专利名称:一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器的制造方法
【专利摘要】一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器，有泵浦源和耦合透镜，双色镜、有源单晶光纤和对激光波长部分透过的输出元件，泵浦源、耦合透镜、双色镜、有源单晶光纤和输出元件依次设置在光路上。泵浦源采用半导体激光器或光纤激光器或固体激光器。双色镜采用镀膜镜片或光纤光栅或光纤端镜。有源单晶光纤包括有：有源单晶光纤纤芯，包裹在有源单晶光纤纤芯外侧的有源单晶光纤包层，包裹在有源单晶光纤包层外侧的有源单晶光纤涂覆层，其中，有源单晶光纤纤芯的基质采用Nd:YAG晶体或YAP晶体。有源单晶光纤纤芯掺杂离子为Nd或Yb或Er。输出元件采用镀膜镜片或光纤光栅或光纤端镜。本实用新型起到避免光纤损伤、提高光纤激光器输出功率的作用。
【专利说明】-种基于单晶光纤的高功率光纤激光器
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及一种光纤激光器。特别是设及一种W单晶光纤为有源光纤的基于 单晶光纤的高功率光纤激光器。
【背景技术】
[0002] 热效应会导致热退偏、热致衍射损耗等问题，严重影响激光器的输出功率、转换效 率W及光束质量等主要性能指标，严重时甚至引起增益介质的损坏，是高功率激光器性能 的最主要限制因素。为缓解热效应带来的影响，相关领域的技术人员通过采用板条、DISK和 光纤等形式的增益介质，增加增益介质的表面积体积比，大幅提高散热效率，从而极大地推 进了激光器的功率输出能力。与板条和DISK激光器相比，光纤激光器具有如下几方面的优 势：其累浦结构较为简单；光纤本身的结构对于模式的限制作用使之在光束质量方面也存 在明显优势；能够采用光纤禪合输出，应用环境适应性很好；基于该些优点，光纤激光器已 成为高功率激光器的主要发展方向之一。
[0003] 然而，高功率光纤激光器发展的一个明显障碍在于，目前广泛用作有源光纤基质 的石英玻璃导热系数很小，仅为1.4-1. 6W nTiri，小导热系数对散热带来巨大的不利影响， 因此光纤激光器高功率运转时仍然对于制冷有较高的要求，也限制了其功率的继续提升。 对于单晶激光增益介质而言，常用的激光晶体锭侣石恼石（YAG)晶体导热系数?14Wnriri， 侣酸锭（YAP)晶体的导热系数也超过?llWnriri，高于石英玻璃数倍；因此，可考虑采用单 晶作为有源光纤的基质，利用其高导热系数改善光纤本身的散热性能，降低系统对于制冷 的要求，简化系统的复杂性，提升激光器的功率和光束质量等输出性能指标。
【发明内容】
[0004] 本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种能够改善光纤激光器的散热性能的 基于单晶光纤的高功率光纤激光器。
[0005] 本实用新型所采用的技术方案是；一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器，包括 有累浦源和禪合透镜，还设置有对累浦光波长高透、对激光波长高反的双色镜、有源单晶光 纤和对激光波长部分透过的输出元件，所述的累浦源、禪合透镜、双色镜、有源单晶光纤和 输出元件依次设置在光路上。
[0006] 所述的累浦源采用半导体激光器或光纤激光器或固体激光器。
[0007] 所述的双色镜采用锻膜镜片或光纤光栅或光纤端镜。
[000引所述的有源单晶光纤包括有：有源单晶光纤纤巧，包裹在有源单晶光纤纤巧外侧 的有源单晶光纤包层，包裹在有源单晶光纤包层外侧的有源单晶光纤涂覆层，其中，所述的 有源单晶光纤纤巧的基质采用Nd:YAG晶体或YAP晶体。
[0009] 所述的有源单晶光纤纤巧渗杂离子为Nd或孔或化。
[0010] 所述的输出元件采用锻膜镜片或光纤光栅或光纤端镜。
[0011] 本实用新型的一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器，本实用新型通过采用导热 系数较高的单晶替代石英玻璃作为有源光纤的基质，增加光纤的导热系数，改善有源光纤 的导热性能，提高其散热性能，有效降低纤巧处的温度，起到避免光纤损伤、提高光纤激光 器输出功率的作用。本实用新型从根本上解决高功率光纤激光器中石英玻璃基质导热系数 较小影响散热效率，不利于高功率运转的问题。
【附图说明】
[0012] 图1是本实用新型一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器的结构示意图；
[0013] 图2是本实用新型中单晶光纤的结构示意图。
[0014] 图中，
[0015] 1 ;累浦源 2 ;禪合透镜
[0016] 3;双色镜 4;有源单晶光纤
[0017] 41 ;有源单晶光纤纤巧 42 ;有源单晶光纤包层
[00化]43 ;有源单晶光纤涂覆层5 ;输出兀件
【具体实施方式】
[0019] 下面结合实施例和附图对本实用新型的一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器 做出详细说明。
[0020] 如图1所示，本实用新型的一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器，包括有累浦 源1和禪合透镜2,其特征在于，还设置有对累浦光波长高透、对激光波长高反的双色镜3、 有源单晶光纤4和只对激光波长部分透过的输出元件5,所述的累浦源1、禪合透镜2、双色 镜3、有源单晶光纤4和输出元件5依次设置在光路上。其中，
[0021] 所述的累浦源1是采用多个激光器叠阵构成的高功率激光器。所述的激光器采用 半导体激光器或光纤激光器或固体激光器等，发射波长对应于有源单晶光纤吸收带即可。 如采用高功率半导体激光器叠阵，输出波长808nm，输出功率1000W。
[0022] 所述的禪合透镜2可采用焦距30mm的聚焦透镜，锻有808nm增透膜。
[0023] 所述的双色镜3采用锻膜镜片或光纤光栅或光纤端镜。如双色镜3采用锻有808nm 增透、1064nm高反的平面双色镜，紧贴有源单晶光纤4放置。
[0024] 所述的输出元件5采用锻膜镜片或光纤光栅或光纤端镜，如采用反射率10%的平 面镜。
[0025] 所述的有源单晶光纤4,吸收累浦光，发生粒子数反转，提供激光增益，在所述双色 镜3和输出元件5构成的激光器谐振腔的反馈作用下形成激光振荡。所述的有源单晶光纤 4如图2所示，所述的有源单晶光纤4包括有：有源单晶光纤纤巧41，包裹在有源单晶光纤 纤巧41外侧的有源单晶光纤包层42,包裹在有源单晶光纤包层42外侧的有源单晶光纤涂 覆层43,其中，所述的有源单晶光纤纤巧41的基质采用导热系数远高于传统光纤所用的石 英玻璃基质的晶体，如Nd:YAG晶体或YAP晶体，W此改善光纤的散热性能，降低纤巧温度， 提高激光器输出功率。所述的有源单晶光纤纤巧41渗杂离子为Nd或Yb或化等常用激光 渗杂罔子。
[0026] 渗杂浓度1. 0-at. %的Nd: YAG单晶折射率为1. 8197@1064皿，纯YAG晶体折射率 为1. 8147@1064nm，根据光纤单模条件a這2,40日;1/2町/而-请可知，利用渗杂Nd:YAG为 纤巧，纯YAG为包层，可W构造巧径3 y m，数值孔径NA = 0. 13的单模单晶光纤，具体应用 中，可W通过降低Nd: YAG纤巧的渗杂浓度或在纯YAG中渗Ge等调节折射率，使纤巧和包层 的折射率更为接近，从而构造大巧径单模结构单晶光纤W及双包层光纤，满足不同功率水 平W及累浦方式的需要。
[0027] 本实用新型的实施例中，有源单晶光纤纤巧41的基质为Nd:YAG、包层42为纯YAG 晶体，纤巧直径100 y m，渗杂浓度0. 03-at. %，长度Im。
[0028] 本实用新型的一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器，累浦源1发射的808nm累 浦光经禪合透镜2聚焦后进入有源单晶光纤4,有源单晶光纤4吸收累浦光，形成粒子数反 转，产生激光增益，在双色镜3和输出元件5构成的激光谐振腔反馈作用下形成高功率激光 振荡，经输出元件5输出。其中，有源单晶光纤的渗杂浓度和长度可根据对于折射率的需要 W及累浦吸收等因素综合考虑选择，本实用新型实施例对此不做限制。
[0029] 本实用新型的一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器，通过采用导热系数较高的 单晶替代石英玻璃作为有源光纤的基质，改善有源光纤的导热性能，降低纤巧温度，起到避 免光纤损伤、提高光纤激光器输出功率的作用。
[0030] 本领域技术人员可W理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本实用新型实 施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0031] W上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用W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、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. 一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器，包括有累浦源（1)和禪合透镜（2)，其特征 在于，还设置有对累浦光波长高透、对激光波长高反的双色镜（3)、有源单晶光纤（4)和对 激光波长部分透过的输出元件巧），所述的累浦源（1)、禪合透镜（2)、双色镜（3)、有源单晶 光纤（4)和输出元件（5)依次设置在光路上。2. 根据权利要求1所述的一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器，其特征在于，所述 的累浦源（1)采用半导体激光器或光纤激光器或固体激光器。3. 根据权利要求1所述的一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器，其特征在于，所述 的双色镜（3)采用锻膜镜片或光纤光栅或光纤端镜。4. 根据权利要求1所述的一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器，其特征在于，所述 的有源单晶光纤（4)包括有：有源单晶光纤纤巧（41)，包裹在有源单晶光纤纤巧（41)外 侧的有源单晶光纤包层（42)，包裹在有源单晶光纤包层（42)外侧的有源单晶光纤涂覆层 (43)，其中，所述的有源单晶光纤纤巧（41)的基质采用Nd:YAG晶体或YAP晶体。5. 根据权利要求4所述的一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器，其特征在于，所述 的有源单晶光纤纤巧（41)渗杂离子为Nd或孔或化。6. 根据权利要求1所述的一种基于单晶光纤的高功率光纤激光器，其特征在于，所述 的输出元件（5)采用锻膜镜片或光纤光栅或光纤端镜。
【文档编号】H01S3-067GK204290021SQ201420701951
【发明者】史伟, 盛泉, 付士杰, 姚建铨 [申请人]天津大学