专利名称：瓦级980nm单模掺镱光纤激光器及其倍频系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种瓦级980nm单模掺镱光纤激光器和其倍频系统，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的水平也在逐步提高，加上高功率半导 体激光器的飞速发展，使得光纤激光器的优势特点在激光加工、激光医疗、 光通信及国防等应用领域得到充分的发挥，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 。
在众多的惨杂光纤激光器中，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。另外980nm激光通过倍频还可以获 得490nm蓝绿光的输出，490nm蓝绿波段是海水的窗口波段，在海底通信，海 洋资源探测中具有重要应用。
准三能级单模惨镱光纤激光器在国内鲜有报道，在国外报道也不多。2000 年Corning公司用1. 1W的Nd:YAG (掺钕的钇铝石榴石)固体激光器泵浦单包 层掺镱全光纤激光器获得了 0. 65W的单模980nm激光。2005年巴黎南大学用 915mnNd:YV04 (掺钕的钒酸钇)固体激光器泵浦单模掺镱光纤激光器获得了 2W的978nm激光输出，经过PPLN (周期性极化铌酸锂)倍频晶体获得83mW 的489nm的蓝绿光。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，这对输出980nm的光束质量和聚焦系统均有很高的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种瓦级980nm单模掺镱光纤激光器和其倍频 系统，本发明具有功率大、结构简单、操作方便的优点。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。本发明包括沿光的传 播方向依次设置的808nm半导体激光器、第一透镜、第二透镜、946nmNd:YAG 固体激光器、946nm高反镜、第一二色镜、第三透镜、单模掺镱光纤、第四透 镜、第二二色镜和倍频系统。所述的946nmNd:YAG固体激光器包括Nd:YAG晶 体和凹面输出镜。所述的倍频系统包括第五透镜、第一BIBO晶体、第一滤光 镜、第六透镜、第二BIBO晶体和第二滤光镜。从808nm半导体激光器发出 的激光依次经过第一透镜、第二透镜准直聚焦后，泵浦Nd:YAG晶体； 946nmNd:YAG固体激光器通过凹面输出镜5输出946nm激光，946nm激光依次 经过946nm高反镜和第一二色镜折叠，再经过第三透镜聚焦到单模掺镱光纤 中，980nm激光和剩余的946nm泵浦光从单模掺镱光纤的两端面出射，分别经 过第三透镜和第四透镜准直后，又分别透过第一二色镜和第二二色镜滤光得 到980nm激光，从第一二色镜和第二二色镜出射的980rnn激光激光分别通过 倍频系统中的第六透镜和第五透镜聚焦到第二BIBO晶体和第一BIBO晶体上 进行倍频，再分别经过第二滤光镜和第一滤光镜将980nm基频光滤除，获得 490. 8nm蓝光输出。
本发明用结构最简单的谐振腔实现了 946nm泵浦的瓦级准三能级单模掺 镱光纤激光器，通过对光纤长度的选择获得980nm激光的最大输出，并且采 用块状的倍频晶体BIBO构成了结构简单，操作方便的倍频系统，较容易地实
现了对单模宽线宽980nm激光的倍频，倍频后获得了 15mW的490. 8nm蓝光。 这种980nm单模惨镱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，倍频后获得490.8nm蓝光可应用于海底通信，海洋资源探测。
图1本发明946nm固体激光器泵浦准三能级单模掺镱光纤激光器及倍频系统 的结构示意图
图中1. 808nm半导体激光器，2.第一透镜，3.第二透镜，4. Nd:YAG 晶体，5.凹面输出镜，6.946nm高反镜，7.第一二色镜，8.第三透镜，9.单模 掺镱光纤，IO.第四透镜，ll.第二二色镜，12.第五透镜，13.第一BIB0晶体， 14.第一滤光镜，15.第六透镜，16.第二BIBO晶体，17.第二滤光镜。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步说明
如图1所示，本实施例包括带尾纤的808nm半导体激光器1、第一透镜2、 第二透镜3、 946nmNd:YAG固体激光器、946nm高反镜6、第一二色镜7、第三 透镜8、单模掺镱光纤9、第四透镜IO、第二二色镜ll和倍频系统。所述的 946nmNd:YAG固体激光器包括Nd:YAG晶体4和凹面输出镜5。所述的倍频系 统包括第五透镜12、第一 BIBO晶体13、第一滤光镜14、第六透镜15、第 二 BIBO晶体16和第二滤光镜17。
如图1所示808nm半导体激光器1发出的激光通过芯径200 u m、数值 孔径为0. 22的尾纤输出，LD最大电流32. 8A对应808nm激光最大输出功率为 23.4W。 808nm光依次经过两焦距均为25mm的第一凸透镜2、第二凸透镜3准 直聚焦后，泵浦Nd:YAG晶体，Nd:YAG固体激光器通过凹面输出镜5输出946nm 激光，其输出最大为4. 23W的946nm的激光(电流1=32. 8A)，其最大基模输 出功率为3. 44W (电流I=28A)。 946nm激光依次通过946nm高反镜6和第一二 色镜7折叠，再经过第三透镜8 (焦距f42.7)聚焦到36mm的单模惨镱光纤 9中，946mn光基模输出时的入纤耦合效率为58. 1%。 980nm激光从单模掺镱
光纤9的两端面出射，分别经过第三透镜8、第四透镜10准直后，又分别通 过第一二色镜7、第二二色镜11出射，第一二色镜7、第二二色镜11是对946nm 光高反，对980nm光高透，起滤光的作用。测量得到从第一二色镜7出射的 激光最大功率为642mW，从第二二色镜ll出射的激光最大功率为681mW，泵 浦光阈值约为68mW，激光器的总斜效率为75. 3%，光转化效率为66% (从入纤 946nm泵浦光到980nm激光输出)。激光在978nm 982nm均有输出，输出线宽 为4nm，中心波长为980nm。
将从第一二色镜7、第二二色镜11出射的单模980mn激光分别通过第六透 镜15和第五透镜12聚焦到两个3X3X10 (mm)未镀膜的第二 BIBO晶体16 和第以BIBO晶体13上进行倍频，再经过第二滤光镜17和第一滤光镜14，将 980nm基频光滤除，最后获得了总功率为15mW的490. 8nm蓝绿激光，倍频转 化效率为1. 1%。
946nmNd:YAG端泵固体激光器4是掺镱光纤激光器的泵浦源。单模掺镱光 纤在946mn处的吸收截面相对较大，而且单模光纤要求的泵浦光光束质量高， 因此采用946nmNd:YAG端泵固体激光器作为泵浦源，946nm激光最大输出为 4. 23W (电流1=32. 8A)，激光基模最大输出功率为3. 44W (电流I=28A)。通过 946nm高反镜6和第一二色镜7折叠并且通过第三透镜8聚焦入射到单模掺镱 光纤9中。这样有利于实现激光双端出射，并且能够避免980nm激光入射到 Nd:YAG固体激光器4中影响946nm光的输出甚至损坏晶体。
掺镱光纤谐振腔就是整个单模掺镱光纤9， 946nm泵浦光是通过折叠式入 射到单模掺镱光纤9中，单模掺镱光纤9的芯径为6 u m,对泵浦光946nm吸 收系数大约为30dB/m，光纤两端面被研磨成O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。 激光从单模掺镱光纤9两端面出射，分别通过第三透镜8和第四透镜10聚焦， 又分别透过第一二色镜7和第二二色镜11滤光，滤除946nm泵浦光，得到980nm
激光。从单模掺镱光纤9两端输出的功率相等。
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，单模 掺镱光纤激光器中四能级的增益是与准三能级的增益成线性正比关系的，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得 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，这时输出激光功率最大，激光器效率也最高。经过理论
数值模拟和实验验证，单模掺镱光纤存在一个最佳长度值，为34cm。
本实施例中的倍频系统是用新型晶体BIB0对聚焦后的980nm激光进行倍 频获得490.8nm蓝光。选择倍频晶体的关键因素有非线性系数、接受波长、 温度带宽和走离角等。报道中倍频准三能级掺镱光纤激光器产生490nm的蓝 光通常使用周期性极化晶体PPLN和PPKTP (周期性极化磷酸钛氧钾)。尽管 周期性极化晶体的非线性系数很高，但是它的接受波长和温度带宽都很小， 即对基频光的线宽要求很窄，对晶体的温度需要严格的控制，而且周期性极 化晶体的厚度方向尺寸很小，对基频光的光束质量和耦合系统要求很高。所 以在实验中，我们考虑使用其他的倍频晶体。BIBO晶体是一种比较新型的晶 体，尽管BIBO晶体在I类相位匹配情况下的走离角比较大，但其非线性系数 (《#=3.24)是LBO (三硼酸锂)的4倍，是BBO (偏硼酸钡)倍频晶体的1.6 倍，损伤阈值很高与LBO晶体相似，最大接受角度和最大接受温度均满足实 验的要求。综合考虑后，在本实验中选用BIB0晶体对单模980nm激光进行倍 频。在本发明中，第一次使用了BIBO晶体对准三能级掺镱光纤激光器激光进
行倍频，两端输出的980nm激光分别通过透镜聚焦到3 X 3 X 10 (mm)的BIBO晶 体上，980nm激光倍频后获得的490. 8nm蓝光透过滤光镜(滤出980nm基频光) 输出。
权利要求
1、瓦级980nm单模掺镱光纤激光器及其倍频系统，包括沿光的传播方向依次设置的808nm半导体激光器(1)、第一透镜(2)、第二透镜(3)、946nmNd:YAG固体激光器；所述的946nmNd:YAG固体激光器包括Nd:YAG晶体(4)和凹面输出镜(5)；其特征在于还包括946nm高反镜(6)、第一二色镜(7)、第三透镜(8)、单模掺镱光纤(9)、第四透镜(10)、第二二色镜(11)和倍频系统；所述的倍频系统包括第五透镜(12)、第一BIBO晶体(13)、第一滤光镜(14)、第六透镜(15)、第二BIBO晶体(16)和第二滤光镜(17)；从808nm半导体激光器(1)发出的激光依次经过第一透镜(2)、第二透镜(3)准直聚焦后，泵浦Nd:YAG晶体(4)；946nmNd:YAG固体激光器通过凹面输出镜(5)输出946nm激光，946nm激光依次经过946nm高反镜(6)和第一二色镜(7)折叠，再经过第三透镜(8)聚焦到单模掺镱光纤(9)中，980nm激光和剩余的946nm泵浦光从单模掺镱光纤(9)的两端面出射，分别经过第三透镜(8)和第四透镜(10)准直后，再分别透过第一二色镜(7)和第二二色镜(11)滤光得到980nm激光，从第一二色镜(7)和第二二色镜(11)出射的980nm激光激光分别通过倍频系统中的第六透镜(15)和第五透镜(12)聚焦到第二BIBO晶体(16)和第一BIBO晶体(13)上进行倍频，再分别经过第二滤光镜(17)和第一滤光镜(14)将980nm基频光滤除，获得490.8nm蓝光输出。
全文摘要
本发明是一种瓦级980nm单模掺镱光纤激光器及其倍频系统。Nd:YAG固体激光器泵浦源采用折叠式泵浦方式入射到单模掺镱光纤中，光纤激光器的谐振腔是整个单模掺镱光纤，单模掺镱光纤的两0度角光纤端面作为谐振腔的腔镜，通过合理选择光纤长度来抑制四能级起振和实现980nm激光的最大输出，使用倍频晶体BIBO对980nm激光进行倍频获得490.8nm的蓝光。通过这套结构简单，操作方便的系统实现了瓦级单模980nm激光输出，倍频后获得了15mW的490.8nm蓝光。这种980nm单模掺镱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。倍频后获得的490.8nm蓝光可应用于海底通信，海洋资源探测。
文档编号H01S3/067GK101355225SQ20081022309
公开日2009年1月28日 申请日期2008年9月27日 优先权日2008年9月27日
发明者港 李, 李平雪, 王凌昊, 邹淑珍, 檬 陈 申请人:北京工业大学