專利名稱：一種中紅外光纖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種中紅外光纖激光器。
背景技術(shù)：
中紅外激光在國防(干擾/致盲紅外制導(dǎo)及熱像儀)、生化(氣體分子探測)、醫(yī)療 (骨/牙科應(yīng)用、手術(shù)、病理檢驗)以及半導(dǎo)體技術(shù)(等離子刻蝕的監(jiān)控)等方面都有著重要的應(yīng)用，但是由于在中紅外波段缺乏高效增益介質(zhì)，產(chǎn)生激光的主要手段為參量振蕩和倍頻。而現(xiàn)有的幾種激光器都存在不同的問題銦砷銻及鉛鹽類半導(dǎo)體激光器效率極低，僅能產(chǎn)生微瓦級輸出；固體激光器參量振蕩方案由于散熱問題難以實現(xiàn)高平均輸出功率；二氧化碳激光器倍頻效率較高，但不適合野外或機載使用；現(xiàn)有光纖激光器參量振蕩方案需要復(fù)雜、昂貴的窄譜寬、線偏振主激光器振蕩功率放大(MOPA)光纖激光器，腔外參量振蕩效率低?？傮w上講，現(xiàn)有中紅外激光器都不能獲得高功率穩(wěn)定的中紅外激光。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種中紅外光纖激光器，提高了中紅外激光的輸出功率。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
一種中紅外光纖激光器，包括前置的泵浦系統(tǒng)、諧振腔以及輸出系統(tǒng)，所述諧振腔由增益系統(tǒng)和光參振蕩系統(tǒng)組成，所述增益系統(tǒng)包括相互連接的光纖光柵、增益光纖以及無源光纖，光纖光柵通過光纖與泵浦系統(tǒng)連接，所述光參振蕩系統(tǒng)包括依次排列的聚焦透鏡組、 布魯斯特偏振片、非線性光學(xué)晶體以及設(shè)置于非線性光學(xué)晶體前的短波通濾波片、設(shè)置于非線性光學(xué)晶體后的長波通濾波片，從無源光纖輸出的光束通過聚焦透鏡組進入到光參振蕩系統(tǒng)，經(jīng)長波通濾波片進入輸出系統(tǒng)，經(jīng)整形后輸出。諧振腔由增益系統(tǒng)和光參振蕩系統(tǒng)組成，其中，增益系統(tǒng)前端的光纖光柵和光參振蕩系統(tǒng)后端的長波通濾波片組成諧振腔腔鏡。泵浦系統(tǒng)發(fā)射出980nm的泵浦光通過光纖光柵進入增益系統(tǒng)，激發(fā)振蕩后產(chǎn)生1064nm的近紅外激光經(jīng)過無源光纖輸出到光參量振蕩系統(tǒng)，經(jīng)過聚焦透鏡組的聚焦和布魯斯特偏振片的起偏后進入非線性光學(xué)晶體，產(chǎn)生中紅外激光(如4Mm)。中紅外激光經(jīng)長波通濾波片進入輸出系統(tǒng)，經(jīng)整形后輸出；未被充分利用的1064nm激光被長波通濾波片反射回諧振腔，并經(jīng)過晶體和聚焦透鏡組的耦合進入無源光纖，再次進入增益系統(tǒng)，短波通濾波片則將逆向反射途中產(chǎn)生的中紅外激光反射輸出。本方案中，所述泵浦系統(tǒng)包括半導(dǎo)體激光器和為半導(dǎo)體激光器供電的電源，泵浦系統(tǒng)通過半導(dǎo)體激光器的尾纖與光纖光柵之間的熔接與增益系統(tǒng)連接。優(yōu)選地，所述光纖光柵、增益光纖以及無源光纖相互熔接，保證實現(xiàn)各光纖之間的模場匹配，從而減少熔接損耗。優(yōu)選地，所述光纖光柵為布拉格光纖光柵。光纖光柵具有體積小、波長選擇性好、 不受非線性效應(yīng)影響、極化不敏感、易于與光纖系統(tǒng)連接、便于使用和維護，且?guī)挿秶蟆?附加損耗小、器件微型化、耦合性好、可與其他光纖器件融成一體等特性，而且光纖光柵制作工藝比較成熟，易于形成規(guī)模生產(chǎn)，成本低，因此它具有良好的實用性。布拉格光纖光柵對半導(dǎo)體激光器發(fā)出的泵浦光高通，對于諧振腔內(nèi)產(chǎn)生的1064nm激光高反；而長波通濾波片則對中紅外激光高通，對1064nm激光高反。優(yōu)選地，所述增益光纖為摻鐿雙包層光纖，該包層形狀為D形、矩形和多邊形中的一種。雙包層結(jié)構(gòu)可以保證光束質(zhì)量的提前下增加泵浦效率。摻鐿雙包層光纖技術(shù)發(fā)展迅速，是迄今制作大功率光纖激光器的主流材料，與傳統(tǒng)單包層光纖相比有以下優(yōu)點大大提高了泵浦光的耦合效率；大大提高了可入纖泵浦功率，從而可得到大的輸出功率；對泵浦光的單模特性不再有要求，擴大了泵浦光源的選擇范圍。參考實際的設(shè)計效果發(fā)現(xiàn)，內(nèi)包層的形狀是影響泵浦效率的一個重要參數(shù)，不同的內(nèi)包層形狀使得泵浦光穿越纖芯的次數(shù)不同，從而導(dǎo)致泵浦效率的較大差異。優(yōu)選地，所述增益光纖材料的吸收波長與半導(dǎo)體激光器輸出的泵浦光束波長一致。其中，所述半導(dǎo)體激光器輸出的泵浦光束波長為980nm。優(yōu)選地，所述無源光纖為單模光纖。單模光纖中心玻璃芯很細(芯徑一般為9或 10微米左右)，只能傳一種模式的光，其模間色散小，有利于光束進入光參振蕩系統(tǒng)時減少色散。優(yōu)選地，所述布魯斯特偏振片的起偏方向與非線性光學(xué)晶體的厚度方向一致，保證利用晶體的最大非線性系數(shù)，提高晶體倍頻效率。優(yōu)選地，所述非線性光學(xué)晶體為準相位匹配的周期性極化鈮酸鋰晶體，即PPLN晶體，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率的最大化。其中，晶體的極化周期必須與基頻光的波長相匹配。準相位匹配是非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換的一種重要技術(shù)。非線性頻率轉(zhuǎn)化中要求動量守恒，在普通非線性晶體中由于色散的存在較難實現(xiàn)，特別是同時多個非線性相互作用的，而非線性周期性結(jié)構(gòu)提供的倒格矢則能較容易地實現(xiàn)相位匹配。通過在非線性介質(zhì)中構(gòu)造周期性的結(jié)構(gòu)(非線性光子晶體)，它能有效的實現(xiàn)非線性頻率轉(zhuǎn)化。相對通常的臨界相位匹配(溫度匹配、角度匹配)，這種方法稱為準相位匹配，它能更容易利用較大的非線性系數(shù)。作為改進，所述光參振蕩系統(tǒng)還包括對非線性光學(xué)晶體進行溫控的晶體溫控爐。 晶體溫控爐對非線性光學(xué)晶體進行溫度控制，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率的最大化。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明中紅外光纖激光器在諧振腔內(nèi)設(shè)置增益系統(tǒng)和光參振蕩系統(tǒng)，通過引入光參振蕩系統(tǒng)而構(gòu)成腔內(nèi)光學(xué)參量振蕩器(0P0)，大大提高轉(zhuǎn)換效率，從而提高中紅外激光的輸出功率，且該中紅外光纖激光器堅固耐用。


圖1為本發(fā)明中紅外光纖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的說明。如圖1所示為本發(fā)明中紅外光纖激光器的實施例，包括前置的泵浦系統(tǒng)10、諧振腔20以及輸出系統(tǒng)30。諧振腔20由增益系統(tǒng)21和光參振蕩系統(tǒng)22組成。增益系統(tǒng)21包括相互連接的光纖光柵211、增益光纖 212以及無源光纖213，光纖光柵211通過光纖與泵浦系統(tǒng)10連接。光參振蕩系統(tǒng)22包括依次排列的聚焦透鏡組221、布魯斯特偏振片222、非線性光學(xué)晶體224以及設(shè)置于非線性光學(xué)晶體2M前的短波通濾波片223、設(shè)置于非線性光學(xué)晶體2M后的長波通濾波片225。 從無源光纖213輸出的光束通過聚焦透鏡組221進入到光參振蕩系統(tǒng)22，經(jīng)長波通濾波片 225進入輸出系統(tǒng)30，經(jīng)整形后輸出。其中，泵浦系統(tǒng)10包括半導(dǎo)體激光器11和為半導(dǎo)體激光器11供電的電源12。泵浦系統(tǒng)10通過半導(dǎo)體激光器11的尾纖與光纖光柵211之間的熔接與增益系統(tǒng)21連接。諧振腔20由增益系統(tǒng)21和光參振蕩系統(tǒng)22組成。其中，增益系統(tǒng)21前端的光纖光柵211和光參振蕩系統(tǒng)22后端的長波通濾波片225組成諧振腔20腔鏡。泵浦系統(tǒng)10 發(fā)射出980nm的泵浦光通過光纖光柵211進入增益系統(tǒng)21，激發(fā)振蕩后產(chǎn)生1064nm的近紅外激光經(jīng)過無源光纖213輸出到光參振蕩系統(tǒng)22，經(jīng)過聚焦透鏡組221的聚焦和布魯斯特偏振片222的起偏后進入非線性光學(xué)晶體224，產(chǎn)生中紅外激光(如4Mm)。中紅外激光經(jīng)長波通濾波片225進入輸出系統(tǒng)30，經(jīng)整形后輸出；未被充分利用的1064nm激光被長波通濾波片225反射回諧振腔20，并經(jīng)過晶體和聚焦透鏡組221的耦合進入無源光纖213，再次進入增益系統(tǒng)21，短波通濾波片223則將逆向產(chǎn)生的中紅外激光反射輸出。本實施例中紅外光纖激光器在諧振腔20內(nèi)設(shè)置增益系統(tǒng)21和光參振蕩系統(tǒng)22， 通過引入光參振蕩系統(tǒng)22而構(gòu)成腔內(nèi)光學(xué)參量振蕩器(0P0)，大大提高轉(zhuǎn)換效率，從而提高中紅外激光的輸出功率，且該中紅外光纖激光器堅固耐用。為了保證實現(xiàn)各光纖之間的模場匹配，以減少熔接損耗，采用優(yōu)選方式，光纖光柵 211、增益光纖212以及無源光纖213相互熔接。光纖光柵211為布拉格光纖光柵。光纖光柵具有體積小、波長選擇性好、不受非線性效應(yīng)影響、極化不敏感、易于與光纖系統(tǒng)連接、便于使用和維護，且?guī)挿秶?、附加損耗小、器件微型化、耦合性好、可與其他光纖器件融成一體等特性，而且光纖光柵制作工藝比較成熟，易于形成規(guī)模生產(chǎn)，成本低，因此它具有良好的實用性。布拉格光纖光柵對半導(dǎo)體激光器11發(fā)出的泵浦光高通，對于諧振腔20內(nèi)產(chǎn)生的1064nm激光高反；而長波通濾波片225則對中紅外激光高通，對1064nm激光高反。增益光纖212為摻鐿雙包層光纖，該包層形狀為D形、矩形和多邊形中的一種。雙包層結(jié)構(gòu)可以保證光束質(zhì)量的提前下增加泵浦效率。摻鐿雙包層光纖技術(shù)發(fā)展迅速，是迄今制作大功率光纖激光器的主流材料，與傳統(tǒng)單包層光纖相比有以下優(yōu)點大大提高了泵浦光的耦合效率；大大提高了可入纖泵浦功率，從而可得到大的輸出功率；對泵浦光的單模特性不再有要求，擴大了泵浦光源的選擇范圍。參考實際的設(shè)計效果發(fā)現(xiàn)，內(nèi)包層的形狀是影響泵浦效率的一個重要參數(shù)，不同的內(nèi)包層形狀使得泵浦光穿越纖芯的次數(shù)不同，從而導(dǎo)致泵浦效率的較大差異。其中，增益光纖212材料的吸收波長與半導(dǎo)體激光器11輸出的泵浦光束波長一致，其中，半導(dǎo)體激光器11輸出的泵浦光束波長為980nm ；無源光纖213為單模光纖，便于光束進入光參振蕩系統(tǒng)22時減少色散；布魯斯特偏振片222的起偏方向與非線性光學(xué)晶體 224的厚度方向一致，保證利用晶體的最大非線性系數(shù)，提高晶體倍頻效率。非線性光學(xué)晶體224為準相位匹配的周期性極化鈮酸鋰晶體，即PPLN晶體，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率的最大化。其中，晶體的極化周期必須與基頻光的波長相匹配。準相位匹配是非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換的一種重要技術(shù)。非線性頻率轉(zhuǎn)化中要求動量守恒，在普通非線性晶體中由于色散的存在較難實現(xiàn)，特別是同時多個非線性相互作用的，而非線性周期性結(jié)構(gòu)提供的倒格矢則能較容易地實現(xiàn)相位匹配。通過在非線性介質(zhì)中構(gòu)造周期性的結(jié)構(gòu)(非線性光子晶體)，它能有效的實現(xiàn)非線性頻率轉(zhuǎn)化。相對通常的臨界相位匹配(溫度匹配、角度匹配)，這種方法稱為準相位匹配，它能更容易利用較大的非線性系數(shù)。作為本實施例的進一步改進，光參振蕩系統(tǒng)22還包括對非線性光學(xué)晶體2M進行溫控的晶體溫控爐226。晶體溫控爐2 對非線性光學(xué)晶體2M進行溫度控制，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率的最大化。采用以上的結(jié)構(gòu)設(shè)計出來的中紅外腔內(nèi)OPO光纖激光器具有高功率輸出和較高光束質(zhì)量的特點，并且堅固耐用，易實現(xiàn)野外和機載的應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種中紅外光纖激光器，包括前置的泵浦系統(tǒng)(10)、諧振腔(20)以及輸出系統(tǒng) (30)，其特征在于所述諧振腔由增益系統(tǒng)(21)和光參振蕩系統(tǒng)(22)組成，所述增益系統(tǒng)包括相互連接的光纖光柵(211)、增益光纖(212)以及無源光纖(213)，光纖光柵通過光纖與泵浦系統(tǒng)連接，所述光參振蕩系統(tǒng)包括依次排列的聚焦透鏡組(221)、布魯斯特偏振片 (222)、非線性光學(xué)晶體(224)以及設(shè)置于非線性光學(xué)晶體前的短波通濾波片(223)、設(shè)置于非線性光學(xué)晶體后的長波通濾波片(225)，從無源光纖輸出的光束通過聚焦透鏡組進入到光參振蕩系統(tǒng)，經(jīng)長波通濾波片進入輸出系統(tǒng)，經(jīng)整形后輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中紅外光纖激光器，其特征在于所述泵浦系統(tǒng)包括半導(dǎo)體激光器(11)和為半導(dǎo)體激光器供電的電源(12)，泵浦系統(tǒng)通過半導(dǎo)體激光器的尾纖與光纖光柵之間的熔接與增益系統(tǒng)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中紅外光纖激光器，其特征在于所述光纖光柵、增益光纖以及無源光纖相互熔接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的中紅外光纖激光器，其特征在于所述光纖光柵為布拉格光纖光柵。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的中紅外光纖激光器，其特征在于所述增益光纖為摻鐿雙包層光纖，該包層形狀為D形、矩形和多邊形中的一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的中紅外光纖激光器，其特征在于所述增益光纖材料的吸收波長與半導(dǎo)體激光器輸出的泵浦光束波長一致。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的中紅外光纖激光器，其特征在于所述半導(dǎo)體激光器輸出的泵浦光束波長為980nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的中紅外光纖激光器，其特征在于所述無源光纖為單模光纖。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中紅外光纖激光器，其特征在于所述布魯斯特偏振片的起偏方向與非線性光學(xué)晶體的厚度方向一致。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中紅外光纖激光器，其特征在于所述非線性光學(xué)晶體為準相位匹配的周期性極化鈮酸鋰晶體。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10任一所述的中紅外光纖激光器，其特征在于所述光參振蕩系統(tǒng)還包括對非線性光學(xué)晶體進行溫控的晶體溫控爐(226)。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種中紅外光纖激光器。包括前置的泵浦系統(tǒng)、諧振腔以及輸出系統(tǒng)。所述諧振腔由增益系統(tǒng)和光參振蕩系統(tǒng)組成。所述增益系統(tǒng)包括相互連接的光纖光柵、增益光纖以及無源光纖，光纖光柵通過光纖與泵浦系統(tǒng)連接。所述光參振蕩系統(tǒng)包括依次排列的聚焦透鏡組、布魯斯特偏振片、非線性光學(xué)晶體以及設(shè)置于非線性光學(xué)晶體前的短波通濾波片、設(shè)置于非線性光學(xué)晶體后的長波通濾波片，從無源光纖輸出的光束通過聚焦透鏡組進入到光參振蕩系統(tǒng)，經(jīng)長波通濾波片進入輸出系統(tǒng)，經(jīng)整形后輸出。本發(fā)明提供了一種中紅外光纖激光器，提高了中紅外激光的輸出功率，且該中紅外光纖激光器堅固耐用。
文檔編號H01S3/067GK102332676SQ201110302540
公開日2012年1月25日 申請日期2011年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月9日
發(fā)明者蘇秉華, 蔡波, 薛竣文 申請人:深圳市達為光電科技有限公司