全光纖結(jié)構(gòu)980nm波段復(fù)合腔單模光纖激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種全光纖結(jié)構(gòu)980nm波段復(fù)合腔單模光纖激光器，目的是解決空間光耦合不足和特殊設(shè)計雙包層光纖帶來的器件匹配問題，并克服泵浦功率低、ASE抑制差對于980nm激光器系統(tǒng)輸出特性的影響。本發(fā)明由N個增益模塊、N-1個偏振控制器、耦合模塊、輸出耦合端和N-1個泄漏端組成；增益模塊由2個泵浦模塊、2個多波長波分復(fù)用器、摻鐿光纖、第二光敏光纖、第二光纖布拉格光柵和第一光纖環(huán)構(gòu)成；輸出耦合端由第三光敏光纖、長周期光纖光柵和第三光纖布拉格光柵組成；泄漏端由第二光纖環(huán)構(gòu)成。本發(fā)明克服了空間光耦合的不足和器件匹配問題；解決了輸出功率受限的問題和泵浦功率低、ASE抑制差對于980nm激光器系統(tǒng)輸出特性的影響。
【專利說明】全光纖結(jié)構(gòu)980nm波段復(fù)合腔單模光纖激光器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光纖激光器，尤其涉及一種工作波段在980nm附近(970nm?985nm)的全光纖結(jié)構(gòu)的復(fù)合腔單模光纖激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖激光器以其優(yōu)良的散熱特性、良好的光束質(zhì)量以及制作成本低、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，已成為激光器家族的新寵，得到了人們的廣泛關(guān)注。隨著光纖激光器技術(shù)的發(fā)展，功率水平不斷提高，其應(yīng)用領(lǐng)域已從早期的光纖通信、傳感、測量等領(lǐng)域，逐漸拓展到激光打印、工業(yè)加工、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域。不過，盡管近年來光纖激光器的功率水平有了較大的提高，但是，仍然無法充分滿足某些領(lǐng)域(如工業(yè)加工、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域)的需求。因此，光纖激光器的功率水平仍然是制約光纖激光器應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸因素，如何提升光纖激光器的功率水平仍然是現(xiàn)階段光纖激光器領(lǐng)域的研究熱點。
[0003]制約光纖激光器功率提升的因素是比較多的，比如:熱效應(yīng)、非線性效應(yīng)等，不過，在眾多制約因素當(dāng)中，最為重要的因素之一就是泵浦光亮度的提升?，F(xiàn)階段，常用的泵浦方案是利用980nm波段半導(dǎo)體激光器泵浦摻鐿光纖激光器，以實現(xiàn)高功率的激光輸出。不過，半導(dǎo)體激光器的亮度極限已經(jīng)成為光纖激光器功率提升的關(guān)鍵制約因素。為了突破半導(dǎo)體激光器的亮度極限，人們開始考慮利用同波段的光纖激光器作為泵浦光源，來提升泵浦光源的亮度，980nm波段光纖激光器也因此受到了人們的廣泛關(guān)注。此外，980nm波段光纖激光器的另一個重要應(yīng)用就是通過倍頻實現(xiàn)高亮度的490nm波段的藍(lán)光輸出，替代沉重的氬離子激光器。正是由于其潛在的應(yīng)用價值，980nm波段的光纖激光器已成為光纖激光器領(lǐng)域的研究熱點之一。
[0004]目前，可用于980nm光纖激光器的增益光纖是摻鐿光纖，摻鐿光纖也是現(xiàn)階段高功率光纖激光器的首選增益光纖；但是，要實現(xiàn)高亮度980nm光纖激光器并不是一件容易的事情，這是由鐿離子的能級特性決定的。鐿離子的能級結(jié)構(gòu)決定了 980nm摻鐿光纖激光器是一個三能級激光器，具有較高的泵浦閾值，放大自發(fā)輻射效應(yīng)也非常嚴(yán)重，如果激光器參數(shù)設(shè)計不當(dāng)，很難實現(xiàn)980nm波段的激光輸出。英國南安普頓大學(xué)J.Nilsson等人對980nm摻鐿光纖激光器的研究表明:如何抑制放大自發(fā)輻射效應(yīng)是構(gòu)建980nm摻鐿光纖激光器的關(guān)鍵，而抑制放大自發(fā)輻射的有效手段，就是增加摻鐿光纖的纖芯包層比。不過，這又帶來了新的矛盾:首先，要提高泵浦光的功率，就需要較大的內(nèi)包層尺寸，為了得到足以抑制放大自發(fā)輻射的纖芯包層比，纖芯尺寸也需要增加，而纖芯尺寸的增加又意味著模式的增加，光束質(zhì)量及光束亮度也會隨之下降；反之，要保證良好的光束質(zhì)量，纖芯就不能太大，包層的尺寸也要隨之減小，這又影響了泵浦光的耦合，限制了激光器輸出功率的提升。
[0005]現(xiàn)階段，980nm波段光纖激光器的構(gòu)建方案(技術(shù)方案一)如圖1所示。該方案是空間光稱合方案，由半導(dǎo)體激光器I，準(zhǔn)直透鏡2,3個二色鏡,2個透鏡,摻鐿光纖5,兩個反射鏡組成。半導(dǎo)體激光器I作為泵浦源，產(chǎn)生915nm的泵浦光，泵浦光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡2、第一二色鏡31和第一透鏡41稱合進摻鐿光纖5中,摻鐿光纖5中的泵浦光被鐿離子吸收,未被吸收的泵浦光經(jīng)過第二透鏡42、第二二色鏡32和第一反射鏡61再次反向耦合進摻鐿光纖5中，以提高泵浦光的利用效率。980nm波段的信號光場在摻鐿光纖5中產(chǎn)生,第二反射鏡62和摻鐿光纖5的光纖端面7構(gòu)成激光諧振腔；第一二色鏡31和第二二色鏡32用于將915nm的泵浦光與信號光場分離,第三二色鏡33將放大自發(fā)福射（Amplified spontaneousemission,縮寫為ASE)光場分離出激光諧振腔,從而抑制放大自發(fā)福射光場的產(chǎn)生。
[0006]該方案需要把自由空間的激光束耦合到摻鐿光纖5中，所以該方案采用的是空間光耦合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要有以下幾個方面的缺點：首先，光路調(diào)整精度要求高，這是由于光纖纖芯和包層的尺寸較小(微米量級)，因此，要想將空間光束(毫米量級）耦合到光纖中，需要高精度的光路調(diào)解，如果調(diào)解稍有偏差，就會導(dǎo)致耦合效率的下降和損耗的增加，這無疑增加了光路的調(diào)解難度，正是由于過高的精度要求，現(xiàn)階段空間光束與光纖之間的耦合損耗很難控制到IdB以下；同時，過高的調(diào)解精度使得整個系統(tǒng)的狀態(tài)對于器件位置的變化比較敏感，從而導(dǎo)致激光器系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，抗干擾能力較差；此外，由于空間光耦合結(jié)構(gòu)中引入了大量的非光纖器件，使得整個激光器系統(tǒng)的體積較為龐大。
[0007]與之相比，全光纖結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢就顯得非常明顯：首先，在全光纖結(jié)構(gòu)中，均使用光纖器件，光纖器件之間的連接時通過熔接（由光纖熔接機來完成）的方式實現(xiàn)，這種連接方式可以將損耗控制在O. IdB以下，同時，由熔接機代替手動光路調(diào)解，極大地縮短了系統(tǒng)搭建的時間，提高了效率；其次，在全光纖結(jié)構(gòu)中，光場均在光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中傳輸，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性；再者，由于全光纖結(jié)構(gòu)中均使用光纖器件，最大程度的發(fā)揮了光纖器件體積小、質(zhì)量輕的特點，有利于激光器系統(tǒng)的小型化、實用化。因此，與空間光耦合結(jié)構(gòu)相比，全光纖結(jié)構(gòu)更適于激光器工程化、實用化的要求。
[0008]不過，基于圖I結(jié)構(gòu)的980nm波段光纖激光器，要實現(xiàn)全光纖結(jié)構(gòu)面臨著巨大挑戰(zhàn)，這主要是因為，如前所述，對于980nm波段光纖激光器來說，要求摻鐿光纖5具有較大的纖芯包層比，為了解決光束質(zhì)量與泵浦光耦合的矛盾，需要對摻鐿光纖5的結(jié)構(gòu)進行特殊設(shè)計，現(xiàn)階段使用的光纖包括光子晶體光纖（photonic crystal fiber)和空氣包層光纖(air-jacket double-cladding fiber),不過,這些光纖結(jié)構(gòu)比較特殊,與之匹配的其它光纖器件(如泵浦合束器、光纖光柵）仍不成熟，無法滿足搭建全光纖結(jié)構(gòu)980nm波段光纖激光器的要求?；诂F(xiàn)階段光纖器件發(fā)展現(xiàn)狀，利用單模單包層摻鐿光纖是實現(xiàn)全光纖結(jié)構(gòu)980nm波段激光器的理想選擇，這不僅是因為與之匹配的無源光纖器件發(fā)展較為成熟，而且單模單包層摻鐿光纖的纖芯包層比為1，非常有利于ASE的抑制以及980nm波段激光的高效輸出，這是雙包層摻鐿光纖所不能比擬的；不過由于該光纖的纖芯和數(shù)值孔徑較小，能夠耦合進纖芯的泵浦光功率較低，限制了激光器輸出功率的提高，現(xiàn)階段，利用單模單包層光纖構(gòu)建的980nm波段激光器的功率只是毫瓦量級。
[0009]為了解決單模單包層光纖激光器在功率提升方面的困難，人們嘗試?yán)脧?fù)合腔增加激光器中增益模塊的數(shù)量，從而提升整個激光器系統(tǒng)的功率水平。該思想始見于2002年，現(xiàn)階段，對于全光纖結(jié)構(gòu)摻鐿光纖復(fù)合腔激光器的研究仍處于實驗探索階段，出光波段主要集中于1060nm?1090nm的常規(guī)波段，其常用實驗裝置結(jié)構(gòu)(技術(shù)方案二)如圖2所示，稱為復(fù)合腔全光纖激光器實驗裝置。
[0010]該復(fù)合腔全光纖激光器實驗裝置包括N個增益模塊8、（N-1)個偏振控制器10、耦合模塊11、輸出耦合端13和（N-I)個泄露端14，N為大于等于2的整數(shù)。除一個增益模塊8直接與耦合模塊11的輸入端9相連外，其余（N-I)個增益模塊8均經(jīng)偏振控制器10與耦合模塊11的輸入端9相連；耦合模塊11的第一輸出端121與輸出耦合模塊13的輸入端相連，耦合模塊11的（N-I)個第二輸出端122分別與（N-I)個泄露端14相連。
[0011]增益模塊8產(chǎn)生1060nm?1090nm波段的信號光，并將信號光場經(jīng)過偏振控制器10和耦合模塊輸入端9，傳輸給耦合模塊11，耦合模塊11將信號光經(jīng)過第一輸出端121和第二輸出端122分別傳輸給輸出I禹合端13和（N-I)個泄漏端14 ;輸出I禹合端13將一部分信號光輸出，形成激光輸出15，同時將其余信號光反射回來，并將反射的信號光依次經(jīng)過耦合模塊11、偏振控制器10，反向傳輸回增益模塊8，這樣，增益模塊8、耦合模塊11和輸出耦合端13就構(gòu)成了一個完整的激光諧振腔。與圖I不同的是，該激光諧振腔中含有N個獨立的增益模塊8，因此稱為復(fù)合諧振腔。實驗中，輸出耦合端13 —般是利用光纖端面來實現(xiàn)的，即將光纖端面切割成平角（與光纖橫截面平行)，利用光纖平角端面的菲涅耳反射來實現(xiàn)對于信號光的反射。與輸出I禹合端13不同,泄漏端14將其中輸入的光場全部輸出，因此，進入到泄漏端14的信號光被全部損耗掉了，這要求泄漏端14對于信號光場的反射接近為零，實驗中，該要求是通過將光纖端面切割成斜面來實現(xiàn)的，一般要求該斜面與光纖橫截面之間的夾角為8度，此時，由于光纖斜角端面的菲涅耳反射而產(chǎn)生的反射光場因角度改變而無法有效耦合到纖芯中，從而被損耗掉了。
[0012]在該實驗裝置中，偏振控制器10的作用是調(diào)節(jié)信號光場的偏振狀態(tài)，其目的是使進入到耦合模塊輸入端9的光場以相同的偏振狀態(tài)進入到耦合模塊11，進而使進入到輸出耦合端13的信號光場的功率達(dá)到最大值。
[0013]增益模塊8的結(jié)構(gòu)如圖3所示，由半導(dǎo)體激光器16、雙波長光纖波分復(fù)用器17、摻鐿光纖5、第一光敏光纖181和第一光纖布拉格光柵191組成。這里使用的摻鐿光纖5是單模單包層光纖，半導(dǎo)體激光器16的輸出端與雙波長光纖波分復(fù)用器17的泵浦光輸入端相連，雙波長光纖波分復(fù)用器17的輸出端與摻鐿光纖5的一端相連,摻鐿光纖5的另一端與第一光敏光纖181相連，第一光纖布拉格光柵191刻寫在第一光敏光纖181的纖芯中，雙波長光纖波分復(fù)用器17的信號光輸入端與耦合模塊11的輸入端9相連。
[0014]在該實驗裝置中，半導(dǎo)體激光器16作為泵浦源，產(chǎn)生980nm波段的泵浦光，雙波長波分復(fù)用器17將泵浦光耦合到摻鐿光纖5的纖芯中，在980nm波段的泵浦光的作用下，摻鐿光纖5的纖芯中產(chǎn)生1060nm?1090nm波段的信號光場,信號光場沿纖芯的兩個相反方向傳輸。摻鐿光纖5將其中一個方向傳輸?shù)男盘柟鈭鲚斔偷降谝还饷艄饫w181的纖芯中，并與第一光纖布拉格光柵191相互作用，第一光纖布拉格光柵191將信號光場反射回來；第一光敏光纖181將反射回來的信號光場再次傳輸?shù)綋借O光纖5的纖芯中，并與向另一個方向傳輸?shù)男盘柟鈭鲆黄饌鬏數(shù)诫p波長光纖波分復(fù)用器17的輸出端，雙波長光纖波分復(fù)用器17將進入輸出端的信號光場耦合到雙波長光纖波分復(fù)用器17的信號端，并傳輸?shù)今詈夏K11的輸入端9。
[0015]I禹合模塊11可以米用文獻(xiàn)[A. Shirakawa, K. Matsuo, K. Ueda.用于單模光纖激光器功率提升的光纖激光器相干陣列，Proc. of SPIE, 2004, 5662:482?487]和文獻(xiàn)[A. Shirakawa, K. Matsuo, K. Ueda.用于功率提升、帶寬壓縮和相干光束定向控制的光纖激光器相干陣列，Proc. of SPIE，2005，5709:165?174]所采用的結(jié)構(gòu)，也可以采用文獻(xiàn)[Bruesselbach H, Jones D C，Mangir M S，et al.光纖激光器陣列的自組織相干性，Opt.Lett.2005，30(11):1339-1441.]所采用的結(jié)構(gòu)。
[0016]利用該結(jié)構(gòu)，實驗中已經(jīng)實現(xiàn)了含有8個增益模塊的全光纖復(fù)合腔激光器，并且發(fā)現(xiàn)，信號光場總能量的80%以上集中在輸出耦合端13輸出，這就意味著:該結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒉煌鲆婺K產(chǎn)生的信號光場能量集中到同一根光纖中形成輸出，從而提高了激光器的輸出功率和亮度。
[0017]不過，由于980nm波段摻鐿光纖激光器的出光特性與常規(guī)波段差別較大，利用該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)980nm波段全光纖復(fù)合腔激光器仍存在兩方面問題:其一，泵浦光功率過低，現(xiàn)階段，該方案中常用的泵浦功率一般是百毫瓦量級，對于常規(guī)波段來說沒有問題，但是對于980nm波段來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因為過低的泵浦功率會導(dǎo)致放大自發(fā)輻射抑制困難以及激光器的整體效率下降，以致于激光器的總體輸出功率只能達(dá)到瓦量級；其二，缺乏對于放大自發(fā)輻射的抑制措施，相對于常規(guī)波段來說，激光器中的ASE影響可以忽略，因此，無需對ASE進行抑制，但是，如前所述，對于980nm波段的摻鐿光纖激光器來說，ASE的影響非常嚴(yán)重，即使光纖端面微弱的ASE反射，都會對980nm波段的出光狀態(tài)造成很大的影響，甚至?xí)?dǎo)致激光器在980nm波段的出光失?。徽怯捎谶@兩方面的問題，使得現(xiàn)有技術(shù)方案并不適于構(gòu)建980nm波段的光纖激光器。此外，該技術(shù)方案中的輸出稱合端13和泄漏端14均需要對光纖進行端面處理，而光纖端面非常脆弱，輕微的觸碰、油污甚至過多的灰塵都會導(dǎo)致光纖端面的損傷，這就對整個系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境提出了很高的要求，這也影響了整個激光器系統(tǒng)的實用性和工程化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]本發(fā)明要解決的問題是克服現(xiàn)有980nm光纖激光器的不足，提供一種全光纖結(jié)構(gòu)復(fù)合腔980nm波段單模光纖激光器。既解決技術(shù)方案一中空間光耦合不足和特殊設(shè)計雙包層光纖帶來的器件匹配問題，又解決單模單包層光纖輸出功率受限的問題；同時，克服技術(shù)方案二中泵浦功率低、ASE抑制差對于980nm激光器系統(tǒng)輸出特性的影響。
[0019]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0020]與【背景技術(shù)】方案二一樣，本發(fā)明也由N個增益模塊、(N-1)個偏振控制器、耦合模塊、輸出耦合端和(N-1)個泄漏端組成。一個增益模塊與耦合模塊的輸入端直接相連，其余(N-1)個增益模塊經(jīng)偏振控制器與耦合模塊的輸入端相連，耦合模塊的第一輸出端與輸出耦合模塊的輸入端相連，耦合模塊的(N-1)個第二輸出端分別與(N-1)個泄露端相連。本發(fā)明中不同器件之間的連接也是通過光纖熔接來實現(xiàn)的，也要求相互熔接的兩個光纖的結(jié)構(gòu)相同。
[0021]本發(fā)明的增益模塊由2個泵浦模塊、2個多波長波分復(fù)用器、摻鐿光纖、第二光敏光纖、刻寫在第二光敏光纖纖芯中的第二光纖布拉格光柵和第一光纖環(huán)構(gòu)成。第一泵浦模塊和第二泵浦模塊具有相同的結(jié)構(gòu)，其作用是產(chǎn)生泵浦光，每個泵浦模塊具有M個輸出端，不同輸出端輸出的泵浦光的波長不同，且與相應(yīng)的多波長波分復(fù)用器的M個泵浦輸入端的輸入波長相等，M大于等于2。第一多波長波分復(fù)用器和第二多波長波分復(fù)用器結(jié)構(gòu)以及輸入輸出特性相同，第一多波長波分復(fù)用器將第一泵浦模塊產(chǎn)生的泵浦光分別稱合到摻鐿光纖的纖芯中，第二多波長波分復(fù)用器將第二泵浦模塊產(chǎn)生的泵浦光分別耦合到摻鐿光纖的纖芯中；每個多波長波分復(fù)用器具有M個泵浦輸入端，M個泵浦輸入端對應(yīng)的波長表示為[λ 1，λ 2> …，λ m> …，λΜ]，其中，ληι 的范圍是 900nm ~965nm,m=l，2,...，Μ。第二光纖布拉格光柵選用中心波長為980nm波段的高反光纖光柵,反射率大于95%,帶寬不小于0.5nm,旁瓣抑制比不小于10dB。第一光纖環(huán)米用單模單包層光纖制成,纖芯中光場的損耗要求不小于25dB，由于光纖環(huán)的損耗與光纖環(huán)的曲率半徑和匝數(shù)有關(guān)，設(shè)計較為靈活，這里建議第一光纖環(huán)的曲率半徑不大于5mm，匝數(shù)不少于15匝。
[0022]在本發(fā)明的增益模塊中，第一泵浦模塊與第一多波長波分復(fù)用器的泵浦輸入端相連，第二泵浦模塊與第二多波長波分復(fù)用器的泵浦輸入端相連，第一多波長波分復(fù)用器的輸出端與摻鐿光纖的一端相連，第一多波長波分復(fù)用器的信號端與耦合模塊的輸入端相連，第二多波長波分復(fù)用器的輸出端與摻鐿光纖的另一端相連，第二多波長波分復(fù)用器的信號端與第二光敏光纖的一端相連，第二光敏光纖的另一端與第一光纖環(huán)相連。
[0023]增益模塊中，第一泵浦模塊與第二泵浦模塊結(jié)構(gòu)完全相同。以第一泵浦模塊為例，第一泵浦模塊由M個泵浦光偏振合成模塊構(gòu)成,每個泵浦光偏振合成模塊具有相同的結(jié)構(gòu)。泵浦光偏振合成模塊均由2個線偏振半導(dǎo)體激光器和光纖偏振合束器構(gòu)成。兩個線偏振半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)相同，輸出光場是線偏振的，工作波長范圍為900nm~965nm,且與第一多波長波分復(fù)用器的泵浦輸出端的輸入波長相等。光纖偏振合束器將兩個線偏振半導(dǎo)體激光器輸出的線偏振光場I禹合到同一個輸出端光纖的纖芯中。2個線偏振半導(dǎo)體激光器均與光纖偏振合束器的輸入端相連，光纖偏振合束器的輸出端即為泵浦光偏振合成模塊的輸出端，泵浦光偏振合成模塊的輸出端即為第一泵浦模塊的輸出端，與第一多波長波分復(fù)用器的泵浦輸入端相連。如前所述，由于第一泵浦模塊的不同輸出端的輸出波長與第一多波長波分復(fù)用器241的泵浦輸出端的輸入波長相等，因此不同泵浦光偏振合成模塊中的半導(dǎo)體激光器21的波長也為[A1, λ 2)…λ m...，λ M]。
[0024]輸出耦合端由第三光敏光纖、以及刻寫在第三光敏光纖纖芯中的長周期光纖光柵和第三光纖布拉格光柵組成,長周期光纖光柵選用中心波長位于1030nm~1040nm的長周期光纖光柵，帶寬不小于20nm,光場損耗不小于IOdB ;第三光纖布拉格光柵選用中心波長位于980nm波段的光纖布拉格光柵,其中心波長與第二光纖布拉格光柵中心波長的差值的絕對值小于0.3nm,峰值反射率為10%~50%，帶寬不小于0.5nm,旁瓣抑制比不小于10dB。第三光敏光纖與耦合模塊的第一輸出端相連，第三光敏光纖將從耦合模塊接收的輸出光場傳輸?shù)介L周期光纖光柵，長周期光纖光柵將1030nm波段的ASE光場從纖芯稱合到包層中，進入到包層中的光場就被損耗掉了，從而將纖芯中的ASE光場與980nm波段的信號光場分離，實現(xiàn)對ASE光場的抑制。第三光敏光纖將纖芯中的980nm波段信號光場傳送給第三光纖布拉格光柵。第三光纖布拉格光柵將從長周期光纖光柵接收的980nm波段信號光場部分反射，并將另一部分信號光場透射出來，形成激光輸出。
[0025](N-1)個泄漏端具有相同的結(jié)構(gòu)，泄漏端均是第二光纖環(huán)，第二光纖環(huán)與第一光纖環(huán)具有相同的結(jié)構(gòu)。
[0026]采用本發(fā)明可以達(dá)到以下技術(shù)效果:
[0027]本發(fā)明利用全光纖結(jié)構(gòu)克服技術(shù)方案一中空間光耦合的不足；利用單模單包層摻鐿光纖克服技術(shù)方案一中特殊設(shè)計雙包層光纖帶來的器件匹配問題；利用復(fù)合諧振腔克服單模單包層摻鐿光纖帶來的輸出功率受限的問題；并結(jié)合980nm摻鐿光纖激光器的輸出特性，對技術(shù)方案二的增益模塊·、輸出耦合端和泄露端進行改進，改善了技術(shù)方案二中泵浦功率低、ASE抑制差對于980nm激光器系統(tǒng)輸出特性的影響。本發(fā)明能實現(xiàn)百瓦量級的980nm波段激光輸出。
[0028]I、本發(fā)明利用單模單包層摻鐿光纖，不僅克服了特殊設(shè)計雙包層光纖帶來的器件匹配問題，保證了全光纖化結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)；還發(fā)揮了該光纖高纖芯包層比的優(yōu)勢，削弱了激光器系統(tǒng)的ASE抑制壓力，保證了激光器系統(tǒng)的高效輸出，提高了泵浦光的利用效率，這使得該系統(tǒng)不再需要技術(shù)方案一的泵浦光反饋結(jié)構(gòu)(見圖I中第二透鏡、第二二色鏡和第一反射鏡構(gòu)成的部分)，簡化了激光器的結(jié)構(gòu)；
[0029]2、利用增益模塊中的泵浦模塊的結(jié)構(gòu)，使得增益模塊由圖3中的單一半導(dǎo)體激光器泵浦的結(jié)構(gòu)，改進為圖4中的多個半導(dǎo)體激光器泵浦的結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體激光器數(shù)量的增加，提升了每一個增益模塊中的泵浦光的總能量，利用該結(jié)構(gòu)可以將注入到摻鐿光纖的泵浦光能量由單一半導(dǎo)體激光器泵浦時的百豪瓦量級增加到瓦量級；
[0030]3、通過在輸出耦合端中加入長周期光纖光柵和第三光纖布拉格光柵，有效提升了該激光器系統(tǒng)的ASE抑制能力，對于ASE的抑制可以提升到40dB以上；
[0031]4、通過在增益模塊和泄漏端分別引入光纖環(huán)，提升了局部的光場損耗，有效防止了光纖端面的光場反射對于激光器系統(tǒng)出光狀態(tài)的影響，削弱了光纖端面處理的要求，提升了激光器系統(tǒng)的可靠性和耐用性；
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖I為【背景技術(shù)】中技術(shù)方案一的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，虛線表示的是泵浦光的傳輸光路，實線表不的是980nm波段信號光的傳輸光路,點線表不自發(fā)放大福射光場的出射光路。
[0033]圖2為【背景技術(shù)】中技術(shù)方案二的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖3為圖2中增益模塊8的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖4為本發(fā)明增益模塊8的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖5為本發(fā)明輸出耦合端13的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖6為本發(fā)明泄漏端14的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038]圖中標(biāo)號說明
[0039]I、半導(dǎo)體激光器，2、準(zhǔn)直透鏡，31、第一二色鏡，32、第二二色鏡，33、第三二色鏡，41、第一透鏡,42、第二透鏡,5、摻鐿光纖,61、第一反射鏡，62、第二反射鏡,7、光纖端面,8、增益模塊，9、稱合模塊的輸入端，10、偏振控制器,11、稱合模塊,121、第一輸出端，122、第二輸出端，13、輸出f禹合端，14、泄漏端，15、激光輸出，16、半導(dǎo)體激光器,17、雙波長波分復(fù)用器，181、第一光敏光纖，182、第二光敏光纖，183、第三光敏光纖，191、第一光纖布拉格光柵，192、第二光纖布拉格光柵，193、第三光纖布拉格光柵,20、泵浦光偏振合束模塊,21、線偏振半導(dǎo)體激光器，22、光纖偏振合束器,231、第一泵浦模塊,232、第二泵浦模塊,241、第一多波長波分復(fù)用器，242、第二多波長波分復(fù)用器,251、第一光纖環(huán),252、第二光纖環(huán),26、長周期光纖光柵，
【具體實施方式】
[0040]以下結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步描述。[0041]如圖2所示，本發(fā)明也由N個增益模塊8、(N-1)個偏振控制器10、耦合模塊11、輸出耦合端13和(N-1)個泄漏端14組成。一個增益模塊8與耦合模塊11的輸入端9直接相連，其余(N-1)個增益模塊8經(jīng)偏振控制器10與耦合模塊11的輸入端9相連，耦合模塊11的第一輸出端121與輸出I禹合模塊13的輸入端相連,I禹合模塊11的(N-1)個第二輸出端122分別與(N-1)個泄露端14相連。本發(fā)明中不同器件之間的連接也是通過光纖熔接來實現(xiàn)的，相互熔接的兩個光纖的結(jié)構(gòu)相同。
[0042]如圖4所示，本發(fā)明的增益模塊8由2個泵浦模塊、2個多波長波分復(fù)用器、摻鐿光纖5、第二光敏光纖182、刻寫在第二光敏光纖182纖芯中的第二光纖布拉格光柵192和第一光纖環(huán)251構(gòu)成。第一泵浦模塊231和第二泵浦模塊232具有相同的結(jié)構(gòu)，其作用是產(chǎn)生泵浦光，每個泵浦模塊具有M個輸出端，不同輸出端輸出的泵浦光的波長不同，且與相應(yīng)的多波長波分復(fù)用器的M個泵浦輸入端的輸入波長相等，M大于等于2。第一多波長波分復(fù)用器241和第二多波長波分復(fù)用器242結(jié)構(gòu)以及輸入輸出特性相同，第一多波長波分復(fù)用器241將第一泵浦模塊231產(chǎn)生的泵浦光分別耦合到摻鐿光纖5的纖芯中，第二多波長波分復(fù)用器242將第二泵浦模塊232產(chǎn)生的泵浦光分別耦合到摻鐿光纖5的纖芯中；每個多波長波分復(fù)用器具有M個泵浦輸入端，泵浦輸入端對應(yīng)的波長可以表示為[X1, λ2，…，ληι，...，λΜ]，其中，λ m的范圍是900nm~965nm, m=l, 2，…，Μ。第二光纖布拉格光柵192選用中心波長為980nm波段的高反光纖光柵，反射率大于95%,帶寬不小于0.5nm,旁瓣抑制比不小于10dB。第一光纖環(huán)251采用單模單包層光纖制成，纖芯中光場的損耗要求不小于25dB，由于光纖環(huán)的損耗與光纖環(huán)的曲率半徑和匝數(shù)有關(guān)，設(shè)計較為靈活，這里建議第一光纖環(huán)251的曲率半徑不大于5mm，匝數(shù)不少于15匝。 [0043]如圖4所示，本發(fā)明的增益模塊8中，第一泵浦模塊231與第一多波長波分復(fù)用器241的泵浦輸入端相連，第二泵浦模塊232與第二多波長波分復(fù)用器242的泵浦輸入端相連，第一多波長波分復(fù)用器241的輸出端與摻鐿光纖5的一端相連,第一多波長波分復(fù)用器241的信號端與稱合模塊11的輸入端9相連,第二多波長波分復(fù)用器242的輸出端與摻鐿光纖5的另一端相連，第二多波長波分復(fù)用器242的信號端與第二光敏光纖182的一端相連，第二光敏光纖182的另一端與第一光纖環(huán)251相連。
[0044]如圖4所示，增益模塊8中，第一泵浦模塊231與第二泵浦模塊232結(jié)構(gòu)完全相同。以第一泵浦模塊231為例，第一泵浦模塊231由M個泵浦光偏振合成模塊20構(gòu)成，每個泵浦光偏振合成模塊具有相同的結(jié)構(gòu)。泵浦光偏振合成模塊20均由2個線偏振半導(dǎo)體激光器21和光纖偏振合束器22構(gòu)成。兩個線偏振半導(dǎo)體激光器21結(jié)構(gòu)相同,輸出光場是線偏振的，工作波長范圍為900nm~965nm，且與第一多波長波分復(fù)用器241的泵浦輸出端的輸入波長相等。光纖偏振合束器22將兩個線偏振半導(dǎo)體激光器21輸出的線偏振光場稱合到同一個輸出端光纖的纖芯中。2個線偏振半導(dǎo)體激光器21均與光纖偏振合束器22的輸入端相連，光纖偏振合束器22的輸出端即為泵浦光偏振合成模塊20的輸出端,泵浦光偏振合成模塊20的輸出端即為第一泵浦模塊231的輸出端,與第一多波長波分復(fù)用器241的泵浦輸入端相連。如前所述，由于第一泵浦模塊231的不同輸出端的輸出波長與第一多波長波分復(fù)用器241的泵浦輸出端的輸入波長相等，因此不同泵浦光偏振合成模塊20中的半導(dǎo)體激光器21的波長也應(yīng)分別為[A1, λ 2，…，λ m,…，λ M]。
[0045]如圖5所不,輸出f禹合端13由第三光敏光纖183、以及刻寫在第三光敏光纖183纖芯中的長周期光纖光柵26和第三光纖布拉格光柵193組成，長周期光纖光柵26選用中心波長位于1030nm?1040nm的長周期光纖光柵，帶寬不小于20nm,光場損耗不小于IOdB ;第三光纖布拉格光柵193選用中心波長位于980nm波段的光纖布拉格光柵,其中心波長與第二光纖布拉格光柵192中心波長的差值的絕對值小于O. 3nm,峰值反射率為10%?50%，帶寬不小于O. 5nm,旁瓣抑制比不小于10dB。第三光敏光纖183與I禹合模塊11的第一輸出端121相連，第三光敏光纖183將從耦合模塊11接收的輸出光場傳輸?shù)介L周期光纖光柵26，長周期光纖光柵26將1030nm波段的ASE光場從纖芯耦合到包層中，進入到包層中的光場就被損耗掉了，從而將纖芯中的ASE光場與980nm波段的信號光場分離，實現(xiàn)對ASE光場的抑制。第三光敏光纖183將纖芯中的980nm波段信號光場傳送給第三光纖布拉格光柵193。第三光纖布拉格光柵193將從長周期光纖光柵26接收的980nm波段信號光場部分反射,并將另一部分信號光場透射出來，形成激光輸出15。
[0046]如圖6所示，（N-I)個泄漏端14具有相同的結(jié)構(gòu)，泄漏端14均是第二光纖環(huán)252，第二光纖環(huán)252與第一光纖環(huán)251具有相同的結(jié)構(gòu)。
[0047]國防科大制備了一個全光纖結(jié)構(gòu)980nm波段復(fù)合腔單模光纖激光器，該激光器系統(tǒng)含有M=S個增益模塊8，每個增益模塊8中，第一多波長波分復(fù)用器241和第二多波長波分復(fù)用器242均具有M=4泵浦輸入端，相應(yīng)的泵浦波長分別為915nm、930nm、945nm和960nm ;第二光纖布拉格光柵182的中心波長為978nm，反射率為98%，帶寬為2nm，旁瓣抑制比為20dB ;第三光纖布拉格光柵183的中心波長為977. 9nm，反射率為20%，帶寬為lnm，旁瓣抑制比為20dB ;長周期光纖光柵26的中心波長為1034nm，帶寬為25nm，光場損耗為15dB ;第一光纖環(huán)251和第二光纖環(huán)252的曲率半徑為2. 5mm,阻數(shù)為25 BL損耗為40dB ；耦合模塊11采用文獻(xiàn)[A. Shirakawa, K. Matsuo, K. Ueda.用于單模光纖激光器功率提升的光纖激光器相干陣列，Proc. of SPIE, 2004, 5662:482?487]所采用的結(jié)構(gòu)。該激光器在980nm波段的輸出功率可達(dá)到70瓦，總體的光效率達(dá)到55%。
【權(quán)利要求】
1.一種全光纖結(jié)構(gòu)980nm波段復(fù)合腔單模光纖激光器，由N個增益模塊(8)、N-1個偏振控制器(10)、稱合模塊(11)、輸出稱合端(13)和N-1個泄漏端(14)組成；一個增益模塊(8 )與耦合模塊(11)的輸入端(9 )直接相連，其余N-1個增益模塊(8 )經(jīng)偏振控制器(10 )與率禹合模塊(11)的輸入端(9)相連,1禹合模塊(11)的第一輸出端(121)與輸出1禹合模塊(13)的輸入端相連，稱合模塊(11)的N-1個第二輸出端(122)分別與N-1個泄露端(14)相連；不同器件之間通過光纖熔接來連接，相互熔接的兩個光纖的結(jié)構(gòu)相同；其特征在于: 增益模塊(8)由2個泵浦模塊、2個多波長波分復(fù)用器、摻鐿光纖(5)、第二光敏光纖(182)、刻寫在第二光敏光纖(182)纖芯中的第二光纖布拉格光柵(192)和第一光纖環(huán)(251)構(gòu)成；第一泵浦模塊(231)和第二泵浦模塊(232)具有相同的結(jié)構(gòu)，每個泵浦模塊具有M個輸出端，不同輸出端輸出的泵浦光的波長不同，且與相應(yīng)的多波長波分復(fù)用器的M個泵浦輸入端的輸入波長相等，M大于等于2 ;第一多波長波分復(fù)用器(241)和第二多波長波分復(fù)用器(242)結(jié)構(gòu)相同，第一多波長波分復(fù)用器(241)將第一泵浦模塊(231)產(chǎn)生的泵浦光分別稱合到摻鐿光纖(5)的纖芯中，第二多波長波分復(fù)用器(242)將第二泵浦模塊(232)產(chǎn)生的泵浦光分別耦合到摻鐿光纖(5)的纖芯中；第一多波長波分復(fù)用器(241)和第二多波長波分復(fù)用器(242)均具有M個泵浦輸入端，M個泵浦輸入端對應(yīng)的波長表示為[λ 1，λ 2，…，入m，...，λ Μ]，入m的范圍是900nm~965.,m=l，2,…，M ;第二光纖布拉格光柵(192)選用中心波長為980nm波段的高反光纖光柵,反射率大于95%,帶寬不小于0.5nm,旁瓣抑制比不小于IOdB ;第一光纖環(huán)(251)米用單模單包層光纖制成,纖芯中光場的損耗要求不小于25dB ； 增益模塊(8)中，第一泵浦模塊(231)與第一多波長波分復(fù)用器(241)的泵浦輸入端相連，第二泵浦模塊(232)與第二多波長波分復(fù)用器(242)的泵浦輸入端相連，第一多波長波分復(fù)用器(241)的輸出端與摻鐿光纖(5)的一端相連,第一多波長波分復(fù)用器(241)的信號端與稱合模塊(11)的輸入端(9)相連,第二多波長波分復(fù)用器(242)的輸出端與摻鐿光纖(5)的另一端相連,第二多波長波分復(fù)用器(242)的信號端與第二光敏光纖(182)的一端相連，第二光敏光纖(182)的另一端與第一光纖環(huán)(251)相連； 第一泵浦模塊(231)與第二泵浦模塊(232)結(jié)構(gòu)相同，第一泵浦模塊(231)由M個泵浦光偏振合成模塊(20)構(gòu)成,每個泵浦光偏振合成模塊結(jié)構(gòu)相同，泵浦光偏振合成模塊(20)均由2個線偏振半導(dǎo)體激光器(21)和光纖偏振合束器(22)構(gòu)成，兩個線偏振半導(dǎo)體激光器(21)結(jié)構(gòu)相同,輸出光場是線偏振的,工作波長范圍為900nm~965nm,且與第一多波長波分復(fù)用器(241)的泵浦輸出端的輸入波長相等；光纖偏振合束器(22)將兩個線偏振半導(dǎo)體激光器(21)輸出的線偏振光場I禹合到同一個輸出端光纖的纖芯中，2個線偏振半導(dǎo)體激光器(21)均與光纖偏振合束器(22)的輸入端相連,光纖偏振合束器(22)的輸出端即為泵浦光偏振合成模塊(20)的輸出端,泵浦光偏振合成模塊(20)的輸出端即為第一泵浦模塊(231)的輸出端，與第一多波長波分復(fù)用器(241)的泵浦輸入端相連； 輸出I禹合端(13)由第三光敏光纖(183)、以及刻寫在第三光敏光纖(183)纖芯中的長周期光纖光柵(26 )和第三光纖布拉格光柵(193 )組成，長周期光纖光柵(26 )選用中心波長位于1030nm~1040nm的長周期光纖光柵，帶寬不小于20nm,光場損耗不小于IOdB ;第三光纖布拉格光柵(193 )選用中心波長位于980nm波段的光纖布拉格光柵,峰值反射率為10%~50%，帶寬不小于0.5nm，旁瓣抑制比不小于IOdB ;第三光敏光纖(183)與耦合模塊(11)的第一輸出端（121)相連，第三光敏光纖（183)將從耦合模塊（11)接收的輸出光場傳輸?shù)介L周期光纖光柵（26),長周期光纖光柵（26)將1030nm波段的ASE光場從纖芯稱合到包層中；第三光敏光纖（183)將纖芯中的980nm波段信號光場傳送給第三光纖布拉格光柵（193);第三光纖布拉格光柵（193)將從長周期光纖光柵（26)接收的980nm波段信號光場部分反射，并將另一部分信號光場透射出來，形成激光輸出15。 N-I個泄漏端（14)具有相同的結(jié)構(gòu)，泄漏端（14)均是第二光纖環(huán)（252)，第二光纖環(huán)(252 )與第一光纖環(huán)（251)具有相同的結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的全光纖結(jié)構(gòu)980nm波段復(fù)合腔單模光纖激光器，其特征在于所述第一光纖環(huán)（251)的曲率半徑不大于5mm，匝數(shù)不少于15匝。
3.如權(quán)利要求1所述的全光纖結(jié)構(gòu)980nm波段復(fù)合腔單模光纖激光器，其特征在于所述第三光纖布拉格光柵（193)的中心波長與第二光纖布拉格光柵（192)中心波長的差值的絕對值小于O. 3nm。`
【文檔編號】H01S3/101GK103682965SQ201310749840
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】曹澗秋, 郭少鋒, 劉瑩, 王睿星, 徐夢榮, 黃值河, 冷進勇, 許曉軍, 陳金寶, 陸啟生 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)