全光纤化激光混频器及其混频光纤激光器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及激光混频【技术领域】，尤其涉及一种全光纤化激光混频器及其混频光纤激光器。所述全光纤化激光混频器及其混频光纤激光器，利用梯度折射率光纤(Grin光纤)耦合技术，实现全光纤化的激光混频器，进而与光纤激光器相结合，可以实现全光纤化的混频光纤激光器。本装置可以实现对976nm掺Yb光纤激光器、1μm掺Yb光纤激光器、1.5μm铒掺共掺光纤激光器、1.9μm掺铥光纤激光器、2μm铥钬共掺光纤激光器、2.8μm掺Er?ZBLAN光纤激光器、拉曼光纤激光器以及倍频/和频/差频激光器等线偏振窄线宽光纤激光器中的任意一种或两种进行全光纤化倍频、和频或差频，实现覆盖紫外光、可见光、近红外、中红外波段的全光纤化光纤激光器。
【专利说明】全光纤化激光混频器及其混频光纤激光器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及激光混频【技术领域】，尤其涉及一种全光纤化激光混频器及其混频光纤激光器。
【背景技术】
[0002]激光倍频、和频及差频等激光混频技术是实现许多新波长激光器的重要途径，通过倍频或和频可将中红外激光转变为近红外激光、将近红外激光转变为可见光、或将可见激光转变为紫外激光；通过激光差频，可将近红外激光转化为中红外激光，从而扩展激光谱线覆盖的范围。可见光和紫外激光器广泛应用于激光加工、激光医疗、激光显示、激光内雕等领域；中红外激光广泛应用于大气探测、激光医疗、红外对抗等领域。因而，激光混频技术在各波段激光的产生中有着重要的应用。
[0003]当前激光混频的主流技术是利用非线性倍频/和频/差频晶体对二极管泵浦的固体激光器进行空间耦合的晶体混频来实现的，导致整个系统结构复杂、需要大量的空间准直耦合调试、机械稳定性不高，要保证系统稳定运转需要不定期调试维护。为了改善基于固体激光器泵浦的倍频/和频/差频激光器的热问题和稳定性，目前已有采用光纤激光器作为基频光进行激光混频，可以获得转化效率高、光束质量好、结构较为简单的混频激光输出。尽管如此，光纤激光器与倍频/和频/差频晶体之间的空间透镜耦合导致的系统稳定性问题仍然限制光纤激光器混频技术的进一步应用，难以获得类似光纤激光器的全光纤化混频激光器。
实用新型内容
[0004]本实用新型所要解决的技术问题是:提供一种全光纤化激光混频器及其混频光纤激光器，利用梯度折射率光纤(Grin光纤)耦合技术，实现全光纤化的激光混频器，进而与光纤激光器相结合，实现全光纤化的混频光纤激光器。本实用新型是这样实现的:
[0005]一种全光纤化激光混频器，包括依次耦合连接的:
[0006]激光混频器输入光纤，用于输入混频所用的基频光；
[0007]第一无芯光纤，用于对经所述激光混频器输入光纤输入的基频光进行扩束传输；
[0008]第一 Grin光纤，用于对经所述第一无芯光纤扩束传输后输入的基频光进行准直及聚焦；
[0009]第二无芯光纤，用于对经所述第一 Grin光纤准直及聚焦后的基频光进行聚焦传输;
[0010]混频晶体，用于对经所述第二无芯光纤聚焦传输后输入的基频光进行非线性频率转换，产生混频激光；
[0011]第三无芯光纤，用于对所述混频晶体产生的混频激光进行扩束传输；
[0012]第二 Grin光纤，用于对经所述第三无芯光纤扩束传输后输入的混频激光进行准直及聚焦；
[0013]第四无芯光纤，用于对经所述第二 Grin光纤准直及聚焦后的混频激光进行聚焦传输；
[0014]激光混频器输出光纤，用于传输经所述第四无芯光纤聚焦传输后输入的混频激光;
[0015]光纤端帽，用于避免端面反射对系统造成损伤。
[0016]进一步地，所述基频光为线偏振窄线宽激光。
[0017]进一步地，所述激光混频器输入光纤为保偏光纤。
[0018]进一步地，所述激光混频器输出光纤为截止波长小于所述混频激光波长的保偏光纤。
[0019]进一步地，所述混频晶体的相位匹配波长与所述基频光的波长一致。
[0020]一种混频光纤激光器，包括如上所述的任意一种全光纤化激光混频器，还包括第一光纤激光器及第一偏振相关型光纤隔离器；
[0021]所述第一光纤激光器用于提供混频所用的基频光；
[0022]所述第一偏振相关型光纤隔离器的输入端与所述第一光纤激光器的输出端f禹合连接；
[0023]所述第一偏振相关型光纤隔离器的输出端与所述激光混频器输入光纤耦合连接。
[0024]进一步地，所述混频光纤激光器还包括第二光纤激光器、第二偏振相关型光纤隔离器及波分复用器；
[0025]所述第二光纤激光器用于提供混频所用的基频光；
[0026]所述第二偏振相关型光纤隔离器的输入端与所述第二光纤激光器的输出端f禹合连接；
[0027]所述第一偏振相关型光纤隔离器的输出端及第二偏振相关型光纤隔离器的输出端通过所述波分复用器与所述激光混频器输入光纤耦合连接。
[0028]进一步地，所述混频晶体的相位匹配波长与所述第一光纤激光器及第二光纤激光器的工作波长一致。
[0029]进一步地，所述第一偏振相关型光纤隔离器的输入端及输出端的光纤均为与所述第一光纤激光器的输出端光纤参数相同的保偏光纤；所述第二偏振相关型光纤隔离器的输入端及输出端的光纤均为与所述第二光纤激光器的输出端光纤参数相同的保偏光纤。
[0030]进一步地，所述第一光纤激光器及第二光纤激光器均为线偏振窄线宽光纤激光器。
[0031]进一步地，所述混频晶体的输入端光纤与所述波分复用器的输出端光纤为参数相同的保偏光纤。
[0032]与现有技术相比，本实用新型可以提供一种全光纤化的激光混频器，通过与具有高峰值功率或平均功率的线偏振窄线宽光纤激光器相结合，可以实现全光纤化的混频光纤激光器。本装置可以对976nm掺Yb光纤激光器、I μ m掺Yb光纤激光器、1.5 μ m铒掺共掺光纤激光器、1.9 μ m掺铥光纤激光器、2 μ m铥钦共掺光纤激光器、2.8 μ m掺Er ZBLAN光纤激光器、拉曼光纤激光器以及倍频/和频/差频激光器等线偏振窄线宽光纤激光器中的任意一种或两种进行全光纤化倍频、和频或差频，实现覆盖紫外光、可见光、近红外、中红外波段的全光纤化光纤激光器。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1:本实用新型实施例提供的全光纤化激光混频器结构示意图；
[0034]图2:本实用新型实施例提供的基于上述全光纤化激光混频器的混频光纤激光器结构示意图；
[0035]图3:本实用新型实施例提供的另一种基于上述全光纤化激光混频器的混频光纤激光器结构不意图。
【具体实施方式】
[0036]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0037]图1示出了本实用新型实施例提供的全光纤化激光混频器结构示意图。根据图1所示，全光纤化激光混频器包括依次耦合连接的激光混频器输入光纤6、第一无芯光纤7、第一 Grin光纤8、第二无芯光纤9、混频晶体10、第三无芯光纤11、第二 Grin光纤12、第四无芯光纤13、激光混频器输出光纤14、光纤端帽15。
[0038]上述各结构中，激光混频器输入光纤6为一种保偏光纤，用于输入混频所用的基频光。该基频光为线偏振窄线宽激光。第一无芯光纤7、第一 Grin光纤8及第二无芯光纤9三者的结合相当于空间聚焦透镜及其前后的自由空间，其利用自聚焦原理将基频光准直及聚焦到混频晶体10的中心。具体而言，第一无芯光纤7用于对经所述激光混频器输入光纤输入的基频光进行扩束传输。这里所谓的扩束传输是指:第一无芯光纤7相当于空间聚焦透镜前的自由空间，经激光混频器输入光纤6输入的基频光进入第一无芯光纤7，并在第一无芯光纤7中传输，在传输的过程中，基频光光束会逐渐发散，从而起到扩束作用。第一无芯光纤7的长度可根据实际需要计算得出。基频光经第一无芯光纤7扩束传输后，进入第一 Grin光纤8。基频光进入第一 Grin光纤8时达到比较大的光斑直径。第一 Grin光纤8用于对经第一无芯光纤7扩束传输后输入的基频光进行准直及聚焦。第二无芯光纤9用于对经第一 Grin光纤8准直及聚焦后的基频光进行聚焦传输，使其进入混频晶体10后，在混频晶体10的中心处聚焦成为最小腰斑。这里所谓聚焦传输是指:第二无芯光纤9相当于空间聚焦透镜后的自由空间，第一Grin光纤8准直及聚焦后的基频光进入第二无芯光纤9后，并在第二无芯光纤9中传输，在传输的过程中，基频光光束会逐渐收拢，从而起到聚焦作用。第二无芯光纤9的长度可根据实际需要计算得出。混频晶体10为相位匹配或准相位匹配混频(倍频/和频/差频)晶体，其相位匹配波长与基频光的波长一致。混频晶体10用于对经第二无芯光纤9聚焦传输后输入的基频光进行非线性频率转换，产生混频激光，产生的混频激光为频率为2 ω I (倍频)或ω 1+ω I (和频)或ω 1-ω I (差频)的混频激光，其中，ω?为基频光的频率。产生的混频激光从混频晶体10进入第三无芯光纤11。第三无芯光纤11、第二 Grin光纤12、及第四无芯光纤13三者的结合，与前述一样，也相当于空间聚焦透镜及其前后的自由空间，其利用自聚焦原理将混频光准直及聚焦进入激光混频器输出光纤14的纤芯。具体而言，第三无芯光纤11用于对混频晶体10产生的混频激光进行扩束传输，使其进入第二 Grin光纤12时达到比较大的光斑直径，第二 Grin光纤12用于对经第三无芯光纤11扩束传输后输入的混频激光进行准直及聚焦，第四无芯光纤13用于对经第二 Grin光纤12准直及聚焦后的混频激光进行聚焦传输。激光混频器输出光纤14为截止波长小于所述混频激光，且在混频激光波长处低损耗传输的保偏光纤，用于输出经第四无芯光纤13聚焦传输后输入的混频激光。光纤端帽15，用于防止激光被激光混频器输出光纤14的端面反射回去，可以避免对系统造成损伤。
[0039]上述结构中，可根据基频光的波长，以及激光混频器输入光纤6、激光混频器输出光纤14的参数、混频晶体10的长度和折射率等参数，优化地选择具有长节距的棒状Grin光纤，进而模拟计算得出耦合效率最优化的第一无芯光纤7、第一 Grin光纤8、第二无芯光纤9、第三无芯光纤11、第二 Grin光纤12及第四无芯光纤13的长度。第一无芯光纤7、第二无芯光纤9、第三无芯光纤11及第四无芯光纤13都优化地采用棒状无芯光纤。然后，通过特种光纤熔接机按照上述耦合连接关系将上述各光纤熔接，熔接时各段光纤的长度按计算所得的最优化长度截断，同时，通过角度调整保证保偏光纤偏振方向与混频晶体对应方向的匹配。
[0040]上述各结构形成了本实用新型实施例提供的全光纤化激光混频器16。如图2及图3所示，在全光纤化激光混频器16的基础上，本实用新型实施例还提供了一种混频光纤激光器。如图2所示，该混频光纤激光器除包括上述的全光纤化激光混频器15外，还包括用于提供混频所用的基频光的第一光纤激光器I及第二光纤激光器2。第一偏振相关型光纤隔离器3的输入端与第一光纤激光器I的输出端稱合连接。第二偏振相关型光纤隔离器4的输入端与第二光纤激光器2的输出端稱合连接。波分复用器5的两个输入端分别与第一偏振相关型光纤隔离器3及第二偏振相关型光纤隔离器4的输出端耦合连接。波分复用器5的输出端与激光混频器输入光纤6稱合连接。
[0041]在上述结构中，第一偏振相关型光纤隔离器3的输入端及输出端的光纤均为与第一光纤激光器I的输出端光纤参数相同的保偏光纤，第二偏振相关型光纤隔离器4的输入端及输出端的光纤均为与第二光纤激光器2的输出端光纤参数相同的保偏光纤。第一偏振相关型光纤隔离器3及第二偏振相关型光纤隔离器4分别用于防止各自后级的反馈光对第一光纤激光器I及第二光纤激光器2的损伤。第一光纤激光器I及第二光纤激光器2为线偏振窄线宽光纤激光器，其输出高功率线偏振窄线宽激光作为混频所用的基频光。波分复用器5的输入端和输出端的光纤也均为保偏光纤。混频晶体10为与第一光纤激光器I及第二光纤激光器2的频率一致的相位匹配或准相位匹配混频(倍频/和频/差频)晶体。混频晶体10的输出端的光纤也选用与波分复用器5的输出端的光纤参数相同的保偏光纤。
[0042]需要指出的是，对于激光倍频，全光纤化激光混频器16之前仅需选用对应的一种类型的光纤激光器，而且不需采用波分复用器5，仅通过第一偏振相关型光纤隔离器3及第二偏振相关型光纤隔离器4直接与激光混频器输入光纤6耦合相连(如图3所示)。对于激光和频或差频，全光纤化激光混频器16之前才需选用对应的两种类型的光纤激光器，并分别通过第一偏振相关型光纤隔离器3及第二偏振相关型光纤隔离器4与波分复用器5两个输入端相连，通过波分复用器5两个输出端的光纤将两种基频光混合输入到激光混频器输入光纤6 (如图2所不)。
[0043]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种全光纤化激光混频器，其特征在于，包括依次耦合连接的: 激光混频器输入光纤，用于输入混频所用的基频光； 第一无芯光纤，用于对经所述激光混频器输入光纤输入的基频光进行扩束传输； 第一 Grin光纤，用于对经所述第一无芯光纤扩束传输后输入的基频光进行准直及聚焦； 第二无芯光纤，用于对经所述第一 Grin光纤准直及聚焦后的基频光进行聚焦传输； 混频晶体，用于对经所述第二无芯光纤聚焦传输后输入的基频光进行非线性频率转换,产生混频激光； 第三无芯光纤，用于对所述混频晶体产生的混频激光进行扩束传输； 第二 Grin光纤，用于对经所述第三无芯光纤扩束传输后输入的混频激光进行准直及聚焦； 第四无芯光纤，用于对经所述第二 Grin光纤准直及聚焦后的混频激光进行聚焦传输； 激光混频器输出光纤，用于传输经所述第四无芯光纤聚焦传输后输入的混频激光； 光纤端帽，用于避免端面反射对系统造成损伤。
2.如权利要求1所述的全光纤化激光混频器，其特征在于，所述基频光为线偏振窄线宽激光。
3.如权利要求1所述的全光纤化激光混频器，其特征在于，所述激光混频器输入光纤为保偏光纤。
4.如权利要求1所述的全光纤化激光混频器，其特征在于，所述激光混频器输出光纤为截止波长小于所述混频激光波长的保偏光纤。
5.如权利要求1所述的全光纤化激光混频器，其特征在于，所述混频晶体的相位匹配波长与所述基频光的波长一致。
6.一种混频光纤激光器，其特征在于，包括如权利要求1至4中任一权利要求所述的全光纤化激光混频器，还包括第一光纤激光器及第一偏振相关型光纤隔离器； 所述第一光纤激光器用于提供混频所用的基频光； 所述第一偏振相关型光纤隔离器的输入端与所述第一光纤激光器的输出端耦合连接; 所述第一偏振相关型光纤隔离器的输出端与所述激光混频器输入光纤稱合连接。
7.如权利要求6所述的混频光纤激光器，其特征在于，还包括第二光纤激光器、第二偏振相关型光纤隔离器及波分复用器； 所述第二光纤激光器用于提供混频所用的基频光； 所述第二偏振相关型光纤隔离器的输入端与所述第二光纤激光器的输出端稱合连接; 所述第一偏振相关型光纤隔离器的输出端及第二偏振相关型光纤隔离器的输出端通过所述波分复用器与所述激光混频器输入光纤耦合连接。
8.如权利要求6所述的混频光纤激光器，其特征在于，所述混频晶体的相位匹配波长与所述第一光纤激光器及第二光纤激光器的工作波长一致。
9.如权利要求7所述的混频光纤激光器，其特征在于，所述第一偏振相关型光纤隔离器的输入端及输出端的光纤均为与所述第一光纤激光器的输出端光纤参数相同的保偏光纤；所述第二偏振相关型光纤隔离器的输入端及输出端的光纤均为与所述第二光纤激光器的输出端光纤参数相同的保偏光纤。
10.如权利要求6所述的混频光纤激光器，其特征在于，所述第一光纤激光器及第二光纤激光器均为线偏振窄线宽光纤激光器。
11.如权利要求7所述的混频光纤激光器，其特征在于，所述混频晶体的输入端光纤与所述波分复用器的输出端光纤为参数相同的保偏光纤。
【文档编号】G02F1/365GK204012174SQ201420248027
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年5月14日 优先权日:2014年5月14日
【发明者】郭春雨, 阮双琛, 杜晨林, 欧阳德钦, 林怀钦, 刘伟琪 申请人:深圳大学