本發(fā)明涉及光纖激光器，具體涉及一種0.9μm波段高功率單頻光纖激光器。
背景技術(shù)：
980nm激光在泵浦摻Y(jié)b或摻Er光纖激光中具有顯著的優(yōu)勢；此外，將其進行非線性頻率轉(zhuǎn)換可以獲得光數(shù)據(jù)存儲、海底成像、彩色顯示、水下通信等領(lǐng)域亟需的藍光激光。因此，0.9μm波段激光有著十分重要的應(yīng)用價值，尤其是同時滿足高功率和單頻輸出特性的0.9μm波段光纖激光至關(guān)重要。
目前商業(yè)化程度非常高的摻Y(jié)b石英光纖，其吸收截面在短波段增加明顯和再吸收嚴重，導(dǎo)致其工作在低于1030 nm波段比較困難。在稀土離子摻雜光纖中，由于980nm輻射屬于三能級系統(tǒng)，而1020~1100nm范圍的輻射屬于四能級系統(tǒng)，該波段的放大會產(chǎn)生嚴重的ASE。同時，增益光纖對980nm的再吸收過程又進一步增強了產(chǎn)生的ASE。因此，必須有效的抑制放大過程中產(chǎn)生的ASE。其中方法之一是：提高增益光纖的纖芯直徑/包層直徑比例。當纖芯/包層比越大，泵浦光與信號光的重疊面積也相應(yīng)增加，有效的降低了泵浦光在增益光纖中的光功率密度，從而達到抑制ASE的目的。然而，由于較大的纖芯直徑，使得信號光在增益光纖里面為多橫模傳輸，放大后的輸出激光光束質(zhì)量出現(xiàn)變差。方法之二是：通過縮短增益光纖的長度從而減少信號波長的再吸收。同時，較短長度的增益光纖，對應(yīng)較高的受激布里淵散射（SBS）閾值。然而，目前常用的石英基質(zhì)增益光纖受限于稀土離子的摻雜濃度水平無法進一步提升，其泵浦吸收系數(shù)普遍偏低，意味著較短的增益光纖所能提供的增益非常有限，這對于實現(xiàn)高功率激光輸出十分不利。
有研究表明：多組分玻璃對稀土離子具有較大的溶解度，尤其是磷酸鹽玻璃對稀土離子的溶解度高達上百萬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。目前，已經(jīng)成功拉制了泵浦吸收系數(shù)高達260dB/m的大模場磷酸鹽玻璃光纖，比同類型商用石英光纖高出1~2個數(shù)量級，相應(yīng)的增益系數(shù)也比石英光纖高出1個數(shù)量級。因而以較短的大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖作為增益介質(zhì)，可以有效的抑制放大過程中的ASE產(chǎn)生和非線性效應(yīng)，打破傳統(tǒng)石英光纖放大器在0.9μm波段的工作障礙，最終獲得更穩(wěn)定、更高功率的0.9μm波段單頻光纖激光輸出。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種0.9μm波段高功率單頻光纖激光器，基于種子源主振蕩功率放大（MOPA）技術(shù)方案，利用大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖作為激光增益介質(zhì)。通過設(shè)計與優(yōu)化磷酸鹽玻璃光纖，結(jié)合短長度、大模場面積（纖芯直徑/包層直徑比例大）等特性，以及將磷酸鹽玻璃光纖兩端拉制成較小直徑的雙錐形結(jié)構(gòu)，解決現(xiàn)有技術(shù)中0.9μm波段在放大過程中ASE嚴重致使輸出功率受到制約、光束質(zhì)量變差等一系列問題。
為達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明至少采用如下技術(shù)方案之一。
一種0.9μm波段高功率單頻光纖激光器，包括單頻激光種子源、n個大功率泵浦源、(n+1)×1合束器、大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖、二色鏡。各結(jié)構(gòu)部件之間的連接關(guān)系為：單頻激光種子源的輸出端與合束器的輸入端相連接，n個大功率泵浦源的尾纖分別與合束器的n個泵浦端相連接，合束器的輸出端與大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖的一端通過熔接或者空間耦合的方式相連接，大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖的另一端與二色鏡相連接。單頻激光種子源產(chǎn)生的信號光、泵浦源產(chǎn)生的泵浦光通過合束器分別耦合進入到大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖的纖芯和內(nèi)包層里面；其中n為正整數(shù)，且n≥1。
進一步地，所述單頻激光種子源為光纖激光器、半導(dǎo)體激光器或非平面環(huán)形腔激光器（NPRO）類型，信號波長范圍為930~980nm。
進一步地，所述泵浦源是半導(dǎo)體激光器、光纖激光器或其它固體激光器，為多橫模輸出，泵浦波長范圍為790~920nm。
進一步地，所述大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖的纖芯成分為磷酸鹽玻璃，其化學(xué)組成為aP2O5-bAl2O3-cBaO-dLa2O3-eRE2O3。其中，30<a<100，0<b<15，0<c<25，0<d<15，0<e<15；其中，RE為高摻雜濃度的稀土離子Nd或Yb，摻雜濃度大于1×1019ion/cm3，且為均勻摻雜于纖芯。
進一步地，所述大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖的纖芯直徑15~200μm，纖芯數(shù)值孔徑NA大于0.05；其內(nèi)包層直徑125~800μm，包層數(shù)值孔徑NA大于0.3。
進一步地，所述大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖的內(nèi)包層橫截面形狀為圓型、D型、六邊形、八邊形等。磷酸鹽玻璃光纖使用長度為0.5~200cm，其具體使用長度根據(jù)信號波長、泵浦功率、輸出激光功率等進行相應(yīng)選擇。
進一步地，所述大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖的一端拉制成錐形，拉制后錐形區(qū)域終端的纖芯直徑、內(nèi)包層直徑與合束器的輸出端尾纖類型是直接匹配的。
進一步地，所述大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖的一端與合束器的輸出端是通過光纖端面研磨拋光后直接進行空間耦合或者通過熔接機進行熔融連接。
進一步地，所述大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖的另一端同樣拉制成錐形，并且將錐形區(qū)域終端的端面研磨拋光成5~20°角或者鍍增透膜以防止端面反射。
進一步地，所述二色鏡對信號波長930~980nm高透，透射率大于90%；對泵浦波長790~920nm高反，反射率大于90%。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的技術(shù)效果是：基于MOPA技術(shù)方案，使用0.9μm波段單頻激光種子源作為信號光源，利用短長度大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖作為激光增益介質(zhì)，多個大功率泵浦源提供泵浦能量。在泵浦源的不斷激勵下，磷酸鹽玻璃光纖中的高摻雜稀土離子發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生受激輻射，當信號光通過時，對信號光進行功率放大，最后可以獲得高功率單頻激光輸出。由于磷酸鹽玻璃光纖長度很短，可達厘米量級，同時磷酸鹽玻璃光纖具有較大的纖芯直徑/內(nèi)包層直徑比例，使得在放大過程中可以有效的抑制ASE，并且提高非線性效應(yīng)SBS的閾值。此外，將磷酸鹽玻璃光纖兩端拉制成較小直徑的雙錐形結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)輸出激光模式的控制，解決大纖芯增益光纖放大過程中光束質(zhì)量變差的問題；并且可以與目前常用的光器件的輸出尾纖相匹配，整個激光系統(tǒng)更緊湊與可靠。最終可以獲得高信噪比、良好光束質(zhì)量、功率穩(wěn)定的0.9μm波段高功率單頻激光輸出。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實施例中0.9μm波段高功率單頻光纖激光器原理示意圖。
圖中：1—單頻激光種子源，2—大功率泵浦源，3—合束器，4—大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖，5—二色鏡。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖通過具體的實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明，但不僅限于該實施方式，以便于更清楚地理解本發(fā)明，需指出的是，以下若有未特別詳細說明之過程或參數(shù)均是本領(lǐng)域技術(shù)人員可參照現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)的。
如圖1所示，本實例的0.9μm波段高功率單頻光纖激光器，主要包括：單頻激光種子源、大功率泵浦源、(n+1)×1合束器、大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖、二色鏡。其中所述的單頻激光種子源產(chǎn)生的信號光和大功率泵浦源產(chǎn)生的泵浦光，分別經(jīng)由(n+1)×1合束器的輸入端口、n個泵浦端口耦合進入大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖的纖芯和內(nèi)包層里面。泵浦源的輸出尾纖與合束器的泵浦端口尾纖相匹配，并通過熔接機進行熔融連接。合束器的輸入端與單頻激光種子源的輸出端是采用熔融連接，合束器的輸出端與大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖的一端也是采用熔融連接。
其中單頻激光種子源1是DBR短腔光纖激光器，本例中信號波長為978nm。其中泵浦源2是2個多模半導(dǎo)體激光器，本例中泵浦波長為915nm。其中合束器3是（2+1）×1形式，即2個泵浦端口。其中大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖4是通過鉆孔法、管棒法制作預(yù)制棒，并在光纖拉絲塔中高溫拉制而成。其纖芯成分為摻Y(jié)b磷酸鹽玻璃，本例中化學(xué)組成為65P2O5-10Al2O3-15BaO-5La2O3-5Yb2O3，其中Yb的摻雜濃度為2×1019ion/cm3，且為均勻摻雜于纖芯。本例中摻Y(jié)b磷酸鹽玻璃光纖的纖芯直徑為50μm，纖芯數(shù)值孔徑NA為0.06；其內(nèi)包層直徑為130μm，包層數(shù)值孔徑NA為0.5。本例中摻Y(jié)b磷酸鹽玻璃光纖的內(nèi)包層橫截面形狀為八邊形；根據(jù)信號波長、泵浦功率來進行選擇本例中磷酸鹽玻璃光纖使用長度為20cm。其中大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖的輸入端通過微納光纖拉伸器拉制成錐形，拉制后錐形區(qū)域終端的纖芯直徑、內(nèi)包層直徑與合束器的輸出端尾纖類型相匹配，拉制的長度為2cm。同樣，對輸出端也進行拉制，拉制的程度取決于放大系統(tǒng)后面的結(jié)構(gòu)，為達到較好的改善輸出激光光束質(zhì)量的效果，此處拉制的長度為4cm；并且將輸出端鍍增透膜以防止端面反射。其中二色鏡5對信號波長978nm高透，本例中透射率為99.9%；對泵浦波長915nm高反，本例中反射率為99.9%。
將大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖4作為激光增益介質(zhì)，泵浦吸收系數(shù)比同類型商用石英光纖高出10倍以上，同時具有較大的纖芯直徑/包層直徑比例。單頻激光種子源1產(chǎn)生的信號光和大功率泵浦源2產(chǎn)生的泵浦光，分別經(jīng)由合束器3的輸入端口、泵浦端口耦合進入大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖4的纖芯和內(nèi)包層里面。在泵浦源2的持續(xù)抽運下，泵浦光以折射方式反復(fù)穿越纖芯，被Yb摻雜離子吸收之后形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，進而產(chǎn)生受激輻射光，當信號光通過時，對信號光進行功率放大。從大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖4輸出的激光再經(jīng)過二色鏡5，分離出放大的激光信號和殘留泵浦光。由于在放大過程中有效的抑制了ASE和SBS效應(yīng)，最后可以在短長度摻Y(jié)b磷酸鹽玻璃光纖中實現(xiàn)高信噪比、高功率0.9μm波段單頻光纖激光輸出。再者，由于磷酸鹽玻璃光纖兩端采用雙錐形結(jié)構(gòu)，使得激光在保證高功率輸出的同時還能保證良好的光束質(zhì)量。
本實例采用大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖作為激光增益介質(zhì)，一方面，其吸收截面和發(fā)射截面在小于1.0μm短波段與商用石英光纖存在明顯不同，可以適合于短波長激光功率放大。另一方面，由于高的稀土離子摻雜濃度，磷酸鹽玻璃光纖的單位長度增益系數(shù)可達石英光纖的數(shù)十倍，使用短光纖長度（厘米量級）就可以實現(xiàn)理想的放大效果和避免再吸收現(xiàn)象。再者，磷酸鹽玻璃光纖長度短且模場面積大（纖芯直徑/包層直徑比例大），能夠有效的抑制放大過程中自發(fā)輻射（ASE）的產(chǎn)生，降低泵浦功率閾值；并且顯著的提高受激布里淵散射（SBS）閾值。同時，通過將磷酸鹽玻璃光纖兩端拉制成較小直徑的雙錐形結(jié)構(gòu)進行模式控制，能夠有效的克服大纖芯光纖放大過程中帶來的光束質(zhì)量劣化問題，并能夠與目前常用的商用石英光纖形成良好兼容，實現(xiàn)全光纖結(jié)構(gòu)的單頻激光放大系統(tǒng)。因此，采用單頻激光種子源和磷酸鹽玻璃光纖放大器進行功率放大，最終能夠?qū)崿F(xiàn)高信噪比、良好光束質(zhì)量、功率穩(wěn)定的0.9μm波段高功率單頻光纖激光輸出，整個結(jié)構(gòu)非常緊湊，簡單與可靠。
本發(fā)明中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)同樣也適用于不同泵浦源個數(shù)、輸出功率、泵浦波長，以及不同增益光纖摻雜離子類型、摻雜濃度、使用長度等其它參數(shù)。如上所述，上述實施例僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用于限定其實施范圍。