专利名称：光纤激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光领域，尤其涉及光纤激光器。
背景技术：
光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，光纤激光
器可在光纤放大器的基础上开发出来在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功 率密度，造成激光工作物质的激光能级"粒子数反转"，当适当加入正反馈回路(构 成谐振腔)便可形成激光振荡输出。
光纤激光器应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工 业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔/ 切割/焊接(铜焊、淬水、包层以及深度焊接)、军事国防安全、医疗器械仪器 设备、大型基础建设等等。
光纤激光器有众多的优点，泵浦光耦合是其中一个重要的技术1^出。目前多 用半导体激光器作泵浦源从端面泵浦或側面泵浦。对非激光光源作泵浦源时， 由于目前光纤结构多数采用纤芯含有激光增益介质，而纤芯直径很小，非波导 耦合的光源很难实现其振荡。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种光纤激光器结构，以满足泵浦功率密度 较低的光泵浦源或连续光谱泵浦时，特别是以太阳光作泵浦源时能够产生激光 输出的新型光纤激光器。
本发明采用如下技术方案
本发明的光纤激光器，包括泵浦光源和光纤。所述的光纤是至少包含荧光材料层和激光增益介质层的包层光纤。
进一步的,.所述的泵浦光源侧面泵浦所述的光纤。或者所述的泵浦光源端 面泵浦所述的光纤，其光纤外层套上有高反射率外套。
进一步的，所述的泵浦光源可以是低功率密度的连续光镨光源(主要是太
阳')或者常规的激光泵浦源。具体包括会聚的太阳光泵浦源、闪光灯泵浦源、 光导管泵浦源、连续灯泵浦源、半导体阵列激光器泵浦源、阵列发光二极管泵
第一种的，所述的包层光纤是环状激光增益介质层的多包层光纤；其至少 包含由内至外顺序排列的荧光材料的纤芯层、环状的激光增益介质层、环状的 外包层。
进一步的，所述的环状激光增益介质层的多包层光纤还包括环状的隔离内 包层，所述的隔离内包层处于激光增益介质层和外包层之间。
更进一步的，所述的环状激光增益介质层的多包层光纤还包括环状的緩冲 层，所述的緩冲层处于荧光材料的纤芯层和激光增益介质层之间。
更进一步的，所述的环状激光增益介质层的多包层光纤还包括环状的第二 荧光材料的层，所述的第二荧光材料的层紧靠于激光增益介质层外。
更进一步的，所述的环状激光增益介质层的多包层光纤还包括环状的第二 荧光材料的层，所述的第二荧光材料的层紧靠于激光增益介质层外。
更进一步的，所述的环状激光增益介质层的多包层光纤还包括环状的第二 隔离层，所述的第二隔离层处于荧光材料的纤芯层和环状的激光增益介质层之 间。
另一种的，，所述的包层光纤是芯状激光增益介质层的双包层光纤；其至少包含由内至外顺序排列的激光增益介质的纤芯层、环状的荧光材料层和环状的 外包层。
进一步的，所述的芯状激光增益介质层的双包层光纤还包括环状的隔离层， 所述的隔离层处于激光增益介质的纤芯层和荧光材料层之间。
进一步的，把所述的第一种环状激光增益介质层的多包层光纤组成光纤线圈。
进一步的，把所述的第二种所述的环状激光增益介质层的多包层光纤组成 光纤线圈。
或者，多层所述的第 一种光纤线圏和多层所述的第二种光纤线圈組成混合 光纤线圈。
更进一步的，将所述的第一种光纤线圈或第二种光纤线圈或第一种光纤线 圏和第二种光纤线圈组成的混合光纤线圈置于有高反射率反射腔中。
.更进一步的，所述的反射腔内放置荧光材料，再度利用泵浦光。
进一步的，所述的激光增益介质掺入Nd3+、 Cr3+、 Er3+、 丫1)3+等离子。所述的 荧光材料掺入(y+、 Ti3+、 Yb3+、 E,等离子。
因此，本发明是一种新型的光纤激光器结构，能满足泵浦功率密度较低的 光泵浦源或连续光谱泵浦时，特别是以太阳光作泵浦源时能够产生激光输出。 附图i兌明
图la是本发明的环状激光增益介质层的多包层光纤的原理示意图； 图-lb是图la的端面结构示意图1 c是采用多层环状激光增益介质层的多包层光纤光纤线圈的示意图； 图ld是本发明采用侧面泵浦示意图；图le是本发明实施例一的示意图If是图le的端面结构示意图lg是本发明实施例二的示意图lh是图lg的端面结构示意图li是本发明实施例三的示意图lj是图li的端面结构示意图lk是本发明实施例四的示意图11是图lk的端面结构示意图lm是本发明的不同光纤端面示意图ln是本发明多个圓形截面激光增益介质层示意图lo是本发明另一种多个圓形截面激光增益介质层示意图2a是本发明的芯状激光增益介质层的双包层光纤实施例一示意图;
图2b是图2a的端面结构示意图2c是本发明的芯状激光增益介质层的双包层光纤实施例二示意图;
图2d是图2c的端面结构示意图3是本发明的混合光纤线圈侧面泵浦示意图4a是本发明用会聚的太阳光泵浦的示意图4b是图4a的光纤线圈放置于高反射率反射腔中的示意图4c是本发明用光导管泵浦的示意图4d是本发明用闪光灯泵浦的示意图4e是本发明用LED或LD阵列泵浦的示意图4f是本发明采用端面泵浦示意图。
具体实施方式
现结合
和具体实施方式
对本发明进一步说明。
光纤激光器。其核心思想是如何有效利用光纤激光器有效激光振荡截面小，腔 内功率密度高，阈值低等特点，在低功率密度泵浦光泵浦的条件下实现激光振 荡。
针对通常光纤激光器纤芯细，必须采用端面泵浦或侧面有限点侧泵的缺点， 本发明釆用两种设计思路。
1. 釆用环状薄层激光增益介质光纤，其特点是
a) 环状可以使增益介质层接近光纤直径，这样侧面泵浦可以向任意 方向任意点进行泵浦，并可基本保证泵浦截面接近于增益介质吸收截面。
b) 环状结构可采用薄层结构这样即使整个光纤直径较大但有效激光 增益介质截面仍很小，从而保持了光纤激光有效截面小，腔内功率密度高 的特点。
2. 采用双层激光器结构，在光纤中引入荧光材料，使侧面自由方向泵浦 光被荧光材料吸收并发出为激光增益介质吸收的荧光，这些荧光至少有一半光 强可通过全内反射在光纤中来回反射而被激光增益介质吸收，这种结构可用于 环行薄层光纤，亦可应用于中心为单模光纤结构的光纤。
3. 采用环行薄层光纤与带有荧光层的双包层单模光纤混合构成光纤多层线 圈结构①环行薄层光纤直接吸收泵浦光中可被吸收波段，而荧光材料吸收不 能直接被激光增益介质吸收的波段，同时环行薄层光纤吸收光纤内发生全内反 射的荧光②双包层带荧光材料的单模光纤吸收泵浦光及产生的部分荧光从而产 生高光束质量的激光输出。这种混合结构特别适应于宽带连续泵浦源泵浦光的 利用。
4. 当荧光材料对激光波长有吸收时，可在荧光材料与激光增益介质层之间 增加一层隔离层。
5. 必要时可采用将光纤线圈放置于漫反射腔中，通过外腔将有助于泵浦光 被光纤吸收。
.如图la表示本发明的环状激光增益介质层的多包层光纤，101表示环状的 激光增益介质层，102为光纤外包层，103为光纤内芯是荧光材料的纤芯层，其中环状的激光增益介质层101折射率高于外包层102和荧光材料的纤芯层103 的折射率以保证激光增益介质环形成波导腔。为更加清楚的表示，图lb是其端
面结构示意图。
图lc表示环形激光增益介质光纤采用多层光纤线圈，可通过多层重叠环绕 增强对侧面泵浦光的有效吸收，如图ld所示中，本发明的光纤采用侧面泵浦， Sl与S2为光纤激光器端面形成谐振腔。
图le表示在激光增益介质环中增加可吸收泵浦光并产生可被激光增益介质 吸收的荧光材料的纤芯层1031,同时增加了隔离内包层1041，其中激光增益介 质层101折射率最高，内包层1041折射率高于外包层102，从荧光材料的纤芯 层1031产生荧光，其中满足全内反射的部分荧光会在内包层1041中全内反射， 从而被激光增益介质101吸收。如激光增益介质层101为掺有Nd3+或Yb3+离子 激光增益层，1031可为掺有Cr3+或Ti3+离了荧光材料层，Nd: 3+吸收808nm附 近光谱，而C,可以吸收可见光大部分波段光，产生808nm附件的荧光。为更加 清楚的表示，图lf是其端面结构示意图。
图lg的实施例二是在图le的实施例一的荧光材料的纤芯层1031与激光增 益介质层101之间增加一个缓沖层105，以防止图le的实施例一中焚光材料通 过接触面吸收激光振荡波长。如荧光材料的纤芯层1031摻有C +中少量的Cr4+ 可能会吸收1. 064 jam波长光，加入不吸收与1. 064 jum緩冲层可减少振荡光损 失。为更加清楚的表示，图lh是其端面结构示意图。
图li的实施例三是在环状激光增益介质层101的外层再增加一层可产生荧 光的第二荧光材料的包层1032。为更加清楚的表示，图lj是其端面结构示意图。
图lk的实施例四则是在环状激光增益层101与内外荧光层(荧光材料的纤 芯层1031和第二荧光材料的包层1032 )中均增加隔离层，是隔离内包层1041 和第二隔离层1042。为更加清楚的表示，图ll是其端面结构示意图。
图lm表示环状增益介质层可以是各种形状，如多角形，D形，星状，n形 等所需形状。
图ln表示通过多个圆形截面激光增益介质层以增加对泵浦光吸收。图lo 则是另一种通过多个圆形截面激光增益介质层以增加对泵浦光吸收的示意图。 如图2a和图2b表示的结构类似普通双包层光纤，只是双包层用产生荧光的荧光材料构成，其荧光可为激光增益介质吸收。图2a中，，201为激光增益介质的纤芯层，它可以单模也可以是多模纤芯， 202为荧光材料层，203为外包层。图2b同图1系列一样，在激光增益介质与荧光层中间增加一个隔离层204 防止荧光层对激光增益层振荡波长的吸收。'图2a、图2b的芯状激光增益介质层的双包层光纤的优势是可产生工业所需 的圓形单模激光输出。图3表示本发明的图1的环状激光增益介质层的多包层光纤与图2的芯状 激光增益介质层的双包层光纤混合使用形成一定面积吸收体的光纤线圈。图2谱，而图1的环状激光增益介质层的多包层光纤系列吸收^f艮少为图2的芯状激 光增益介质层的双包层光纤光纤系列增益介质直接吸收的光镨部分，同时内部图4系列表示本发明所述光纤激光器的泵浦方式。图4a表示采用光学会聚系统将泵浦光直接泵浦在本发明所述光纤激光器线 圈上。图4b表示将本发明光纤激光器线圈放置在一个高反射率漫反射体腔中，而 泵浦光通过会聚系统进入漫反射腔中，由于反射体的高反射率，泵浦光会被多 次反射，直至大部分被激光增益介质吸收。图4c中采用光导管将泵浦光引入含有光纤细圈的光纤激光器漫反射腔中。图4d表示将本发明光纤激光器置于漫反射腔中，将产生泵浦光源如闪光灯 或其他灯类光源，同时置于反射腔中。 图4e与图4d结构类似，只是光源换为LED或LD阵列。图4f中表示采用一束本发明所述两种光纤通过常规端面泵浦方法泵浦，其 光纤束可套在有高反射率外套之中。本发明所发明两种特种光纤，主要针对非激光泵浦源，即泵浦光源没有很 强方向性的侧面泵浦；特别是像太阳光这种连续光语同时单位面积泵浦功率不 高的光源；通过采用图1系列的大接受面积环形激光增益介质圈和图2系列含有荧光材料特种光纤及两种光纤混合成线圈方式来提高泵浦效率。本发明的激光增益介质可采用掺有NcT、 Cr3+、 Er3+、 ￥1)3+等离子的激光材料, 荧光材料可采用Cr3+、 Ti3+、 Yb3+、 E +等在红外波段发荧光的离子掺杂。由于本发明利用常见光纤激光器的所有阈值低，腔内功率密度高特有优点， 同时发明了环形激光增益圈，荧光材料构成内包层光纤，将光纤组成光纤线圏 等技术，这必将对特殊泵浦光源尤其是太阳光泵浦的激光器提高转化效率产生 重^变革，从而有可能获得较为广泛的应用。尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员 应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式 上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
权利要求
1.光纤激光器，包括泵浦光源和光纤，其特征在于所述的光纤是至少包含荧光材料层和激光增益介质层的包层光纤。
2. 如权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于所述的泵浦光源侧面泵浦所 述的光纤。
3. 如权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于所述的泵浦光源端面泵浦所 述的光纤。
4. 如权利要求l、 2或3任一所述的光纤激光器，其特征在于所述的泵浦光源 可以是会聚的太阳光泵浦源、闪光灯泵浦源、光导管泵浦源、连续灯泵浦源、 半导体阵列激光器泵浦源、阵列发光二极管泵浦源。
5. 如权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于所述的包层光纤是环状激光 增益介质层的多包层光纤；其至少包含由内至外顺序排列的荧光材料的纤芯 层(1031)、环状的激光增益介质层(101)、环状的外包层(102)。
6. 如权利要求5所述的光纤激光器，其特征在于所述的环状激光增益介质层 的多包层光纤还包括环状的隔离内包层(1041)，所述的隔离内包层(1041) 处于激光增益介质层(101)和外包层(102)之间。
7. 如权利要求6所述的光纤激光器，其特征在于所述的环状激光增益介质层 的多包层光纤还包括环状的緩冲层(105 ),所述的緩冲层(105 )处于萸光材 料的纤芯层(1031)和激光增益介质层(101)之间。
8. 如权利要求5或6所述的光纤激光器，其特征在于所述的环状激光增益介 .质层的多包层光纤还包括环状的第二荧光材料的层(1032 )，所述的第二荧光 材料的层(1032 )紧靠于激光增益介质层(101)夕卜。
9. 如权利要求7任一所述的光纤激光器，其特征在于所述的环状激光增益介质层的多包层光纤还包括环状的第二荧光材料的层(1032 )，所述的第二荧光 -材料的层(1032 )紧靠于激光增益介质层(101)夕卜。
10. 如权利要求9所述的光纤激光器，其特征在于所述的环状激光增益介 质层的多包层光纤还包括环状的第二隔离层(1042 ),所述的第二隔离层(1042 )处于荧光材料的纤芯层(1031)和环状的激光增益介质层(101)之间。
11. 如权利要求1所述的光纤激光器，其特4正在于所述的包层光纤是芯状 激光增益介质层的双包层光纤；其至少包含由内至外顺序排列的激光增益介 '质的纤芯层(201)、环状的荧光材料层(202 )和环状的外包层(203 )。
12. 如权利要求ll所述的光纤激光器，其特征在于所述的芯状激光增益介 质层的双包层光纤还包括环状的隔离层(204 )，所述的隔离层(204 )处于激 光增益介质的纤芯层(201)和荧光材料层(202 )之间。
13. 如权利要求5所述的光纤激光器，其特征在于所述的环状激光增益介 质层的多包层光纤组成光纤线圈。
14. 如权利要求11所述的光纤激光器，其特征在于所述的环状激光增益介 质层的多包层光纤组成光纤线圈。
15. 如权利要求13或14所述的光纤激光器，其特征在于复数层权利要求 13所述的光纤线圏和复数层权利要求14所述的光纤线圈组成混合光纤线圈。
16. 如权利要求13或14所述的光纤激光器，其特征在于所述的光纤线圈 置于有高反射率反射腔中。
17. 如权利要求15所述的光纤激光器，其特征在于所述的光纤线圏置于有 -高反射率反射腔中。
18. 如权利要求16所述的光纤激光器，其特征在于所述的反射腔内放置荧光材料。
19. 如权利要求l7所述的光纤激光器，其特征在于所述的反射腔内放置荧光材料。
20. 如权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于所述的激光增益介质掺 入而3+、 Cr3+、 Er3+、 Yb3+等离子。
21. 如权利要求1或18或19所述的光纤激光器，其特征在于所述的荧光 材料掺入Cr3+、 Ti3+、 Yb3+、 Er3+等离子。
全文摘要
本发明涉及激光领域，尤其涉及光纤激光器。本发明发明环状激光增益层的多包层光纤，以增大从光纤侧面泵浦光吸收面积，环状增益介质的薄环内外可以是普通光学材料，亦可以是可产生荧光并为增益介质所吸收的荧光材料，同时本发明发明中心为激光增益介质，双包层中荧光材料光纤，本发明所发明的光纤可用半导体激光器阵列作为泵浦源，亦可应用于泵浦功率密度较低的光泵浦源或连续光谱泵浦的光纤激光器，特别是以太阳光作泵浦源的激光器。本发明的两种光纤可单独使用，亦可以混合使用。因此，本发明是一种新型的光纤激光器结构，能满足泵浦功率密度较低的光泵浦源或连续光谱泵浦时，特别是以太阳光作泵浦源时能够产生激光输出。
文档编号H01S3/06GK101404377SQ20081007207
公开日2009年4月8日 申请日期2008年10月31日 优先权日2008年10月31日
发明者凌吉武, 卢秀爱, 砺 吴, 陈燕平 申请人:福州高意通讯有限公司