專利名稱：摻釹光纖激光器泵浦的高功率摻鐿光纖激光器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖激光器技術(shù)領(lǐng)域，涉及高功率摻鐿光纖激光器，特指ー種利用摻釹光纖激光器泵浦摻鐿光纖產(chǎn)生高功率激光的方法。
背景技術(shù)：
光纖激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、熱管理方便、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，能夠獲得高功率和高光束質(zhì)量的激光輸出。早期的光纖激光主要應(yīng)用于通信和傳感領(lǐng)域，并沒有展現(xiàn)出高功率輸出的能力。近年來，隨著大模場雙包層摻雜光纖制造エ藝與和高亮度激光ニ極管泵浦技術(shù)的發(fā)展，單根光纖激光器的輸出功率以驚人的速度迅速提高。由于半導體泵浦源技術(shù)成熟、量子虧損小等優(yōu)勢，高功率摻鐿光纖激光器成為光纖激光器領(lǐng)域重點研 究內(nèi)容。1999年，摻鐿光纖激光器的單模輸出功率達到110瓦，徹底改變了光纖激光器只是小功率器件的歷史。近10年來，單根摻鐿光纖激光器的單模輸出功率幾乎每隔兩年就翻一番，不斷地給人們帶來驚喜。光纖激光器具有的獨特優(yōu)勢使其在遠程焊接、三維切割、激光打標等エ業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在國防領(lǐng)域，光纖激光器的獨特優(yōu)勢也使其成為戰(zhàn)術(shù)高能激光系統(tǒng)的重要光源。在光纖激光器的設(shè)計研究過程中，通過選擇發(fā)射波長和光纖吸收特性相匹配的半導體激光器為泵浦源，可以實現(xiàn)比較高的激光轉(zhuǎn)換效率。對于摻鐿雙包層光纖，一般選擇輸出中心波長為915nm或975nm的高功率半導體激光器作為泵浦源，目前千瓦級高功率光纖激光器大都基于此實現(xiàn)。然而進ー步深入研究不難發(fā)現(xiàn)，自從2004年南安普頓大學首次報道了 1.36千瓦高功率光纖激光輸出的結(jié)果后，近7年來，大多數(shù)研究単位的摻鐿光纖激光器的輸出功率并沒有得到顯著提升(國內(nèi)情況亦是如此)，目前國際上采用半導體激光器泵浦摻鐿雙包層光纖獲得的最大輸出功率為2. I千瓦(國內(nèi)目前最大功率I. 75千瓦)，國際上唯獨有美國IPG光子技術(shù)公司實現(xiàn)了 3千瓦及更高功率光纖激光輸出。由于半導體激光器亮度有限，其他單位采用973至976nm半導體激光器泵浦的常規(guī)光纖激光器功率一直限制在千瓦水平；IPG光子技術(shù)公司能夠研發(fā)最高功率光纖激光器的關(guān)鍵在于使用了光纖激光泵浦光纖激光(通常稱之為二次泵浦)的方式，其泵浦光波長與發(fā)射波長更加接近。以該公司的單模萬瓦級光纖激光器為例，其泵浦光波長為1018 nm,發(fā)射波長為1070nm (注摻鐿光纖的發(fā)射譜較寬，一般從1030 nm到1120 nm，出射激光中心波長與選頻器件的性能有關(guān)，此處僅以1070 nm為例)，量子損耗僅為5%，約為半導體激光器直接泵浦時的1/2，極大降低了光纖內(nèi)的熱載荷密度。1018 nm泵浦光由半導體激光器泵浦摻鐿光纖產(chǎn)生，其亮度為常規(guī)半導體激光器亮度的1000倍以上。二次泵浦在熱效應(yīng)和泵浦光亮度的優(yōu)勢促使了 IPG光子技術(shù)公司光纖激光器的飛速發(fā)展。值得指出的是，IPG光子技術(shù)公司的二次泵浦技術(shù)采用半導體激光器泵浦產(chǎn)生1018nm光纖激光器,然后用1018nm泵浦產(chǎn)生1070nm光纖激光器。然而常規(guī)摻鐿光纖的發(fā)射譜峰值通常在1030nm附近，吸收譜峰值通常在915nm或975nm附近。1018nm波長的發(fā)射截面遠小于1030nm左右的發(fā)射截面,而吸收截面又遠小于915nm或975nm附近的吸收截面，因此對構(gòu)建激光器的摻鐿光纖有較高的要求，需要對摻鐿光纖進行特殊設(shè)計和拉制，對系統(tǒng)成本提出了較高要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決當前二次泵浦技術(shù)對摻鐿光纖的嚴格要求這ー不足之處，本發(fā)明提出一種新型二次泵浦技木。其解決方案是采用摻釹光纖激光器來泵浦摻鐿光纖激光器。如圖I所示，摻鐿光纖在915 nm和975 nm附近有兩個較強的吸收峰，因此目前大都采用中心波長在915 nm或者975 nm的半導體激光器來泵浦摻鐿光纖。與1018 nm相比,摻鐿光 纖在920-960 nm附近的吸收系數(shù)要大的多，因此如果采用此波段的激光來泵浦摻鐿光纖，對摻鐿光纖的要求要比采用1018 nm激光泵浦的情形要低的多。如圖2所示，摻釹光纖在920-960 nm附近有較強的發(fā)射截面。本發(fā)明的技術(shù)方案為采用中心波長在808 nm左右(正負10 nm)的半導體激光器泵浦摻釹光纖(如圖4所示)，輸出中心波長在920-960 nm之間的光纖激光，所利用的是中心波長為808 nm左右的半導體激光器泵浦摻釹光纖產(chǎn)生中心波長為920-960 nm之間的摻釹光纖激光器；再用上述摻釹光纖激光器產(chǎn)生的光纖激光泵浦摻鐿光纖產(chǎn)生中心波長為1070 nm左右的光纖激光(摻鐿光纖出射激光中心波長與選頻器件的性能有夫，此處僅以1070 nm為例，1070nm左右，一般指1030 nm到1120 nm)，所利用的是利用中心波長為920-960 nm之間的摻釹光纖激光器產(chǎn)生的光纖激光泵浦摻鐿光纖產(chǎn)生中心波長為1070 nm左右的光纖激光器。本發(fā)明不僅大大提高了泵浦源的亮度，成量級地提升了光纖激光器的最高輸出功率；并且對摻雜光纖沒有特殊要求，簡化了系統(tǒng)設(shè)計，降低了系統(tǒng)成本。


圖I為摻鐿光纖的吸收截面和發(fā)射截面曲線；
圖2為摻釹光纖的發(fā)射截面曲線；
圖3為摻釹光纖的吸收截面曲線；
圖4為利用中心波長為920-960 nm之間的摻釹光纖激光泵浦摻鐿光纖產(chǎn)生中心波長為1070 nm左右的摻釹光纖激光器結(jié)構(gòu)原理 圖5為利用中心波長為920-960 nm之間的摻釹光纖激光器產(chǎn)生的光纖激光泵浦摻鐿光纖產(chǎn)生中心波長為1070 nm左右的激光放大器結(jié)構(gòu)原理 圖6為利用中心波長為808 nm左右(正負10 nm)的半導體激光器泵浦摻釹光纖產(chǎn)生中心波長為920-960 nm之間的摻釹光纖激光器結(jié)構(gòu)原理 圖7為利用半導體激光器泵浦摻鐿光纖產(chǎn)生中心波長為1070 nm左右的激光器結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實施例方式下面結(jié)合圖示對本發(fā)明進行進ー步說明。圖4所示為中心波長為808 nm左右的半導體激光器泵浦摻釹光纖產(chǎn)生中心波長為920-960 nm之間的摻釹光纖激光器I結(jié)構(gòu)原理圖。其中I為一臺中心波長為920-960 nm之間的摻釹光纖激光器，摻釹光纖激光器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為，設(shè)有N臺(N為大于I的整數(shù))中心波長為808 nm左右的半導體激光器，在半導體激光器后面為I臺中心波長在808 nm的NX I泵浦合束器I，NX I泵浦合束器I之后為光纖光柵I 131,光纖光柵I之后為摻釹光纖14,摻釹光纖之后為光纖光柵II 132。其中，N臺半導體激光器與泵浦合束器I之間、泵浦合束器I與光纖光柵I之間、光纖光柵I與摻釹光纖之間、摻釹光纖與光纖光柵II之間均采用熔接的方式連接。泵浦合束器I將N臺中心波長為808 nm左右的半導體激光器輸出的激光合進ー根光纖。光纖光柵I和光纖光柵II的中心波長一致,可以為920-960 nm之間的任意ー個數(shù)值。其中光纖光柵I對激光高反，反射率大于95% ;光纖光柵II對激光低反，反射率在5%到50%之間。通過圖I所不的結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)生中心波長為920-960 nm之間的摻釹光纖激光。圖5所示為利用中心波長為920-960 nm之間的摻釹光纖激光器產(chǎn)生的光纖激光泵浦摻鐿光纖產(chǎn)生中心波長為1070 nm左右的光纖激光器2結(jié)構(gòu)原理圖。N臺圖4所示摻釹光纖激光器產(chǎn)生的中心波長為920-960 nm之間(此處以940 nm為例)左右的摻釹光纖激光，分別命名為11、12、…IN，在其后為中心波長在940 nm的NX I泵浦合束器II 22，將N臺中心波長為940 nm的摻釹光纖激光器輸出的光纖激光通過泵浦合束器II合進ー根光纖；泵浦合束器II之后為光纖光柵III 231,光纖光柵III之后為摻鐿光纖24,摻鐿光纖24后為光 纖光柵IV 232。其中，N個摻釹光纖激光器與泵浦合束器II之間，泵浦合束器II與光纖光柵III之間,光纖光柵III與摻鐿光纖之間,摻鐿光纖與光纖光柵IV之間均米用熔接的方式加以連接。光纖光柵III和光纖光柵III的中心波長一致，可以為1030 nm到1120 nm的任意ー個數(shù)值(此處以1070 nm為例)。其中光纖光柵III對激光高反，反射率大于95% ;光纖光柵IV對激光低反，反射率在5%到50%之間。通過圖5所示的結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)生中心波長為1070 nm的光纖激光。圖6所示為利用中心波長為920-960 nm之間的摻釹光纖激光器產(chǎn)生的光纖激光泵浦摻鐿光纖產(chǎn)生中心波長為1070 nm左右的激光放大器3結(jié)構(gòu)原理圖。在N臺圖4所示摻釹光纖激光器產(chǎn)生的中心波長為940 nm左右的光纖激光，分別命名為321、322、…32N，和圖7所示的I臺中心波長為1070 nm左右的激光器31輸出的激光之后為(N+1)X1泵浦合束器III 33,泵浦合束器III之后為摻鐿光纖24,摻鐿光纖之后為光纖帽35。其中,N臺摻釹光纖激光器I與泵浦合束器III33之間，激光器31與泵浦合束器III33之間，摻鐿光纖與光纖帽之間均采用熔接的方式加以連接。將圖4所示的N臺中心波長為940 nm左右的摻釹光纖激光器I和圖7所示的I臺中心波長為1070 nm左右的激光器31輸出的激光通過泵浦合束器III合進ー根光纖。中心波長為1070 nm的激光經(jīng)由光纖帽35輸出，并可以防止激光沿原路返回。通過圖6所示的結(jié)構(gòu)，可以將利用半導體激光器泵浦摻鐿光纖產(chǎn)生中心波長為1070 nm左右的激光器31輸出的中心波長為1070 nm左右的光纖激光進行功率放大。圖7為利用半導體激光器泵浦摻鐿光纖產(chǎn)生中心波長為1070 nm左右的激光器31結(jié)構(gòu)原理圖。共采用N臺半導體激光器，分別命名為311、312、…31N。311、312、…31N的中心波長一致，為915 nm左右-975 nm左右，在其后為中心波長與N臺半導體激光器一致的NX I泵浦合束器IV 36，泵浦合束器IV之后為光纖光柵V 371，光纖光柵V 371之后為摻鐿光纖24，摻鐿光纖24之后為光纖光柵VI 372，其中N臺半導體激光器與泵浦合束器IV 36之間,泵浦合束器IV 36與光纖光柵V之間,光纖光柵V與摻鐿光纖之間，摻鐿光纖與光纖光柵VI之間均采用熔接的方式加以連接。將311、312、"IlN的輸出激光通過泵浦合束器IV合進ー根光纖。光纖光柵V 371和光纖光柵VI 3 72的中心波長一致，可以為1030nm到1120 nm的任意ー個數(shù)值。其中光纖光柵V 371對激光高反，反射率大于95% ;光纖光柵VI 372對激光低反，反射率在5%到50%之間。通過圖7所示的結(jié)構(gòu)，可以產(chǎn)生中心波長為1070 nm左右的光纖激光。
權(quán)利要求
1.摻釹光纖激光器泵浦的高功率摻鐿光纖激光器的方法，其特征在于，采用中心波長在808 nm左右的半導體激光器泵浦摻釹光纖，輸出中心波長在920-960 nm之間的光纖激光，所利用的是中心波長為920-960 nm之間的摻釹光纖激光泵浦摻鐿光纖產(chǎn)生中心波長為1070 nm左右的摻釹光纖激光器；再用上述摻釹光纖激光器產(chǎn)生的光纖激光泵浦摻鐿光纖產(chǎn)生中心波長為1070 nm左右的光纖激光，所利用的是中心波長為920-960 nm之間的摻釹光纖激光器產(chǎn)生的光纖激光泵浦摻鐿光纖產(chǎn)生中心波長為1070 nm左右的光纖激光器，或者所里利用的是中心波長為920-960 nm之間的摻釹光纖激光器產(chǎn)生的光纖激光泵浦摻鐿光纖產(chǎn)生中心波長為1070 nm左右的激光放大器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的摻釹光纖激光器泵浦的高功率摻鐿光纖激光器的方法，其特征在于，中心波長在808 nm左右的半導體激光器中的中心波長808nm，正負10nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的摻釹光纖激光器泵浦的高功率摻鐿光纖激光器的方法，其特征在于，產(chǎn)生中心波長為1070 nm左右的光纖激光，1070nm左右，指1030 nm到1120 nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的摻釹光纖激光器泵浦的高功率摻鐿光纖激光器的方法，其特征在于，所述中心波長為920-960 nm之間的摻釹光纖激光泵浦摻鐿光纖產(chǎn)生中心波長為1070 nm左右的摻釹光纖激光器結(jié)構(gòu)為在N臺中心波長為808 nm左右的半導體激光器后面為I臺中心波長在808 nm的NX I泵浦合束器I，NX I泵浦合束器I連接光纖光柵I，光纖光柵I連接摻釹光纖，摻釹光纖連接光纖光柵II，N臺半導體激光器與泵浦合束器I之間、泵浦合束器I與光纖光柵I之間、光纖光柵I與摻釹光纖之間、摻釹光纖與光纖光柵II之間均采用熔接的方式連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的摻釹光纖激光器泵浦的高功率摻鐿光纖激光器的方法，其特征在于，所述中心波長為920-960 nm之間的摻釹光纖激光器產(chǎn)生的光纖激光泵浦摻鐿光纖產(chǎn)生中心波長為1070 nm左右的光纖激光器結(jié)構(gòu)為N臺摻釹光纖激光器產(chǎn)生的中心波長為920-960 nm之間左右的摻釹光纖激光其后為中心波長在940 nm的NX I泵浦合束器II，泵浦合束器II之后為光纖光柵III，光纖光柵III之后為摻鐿光纖，摻鐿光纖后為光纖光柵IV，其中，N個摻釹光纖激光器與泵浦合束器II之間，泵浦合束器II與光纖光柵III之間，光纖光柵III與摻鐿光纖之間,摻鐿光纖與光纖光柵IV之間均米用熔接的方式加以連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的摻釹光纖激光器泵浦的高功率摻鐿光纖激光器的方法，其特征在于，所述中心波長為920-960 nm之間的摻釹光纖激光器產(chǎn)生的光纖激光泵浦摻鐿光纖產(chǎn)生中心波長為1070 nm左右的激光放大器結(jié)構(gòu)為在N臺摻釹光纖激光器產(chǎn)生的中心波長為940 nm左右的光纖激光，和I臺中心波長為1070 nm左右的激光器(31)輸出的激光之后為(N+l) X I泵浦合束器III 33，泵浦合束器III之后為摻鐿光纖，摻鐿光纖之后為光纖帽，其中，N臺摻釹光纖激光器與泵浦合束器III之間，激光器(31)與泵浦合束器III之間，摻鐿光纖與光纖帽之間均采用熔接的方式加以連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的摻釹光纖激光器泵浦的高功率摻鐿光纖激光器的方法，其特征在于，所述中心波長為1070 nm左右的激光器(31)結(jié)構(gòu)為N臺中心波長為915 nm-975nm半導體激光器其后為中心波長與N臺半導體激光器一致的NX I泵浦合束器IV (36)，泵浦合束器IV之后為光纖光柵V，光纖光柵V之后為摻鐿光纖,摻鐿光纖之后為光纖光柵VI，其中N臺半導體激光器與泵浦合束器IV之間，泵浦合束器IV與光纖光柵V之間，光纖光柵V與摻鐿光纖之間，摻鐿光纖與光纖光柵VI之間均采用熔接的方式加以連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種摻釹光纖激光器泵浦高功率摻鐿光纖激光器的方法。該方法采用中心波長在808nm左右(正負10 nm)的半導體激光器泵浦摻釹光纖，輸出中心波長在920-960 nm之間的光纖激光，再用上述摻釹光纖激光器產(chǎn)生的光纖激光泵浦摻鐿光纖產(chǎn)生中心波長為1070nm左右的光纖激光。該方法不僅大大提高了泵浦源的亮度，成量級地提升了光纖激光器的最高輸出功率；并且對摻雜光纖沒有特殊要求，簡化了系統(tǒng)設(shè)計，降低了系統(tǒng)成本。
文檔編號H01S3/094GK102769243SQ20121026862
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月30日
發(fā)明者劉澤金, 司磊, 呂海斌, 周樸, 王小林, 粟榮濤, 肖虎, 許曉軍, 陳金寶, 馬閻星, 馬鵬飛 申請人:中國人民解放軍國防科學技術(shù)大學