钕钬镱三掺碲酸盐光纤的2.0μm波段低阈值单频光纤激光器的制作方法

本发明属于光纤及光纤激光器领域，尤其涉及一种钕钬镱三掺碲酸盐光纤的2.0μm波段低阈值单频光纤激光器。

背景技术

光纤激光器属于一类新型的固体激光器，光纤充当其增益介质，具有好的光束品质、极高的可靠性，稳定性以及优异的散热性、小的体积等优点，被誉为第三代激光技术的典型代表。目前光纤激光器已经在制造、航空航天、化工、军事等众多领域中得到了广泛的应用。美国权威的市场调查公司strategiesunlimited预测，到2017年全球激光器的年度总收入将有望突破110亿美元大关。近年来co2激光器年收入变化不大，而光纤激光器年收入则以10％以上的增长率增加，并且2015年的年收入要远高于其它种类的激光器。由此可见，光纤激光器在激光器领域中占据着主导地位。2.0μm波段光纤激光器在生物医疗、材料加工、人眼安全激光雷达、中红外激光泵浦源和中红外超连续谱产生等领域都有重要的应用，已成为国际上研究的热点。

碲酸盐玻璃作为重金属氧化物玻璃的一种，相比其他常用玻璃基质，具有很多优势：①比石英玻璃、锗酸盐玻璃最大声子能量要低；②比氟化物玻璃化学稳定性和机械性能要好；③具有高的稀土离子溶解能力以及大的吸收和发射截面等。由此，采取碲酸盐玻璃作为2.0μm光纤激光器的基质材料越来越获得高度重视。稀土离子掺杂光纤激光器是一种典型的光纤激光器，被科研人员广泛进行研究。常用于稀土掺杂的离子有nd³⁺、yb³⁺、tm³⁺、ho³⁺、er³⁺和pr³⁺等离子。tm³⁺和ho³⁺离子可用于产生2.0μm波段的激光，激活离子tm³⁺:³f4→³h6和ho³⁺:⁵i7→⁵i8跃迁的受激发射可以产生2.0μm波段激光。如何在碲酸盐玻璃基质中获得低阈值、高功率、结构紧凑、体积小且结构简单的2.0μm波段激光输出成为当前研究的重点与难点。

与tm³⁺离子相比，ho³⁺离子能实现更长波长的激光输出，同时，其激光上能级寿命要长于tm³⁺离子，有利于降低激光阈值。然而，ho³⁺离子缺少与商用高功率的808nm或976nm等半导体激光器激光波长相匹配的吸收带，因此不能利用其直接泵浦ho³⁺离子实现2.0μm波段激光。为解决这个问题，在808nm或976nm波长附近具有强吸收带的稀土离子，如yb³⁺、tm³⁺和er³⁺离子通常被用来充当ho³⁺离子的敏化剂，从而实现2.0μm波段激光。然而，采取这些常用敏化离子所得到的2.0μm波段激光的阈值功率偏高，达260mw，斜率效率仅为3％，且单频激光最高输出功率偏小，仅为5mw，斜率效率也仅仅为3％(参见li.k.etal.in-bandpumpingoftmdopedsinglemodetelluritecompositefibers.8982，89821m-1-89821-6(2014).(李科峰等，包层泵浦掺铥单纵模光纤激光器，国际光学工程学会会议，2014年第8982卷))，不利于形成低阈值、高功率、结构紧凑小体积的光纤激光器。因此，采取能量转换效率高的其他掺杂离子如nd³⁺，以及nd³⁺和ho³⁺的能量传递桥梁yb³⁺，以提高nd³⁺向ho³⁺的能量传递效率，从而降低激光阈值功率、缩短激光腔长度、提高2.0μm波段单频激光输出功率具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中2.0μm波段碲酸盐单频光纤激光器存在的阈值高、功率低等不足，利用钕钬镱三掺碲酸盐单模光纤中离子的高掺杂浓度(掺杂浓度>1.5*10²⁰ions/cm³)，以及镱离子的能量传递桥梁作用，大大提高了钕离子向钬离子的能量传递效率，进而增加钬离子的发光强度；此外，采用短直腔结构或窄线宽光纤光栅的选频作用，在泵浦光源的持续抽运下，可实现2.0μm波段低阈值窄线宽的单频激光输出。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

钕钬镱三掺碲酸盐光纤的2.0μm波段低阈值单频光纤激光器，其包括半导体激光泵浦源(1)、宽带光纤布拉格光栅(2)、窄带光纤布拉格光栅(3)、增益光纤(4)、毛细管封装材料(5)、波分复用器(6)、光隔离器(7)和自动温度控制系统(8)；其中波分复用器(6)的一端与窄带光纤布拉格光栅(3)的一端连接，窄带光纤布拉格光栅(3)的另一端经增益光纤(4)与宽带光纤布拉格光栅(2)的一端连接，波分复用器(6)的另一端与光纤隔离器(7)连接，增益光纤(4)、窄带光纤布拉格光栅(3)以及宽带光纤布拉格光栅(2)固定封装在自动温度控制系统中，增益光纤(4)固定于毛细管封装材料(5)内；半导体激光泵浦源(1)采用正向泵浦方式、反向泵浦方式或双向泵浦方式。

进一步的，所述正向泵浦方式中，当为单个半导体激光泵浦源时，所述半导体激光泵浦源的泵浦光直接通过宽带光纤布拉格光栅(5)耦合进增益光纤(4)；当为双半导体激光泵浦源时，两个半导体激光泵浦源的泵浦光通过光纤合束器(9)合束后通过宽带光纤布拉格光栅(2)耦合进增益光纤(4)。

进一步的，所述反向泵浦方式中，当为单个半导体激光泵浦源时，所述半导体激光泵浦源的尾纤连接波分复用器(6)的一端；当为双半导体激光泵浦源时，两个半导体激光泵浦源通过光纤合束器(9)合束后连接波分复用器(6)的一端。

进一步的，所述双向泵浦方式中，一个半导体激光泵浦源的泵浦光直接通过宽带布拉格光栅(2)进入到增益光纤(4)中进行泵浦；另一个半导体激光泵浦源则通过波分复用器(6)和窄带光纤布拉格光栅(3)进入增益光纤(4)进行泵浦。

进一步的，所述单频光纤激光器的谐振腔由宽带光纤布拉格光栅(2)、窄带光纤布拉格光栅(3)及增益光纤(4)构成；所述增益光纤(4)和窄带光纤布拉格光栅(3)以及宽带光纤布拉格光栅(2)之间是通过研磨抛光各自的光纤端面后直接对接耦合，或者通过光纤熔接机熔接耦合。

进一步的，所述窄带光纤布拉格光栅(3)的中心反射波长为激光输出波长，反射谱宽小于0.1nm，中心波长反射率为15％-99％。

进一步的，所述宽带光纤布拉格光栅(2)的反射谱宽大于0.1nm，对激光信号波长反射率大于90％，对泵浦光波长808nm透射率大于90％。

进一步的，所述增益光纤(4)为1-9cm长的钕钬镱三掺碲酸盐单模光纤。

进一步的，半导体激光泵浦源采用808nm半导体激光泵浦源。

进一步的，所述钕钬镱三掺碲酸盐光纤的2.0μm波段低阈值单频光纤激光器的增益光纤为1-9cm长的钕钬镱三掺碲酸盐单模光纤，其纤芯组分为：60teo2-30wo3-3zno–(7-x-y-z)la2o3-xnd2o3-yho2o3-zyb2o3(mol％)，其中0.2≤x≤3，0.2≤y≤3，0.5≤z≤6，包层组分为：59teo2-30wo3-3zno-(8-a)la2o3–ana2o，0≤a≤2，纤芯直径为≤10μm。

所述钕钬镱三掺碲酸盐光纤的2.0μm波段低阈值单频光纤激光器中采用的滤波片为长通滤波片，允许波长>1400nm或者波长>1200nm的光强通过。

与现有的2.0μm碲酸盐光纤激光器相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明采用钕钬镱三掺的碲酸盐基质玻璃光纤，由于高浓度钕离子的掺入(掺杂浓度≥1.5*10²⁰ions/cm³)以及镱离子的能量传递桥梁作用，大大提升了钕离子向钬离子的能量传递效率，提高钬离子在2.0μm的发光强度，降低阈值功率，提高激光输出功率。

本发明采用钕钬镱三掺的碲酸盐基质玻璃光纤的光纤激光器，目前为止尚未见报道，为2.0μm波段的发光提供一种新的发光机理和发光材料。

本发明中，所采用的增益光纤长度仅为1-9cm，由激光的腔模原理可知，其中，c为真空中的光速，n为纤芯的折射率，l为激光腔长，可见激光纵模间距δυ与激光腔长l成反比，减少激光腔长可以增大纵模间距，从而实现单频激光输出，本发明中将光纤长度选择1-9cm，使2.0μm碲酸盐单模光纤激光器有效谐振腔腔长极短，腔内的纵模间隔可达0.83-7.5ghz，当激光的纵模间隔大于激光谱线宽度时，即可在激光腔长内只有一个单纵模输出；此外，本发明中窄带光纤布拉格光栅和宽带光纤布拉格光栅构成短直腔的前后腔镜，只要窄带光纤光栅反射谱足够窄，如3db反射谱小于0.06nm，即可确保在腔长为1-9cm的激光腔内只存在一个单纵模，且无模式竞争及跳摸现象。

附图说明

图1是实例中采双泵浦源的正向泵浦方式时的钕钬镱三掺碲酸盐光纤的2.0μm单频光纤激光器的原理及结构示意图。

图2是实例中采用双泵浦源的反向泵浦方式时的钕钬镱三掺碲酸盐光纤的2.0μm单频光纤激光器的原理及结构示意图。

图3是实例中采用双向泵浦方式时的钕钬镱三掺碲酸盐光纤的2.0μm单频光纤激光器的原理及结构示意图。

图中：1为半导体激光泵浦源；2为宽带光纤布拉格光栅；3为窄带光纤布拉格光栅；4为增益光纤；5为毛细管封装材料；6为波分复用器；7为光隔离器；8为自动温度控制系统；9为光纤合束器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。

实施例

图1-图3为本发明实施例的钕钬镱三掺碲酸盐光纤的2.0μm波段低阈值单频光纤激光器的原理结构示意图，钕钬镱三掺碲酸盐光纤的2.0μm波段低阈值单频光纤激光器由单或双808nm半导体激光泵浦源、宽带光纤布拉格光栅、窄带光纤布拉格光栅、增益光纤、毛细管封装材料、波分复用器、光隔离器、自动温度控制系统、光纤合束器构成；各部分的连接关系为：波分复用器的一端与窄带光纤布拉格光栅的一端连接，窄带光纤布拉格光栅的另一端经增益光纤与宽带光纤布拉格光栅的一端连接，波分复用器的另一端与光纤隔离器连接，增益光纤、窄带光纤布拉格光栅以及宽带光纤布拉格光栅固定封装在自动温度控制系统(可以采用自动温度控制的箱体)中，增益光纤固定于毛细管封装材料内。

上述钕钬镱三掺碲酸盐光纤的2.0μm波段低阈值单频光纤激光器的谐振腔由宽带光纤布拉格光栅、窄带光纤布拉格光栅及增益光纤构成；所述增益光纤和窄带光纤布拉格光栅以及宽带光纤布拉格光栅之间是通过研磨抛光各自的光纤端面后直接对接耦合，或者通过光纤熔接机熔接耦合。

所述的钕钬镱三掺碲酸盐光纤的2.0μm波段低阈值单频光纤激光器，根据半导体激光泵浦源放置位置的不同，其泵浦方式可为：采用单或双泵浦源的正向泵浦方式、采用单或双泵浦源的反向泵浦方式；以及采用双泵浦源的双向泵浦方式。三种泵浦方式中，均是通过将不同方位的泵浦光耦合进增益光纤中，高掺杂高增益的碲酸盐单模光纤中的钕离子在泵浦光的作用下通过镱离子的桥梁作用将能量传递给钬离子，使得钬离子在⁵i7和⁵i8两个上下能级之间产生粒子数反转并产生受激发射光，经过多次在谐振腔内的来回震荡放大，最终产生2.0μm波段的激光。

上述的正向泵浦方式如图1所示，泵浦源可为单或双808nm半导体单模激光器，当为单泵浦源时，所述泵浦源直接通过宽带光纤布拉格光栅进入增益光纤；当为双泵浦源时，两个泵浦源经过光纤合束器合束后通过宽带光纤布拉格光栅进入增益光纤。

上述的反向泵浦方式如图2所示，泵浦源可为单或双808nm半导体单模激光器，当为单个泵浦源时，所述泵浦源的尾纤连接波分复用器的一端；当为双泵浦源时，两个泵浦源通过光纤合束器合束后连接波分复用器的一端。

上述的双向泵浦方式如图3所示，左侧泵浦源直接通过宽带布拉格光栅进入到增益光纤中进行泵浦；右侧泵浦源则通过波分复用器和窄带光纤布拉格光栅进入增益光纤进行泵浦。

所述的钕钬镱三掺碲酸盐增益光纤2的纤芯组分为：60teo2-30wo3-3zno–(7-x-y-z)la2o3-xnd2o3-yho2o3-zyb2o3(mol％)，其中0.2≤x≤3，0.2≤y≤3，0.5≤z≤6，包层组分为：59teo2-30wo3-3zno-(8-a)la2o3–ana2o，0≤a≤2，纤芯直径为≤10μm；本实施例中，x＝y＝0.5；z＝5；a＝1；纤芯直径为8μm，包层直径为125μm，由单模传输条件：(其中δυ为光纤归一化频率，a为光纤纤芯半径，na为光纤数值孔径，λ0为截止波长可知，当纤芯直径为8μm时，所述增益光纤为阶跃型单模光纤。

所述的窄带光纤布拉格光栅的中心反射波长为激光输出波长，反射谱宽小于0.1nm，中心波长反射率介于15％-99％；所述的宽带光纤布拉格光栅的反射谱宽大于0.1nm，其对激光信号波长反射率大于95％，对泵浦光波长808nm透射率大于90％。本发明中，所采用的增益光纤长度为1-9cm，由激光的腔模原理：其中，c为真空中的光速，n为纤芯的折射率，l为激光腔长，可见激光纵模间距δν与激光腔长l成反比，减少激光腔长可以增大纵模间距，从而实现单频激光输出，本实施例中将光纤长度选择1-3cm，腔内的纵模间隔可达2.5-7.5ghz；同时，本发明中窄带光纤布拉格光栅和宽带光纤布拉格光栅构成短直腔的前后腔镜，只要窄带光纤光栅反射谱足够窄，如本实施例中3db反射谱为0.06nm，即可确保在腔长为1-3cm的激光腔内只存在一个单纵模，且无模式竞争及跳摸现象。