专利名称：一种发热抑制的光纤激光器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种双包层有源光纤及光纤激光器，特别涉及发热抑制的双包层有源光纤和光纤激光器。
背景技术：
由于光纤材料本身表面积对体积的比值较大,输出的光束质量好，体积小等优点，光纤激光器近年来经历了快速的发展，目前稀土掺杂光纤激光器能够得到的输出光功率不断提高。但是，随着光功率的提高，有源掺杂光纤的发热量也越来越多。有源光纤的散热问题成为大功率光纤激光器的瓶颈问题之一。该光纤发热会对光纤激光器产生很多负面影响，比如光纤模式改变、热透镜效应、光纤熔丝效应、光纤损伤等。尽管通过风冷、水冷等方式能够在一定程度上缓解有源光纤的发热问题，但是均不能从根本上解决问题。本专利提出了一项新的技术，有效地对光纤激光器中有源光纤的发热进行吸收，从整体上来看，有源光纤的发热量明显减小，从根本上抑制了有源光纤的发热，为更大光功率的光纤激光器的研制拓展了空间。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种新型的有源光纤发热抑制的光纤激光器的方法，该方法有效地从光纤内部减小了有源光纤的发热，缓解了光纤激光器的发热问题。本发明采用的技术方案是:一种光纤激光器，由光功率吸收器、光纤光栅1、前向光纤泵浦光合束器、双包层有源光纤、反向光纤泵浦光合束器、光纤光栅I1、信号泵浦激光器、制冷泵浦激光器、输出准直隔离器，其特征在于:所述的双包层有源光纤的左端和前向光纤泵浦光合束器连接、右端和反向光纤泵浦光合束器连接；信号泵浦激光器与前向光纤泵浦光合束器连接，信号泵浦激光器与反向光纤泵浦光合束器连接，光纤光栅I的右端与前向光纤泵浦光合束器连接、左端与光功率吸收器连接；光纤光栅II左端与反向光纤泵浦光合束器连接，右端与输出·准直隔离器的输入端连接。所述的双包层有源光纤，由纤芯、内包层、外包层和涂覆层组成，所述的纤芯与涂覆层之间设有内包层和外包层，其纤芯芯径为8 20微米，内包层直径为10(Γ400微米。一种制作光纤激光器方法，包括以下步骤:
I)、双包层有源光纤制作:以氟化物玻璃作为基质，掺杂两种稀土元素制作双包层有源光纤的预制棒；在纤芯中掺入第一杂质钕(Nd)和第二杂质镱(Yb)，在光纤拉丝塔上将上述预制棒拉制成双包层光纤，并在裸光纤外部涂上涂覆层；
所述的在纤芯中掺入第一杂质钕和第二杂质镱，掺杂浓度为1018 102°cm_3。2)、搭建光纤激光器光学系统:将前向光纤泵浦光合束器与第一波长的信号泵浦激光器的激光耦合至双包层有源光纤中，反向光纤泵浦光合束器将第二波长的制冷泵浦激光器的激光耦合至双包层有源光纤中；光纤光栅I右端与前向光纤泵浦光合束器连接、其左端与光功率吸收器连接；光纤光栅II左端与反向光纤泵浦光合束器连接，其右端与输出准直隔离器的输入端连接。3)、搭建光纤激光器电路系统:将光纤激光器的驱动源与各个信号泵浦激光器、制冷泵浦激光器连接，控制电路与各个驱动源电路和监控电路连接，接口电路与激光器控制电路和外部计算机连接。4)、运行调试:启动制冷泵浦激光器，使得光纤处于制冷状态，启动信号泵浦激光器，使得光纤处于激光输出状态，依次地增大制冷泵浦激光器的功率和信号泵浦激光器的功率，逐渐让两个泵浦激光器的功率到达目标值，此时光纤激光器的发热和制冷基本处于平衡状态，在不影响输出激光的状态下，有源光纤的发热受到抑制。本发明，1、光纤激光器中有源增益光纤的发热量得到显著减小。2、降低了光纤激光器中制冷系统的要求。3、避免了热透镜效应引起的光束畸变。4、用拉曼光散射的方式进行制冷，过程是全固态的，可靠性高，性能稳定。5、除有源掺杂光纤需要有额外掺杂和制冷泵浦的波长改变以 外，对于其它部件都是可以和通常的光纤激光器兼容的。
图1是本发明的双包层有源光纤的结构示意图。图2是本发明光纤激光器结构示意图。图3是掺杂光纤激射过程中离子和光子相互作用示意图。图4是掺杂光纤中的反斯托克斯拉曼散射过程的光子和声子相互作用。图中:201光功率吸收器、202光纤光栅1、203前向光纤泵浦光合束器、204双包层有源光纤、2041纤芯、2042内包层、2043外包层、2044涂覆层，205反向光纤泵浦光合束器、206光纤光栅I1、207信号泵浦激光器、208制冷泵浦激光器、209输出准直隔离器、301#1掺杂离子的基态能级，302 #1掺杂离子的亚稳态能级，303 #1掺杂离子的激发态能级，401 #2掺杂离子的第一基态能级，402 #2掺杂离子的第二基态能级，403#2掺杂离子的第一激发态能级，404#2掺杂离子的第二激发态能级。
具体实施例方式一种光纤激光器，由光功率吸收器201、光纤光栅I 202、前向光纤泵浦光合束器203、双包层有源光纤204、反向光纤泵浦光合束器205、光纤光栅II 206、信号泵浦激光器207、制冷泵浦激光器208、输出准直隔离器209，双包层有源光纤204的左端和前向光纤泵浦光合束器203连接、右端和反向光纤泵浦光合束器205连接；信号泵浦激光器207与前向光纤泵浦光合束器203连接，制冷泵浦激光器208与反向光纤泵浦光合束器205连接。所述的双包层有源光纤204，由纤芯2041、内包层2042、外包层2043和涂覆层2044组成，纤芯2041与涂覆层2044之间设有内包层2042和外包层2043，其纤芯芯径为8^20微米，内包层直径为10(Γ400微米。一种制备光纤激光器方法，包括以下步骤:
1、双包层有源光纤制作:以氟化物玻璃作为基质，掺杂两种稀土元素制作双包层有源光纤的预制棒；在纤芯2041中掺入第一杂质钕和第二杂质镱,2042是光纤的内包层，2043是光纤外包层，在光纤拉丝塔上将上述预制棒拉制成双包层光纤，并在裸光纤外部涂上涂覆层2044 ;其纤芯2041中掺入有第一杂质钕(Nb)和第二杂质镱(Yb)，掺杂浓度为IO18 1020cnT3。在有源掺杂的双包层光纤中，第一种杂质离子在第一个波长泵浦激光的作用下，形成粒子数反转，通过受激辐射产生光放大而发出激光；第二种杂质离子，在第二个波长激光泵浦下，通过反斯托克斯散射吸收声子，产生制冷效果。使用氟化物玻璃光纤，适当选择氟化物的种类，使得上述的反斯托克斯效应能够有效地进行。一种优化的选择是采用锆(Zr)、硼(B)、镧(La)、铝(Al)、钠(Na)、铅(Pb)的重金属氟化物作为光纤基质材料；有源双包层光纤中的其它杂质和缺陷要尽量减小，降低发生非辐射复合的几率；制冷掺杂元素的下能级宽度要小于平均声子能量，制冷泵浦激光的光子能量要与制冷掺杂杂质的较低跃迁能量相当，以促进光纤中的反斯托克斯拉曼散射，抑制光纤中的斯托克斯拉曼散射。2、搭建光纤激光器光学系统:将前向光纤泵浦光合束器203与第一波长的信号泵浦激光器207耦合至双包层有源光纤204中，反向光纤泵浦光合束器205将第二波长的制冷泵浦激光器208耦合至双包层有源光纤204中；光纤光栅I 202右端与前向光纤泵浦光合束器203连接、其左端与光功率吸收器201连接；光纤光栅II 206左端与反向光纤泵浦光合束器205连接，其右端与输出准直隔离器209的输入端连接。3)、搭建光纤激光器电路系统:将光纤激光器的驱动源与各个信号泵浦激光器207、制冷泵浦激光器208连接，控制电路与各个驱动源电路和监控电路连接，接口电路与激光器控制电路和外部计算机连接。4)、运行调试:启动制冷泵浦激光器208，使得光纤处于制冷状态，启动信号泵浦激光器207，使得光纤处于激光输出状态，依次地增大制冷泵浦激光器的功率和信号泵浦激光器的功率，逐渐让两个泵浦激光器的功率到达目标值，此时光纤激光器的发热和制冷基本处于平衡状态，在不影响输出激光的状态下，有源光纤的发热受到抑制。实施例1:
一种制备大功率连续光纤激光器方法，其步骤:
步骤一:氟玻璃光纤制作。以氟化物玻璃作为基质，掺杂两种稀土元素制作有源双包层氟玻璃光纤的预制棒。在纤芯2041中掺入第一杂质钕和第二杂质镱,2042是光纤的内包层，2043是光纤外包层，2044是涂覆层。在光纤拉丝塔上将上述预制棒拉制成双包层光纤，并在裸光纤外部涂上涂覆层。此双包层有源光纤的结构如图1所示。步骤二:搭建光纤激光器光学系统。利用上述有源双包层氟玻璃光纤制作大功率连续光纤激光器。连续大功率光纤激光器的结构如图2所示。步骤三:搭建光纤激光器电路系统。将半导体激光器的驱动源与各个信号泵浦激光器207、制冷泵浦激光器208连接，将控制电路与各个驱动源电路和监控电路连接，将接口电路与激光器控制电路和外部计算机连接。步骤四:运行调试。启动制冷泵浦激光器208，使得光纤处于被冷却状态，但开始该制冷泵浦调节到较低水平。启动信号泵浦激光器207，使得光纤处于激光输出状态，但开始该泵浦调节到较低水平，使其发热量不是太大。然后依次地增大制冷泵浦激光器的功率和信号泵浦激光器的功率，逐渐让两个泵浦激光器的功率到达目标值。此时光纤激光器的发热和制冷基本处于平衡状态，在不影响输出激光的状态下，有源光纤的发热受到抑制。本发明与 传统激光器不同的是:本发明采用了双元素掺杂的氟玻璃光纤，取代了传统的二氧化硅单元素掺杂光纤；本发明采用了两个不同的泵浦，分别是第一泵浦用于光纤激光器的激射，第二泵浦用于有源光纤的制冷降温。原理说明如下:在第一波长泵浦激光的激励下，有源双包层氟玻璃光纤中#1掺杂离子产生光增益区，增益区和左右两个有相同中心反射波长的光纤光栅I 202和光纤光栅II 206组成光学谐振腔，并产生激光。在第二波长泵浦激光的激励下，有源双包层氟玻璃光纤中#2掺杂离子产生反斯托克斯拉曼散射，吸收声子，发出一个能量更大的拉曼散射光子。声子会带走有源光纤中的热量，散射光子向外辐射离开了双包层有源光纤。有源双包层氟玻璃光纤中的激光发生过程如图3所示。在激射过程中，#1波长的泵浦激光将#1掺杂离子从基态301跃迁到激发态303，然后通过非辐射转移到亚稳态302上，再通过受激辐射，跃迁到基态301，同时产生了信号激光。这个过程中，光子的量子亏损转化为热量，使光纤发热。有源双包层氟玻璃光纤中的制冷过程如图4所示。在制冷过程中，#2波长的泵浦激光将掺杂离子#2中的离子从基态402跃迁到激发态403，声学声子促使激发态401和402之间发生粒子数转移，离子从激发态404辐射跃迁至401，发出一个拉曼散射光子，并且吸收一个能量等于401和402之间能级差的光学声子。这种反斯托克斯拉曼散射过程，通过带走一个光学声子吸收了有源光纤的热量，达到制冷的效果。
本实施例的核心是采用双掺杂双包层氟玻璃光纤，通过双波长泵浦，在产生受激辐射的同时，用反斯托克斯拉曼散射带走热量的方法来部分或全部抵消光纤激光器激射过程中的发热。缓解了大功率光纤激光器的散热问题。掺杂元素可以在多种稀土元素中进行选择，以配合信号泵浦波长和制冷泵浦波长。在某些情况下，如果第一掺杂离子在第一泵浦光作用下，产生的激光光子能量正好等于所需的第二泵浦光的光子能量，则可以省去第二泵浦，而直接用信号激光的一部分来泵浦第二种离子产生反斯托克斯拉曼荧光，从而制冷光纤激光器的有源光纤，简化了光纤激光器的结构。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种发热抑制的光纤激光器，由光功率吸收器(201)、光纤光栅I (202)、前向光纤泵浦光合束器(203)、双包层有源光纤(204)、反向光纤泵浦光合束器(205)、光纤光栅II(206)、信号泵浦激光器(207)、制冷泵浦激光器(208)、输出准直隔离器(209)，其特征在于:所述的双包层有源光纤(204)的左端和前向光纤泵浦光合束器(203)连接、右端和反向光纤泵浦光合束器(205)连接；信号泵浦激光器(207)与前向光纤泵浦光合束器(203)连接，制冷泵浦激光器(208)与反向光纤泵浦光合束器(205)连接，光纤光栅I (202)的右端与前向光纤泵浦光合束器(203)连接、左端与光功率吸收器(201)连接；光纤光栅II (206)左端与反向光纤泵浦光合束器(205)连接，右端与输出准直隔离器(209)的输入端连接。
2.根据权利要求1 所述的一种发热抑制的光纤激光器，其特征在于:所述的双包层有源光纤204，由纤芯(2041 )、内包层(2042 )、外包层(2043 )和涂覆层(2044)组成，所述的纤芯(2041)与涂覆层(2044 )之间设有内包层(2042 )和外包层(2043 )，其纤芯芯径为8 20微米，内包层(2042)直径为10(Γ400微米。
3.一种制作权利要求1所述的光纤激光器的方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)、双包层有源光纤制作:以氟化物玻璃作为基质，掺杂两种稀土元素制作双包层有源光纤的预制棒；在纤芯(2041)中掺入第一杂质钕(Nd)和第二杂质镱(Yb),在光纤拉丝塔上将上述预制棒拉制成双包层光纤，并在裸光纤外部涂上涂覆层(2044)； 2)、搭建光纤激光器光学系统:将前向光纤泵浦光合束器(203)与第一波长的信号泵浦激光器(207 )的激光耦合至双包层有源光纤(204 )中，反向光纤泵浦光合束器(205 )将第二波长的制冷泵浦激光器(208)的激光耦合至双包层有源光纤(204)中；光纤光栅I (202)右端与前向光纤泵浦光合束器(203)连接、其左端与光功率吸收器(201)连接；光纤光栅II(206)左端与反向光纤泵浦光合束器(205)连接，其右端与输出准直隔离器(209)的输入端连接； 3)、搭建光纤激光器电路系统:将光纤激光器的驱动源与各个信号泵浦激光器(207)、制冷泵浦激光器(208 )连接，控制电路与各个驱动源电路和监控电路连接，接口电路与激光器控制电路和外部计算机连接； 4)、运行调试:启动制冷泵浦激光器(208)，使得光纤处于制冷状态，启动信号泵浦激光器(207)，使得光纤处于激光输出状态，依次增大制冷泵浦激光器的功率和信号泵浦激光器的功率，逐渐让两个泵浦激光器的功率到达目标值，此时光纤激光器的发热和制冷处于基本平衡状态，在不影响输出激光的状态下，有源光纤的发热受到抑制。
4.根据权利要求1所述的制备光纤激光器的方法，其特征在于:所述的步骤I)中的双包层有源光纤(204)在纤芯(2041)中掺入第一杂质钕和第二杂质镱，其掺杂浓度为IO18 1020cnT3。
全文摘要
一种发热抑制的光纤激光器及其制作方法，其特征在于所述的抑制发热的双包层有源光纤(204)的左端和前向光纤泵浦光合束器(203)连接、右端和反向光纤泵浦光合束器(205)连接；信号泵浦激光器(207)与前向光纤泵浦光合束器(203)连接，制冷泵浦激光器(208)与反向光纤泵浦光合束器(205)连接。本发明通过两个泵浦波长的激光，分别产生信号激光和制冷效应，缓解了大功率光纤激光器的散热压力，提高了光纤激光器的可靠性和工作稳定性。同时该光纤激光器在结构上与传统的光纤激光器系统兼容，具有工艺可行性。
文档编号H01S3/16GK103236628SQ201310135119
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月18日 优先权日2013年4月18日
发明者周胜, 李丰, 谈根林 申请人:江苏天元激光科技有限公司, 丹阳聚辰光电科技有限公司