专利名称：晶体光纤激光器及其制作方法
技术领域：
本发明属于激光技术、光纤通讯和光纤传感领域。
现代科学技术的发展对功能器件的小型化、纤维化的要求越来越高。光纤激光器在激光技术、光纤通讯和光纤传感领域中有重要的应用。晶体光纤激光器由于具有激光谱线窄、阈值泵浦功率低、工作波长随温度变化小、光斑小、光束质量高、与普通光纤耦合效率高、可获更大的峰值功率、体积小等优点，因而受到各国科学家们的重视，成为一种被各国重点研究的器件。在激光技术、光纤通讯、光纤传感、非线性光学、激光医疗等领域的实际应用中，经常需要能产生线偏振激光的晶体光纤激光器。但至今已见报导的晶体光纤激光器还不能满足实际应用的这种要求。
其一为C.A.Burrus和J，Stone研制成功的NdYAG单晶光纤激光器(C.A.Burrus and J.stone.Single-crystal fiber optical devicesA NdYAG Fiber Applied Physics Letters，Vol.26，No.6，15 Mach 1975)。它的基本结构如图1所示。它主要由泵浦光源(1)、聚焦系统(2)、激光谐振腔的输入反射镜(3)和输出反射镜(5)、激光晶体光纤(4)、折射率匹配液(6)(Methylene iodide)组成。由泵浦光源(1)发出的泵浦光经过聚焦系统(2)聚焦后，再经过折射率匹配液(6)和激光谐振腔输入端反射镜(3)后耦合到激光晶体光纤(4)的内部。折射率匹配液(6)的作用是降低激光腔内损耗。当泵浦光功率超过阈值泵浦功率后，在激光谐振腔输出反射镜(5)一端可以得到激光输出。
其二为J.L.Nightingle等研制的整体式NdYAG晶体光纤激光器(J.L Nightingle and R.L.Bayer，Monolithic NdYAG Fiber Laser，Lett.Vol.7，No.7，437.1986)。它的基本结构如图2所示。它主要由泵浦光源(1)、聚焦系统(2)、激光揩振腔的输入反射镜(3)和输出反射镜(5)、激光晶体光纤(4)组成。由泵浦光源(1)发出的泵浦光经过聚焦系统(2)聚焦后、经过激光谐振腔输入端反射镜(3)耦合到激光晶体光纤(4)的内部。当泵浦光功率超过泵浦阈值功率后，在激光谐振腔输出反射镜(5)一端可以得到激光输出。这种器件由于激光谐振腔的两面反射镜都直接做在晶体光纤上，因此它的性能更好、工作更稳定。
上述两种器件采用的激光工作物质都是YAG晶体光纤。YAG晶体属立方晶系，其端面加工一般可采用热胀系数匹配的玻璃包层等办法行进。即把YAG晶体放在熔化的玻璃体中间，待冷却后再进行晶体端面的研磨和抛光加工。由于YAG晶体属各向同性物质，一般都不能产生线偏振激光。虽然采用施加外力等方法可以产生线偏振激光，但这种器件的性能不稳定。上述这些器件结构简单，但由于激光腔内没有色散元件和调Q元件，因而不能进行激光工作模式(纵模)选择，也不能得到大的峰值功率。
本发明的目的是为克服上述光纤激光器的不足之处，提出一种新型晶体光纤激光器，不但具有晶体光纤激光器的优点，而且不需采取附加措施就能输出线偏振光，模式可选择并可获得大的峰值功率等优点，以适应各种应用的要求。
本发明由泵浦光源、晶体光纤和位于所说的晶体光纤两端的两面反射镜组成的激光谐振腔所构成，其特征在于所说的晶体光纤为YAP晶体光纤。YAP晶体光纤的侧表面和这两面反射镜组成激光谐振腔，由泵浦光源发出的光经过输入端反射镜后进入YAP晶体光纤。当泵浦光功率超过阈值泵浦功率后，在激光谐振腔输出反射镜一端可以得到线偏振激光输出。
YAP晶体是一种性能优异的激光晶体，属于正交晶系，是畸变的钙钛矿结构。空间群是P(D)。这种较弱的空间对称性使它的物理性能具有很强的各项异性，因此可以产生线偏振激光。YAP晶体光纤是由本发明人研制的新型晶体光纤系列。
本发明提出的新型晶体光纤激光器和已有的晶体光纤激光器相比较有如下优点1.YAP系列晶体光纤激光器的输出为线偏振光。我们用YAP晶体光纤制成的晶体光纤激光器得到线偏振激光的偏振度已经大于99.7%。这正是许多科学研究和实际应用要求的。
2.YAP系列晶体光纤可以用于研制多种新功能、新波段的激光器件。YAP系列晶体容易掺杂，可以掺杂多种不同的元素，也可以在大范围内改变掺杂浓度，如ErYAP的浓度可高达50%以上。改变掺杂元素的种类及浓度，可以改变激光输出波长。如ErYAP晶体产生1.66μm及2.7～2.9μm波长的激光;NdYAP产生1.08及1.34μm波长的激光;HoYAP产生2.1μm波长的激光。因此YAP系列晶体光纤可以用于研制多种新功能、新波段的YAP系列晶体激光器件。
3.NdYAP晶体光纤的1.34μm波长器件应用前景比NdYAG的更加光明1.3μm激光在石英光纤中只有很小的吸收，是光纤通讯中用的最佳波段之一。同时1.3μm激光在作为色心激光器和声子终端激光器的泵浦源等方面也有广泛的应用前景。在用于1.34μm波长器件时，NdYAP晶体的激光发射截面为NdYAG的2.4倍，这导致在1.34μm波长处NdYAP晶体光纤比NdYAG的激光效率大的多。在同样的泵浦条件(如LD泵浦)下，NdYAP晶体光纤激光器的效率是NdYAG的2倍。
4.在双色激光器件中，YAP晶体比YAG晶体性能更加优良，可望制成极有用的器件。如(Nd，Er)YAP激光器能同时产生1.08μm和2.9μm的双色激光。这种器件可把医疗中的开刀和止血两道手续同时完成。实验已经证明，(Nd，Er)YAP晶体比(Nd，Er)YAG晶体更适合这种器件的应用，它中以同时实现双色激光连续振荡，而(Nd，Er)YAG晶体不能。YAP晶体光纤激光器也有同样的优点。
本发明提出的这种新型晶体光纤激光器，它除了具有激光谱线窄、泵浦功率阈值低、工作波长随温度变化小、光斑小、光束质量高、与普通光纤耦合效率高、可获更大的峰值功率、体积小等优点之外，同时具有输出线偏振激光的特点，以适应各种应用的要求。
YAP系列晶体光纤的各向异性，使YAP晶纤激光器具有上述优点，但也给器件的制作带来很大困难。用于YAG晶纤激光器晶纤加工的玻璃包层方法，不能用于YAP晶体光纤端面的加工。这是由于任何一种玻璃的热膨胀系数不可能和YAP晶纤沿三个晶轴方向的数值差别很大的三个热胀系数同时匹配。用此方法把YAP晶纤包在玻璃内部时，当温度降到室温时，YAP晶纤就会炸裂，根本不能用来制作器件。本发明采用内径匹配的宝石轴承作为基体，用环氧树脂把YAP晶纤固定在其内后再进行端面的光学加工的方法进行YAP晶纤端面的加工。这种方法避免了YAP晶纤的炸裂，又可保证晶纤端面加工的光学质量，使YAP晶纤激光器得以实现。
如下图1分立元件的NdYAG晶体光纤激光器结构示意2整体式NdYAG晶体光纤激光器结构示意3本发明的YAP晶体光纤激光器实施例一的结构示意4本发明的YAP晶体光纤激光器实施例二的结构示意5本发明的YAP晶体光纤激光器实施例三的结构示意6本发明的YAP晶体光纤激光器实施例四的结构示意7本发明的YAP晶体光纤激光器实施例五的结构示意图其中(1)泵浦光源;(2)聚焦系统;(3)激光谐振腔的输入反射镜;(4)YAG激光晶体光纤;(41)YAP激光晶体光纤;(5)输出反射系统;(6)折射率匹配液;(7)准直系统;(8)调Q系统。
下面结合附图进一步描述本发明的实施方案。
在下述各实施例中，除了反射镜之外，所有通光界面都镀有介质增透膜，以降低腔内部损耗。
本发明采用YAP晶体光纤作为激光工作物质，实施例一的结构如图3所示。它主要由下述元件组成(1)泵浦光源;(2)聚焦系统;(3)激光谐振腔的输入反射镜;(41)YAP激光晶体光纤;(5)输出反射镜。其特点是两面反射镜分别和YAP激光晶体光纤的两端面之间有一段距离。其优点是可以降低对晶体光纤端面加工质量的要求，并可以对激光模式进行调整。
本发明的YAP晶体光纤激光器实施例二的结构如图4所示。它主要由下述元件组成(1)泵浦光源;(2)聚焦系统;(3)激光谐振腔的输入反射镜;(41)YAP激光晶体光纤;(5)输出反射镜。其特点是两面反射镜分别和晶体光纤的两个端面直接接触。其优点是可以降低腔内损耗、抗震动等外界干扰的能力强、结构紧凑、使用方便。
本发明的YAP晶体光纤激光器实施例三的结构如图5所示。它主要由下述元件组成(1)泵浦光源;(2)聚焦系统;(3)激光谐振腔的输入反射镜;(41)YAP激光晶体光纤;(5)输出反射镜。其特点是有一面反射镜和晶体光纤的一个端面直接接触。另一面反射镜与晶光纤的另一个端面离开一定距离。其优点是激光腔内损耗较小，且可对激光模式进行调整。
本发明的YAP晶体光纤激光器实施例四的结构如图6所示。它主要由下述元件组成(1)泵浦光源;(2)聚焦系统;(3)激光谐振腔的输入反射镜;(41)YAP激光晶体光纤;(5)输出反射镜;(7)准直系统。其特点是有一面反射镜和晶体光纤的一个端面直接接触。另一面反射镜和晶体光纤的另一个端面之间有一个准直系统(7)。其优点是可对激光模式进行调整，容易获得基横模运转，损耗较低。
本发明的YAP晶体光纤激光器实施例五的结构如图7所示。它主要由下述元件组成(1)泵浦光源;(2)聚焦系统;(3)激光谐振腔的输入反射镜;(41)YAP激光晶体光纤;(5)输出反射镜;(7)准直系统;(8)调Q系统。其特点是有一面反射镜和晶体光纤的一个端面直接接触，另一面反射镜和晶体光纤的另一个端面之间有一个准直系统(7)和一个调Q系统(8)。其优点是可对激光模式进行调整，容易获得基横模运转，可以获得高能量激光脉冲，损耗较低。
在实施例三(图5)和实施例四(图6)中，输出反射镜(5)一般采用多层介质膜反射镜。还可以采用作为色散元件的反射式光栅作为输出反射镜(5)，这些方案可以对本发明的激光器工作波长(纵模)进行选择和控制，以得到特定波长激光输出和得到单纵模运转。
在上述实施例中均可采用半导体激光器做为泵浦光源进行端面泵浦。这种线偏振晶体光纤激光器可省去聚焦系统，还具有体积小、寿命长、效率高和性能稳定的优点。这种线偏振晶体光纤激光器在激光技术、光纤通讯和光纤传感等领域中有光明的应用前景。
权利要求
1.一种晶体光纤激光器，由泵浦光源、晶体光纤和分别位于所说的晶体光纤两端的两面反射镜所构成，其特征在于所说的晶体光纤为YAP晶体光纤。
2.如权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于所说的两面反射镜是直接镀在所说的晶体光纤两端的介质膜反射镜。
3.如权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于所说的两面反射镜是分别直接贴在所说的晶体光纤的两个端面上。
4.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于所说的一面反射镜和晶体光纤的一端没有间隙，另一面反射镜和晶体光纤的另一端之间有一段距离。
5.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于所说的两面反射镜和晶体光纤的两端之间都有一段距离。
6.根据权利要求4所述的光纤激光器，其特征在于所说的相互不接触的反射镜和晶体光纤的端面之间有起准直作用的光学元件。
7.根据权利要求5所述的光纤激光器，其特征在于在所说的相互不接触的反射镜和晶体光纤的端面之间有起准直作用的光学元件。
8.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于用半导体激光器作为泵浦光源。
9.根据权利要求4或6所述的光纤激光器，其特征在于所说的输出镜为光栅反射镜。
10.根据权利要求5或7所述的光纤激光器，其特征在于所说的输出镜为光栅反射镜。
11.根据权利要求4或6所述的光纤激光器，其特征在于在谐振腔内部有起调Q作用的元件。
12.根据权利要求5或7所述的光纤激光器，其特征在于谐振腔内部有起调Q作用的元件。
13.如权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于所说的YAP晶体光纤为掺Nd的YAP晶体光纤。
14.一种如权利要求1所述的光纤激光器的晶体光纤工件制造方法，其特征在于(1)将所说的YAP晶体光纤插入与其直径相匹配的宝石轴承的孔中;(2)用环氧树脂将所说的YAP晶体光纤固定在所说的宝石轴承内;(3)对所述的YAP晶体光纤的两个端面进行光学加工。
全文摘要
一种线偏振晶体光纤激光器，属于激光技术领域。本发明是用能产生线偏振激光的YAP晶体光纤的侧表面和位于其两端的两面反射镜组成激光谐振腔。用适当的光源对它进行泵浦即可以产生激光。它具有输出线偏振光、阈值泵浦功率低、激光谱线窄、激光光斑点小、与普通光纤耦合效率高等优点。若用半导体激光器作为泵浦源还具有体积小、寿命长、效率高和性能稳定的优点，这种激光器在光纤通讯和光纤传感等领域中有光明的应用前景。
文档编号H01S3/094GK1067530SQ9110361
公开日1992年12月30日 申请日期1991年6月5日 优先权日1991年6月5日
发明者霍玉晶, 李敢生, 段玉生, 郭喜彬, 周炳琨, 施真珠 申请人:清华大学, 中国科学院福建物质结构研究所