专利名称：全光纤结构的腔内倍频绿光光纤激光器的制作方法
技术领域：
本发明属于激光技术领域，具体涉及一种激光器，特别是一种全光纤结构的腔内倍频绿光光纤激光器。
背景技术：
近年来，光纤激光器以其体积小、效率高、稳定性好、光束质量好等优点，发展十分迅速，但是目前成熟的、占大半市场份额的高功率光纤激光器，输出波长主要集中在 1030nm-1100nm，输出波长的单一化限制了光纤激光器在许多领域尤其是可见光波段的应用。而相应的，在全固态激光器中利用非线性频率变换技术在获得可见光波段激光技术方面已取得很好成效，特别是全固态激光器内腔倍频技术，几乎成为了可见波段固体激光器的主力军，但将内腔倍频技术应用于光纤激光器时遇到一个矛盾光纤激光器的优势在于它的全光纤化熔接，无分立元件，故而其稳定性好、免维护和易于使用，但如果插入倍频晶体这样的分立元件，必然破坏了光纤激光器稳定性好，免维护且易于使用的优势，失去市场竞争力。现有的光纤激光器倍频技术主要局限在腔外倍频或内腔分立元件倍频，如双面泵浦腔内倍频双包层绿光光纤激光器(申请号20062007拟99. 5)，双包层光纤腔内倍频激光器(专利号03116633. 4)，内腔倍频蓝光光纤激光器(申请号200820155748. 9)，高功率蓝光光纤激光器(申请号20062007^96. 1 )，这些激光器均是分立元件构成的，从本质上讲， 这些技术都是全固态腔内倍频技术的翻版，虽将其搬入光纤激光器，但光纤激光器自身所具有的高稳定性却被破坏了，显示不出光纤激光器的优势。另外，现有的绿光纤激光器大都是以掺钕光纤为增益物质的，如双波长钕激光器腔内倍频腔外和频的红绿蓝三基色激光器 (申请号02117363. χ),内腔倍频蓝光光纤激光器(申请号200820155748. 9)，这些光纤激光器的效率欠佳，已经不能满足技术发展的需要。因此，提出一种全光纤结构的腔内倍频绿光光纤激光器，对于提高光纤激光器的效率以及稳定性具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种全光纤结构的腔内倍频的绿光光纤激光器，该激光器装置结合了光纤激光器技术与全固态腔内倍频技术，采用全光纤结构实现腔内倍频，输出在绿光波段，克服了现有激光器因分立元件构成引起的缺陷，并提高了光转换效率，输出的光束质量好、光-光转换效率高、结构紧凑、运转成本低、免维护。为了实现上述技术效果，本发明采用如下技术解决方案
一种全光纤结构的腔内倍频绿光光纤激光器，其特征在于，包括泵浦组件、第一光纤光栅、第三光纤光栅、第二光纤光栅和第一尾纤，泵浦组件的输出端连接第一光纤光栅，第一光纤光栅和第三光纤光栅之间连接有双包层掺镱光纤，第三光纤光栅、第二光纤光栅之间连接有腔内倍频器，第二光纤光栅的输出端连接第一尾纤，上述各元件通过熔接的方式连接。
3
本发明还包括如下其他技术特征
所述泵浦组件为带尾纤输出的808nm半导体激光器泵浦组件。所述第一光纤光栅、第二光纤光栅采用中心波长为IOSOnm的全反射Bragg光纤光栅，第三光纤光栅采用中心波长为540nm的全反射Bragg光纤光栅。所述腔内倍频器包括倍频晶体、第一自聚焦透镜、第二自聚焦透镜、第二尾纤和第三尾纤，所述第一自聚焦透镜、第二自聚焦透镜分别连接在倍频晶体左、右两端，所述第一自聚焦透镜的左端与第二尾纤连接，第二自聚焦透镜的右端与第三尾纤连接，第二尾纤、第三尾纤、第一自聚焦透镜、第二自聚焦透镜和倍频晶体全部共线，共同构成以倍频晶体为中心的对称性结构。所述第一自聚焦透镜、第二自聚焦透镜、倍频晶体的外部依次包裹有铟箔和导热铜块，所述导热铜块的一个侧面与散热设备相接触，导热铜块的其余表面封装在套管内部， 第二尾纤从套管的左端穿出并与第三光纤光栅熔接，第三尾纤从套管的右端穿出并第二光纤光栅熔接。所述散热设备采用散热器或水冷设备。所述倍频晶体采用4mm*4mm*6mm的KTP晶体。所述第一自聚焦透镜、第二自聚焦透镜的自聚焦长度为0.2P-0.3p。所述第二尾纤和第三尾纤采用外部套有玻璃毛细管的光纤。本发明的技术特征及优点如下
1)本发明由泵浦组件、光栅、双包层掺镱光纤、光纤激光器腔内倍频器等组件通过光纤熔接方式连接而成，采用全光纤结构实现绿光光纤激光器的腔内倍频，无分立元件需要调整，实现MOnm绿光激光输出，光束质量好、可靠性高、结构紧凑、运转成本低、免维护。2)光纤激光器腔内倍频器由倍频晶体、自聚焦透镜、尾纤、导热铜块及封装套管按照从里到外的次序封装而成，解决了激光器中倍频晶体的光纤化集成这一技术难题，降低了激光器装配的难度，增加整机稳定性与可靠性，实现了全熔接、免调整整机装配，为实现流水线作业和批量生产奠定了基础。3)制备与封装充分考虑了倍频晶体的散热问题，采用铟箔包裹封于导热铜块内， 导热铜块一个面与外部散热器相连，根据倍频晶体散热量不同，可外接不同的散热装置，对于功率较小、散热较小的采用自然冷却或风冷，对于高功率运转或散热较大的倍频晶体采用半导体制冷或水冷。4)采用两个长度为0. 23P的自聚焦透镜(P为自聚焦透镜节距)，有效地实现从光纤、自聚焦透镜、倍频晶体、自聚焦透镜、光纤的对称结构，提高了器件效率，简化了装配难度。5)由于采用了长度为0.23p的自聚焦透镜，使得在倍频晶体内光斑面积较小，功率密度较大而使倍频效率得以提高，有利于高功率激光的输出。6)本发明由两个基频光全反射光纤光栅和一个倍频光全反射光纤光栅构成内腔倍频结构，基频光在两个基频全反光栅之间形成振荡，倍频晶体置于两个基频全反光栅之间，基频光无外泄损耗，基频光的消耗将全部通过倍频晶体转换为倍频光，再通过倍频光全反射光纤光栅实现倍频光单端输出，减少基频光以及倍频光损耗，使得基频光到倍频光的转换效率可接近100%。
本发明的创新点及有益效果如下
1、本发明的全光纤结构的腔内倍频绿光光纤激光器，由泵浦源、光纤光栅、有源双包层光纤、光纤激光器腔内倍频器等组件通过光纤熔接方式连接而成，无分立元件需要调整，具有很高的稳定性和良好的光束质量。2、本发明的腔内倍频绿光光纤激光器由两个基频光全反射光纤光栅和一个倍频光全反射光纤光栅构成内腔倍频结构，基频光在两个基频光全反光纤光栅之间形成振荡， 由于倍频晶体置于腔内，基频光无外泄损耗，基频光的消耗将全部通过倍频晶体转换为倍频光，再通过倍频光全反射光纤光栅实现倍频光单端输出，使得激光器具有很高的倍频转换效率。3、本发明的光纤激光器腔内倍频器由倍频晶体、自聚焦透镜、尾纤、导热铜块及封装盒按照丛里到外的次序封装而成，该器件的发明解决了光纤激光器与分立元件倍频晶体之间使用上的矛盾，使得光纤激光器件系统结构得到简化，便于装配，为实现流水线作业和批量生产奠定了基础。综上，本发明具有全光纤结构、光束质量好、倍频效率高、结构紧凑，牢固可靠、易于装配、适用范围广等优点，是应用性强、实现MOnm波长的绿光光纤激光器。
图1为本发明的结构示意图。图2为光纤激光器腔内倍频器结构俯视剖面图。图3为连接散热设备的光纤激光器腔内倍频器的前视剖面图。其中，(a)为正面透视图，(b)为右侧剖面图。图4为本发明的激光器中基频光及倍频光行进光路图。图5为540nm激光输出功率与泵浦功率关系图。以下结合附图和具体实施方式
对本发明进一步解释说明。
具体实施例方式如图1所示，本发明的全光纤结构的腔内倍频绿光光纤激光器，包括泵浦组件1、 第一光纤光栅2、第三光纤光栅4、第二光纤光栅6和第一尾纤7，泵浦组件1的输出端连接第一光纤光栅2，第一光纤光栅2和第三光纤光栅4之间连接有双包层掺镱光纤3，第三光纤光栅4、第二光纤光栅6之间连接有腔内倍频器5，第二光纤光栅6的输出端连接第一尾纤7，上述各元件通过熔接的方式连接。如图2、图3所示，腔内倍频器5包括第一自聚焦透镜9、倍频晶体10、第二自聚焦透镜11、第二尾纤8和第三尾纤13，第一自聚焦透镜9、第二自聚焦透镜11分别位于倍频晶体10左、右两端，均与倍频晶体10粘接；第一自聚焦透镜9的左端与第二尾纤8带有尾纤插针的一端粘接，第二自聚焦透镜11的右端与第三尾纤13带有尾纤插针的一端粘接，第二尾纤8、第三尾纤13、第一自聚焦透镜9、第二自聚焦透镜11和倍频晶体10全部共线，共同构成以倍频晶体10为中心的对称性结构。第一自聚焦透镜9、第二自聚焦透镜11、倍频晶体10的外部依次包裹有铟箔和导热铜块12，所述导热铜块12的一个侧面与散热设备15 相接，导热铜块12的其余表面封装在套管14内部，第二尾纤8从套管14的左端穿出并与第三光纤光栅4熔接，第三尾纤13从套管14的右端穿出并第二光纤光栅6熔接，各元件熔接时采用纤芯对准。本发明的激光器的制作过程如下
A)元件的选取泵浦组件1采用带尾纤输出的808nm半导体激光器泵浦源，第一光纤光栅2、第二光纤光栅6采用中心波长为IOSOnm的全反射Bragg光纤光栅，双包层掺镱光纤 3采用6/125um的双包层掺镱光纤，第三光纤光栅4采用中心波长为540nm的全反射Bragg 光纤光栅。倍频晶体10可采用KTP、LB0、BB0、PPLN、PI3KTP等，凡适用于绿光波段倍频的非线性晶体均可使用，本实施例采用4*4*6mm的KTP晶体，选用角度匹配，但不限于该尺寸和角度匹配；第一自聚焦透镜9、第二自聚焦透镜11的自聚焦长度为0. 2P-0. 3p (P为自聚焦透镜节距)，自聚焦长度根据倍频晶体的长度及类型适当调整，本实施例中均为0. 23P ；铟箔用以增强倍频晶体到导热铜块的热传导特性，第二尾纤8采用光纤的类型需和第三光纤光栅4所带的尾纤结构相匹配，第三尾纤13采用的光纤类型需和第二光纤光栅6所带的尾纤结构相匹配，选取与第二尾纤8、第三尾纤13相匹配的光纤，在其外部套玻璃毛细管制成尾纤插针，经装配、上胶、烘烤固化、研磨、抛光端面处理等工序制成第二尾纤8、第三尾纤13 ； 依据散热量的大小选择合适尺寸的导热铜块12及套管14，封装套管14采用金属或其他材料，封装套管14和导热铜块12之间装配要求近配合；散热设备15是腔内倍频器5的外围器件，用于冷却倍频晶体10使之表面温度控制在20°C。可依据器件功率选择散热片自然冷却、风冷、水冷或TEC半导体制冷，采用散热器或水冷设备，本实施例采用散热片加风扇的风冷结构。B)端面抛光对光纤头、自聚焦透镜、倍频晶体等的端面进行抛光处理；
C)装配与封装将第一自聚焦透镜9、第二自聚焦透镜11、倍频晶体10外部用铟箔包裹后紧压在导热铜块内，装配时第二尾纤8、第三尾纤13、第一自聚焦透镜9、第二自聚焦透镜11和倍频晶体10共线，特别是第二尾纤8和第三尾纤13必须严格共线，采用单方向装配，通过套管14将第一自聚焦透镜9、第二自聚焦透镜11和嵌有倍频晶体10的导热铜块 12进行封装，第二尾纤8、第三尾纤13从套管14中穿出，封装时将导热铜块12底面外露， 将导热铜块12的底面与散热装置15接触后固定，完成装配。将泵浦组件1、第一光纤光栅2、掺镱双包层光纤3、第三光纤光栅4、光纤激光器腔内倍频器5、第二光纤光栅6、第一尾纤7依次通过双包层光纤熔接机熔接，整个熔接过程满足熔接要求(各熔接点熔接损耗<0. IdB)即可，无需调试。从结构上看，本发明的激光器与目前常用的全固态内腔倍频激光器、分立元件内腔倍频光纤激光器在结构上有许多相似之处，都是由泵浦源、激光工作物质、谐振腔、倍频晶体等部分组成，所不同的是，本发明所采用的是全光纤结构的内腔倍频，其完全秉承了光纤激光器的稳定性和可靠性高，免维护和易于使用的优点，同时本发明的激光器体积小，易集成。本发明的设计思路及反应原理
本发明中，带尾纤输出的半导体激光器泵浦组件1提供激光泵浦，泵浦光透过第一光纤光栅2注入掺镱双包层光纤3的内包层，随着泵浦光在内包层中传输而持续不断地进入掺镱双包层光纤3的纤芯；如图4所示，掺镱双包层光纤3的纤芯构成激光工作物质 (Yb3+),第一光纤光栅2、掺镱双包层光纤3的纤芯和第二光纤光栅6构成波长为IOSOnm激光谐振腔，即本发明的激光器的基频部分，激光工作物质( 3+)吸收泵浦光能量后产生 IOSOnm的荧光辐射，该荧光辐射在第一光纤光栅2和第二光纤光栅6之间不断反射，多次经过掺镱双包层光纤3的纤芯被不断放大加强形成波长为IOSOnm的激光振荡，此时，由于基频光在第一光纤光栅2和第二光纤光栅6之间不断反射而未输出，从而形成一个没有输出的光纤激光器，图4中下半部分的虚线为基频光行进光路。第三光纤光栅4和光纤激光器腔内倍频器5构成本发明的激光器的倍频部分，随着激光谐振腔的基频振荡不断加强，基频光经过光纤激光器腔内倍频器5时产生二次谐波 (即倍频)，从而从波长为IOSOnm的基频光转换为波长为540nm的倍频光，图4上半部分的虚线为倍频光行进光路，左向的倍频光被第三光纤光栅4反射后行进方向变为右向，右向行进的倍频光通过第二光纤光栅6后由第一尾纤7输出，从而获得较高的倍频效率。在整个过程中，泵浦组件持续提供能量注入，掺镱双包层光纤3消耗泵浦光产生基频光，倍频晶体10消耗基频光产生倍频光，该过程最终达到稳态，保持连续稳态倍频激光输出。基频光本发明的激光器中的轨迹如下
右向行进的波长为IOSOnm的基频光从尾纤8左端入射，经由第一自聚焦透镜9进入倍频晶体10，部分基频光被转换为波长为540nm的右向行进的倍频光，该右向行进的倍频光进入第二自聚焦透镜11后从尾纤13输出，再经第二光纤光栅6后从第一尾纤7输出。剩余的基频光继续右向行进，其被第二自聚焦透镜11汇聚进尾纤13后进入第二光纤光栅6， 被第二光纤光栅6反射为左向行进的基频光，进入基频光行进光路(如图4所示)。左向行进的基频光进入腔内倍频器5时，部分被转换为左向行进的波长为540nm 的倍频光，剩余部分基频光继续左向行进，在经过掺镱双包层光纤3时被放大，放大后到达第一光纤光栅2被反射为右向。综上，所有基频光不断经过掺镱双包层光纤3时被放大，经过倍频晶体10而源源不断地被转换为倍频光，理论效率达100%。左向行进的倍频光进入第一自聚焦透镜9后从第二尾纤8输出，到达第三光纤光栅4时被反射为右向，该右向行进的倍频光沿第二尾纤8依次进入自聚焦透镜9、倍频晶体 10、自聚焦透镜11、尾纤13、第二光纤光栅6，从第一尾纤7输出。图5是MOnm激光输出功率与泵浦功率关系图，从图5可以看到，在泵浦功率 32. 5W时获得激光输出功率达11. 98W，光-光转换效率为36. 9%，斜率效率为42. 1%。可见本发明的激光器输出的光束质量好、光-光转换效率高。
权利要求
1.一种全光纤结构的腔内倍频绿光光纤激光器，其特征在于，包括泵浦组件(1)、第一光纤光栅(2)、第三光纤光栅(4)、第二光纤光栅(6)和第一尾纤(7)，泵浦组件(1)的输出端连接第一光纤光栅(2 )，第一光纤光栅(2 )和第三光纤光栅(4 )之间连接有双包层掺镱光纤 (3)，第三光纤光栅(4)、第二光纤光栅(6)之间连接有腔内倍频器(5)，第二光纤光栅(6)的输出端连接第一尾纤(7)，上述各元件通过熔接的方式连接。
2.如权利要求1所述的全光纤结构的腔内倍频绿光光纤激光器，其特征在于，所述泵浦组件(1)为带尾纤输出的808nm半导体激光器泵浦组件。
3.如权利要求1所述的全光纤结构的腔内倍频绿光光纤激光器，其特征在于，所述第一光纤光栅(2 )、第二光纤光栅(6 )采用中心波长为IOSOnm的全反射Bragg光纤光栅，第三光纤光栅(4)采用中心波长为540nm的全反射Bragg光纤光栅。
4.如权利要求1所述的全光纤结构的腔内倍频绿光光纤激光器，其特征在于，所述腔内倍频器(5)包括倍频晶体(10)、第一自聚焦透镜(9)、第二自聚焦透镜(11)、第二尾纤 (8)和第三尾纤(13)，所述第一自聚焦透镜(9)、第二自聚焦透镜(11)分别连接在倍频晶体(10)左、右两端，所述第一自聚焦透镜(9)的左端与第二尾纤(8)连接，第二自聚焦透镜 (11)的右端与第三尾纤(13)连接，第二尾纤(8)、第三尾纤(13)、第一自聚焦透镜(9)、第二自聚焦透镜(11)和倍频晶体(10)全部共线，共同构成以倍频晶体(10)为中心的对称性结构。
5.如权利要求4所述的全光纤结构的腔内倍频绿光光纤激光器，其特征在于，所述第一自聚焦透镜(9)、第二自聚焦透镜(11)、倍频晶体(10)的外部依次包裹有铟箔和导热铜块(12)，所述导热铜块(12)的一个侧面与散热设备(15)相接触，导热铜块(12)的其余表面封装在套管(14)内部，第二尾纤(8)从套管(14)的左端穿出并与第三光纤光栅(4)熔接， 第三尾纤(13)从套管(14)的右端穿出并第二光纤光栅(6)熔接。
6.如权利要求5所述的全光纤结构的腔内倍频绿光光纤激光器，其特征在于，所述散热设备(15 )采用散热器或水冷设备。
7.如权利要求4所述的全光纤结构的腔内倍频绿光光纤激光器，其特征在于，所述倍频晶体(10)采用4mm*4mm*6mm的KTP晶体。
8.如权利要求4所述的全光纤结构的腔内倍频绿光光纤激光器，其特征在于，所述第一自聚焦透镜(9)、第二自聚焦透镜(11)的自聚焦长度为0.2P-0.3p。
9.如权利要求4所述的全光纤结构的腔内倍频绿光光纤激光器，其特征在于，所述第二尾纤(8)和第三尾纤(13)采用外部套有玻璃毛细管的光纤。
全文摘要
本发明公开了一种全光纤结构的腔内倍频绿光光纤激光器，包括泵浦组件、第一光纤光栅、第三光纤光栅、第二光纤光栅和第一尾纤，泵浦组件的输出端连接第一光纤光栅，第一光纤光栅、第三光纤光栅、第二光纤光栅同心设置，第一光纤光栅和第三光纤光栅之间连接有双包层掺镱光纤，第三光纤光栅、第二光纤光栅之间连接有腔内倍频器，第二光纤光栅的输出端连接第一尾纤，上述各元件通过熔接的方式连接。本发明的激光器结合光纤激光器技术与全固态腔内倍频技术，采用全光纤结构实现腔内倍频，输出在绿光波段，克服了现有激光器因分立元件构成引起的缺陷，提高了光转换效率，输出的光束质量好、光-光转换效率高、结构紧凑、性能稳定，倍频效率接近100%。
文档编号H01S3/067GK102244343SQ201110158949
公开日2011年11月16日 申请日期2011年6月14日 优先权日2011年6月14日
发明者冯晓强, 冯选旗, 白晋涛 申请人:西北大学