一种基于级联泵浦的晶体光纤激光器的制作方法

1.本发明属于光纤激光技术领域，更具体地，涉及一种基于级联泵浦的晶体光纤激光器技术。


背景技术：

2.晶体光纤，是介于传统固体激光器所用的块体晶体与光纤激光器所用的玻璃光纤之间的新型增益介质，是将晶体材料制备成为纤维状的单晶体，直径在几十微米到2毫米之间。它继承了单晶材料的理化性质、光学性能和光纤材料的形态特征，具有热导率高、散热效率高、非线性增益系数小等优势，这使得以晶体光纤为工作介质的激光器件可以兼具固体激光器的高峰值功率与光纤激光器的高平均功率；同时，晶体光纤具有稀土离子掺杂浓度高、传光性好、耐高温等优点，这使得晶体光纤具备应用在更高功率光纤激光器上的潜力。
3.玻璃光纤在光纤外部制备有与纤芯具有折射率差值的二氧化硅包层，可以实现全反射从而获得高效光波导。但晶体光纤是一种新型的一维功能晶体材料，至今还没有成功制备出同时具有晶体纤芯和晶体包层的小芯径晶体光纤，因此，如何将泵浦光高效，充分地耦合进没有包层的小芯径晶体光纤内，是晶体光纤应用上的亟需解决的重大难点。


技术实现要素：

4.本发明鉴于上述情况而提出，其目的在于：提供一种基于级联泵浦的晶体光纤激光器，该激光器采用级联泵浦结构使得泵浦光两次穿过晶体光纤，从而有效提高了泵浦光的吸收率。解决了泵浦光注入晶体光纤困难，无法形成高效光波导的问题。
5.本发明解决其技术问题采用以下技术方案：本发明提供了一种基于级联泵浦的晶体光纤激光器，包括晶体光纤、多个泵浦芯片、多个柱面整形透镜、多个全反射三角镜和一双面垂直反射镜；所述多个泵浦芯片沿所述晶体光纤一侧设置，用于产生特定波长的多路泵浦光，所述多路泵浦光以垂直于光纤光轴的方向从所述晶体的侧面均匀注入到所述晶体光纤中，并在所述晶体光纤中吸收转换为信号光后从所述晶体光纤的端面射出；所述柱面整形透镜和所述全反射三角镜顺次设置于所述晶体光纤的另一侧，与所述泵浦芯片处于同一光路，所述晶体光纤未吸收的泵浦光从所述晶体光纤中另一侧射出，经所述柱面整形透镜和所述全反射三角镜的整形与反射后，通过所述双面垂直反射镜的再次反射以平行于光纤光轴的方向从所述晶体光纤的端面二次注入到所述晶体光纤中。
6.本发明的一个实施例中，还包括凹形低反射镜和凹形全反射镜，所述凹形低反射镜和所述凹形全反射镜分别设置在所述晶体光纤的两端，所述凹形低反射镜用于将信号光部分反射回所述晶体光纤中，以实现信号光的充分放大；所述凹形全反射镜用于将信号光全部反射回所述晶体光纤内，以实现信号光的再次放大。
7.本发明的一个实施例中，所述晶体光纤为稀土离子掺杂的无包层小芯径晶体光
纤，其直径范围为8um~1000um。
8.本发明的一个实施例中，所述泵浦芯片，发射泵浦光波长为969nm。
9.本发明的一个实施例中，所述柱面整形透镜为平凹柱面透镜，其中所述平凹柱面透镜的平面和凹面均镀969nm增透膜。
10.本发明的一个实施例中，所述全反射三角镜的直角面镀969nm增透膜，所述全反射三角镜的斜角面镀969nm全反射膜。
11.本发明的一个实施例中，所述双面垂直反射镜的垂直双面均镀有969nm全反射膜。
12.本发明的一个实施例中，所述凹形低反射镜为平凹透镜，其中所述平凹透镜的平面镀增透膜，所述增透膜透过的中心波长为1030nm，所述凹形低反射镜的凹面，镀中心波长1030nm，反射率为90%的低反射膜，所述凹面的曲率半径为12mm。
13.本发明的一个实施例中，所述凹形全反射镜为平凹透镜，其中所述平凹透镜的平面镀增透膜，中心波长为969nm；所述凹形全反射镜的凹面，镀中心波长1030nm全反射膜，反射率大于99%，所述凹面的曲率半径为12mm。本发明的一个实施例中，还包括热沉，所述凹形低反射镜、凹形全反射镜、泵浦芯片、柱面整形透镜、全反射三角镜和双面垂直反射镜直接固定于所述热沉表面，且所述凹形低反射镜、凹形全反射镜、泵浦芯片、柱面整形透镜、全反射三角镜和双面垂直反射镜均保持在同一光轴平面上。
14.本发明的有益效果是：采用级联泵浦结构使得泵浦光从光纤侧面和光纤端面两次穿过晶体光纤，克服了目前工艺上无法一次性制备双包层晶体光纤，导致泵浦光在无包层晶体光纤中注入困难，无法形成有效光波导的问题，从而有效提高了泵浦光的吸收率。
附图说明
15.图1是本发明一实施例提供的晶体光纤激光器中泵浦光耦合的原理示意图；图2是本发明又一实施例提供的晶体光纤激光器中泵浦光耦合的原理示意图；图3是本发明又一实施例提供的晶体光纤激光器中泵浦光耦合的光路结构示意图；图4是本发明又一实施例提供的晶体光纤激光器中泵浦光耦合方法的流程示意图。
具体实施方式
16.为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”/“固接于”/“安装于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“内”、“外”以及类似的表述只是为了说明的目的。
17.除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相
关的所列项目的任意的和所有的组合。
18.此外，下面所描述的本发明不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
19.请参考图1至图2所示，本发明提供了一种基于级联泵浦的晶体光纤激光器，包括晶体光纤和至少一泵浦光发射组件。
20.泵浦光发射组件设置于晶体光纤的一侧，用以提供多路特定波长的泵浦光，多路泵浦光将从晶体光纤的侧面均匀的注入到晶体光纤中，因为晶体光纤的特性，泵浦光在晶体光纤中转换成为信号光。
21.上述设计将泵浦光分成多路从晶体光纤侧面均匀的注入到晶体光纤内部，解决了目前小芯径晶体光纤因无法一次性拉制晶体包层，造成泵浦光注入困难，无法形成有效光波导的问题。
22.在一实施例中，在晶体光纤的另一侧，与泵浦光发射组件对应的位置设置有第一反射组件，晶体光纤未能完全吸收的泵浦光从所述晶体光纤中射出，并通过第一反射组件从满足所述晶体光纤有效增益长度的方向二次注入到所述晶体光纤中。
23.在该实施例中，晶体光纤激光器采用级联泵浦方式，回收晶体光纤未吸收的泵浦光二次穿过晶体光纤，使泵浦光得以高效，充分地耦合进晶体光纤内，从而明显提高了泵浦光的吸收率，使得晶体光纤在高功率光纤激光器中具备了实际的应用价值。
24.具体的，请参考一并图3提供的本发明优选实施例的光路结构示意图，包括：晶体光纤1，设置在晶体光纤一侧的至少一泵浦发射组件2和设置在晶体光纤另一侧的第一反射组件3。
25.泵浦发射组件2与晶体光纤光轴处于同一平面，设置在晶体光纤的至少一侧用以发射泵浦光。泵浦发射组件由排成一列的多个泵浦芯片组成，泵浦芯片的出光方向设置为与晶体光纤垂直，使所发射的多路泵浦光沿垂直于光纤光轴的方向，从晶体光纤侧面均匀的注入到所述晶体光纤中，以保证泵浦光在晶体光纤中最大效率的增益转化为信号光。
26.优选的，晶体光纤1采用了掺杂有特定比例稀土离子的无包层小芯径晶体光纤作为增益介质，光纤芯径的直径范围为8um~1000um，光纤长度范围为10mm~100mm，可提供足够的有效增益长度。
27.优选的，泵浦芯片发生的波长范围覆盖300nm~1650nm，可根据晶体光纤材料的吸收谱进行选择。
28.在一些实施例中，根据激光器的结构设计需要，泵浦发射组件也可以采用激光巴条或cos模块作为光源。
29.在一些实施例中，泵浦发射组件也可以是多个，围绕晶体光纤进行多侧设置，可以使注入的泵浦光分布更加均匀，提高泵浦光在晶体光纤中的吸收率。
30.在一些实施例中，根据激光器的光路设计需要，泵浦发射组件的出光方向也可以设置为与晶体光纤光轴呈非垂直角度，所发射的多路泵浦光沿倾斜方向，从晶体光纤侧面均匀的注入到所述晶体光纤中。
31.为了回收未被晶体光纤充分吸收掉的泵浦光，对应的，在晶体光纤另一侧，与泵浦发射组件2处于同一光轴平面的位置上，设置有第一反射组件3。在本发明实施例中，第一反射组件3由数量与泵浦芯片一致的多个整形透镜31、多个全反射透镜32和至少一个回收光
全反射镜33组成。
32.泵浦芯片、所述整形透镜31和所述全反射透镜32依次设置在同一光路上，同时，所述多个全反射透镜32呈一列设置，也处于同一光轴上，使整形后的单路泵浦光沿同一反射光路射出，形成一回收泵浦光束。
33.所述回收光全反射镜33设置在所述同一反射光路上，回收由所述晶体光纤未完全吸收的泵浦光形成的回收泵浦光束，并将其再次注入到晶体光纤中，从而提高泵浦光的光光转化效率。
34.优选的，所述整形透镜31采用的是平凹柱面透镜，用于将经晶体光纤射出的未吸收泵浦光的椭圆形光斑整形成圆形，提高泵浦光的光斑亮度，所述平凹柱面透镜的平面和凹面上均镀有所述泵浦芯片发射波长的增透膜，透射率大于95%。
35.优选的，所述全反射透镜32采用的是三角镜，用于将整形后的泵浦光反射到多面全反射镜33上，所述全反射三角镜的直角面镀有所述泵浦芯片发射波长的增透膜，透射率大于95%，斜角面镀有所述泵浦芯片发射波长的全反射膜，反射率大于98%。
36.优选的，所述回收光全反射镜为一双面垂直反射镜，所述双面垂直反射镜的垂直双面分别与所述全反射三角镜和所述晶体光纤处于同一光路上，所述双面垂直反射镜的垂直双面上均镀有泵浦波长的全反射膜，反射率大于98%。
37.可以理解的，当所述多个全反射三角镜呈一列设置，处于与晶体光纤光轴平行的同一光轴上时，整形后的单路泵浦光射入到三角镜的斜角面上，反射后将形成一束平行于晶体光纤光轴的泵浦光入射到所述双面垂直反射镜的一个反射面上，再通过垂直的另一反射面，以相反方向平行射入晶体光纤中。
38.在一些实施例中，可以在所述晶体光纤的两端分别设置有一双面垂直反射镜，从第一双面垂直反射镜射出的平行泵浦光束射入第二双面垂直反射镜中，再反向平行射出，沿光纤光轴注入到晶体光纤中。
39.在一些实施例中，可以在所述晶体光纤与泵浦芯片相同的一侧设置有一全反射三角镜，从第一双面垂直反射镜射出的平行泵浦光束射入全反射三角镜中，再以垂直于晶体光纤光轴的方向射出，注入到晶体光纤中。
40.在一些实施例中，由于泵浦发射组件所发射的多路泵浦光是沿非垂直于光纤光轴的倾斜角度，从晶体光纤侧面均匀的注入到所述晶体光纤中，则所述回收光全反射镜设置的位置和角度将根据所述泵浦光射入所述晶体光纤光轴的角度和回收泵浦光注入所述晶体光纤需所达到的有效增益长度进行调整。
41.综上所述，所述晶体光纤有效增益长度的方向，可以是从晶体光纤的端面方向注入，也可以是从晶体光纤侧面与所述泵浦光发射方向相同的方向注入。通过设置不同种类或数量的全反射镜，以及对全反射镜位置和角度的选择，可以实现回收泵浦光束到特定方向的反射，泵浦光在光纤里面穿过的有效增益长度越长，累积增益越高，从而满足从所述晶体光纤有效增益长度的方向注入到所述晶体光纤中，提高光光转化效率的要求。
42.为了提供晶体光纤中信号光放大效率，在本发明实施例中，在晶体光纤的两端还设置有第二反射组件4，注入晶体光纤的泵浦光转化为信号光后，分成两路分别自所述晶体光纤的两端射出，通过所述第二反射组件4的反射，再次返回晶体光纤中进行充分放大。
43.具体的，所述第二反射组件4包括一凹形低反射镜41和一凹形全反射镜42，分别设
置在晶体光纤1的两端，并与晶体光纤1位于同一光轴上。
44.所述凹形低反射镜41，用于将信号光部分反射回所述晶体光纤中，使信号光充分放大；所述凹形全反射镜42，用于将信号光全部反射回所述晶体光纤内，进一步放大信号光。
45.优选的，所述凹形低反射镜41为平凹透镜，其中所述平面镀增透膜，所述增透膜透过的中心波长范围覆盖245nm~1700nm，可根据所述激光器输出的中心波长调整；所述凹形低反射镜的凹面，镀所述激光器输出波长的部分反射膜，反射率范围为40%~99.9%，所述凹面的曲率半径范围为0.5mm~50mm，根据所述晶体光纤的数值孔径选择，以使得反射回的信号光完全射入到所述晶体光纤中。
46.优选的，所述凹形全反射镜42为平凹透镜，其中所述平面镀增透膜，所述增透膜透过的中心波长范围覆盖245nm~1700nm，根据所述泵浦芯片的发射波长调整；所述凹形全反射镜的凹面，镀所述激光器输出波长的全反射膜，反射率大于98%，所述凹面的曲率半径范围为0.5mm~50mm，根据所述晶体光纤的数值孔径选择。
47.上述器件直接固定在一金属热沉5上并封装成晶体光纤激光器。
48.所述金属热沉5包括一安装表面和与其紧邻的散热结构，所述安装表面用于承载所述凹形低反射镜、凹形全反射镜、泵浦芯片、柱面整形透镜、全反射三角镜和双面垂直反射镜，并使以上器件均保持在同一光轴平面上，所述散热结构用于吸收所述基于级联泵浦的晶体光纤激光器工作时产生的热量，并将热量通过散热介质导出。
49.所述散热结构可以设计在金属热沉与安装表面相对的一面，例如布置冷却管道盘绕在相对面，也可以设计在金属热沉内部，通过冷媒等液体散热介质进行冷却，具体采用何种设计需要根据激光器的功率选择。
50.请参阅图4，本发明实施例提供了一种晶体光纤激光器的泵浦光耦合方法，包括步骤： s101、发射多路泵浦光；s102、所述多路泵浦光从所述晶体光纤侧面均匀注入到所述晶体光纤中；s103、所述晶体光纤吸收所述泵浦光并转换为信号光；s104、所述晶体光纤未完全吸收的泵浦光从所述晶体光纤中射出，通过反射从满足所述晶体光纤有效增益长度的方向二次注入到所述晶体光纤中。
51.在步骤s103中，所述信号光分成两路自所述晶体光纤两端射出，其中一路信号光部分反射回所述晶体光纤中，以实现信号光的充分放大，另一路信号光全部反射回所述晶体光纤内，以实现信号光的再次放大。
52.在步骤s104中，所述晶体光纤未完全吸收的泵浦光从所述晶体光纤侧面射出，进行整形后沿同一光路反射出去，形成一回收泵浦光束，所述回收泵浦光束通过再次反射，从所述晶体光纤的端面或侧面二次注入所述晶体光纤中，所述再次反射的角度根据所述泵浦光射入所述晶体光纤光轴的角度和回收泵浦光注入所述晶体光纤需所达到的有效增益长度进行调整。
53.本发明提供的基于级联泵浦的晶体光纤激光器及其耦合方法，采用无包层小芯径晶体光纤，从晶体光纤的侧面注入泵浦光，克服了目前工艺上无法一次性制备双包层晶体光纤，从而限制晶体光纤泵浦效率低的不足；同时，采用级联泵浦结构，使未吸收的泵浦光
二次穿过晶体光纤，大大提高了泵浦光的吸收率，是一种具有实际应用价值的发明创造。
54.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。