专利名称：大功率多波段多芯光纤激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及大功率多波段多芯光纤激光器，属于大功率宽带光纤激光器、特种光
纤技术领域。
背景技术：
掺稀土光纤激光器以其卓越的性能和低廉的价格，在光纤通信、工业加工、医疗、 军事等领域取得了日益广泛的应用。掺稀土元素有Nd， Sm， Ho， Er， Pr， Tm， Yb等，由于掺稀 土元素的光电学特性彼此之间都不相同，导致各掺稀土元素工作波长范围也不一样。例如， 掺钕光纤激光器工作波长范围为900-950nm， 1000-1150nm， 1320-1400nm ;掺铒光纤激光器 工作波长范围为550nm， 850nm， 980-1000nm， 1500-1600nm， 1660nm， 1720nm， 2700nm ;掺镱 光纤激光器工作波长范围为970-1040nm ;掺钍光纤激光器工作波长范围为455nm，480nm， 803-825nm， 1460-1510nm， 1700-2015nm， 2250-2400nm ;掺镨光纤激光器工作波长范围为 490nm， 520nm， 601_618线631_641线707_725线880_886线902_916线1060-1110nm， 1260-1350nm ;掺钬光纤激光器工作波长范围为550nm， 753nm， 1380nm， 2040-2080nm， 2900nm，掺钐光纤激光器工作波长范围为651nm。掺不同的玻璃基质的稀土离子，其增益带 宽与性质也有差异，例如纯硅光纤玻璃基质的掺铒光纤，其波长1500nm时增益半波谱宽为 7. 94nm，而铝磷硅光纤玻璃基质的掺铒光纤，其波长1500nm时增益半波谱宽为43. 3nm[W. J. Miniscalco. Optical and electronic properties ofrare—earth ions in glasses in rare—earth doped fiber lasers and amplifier. NewYork :Marcel Dekker. 2001，pp : 17-112]。 2002年5月国际电信联盟ITU-T组织将光纤通信系统光波段划分如下O波段(原 始波段)为1260-1360nm， E波段(扩展波段)为1360_1460nm ;S波段(短波长波段)为 1460-1530nm，C波段(常规波段)为1530_1565nm ;L波段(长波长波段)为1565_1625nm ; U波段(超长波长波段)为1625-1675nm 。 现有的光纤激光器多涉及单个波段或相邻两波段，覆盖波长范围小于lOOnm， 如美国IPG公司报道的ELT系列的C+L波段波长可调谐光纤激光器，其波长调谐范围为 1540-1605nm。现有实现波长范围超过lOOnm的多波段激光的器件中，需要先产生单波段或 波长范围小于lOOnm的相邻两波段激光，最后将这些单波段或波长范围小于lOOnm的相邻 两波段激光进行合波处理，结构复杂、引入的插入损耗大、分立元件多，可靠性差、对环境敏 感且成本很高。
发明内容
为了克服已有光纤激光器仅仅只能产生单波段或波长范围小于lOOnm的相邻两 波段激光的缺点，本发明提供一种波长范围超过lOOnm的多波段多芯光纤激光器。
本发明的技术方案 —种大功率多波段多芯光纤激光器，该激光器包括泵浦源、有源光纤；有源光纤采用的是多掺稀土离子多芯双包层光纤；在多掺稀土离子多芯双包层光纤的所有纤芯中，写 入所有纤芯所含全部或部分掺稀土离子的激射波长的100%反射系数的光栅，或在多掺稀 土离子多芯双包层光纤端面上镀所有纤芯所含全部或部分掺稀土离子的激射波长的100% 反射系数的膜； 在多掺稀土离子多芯双包层光纤的所有纤芯中，写入所有纤芯所含全部或部分掺
稀土离子的激射波长的部分反射系数的光栅，或在多掺稀土离子多芯双包层光纤端面上镀
所有纤芯所含全部或部分掺稀土离子的激射波长的部分反射系数的膜； 写入的对应掺稀土离子的激射波长的100%反射系数的光栅，或在多掺稀土离子
多芯双包层光纤端面上镀的对应掺稀土离子的激射波长的100%反射系数的膜，与写入的
对应掺稀土离子的激射波长的部分反射系数的光栅，或在多掺稀土离子多芯双包层光纤端
面上镀的对应掺稀土离子的激射波长的部分反射系数的膜以及两者之间的多掺稀土离子
多芯双包层光纤构成谐振腔； 写入的对应掺稀土离子的激射波长的100%反射系数的光栅，或在多掺稀土离子 多芯双包层光纤端面上镀的对应掺稀土离子的激射波长的100%反射系数的膜为谐振腔的 输入端； 写入的对应掺稀土离子的激射波长的部分反射系数的光栅，或在多掺稀土离子多 芯双包层光纤端面上镀的对应掺稀土离子的激射波长的部分反射系数的膜为谐振腔的输 出端； 泵浦源耦合进多掺稀土离子多芯双包层光纤，产生多波段激光从谐振腔的输出端 输出。 所述的掺稀土离子的激射波长的部分反射系数光栅是指掺稀土离子的激射波长 的反射系数小于100%的光栅；所述的掺稀土离子的激射波长的部分反射系数膜是指掺稀 土离子的激射波长的反射系数小于100%的膜。 泵浦源，对有源光纤进行端面泵浦或侧面泵浦或同时端面泵浦与侧面泵浦。
泵浦源为多波段多芯光纤激光器掺稀土离子吸收截面对应的波长范围内光源。
泵浦源，或由多个不同的波长范围的泵浦源构成，其总的泵浦源波长范围对应多 波段多芯光纤激光器掺稀土离子吸收截面对应的波长范围内。 为了将掺稀土元素工作波长范围全部覆盖上，这里定义A波段(最短波长波段) 为小于1260nm ;Z波段(最长波长波段)为大于1675nm。 本发明的有益效果具体如下这种大功率多波段多芯光纤激光器，能同时产生A、 0、 E、 S， C， L， U、 Z波段的激光。相对于现有实现波长范围超过100nm的多波段激光的器件 中，需要先产生单波段或波长范围小于100nm的相邻两波段激光，最后将这些单波段或波 长范围小于100nm的相邻两波段激光进行合波处理，采用多波段多芯光纤激光器结构更加 紧凑，插入损耗降低，可靠性提高，受环境影响小等优点。由于采用多掺稀土离子多芯双包 层光纤，各掺稀土离子纤芯空间上独立，因此不需要用复杂的光机电的控制系统来消除激 光信号之间的串扰问题，容易处理输出激光信号。
图1为大功率两波段两芯光纤激光器示意图。
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图2为两掺稀土离子两芯双包层光纤截面图。 图3为大功率三波段四芯光纤激光器示意图。 图4为三掺稀土离子四芯双包层光纤截面图。 图5为大功率五波段六芯光纤激光器示意图。 图6为五掺稀土离子六芯双包层光纤截面图。 图7为大功率八波段十二芯光纤激光器示意图。 图8为九掺稀土离子十二芯双包层光纤截面图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例一 —种大功率两波段两芯光纤激光器如图1所示，第一泵浦源11、有源光纤3，有源 光纤3采用的是两掺稀土离子两芯双包层光纤；在两掺稀土离子两芯双包层光纤的所有纤 芯中，写入铒离子的激射波长1550nm与镱离子的激射波长1064nm的反射系数均为100%的 第一光栅21 ; 在两掺稀土离子两芯双包层光纤的所有纤芯中，写入铒离子的激射波长1550nm 与镱离子的激射波长1064nm的反射系数均为5%的第二光栅22 ; 第一光栅21和第二光栅22与这两光栅之间的一段两掺稀土离子两芯双包层光纤 构成谐振腔，第一光栅21为谐振腔的输入端，第二光栅22为谐振腔的输出端。
第一泵浦源11端面耦合进两掺稀土离子两芯双包层光纤，产生A波段1064nm与 C波段1550nm的激光从谐振腔的输出端输出。 两掺稀土离子两芯双包层光纤截面图如图2所示，内包层包括掺铒离子纤芯61， 掺镱离子纤芯62，纤芯61与62直径均为5 ii m，内包层5直径为60 y m，外包层4直径为 125 ii m。 第一泵浦源11为铒离子、镱离子吸收截面对应的波长范围内光源。 第一泵浦源ll，或由两个不同的波长范围的泵浦源构成，一个为铒离子吸收截面
对应的波长范围内光源， 一个为镱离子吸收截面对应的波长范围内光源。 实施例二 —种大功率三波段四芯光纤激光器，如图3所示，该激光器包括第一泵浦源11、有 源光纤3 ;有源光纤3采用的是三掺稀土离子四芯双包层光纤；在三掺稀土离子四芯双包 层光纤的所有纤芯中，写入钕离子的激射波长1060nm、钍离子的激射波长2280nm的反射系 数均为100%的第三光栅23，在三掺稀土离子四芯双包层光纤端面上镀钬离子的激射波长 1380nm的100%反射系数的第一膜71 ; 在三掺稀土离子四芯双包层光纤的所有纤芯中，钕离子的激射波长1060nm、钍离 子的激射波长为2280nm的反射系数均为30%的光栅24，在三掺稀土离子四芯双包层光纤 端面上镀钬离子的激射波长1380nm的30%反射系数的第二膜72。 第三光栅23和第四光栅24与这两光栅之间的一段三掺稀土离子四芯双包层光纤 构成第一个谐振腔，第三光栅23为第一个谐振腔的输入端，第四光栅24为第一个谐振腔的 输出端。
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第一膜71和第二膜72与这两膜之间的一段三掺稀土离子四芯双包层光纤构成第 二个谐振腔，第一膜71为第二个谐振腔的输入端，第二膜72为第二个谐振腔的输出端。
第一泵浦源11侧面耦合进三掺稀土离子四芯双包层光纤，产生A波段的1060nm、 E波段的1380nm与Z波段的2280nm的激光从两谐振腔的输出端输出。
三掺稀土离子四芯双包层光纤截面图如图4所示，内包层包括钕镱互掺离子纤芯 63，掺钬离子纤芯64，掺钍离子纤芯65，纤芯63、64与65直径均为10 y m ;内包层5为矩形， 尺寸为500 X 600 ii m，外包层4直径为750 y m。 第一泵浦源11为镱离子、钬离子与钍离子吸收截面对应的波长范围内光源。
第一泵浦源ll，或由两个不同的波长范围的泵浦源构成，一个为镱离子与钬离吸 收截面对应的波长范围内光源， 一个为钍离子吸收截面对应的波长范围内光源。
实施例三 —种大功率五波段六芯光纤激光器，如图5所示，该激光器包括第一泵浦源11、第 二泵浦源12、有源光纤3，有源光纤3采用的是五掺稀土离子六芯双包层光纤；在五掺稀土 离子六芯双包层光纤的所有纤芯中，写入铒离子的激射波长1550nm和1580nm，镨离子的 激射波长1310nm与钕离子的激射波长1380nm的反射系数均为100%的第五光栅25，在五 掺稀土离子六芯双包层光纤端面上镀钐离子的激射波长651nm的100%反射系数的第三膜
73 ; 在五掺稀土离子六芯双包层光纤的所有纤芯中，写入铒离子的激射波长1550nm
和1580nm，镨离子的激射波长1310nm与钕离子的激射波长1380nm的反射系数均为60%的
第六光栅26，写入钐离子的激射波长651nm的反射系数50%的第七光栅27。 第五光栅25和第六光栅26与这两光栅之间的一段五掺稀土离子六芯双包层光纤
构成第一个谐振腔，第五光栅25为第一个谐振腔的输入端，第六光栅26为第一个谐振腔的
输出端。 第三膜73和第七光栅27与这两者之间的一段五掺稀土离子六芯双包层光纤构成 第二个谐振腔，第五光栅25为第二个谐振腔的输入端，第六光栅26为第二个谐振腔的输出
丄山顺。 第一泵浦源11、第二泵浦源12分别以端面与侧面耦合进五掺稀土离子六芯双包 层光纤，产生的A波段的651nm、0波段的1310nm、E波段的1380nm、C波段的1550nm与L波 段的1580nm的激光从两谐振腔的输出端输出。 五掺稀土离子六芯双包层光纤截面图如图6所示，内包层包括芯层直径为20微米
的铒镱互掺离子纤芯69，芯层直径为10微米的掺镨离子纤芯66，芯层直径为10微米的掺
钐离子纤芯67，芯层直径为30微米的掺钕离子纤芯68，芯层直径为10微米的掺铒离子纤
芯61 ;内包层5为八角形，直径为800微米，外包层4直径为900微米。 第一泵浦源11、第二泵浦源12均为铒离子、镱离子、镨离子、钐离子与钕离子吸收
截面对应的波长范围内光源。 或第一泵浦源11为铒离子、镱离子、镨离子与钕离子吸收截面对应的波长范围内 光源，第二泵浦源12为钐离子吸收截面对应的波长范围内光源。
实施例四 —种大功率八波段十二芯光纤激光器，如图7所示，该激光器包括第一泵浦源11、第二泵浦源12、有源光纤3，有源光纤3采用的是九掺稀土离子十二芯双包层光纤；在九掺 稀土离子十二芯双包层光纤的所有纤芯中，写入铒离子的激射波长1560nm、1580nm、镱离子 的激射波长1064nm、钕离子的激射波长1060nm、钬离子的激射波长1380nm的反射系数均为 100%的第八光栅28，写入钍离子的激射波长1480nm、1660nm、2300nm、镨离子的激射波长 1310nm，钐离子的激射波长651nm的反射系数均为100%的第九光栅29 ;
在九掺稀土离子十二芯双包层光纤的所有纤芯中，写入铒离子的激射波长 1560nm、1580nm、镱离子的激射波长1064nm、钕离子的激射波长1060nm、钬离子的激射波长 1380nm反射系数均为80%的第十光栅210，写入钍离子的激射波长1480nm， 1660nm、2300nm 反射系数均为60% ，镨离子的激射波长1310nm反射系数为95%的第i^一光栅211，在九掺 稀土离子十二芯双包层光纤端面上镀钐离子的激射波长651nm的90%反射系数的第四膜 74。 第八光栅28和第十光栅210与这两光栅之间的一段九掺稀土离子十二芯双包层 光纤构成第一个谐振腔，第八光栅28为第一个谐振腔的输入端，第十光栅210为第一个谐 振腔的输出端。 第九光栅29和第i^一光栅211与这两光栅之间的一段九掺稀土离子十二芯双包 层光纤构成第二个谐振腔，第九光栅29为第二个谐振腔的输入端，第十一光栅211为第二 个谐振腔的输出端。 第四膜74和第九光栅29与这两者之间的一段九掺稀土离子十二芯双包层光纤构 成第三个谐振腔，第九光栅29为第三个谐振腔的输入端，第四膜74为第三个谐振腔的输出
丄山顺。 九掺稀土离子十二芯双包层光纤截面图如图8所示，内包层包括芯层直径为10微 米的掺铒离子纤芯61，芯层直径为10微米的掺镱离子纤芯62，芯层直径为10微米的钕镱 互掺离子纤芯63，芯层直径为10微米的掺钬离子纤芯64，芯层直径为15微米的掺钍离子 纤芯65，芯层直径为10微米的铒镱互掺离子纤芯69，芯层直径为10微米的掺镨离子纤芯 66，芯层直径为20微米的掺钐离子纤芯67，芯层直径为10微米的掺钕离子纤芯68 ;内包层 5直径为1000微米，外包层4直径为1150微米。 第一泵浦源11、第二泵浦源12分别以正向端面、反向端面耦合进九掺稀土离子 十二芯双包层光纤，产生的A波段的651nm、1060nm、1064nm、 0波段的1310nm、 E波段的 1380nm、 S波段的1480nm、 C波段的1560nm、 L波段的1580nm、 U波段的1660nm与Z波段的 2300nm的激光从三个谐振腔的输出端输出。 第一泵浦源11、第二泵浦源12均为铒离子、镱离子、钬离子，钍离子，镨离子，钐离 子和钕离子吸收截面对应的波长范围内光源。 或泵浦源11，为铒离子、镱离子、钬离子、钍离子和镨离子吸收截面对应的波长范 围内光源，，第二泵浦源12为钐离子和钕离子吸收截面对应的波长范围内光源。
权利要求
一种大功率多波段多芯光纤激光器，该激光器包括泵浦源、有源光纤；其特征在于有源光纤采用的是多掺稀土离子多芯双包层光纤；在多掺稀土离子多芯双包层光纤的所有纤芯中，写入所有纤芯所含全部或部分掺稀土离子的激射波长的100％反射系数的光栅，或在多掺稀土离子多芯双包层光纤端面上镀所有纤芯所含全部或部分掺稀土离子的激射波长的100％反射系数的膜；在多掺稀土离子多芯双包层光纤的所有纤芯中，写入所有纤芯所含全部或部分掺稀土离子的激射波长的部分反射系数的光栅，或在多掺稀土离子多芯双包层光纤端面上镀所有纤芯所含全部或部分掺稀土离子的激射波长的部分反射系数的膜；写入的对应掺稀土离子的激射波长的100％反射系数的光栅，或在多掺稀土离子多芯双包层光纤端面上镀的对应掺稀土离子的激射波长的100％反射系数的膜，与写入的对应掺稀土离子的激射波长的部分反射系数的光栅，或在多掺稀土离子多芯双包层光纤端面上镀的对应掺稀土离子的激射波长的部分反射系数的膜以及两者之间的多掺稀土离子多芯双包层光纤构成谐振腔；写入的对应掺稀土离子的激射波长的100％反射系数的光栅，或在多掺稀土离子多芯双包层光纤端面上镀的对应掺稀土离子的激射波长的100％反射系数的膜为谐振腔的输入端；写入的对应掺稀土离子的激射波长的部分反射系数的光栅，或在多掺稀土离子多芯双包层光纤端面上镀的对应掺稀土离子的激射波长的部分反射系数的膜为谐振腔的输出端；泵浦源耦合进多掺稀土离子多芯双包层光纤，产生多波段激光从谐振腔的输出端输出。
2. 根据权利要求1所述的大功率多波段多芯光纤激光器，其特征在于泵浦源，对有源 光纤进行端面泵浦或侧面泵浦或同时端面泵浦与侧面泵浦。
3. 根据权利要求1所述的大功率多波段多芯光纤激光器，其特征在于所述的掺稀土 离子的激射波长的部分反射系数光栅是指掺稀土离子的激射波长的反射系数小于100%的 光栅；所述的掺稀土离子的激射波长的部分反射系数膜是指掺稀土离子的激射波长的反射 系数小于100 %的膜。
全文摘要
一种大功率多波段多芯光纤激光器，属于大功率宽带光纤激光器。在多掺稀土离子多芯双包层光纤的所有纤芯中，写入所有纤芯所含全部或部分掺稀土离子的激射波长的100％反射系数的光栅，或在多掺稀土离子多芯双包层光纤端面上镀所有纤芯所含全部或部分掺稀土离子的激射波长的100％反射系数的膜；在多掺稀土离子多芯双包层光纤的所有纤芯中，写入所有纤芯所含全部或部分掺稀土离子的激射波长的部分反射系数的光栅，或在多掺稀土离子多芯双包层光纤端面上镀所有纤芯所含全部或部分掺稀土离子的激射波长的部分反射系数的膜；泵浦源耦合进多掺稀土离子多芯双包层光纤，产生多波段激光。该激光器具有结构紧凑，受环境影响小，易处理输出激光等优点。
文档编号H01S3/06GK101719621SQ20091024202
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月2日 优先权日2009年12月2日
发明者周倩, 宁提纲, 张帆, 李晶, 王春灿, 胡旭东, 裴丽, 郑晶晶 申请人:北京交通大学