一種0.9μm波段高功率單頻光纖激光器制造技術

本發明專利技術公開一種0.9μm波段高功率單頻光纖激光器，包括單頻激光種子源、泵浦源、合束器、大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖和二色鏡。本發明專利技術采用的大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖，可以適合于短波長激光功率放大，能夠有效的抑制放大過程中自發輻射（ASE）的產生，降低泵浦功率閾值；并且顯著的提高受激布里淵散射（SBS）閾值，將磷酸鹽玻璃光纖兩端拉制成雙錐形結構進行模式控制，能夠有效的克服大纖芯光纖放大過程中帶來的光束質量劣化問題，并能夠與目前常用的商用石英光纖形成良好兼容，采用單頻激光種子源和磷酸鹽玻璃光纖放大器進行功率放大，最終能夠實現高信噪比、良好光束質量、功率穩定的0.9μm波段高功率單頻光纖激光輸出，整個結構非常緊湊，簡單與可靠。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及光纖激光器，具體涉及一種0.9μm波段高功率單頻光纖激光器。
技術介紹
980nm激光在泵浦摻Yb或摻Er光纖激光中具有顯著的優勢；此外，將其進行非線性頻率轉換可以獲得光數據存儲、海底成像、彩色顯示、水下通信等領域亟需的藍光激光。因此，0.9μm波段激光有著十分重要的應用價值，尤其是同時滿足高功率和單頻輸出特性的0.9μm波段光纖激光至關重要。目前商業化程度非常高的摻Yb石英光纖，其吸收截面在短波段增加明顯和再吸收嚴重，導致其工作在低于1030nm波段比較困難。在稀土離子摻雜光纖中，由于980nm輻射屬于三能級系統，而1020~1100nm范圍的輻射屬于四能級系統，該波段的放大會產生嚴重的ASE。同時，增益光纖對980nm的再吸收過程又進一步增強了產生的ASE。因此，必須有效的抑制放大過程中產生的ASE。其中方法之一是：提高增益光纖的纖芯直徑/包層直徑比例。當纖芯/包層比越大，泵浦光與信號光的重疊面積也相應增加，有效的降低了泵浦光在增益光纖中的光功率密度，從而達到抑制ASE的目的。然而，由于較大的纖芯直徑，使得信號光在增益光纖里面為多橫模傳輸，放大后的輸出激光光束質量出現變差。方法之二是：通過縮短增益光纖的長度從而減少信號波長的再吸收。同時，較短長度的增益光纖，對應較高的受激布里淵散射（SBS）閾值。然而，目前常用的石英基質增益光纖受限于稀土離子的摻雜濃度水平無法進一步提升，其泵浦吸收系數普遍偏低，意味著較短的增益光纖所能提供的增益非常有限，這對于實現高功率激光輸出十分不利。有研究表明：多組分玻璃對稀土離子具有較大的溶解度，尤其是磷酸鹽玻璃對稀土離子的溶解度高達上百萬ppm，并且也未發現因稀土離子高濃度摻雜而引起的熒光淬滅現象。目前，已經成功拉制了泵浦吸收系數高達260dB/m的大模場磷酸鹽玻璃光纖，比同類型商用石英光纖高出1~2個數量級，相應的增益系數也比石英光纖高出1個數量級。因而以較短的大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖作為增益介質，可以有效的抑制放大過程中的ASE產生和非線性效應，打破傳統石英光纖放大器在0.9μm波段的工作障礙，最終獲得更穩定、更高功率的0.9μm波段單頻光纖激光輸出。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種0.9μm波段高功率單頻光纖激光器，基于種子源主振蕩功率放大（MOPA）技術方案，利用大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖作為激光增益介質。通過設計與優化磷酸鹽玻璃光纖，結合短長度、大模場面積（纖芯直徑/包層直徑比例大）等特性，以及將磷酸鹽玻璃光纖兩端拉制成較小直徑的雙錐形結構，解決現有技術中0.9μm波段在放大過程中ASE嚴重致使輸出功率受到制約、光束質量變差等一系列問題。為達到上述專利技術目的，本專利技術至少采用如下技術方案之一。一種0.9μm波段高功率單頻光纖激光器，包括單頻激光種子源、n個大功率泵浦源、(n+1)×1合束器、大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖、二色鏡。各結構部件之間的連接關系為：單頻激光種子源的輸出端與合束器的輸入端相連接，n個大功率泵浦源的尾纖分別與合束器的n個泵浦端相連接，合束器的輸出端與大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖的一端通過熔接或者空間耦合的方式相連接，大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖的另一端與二色鏡相連接。單頻激光種子源產生的信號光、泵浦源產生的泵浦光通過合束器分別耦合進入到大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖的纖芯和內包層里面；其中n為正整數，且n≥1。進一步地，所述單頻激光種子源為光纖激光器、半導體激光器或非平面環形腔激光器（NPRO）類型，信號波長范圍為930~980nm。進一步地，所述泵浦源是半導體激光器、光纖激光器或其它固體激光器，為多橫模輸出，泵浦波長范圍為790~920nm。進一步地，所述大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖的纖芯成分為磷酸鹽玻璃，其化學組成為aP2O5-bAl2O3-cBaO-dLa2O3-eRE2O3。其中，30<a<100，0<b<15，0<c<25，0<d<15，0<e<15；其中，RE為高摻雜濃度的稀土離子Nd或Yb，摻雜濃度大于1×1019ion/cm3，且為均勻摻雜于纖芯。進一步地，所述大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖的纖芯直徑15~200μm，纖芯數值孔徑NA大于0.05；其內包層直徑125~800μm，包層數值孔徑NA大于0.3。進一步地，所述大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖的內包層橫截面形狀為圓型、D型、六邊形、八邊形等。磷酸鹽玻璃光纖使用長度為0.5~200cm，其具體使用長度根據信號波長、泵浦功率、輸出激光功率等進行相應選擇。進一步地，所述大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖的一端拉制成錐形，拉制后錐形區域終端的纖芯直徑、內包層直徑與合束器的輸出端尾纖類型是直接匹配的。進一步地，所述大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖的一端與合束器的輸出端是通過光纖端面研磨拋光后直接進行空間耦合或者通過熔接機進行熔融連接。進一步地，所述大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖的另一端同樣拉制成錐形，并且將錐形區域終端的端面研磨拋光成5~20°角或者鍍增透膜以防止端面反射。進一步地，所述二色鏡對信號波長930~980nm高透，透射率大于90%；對泵浦波長790~920nm高反，反射率大于90%。與現有技術相比較，本專利技術的技術效果是：基于MOPA技術方案，使用0.9μm波段單頻激光種子源作為信號光源，利用短長度大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖作為激光增益介質，多個大功率泵浦源提供泵浦能量。在泵浦源的不斷激勵下，磷酸鹽玻璃光纖中的高摻雜稀土離子發生粒子數反轉并產生受激輻射，當信號光通過時，對信號光進行功率放大，最后可以獲得高功率單頻激光輸出。由于磷酸鹽玻璃光纖長度很短，可達厘米量級，同時磷酸鹽玻璃光纖具有較大的纖芯直徑/內包層直徑比例，使得在放大過程中可以有效的抑制ASE，并且提高非線性效應SBS的閾值。此外，將磷酸鹽玻璃光纖兩端拉制成較小直徑的雙錐形結構，可以實現輸出激光模式的控制，解決大纖芯增益光纖放大過程中光束質量變差的問題；并且可以與目前常用的光器件的輸出尾纖相匹配，整個激光系統更緊湊與可靠。最終可以獲得高信噪比、良好光束質量、功率穩定的0.9μm波段高功率單頻激光輸出。附圖說明圖1為本專利技術實施例中0.9μm波段高功率單頻光纖激光器原理示意圖。圖中：1—單頻激光種子源，2—大功率泵浦源，3—合束器，4—大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖，5—二色鏡。具體實施方式下面結合附圖通過具體的實施例對本專利技術做進一步詳細說明，但不僅限于該實施方式，以便于更清楚地理解本專利技術，需指出的是，以下若有未特別詳細說明之過程或參數均是本領域技術人員可參照現有技術實現的。如圖1所示，本實例的0.9μm波段高功率單頻光纖激光器，主要包括：單頻激光種子源、大功率泵浦源、(n+1)×1合束器、大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖、二色鏡。其中所述的單頻激光種子源產生的信號光和大功率泵浦源產生的泵浦光，分別經由(n+1)×1合束器的輸入端口、n個泵浦端口耦合進入大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖的纖芯和內包層里面。泵浦源的輸出尾纖與合束器的泵浦端口尾纖相匹配，并通過熔接機進行熔融連接。合束器的輸入端與單頻激光種子源的輸出端是采用熔融連接，合束器的輸出端與大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種0.9μm波段高功率單頻光纖激光器，其特征在于包括單頻激光種子源（1）、n個大功率泵浦源（2）、（n+1）×1合束器（3）、大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖（4）、二色鏡（5）；單頻激光種子源（1）的輸出端與合束器（3）的輸入端相連接，n個大功率泵浦源（2）的尾纖分別與合束器（3）的n個泵浦端相連接，合束器（3）的輸出端與大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖（4）的一端通過熔接或者空間耦合的方式相連接，大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖（4）的另一端與二色鏡（5）相連接；單頻激光種子源（1）產生的信號光、泵浦源（2）產生的泵浦光通過合束器（3）分別耦合進入到大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖（4）的纖芯和內包層里面；其中n為正整數，且n≥1。

【技術特征摘要】
1.一種0.9μm波段高功率單頻光纖激光器，其特征在于包括單頻激光種子源（1）、n個大功率泵浦源（2）、（n+1）×1合束器（3）、大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖（4）、二色鏡（5）；單頻激光種子源（1）的輸出端與合束器（3）的輸入端相連接，n個大功率泵浦源（2）的尾纖分別與合束器（3）的n個泵浦端相連接，合束器（3）的輸出端與大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖（4）的一端通過熔接或者空間耦合的方式相連接，大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖（4）的另一端與二色鏡（5）相連接；單頻激光種子源（1）產生的信號光、泵浦源（2）產生的泵浦光通過合束器（3）分別耦合進入到大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖（4）的纖芯和內包層里面；其中n為正整數，且n≥1。2.如權利要求1所述的0.9μm波段高功率單頻光纖激光器，其特征在于：所述單頻激光種子源（1）為光纖激光器、半導體激光器或非平面環形腔激光器（NPRO）類型，信號波長為930~980nm。3.如權利要求1所述的0.9μm波段高功率單頻光纖激光器，其特征在于：所述泵浦源（2）是半導體激光器、光纖激光器或者固體激光器，為多橫模輸出，泵浦波長為790~920nm。4.如權利要求1所述的0.9μm波段高功率單頻光纖激光器，其特征在于：所述大模場高增益磷酸鹽玻璃光纖（4）的纖芯為磷酸鹽玻璃，化學組成為aP2O5-bAl2O3-cBaO-dLa2O3-eRE2O3，其中，30<a<100，0<b<15，0<c<25，0<d<15，0<e<15；其中，RE為高摻雜濃度的稀土離子N...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊昌盛，徐善輝，楊中民，黃振鵬，馮洲明，鄧華秋，
申請(專利權)人：華南理工大學，
類型：發明
國別省市：廣東;44