专利名称：短脉冲掺镱双包层光纤激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光器，特别涉及一种宽调谐、窄线宽、稳定的纳秒量级的短脉冲掺镱双包层光纤激光器。
背景技术：
随着激光技术领域研究的不断深入，研制开发具有阈值低、低噪声、高信噪比、小型化和无需制冷的短脉冲掺镱双包层光纤激光器是该领域急待攻克的难题之一，其在激光加工、激光医疗、激光打标、种子光源等领域蕴含着巨大的应用价值和广阔的市场前景。目前，已有该发明的研究信息，如申请号为CN 200410073285.8的《掺镱光纤超短脉冲激光器》，这种超短脉冲光纤激光器对于激光加工来说脉冲能量较小，重复频率很高，不能满足激光加工的需要；并且由于这个系统需要色散补偿元器件，因此需要的光学元件多，造成运转的过程中噪声偏大，信噪比较低。这在激光加工、激光医疗、激光打标、种子光源等实际应用中较不方便。有的研究人员利用光纤中的受激布里渊散射可以实现短脉冲光纤激光器，可以产生在时域上宽度为纳秒量级的窄脉冲，但是重复频率、脉冲强度均不稳定，并且两者变化的幅度很大。也有的研究人员利用主动器件构成脉冲掺镱双包层光纤激光器，通常加入声光调制器，虽然激光脉冲的重复频率稳定了，但是激光脉冲的强度有较大程度的抖动。也有研究人员将上述两种方法结合起来，用于产生纳秒量级的激光脉冲，但是这种激光器的阈值很高，并且产生的激光脉冲在脉冲强度方面仍然抖动，虽然脉冲的频率特性较为稳定了，但是脉冲强度和脉冲宽度的稳定性依然没有较大的改善。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种阈值低、低噪声、高信噪比、小型化和无需制冷，结构简单、性能可靠的短脉冲掺镱双包层光纤激光器。
为实现上述目的本发明所采用的技术方案是一种短脉冲掺镱双包层光纤激光器，其特征由主谐振腔部分(a)和外腔反馈部分(b)两部分构成；主谐振腔(a)依次由半导体激光器(1)、耦合器(2)、二向色镜(3)、掺镱双包层光纤(4)构成；半导体激光器(1)是泵浦源；二向色镜(3)和掺镱双包层光纤(4)构成激光谐振腔；泵浦光经过耦合器(2)进入谐振腔中；外腔反馈部分(b)由耦合输出透镜(5)、声光调制器(6)、衍射光栅(7)构成；主谐振腔(a)输出的激光通过准直透镜耦合，通过声光调制器(6)入射到衍射光栅，反射回来的部分信号光再次通过声光调制器(6)、准直透镜耦合进入主谐振腔(a)；信号光通过声光调制器(6)后在衍射光栅处发生衍射，将零级衍射光反馈回主谐振腔(a)，一级衍射光输出。
所述半导体激光器的波长范围是900nm-1000nm。
所述激光器的谐振腔由主谐振腔与反射式衍射光栅外腔构成；通过将衍射光栅对信号光的零级衍射光反馈回主谐振腔。
所述反射式衍射光栅外腔采用Littrow外腔或Littmann外腔。
所述主谐振腔中掺镱双包层光纤长10-50m，纤芯半径4-15μm。
所述外腔中的衍射光栅为反射式衍射光栅，光栅参数为1200l/mm。
所述反射式衍射光栅固定在旋转台上，通过调整旋转台的角度实现激光波长的调谐输出。
所述反射式衍射光栅外腔中的声光调制器的参数范围如下射频信号频率27MHz-100MHz，脉冲重复频率1Hz-50kHz，脉冲宽度5-7μs。
所述反射式衍射光栅外腔为Littmann外腔时，可选用全反镜或反射式衍射光栅，出射激光脉冲的中心波长在全反镜的带宽范围内，反射率大于99％。
所述反射式衍射光栅外腔为Littmann外腔时，可选用两个反射式衍射光栅，对应的反射式衍射光栅的光栅参数均为1200l/mm。
本发明的有益效果是其工艺简单，性价比高，通过改进外腔的结构并可选择不同的激光器输出方式，利用其简单的结构和较少的光学元件，实现宽调谐、窄线宽、稳定的纳秒量级激光脉冲的输出。可广泛应用于激光加工、激光医疗、激光打标、种子光源等领域。
图1是本发明结构组成示意图，a是主谐振腔部分，b是外腔反馈部分；图2是Littmann外腔；图3a是输出纳秒脉冲时该光纤激光器的时域特性曲线图；图3b是输出纳秒脉冲时该光纤激光器的时域特性曲线单脉冲展开图；图4是声光调制器关闭时激光器输出激光功率特性曲线图；图5是声光调制器关闭时激光器输出激光的光谱图；图6a是声光调制器工作时激光器输出的光谱为最大输出功率曲线图；图6b是声光调制器工作时激光器输出的光谱为最小调谐波长曲线图；图6c是声光调制器工作时激光器输出的光谱为最大调谐波长曲线图；图中纵坐标为衰减后进入光谱仪的功率；横坐标为波长，单位为μm，PES表示测量时仪器的分辨率，Wp为峰值功率处的波长。
图7是激光脉冲输出功率与脉冲中心波长之间关系曲线图。
实施具体方式以下结合附图和较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式
、结构、特征详述如下参见图1～图7，一种短脉冲掺镱双包层光纤激光器，其特征由主谐振腔部分a和外腔反馈部分b两部分构成；主谐振腔a依次由半导体激光器1、耦合器2、二向色镜3、掺镱双包层光纤4构成；半导体激光器1是泵浦源；二向色镜3和掺镱双包层光纤4构成激光谐振腔；泵浦光经过耦合器2进入谐振腔中；外腔反馈部分b由耦合输出透镜5、声光调制器6、衍射光栅7构成；主谐振腔a输出的激光通过准直透镜耦合，通过声光调制器6入射到衍射光栅，反射回来的部分信号光再次通过声光调制器6、准直透镜耦合进入主谐振腔a；信号光通过声光调制器6后在衍射光栅处发生衍射，将零级衍射光反馈回主谐振腔a，一级衍射光输出。
参见图1，对本发明涉及的宽调谐、窄线宽、稳定的被动调Q脉冲掺镱双包层光纤激光器进行了具体的说明，它由两部分构成主谐振腔a、外腔反馈部分b构成。
主谐振腔a依次由半导体激光器1、耦合系统2、二向色镜3和掺镱双包层光纤4构成。半导体激光器是泵浦源，激射中心波长为975nm，线宽3nm。谐振腔的一个腔镜是二向色镜3，另一个腔镜是掺镱双包层光纤直切端面，直切端面的菲涅尔反射提供的反馈可以使激光器起振，这样二向色镜3和双包层掺镱光纤本身就构成了主谐振腔a。泵浦光经过耦合系统进入谐振腔中。主谐振腔的掺镱光纤长度为20m，掺杂浓度为0.65mol％，纤芯半径5.3μm，975nm处的吸收系数为5dB/m，二向色镜3参数与泵浦源的参数有关。例如，实验中选用为975nm处的反射率为97％，在1064nm处的反射率为0.2％。
外腔反馈部分b由准直透镜5、声光调制器6和反射式衍射光栅7构成，主谐振腔a输出的激光经过透镜准直后成为平行光，经过声光调制器6入射到衍射光栅7上。衍射光栅7对相应的激射波长产生反射式衍射，调节光栅的水平旋转方向使得零级衍射光经准直透镜反馈到主谐振腔a中，一级光输出。反射式衍射光栅7的中心波长为1064nm，1200l/mm，一级光的衍射效率为53％。在该装置中，反射式衍射光栅7固定在高度可以调节、水平方向可以的旋转的工作台上。
选用的声光调制器6无需水冷，其射频信号的频率80MHz，脉冲宽度为5-7μs。全反镜的参数，反射中心波长1064nm，反射率＞99％。
分别利用有全反镜8的Littmann外腔和Littrow外腔进行实验采用Littrow外腔时输出的激光脉冲的方向随光栅旋转方向的不同而发生变化。而在采用具有全反镜的Littmann外腔后，得到输出方向固定的激光脉冲输出，并且由于全反镜的反射率很高，所以有无全反镜对输出光谱、功率几乎没有影响。
参见图2，为Littman外腔，图中8为全反镜或者反射式衍射光栅。
参见图3a、图3b，为短脉冲掺镱双包层光纤激光器运转时的时域工作特性图。图3a为全图，从中我们可以看出输出的脉冲周期约500μs，频率为2KHz，输出ns脉冲的强度振幅抖动＜2％；图3b为展开图，可以看到在一个周期内仅存在一个脉冲，脉冲宽度小于5ns。
参见图4，为声光调制器关闭时激光器输出激光功率特性。
参见图5，为声光调制器关闭时激光器输出激光的光谱图。从输出端口出射波长为1078.7nm的激光；衰减后接入光谱分析仪。尽管声光调制器关闭，但是外腔依然存在，大大压窄了线宽，输出激光线宽仅为0.06nm。
参见图6a、图6b、图6c为声光调制器开启时激光器输出的光谱图。图6a示出最大输出功率为2W时的激光光谱，输出的中心波长为1082.46nm，光谱宽度为0.06nm。图6b示出最小调谐波长，此时输出中心波长为1075.72nm，光谱宽度为0.06nm。图6c示出最大调谐波长，此时输出中心波长为1140.2nm，光谱宽度很窄，为0.06nm。
参见图7，为输出功率与调谐波长之间的关系。
通过上述实验曲线和参数的比对分析，由泵浦增益单元和外腔反馈单元两个功能单元构成的本发明有效的保证了宽调谐、窄线宽、稳定的纳秒量级激光脉冲的输出，为激光加工、激光医疗、激光打标、种子光源等各个领域提供了广阔的应用前景。
上述参照实施例对该短脉冲掺镱双包层光纤激光器进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种短脉冲掺镱双包层光纤激光器，其特征由主谐振腔部分(a)和外腔反馈部分(b)两部分构成；主谐振腔(a)依次由半导体激光器(1)、耦合器(2)、二向色镜(3)、掺镱双包层光纤(4)构成；半导体激光器(1)是泵浦源；二向色镜(3)和掺镱双包层光纤(4)构成激光谐振腔；泵浦光经过耦合器(2)进入谐振腔中；外腔反馈部分(b)由耦合输出透镜(5)、声光调制器(6)、衍射光栅(7)构成；主谐振腔(a)输出的激光通过准直透镜耦合，通过声光调制器(6)入射到衍射光栅，反射回来的部分信号光再次通过声光调制器(6)、准直透镜耦合进入主谐振腔(a)；信号光通过声光调制器(6)后在衍射光栅处发生衍射，将零级衍射光反馈回主谐振腔(a)，一级衍射光输出。
2.根据权利要求1所述的短脉冲掺镱双包层光纤激光器，其特征在于所述半导体激光器的波长范围是900nm-1000nm。
3.根据权利要求1所述的短脉冲掺镱双包层光纤激光器，其特征在于所述激光器的谐振腔由主谐振腔与反射式衍射光栅外腔构成；通过将衍射光栅对信号光的零级衍射光反馈回主谐振腔。
4.根据权利要求1或3所述的短脉冲掺镱双包层光纤激光器，其特征在于所述反射式衍射光栅外腔采用Littrow外腔或Littmann外腔。
5.根据权利要求1或3所述的短脉冲掺镱双包层光纤激光器，其特征在于所述主谐振腔中掺镱双包层光纤长10-50m，纤芯半径4-15μm。
6.根据权利要求1或3所述的短脉冲掺镱双包层光纤激光器，其特征在于所述外腔中的衍射光栅为反射式衍射光栅，光栅参数为1200l/mm。
7.根据权利要求1或3所述的短脉冲掺镱双包层光纤激光器，其特征在于所述反射式衍射光栅固定在旋转台上，通过调整旋转台的角度实现激光波长的调谐输出。
8.根据权利要求1或3所述的短脉冲掺镱双包层光纤激光器，其特征在于所述反射式衍射光栅外腔中的声光调制器的参数范围如下射频信号频率27MHz-100MHz，脉冲重复频率1Hz-50kHz，脉冲宽度5-7μs。
9.根据权利要求1或4所述的短脉冲掺镱双包层光纤激光器，其特征在于所述反射式衍射光栅外腔为Littmann外腔时，可选用全反镜或反射式衍射光栅，出射激光脉冲的中心波长在全反镜的带宽范围内，反射率大于99％。
10.根据权利要求1或4所述的短脉冲掺镱双包层光纤激光器，其特征在于所述反射式衍射光栅外腔为Littmann外腔时，可选用两个反射式衍射光栅，对应的反射式衍射光栅的光栅参数均为1200l/mm。
全文摘要
本发明涉及一种短脉冲掺镱双包层光纤激光器，其特征由主谐振腔和外腔反馈两部分构成；主谐振腔依次由半导体激光器、耦合器、二向色镜、掺镱双包层光纤构成，半导体激光器是泵浦源；二向色镜和掺镱双包层光纤构成激光谐振腔；泵浦光经过耦合器进入谐振腔中；外腔反馈部分由耦合输出透镜、声光调制器、衍射光栅构成；主谐振腔输出的激光通过准直透镜耦合，通过声光调制器入射到衍射光栅，反射回来的部分信号光再次通过声光调制器、准直透镜耦合进入主谐振腔；信号光通过声光调制器后在衍射光栅处发生衍射，将零级衍射光反馈回主谐振腔，一级衍射光输出。其结构简单，性价比高，可实现宽调谐、窄线宽、稳定的纳秒量级激光脉冲的输出，应用非常广泛。
文档编号H01S3/10GK1776974SQ20051001648
公开日2006年5月24日 申请日期2005年11月29日 优先权日2005年11月29日
发明者胡姝玲, 杨广荣, 王守朝, 龙井华, 高春清, 于竞, 张敬周 申请人:胡姝玲