一种三包层掺磷光纤以及基于掺磷光纤的拉曼光纤激光器的制作方法

本发明属于光纤激光器技术领域，具体地涉及掺磷光纤以及拉曼光纤激光器。

背景技术：

光纤激光器因其结构简单紧凑、工作稳定可靠、光束质量好、效率高等优点而具有极高的研究意义和应用价值，在国防工业、医疗安全和光纤通信等领域具有重要应用。基于光纤中受激拉曼散射的拉曼光纤激光器，具有波长灵活、增益谱宽等优势，可同时实现高功率与宽波段输出，自发明以来逐渐成为光纤激光技术领域的研究热点。

常规拉曼光纤激光器主要通过纤芯泵浦技术将泵浦光耦合到普通单模光纤的纤芯中。然而，受限于光纤的纤芯尺寸，这种泵浦方式难以耦合较高功率的泵浦光，极大地限制了输出拉曼激光的功率和亮度提升，其中普通的单模光纤如图3所示。基于单模光纤在耦合泵浦光方面的困难，以包层泵浦技术为目的的双包层甚至三包层光纤被研发出来，极大地增加了光纤截面积，提升了泵浦功率的注入能力。为了满足不同需要，常见三包层光纤靠近纤芯的两个包层中有一层的折射率较低，这种内部包层低折射率的设计使得三包层光纤的制作工艺更为复杂、拉制难度加大，极大地限制了三包层光纤在光纤激光器中的应用。

常规的拉曼光纤激光器采用无掺杂的硅基光纤或者掺锗硅基光纤作为增益介质，泵浦光在无源光纤中传输时发生受激拉曼散射效应，主要利用拉曼增益谱中频移在13.2thz处的拉曼增益峰提供增益，量子亏损在5％左右，这会导致激光器的转换效率较低，产生热透镜、热致模式不稳定等效应，制约着拉曼光纤激光器的功率提升。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种三包层掺磷光纤以及基于掺磷光纤的拉曼光纤激光器。

为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：

本发明提供一种三包层掺磷光纤，包括纤芯，所述纤芯由内到外依次包覆有第一包层、第二包层和第三包层，纤芯掺杂p2o5，第一包层掺杂geo2，第二包层为sio2，第三包层为涂覆层，且折射率由内到外从纤芯、第一包层到第二包层逐渐递减。与常见的三包层光纤相比制作难度和成本大大降低。目前尚未有纤芯掺杂磷元素的三包层光纤的报道。本发明纤芯掺杂p2o5，利用磷元素拉曼增益谱上频移较小的拉曼增益峰(频移<4thz)提供增益，输出波长与泵浦激光波长相近的拉曼激光，量子亏损减小至常规的基于13.2thz拉曼峰的拉曼激光器的1/3左右。

进一步地，所述掺磷光纤的纤芯中还同时掺杂yb2o3。

本发明还提供基于掺磷光纤的拉曼光纤激光器，该拉曼光纤激光器中的拉曼光纤为三包层掺磷光纤。

具体地提供一种基于掺磷光纤的拉曼光纤激光器，包括泵浦源、第一光纤光栅、掺磷光纤、第二光纤光栅和端帽，泵浦源的输出端与第一光纤光栅的输入端相熔接；第一光纤光栅的输出端与掺磷光纤的一端相熔接；掺磷光纤的另一端与第二光纤光栅的输入端相熔接；所述第二光纤光栅的输出端与端帽相熔接，并通过端帽输出拉曼激光。本发明掺磷光纤的纤芯掺杂p2o5，利用其拉曼增益谱上频移较小的拉曼增益峰(频移<4thz)提供增益，输出波长与泵浦激光波长相近的拉曼激光。

进一步地，上述基于掺磷光纤的拉曼光纤激光器中所采用的三包层掺磷光纤，包括纤芯，所述纤芯由内到外依次包覆有第一包层、第二包层和第三包层，纤芯掺杂p2o5，第一包层掺杂geo2，第二包层为sio2，第三包层为涂覆层，且折射率由内到外从纤芯、第一包层到第二包层逐渐递减。

进一步地，上述基于掺磷光纤的拉曼光纤激光器中所述泵浦源为光纤激光器或半导体激光器，其输出端以包层泵浦的方式将泵浦光耦合到三包层掺磷光纤的第一包层或第二包层中，允许泵浦光大功率输入的同时显著提升信号光的亮度和输出功率，可极大提高光纤耦合效率。

进一步地，上述基于掺磷光纤的拉曼光纤激光器中所述第一光纤光栅的反射率>95％，所述第二光纤光栅的反射率在4～50％之间。

进一步地，本发明提出的基于掺磷光纤的拉曼光纤激光器，所述的由一对光纤光栅构成的振荡器结构，可根据实际需要使用多个光栅对(即高反射率光栅+低反射率光栅配合使用)。

本发明所述第一光纤光栅和第二光纤光栅根据实际需要也可以用体布拉格光栅代替。即一种基于掺磷光纤的拉曼光纤激光器，包括泵浦源、第一体布拉格光栅、掺磷光纤、第二体布拉格光栅和端帽，泵浦源的输出端与第一体布拉格光栅的输入端相熔接；第一体布拉格光栅的输出端与掺磷光纤的一端相熔接；掺磷光纤的另一端与第二体布拉格光栅的输入端相熔接；所述第二体布拉格光栅的输出端与端帽相熔接，并通过端帽输出拉曼激光。更进一步的，本发明提出的基于掺磷光纤的拉曼光纤激光器，所述的由一对光纤光栅构成的振荡器结构，可根据实际需要简化成开腔或半开腔结构。更进一步的，本发明提出一种基于掺磷光纤的拉曼光纤激光器，包括泵浦源、波分复用器、第一光纤光栅、掺磷光纤、第二光纤光栅和端帽，泵浦源的输出端与波分复用器的泵浦端相熔接，波分复用器的公共端与第一光纤光栅的输入端相熔接。第一光纤光栅的输出端与掺磷光纤的一端相熔接；掺磷光纤的另一端与第二光纤光栅的输入端相熔接；所述第二光纤光栅的输出端与端帽相熔接，并通过端帽输出拉曼激光。

本发明的有益效果如下：

1、本发明提供了一种三包层掺磷光纤，掺磷纤芯的较高折射率使得光纤折射率由内到外从纤芯、第一包层到第二包层逐渐递减，与常见的三包层光纤相比，制作难度和成本大大降低。

2、本发明基于三包层光纤的结构特点，使用包层泵浦方式将泵浦光耦合到增益光纤中，允许泵浦光大功率注入的同时显著提升信号光的亮度和输出功率，可极大提高光纤耦合效率；

3.本发明基于掺磷光纤的拉曼增益特性，利用其拉曼增益谱上频移较小的拉曼增益峰(频移<4thz)提供增益，输出波长与泵浦激光波长相近的拉曼激光，量子亏损减小至常规的基于13.2thz拉曼峰的拉曼光纤激光器的1/3左右。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例2的结构示意图。

图3是普通单模光纤的结构示意图。

图4是本发明所提供的三包层掺磷拉曼光纤的结构示意图。

图5是本发明实施例5的结构示意图。

图6是本发明实施例6的结构示意图。

1：泵浦源；2：第一光纤光栅；3：掺磷光纤；4：第二光纤光栅；5：端帽；6：波分复用器。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

参照图1，本实施例提供的基于掺磷光纤的拉曼光纤激光器，包括泵浦源1、第一光纤光栅2、掺磷光纤3、第二光纤光栅4和端帽5。所述泵浦源1的输出端与第一光纤光栅2的输入端相熔接；所述第一光纤光栅2的输出端与掺磷光纤3的一端相熔接；所述掺磷光纤3的另一端与第二光纤光栅4的输入端相熔接；所述第二光纤光栅4的输出端与端帽5相熔接，并通过端帽5输出拉曼激光。

所述泵浦源1为光纤激光器或半导体激光器，其输出端以包层泵浦的方式将泵浦光耦合到掺磷光纤3的第一包层或第二包层中。

所述掺磷光纤3的结构示意图如图4所示，包括纤芯，所述纤芯由内到外依次包覆有第一包层、第二包层和第三包层，其纤芯掺杂p2o5，第一包层掺杂geo2，第二包层为sio2，第三包层为涂覆层，且折射率由内到外从纤芯、第一包层到第二包层逐渐递减。

所述第一光纤光栅2的反射率>95％，所述第二光纤光栅4的反射率在4～50％之间。其中，所述第一光纤光栅2和第二光纤光栅4根据实际需要也可以选择多个光栅对(即高反射率光栅+低反射率光栅配合使用)，或者用体布拉格光栅代替。

实施例2：

参照图2，本实施例提供的基于掺磷光纤的拉曼光纤激光器，包括泵浦源1、包括波分复用器6、第一光纤光栅2、掺磷光纤3、第二光纤光栅4和端帽5。泵浦源1的输出端与波分复用器6的泵浦端相熔接，波分复用器6的公共端与第一光纤光栅2的输入端相熔接；所述第一光纤光栅2的输出端与掺磷光纤3的一端相熔接；所述掺磷光纤3的另一端与第二光纤光栅4的输入端相熔接；所述第二光纤光栅4的输出端与端帽5相熔接，并通过端帽5输出拉曼激光。

所述泵浦源1为光纤激光器或半导体激光器，其输出端以包层泵浦的方式将泵浦光耦合到掺磷光纤3的第一包层或第二包层中。

所述掺磷光纤3的结构如图4所示，包括纤芯，所述纤芯由内到外依次包覆有第一包层、第二包层和第三包层，其纤芯掺杂p2o5，第一包层掺杂geo2，第二包层为sio2，第三包层为涂覆层，且折射率由内到外从纤芯、第一包层到第二包层逐渐递减。

所述第一光纤光栅2的反射率>95％，所述第二光纤光栅4的反射率在4～50％之间。其中，所述第一光纤光栅2和第二光纤光栅4根据实际需要也可以选择多个光栅对(即高反射率光栅+低反射率光栅配合使用)，或者用体布拉格光栅代替。

实施例3：

一种三包层掺磷光纤，掺磷光纤的结构如图4所示，包括纤芯，所述纤芯由内到外依次包覆有第一包层、第二包层和第三包层，其纤芯掺杂p2o5，第一包层掺杂geo2，第二包层为sio2，第三包层为涂覆层，且折射率由内到外从纤芯、第一包层到第二包层逐渐递减。

目前，普通的单模光纤如图3所示。为了满足不同需要，常见的三包层光纤靠近纤芯的两个包层中有一层的折射率较低。这种内部包层低折射率的设计使得三包层光纤的制作工艺更为复杂、拉制难度加大，极大地限制了三包层光纤在光纤激光器中的应用。

实施例4：

一种三包层掺磷光纤，掺磷光纤的结构如图4所示，包括纤芯，所述纤芯由内到外依次包覆有第一包层、第二包层和第三包层，其纤芯掺杂有p2o5和yb2o3，第一包层掺杂geo2，第二包层为sio2，第三包层为涂覆层，且折射率由内到外从纤芯、第一包层到第二包层逐渐递减。其中，磷元素实现频移较小的拉曼增益，yb³⁺实现有源增益。掺磷是被动增益，利用频移较小的拉曼增益峰输出拉曼光，可降低量子亏损；掺镱是主动增益，利用原子能级跃迁进一步放大拉曼光。

拉曼光纤激光器采用同时掺杂p2o5和yb2o3的三包层掺磷拉曼光纤时。首先，在受激拉曼散射效应的作用下，利用掺磷光纤中频移较小的拉曼增益峰能够以较低的量子亏损将泵浦光转化为拉曼光。另外，利用yb³⁺离子的能级跃迁，能继续吸收泵浦光，将产生的拉曼光进行放大，进而提升拉曼激光器的输出功率。如此，将这样的掺磷光纤应用到拉曼光纤激光器中时可将被动增益与主动增益结合起来，进一步提升拉曼光纤激光器的输出功率。

实施例5：

参照图5，本实施例提供的基于掺磷光纤的全开腔结构拉曼光纤激光器，包括泵浦源1、掺磷光纤3和端帽5。所述泵浦源1的输出端与掺磷光纤3的一端相熔接；所述掺磷光纤3的另一端与端帽5相熔接，并通过端帽5输出拉曼激光。

所述泵浦源1为光纤激光器或半导体激光器，其输出端以包层泵浦的方式将泵浦光耦合到掺磷光纤3的第一包层或第二包层中。

所述掺磷光纤3的结构示意图如图4所示，包括纤芯，所述纤芯由内到外依次包覆有第一包层、第二包层和第三包层，其纤芯掺杂p2o5，第一包层掺杂geo2，第二包层为sio2，第三包层为涂覆层，且折射率由内到外从纤芯、第一包层到第二包层逐渐递减。

实施例6：

参照图6，本实施例提供的基于掺磷光纤的半开腔结构拉曼光纤激光器，包括泵浦源1、第一光纤光栅2、掺磷光纤3和端帽5。所述泵浦源1的输出端与第一光纤光栅2的输入端相熔接；所述第一光纤光栅2的输出端与掺磷光纤3的一端相熔接；所述掺磷光纤3的另一端与端帽5相熔接，并通过端帽5输出拉曼激光。

所述泵浦源1为光纤激光器或半导体激光器，其输出端以包层泵浦的方式将泵浦光耦合到掺磷光纤3的第一包层或第二包层中。

所述掺磷光纤3的结构示意图如图4所示，包括纤芯，所述纤芯由内到外依次包覆有第一包层、第二包层和第三包层，其纤芯掺杂p2o5，第一包层掺杂geo2，第二包层为sio2，第三包层为涂覆层，且折射率由内到外从纤芯、第一包层到第二包层逐渐递减。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。