专利名称：540nm全光纤结构大功率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，具体涉及ー种光纤激光器，特别是ー种全光纤结构大功率绿光光纤激光器。
背景技术：
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。540nm附近的绿光光纤激光器，可作为激光投影、激光电视、激光水下成像等得理想的緑色激光光源。目前获得540nm附近红色激光的方法最常用的方法，是Yb3+ :YAG产生1064nm激光经过倍频后获得532nm绿激光。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カ军，但将内腔倍频技术应用于光纤激光器时遇到ー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。要实现光纤激光器腔内倍频必须采用光纤结构的腔内倍频器件，将其熔接在光纤激光器中，实现全光纤结构的倍频光纤激光器。现有的光纤激光器倍频技术多采用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200620079299)，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)，高功率蓝光光纤激光器(申请号200620079296)，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，显不不出光纤激光器的优势。本发明的发明人于2011年6月14日提出的专利申请(申请号201110158949. 0，名称全光纤结构腔内倍频绿光激光器)，是ー种采用三光栅结构的光纤激光器，其采用自聚焦透镜长度为O. 23P (P为自聚焦透镜节距)的全光纤腔内倍频光纤激光器，主要用于大功率光纤激光器，因其腔内光纤倍频器所采用的自聚焦透镜长度采用O. 23P，基频光被自聚焦透镜转换为平行光，在倍频晶体中产生二次谐波(倍频)效应。发明人在对腔内倍频器的后续研究中发现，自聚焦透镜的长度和倍频晶体的长度、折射率均会影响腔内倍频器内部的激光分布，从而影响出射激光的強度，由于该激光器中的自聚焦透镜长度固定为O. 23P，基频光在经自聚焦透镜扩束转换为平行光，并在倍频晶体中以平行光的方式行迸，故而其在大功率或当倍频晶体非线性系数较高时倍频效率比较高，但其在中小功率或倍频晶体非线性系数不是很高时，倍频效率相对比较低。经进一歩研究发现，当改变自聚焦透镜长度，使得基频光能够在倍频晶体中汇聚时，便可以获得很高的倍频效率，尤其是在中小功率或倍频晶体非线性系数不是很高时，效果更为明显。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种全光纤结构大功率绿光光纤激光器，该激光器采用全光纤结构、汇聚型的腔内倍频器以及三光纤光栅组成的倍频腔体结构，实现了高稳定、大功率绿光激光输出。可广泛应用于激光投影、激光电视、激光医学和激光雷达等领域。为了达到上述目的，本发明采用如下的技术解决方案ー种540nm全光纤结构大功率绿光光纤激光器，包括半导体激光器泵浦源、第一全反射光纤光栅、第二全反射光纤光栅和第三全反射光纤光栅，所述第一全反射光纤光栅和第二全反射光纤光栅之间连接有双包层掺镱光纤，第二全反射光纤光栅和第三全反射光纤光栅之间连接有腔内倍频器，第三全反射光纤光栅的输出端连接输出尾纤，上述各元件通过熔接的方式连接；所述腔内倍频器包括全自动温控炉、第一尾纤、套管、第一自聚焦透镜、倍频晶体、第二自聚焦透镜、导热铜块和第二尾纤，其中，第一自聚焦透镜和第二自聚焦透镜分别粘结在倍频晶体左、右两端；第一自聚焦透镜的左端与第一尾纤带有尾纤插针的一端粘结，第二自聚焦透镜的右端与第二尾纤带有尾纤插针的一端粘结；第一尾纤、套管、第一自聚焦透 镜、倍频晶体、第二自聚焦透镜和第二尾纤中心共线，共同构成以倍频晶体为中心的対称性结构；第一自聚焦透镜、倍频晶体、第二自聚焦透镜三者的整体的外部依次包裹有铟箔和导热铜块，所述导热铜块的底面与全自动温控炉相接触，导热铜块的其余表面封装在套管内部，第一尾纤从套管的左端穿出并与第二全反射光纤光栅熔接，第二尾纤从套管的右两端穿出并第三全反射光纤光栅熔接，各元件熔接时采用纤芯对准；所述倍频晶体、第一自聚焦透镜和第二自聚焦透镜满足式I :
r iZn1Taniad)L =--i-式 I
an{)式中，L为倍颅晶体的长度；ηι为倍频晶体的折射率；％为第一自聚焦透镜的中心折射率；(1为第一自聚焦透镜的长度；α为第一自聚焦透镜折射率分布系数；第一自聚焦透镜的折射率n (r)沿径向r分布满足式2 n (r) = n0(l- a 2r2/2) 式 2式中，r为径向坐标。所述第一自聚焦透镜和第二自聚焦透镜选用相同的自聚焦透镜，其长度均为
O.3P"0. 45P。所述半导体激光器泵浦源选择带100 μ m尾纤输出、中心波长为973nm、功率为35W的半导体激光器泵浦组件；第一全反射光纤光栅、第三全反射光纤光栅均选择反射中心波长为1080nm全反射Bragg光纤光栅，反射率大于99% ;双包层掺镱光纤选择芯径为6/125 μ m的双包层掺镱光纤，长度取18m ;第二全反射光纤光栅与取反射中心波长为540nm全反射Bragg光纤光栅，反射率大于99% ;输出尾纤选择芯径为6/125 μ m的双包层非掺杂光纤。所述第一自聚焦透镜、第二自聚焦透镜均采用d=0. 31P、直径为3mm、长度为6. 2mm的圆形自聚焦透镜；倍频晶体选取LBO晶体,横截面尺寸选取倍频晶体长度L=17. Omm ;第一尾纤、第二尾纤均选用6/125 μ m双包层无掺杂光纤,长度取2米；导热铜块长度取27mm,壁厚5mm ;套管的长度取39mm,侧壁厚3mm,端壁厚6mm。所述第一自聚焦透镜、第二自聚焦透镜和倍频晶体均为柱体且横截面面积相同。
所述第一自聚焦透镜、第二自聚焦透镜和倍频晶体均采用横截面直径2 5mm的圆柱或者横截面边长为2 5mm的长方体。所述温度控制器采用控制范围为一 10°C 200°C的自动恒温控制炉。本发明的技术特征及优点如下I)本发明的激光器由LD泵浦源、光纤光栅、双包层掺镱光纤、汇聚型光纤激光器腔内倍频器和输出尾纤通过光纤熔接方式连接而成，获得IOSOnm基频振荡并经过汇聚型光纤激光器腔内倍频器实现光纤激光器腔内倍频获得540nm高功率激光输出。2)本发明的激光器采用全光纤结构，无分立元件需要调整，光束质量好、可靠性高、结构紧凑、运转成本低、免维护，克服了传统的分立结构光纤激光器中结构复杂、难以集成且稳定性差的缺陷。
3)本发明采用三光纤光栅腔型结构，使得基频光无外泄、倍频光全部收集并通过尾纤输出。4)本发明采用汇聚型光纤激光器腔内倍频器实现全光纤结构腔内倍频，当倍频晶体和自聚焦透镜參数选择满足一定条件时，即满足公式1、2时，便可以使得基频光和倍频光在倍频晶体中心汇聚，在两端经自聚焦透镜汇聚并注入尾纤之中，解决了光纤激光器腔内倍频实现过程中基频光和倍频光的泄漏问题，具有很高的功率密度使其具有很高的倍频转换效率。5)倍频晶体采用铟箔包裹封于导热铜块内，导热铜块底面与全自动温控炉相接触，全自动温控炉可-10°C 200で调节温度，既可用于角度相位匹配方式下倍频晶体冷却之用，亦可用于温度相位匹配方式时倍频晶体温度控制与调节。6)基频光经自聚焦透镜后在倍频晶体中点处汇聚于一点，使得其在倍频晶体内的光斑面积较小，功率密度较大，使倍频效率得以提高，故而即使在低功率情况下，也可获得很高的倍频效率，特别是在中小功率吋，同样有很高的倍频转换效率。
图I为本发明的结构原理图。图2为腔内倍频器结构示意图。其中，Ca)为正视图，(b)为俯视图，(C)为左视图。图3为激光在自聚焦透镜及倍频晶体内的光线轨迹图。图4为本发明的激光器中基频光及倍频光的行进光路图。图5为本发明实施例的激光器输出光谱图。图6为泵浦功率与输出功率关系图。以下结合附图和具体实施方式
对本发明进ー步解释说明。
具体实施例方式如图I所示，本发明的540nm全光纤结构大功率绿光光纤激光器，包括半导体激光器泵浦源I、第一全反射光纤光栅2、第二全反射光纤光栅4和第三全反射光纤光栅6,所述第一全反射光纤光栅2和第二全反射光纤光栅4之间连接有双包层掺镱光纤3，第二全反射光纤光栅4和第三全反射光纤光栅6之间连接有腔内倍频器5,第三全反射光纤光栅6的输出端连接输出尾纤7，上述各元件通过熔接的方式连接。如图2所示，腔内倍频器包括全自动温控炉15、第一尾纤8、套管9、第一自聚焦透镜10、倍频晶体11、第二自聚焦透镜12、导热铜块13和第二尾纤14，其中，第一自聚焦透镜10和第二自聚焦透镜12分别粘结在倍频晶体11左、右两端；第一自聚焦透镜10的左端与第一尾纤8带有尾纤插针的一端粘结，第二自聚焦透镜12的右端与第二尾纤14带有尾纤插针的一端粘结；第一尾纤8、套管9、第一自聚焦透镜10、倍频晶体11、第二自聚焦透镜12和第二尾纤14中心共线，共同构成以倍频晶体11为中心的対称性结构；第一自聚焦透镜10、倍频晶体11、第二自聚焦透镜10三者的整体的外部依次包裹有铟箔和导热铜块13，所述导热铜块13的底面与全自动温控炉15相接触，导热铜块13的其余表面封装在套管9内部，第一尾纤8从套管9的左端穿出并与第二全反射光纤光栅4熔接，第二尾纤14从套管9的右两端穿出并第三全反射光纤光栅6熔接，各元 件熔接时采用纤芯对准。本发明的部件选择及制作过程如下
权利要求
1.ー种540nm全光纤结构大功率绿光光纤激光器，其特征在于，包括半导体激光器泵浦源(I)、第一全反射光纤光栅(2)、第二全反射光纤光栅(4)和第三全反射光纤光栅(6)，所述第一全反射光纤光栅(2)和第二全反射光纤光栅(4)之间连接有双包层掺镱光纤(3)，第二全反射光纤光栅(4)和第三全反射光纤光栅(6)之间连接有腔内倍频器(5),第三全反射光纤光栅(6)的输出端连接输出尾纤(7)，上述各元件通过熔接的方式连接； 所述腔内倍频器包括全自动温控炉(15)、第一尾纤(8)、套管(9)、第一自聚焦透镜(10)、倍频晶体(11)、第二自聚焦透镜(12)、导热铜块(13)和第二尾纤(14)，其中，第一自聚焦透镜(10)和第二自聚焦透镜(12)分别粘结在倍频晶体(11)左、右两端；第一自聚焦透镜(10)的左端与第一尾纤(8)带有尾纤插针的一端粘结，第二自聚焦透镜(12)的右端与第ニ尾纤(14)带有尾纤插针的一端粘结；第一尾纤(8)、套管(9)、第一自聚焦透镜(10)、倍频晶 体(11)、第二自聚焦透镜(12)和第二尾纤(14)中心共线，共同构成以倍频晶体(11)为中心的対称性结构；第一自聚焦透镜(10)、倍频晶体(11)、第二自聚焦透镜(10)三者的整体的外部依次包裹有铟箔和导热铜块(13)，所述导热铜块(13)的底面与全自动温控炉(15)相接触，导热铜块(13 )的其余表面封装在套管(9 )内部，第一尾纤(8 )从套管(9 )的左端穿出并与第二全反射光纤光栅(4)熔接，第二尾纤(14)从套管(9)的右两端穿出并第三全反射光纤光栅(6)熔接，各元件熔接时采用纤芯对准； 所述倍频晶体(11)、第一自聚焦透镜(10)和第二自聚焦透镜(12)满足式I : T 2n,Tan{ad) L =--i-式 I (Inij 式中，L为倍频晶体(11)的长度；ηι为倍频晶体(11)的折射率第一自聚焦透镜(10)的中心折射率；(1为第一自聚焦透镜(10)的长度；α为第一自聚焦透镜(10)折射率分布系数；第一自聚焦透镜(10)的折射率n (r)沿径向r分布满足式2 η Cr) = η0(1-α V/2)式 2 式中，r为径向坐标。
2.如权利要求I所述的540nm全光纤结构大功率绿光光纤激光器，其特征在干，所述第一自聚焦透镜(10)和第二自聚焦透镜(12)选用相同的自聚焦透镜，其长度均为O. 3P"0. 45P。
3.如权利要求I所述的540nm全光纤结构大功率绿光光纤激光器,其特征在于,所述半导体激光器泵浦源(I)选择带IOOym尾纤输出、中心波长为973nm、功率为35W的半导体激光器泵浦组件；第一全反射光纤光栅(2)、第三全反射光纤光栅(6)均选择反射中心波长为1080nm全反射Bragg光纤光栅，反射率大于99% ;双包层掺镱光纤(3)选择芯径为6/125 μ m的双包层掺镱光纤，长度取18m ;第二全反射光纤光栅(4)与取反射中心波长为540nm全反射Bragg光纤光栅，反射率大于99% ;输出尾纤(7)选择芯径为6/125 μ m的双包层非掺杂光纤。
4.如权利要求I所述的540nm全光纤结构大功率绿光光纤激光器,其特征在于,所述第一自聚焦透镜(10)、第二自聚焦透镜(12)均采用d=0. 31P、直径为3mm、长度为6. 2mm的圆形自聚焦透镜；倍频晶体(11)选取LBO晶体,横截面尺寸选取倍频晶体长度L=17. Omm ;第一尾纤(8)、第二尾纤(14)均选用6/125 μ m双包层无掺杂光纤，长度取2米；、导热铜块(13)长度取27mm,壁厚5mm ;套管(9)的长度取39mm,侧壁厚3mm,端壁厚6mm。
5.如权利要求I所述的540nm全光纤结构大功率绿光光纤激光器,其特征在于,所述第ー自聚焦透镜(10)、第二自聚焦透镜(12)和倍频晶体(11)均为柱体且横截面面积相同。
6.如权利要求I所述的540nm全光纤结构大功率绿光光纤激光器,其特征在于,所述第ー自聚焦透镜(10)、第二自聚焦透镜(12)和倍频晶体(11)均采用横截面直径2 5mm的圆柱或者横截面边长为2 5mm的长方体。
7.如权利要求I所述的540nm全光纤结构大功率绿光光纤激光器，其特征在于，所述温度控制器(15)采用控制范围为一 10°C 200°C的自动恒温控制炉。
全文摘要
本发明公开了一种540nm全光纤结构大功率绿光光纤激光器，包括半导体激光器泵浦源、第一全反射光纤光栅、第二全反射光纤光栅和第三全反射光纤光栅，所述第一全反射光纤光栅和第二全反射光纤光栅之间连接有双包层掺镱光纤，第二全反射光纤光栅和第三全反射光纤光栅之间连接有腔内倍频器，第三全反射光纤光栅的输出端连接输出尾纤，上述各元件通过熔接的方式连接；该激光器采用全光纤结构、汇聚型的腔内倍频器以及三光纤光栅组成的倍频腔体结构，实现了高稳定、大功率绿光激光输出。可广泛应用于激光投影、激光电视、激光医学和激光雷达等领域。具有光束质量好、倍频效率高、结构紧凑、性能稳定可靠的优点。
文档编号H01S3/067GK102738690SQ201210222630
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月29日 优先权日2012年6月29日
发明者冯晓强, 冯选旗, 白晋涛 申请人:西北大学