专利名称：强耦合多模掺稀土环芯超亮度单模光纤激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高功率光纤激光器，特别是一种强耦合多模掺稀土环芯超亮度单
模光纤激光器。
背景技术：
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。尽管在实验室已经实现单个光纤输出超过lkW的单模激光，而且实现这种激光需要严格的条件，难以工程应用；但是随着激光技术应用的发展，以及材料加工、空间通信、激光雷达、光电对抗、激光武器等的发展，需要高功率、高质量、高强度和超亮度的激光，要求单模输出功率达到丽甚至GW量级。仅仅采用单模有源纤芯的双包层掺稀土光纤激光器，由于单模有源纤芯芯径小于10ym，受到非线性、结构因素和衍射极限的限制，承受的光功率密度有限，单模有源光纤激光器纤芯连续波损坏阈值约为1W/ u m2[J. Nilsson， J. K. Sahu， Y. Jeong， W. A. Clarkson， R. Selvas， A. B. Grudinin， andS.U.Alam，"High Power Fiber Lasers :New Developments",Proceedings of SPIEVol. 4974，50-59(2003)]，其光学损坏危险成为实现大功率单模光纤激光器的一大挑战。除了光学损坏外，由于大功率光产生的热也会损坏光纤，甚至会最终融化纤芯。有文献报道，铒镱共掺光纤激光器每米可产生100W热[J.Nilsson， S. U. Alam， J. A. Alvarez-Chavez,P. W. Turner, W. A. Clarkson， andA. B. Grudinin， ，， High-power and tunable operationof erbium-ytterbium co_dopedcladding_pumped fiber laser", IEEE J.QuantumElectron. 39， 987-994(2003)]。 为了克服已有的传统双包层单模光纤激光器的输出单模激光功率有限以及随着光功率的增加，其输出光束质量变差，抗热等方面的缺陷，授权公告号CN100559670C，所公开的"单模光纤伴生耦合多模光纤超亮度单模激光器"以实现大功率超亮度单模激光输出，然而这种光纤激光器中单模掺稀土纤芯与多模掺稀土纤芯两芯区耦合量很小。
发明内容
为了克服已有的双包层单模光纤激光器的输出单模激光功率有限以及随着光功率的增加，其输出光束质量变差，抗热等方面的缺陷，以及增强现有的单模芯区与多模芯区之间的耦合，本发明提供一种强耦合多模掺稀土环芯超亮度单模光纤激光器，以实现大功率超亮度单模激光输出。 本发明的目的是通过以下技术方案实现的 —种强耦合多模掺稀土环芯超亮度单模光纤激光器，它包括泵浦源、有源光纤，有源光纤由内向外依次分布为一根单模掺稀土纤芯、第一硅环形区、一根多模掺稀土环芯、第二硅环形区、外包层。 单模掺稀土纤芯的折射率与多模掺稀土环芯的折射率相等。
第一硅环形区的折射率与第二硅环形区的折射率相等或不相等。层的折射率小于第一硅环形区的折射率；外包层的折射率小于第二硅环形区
的折射率。 第一硅环形区的折射率与第二硅环形区的折射率均小于单模掺稀土纤芯的折射率与多模掺稀土环芯的折射率。 单模掺稀土纤芯轴线、多模掺稀土环芯轴线与有源光纤轴线平行。 单模掺稀土纤芯表面与多模掺稀土环芯内表面的最小距离小于等于5ym，大于等
于1 ii m。 在垂直于激光器轴线的截面上，单模掺稀土纤芯的圆心与多模掺稀土环芯的截面重心重合。 单模掺稀土纤芯的直径为小于等于5 ii m。 单模掺稀土纤芯两端写入第一光栅与第二光栅，单模掺稀土纤芯、第一光栅与第二光栅构成激光腔；或有源光纤一端镀对应激光波长的高反射膜，有源光纤另一端的单模掺稀土纤芯中写入第二光栅，单模掺稀土纤芯、高反射膜与第二光栅构成激光腔；或有源光纤一端镀对应激光波长的高反射膜，单模掺稀土纤芯两端写入第一光栅与第二光栅，单模掺稀土纤芯、第一光栅与第二光栅构成激光腔。
泵浦源包括第一泵浦源，或和第二泵浦源。 第一泵浦源和第二泵浦源的泵浦方式为端面泵浦或侧面泵浦或同时进行端面泵浦与侧面泵浦。 单模掺稀土纤芯与多模掺稀土环芯的掺稀土离子类型包括铒离子、镱离子、钬离子、铥离子、铒镱共掺离子、钕离子、钕镱共掺离子，单模掺稀土纤芯与多模掺稀土环芯的掺稀土离子类型相同。 单模掺稀土纤芯为良好光敏特性，而多模掺稀土环芯为无光敏特性或弱光敏特性。 本发明的有益效果具体如下所述的强耦合多模掺稀土环芯超亮度单模光纤激光器由于单模掺稀土纤芯被多模掺稀土环芯围绕，具有单模掺稀土纤芯与多模掺稀土环芯之
间的强耦合，实现单模激光大功率超亮度输出；该激光器不需要外部调相装置，通过内部强耦合，使多模掺稀土环芯谐振在写有光栅的单模掺稀土纤芯构成的激光腔产生的波长上，实现主动锁相，从而实现单模激光超亮度放大输出。所述的强耦合多模掺稀土环芯超亮度单模光纤激光器，由于多模掺稀土环芯散热面积大，能输出较高的功率，又由于多模掺稀土环芯实际上是一种光放大器，比单独使用单模掺稀土纤芯的双包层光纤激光器输出高百倍的功率，同时，由于多模掺稀土环芯谐振在写有光栅的单模掺稀土纤芯构成的激光腔产生的波长上，使得这种激光器不会降低输出激光的质量，同时实现了单模激光超亮度大功率输出。单模掺稀土纤芯圆心、多模掺稀土环芯截面重心重合，实现了高效率的泵浦。
图1为端面泵浦、单模掺稀土纤芯两端写入光栅的强耦合多模掺稀土环芯超亮度
单模光纤激光器主视图。 图2为图1的A-A剖面图。 图3为侧面泵浦、一端镀对应激光波长的高反射膜与单模掺稀土纤芯两端写入光
4栅的多模掺稀土环芯超亮度单模光纤激光器主视图。
图4为图3的B-B剖面图。 图5为端面泵浦与侧面泵浦、一端镀对应激光波长的高反射膜与另一端单模掺稀
土纤芯写入光栅的强耦合多模掺稀土环芯超亮度单模光纤激光器主视图。 图6为图5的C-C剖面图。
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 端面泵浦、单模掺稀土纤芯两端写入光栅的强耦合多模掺稀土环芯超亮度单模光纤激光器参见图1和图2，详细描述如下 该激光器包括第一泵浦源1、有源光纤，有源光纤由内向外依次分布为一根单模
掺稀土纤芯4、第一硅环形区61、一根多模掺稀土环芯2、第二硅环形区62、外包层3。 单模掺稀土纤芯与多模掺稀土环芯的掺稀土离子均为铒离子。 单模掺稀土纤芯4的折射率与多模掺稀土环芯2的折射率相等。 第一硅环形区61的折射率与第二硅环形区62的折射率相等。 外包层3的折射率小于第一硅环形区61的折射率；外包层3的折射率小于第二硅
环形区62的折射率。 第一硅环形区61的折射率与第二硅环形区62的折射率均小于单模掺稀土纤芯4的折射率与多模掺稀土环芯2的折射率。 单模掺稀土纤芯4轴线、多模掺稀土环芯2轴线与有源光纤轴线平行。 单模掺稀土纤芯4表面与多模掺稀土环芯2内表面的最小距离为1 y m。 在垂直于激光器轴线的截面上，单模掺稀土纤芯4的圆心与多模掺稀土环芯2的
截面重心重合。 单模掺稀土纤芯4的直径为5 ii m ;多模掺稀土环芯2为内表面直径为7 y m的圆形，外表面直径为30iim的圆形的圆环形，第一硅环形区61为内表面直径为5ym的圆形，外表面直径为7 ii m的圆形的圆环形；第二硅环形区62为内表面直径为30 ii m的圆形，外表面直径为50 ii m的圆形的圆环形；外包层3为内表面直径为50 ii m的圆形，外表面直径为125iim的圆形的圆环形。有源光纤长度为10m。 单模掺稀土纤芯4两端写入第一光栅51与第二光栅52，单模掺稀土纤芯4、第一光栅51与第二光栅52构成激光腔。 用第一泵浦源1对有源光纤采用端面泵浦，激光从多模掺稀土环芯2中输出。
实施例二 侧面泵浦、一端镀对应激光波长的高反射膜与单模掺稀土纤芯两端写入光栅的多模掺稀土环芯超亮度单模光纤激光器，参见图3和图4，详细描述如下 该激光器包括第一泵浦源1、有源光纤，有源光纤由内向外依次分布为一根单模掺稀土纤芯4、第一硅环形区61、一根多模掺稀土环芯2、第二硅环形区62、外包层3。
单模掺稀土纤芯与多模掺稀土环芯的掺稀土离子均为镱离子。
单模掺稀土纤芯4的折射率与多模掺稀土环芯2的折射率相等。
第一硅环形区61的折射率小于第二硅环形区62的折射率。 外包层3的折射率小于第一硅环形区61的折射率；外包层3的折射率小于第二硅环形区62的折射率。 第一硅环形区61的折射率与第二硅环形区62的折射率均小于单模掺稀土纤芯4的折射率与多模掺稀土环芯2的折射率。 单模掺稀土纤芯4轴线、多模掺稀土环芯2轴线与有源光纤轴线平行。 单模掺稀土纤芯4表面与多模掺稀土环芯2内表面的最小距离为5 ii m。 在垂直于激光器轴线的截面上，单模掺稀土纤芯4的圆心与多模掺稀土环芯2的
截面重心重合。 单模掺稀土纤芯4的直径为1 y m ;多模掺稀土环芯2为内表面直径为11 y m的圆形，外表面为长轴全长180 ii m，短轴全长120 ii m的椭圆的环形，第一硅环形区61为内表面直径为1 P m的圆形，外表面为直径为9 ii m的圆形的圆环形；外部包层62是内表面为长轴全长180 ii m，短轴全长120 ii m的椭圆，外表面直径为300 y m的圆的环形；外包层3是内表面直径为300 ii m，外表面直径为600 ii m的圆环形。有源光纤长度为5m。
有源光纤一端镀对应激光波长的高反射膜8，单模掺稀土纤芯4两端写入第一光栅51与第二光栅52 ;单模掺稀土纤芯4、第一光栅51与第二光栅52构成激光腔。
用第一泵浦源1对有源光纤采用侧面泵浦，激光从多模掺稀土环芯2中输出。
实施例三 端面泵浦与侧面泵浦、一端镀对应激光波长的高反射膜与另一端单模掺稀土纤芯写入光栅的强耦合多模掺稀土环芯超亮度单模光纤激光器，参见图5和图6，详细描述如下 该激光器包括第一泵浦源1、第二泵浦源12、有源光纤，有源光纤由内向外依次分布为一根单模掺稀土纤芯4、第一硅环形区61、一根多模掺稀土环芯2、第二硅环形区62、外包层3 ; 单模掺稀土纤芯4与多模掺稀土环芯2的掺稀土离子均为钕镱共掺离子。
单模掺稀土纤芯4的折射率与多模掺稀土环芯2的折射率相等；
第一硅环形区61的折射率大于第二硅环形区62的折射率； 外包层3的折射率小于第一硅环形区61的折射率；外包层3的折射率小于第二硅环形区62的折射率； 第一硅环形区61的折射率与第二硅环形区62的折射率均小于单模掺稀土纤芯4的折射率与多模掺稀土环芯2的折射率； 单模掺稀土纤芯4轴线、多模掺稀土环芯2轴线与有源光纤轴线平行；
单模掺稀土纤芯4表面与多模掺稀土环芯2内表面的最小距离为4 ii m ;
在垂直于激光器轴线的截面上，单模掺稀土纤芯4的圆心与多模掺稀土环芯2的截面重心重合； 单模掺稀土纤芯4的直径为4 ii m ;多模掺稀土环芯2是内表面为12 y mX 18 y m的矩形，外表面为120 ii mX 180 ii m的矩形的长方环形， 第一硅环形区61是内表面直径4iim的圆，外表面为12 ii mX 18 ii m的矩形的环形；第二硅环形区62是内表面为120iimX180iim的矩形，外表面为直径为300iim的圆的
6环形；外包层3是内表面直径为300 m，外表面直径为400 y m圆环形。有源光纤长度为lm。
有源光纤一端镀对应激光波长的高反射膜8，有源光纤另一端的单模掺稀土纤芯4中写入第二光栅52 ;单模掺稀土纤芯4、高反射膜8与第二光栅52构成激光腔。
第一泵浦源1和第二泵浦源12的泵浦方式为端面泵浦或侧面泵浦或同时进行端面泵浦与侧面泵浦。 用第一泵浦源1对有源光纤采用端面泵浦，用第二泵浦源12对有源光纤采用侧面泵浦，激光从多模掺稀土环芯2中输出。
实施例四 端面泵浦与侧面泵浦、一端镀对应激光波长的高反射膜与另一端单模掺稀土纤芯写入光栅的强耦合多模掺稀土环芯超亮度单模光纤激光器，参见图5和图6，详细描述如下 该激光器包括第一泵浦源1、第二泵浦源12、有源光纤，有源光纤由内向外依次分布为一根单模掺稀土纤芯4、第一硅环形区61、一根多模掺稀土环芯2、第二硅环形区62、外包层3 ; 单模掺稀土纤芯与多模掺稀土环芯的掺稀土离子类型包括铒离子、镱离子、钬离子、铥离子、铒镱共掺离子、钕离子、钕镱共掺离子，单模掺稀土纤芯与多模掺稀土环芯的掺稀土离子类型相同。 单模掺稀土纤芯4的折射率与多模掺稀土环芯2的折射率相等； 第一硅环形区61的折射率与第二硅环形区62的折射率相等； 外包层3的折射率小于第一硅环形区61的折射率；外包层3的折射率小于第二硅
环形区62的折射率； 第一硅环形区61的折射率与第二硅环形区62的折射率均小于单模掺稀土纤芯4的折射率与多模掺稀土环芯2的折射率； 单模掺稀土纤芯4轴线、多模掺稀土环芯2轴线与有源光纤轴线平行；
单模掺稀土纤芯4外表面与多模掺稀土环芯2内表面的最小距离为4ii m，；
在垂直于激光器轴线的截面上，单模掺稀土纤芯4的圆心与多模掺稀土环芯2的截面重心重合； 单模掺稀土纤芯4的直径为4 ii m ;多模掺稀土环芯2是内表面为12 y mX 18 y m的矩形，外表面为120 ii mX 180 ii m的矩形的长方环形， 第一硅环形区61是内表面直径为4 ii m的圆形，外表面为12 y mX 18 y m的矩形的环形；第二硅环形区62是内表面为120 ii mX 180 y m的矩形，外表面为直径为300 y m的圆形的环形；外包层3是内表面直径为300 ii m的圆形，外表面直径为400 y m的圆形的圆环形。有源光纤长度为50cm。 有源光纤一端镀对应激光波长的高反射膜8，有源光纤另一端的单模掺稀土纤芯4中写入第二光栅52 ;单模掺稀土纤芯4、高反射膜8与第二光栅52构成激光腔。
第一泵浦源1和第二泵浦源12的泵浦方式为端面泵浦或侧面泵浦或同时进行端面泵浦与侧面泵浦。 用第一泵浦源1对有源光纤采用端面泵浦，用第二泵浦源12对有源光纤采用侧面泵浦，激光从多模掺稀土环芯2中输出。
权利要求
一种强耦合多模掺稀土环芯超亮度单模光纤激光器，它包括泵浦源、有源光纤，其特征为有源光纤由内向外依次分布为一根单模掺稀土纤芯(4)、第一硅环形区(61)、一根多模掺稀土环芯(2)、第二硅环形区(62)、外包层(3)；单模掺稀土纤芯(4)的折射率与多模掺稀土环芯(2)的折射率相等；第一硅环形区(61)的折射率与第二硅环形区(62)的折射率相等或不相等；外包层(3)的折射率小于第一硅环形区(61)的折射率；外包层(3)的折射率小于第二硅环形区(62)的折射率；第一硅环形区(61)的折射率与第二硅环形区(62)的折射率均小于单模掺稀土纤芯(4)的折射率与多模掺稀土环芯(2)的折射率；单模掺稀土纤芯(4)轴线、多模掺稀土环芯(2)轴线与有源光纤轴线平行；单模掺稀土纤芯(4)表面与多模掺稀土环芯(2)内表面的最小距离小于等于5μm，大于等于1μm；在垂直于激光器轴线的截面上，单模掺稀土纤芯(4)的圆心与多模掺稀土环芯(2)的截面重心重合；单模掺稀土纤芯(4)的直径为小于等于5μm；单模掺稀土纤芯(4)两端写入第一光栅(51)与第二光栅(52)或有源光纤一端镀对应激光波长的高反射膜(8)，有源光纤另一端的单模掺稀土纤芯(4)中写入第二光栅(52)或有源光纤一端镀对应激光波长的高反射膜(8)，单模掺稀土纤芯(4)两端写入第一光栅(51)与第二光栅(52)；泵浦源包括第一泵浦源(1)，或和第二泵浦源(12)。
2. 根据权利要求1所述的强耦合多模掺稀土环芯超亮度单模光纤激光器，其特征为第一泵浦源(1)和第二泵浦源(12)的泵浦方式为端面泵浦或侧面泵浦或同时进行端面泵浦与侧面泵浦。
3. 根据权利要求1所述的强耦合多模掺稀土环芯超亮度单模光纤激光器，其特征为单模掺稀土纤芯(4)与多模掺稀土环芯(2)的掺稀土离子类型包括铒离子、镱离子、钬离子、铥离子、铒镱共掺离子、钕离子、钕镱共掺离子，单模掺稀土纤芯(4)与多模掺稀土环芯(2)的掺稀土离子类型相同。
全文摘要
一种强耦合多模掺稀土环芯超亮度单模光纤激光器包括泵浦源、有源光纤，有源光纤由内向外依次分布为一根单模掺稀土纤芯(4)、第一硅环形区(61)、一根多模掺稀土环芯(2)、第二硅环形区(62)、外包层(3)；单模掺稀土纤芯表面与多模掺稀土环芯内表面的最小距离小于等于5μm，大于等于1μm；单模掺稀土纤芯两端写入第一光栅(51)与第二光栅(52)；或有源光纤一端镀对应激光波长的高反射膜(8)，另一端的单模掺稀土纤芯中写入第二光栅；或有源光纤一端镀对应激光波长的高反射膜，单模掺稀土纤芯两端写入第一光栅与第二光栅；该激光器具有单模掺稀土纤芯与多模掺稀土环芯之间的强耦合，实现单模激光大功率超亮度输出。
文档编号H01S3/06GK101764340SQ200910244028
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月25日 优先权日2009年12月25日
发明者周倩, 宁提纲, 张帆, 李晶, 王春灿, 胡旭东, 裴丽, 谭中伟 申请人:北京交通大学