fā)明光纖激光器線圈放置在一個高反射率漫反射體腔中，而 泵浦光通過會聚系統(tǒng)進入漫反射腔中，由于反射體的高反射率，泵浦光會被多 次反射，直至大部分被激光增益介質吸收。圖4c中采用光導管將泵浦光引入含有光纖細圈的光纖激光器漫反射腔中。圖4d表示將本發(fā)明光纖激光器置于漫反射腔中，將產生泵浦光源如閃光燈 或其他燈類光源，同時置于反射腔中。 圖4e與圖4d結構類似，只是光源換為LED或LD陣列。圖4f中表示采用一束本發(fā)明所述兩種光纖通過常規(guī)端面泵浦方法泵浦，其 光纖束可套在有高反射率外套之中。本發(fā)明所發(fā)明兩種特種光纖，主要針對非激光泵浦源，即泵浦光源沒有很 強方向性的側面泵浦；特別是像太陽光這種連續(xù)光語同時單位面積泵浦功率不 高的光源；通過采用圖1系列的大接受面積環(huán)形激光增益介質圈和圖2系列含有熒光材料特種光纖及兩種光纖混合成線圈方式來提高泵浦效率。本發(fā)明的激光增益介質可采用摻有NcT、 Cr3+、 Er3+、 ￥1)3+等離子的激光材料, 熒光材料可采用Cr3+、 Ti3+、 Yb3+、 E +等在紅外波段發(fā)熒光的離子摻雜。由于本發(fā)明利用常見光纖激光器的所有閾值低，腔內功率密度高特有優(yōu)點， 同時發(fā)明了環(huán)形激光增益圈，熒光材料構成內包層光纖，將光纖組成光纖線圏 等技術，這必將對特殊泵浦光源尤其是太陽光泵浦的激光器提高轉化效率產生 重^變革，從而有可能獲得較為廣泛的應用。盡管結合優(yōu)選實施方案具體展示和介紹了本發(fā)明，但所屬領域的技術人員 應該明白，在不脫離所附權利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內，在形式 上和細節(jié)上可以對本發(fā)明做出各種變化，均為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.光纖激光器，包括泵浦光源和光纖，其特征在于所述的光纖是至少包含熒光材料層和激光增益介質層的包層光纖。
2. 如權利要求1所述的光纖激光器，其特征在于所述的泵浦光源側面泵浦所 述的光纖。
3. 如權利要求1所述的光纖激光器，其特征在于所述的泵浦光源端面泵浦所 述的光纖。
4. 如權利要求l、 2或3任一所述的光纖激光器，其特征在于所述的泵浦光源 可以是會聚的太陽光泵浦源、閃光燈泵浦源、光導管泵浦源、連續(xù)燈泵浦源、 半導體陣列激光器泵浦源、陣列發(fā)光二極管泵浦源。
5. 如權利要求1所述的光纖激光器，其特征在于所述的包層光纖是環(huán)狀激光 增益介質層的多包層光纖；其至少包含由內至外順序排列的熒光材料的纖芯 層(1031)、環(huán)狀的激光增益介質層(101)、環(huán)狀的外包層(102)。
6. 如權利要求5所述的光纖激光器，其特征在于所述的環(huán)狀激光增益介質層 的多包層光纖還包括環(huán)狀的隔離內包層(1041)，所述的隔離內包層(1041) 處于激光增益介質層(101)和外包層(102)之間。
7. 如權利要求6所述的光纖激光器，其特征在于所述的環(huán)狀激光增益介質層 的多包層光纖還包括環(huán)狀的緩沖層(105 ),所述的緩沖層(105 )處于萸光材 料的纖芯層(1031)和激光增益介質層(101)之間。
8. 如權利要求5或6所述的光纖激光器，其特征在于所述的環(huán)狀激光增益介 .質層的多包層光纖還包括環(huán)狀的第二熒光材料的層(1032 )，所述的第二熒光 材料的層(1032 )緊靠于激光增益介質層(101)夕卜。
9. 如權利要求7任一所述的光纖激光器，其特征在于所述的環(huán)狀激光增益介質層的多包層光纖還包括環(huán)狀的第二熒光材料的層(1032 )，所述的第二熒光 -材料的層(1032 )緊靠于激光增益介質層(101)夕卜。
10. 如權利要求9所述的光纖激光器，其特征在于所述的環(huán)狀激光增益介 質層的多包層光纖還包括環(huán)狀的第二隔離層(1042 ),所述的第二隔離層(1042 )處于熒光材料的纖芯層(1031)和環(huán)狀的激光增益介質層(101)之間。
11. 如權利要求1所述的光纖激光器，其特4正在于所述的包層光纖是芯狀 激光增益介質層的雙包層光纖；其至少包含由內至外順序排列的激光增益介 '質的纖芯層(201)、環(huán)狀的熒光材料層(202 )和環(huán)狀的外包層(203 )。
12. 如權利要求ll所述的光纖激光器，其特征在于所述的芯狀激光增益介 質層的雙包層光纖還包括環(huán)狀的隔離層(204 )，所述的隔離層(204 )處于激 光增益介質的纖芯層(201)和熒光材料層(202 )之間。
13. 如權利要求5所述的光纖激光器，其特征在于所述的環(huán)狀激光增益介 質層的多包層光纖組成光纖線圈。
14. 如權利要求11所述的光纖激光器，其特征在于所述的環(huán)狀激光增益介 質層的多包層光纖組成光纖線圈。
15. 如權利要求13或14所述的光纖激光器，其特征在于復數(shù)層權利要求 13所述的光纖線圏和復數(shù)層權利要求14所述的光纖線圈組成混合光纖線圈。
16. 如權利要求13或14所述的光纖激光器，其特征在于所述的光纖線圈 置于有高反射率反射腔中。
17. 如權利要求15所述的光纖激光器，其特征在于所述的光纖線圏置于有 -高反射率反射腔中。
18. 如權利要求16所述的光纖激光器，其特征在于所述的反射腔內放置熒光材料。
19. 如權利要求l7所述的光纖激光器，其特征在于所述的反射腔內放置熒光材料。
20. 如權利要求1所述的光纖激光器，其特征在于所述的激光增益介質摻 入而3+、 Cr3+、 Er3+、 Yb3+等離子。
21. 如權利要求1或18或19所述的光纖激光器，其特征在于所述的熒光 材料摻入Cr3+、 Ti3+、 Yb3+、 Er3+等離子。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光領域，尤其涉及光纖激光器。本發(fā)明發(fā)明環(huán)狀激光增益層的多包層光纖，以增大從光纖側面泵浦光吸收面積，環(huán)狀增益介質的薄環(huán)內外可以是普通光學材料，亦可以是可產生熒光并為增益介質所吸收的熒光材料，同時本發(fā)明發(fā)明中心為激光增益介質，雙包層中熒光材料光纖，本發(fā)明所發(fā)明的光纖可用半導體激光器陣列作為泵浦源，亦可應用于泵浦功率密度較低的光泵浦源或連續(xù)光譜泵浦的光纖激光器，特別是以太陽光作泵浦源的激光器。本發(fā)明的兩種光纖可單獨使用，亦可以混合使用。因此，本發(fā)明是一種新型的光纖激光器結構，能滿足泵浦功率密度較低的光泵浦源或連續(xù)光譜泵浦時，特別是以太陽光作泵浦源時能夠產生激光輸出。
文檔編號H01S3/06GK101404377SQ20081007207
公開日2009年4月8日 申請日期2008年10月31日 優(yōu)先權日2008年10月31日
發(fā)明者凌吉武, 盧秀愛, 礪 吳, 陳燕平 申請人:福州高意通訊有限公司