专利名称：980nm双包层光子晶体光纤激光器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种980nm双包层光子晶体光纤激光器，属激光技术领域。
背景技术：
光纤激光器是以掺有稀土离子的光纤作为增益介质的激光器，随着掺杂技术不断发展，掺杂光纤的设计与制造水平也在逐步提高，加上高功率半导体激光器的飞速发展，光纤激光器由于其效率高、光束质量好、体积小、无水冷、可实现全纤化等优点，在光通信、光传感、激光加工等领域都获得了广泛的应用，与传统的固体激光器竞争，成为当前激光领域中发展最快的激光技术之一。在众多的掺杂光纤激光器中，掺镱光纤激光器发展最为迅速。当前高功率的光纤激光器主要以四能级的掺镱光纤激光器为主。与其他掺杂光纤激光器相比，它不存在激发态吸收(ESA)，不存在浓度淬灭效应和量子转换效率高的优点。准三能级掺镱光纤激光器的输出波长为980nm，980nm激光器是掺铒光纤放大器的重要泵浦光源。随着密集波分复用的频道数的增加，对掺铒光纤放大器输出激光的功率提出了越来越高的要求，获得高功率高光束质量980nm激光源就成为需要解决的关键问题之一。与980nm半导体激光器相比，980nm光纤激光器可以同时具有输出功率高、光束质量好和容易实现功率合成的优点。最初人们多采用普通的高掺杂单模掺镱光纤作为增益介质实现980nm激光输出。但由于普通单模掺镱光纤小的纤芯尺寸限制，泵浦源只能采用输出功率为百mW量级的915nm或940nm单模半导体激光器，所以限制了激光器输出功率的提高。光子晶体光纤的出现解决了这一问题，利用掺镱光子晶体光纤的大数值孔径、大模面积、易保持单模传输的特性，可以获得高功率高光束质量的980nm激光输出。980nm掺镱光纤激光器的研究国内外已有相关报导，如2003年南安普斯顿大学用数值孔径大于0. 7的光子晶体光纤作增益介质，获得1.4W单模977nm激光输出。同年，他们又报道了用自行设计的数值孔径为0. 5，内包层直径观μ m,纤芯直径10 μ m的光子晶体光纤，获得3. 5W近衍射极限977nm的激光，斜效率达到42%。2008年，德国的弗里德耶拿大学通过915nm泵浦纤芯直径为80 μ m,内包层为200 μ m的棒状光子晶体光纤，获得94W的980nm激光输出。同年，法国利用大功率的915nm激光器泵浦相同规格的光子晶体光纤，获得了 94W的977nm的激光输出。本实验室对980nm普通单模掺镱光纤激光器和放大器进行了首次的理论和实验研究。利用自制的946nm激光器泵浦普通的单模掺镱光纤，通过理论计算和模拟分析，选择最佳的光纤参数，实验上获得1. 32W的980nm单模输出。全光纤激光器利用光栅为反馈腔镜和输出镜实验了 980nm小功率输出，这种简单方便的结构是准三能级掺镱光纤激光器的发展趋势，但是这种激光器输出功率较小，不能满足一些应用中的要求。使用一般的平镜作为腔镜实验2W978nm输出的光纤激光器结构复杂，稳定性差，并且由于倍频晶体PPLN的接受波长和温度带宽都很小，而且周期性极化晶体的厚度方向尺寸很小，所以在获得980nm激光时，对光束质量和聚焦系统均有很高的要求。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供了一种980nm双包层光子晶体光纤激光器，本实用新型具有结构简单、操作方便的优点。为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。本实用新型包括沿光的传播方向依次设置的915nm半导体激光二极管1、第一平凸透镜2、二色镜3、第二平凸透镜4、 双包层光子晶体光纤5、透镜6和滤光镜7。从915nm半导体激光二极管1发出的激光依次经过第一平凸透镜2、二色镜3、第二平凸透镜4准直聚焦后，耦合进双包层光子晶体光纤5 ； 980nm激光和剩余的915nm泵浦光从双包层光子晶体光纤的两端面出射，分别透过第二平凸透镜4与二色镜3、透镜6与滤光镜7滤光得到980nm激光输出。上述的915nm半导体激光二极管1带有尾纤8。所述的二色镜3对915nm光高透、980nm光高反，起滤光作用。所述的滤光镜7为镀有980nm高透，915 946nm高反以及1030 IlOOnm高反膜的多色镜。本实用新型可以获得如下有益效果在实用新型中，采用915nm半导体激光二极管1作为双包层光子晶体光纤激光器的泵浦源。由于掺镱的光子晶体光纤在915nm处的吸收截面相对较大，而且双包层的光子晶体光纤有效芯径面积比较大，泵浦光比较容易耦合进光纤，通过对915nm高透、对980nm 高反的二色镜3和第二平凸透镜4聚焦入射到双包层光子晶体光纤5中，实现激光双端出射，并且能够避免980nm激光入射到915nm半导体激光二极管中影响915nm光的输出甚至损坏二极管。本实用新型用结构最简单的谐振腔即用光子晶体光纤的两个0°角的端面直接作为谐振腔实现了用现有的915nm激光二极管泵浦的准三能级双包层光子晶体光纤激光器，通过理论计算和模拟，选择最佳光纤长度获得980nm激光的最大输出，构成了结构简单，操作方便的激光器。这种980nm双包层光子晶体光纤激光器可作为掺铒光纤放大器的泵浦光源，广泛应用于通信领域；同时980nm激光通过倍频晶体还可获得490nm激光输出， 应用于海洋探测领域。与其他的单模光纤或者棒状光子晶体光纤相比，我们所用的大柔性大模场的光子晶体光纤造作性更强。因为采用棒状的光子晶体光纤存在一个缺陷就是光纤不能弯曲，很容易折断；而普通的单模掺镱光纤由于本身的结构限制了泵浦光的耦合效率，从而限制了 980nm激光的高功率输出。所以我们尝试在普通柔性的大模场双包层光子晶体光纤中实现 980nm激光输出。根据已有的掺镱光纤中980nm与1030nm的增益关系分析，合理设计光子晶体光纤的最佳长度，实验中用光纤耦合输出的波长为915nm的二极管(LD)泵浦掺镱光子晶体光纤，在双端输出方式下获得463. 3mff的980nm连续单模激光输出，光纤激光器的斜效率为17.8%，两个0°度角的光纤端面作为腔镜；单端输出方式中，即0°度角的光纤端面和高反镜作为腔镜时，980nm激光的输出功率达到M3mW，相应的斜效率为11. 6%。实验中采用光子晶体光纤的包层直径为200 μ m，纤芯直径为40 μ m，光纤长度为45cm，采用平平腔结构，实验中测得光谱带宽为6nm，中心波长为980nm。
图1本实用新型915nm半导体激光二极管泵浦准三能级双包层光子晶体光纤激光器的结构示意图图中1.915nm半导体激光二极管，2.第一平凸透镜，3. 二色镜，4.第二平凸透镜， 5.双包层光子晶体光纤，6.透镜，7.滤光镜，8.尾纤。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步说明如图1所示，本实施例包括带尾纤的915nm半导体激光二极管1、第一平凸透镜2、 二色镜3、第二平凸透镜4、双包层光子晶体光纤5、透镜6、滤光镜。如图1所示915nm半导体激光二极管1发出的激光通过芯径200 μ m、数值孔径为0. 22的尾纤8输出，LD最大电流45A对应915nm激光最大输出功率为30W。915nm光依次经过焦距为8mm的第一平凸透镜2、二色镜3、焦距为8mm的第二平凸透镜4准直聚焦后， 其输出最大输出功率为28. 5W，直接耦合进双包层光子晶体光纤5中，实验中测得915nm激光的耦合效率为81. 1%。980nm激光从双包层光子晶体光纤5的两端面出射，分别经过第二平凸透镜4、透镜6准直后，又分别通过二色镜3、滤光镜7出射，二色镜3对915nm光高透、980nm光高反，起滤光作用，滤光镜7为镀有980nm高透，915 946nm高反以及1030 IlOOnm高反的多色镜，在本实验中作为980nm激光输出的滤波片。二色镜3和滤光镜7反射的光不需要必须重新经过平凸透镜4和光子晶体光纤5。测量得到从二色镜3出射的激光最大功率为254. 3mW，从滤光镜7出射的激光最大功率为209mW，泵浦光阈值约为16. 2W, 激光器的总斜效率为17. 8%，激光在978nm 982nm均有输出，输出线宽为6nm，中心波长为 980nm。掺镱光纤谐振腔就是整个双包层光子晶体光纤5，915nm泵浦光是通过带有二色镜的耦合系统入射到双包层光子晶体光纤5中，双包层光子晶体光纤5的包层直径为 200 μ m，纤芯直径为4(^111，对泵浦光91511111吸收系数大约为30dB/m，光纤两端面被研磨成0°度角，并且直接作为谐振腔的两腔镜，光纤两端面对激光的反射率为4% (菲涅尔反射)，与用平面镜作为腔镜的谐振腔相比，最大限度地降低了腔内损耗，并且结构简单，调节方便。激光从双包层光子晶体光纤5两端面出射，分别通过第二平凸透镜4和透镜6聚焦， 又分别透过二色镜3和滤光镜7滤光，滤除915nm泵浦光，得到980nm激光。从双包层光子晶体光纤5两端输出的功率基本相等。由于掺镱光纤激光器的四能级非常容易起振，所以抑制四能级起振是保证准三能级运转的前提。在泵浦吸收系数和激光吸收系数确定的情况下，双包层光子晶体光纤激光器中四能级的增益与准三能级的增益成线性正比关系，而准三能级的增益与光纤长度有密切关系。通过选择合适的光纤长度可以使四能级增益小于准三能级增益，从而保证准三能级掺镱光纤激光器的正常运转。准三能级掺镱光纤激光器对激光有重吸收效应，在满足充分吸收泵浦光的前提下，选择光纤长度要避免掺镱光纤对激光有过多的重吸收。所以设计增益光纤长度必须均衡考虑激光的最大输出和抑制四能级起振对光纤长度的要求，即光纤长度在满足抑制四能级起振的前提下，光纤长度需要符合以下原则当泵浦光传播到光纤末端时，剩余的泵浦光功率正好等于光纤准三能级起振的阈值功率，这样的光纤长度可以结合理论计算和实验模拟获得最佳的光纤长度。这时输出激光功率最大，激光器效率也最高，先截取45cm长的光子晶体进行实验研究。 以上为本实用新型的基本实施方式，任何基于本实用新型的本领域人员结合现有知识得到的实施方式也属于本实用新型的保护范畴。
权利要求1.980nm双包层光子晶体光纤激光器，其特征在于其包括沿光的传播方向依次设置的915nm半导体激光二极管(1)、第一平凸透镜O)、二色镜(3)、第二平凸透镜、双包层光子晶体光纤(5)、透镜(6)和滤光镜(7)；从915nm半导体激光二极管(1)发出的激光依次经过第一平凸透镜O)、二色镜(3)、 第二平凸透镜(4)准直聚焦后，耦合进双包层光子晶体光纤(5) ；980nm激光和剩余的 915nm泵浦光从双包层光子晶体光纤的两端面出射，分别透过第二平凸透镜(4)与二色镜 (3)、透镜(6)与滤光镜(7)滤光得到980nm激光输出。
2.根据权利要求1所述的980nm双包层光子晶体光纤激光器，其特征在于上述的 915nm半导体激光二极管(1)带有尾纤(8)。
3.根据权利要求1所述的980nm双包层光子晶体光纤激光器，其特征在于所述的二色镜C3)对915nm光高透、980nm光高反，起滤光作用。
4.根据权利要求1所述的980nm双包层光子晶体光纤激光器，其特征在于所述的滤光镜(7)为镀有980nm高透，915 946nm高反以及1030 IlOOnm高反膜的多色镜。
专利摘要一种980nm双包层光子晶体光纤激光器，属激光技术领域，其包括其包括沿光的传播方向依次设置的915nm半导体激光二极管、第一平凸透镜、二色镜、第二平凸透镜4、双包层光子晶体光纤、透镜和滤光镜；通过合理选择双包层光子晶体光纤长度来抑制四能级起振和实现980nm激光的最大输出。通过这套结构简单，操作方便的系统实现了980nm激光输出。这种980nm双包层光子晶体光纤激光器可作为掺铒光纤放大器的泵浦光源，广泛应用于通信，980nm激光通过倍频晶体可得到490nm激光输出，可应用于海洋探测领域。
文档编号H01S3/067GK202059039SQ20112008952
公开日2011年11月30日 申请日期2011年3月30日 优先权日2011年3月30日
发明者刘志, 张雪霞, 李平雪, 池俊杰 申请人:北京工业大学