专利名称：大功率多波段单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单芯光纤激光器，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的多波段单芯光纤激光器。
本发明的技术方案 —种大功率多波段单芯光纤激光器，该激光器包括泵浦源、有源光纤；有源光纤采用的是单芯多掺稀土离子区双包层光纤；在单芯多掺稀土离子区双包层光纤的芯层中，写 入芯层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，或在单芯多掺稀 土离子区双包层光纤端面上镀芯层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； 在单芯多掺稀土离子区双包层光纤的芯层中，写入芯层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，或单芯多掺稀土离子区双包层光纤端面上镀芯层所 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，或在单芯多掺稀土 离子区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，或在单芯多掺稀土离子区双包层光 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单芯多掺 稀土离子区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，或在单芯多掺稀土 离子区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，或在单芯多掺稀土离 子区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； 泵浦源耦合进单芯多掺稀土离子区双包层光纤，产生多波段激光从谐振腔的输出 端输出。 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。
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。 泵浦源为单芯多掺稀土离子区双包层光纤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单芯 多掺稀土离子区双包层光纤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单芯光纤激光器，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，采用多波段单芯光纤激光器明显减少 连接损耗，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。由于采用单芯 结构，使得这种多波段光纤激光器与普通光纤连接损耗降低。
图1为大功率两波段单芯光纤激光器示意图。
图2为单芯两掺稀土离子区双包层光纤截面图。
图3为大功率三波段单芯光纤激光器示意图。 图4为单芯四掺稀土离子区双包层光纤截面图。 图5为大功率五波段单芯光纤激光器示意图。 图6为单芯八掺稀土离子区双包层光纤截面图。 图7为大功率八波段单芯光纤激光器示意图。 图8为单芯二十掺稀土离子区双包层光纤截面图。
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 —种大功率两波段单芯光纤激光器，如图1所示，该激光器包括第一泵浦源11、有
源光纤3，有源光纤3采用的是单芯两掺稀土离子区双包层光纤；在单芯两掺稀土离子区双
包层光纤的芯层6中，写入铒离子的激射波长1550nm与镱离子的激射波长1064nm的100%
反射系数的第一光栅21，在单芯两掺稀土离子区双包层光纤的芯层6中，写入铒离子的激
射波长1550nm与镱离子的激射波长1064nm的5%反射系数的第二光栅22， 第一光栅21和第二光栅22与这两光栅之间的一段单芯两掺稀土离子区双包层光
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耦合进单芯多掺稀土离子区双包层光纤，产生A波段1064nm与C
波段1550nm的激光从谐振腔的输出端输出。 单芯两掺稀土离子区双包层光纤截面图如图2所示，芯层6半径为3微米，芯层6
包括掺铒离子区61，掺镱离子区62，内包层5直径为60微米，外包层4直径为125微米。 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 —种大功率三波段单芯光纤激光器，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采用的是单芯四掺稀土离子区双包层光纤；在单芯四掺稀土离子区双 包层光纤的芯层6中，写入钕离子的激射波长1060nm 100%反射系数的第三光栅23，写入 钍离子的激射波长2280nm 100 %反射系数的第四光栅24，在单芯四掺稀土离子区双包层 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 ;
在单芯四掺稀土离子区双包层光纤的芯层6中，写入钕离子的激射波长 1060nm20 %反射系数、钍离子的激射波长2280nm20 %反射系数与钬离子的激射波长 1380nm的30%反射系数的第五光栅25 ; 第一膜71、光栅25与这两者之间的一段单芯四掺稀土离子区双包层光纤构成第 一个谐振腔，第一膜71为第一个谐振腔的输入端，光栅25为第一个谐振腔的输出端。
第三光栅23和第五光栅25与这两光栅之间的一段单芯四掺稀土离子区双包层光 纤构成第二个谐振腔，第三光栅23为第二个谐振腔的输入端，第五光栅25为第二个谐振腔 的输出端。 第四光栅24和第五光栅25与这两光栅之间的一段单芯四掺稀土离子区双包层光
5纤构成第三个谐振腔，第四光栅24为第三个谐振腔的输入端，第五光栅25为第三个谐振腔 的输出端。 第一泵浦源ll侧面耦合进单芯四掺稀土离子区双包层光纤，产生的A波段的 1060nm、 E波段的1380nm与Z波段的2280nm的激光从三个谐振腔的输出端输出。
单芯四掺稀土离子区双包层光纤截面图如图4所示，芯层6半径为IO微米，芯层 6包括钕镱互掺离子区63，掺钬离子区64，掺钍离子区65 ;内包层5为500X600微米，外包 层4直径为750微米。 第一泵浦源11为钕离子、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，一个为钕离子与钬离吸 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 —种大功率五波段单芯光纤激光器，如图5所示，该激光器包括第一泵浦源11、 第二泵浦源12、第三泵浦源13，有源光纤3 ;有源光纤采用的是单芯八掺稀土离子区双包 层光纤；在单芯八掺稀土离子区双包层光纤的芯层6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反射系数均为100%的第六 光栅26，在单芯八掺稀土离子区双包层光纤端面上镀钐离子的激射波长651nm的100%反 射系数的第二膜72。 在单芯八掺稀土离子区双包层光纤的芯层6中，写入铒离子的激射波长1550nm和 1580nm，镨离子的激射波长为1310nm与钕离子的激射波长为1380nm反射系数均为60%的 第七光栅27，在单芯多掺稀土离子区双包层光纤端面上镀钐离子激射波长651nm的70%反 射系数的第三膜73。 第六光栅26和第七光栅27与这两光栅之间的一段单芯八掺稀土离子区双包层光 纤构成第一个谐振腔，第六光栅26为第一个谐振腔的输入端，第七光栅27为第一个谐振腔 的输出端。 第二膜72和第三膜73与这两膜之间的一段单芯八掺稀土离子区双包层光纤构成 第二个谐振腔，第二膜72为第二个谐振腔的输入端，第三膜73为第二个谐振腔的输出端。
第一泵浦源11、第二泵浦源12与第三泵浦源13分别以正向端面、反向端面与侧面 耦合进单芯多掺稀土离子区双包层光纤，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。
单芯八掺稀土离子区双包层光纤截面图如图6所示，芯层6半径为IO微米，芯层 6包括掺铒离子区61，铒镱互掺离子区66，掺镨离子区67，掺钐离子区68，掺钕离子区69 ; 内包层5为正八边形，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与第三泵浦源13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、第二泵浦源12均为铒离子、镱离子、镨离子与钕离子吸收截面 对应的波长范围内光源，第三泵浦源13为钐离子吸收截面对应的波长范围内光源。
实施例四 —种大功率八波段单芯光纤激光器，如图7所示，该激光器包括第一泵浦源11、 有源光纤3 ;有源光纤3采用的是单芯二十掺稀土离子区双包层光纤。在单芯二十掺稀土离子区双包层光纤的芯层6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，镨离子的激射波长为1310nm， 钐离子的激射波长为651nm的反射系数均为100%的第九光栅29。 在单芯二十掺稀土离子区双包层光纤的芯层6中，写入铒离子的激射波长 1560nm、1580nm反射系数均为90% 、镱离子的激射波长为1064nm反射系数为95%、钕离子 的激射波长1060nm反射系数为20%与钬离子的激射波长1380nm反射系数为50%的第十 光栅210，写入钍离子的激射波长1480nm， 1660nm、2300nm，镨离子的激射波长1310nm的反 射系数均为90%的第十一光栅211，在单芯二十掺稀土离子区双包层光纤端面上镀钐离子 的激射波长651nm的反射系数为90%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单芯二十掺稀土离子区双包 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单芯二十掺稀土离子区双 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单芯二十掺稀土离子区双包层光纤 构成第二个谐振腔，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 出端。 第一泵浦源11反向端面耦合进单芯二十掺稀土离子区双包层光纤，产生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输出端 输出。 单芯二十掺稀土离子区双包层光纤如图8所示，芯层半径为20微米，芯层6包括 掺铒离子区61，掺镱离子区62，钕镱互掺离子区63，掺钬离子区64，掺钍离子区65，铒镱互 掺离子区66，掺镨离子区67，掺钐离子区68，掺钕离子区69 ;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。 第一泵浦源11，或由三个不同的波长范围的泵浦源构成，一个为铒离子、镱离子和 钬离子，吸收截面对应的波长范围内光源，一个为钍离子和镨离子吸收截面对应的波长范 围内光源， 一个为钐离子和钕离子吸收截面对应的波长范围内光源。 本发明所述的单芯多掺稀土离子区双包层光纤，为发明名称单芯多掺稀土离子 区双包层光纤及其制作方法，申请日2009年10月22日，申请号200910236162. 4，所制作 的单芯多掺稀土离子区双包层光纤。
其制作步骤简述 步骤一，将N根掺稀土离子双包层光纤的预制棒拉制成芯层直径相等的细棒，并 将这些细棒的外包层除掉，2《N《20的整数； 步骤二，对去掉外包层的N根细棒进行处理，使得细棒的芯层成扇形；
步骤三，将处理后的N根细棒组织起来，套上石英管，拉制成单芯多掺稀土离子区 双包层光纤。
权利要求
一种大功率多波段单芯光纤激光器，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单芯多掺稀土离子区双包层光纤；在单芯多掺稀土离子区双包层光纤的芯层(6)中，写入芯层(6)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，或在单芯多掺稀土离子区双包层光纤端面上镀芯层(6)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；在单芯多掺稀土离子区双包层光纤的芯层(6)中，写入芯层(6)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，或单芯多掺稀土离子区双包层光纤端面上镀芯层(6)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，或在单芯多掺稀土离子区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，或在单芯多掺稀土离子区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单芯多掺稀土离子区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，或在单芯多掺稀土离子区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，或在单芯多掺稀土离子区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；泵浦源耦合进单芯多掺稀土离子区双包层光纤，产生多波段激光从谐振腔的输出端输出。
2. 根据权利要求l所述的大功率多波段单芯光纤激光器，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单芯光纤激光器，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
一种大功率多波段单芯光纤激光器，属于大功率宽带光纤激光器。在单芯多掺稀土离子区双包层光纤的芯层(6)中，写入芯层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，或在单芯多掺稀土离子区双包层光纤端面上镀芯层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；在单芯多掺稀土离子区双包层光纤的芯层中，写入芯层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，或单芯多掺稀土离子区双包层光纤端面上镀芯层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；泵浦源耦合进单芯多掺稀土离子区双包层光纤，产生多波段激光。该激光器结构紧凑，插入损耗低，受环境影响小，易与普通光纤连接。
文档编号H01S3/1055GK101719622SQ20091024202
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, 李晶, 胡旭东, 裴丽, 谭中伟, 郑晶晶, 雷飞鹏 申请人:北京交通大学