专利名称：窄线宽掺铥光纤激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光器，具体是一种窄线宽光纤激光器。
背景技术：
线型腔光纤激光器由于空间烧孔效应，无法通过模式竞争得到单纵模输出，多为 多纵模运转，要实现线形腔光纤激光器窄线宽运行，需要采用适宜的窄带选频器件，激光器 输出波长的稳定性也是窄线宽光纤激光器的重要参数之一。目前，实现掺铥光纤激光器窄线宽输出的方式主要有两种利用光纤布拉格光栅 (FBG)或利用普通的衍射光栅作为谐振腔的光谱窄化元件。FBG虽然可以与掺杂光纤进行 熔接，实现全光纤系统，但它不适用于高功率运行的大模场光纤激光器，FBG窄化的激光器 输出功率水平通常只有毫瓦量级，而且不管是利用温度或应力等手段都无法进行宽范围波 长调谐。普通的衍射光栅能适用于高功率运行条件，但利用该元件激光线宽的窄化很难实 现低于0. 5nm，而且由于需要较大尺寸的准直光束，激光外腔往往显得笨重和繁琐。最近几年，体布拉格光栅(volume Bragg grating，简称VBG)在激光器系统中的应 用逐渐吸引了人们的注意力。作为波长选择和光谱窄化元件，VBG目前已被应用于半导体 激光器、光学参量振荡器、固体激光器和光纤激光器的窄线宽输出方面。其输出功率水平已 达到百瓦量级。其结构原理如图1所示，以宽带介质膜高反射镜10作为端面反射镜，宽带 介质膜高反镜10实现的激光的正反馈，但输出的激光的光谱宽度较宽。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种窄线宽光纤激光器。实现 掺铥光纤激光器窄线宽输出的技术方案，将两个VBG结合使用，输出的激光具有更窄的线 宽，且调谐简单，可实现高功率运行。本发明是以如下技术方案实现的一种窄线宽掺铥光纤激光器，包括第一泵浦源， 第二泵浦源双端泵浦，在第一泵浦源的输出光路上依次设置第一泵浦光聚焦透镜，第一分 色镜以及掺铥光纤，通过第一泵浦光聚焦透镜和第一分色镜的泵浦光耦合入掺铥光纤的一 端；在第二泵浦源的输出光路上依次设置第二泵浦光聚焦透镜，第二分色镜以及掺铥光纤， 通过第二泵浦光聚焦透镜和第二分色镜的泵浦光耦合入掺铥光纤的另一端，实现对掺铥光 纤的双端泵浦；掺铥光纤吸收第一泵浦源和第二泵浦源辐射的能量后，形成粒子数反转分 布，Tm3+在能级3H6 3H4之间跃迁，产生2微米波段范围的受激辐射，再通过谐振腔的振荡放 大形成稳定的激光；第一分色镜和第二分色镜分别于掺铥光纤的两端成45°角放置，由第 一分色镜反射的激光经过输出端激光准直透镜输出；其特征是在面向第二分色镜的垂直 光路上设置有反馈端激光准直透镜和由第一反射式体布拉格光栅VBG1与第二反射式体布 拉格光栅VBG2组成的谐振腔端面反射元件；所述的两个反射式体布拉格光栅通过调谐可 获得相同的反射波长，经过反馈端激光准直透镜的激光照射到有角度的VBG2上，经VBG2反 射的激光正入射到VBG1上，通过VBG1对光的正反射再经过VBG2反射回原光路，实现VBG1
3和VBG2的角度调谐，实现掺铥光纤激光器的窄线宽。本发明的有益效果是本发明所提出的窄线宽可调谐激光装置设计简单、插入损 耗小、效率高、适用于高功率运行，且线宽的窄化程度依赖于VBG的设计及所用光纤的长 度，采用优化设计的VBG及短光纤增益介质后可实现单纵模运行。
图1为宽带介质膜高反射镜作为端面反射镜的掺铥光纤激光谐振腔结构示意图。图2为双VBG窄化的掺铥光纤激光器结构示意图。图3为双VBG窄化激光光谱的原理示意图。图4为两个VBG或宽带介质膜高反射镜分别作为谐振腔端面反射元件的输出激光 光谱比较。图5为F-P扫描干涉仪记录的双VBG窄化的光谱线宽。图6为两个VBG或宽带介质膜高反射镜分别作为谐振腔端面反射元件的输出功率 及斜效率比较。图中1、第一泵浦源；2、第二泵浦源；3、第一泵浦光聚焦透镜；4、第二泵浦光聚焦 透镜；5、第一分色镜；6、第二分色镜；7、掺铥光纤；8、输出端激光准直透镜；9、反馈端激光 准直透镜；10、宽带介质膜高反射镜；11、第一反射式体布拉格光栅VBG1 ；12、第二反射式体 布拉格光栅VBG2。
具体实施例方式如图2所示，窄线宽掺铥光纤激光器有第一泵浦源1，第二泵浦源2双端泵浦，在第 一泵浦源1的输出光路上依次设置第一泵浦光聚焦透镜3，第一分色镜5以及掺铥光纤7， 通过第一泵浦光聚焦透镜3和第一分色镜5的泵浦光耦合入掺铥光纤7的一端；在第二泵 浦源2的输出光路上依次设置第二泵浦光聚焦透镜4，第二分色镜6以及掺铥光纤7，通过 第二泵浦光聚焦透镜4和第二分色镜6的泵浦光耦合入掺铥光纤7的另一端，实现对掺铥 光纤7的双端泵浦；掺铥光纤4吸收第一泵浦源1和第二泵浦源2辐射的能量后，形成粒子 数反转分布，Tm3+在能级3H6 3H4之间跃迁，产生2微米波段范围的受激辐射，再通过谐振 腔的振荡放大形成稳定的激光；第一分色镜5和第二分色镜6分别于掺铥光纤7的两端成 45°角放置，由第一分色镜5反射的激光经过输出端激光准直透镜8输出；在面向第二分色 镜6的垂直光路上设置有反馈端激光准直透镜9和由第一反射式体布拉格光栅VBG111与 第二反射式体布拉格光栅VBG212组成的谐振腔端面反射元件；即由两个体布拉格光栅代 替图1中的宽带介质膜高反镜10作为掺铥光纤激光器谐振腔端面反射元件。这两个光栅 的要求是通过调谐可获得相同的反射波长。体布拉格光栅是由一种特殊组分的光热折射 率玻璃制作而成，绝对衍射效率超过99%，温度稳定性高达400°C，且对脉冲波及连续波激 光辐照均具有较好的耐受性。这种体布拉格光栅提供窄光谱，最低达20pm，窄角度选择最 小达lOOyrad。所述的两个反射式体布拉格光栅须通过调谐可获得相同的反射波长；经过 反馈端激光准直透镜9的激光照射到有角度的VBG212上，经VBG212反射的激光正入射到 VBG111上，通过VBG111对光的正反射再经过VBG212反射回原光路，实现VBG111和VBG212 的角度调谐，实现掺铥光纤激光器的窄线宽。
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实验所用的第一泵浦源1和第二泵浦源2为半导体激光器，输出激光波长为792nm。第一泵浦光聚焦透镜3和第二泵浦光聚焦透镜4的焦距为20mm。第一分色镜5和 第二分色镜6在780nm-803nm波长范围高透射，在1800nm-2050nm波长范围高反射，掺铥 光纤7的纤芯和内包层的直径分别为25微米和300微米，数值孔径分别为0. 17和0. 46， 所用掺铥光纤7的长度为4. Sm。输出端激光准直透镜8的焦距为30mm。反馈端激光准直 透镜9的焦距为15mm，与VBG212和VBGlll的尺寸规格相对应。本发明所用的两个VBG的 反射波长不同，所述的VBGlll和VBG212的反射中心波长分别为1989. 7nm和1999. 7nm，衍 射效率均大于99%，光谱宽度即半波带宽(FWHM)分别为0.65nm和0.76nm。厚度分别为 10. 89mm和10. 95mm，入射面尺寸都为10 X 6mm。改变VBG2的入射角度，可将其反射波长调 整到1989. 7nm附近。由于两个VBG的反射波长不同，需要先将波长较长的VBG2的反射波长调谐到VBGl 的反射波长附近，使两个VBG的反射光谱部分重叠，如图3所示。应用双VBG窄化技术后， 激光器输出光谱得到极大的窄化，如图4所示。利用F-P扫描干涉仪测量得到实际光谱宽 度约为2pm(如图5所示)。同时，我们分别实验测量了两个VBG和宽带介质膜高反射镜作 为谐振腔端面反射元件的输出功率，受到泵浦源功率水平的限制，实验所获得的最高输出 功率为113W。从图6上看，两种实验装置下，其输出激光在阈值水平、最高输出功率及斜效 率等方面均无明显差别，说明本发明所提出的双VBG窄化技术只带来极小的插入损耗。经过大量的实验验证，通过对VBG采用角度调谐的方式，使两个VBG的反射光谱部 分重叠，达到窄化掺铥光纤激光器的输出激光线宽的目的。本发明适用于各利光纤(包括 大模场多模光纤、光子晶体光纤等)作为增益介质的激光振荡器，能够实现百瓦、甚至千瓦 量级功率水平的激光振荡器。窄线宽可调谐激光装置设计简单、插入损耗小、效率高、适用 于高功率运行，且线宽的窄化程度依赖于VBG的设计及所用光纤的长度，采用优化设计的 VBG及短光纤增益介质后可实现单纵模运行。另外，通过对多个VBG采用角度调谐的方式，使多个VBG的反射光谱部分重叠，从 而控制掺铥光纤激光器输出光谱宽度，达到进一步窄化掺铥光纤的线宽的目的。适用于各 种光纤(包括大模场多模光纤、光子晶体光纤等)作为增益介质的激光振荡器，能够实现百 瓦、甚至千瓦量级功率水平的激光振荡器。
权利要求
一种窄线宽掺铥光纤激光器，包括第一泵浦源(1)，第二泵浦源(2)双端泵浦，在第一泵浦源(1)的输出光路上依次设置第一泵浦光聚焦透镜(3)，第一分色镜(5)以及掺铥光纤(7)，通过第一泵浦光聚焦透镜(3)和第一分色镜(5)的泵浦光耦合入掺铥光纤(7)的一端；在第二泵浦源(2)的输出光路上依次设置第二泵浦光聚焦透镜(4)，第二分色镜(6)以及掺铥光纤(7)，通过第二泵浦光聚焦透镜(4)和第二分色镜(6)的泵浦光耦合入掺铥光纤(7)的另一端，实现对掺铥光纤(7)的双端泵浦；掺铥光纤(4)吸收第一泵浦源(1)和第二泵浦源(2)辐射的能量后，形成粒子数反转分布，Tm3+在能级3H6～3H4之间跃迁，产生2微米波段范围的受激辐射，再通过谐振腔的振荡放大形成稳定的激光；第一分色镜(5)和第二分色镜(6)分别于掺铥光纤(7)的两端成45°角放置，由第一分色镜(5)反射的激光经过输出端激光准直透镜(8)输出；其特征是在面向第二分色镜(6)的垂直光路上设置有反馈端激光准直透镜(9)和由第一反射式体布拉格光栅VBG1(11)与第二反射式体布拉格光栅VBG2(12)组成的谐振腔端面反射元件；所述的两个反射式体布拉格光栅通过调谐可获得相同的反射波长，经过反馈端激光准直透镜(9)的激光照射到有角度的VBG2(12)上，经VBG2(12)反射的激光正入射到VBG1(11)上，通过VBG1(11)对光的正反射再经过VBG2(12)反射回原光路，实现VBG1(11)和VBG2(12)的角度调谐，实现掺铥光纤激光器的窄线宽。
2.根据权利要求1所述的窄线宽掺铥光纤激光器，其特征在于，所述的第一泵浦源(1) 和第二泵浦源(2)为半导体激光器，输出激光波长为792nm。
3.根据权利要求1所述的窄线宽掺铥光纤激光器，其特征在于，所述的第一泵浦光聚 焦透镜(3)和第二泵浦光聚焦透镜(4)的焦距为20mm。
4.根据权利要求1所述的窄线宽掺铥光纤激光器，其特征在于，所述的第一分色镜(5) 和第二分色镜(6)在780nm-803nm波长范围高透射，在1800nm-2050nm波长范围高反射。
5.根据权利要求1所述的窄线宽掺铥光纤激光器，其特征在于，所述的掺铥光纤(7)的 纤芯和内包层的直径分别为25微米和300微米，数值孔径分别为0. 17和0. 46，所用掺铥光 纤(7)的长度为4. 8m。
6.根据权利要求1所述的窄线宽掺铥光纤激光器，其特征在于，所述的输出端激光准 直透镜⑶的焦距为30mm。
7.根据权利要求1所述的窄线宽掺铥光纤激光器，其特征在于，所述的反馈端激光准 直透镜(9)的焦距为15mm，与VBG2(12)和VBGl(ll)的尺寸规格相对应。
8.根据权利要求2所述的窄线宽掺铥光纤激光器，其特征在于，所述的VBG1(11)和 VBG2(12)的反射中心波长分别为1989. 7nm和1999. 7nm，半波带宽(FWHM)分别为0. 65nm 和0. 76nm，厚度分别为10. 89mm和10. 95mm，入射面尺寸都为10 X 6mm。
9.根据权利要求1所述的窄线宽掺铥光纤激光器，其特征在于，通过对多个VBG采用角 度调谐的方式，使多个VBG的反射光谱部分重叠，从而控制掺铥光纤激光器输出光谱宽度， 达到进一步窄化掺铥光纤的线宽。
全文摘要
本发明公开了一种窄线宽掺铥光纤激光器，属掺铥光纤激光器技术领域。包括泵浦源、掺铥光纤、泵浦光聚焦透镜、分色镜、激光准直透镜和两个反射式体布拉格光栅(volume Bragg grating，以下简称为VBG)。本发明主要通过对VBG采用角度调谐的方式，使两个VBG的反射光谱部分重叠，达到窄化掺铥光纤激光器的线宽的目的。本发明的有益效果是适用于各种光纤(包括大模场多模光纤、光子晶体光纤等)作为增益介质的激光振荡器，能够实现百瓦、甚至千瓦量级功率水平的激光振荡器，其线宽的窄化程度依赖于VBG的设计，可实现单纵模运行。
文档编号H01S3/1055GK101859974SQ20101020438
公开日2010年10月13日 申请日期2010年6月12日 优先权日2010年6月12日
发明者杨晓芳, 沈德元, 王飞, 赵婷, 陈浩 申请人:徐州师范大学