高功率蓝光单频激光器

本申请涉及激光器，特别是涉及一种高功率蓝光单频激光器。

背景技术：

1、高功率单频激光器具有输出功率大、线宽窄和噪声低等优点，在光纤传感、激光雷达、相干光通信和激光光谱学等领域具有不可替代的作用。

2、传统技术上，获得蓝光激光的主要技术手段是将传统固体激光器或者光纤激光器作为基频光源，通过空间结构的外腔倍频方式来实现。

3、然而现有技术存在转换效率低、光束质量差和可靠性低等缺点，限制了高性能蓝光激光的获得。

技术实现思路

1、基于此，有必要提供一种泵浦阈值低、转换效率高和信噪比高的高功率蓝光单频激光器。

2、第一方面，本申请提供了一种高功率蓝光单频激光器，包括：宽带光纤光栅（1）、多元杂化高掺镱单包层光纤（2）、保偏窄带光纤光栅（3）、热电制冷器tec（4）、单模泵浦源（5）、波分复用器（6）、预放大器（7）、多模泵浦源（8）、合束器（9）、掺镱三包层光纤（10）、加热盘（11）、模场适配器（12）、滤波器（13）和倍频装置（14）；

3、其中，宽带光纤光栅（1）的一端通过多元杂化高掺镱单包层光纤（2）与保偏窄带光纤光栅（3）的一端相连并形成一短线性谐振腔，短线性谐振腔置于热电制冷器tec（4）的上面；保偏窄带光纤光栅（3）的另一端依次串接波分复用器（6）、预放大器（7）、合束器（9）、掺镱三包层光纤（10）、模场适配器（12）以及滤波器（13）后与倍频装置（14）的输入端相连；单模泵浦源（5）的尾纤与波分复用器（6）的泵浦端相连，多模泵浦源（8）的尾纤与合束器（9）的泵浦端相连，单模泵浦源（5）和多模泵浦源（8）均用于输出波长为915nm的泵浦激光；掺镱三包层光纤（10）置于加热盘（11）的上面；倍频装置（14）的输出端作为蓝光单频激光输出端口。

4、在其中一个实施例中，多元杂化高掺镱单包层光纤（2）为多元素配位体杂化、掺杂高浓度镱离子的玻璃光纤，多元杂化高掺镱单包层光纤（2）的纤芯组分为磷-锗-硅酸盐玻璃，多元杂化高掺镱单包层光纤（2）的纤芯均匀掺杂浓度大于2wt%的镱离子，多元杂化高掺镱单包层光纤（2）的纤芯直径范围为3-15μm、包层直径范围为80-250μm，多元杂化高掺镱单包层光纤（2）的长度为0.1-5.0cm。

5、在其中一个实施例中，宽带光纤光栅（1）的工作波长范围为960-980nm。

6、在其中一个实施例中，保偏窄带光纤光栅（3）的工作波长范围为960-980nm。

7、在其中一个实施例中，掺镱三包层光纤（10）的径向结构为三包层结构，三包层结构包括：纤芯（01）、泵浦包层（02）、氟掺杂硅包层（03）和涂覆层（04），掺镱三包层光纤（10）的纤芯（01）均匀掺杂浓度大于1wt%的镱离子。

8、在其中一个实施例中，掺镱三包层光纤（10）的轴向结构为变芯径的单锥形结构或者纺锤形结构，纤芯（01）和泵浦包层（02）的直径沿着轴向逐渐变化、氟掺杂硅包层（03）的直径沿着轴向不变；单锥形结构光纤包括依次连接的第一小芯径区域（101）、第一渐变锥形区域（102）和第一大芯径区域（103）；纺锤形结构光纤包括依次连接的第二小芯径区域（201）、第二渐变锥形区域（202）、第二大芯径区域（203）、第三渐变锥形区域（204）和第三小芯径区域（205）；

9、其中，第一小芯径区域（101）的纤芯（01）、第二小芯径区域（201）的纤芯（01）和第三小芯径区域（205）的纤芯（01）均为20-40μm，第一大芯径区域（103）的纤芯（01）、第二大芯径区域（203）的纤芯（01）均为40-80μm，氟掺杂硅包层（03）的直径范围为300-1500μm；在掺镱三包层光纤（10）的轴向结构为变芯径的单锥形结构的情况下，泵浦包层（02）的直径范围为125-250μm；在掺镱三包层光纤（10）的轴向结构为变芯径的纺锤形结构情况下，泵浦包层（02）的直径范围分别为250-1000μm。

10、在其中一个实施例中，热电制冷器tec（4）用于控制短线性谐振腔的温度，热电制冷器tec（4）的温度控制精度小于0.1℃、温度设置范围为0-100℃；加热盘（11）用于控制掺镱三包层光纤的温度，加热盘（11）的温度控制精度小于0.2℃、温度设置范围为50-500℃。

11、在其中一个实施例中，模场适配器（12）用于将掺镱三包层光纤（10）与滤波器（13）进行低损耗连接，模场适配器（12）为反向工作。

12、在其中一个实施例中，倍频装置（14）为外腔单程或共振增强二倍频结构，倍频装置（14）中非线性晶体为周期极化铌酸锂晶体、三硼酸锂晶体、偏硼酸钡晶体或三硼酸铋晶体。

13、第二方面，本申请还提供了一种多元杂化高掺镱单包层光纤（2）的制备方法，应用于制备如上述实施例中所述的多元杂化高掺镱单包层光纤（2），方法包括：

14、采用玻璃网络形成体调控法将15-30mol％的p2o5、4-10mol%的al2o3、15-30mol%的geo2、15-30mol%的sio2、0-10mol%的b2o3、0-1mol％的nb2o5、5-10mol％的li2o和k2o的混合物、5-10mol％的ro、1-10mol％的yb2o3以及0-3mol％的la2o3和y2o3的混合物进行混合，得到混合料；其中，r为mg、ca、sr、ba和zn中的至少一种；

15、将混合料置于铂金坩埚中经过熔制、除水、澄清工序，再浇注成型并退火，获得芯玻璃；

16、将芯玻璃制作成圆柱体状，并套进包层玻璃管中以形成预制棒；

17、将预制棒置于拉丝塔中进行加热拉制，以形成多元杂化高掺镱单包层光纤。

18、上述高功率蓝光单频激光器，至少具有以下有益效果：

19、通过将多元杂化高掺镱单包层光纤、变芯径掺镱三包层光纤分别用于短线性谐振腔和功率放大的增益介质，解决现有技术中激光器工作在短波长（960-980nm）处存在的泵浦阈值高、转换效率（输出功率）低、放大自发辐射ase强（信噪比低）等瓶颈难题，结合简单、紧凑的外腔二倍频结构，从而获得高功率、波长480-490nm的蓝光单频激光器。

技术特征：

1.一种高功率蓝光单频激光器，其特征在于，包括：宽带光纤光栅（1）、多元杂化高掺镱单包层光纤（2）、保偏窄带光纤光栅（3）、热电制冷器tec（4）、单模泵浦源（5）、波分复用器（6）、预放大器（7）、多模泵浦源（8）、合束器（9）、掺镱三包层光纤（10）、加热盘（11）、模场适配器（12）、滤波器（13）和倍频装置（14）；

2.根据权利要求1所述的高功率蓝光单频激光器，其特征在于，所述多元杂化高掺镱单包层光纤（2）为多元素配位体杂化、掺杂高浓度镱离子的玻璃光纤，所述多元杂化高掺镱单包层光纤（2）的纤芯组分为磷-锗-硅酸盐玻璃，所述多元杂化高掺镱单包层光纤（2）的纤芯均匀掺杂浓度大于2wt%的镱离子，所述多元杂化高掺镱单包层光纤（2）的纤芯直径范围为3-15μm、包层直径范围为80-250μm，所述多元杂化高掺镱单包层光纤（2）的长度为0.1-5.0cm。

3.根据权利要求1所述的高功率蓝光单频激光器，其特征在于，所述宽带光纤光栅（1）的工作波长范围为960-980nm。

4.根据权利要求1所述的高功率蓝光单频激光器，其特征在于，所述保偏窄带光纤光栅（3）的工作波长范围为960-980nm。

5.根据权利要求1所述的高功率蓝光单频激光器，其特征在于，所述掺镱三包层光纤（10）的径向结构为三包层结构，所述三包层结构包括：纤芯（01）、泵浦包层（02）、氟掺杂硅包层（03）和涂覆层（04），所述掺镱三包层光纤（10）的纤芯（01）均匀掺杂浓度大于1wt%的镱离子。

6.根据权利要求1所述的高功率蓝光单频激光器，其特征在于，所述掺镱三包层光纤（10）的轴向结构为变芯径的单锥形结构或者纺锤形结构，纤芯（01）和泵浦包层（02）的直径沿着轴向逐渐变化、氟掺杂硅包层（03）的直径沿着轴向不变；所述单锥形结构光纤包括依次连接的第一小芯径区域（101）、第一渐变锥形区域（102）和第一大芯径区域（103）；所述纺锤形结构光纤包括依次连接的第二小芯径区域（201）、第二渐变锥形区域（202）、第二大芯径区域（203）、第三渐变锥形区域（204）和第三小芯径区域（205）；

7.根据权利要求1所述的高功率蓝光单频激光器，其特征在于，所述热电制冷器tec（4）用于控制所述短线性谐振腔的温度，所述热电制冷器tec（4）的温度控制精度小于0.1℃、温度设置范围为0-100℃；所述加热盘（11）用于控制所述掺镱三包层光纤的温度，所述加热盘（11）的温度控制精度小于0.2℃、温度设置范围为50-500℃。

8.根据权利要求1所述的高功率蓝光单频激光器，其特征在于，所述模场适配器（12）用于将所述掺镱三包层光纤（10）与所述滤波器（13）进行低损耗连接，所述模场适配器（12）为反向工作，其插入损耗小于0.3db。

9.根据权利要求1所述的高功率蓝光单频激光器，其特征在于，所述倍频装置（14）为外腔单程或共振增强二倍频结构，所述倍频装置（14）中非线性晶体为周期极化铌酸锂晶体、三硼酸锂晶体、偏硼酸钡晶体或三硼酸铋晶体。

10.一种多元杂化高掺镱单包层光纤（2）的制备方法，应用于制备如权利要求1-9任一项所述的多元杂化高掺镱单包层光纤（2），其特征在于，所述方法包括：

技术总结
本申请涉及一种高功率蓝光单频激光器，结构如下：宽带光纤光栅的一端通过多元杂化高掺镱单包层光纤与保偏窄带光纤光栅的一端相连并形成一短线性谐振腔，短线性谐振腔置于热电制冷器TEC的上面；保偏窄带光纤光栅的另一端依次串接波分复用器、预放大器、合束器、掺镱三包层光纤、模场适配器以及滤波器后与倍频装置的输入端相连；单模泵浦源的尾纤与波分复用器的泵浦端相连，多模泵浦源的尾纤与合束器的泵浦端相连，单模泵浦源和多模泵浦源均用于输出波长为915nm的泵浦激光；掺镱三包层光纤置于加热盘的上面；倍频装置的输出端作为蓝光单频激光输出端口。采用该激光器能够获得高性能蓝光激光。

技术研发人员：杨昌盛,段叶珍,唐国武,赵齐来,徐善辉,杨中民
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22