一种基于单晶光纤的高功率3μm波段光纤放大器

一种基于单晶光纤的高功率3
μ
m波段光纤放大器
技术领域
1.本发明涉及一种光纤激光放大器，具体涉及一种基于单晶光纤的高功率3μm波段光纤放大器。


背景技术：

2.3μm波段具有非常独特和重要的光谱位置，处于水分子的最强吸收波段(2.94μm)，同时也位于ch4(3.2～3.4μm)、nh3(3.1μm)等重要分子的“指纹区”。因此，该波段激光光源能被广泛地应用于眼科、皮肤科、牙科、活检和血管成形术相关的生物医学、甲烷危险气体监测、光谱探测、聚合物高质量加工等诸多领域中。而基于光纤的3μm波段光纤激光器兼具有光束质量好、电光效率高、结构紧凑稳定等诸多优势，尤其适用于上述诸多领域的应用场景，是未来极具有潜力的中红外激光光源。
3.近五年来，面向民用、工业以及科研领域对于该波段高功率光纤激光光源的迫切需要，以加拿大拉瓦尔大学、美国海军实验室、电子科技大学、上海交通大学等为代表的国内外研究机构在该领域取得了一定的进步。得益于中红外氟化物(zblan)光纤及器件的发展，该波段光纤激光器的增益介质主要采用该类商品化的光纤，目前2.8μm光纤激光器的最大连续激光输出功率为40瓦。但受限于氟化物光纤材料及器件较低的激光损伤阈值以及化学稳定性差、极易潮解的不足，其光纤激光器最大输出功率难以实现进一步的突破，这也极大限制了该波段光纤激光光源在重要领域中的更深层次应用。因此，如何发展一种3μm波段高功率的光纤激光技术，成为了科研人员争相研究的热点之一。


技术实现要素：

4.本发明的目的是解决现有3μm波段光纤激光器用增益光纤，因受限于氟化物光纤材料及器件较低的激光损伤阈值，以及化学稳定性差、极易潮解的不足，其光纤激光器最大输出功率较低，且难以实现进一步突破的技术问题，而提供了一种基于单晶光纤的高功率3μm波段光纤放大器。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种基于单晶光纤的高功率3μm波段光纤放大器，其特殊之处在于：包括激光信号源、隔离器、第一激光泵浦源、第二激光泵浦源、第一泵浦合束器、第一波分复用器、增益光纤、第二波分复用器、第三激光泵浦源、第四激光泵浦源、第二泵浦合束器和光纤端帽；
7.其中，所述激光信号源与隔离器的一端熔接，隔离器用以保证光在光路中单方向运行，隔离器的另一端与第一波分复用器的信号注入端熔接；
8.所述第一激光泵浦源、第二激光泵浦源分别与第一泵浦合束器的分束端a、分束端b熔接；所述第一泵浦合束器的合束端与第一波分复用器的泵浦注入端熔接；
9.所述第三激光泵浦源、第四激光泵浦源分别与第二泵浦合束器的分束端c、分束端d熔接；所述第二泵浦合束器的合束端与第二波分复用器的泵浦注入端熔接；
10.所述第一波分复用器的合束端与增益光纤的一端熔接，增益光纤的另一端与第二
波分复用器的合束端熔接；所述第二波分复用器的信号输出端与光纤端帽熔接；
11.所述增益光纤为稀土er
3+
掺杂氧化镥单晶光纤。
12.进一步地，还包括设置在第二波分复用器的输出端与光纤端帽(之间的滤波器；所述滤波器为长通型，用以截断低于2.4μm波段激光的传输。
13.进一步地，所述第一激光泵浦源和第三激光泵浦源采用高功率半导体激光器组束模块，输出波长为970～985nm，输出功率0～400w；
14.所述第二激光泵浦源和第四激光泵浦源(采用掺铒石英光纤放大器，输出波长为1520～1600nm，输出功率为0～10w。
15.进一步地，所述增益光纤的掺杂浓度为70000～150000ppm。
16.进一步地，激光信号源采用氟化物光纤激光器，输出波长为2.8～3.0μm，输出功率为0～5w。
17.进一步地，所述光纤端帽选用蓝宝石材料，镀有3μm波段的增透膜，透过率大于99％。
18.进一步地，所述增益光纤的长度为1.1～1.3m，长度为1.2m时，激光转换效率最优。
19.与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：
20.1、本发明提供的基于单晶光纤的高功率3μm波段光纤放大器，创新性地采用了高掺杂浓度er
3+
掺杂氧化镥单晶光纤作为放大增益介质，该材料兼具有最大声子能量低、稀土掺杂浓度大、热导率大、激光损伤阈值极高、化学稳定性高等诸多优点，极好地弥补了传统氟化物光纤材料的诸多不足，有望实现100w级3.0μm中红外光纤激光输出。
21.2、本发明采用了0.97μm波段和1.5μm波段的双波长泵浦结构，一方面通过0.97μm波段泵浦的基态吸收(gsa)和激发态吸收(esa)，可将粒子抽运至3.0μm波段激光上能级(4i
11/2
)和更高能级(4f
7/2
),而4f
7/2
上粒子通过无辐射跃迁至4i
11/2
能级，再通过能量转移上转换(etu1)效应，实现3.0μm波段激光上能级(4i
11/2
)和下能级(4i
13/2
)间的粒子数密度反转，进而形成3.0μm波段的放大光纤激光输出；另一方面，同时通过1.5μm波段泵浦的gsa，可将基态粒子数抽运至3.0μm波段激光下能级(4i
13/2
)，极大地加强etu1效应，进而进一步促进上下能级间的粒子数反转，提升3.0μm波段的放大光纤激光输出效率。
22.3、本发明采用全光纤化的中红外波段光纤放大器结构，能巧妙地避开中红外光纤光栅等稀缺中红外单元光纤器件的使用，结构简单紧凑和稳定，输出结构为镀有高透膜(t≥99％@3.0μm)的蓝宝石单晶光纤端帽，可以有效地抑制放大器中寄生激光的产生，提升放大器输出激光的信噪比和稳定性，非常适合高功率和高效率的3.0μm波段的放大光纤激光输出。
附图说明
23.图1为本发明基于单晶光纤的高功率3μm波段光纤放大器实施例的结构示意图；
24.图2为本发明实施例的激光输出功率随增益光纤长度的变化曲线图；
25.图3为本发明实施例的激光输出功率随泵浦源功率的变化曲线图。
26.附图标记：
27.1-激光信号源，2-隔离器，3-第一激光泵浦源，4-第二激光泵浦源，5-第一泵浦合束器，6-第一波分复用器，7-增益光纤，8-第二波分复用器，9-第三激光泵浦源，10-第四激
光泵浦源，11-第二泵浦合束器，12-滤波器，13-光纤端帽。
具体实施方式
28.为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于单晶光纤的高功率3μm波段光纤放大器作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
29.如图1所示，本实施例提供的基于单晶光纤的高功率3μm波段光纤放大器，包括激光信号源1、隔离器2、第一激光泵浦源3、第二激光泵浦源4、第一泵浦合束器5、第一波分复用器6、增益光纤7、第二波分复用器8、第三激光泵浦源9、第四激光泵浦源10、第二泵浦合束器11、滤波器12和光纤端帽13。
30.其中，激光信号源1采用氟化物光纤激光器，输出波长为2.8～3.0μm，输出功率为0～5w。激光信号源1与隔离器2的一端熔接，隔离器2用以保证光在光路中单方向运行，隔离器2的另一端与第一波分复用器6的信号注入端熔接。
31.第一激光泵浦源3与第一泵浦合束器5的分束端a熔接；第二激光泵浦源4与第一泵浦合束器5的分束端b熔接；第一泵浦合束器5的合束端与第一波分复用器6的泵浦注入端熔接。
32.第三激光泵浦源9与第二泵浦合束器11的分束端c熔接；第四激光泵浦源10与第二泵浦合束器11的分束端d熔接；第二泵浦合束器11的合束端与第二波分复用器8的泵浦注入端熔接。
33.第一激光泵浦源3和第三激光泵浦源9采用高功率半导体激光器组束模块，输出波长为970～985nm，输出功率0～400w。通过0.97μm波段泵浦的基态吸收(gsa)和激发态吸收(esa)，可将粒子抽运至3.0μm波段激光上能级(4i
11/2
)和更高能级(4f
7/2
),而4f
7/2
上粒子通过无辐射跃迁至4i
11/2
能级，再通过能量转移上转换(etu1)效应，实现3.0μm波段激光上能级(4i
11/2
)和下能级(4i
13/2
)间的粒子数密度反转，进而形成3.0μm波段的放大光纤激光输出。
34.第二激光泵浦源4和第四激光泵浦源10采用掺铒石英光纤放大器，输出波长为1520～1600nm，输出功率为0～10w。通过1.5μm波段泵浦的gsa，可将基态粒子数抽运至3.0μm波段激光下能级(4i
13/2
)，极大地加强etu1效应，进而进一步促进上下能级间的粒子数反转，提升3.0μm波段的放大光纤激光输出效率，减少放大器中热的产生。
35.第一波分复用器6的合束端与增益光纤7的一端熔接，增益光纤7的另一端与第二波分复用器8的合束端熔接。增益光纤7采用稀土er
3+
掺杂氧化镥单晶光纤，掺杂浓度为70000～150000ppm。采用高掺杂浓度er
3+
掺杂氧化镥单晶光纤7作为放大增益介质，该材料兼具有最大声子能量低、稀土掺杂浓度大、热导率大、激光损伤阈值极高、化学稳定性高等诸多优点，能极好地弥补了传统氟化物光纤材料的诸多不足，有望实现100w级3.0μm中红外光纤激光输出。
36.第二波分复用器8的信号输出端与滤波器12和光纤端帽13依次熔接。滤波器12采用长通型，大于2.4μm的波段能正常传输，低于该波段的波长将会被截止。光纤端帽13选用蓝宝石材料，镀有3μm波段的增透膜，透过率大于99％。
37.以上各个激光器件的参数均可以做小范围内的调整，但各个器件间参数是匹配的。
38.激光信号源1发出的信号激光通过第一波分复用器6信号注入端注入er
3+
掺杂氧化镥单晶光纤7中，形成信号种子光；利用第一泵浦合束器5和第二泵浦合束器11将两束不同波长(0.97μm和1.5μm)的泵浦光合束成一束激光，通过第一波分复用器6和第二波分复用器8的泵浦注入端合束注入er
3+
掺杂氧化镥单晶光纤7中，形成一个前后向的双向泵浦光，进而实现高功率和高效率的3.0μm波段光纤激光放大，最后经第二波分复用器8的信号输出端、高通滤波器12以及光纤端帽13输出。
39.本实施例采用全光纤化的中红外波段光纤放大器结构，能巧妙地避开中红外光纤光栅等稀缺中红外单元光纤器件的使用，结构简单紧凑和稳定，输出结构为镀有高透膜(t≥99％@3.0μm)的蓝宝石单晶光纤端帽，可以有效地抑制放大器中寄生激光的产生，提升放大器输出激光的信噪比和稳定性，非常适合高功率和高效率的3.0μm波段的放大光纤激光输出。
40.通过理论计算，在相同的泵浦光功率和种子源功率下，不同的增益光纤7长度可以获得不同放大信号输出，如图2所示，泵浦光总功率为700w，信号种子光功率为10w条件下获得的放大激光功率随增益光纤7长度的变化曲线，最佳的增益光纤7长度为1.2m。如图3所示，在信号种子光功率为10w、增益光纤长度为1.2m条件下，放大器的激光转换效率图，理论上最大输出功率达到165w，转换效率大约为23.5％。
41.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。