一种全光纤单频蓝光激光器的制作方法

本发明涉及激光器，尤其是一种基于外腔倍频、全光纤化结构的单频蓝光激光器。

背景技术：

全光纤单频激光器运转在单一纵模状态，其不仅输出光束质量好、结构紧凑、易于集成化，还具有输出光谱线宽窄和噪声低的优点，因而发展十分迅速。在目前短波段（<0.8µm）缺乏增益介质能够直接产生激光的情况下，二次谐波产生（SHG）倍频是获得短波段（可见光）激光光源的有效手段。特别是经过倍频方式获得的单频蓝光激光，可作为激光存储、彩色显示、生物及医学诊断、水下通信等的理想光源。

当前国际上研究机构对于外腔倍频产生蓝光激光的关键部分——940nm或980nm基频光，主要使用稀土离子掺杂晶体材料、半导体材料激光器、空气包层特殊光纤等方式，其存在输出功率较低、光谱线宽较宽、模式质量较差等问题，由于倍频转换效率与基频光功率密度、谱线宽度、光谱亮度、晶体参数等密切相关，因而导致相应的倍频转换效率和谐波功率较低。外腔倍频方式需要较高的基频光功率，由于镱离子在978nm附近的吸收截面在短波段增加明显和再吸收严重，对于该波段的功率放大比较困难，虽然利用较大纤芯直径/包层直径比例的掺镱光纤可以获得高功率978nm光源，但输出激光的光束质量很差，且光谱为宽谱线。并且这些激光装置一般采用空间耦合方式，整个系统结构较复杂、体积较大、稳定性较差。如Zou等人采用波长946nm的Nd:YAG固体激光器泵浦掺镱光纤获得了功率1.32W的980nm激光输出，然后通过BIBO晶体外腔倍频的方式，获得了功率15mW、波长490nm蓝光输出[Appl. Phys. B, 2009, 95]。

相关专利有：（1）2008年，西北大学申请了高功率蓝光光纤激光器的专利[公开号：CN 100372197C]，通过双向泵浦腔内倍频方式将谐振腔变成激活腔，最后实现高功率的蓝光输出，但是该结构输出的蓝光并非单频形式，且光束质量较差。（2）2013年，山东海富光子科技股份有限公司申请了单频脉冲蓝光光源的专利[公开号：CN 103545702A]，利用压电元件周期性按压增益光纤调制978nm基频光的偏振方向进行调Q，将非线性晶体置于谐振腔外，实现了单频脉冲蓝光激光输出，但其所要求的蓝光激光器并未具有全光纤化特性，且结构较复杂。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于两级外腔倍频、全光纤化结构的单频蓝光激光器。所要解决的技术问题是：克服现有蓝光激光器输出线宽较宽、输出功率较低、结构较复杂等缺点。

为达到上述目的，本发明至少采用如下技术方案之一。

一种全光纤单频蓝光激光器，包括2.0µm波段线偏振单频激光种子源、掺铥光纤放大器、第一偏振控制器、第一带尾纤耦合波导型晶体、第一温控炉、第一滤波器、第二偏振控制器、第二带尾纤耦合波导型晶体、第二温控炉、第二滤波器。各部件之间的结构关系是：所述的单频激光种子源的输出尾纤与掺铥光纤放大器的输入端相连，掺铥光纤放大器的输出端与第一偏振控制器的一端相连，第一偏振控制器的另一端与第一带尾纤耦合波导型晶体的输入端相连，第一带尾纤耦合波导型晶体的输出端与第一滤波器的输入端相连，第一滤波器的输出端与第二偏振控制器的一端相连，第二偏振控制器的另一端与第二带尾纤耦合波导型晶体的输入端相连，第二带尾纤耦合波导型晶体的输出端与第二滤波器的输入端相连，第二滤波器的输出端作为单频蓝光激光的输出端口。其中第一带尾纤耦合波导型晶体和第二带尾纤耦合波导型晶体分别置于第一温控炉和第二温控炉里面。

进一步地，所述2.0µm波段线偏振单频激光种子源基于DBR线性短腔结构，其两端采用用布拉格光纤光栅构成前后反射腔镜进行波长选择，中间为高掺杂铥离子锗酸盐玻璃光纤，使用长度为0.5~5cm；单频激光种子源为线偏振单纵模输出，输出波长范围为1850~2000nm，输出状态为连续或者脉冲。

进一步地，所述掺铥光纤放大器采用多模包层泵浦结构，增益光纤为高掺杂铥离子锗酸盐玻璃光纤或者商用的掺铥石英光纤，泵浦源个数、泵浦功率、泵浦波长和增益光纤长度可根据具体倍频时所需的基频光功率大小来决定，泵浦方式可以为前向泵浦、后向泵浦或者双向泵浦。

进一步地，所述第一偏振控制器包括3个成设定角度排列的光纤挤压器和一段受控光纤。通过调节偏振控制器从而实现对光纤传输中偏振态的控制，并通过精确调节第一温控炉的控制温度，使第一带尾纤耦合波导型晶体达到倍频所需的准相位匹配条件，实现从2.0µm到1.0µm波段的第一级倍频激光的高效输出。

进一步地，所述第一带尾纤耦合波导型晶体和第二带尾纤耦合波导型晶体均由前光纤准直器、非线性晶体、后光纤准直器封装而成，实现全光纤化结构。其中倍频晶体为周期极化晶体铌酸锂（PPLN）、钽酸锂（PPLT），或者双折射晶体三硼酸锂（LBO）、偏硼酸钡（BBO）、硼酸铋（BIBO）等。

进一步地，所述第一滤波器对1.0µm波段激光能够完全透过，透射率大于99.9%；对2.0µm波段激光完全反射，反射率大于99.9%。用于滤除经过第一级倍频后残留的2.0µm波段基频光。

进一步地，所述第二偏振控制器同样包括3个成设定角度排列的光纤挤压器和一段受控光纤。其调整的是第一级倍频后1.0µm波段激光的偏振态，使之与第二带尾纤耦合波导型晶体所支持的偏振态匹配；并通过精确调节第二温控炉的控制温度，使第二带尾纤耦合波导型晶体达到倍频所需的准相位匹配条件，实现1.0µm波段基频光到蓝光激光的第二级倍频输出。

进一步地，所述第二滤波器对蓝光波段激光能够完全透过，透射率大于99.9%；对1.0µm波段激光完全反射，反射率大于99.9%；其用于滤除第二级倍频后残留的1.0µm波段基频光，并且其输出端镀增透膜或研磨成斜面作为单频蓝光的输出端口。

本发明利用两级外腔倍频结构，通过放大的2.0µm波段高功率单频光纤激光对非线性晶体进行频率转换。在掺铥光纤放大器作用下，将2.0µm波段线偏振单频激光种子源功率放大至较高输出功率，并作为第一级基频光源；基于非线性二次谐波产生过程，将2.0µm波段基频光通过非线性晶体倍频至1.0µm波段；再将倍频后的1.0µm波段激光继续通过非线性晶体倍频至蓝光波段。该激光器避免了现有蓝光激光器中采用体光学元器件，实现了整个结构的全光纤化；并且由于采用2.0µm波段高功率线偏振单频光纤激光器作为基频光源，在保证较高基频光功率和窄线宽的同时，可以实现良好的单横模运转，因此可以获得全光纤化、高光束质量的单频蓝光激光输出。

与现有技术相比，本发明的技术效果是：利用两级外腔结构和非线性二次谐波产生过程，采用2.0µm波段高功率单频光纤激光对非线性晶体进行频率转换。基于2.0µm波段线偏振单频激光种子源，通过掺铥光纤放大器进行放大后得到倍频所需的第一级高功率基频光源；再将2.0µm波段基频光通过非线性晶体倍频至1.0µm波段，得到倍频所需的第二级基频光源；最后将1.0µm波段激光继续通过非线性晶体倍频至蓝光波段，即通过两级倍频获得高光束质量的单频蓝光激光输出。由于采用全光纤化结构，整个系统十分紧凑，简单易行，且工作稳定。

附图说明

图1为实例中2.0µm波段线偏振单频激光种子源的DBR短腔结构示意图。

图2为实例中所述带尾纤耦合波导型晶体封装结构示意图。

图3为实例中全光纤单频蓝光激光器结构示意图。

图中：201—宽带高反光纤光栅，202—高掺杂铥离子锗酸盐玻璃光纤，203—窄带低反保偏光纤光栅；301—前光纤准直器，302—非线性晶体，303—后光纤准直器；11—2.0µm波段线偏振单频激光种子源，12—掺铥光纤放大器，21—第一偏振控制器，22—第一带尾纤耦合波导型晶体，23—第一温控炉，31—第一滤波器，32—第二偏振控制器，33—第二带尾纤耦合波导型晶体，34—第二温控炉，41—第二滤波器。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步详细说明，以便于更清楚地理解本发明，但本发明的实施额保护不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或者工艺参数，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。

如图1所示，本实例2.0µm波段线偏振单频激光种子源的DBR短腔结构，其两端一般用宽带高反光纤光栅201、窄带低反保偏光纤光栅203构成前后反射腔镜进行波长选择，中间为高掺杂铥离子锗酸盐玻璃光纤202，使用长度为0.5~5cm。本实例中，所述2.0µm波段线偏振单频激光种子源由一对窄带低反保偏光纤光栅和宽带高反光纤光栅组成前后腔镜，通过熔接或者对接的方式连接到一段长度为0.5~5cm的高掺杂铥离子锗酸盐玻璃光纤的两端，共同构成单频激光谐振腔，单频激光种子源的输出波长范围为1850~2000nm。

如图2所示，本实例所使用的带尾纤耦合波导型晶体封装结构，由前光纤准直器301、非线性晶体302、后光纤准直器303封装而成，进而实现整个系统的全光纤化传输结构。其中非线性晶体302可以是周期极化晶体铌酸锂（PPLN）、钽酸锂（PPLT），或者双折射晶体三硼酸锂（LBO）、偏硼酸钡（BBO）、硼酸铋（BIBO）等。

如图3所示，本实例的一种全光纤单频蓝光激光器，主要包括三个部分，分别为单频基频光装置部分1，由2.0µm波段线偏振单频激光种子源11和掺铥光纤放大器12组成；第一级倍频装置部分2，由第一偏振控制器21、第一带尾纤耦合波导型晶体22、第一温控炉23（可用小型温控炉）组成；第二级倍频装置部分3，由第一滤波器31、第二偏振控制器32、第二带尾纤耦合波导型晶体33、第二温控炉34（可用小型温控炉）组成。各部件之间的结构关系是：所述的2.0µm波段线偏振单频激光种子源11的输出尾纤与掺铥光纤放大器12的输入端相连，掺铥光纤放大器12的输出端与第一偏振控制器21的一端相连，第一偏振控制器21的另一端与第一带尾纤耦合波导型晶体22的输入端相连，第一带尾纤耦合波导型晶体22的输出端与第一滤波器31的输入端相连，第一滤波器31的输出端与第二偏振控制器32的一端相连，第二偏振控制器32的另一端与第二带尾纤耦合波导型晶体33的输入端相连，第二带尾纤耦合波导型晶体33的输出端与第二滤波器41的输入端相连，第二滤波器41的输出端作为单频蓝光激光的输出端口。其中第一带尾纤耦合波导型晶体22和第二带尾纤耦合波导型晶体33分别置于第一温控炉23和第二温控炉34里面。第一偏振控制器21和第二偏振控制器32均包括三个成设定角度（如三角形）排列的光纤挤压器和一段受控光纤，且受控光纤为保偏单模光纤。

其中2.0µm波段线偏振单频激光种子源11采用DBR短腔结构，本例中使用长度1.5cm的高掺杂铥离子锗酸盐玻璃光纤202作为增益介质，3dB带宽0.4nm、反射率99.9%的宽带光纤光栅201和3dB带宽0.06nm、反射率70%的窄带保偏光纤光栅203作为前后腔镜，中心波长为1940nm。并利用功率200mW的793nm单模半导体激光器进行后向泵浦，单频激光种子源最终实现功率20mW、偏振消光比大于26dB的1940nm单频激光输出。

本实例中，掺铥光纤放大器12采用包层泵浦方式对种子源进行功率放大，本例中掺铥光纤放大器12采用商用的掺铥石英光纤，泵浦光源采用793nm多模半导体激光器，利用两级放大结构，将种子源功率放大至30W。其中第一偏振控制器21调整放大后1940nm基频光的偏振态，使之与第一带尾纤耦合波导型晶体22所支持的偏振态匹配，其中第一带尾纤耦合波导型晶体22是周期极化晶体铌酸锂（PPLN）。其中第一温控炉23通过精确控制非线性晶体的温度，实现准相位匹配，经过第一级倍频后获得970nm单频激光。其中第一滤波器31滤除经过第一级倍频后残留的1940nm基频光，实现高质量的970nm单频线偏振激光输出，并作为下一级倍频的基频光源。其中第二偏振控制器32调整倍频后970nm激光的偏振态，使之与第二带尾纤耦合波导型晶体33所支持的偏振态匹配，其中第二带尾纤耦合波导型晶体33也是周期极化晶体铌酸锂（PPLN）。其中第二温控炉34通过精确控制非线性晶体的温度，实现准相位匹配，从而第二级倍频后获得485nm的单频蓝光。其中第二滤波器41滤除经过第二级倍频后残留的970nm激光，实现全光纤结构的485nm单频蓝光激光输出。

本实施例的单频蓝光激光器输出功率可达瓦级以上，装置紧凑、结构简单、光束质量好，可作为理想的蓝光激光光源。