專利名稱：光纖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光領(lǐng)域，尤其涉及光纖激光器。
背景技術(shù)：
光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器，光纖激光
器可在光纖放大器的基礎(chǔ)上開發(fā)出來在泵浦光的作用下光纖內(nèi)極易形成高功 率密度，造成激光工作物質(zhì)的激光能級"粒子數(shù)反轉(zhuǎn)"，當(dāng)適當(dāng)加入正反饋回路(構(gòu) 成諧振腔)便可形成激光振蕩輸出。
光纖激光器應(yīng)用范圍非常廣泛，包括激光光纖通訊、激光空間遠(yuǎn)距通訊、工 業(yè)造船、汽車制造、激光雕刻激光打標(biāo)激光切割、印刷制輥、金屬非金屬鉆孔/ 切割/焊接(銅焊、淬水、包層以及深度焊接)、軍事國防安全、醫(yī)療器械儀器 設(shè)備、大型基礎(chǔ)建設(shè)等等。
光纖激光器有眾多的優(yōu)點(diǎn)，泵浦光耦合是其中一個重要的技術(shù)1^出。目前多 用半導(dǎo)體激光器作泵浦源從端面泵浦或側(cè)面泵浦。對非激光光源作泵浦源時， 由于目前光纖結(jié)構(gòu)多數(shù)采用纖芯含有激光增益介質(zhì)，而纖芯直徑很小，非波導(dǎo) 耦合的光源很難實(shí)現(xiàn)其振蕩。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明提出一種光纖激光器結(jié)構(gòu)，以滿足泵浦功率密度 較低的光泵浦源或連續(xù)光譜泵浦時，特別是以太陽光作泵浦源時能夠產(chǎn)生激光 輸出的新型光纖激光器。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明的光纖激光器，包括泵浦光源和光纖。所述的光纖是至少包含熒光材料層和激光增益介質(zhì)層的包層光纖。
進(jìn)一步的,.所述的泵浦光源側(cè)面泵浦所述的光纖。或者所述的泵浦光源端 面泵浦所述的光纖，其光纖外層套上有高反射率外套。
進(jìn)一步的，所述的泵浦光源可以是低功率密度的連續(xù)光鐠光源(主要是太
陽')或者常規(guī)的激光泵浦源。具體包括會聚的太陽光泵浦源、閃光燈泵浦源、 光導(dǎo)管泵浦源、連續(xù)燈泵浦源、半導(dǎo)體陣列激光器泵浦源、陣列發(fā)光二極管泵
第一種的，所述的包層光纖是環(huán)狀激光增益介質(zhì)層的多包層光纖；其至少 包含由內(nèi)至外順序排列的熒光材料的纖芯層、環(huán)狀的激光增益介質(zhì)層、環(huán)狀的 外包層。
進(jìn)一步的，所述的環(huán)狀激光增益介質(zhì)層的多包層光纖還包括環(huán)狀的隔離內(nèi) 包層，所述的隔離內(nèi)包層處于激光增益介質(zhì)層和外包層之間。
更進(jìn)一步的，所述的環(huán)狀激光增益介質(zhì)層的多包層光纖還包括環(huán)狀的緩沖 層，所述的緩沖層處于熒光材料的纖芯層和激光增益介質(zhì)層之間。
更進(jìn)一步的，所述的環(huán)狀激光增益介質(zhì)層的多包層光纖還包括環(huán)狀的第二 熒光材料的層，所述的第二熒光材料的層緊靠于激光增益介質(zhì)層外。
更進(jìn)一步的，所述的環(huán)狀激光增益介質(zhì)層的多包層光纖還包括環(huán)狀的第二 熒光材料的層，所述的第二熒光材料的層緊靠于激光增益介質(zhì)層外。
更進(jìn)一步的，所述的環(huán)狀激光增益介質(zhì)層的多包層光纖還包括環(huán)狀的第二 隔離層，所述的第二隔離層處于熒光材料的纖芯層和環(huán)狀的激光增益介質(zhì)層之 間。
另一種的，，所述的包層光纖是芯狀激光增益介質(zhì)層的雙包層光纖；其至少包含由內(nèi)至外順序排列的激光增益介質(zhì)的纖芯層、環(huán)狀的熒光材料層和環(huán)狀的 外包層。
進(jìn)一步的，所述的芯狀激光增益介質(zhì)層的雙包層光纖還包括環(huán)狀的隔離層， 所述的隔離層處于激光增益介質(zhì)的纖芯層和熒光材料層之間。
進(jìn)一步的，把所述的第一種環(huán)狀激光增益介質(zhì)層的多包層光纖組成光纖線圈。
進(jìn)一步的，把所述的第二種所述的環(huán)狀激光增益介質(zhì)層的多包層光纖組成 光纖線圈。
或者，多層所述的第 一種光纖線圏和多層所述的第二種光纖線圈組成混合 光纖線圈。
更進(jìn)一步的，將所述的第一種光纖線圈或第二種光纖線圈或第一種光纖線 圏和第二種光纖線圈組成的混合光纖線圈置于有高反射率反射腔中。
.更進(jìn)一步的，所述的反射腔內(nèi)放置熒光材料，再度利用泵浦光。
進(jìn)一步的，所述的激光增益介質(zhì)摻入Nd3+、 Cr3+、 Er3+、 丫1)3+等離子。所述的 熒光材料摻入(y+、 Ti3+、 Yb3+、 E,等離子。
因此，本發(fā)明是一種新型的光纖激光器結(jié)構(gòu)，能滿足泵浦功率密度較低的 光泵浦源或連續(xù)光譜泵浦時，特別是以太陽光作泵浦源時能夠產(chǎn)生激光輸出。 附圖i兌明
圖la是本發(fā)明的環(huán)狀激光增益介質(zhì)層的多包層光纖的原理示意圖； 圖-lb是圖la的端面結(jié)構(gòu)示意圖1 c是采用多層環(huán)狀激光增益介質(zhì)層的多包層光纖光纖線圈的示意圖； 圖ld是本發(fā)明采用側(cè)面泵浦示意圖；圖le是本發(fā)明實(shí)施例一的示意圖If是圖le的端面結(jié)構(gòu)示意圖lg是本發(fā)明實(shí)施例二的示意圖lh是圖lg的端面結(jié)構(gòu)示意圖li是本發(fā)明實(shí)施例三的示意圖lj是圖li的端面結(jié)構(gòu)示意圖lk是本發(fā)明實(shí)施例四的示意圖11是圖lk的端面結(jié)構(gòu)示意圖lm是本發(fā)明的不同光纖端面示意圖ln是本發(fā)明多個圓形截面激光增益介質(zhì)層示意圖lo是本發(fā)明另一種多個圓形截面激光增益介質(zhì)層示意圖2a是本發(fā)明的芯狀激光增益介質(zhì)層的雙包層光纖實(shí)施例一示意圖;
圖2b是圖2a的端面結(jié)構(gòu)示意圖2c是本發(fā)明的芯狀激光增益介質(zhì)層的雙包層光纖實(shí)施例二示意圖;
圖2d是圖2c的端面結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明的混合光纖線圈側(cè)面泵浦示意圖4a是本發(fā)明用會聚的太陽光泵浦的示意圖4b是圖4a的光纖線圈放置于高反射率反射腔中的示意圖4c是本發(fā)明用光導(dǎo)管泵浦的示意圖4d是本發(fā)明用閃光燈泵浦的示意圖4e是本發(fā)明用LED或LD陣列泵浦的示意圖4f是本發(fā)明采用端面泵浦示意圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)結(jié)合


和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
光纖激光器。其核心思想是如何有效利用光纖激光器有效激光振蕩截面小，腔 內(nèi)功率密度高，閾值低等特點(diǎn)，在低功率密度泵浦光泵浦的條件下實(shí)現(xiàn)激光振 蕩。
針對通常光纖激光器纖芯細(xì)，必須采用端面泵浦或側(cè)面有限點(diǎn)側(cè)泵的缺點(diǎn)， 本發(fā)明釆用兩種設(shè)計(jì)思路。
1. 釆用環(huán)狀薄層激光增益介質(zhì)光纖，其特點(diǎn)是
a) 環(huán)狀可以使增益介質(zhì)層接近光纖直徑，這樣側(cè)面泵浦可以向任意 方向任意點(diǎn)進(jìn)行泵浦，并可基本保證泵浦截面接近于增益介質(zhì)吸收截面。
b) 環(huán)狀結(jié)構(gòu)可采用薄層結(jié)構(gòu)這樣即使整個光纖直徑較大但有效激光 增益介質(zhì)截面仍很小，從而保持了光纖激光有效截面小，腔內(nèi)功率密度高 的特點(diǎn)。
2. 采用雙層激光器結(jié)構(gòu)，在光纖中引入熒光材料，使側(cè)面自由方向泵浦 光被熒光材料吸收并發(fā)出為激光增益介質(zhì)吸收的熒光，這些熒光至少有一半光 強(qiáng)可通過全內(nèi)反射在光纖中來回反射而被激光增益介質(zhì)吸收，這種結(jié)構(gòu)可用于 環(huán)行薄層光纖，亦可應(yīng)用于中心為單模光纖結(jié)構(gòu)的光纖。
3. 采用環(huán)行薄層光纖與帶有熒光層的雙包層單模光纖混合構(gòu)成光纖多層線 圈結(jié)構(gòu)①環(huán)行薄層光纖直接吸收泵浦光中可被吸收波段，而熒光材料吸收不 能直接被激光增益介質(zhì)吸收的波段，同時環(huán)行薄層光纖吸收光纖內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反 射的熒光②雙包層帶熒光材料的單模光纖吸收泵浦光及產(chǎn)生的部分熒光從而產(chǎn) 生高光束質(zhì)量的激光輸出。這種混合結(jié)構(gòu)特別適應(yīng)于寬帶連續(xù)泵浦源泵浦光的 利用。
4. 當(dāng)熒光材料對激光波長有吸收時，可在熒光材料與激光增益介質(zhì)層之間 增加一層隔離層。
5. 必要時可采用將光纖線圈放置于漫反射腔中，通過外腔將有助于泵浦光 被光纖吸收。
.如圖la表示本發(fā)明的環(huán)狀激光增益介質(zhì)層的多包層光纖，101表示環(huán)狀的 激光增益介質(zhì)層，102為光纖外包層，103為光纖內(nèi)芯是熒光材料的纖芯層，其中環(huán)狀的激光增益介質(zhì)層101折射率高于外包層102和熒光材料的纖芯層103 的折射率以保證激光增益介質(zhì)環(huán)形成波導(dǎo)腔。為更加清楚的表示，圖lb是其端
面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖lc表示環(huán)形激光增益介質(zhì)光纖采用多層光纖線圈，可通過多層重疊環(huán)繞 增強(qiáng)對側(cè)面泵浦光的有效吸收，如圖ld所示中，本發(fā)明的光纖采用側(cè)面泵浦， Sl與S2為光纖激光器端面形成諧振腔。
圖le表示在激光增益介質(zhì)環(huán)中增加可吸收泵浦光并產(chǎn)生可被激光增益介質(zhì) 吸收的熒光材料的纖芯層1031,同時增加了隔離內(nèi)包層1041，其中激光增益介 質(zhì)層101折射率最高，內(nèi)包層1041折射率高于外包層102，從熒光材料的纖芯 層1031產(chǎn)生熒光，其中滿足全內(nèi)反射的部分熒光會在內(nèi)包層1041中全內(nèi)反射， 從而被激光增益介質(zhì)101吸收。如激光增益介質(zhì)層101為摻有Nd3+或Yb3+離子 激光增益層，1031可為摻有Cr3+或Ti3+離了熒光材料層，Nd: 3+吸收808nm附 近光譜，而C,可以吸收可見光大部分波段光，產(chǎn)生808nm附件的熒光。為更加 清楚的表示，圖lf是其端面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖lg的實(shí)施例二是在圖le的實(shí)施例一的熒光材料的纖芯層1031與激光增 益介質(zhì)層101之間增加一個緩沖層105，以防止圖le的實(shí)施例一中焚光材料通 過接觸面吸收激光振蕩波長。如熒光材料的纖芯層1031摻有C +中少量的Cr4+ 可能會吸收1. 064 jam波長光，加入不吸收與1. 064 jum緩沖層可減少振蕩光損 失。為更加清楚的表示，圖lh是其端面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖li的實(shí)施例三是在環(huán)狀激光增益介質(zhì)層101的外層再增加一層可產(chǎn)生熒 光的第二熒光材料的包層1032。為更加清楚的表示，圖lj是其端面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖lk的實(shí)施例四則是在環(huán)狀激光增益層101與內(nèi)外熒光層(熒光材料的纖 芯層1031和第二熒光材料的包層1032 )中均增加隔離層，是隔離內(nèi)包層1041 和第二隔離層1042。為更加清楚的表示，圖ll是其端面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖lm表示環(huán)狀增益介質(zhì)層可以是各種形狀，如多角形，D形，星狀，n形 等所需形狀。
圖ln表示通過多個圓形截面激光增益介質(zhì)層以增加對泵浦光吸收。圖lo 則是另一種通過多個圓形截面激光增益介質(zhì)層以增加對泵浦光吸收的示意圖。 如圖2a和圖2b表示的結(jié)構(gòu)類似普通雙包層光纖，只是雙包層用產(chǎn)生熒光的熒光材料構(gòu)成，其熒光可為激光增益介質(zhì)吸收。圖2a中，，201為激光增益介質(zhì)的纖芯層，它可以單模也可以是多模纖芯， 202為熒光材料層，203為外包層。圖2b同圖1系列一樣，在激光增益介質(zhì)與熒光層中間增加一個隔離層204 防止熒光層對激光增益層振蕩波長的吸收。'圖2a、圖2b的芯狀激光增益介質(zhì)層的雙包層光纖的優(yōu)勢是可產(chǎn)生工業(yè)所需 的圓形單模激光輸出。圖3表示本發(fā)明的圖1的環(huán)狀激光增益介質(zhì)層的多包層光纖與圖2的芯狀 激光增益介質(zhì)層的雙包層光纖混合使用形成一定面積吸收體的光纖線圈。圖2譜，而圖1的環(huán)狀激光增益介質(zhì)層的多包層光纖系列吸收^f艮少為圖2的芯狀激 光增益介質(zhì)層的雙包層光纖光纖系列增益介質(zhì)直接吸收的光鐠部分，同時內(nèi)部圖4系列表示本發(fā)明所述光纖激光器的泵浦方式。圖4a表示采用光學(xué)會聚系統(tǒng)將泵浦光直接泵浦在本發(fā)明所述光纖激光器線 圈上。圖4b表示將本發(fā)明光纖激光器線圈放置在一個高反射率漫反射體腔中，而 泵浦光通過會聚系統(tǒng)進(jìn)入漫反射腔中，由于反射體的高反射率，泵浦光會被多 次反射，直至大部分被激光增益介質(zhì)吸收。圖4c中采用光導(dǎo)管將泵浦光引入含有光纖細(xì)圈的光纖激光器漫反射腔中。圖4d表示將本發(fā)明光纖激光器置于漫反射腔中，將產(chǎn)生泵浦光源如閃光燈 或其他燈類光源，同時置于反射腔中。 圖4e與圖4d結(jié)構(gòu)類似，只是光源換為LED或LD陣列。圖4f中表示采用一束本發(fā)明所述兩種光纖通過常規(guī)端面泵浦方法泵浦，其 光纖束可套在有高反射率外套之中。本發(fā)明所發(fā)明兩種特種光纖，主要針對非激光泵浦源，即泵浦光源沒有很 強(qiáng)方向性的側(cè)面泵浦；特別是像太陽光這種連續(xù)光語同時單位面積泵浦功率不 高的光源；通過采用圖1系列的大接受面積環(huán)形激光增益介質(zhì)圈和圖2系列含有熒光材料特種光纖及兩種光纖混合成線圈方式來提高泵浦效率。本發(fā)明的激光增益介質(zhì)可采用摻有NcT、 Cr3+、 Er3+、 ￥1)3+等離子的激光材料, 熒光材料可采用Cr3+、 Ti3+、 Yb3+、 E +等在紅外波段發(fā)熒光的離子摻雜。由于本發(fā)明利用常見光纖激光器的所有閾值低，腔內(nèi)功率密度高特有優(yōu)點(diǎn)， 同時發(fā)明了環(huán)形激光增益圈，熒光材料構(gòu)成內(nèi)包層光纖，將光纖組成光纖線圏 等技術(shù)，這必將對特殊泵浦光源尤其是太陽光泵浦的激光器提高轉(zhuǎn)化效率產(chǎn)生 重^變革，從而有可能獲得較為廣泛的應(yīng)用。盡管結(jié)合優(yōu)選實(shí)施方案具體展示和介紹了本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員 應(yīng)該明白，在不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，在形式 上和細(xì)節(jié)上可以對本發(fā)明做出各種變化，均為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.光纖激光器，包括泵浦光源和光纖，其特征在于所述的光纖是至少包含熒光材料層和激光增益介質(zhì)層的包層光纖。
2. 如權(quán)利要求1所述的光纖激光器，其特征在于所述的泵浦光源側(cè)面泵浦所 述的光纖。
3. 如權(quán)利要求1所述的光纖激光器，其特征在于所述的泵浦光源端面泵浦所 述的光纖。
4. 如權(quán)利要求l、 2或3任一所述的光纖激光器，其特征在于所述的泵浦光源 可以是會聚的太陽光泵浦源、閃光燈泵浦源、光導(dǎo)管泵浦源、連續(xù)燈泵浦源、 半導(dǎo)體陣列激光器泵浦源、陣列發(fā)光二極管泵浦源。
5. 如權(quán)利要求1所述的光纖激光器，其特征在于所述的包層光纖是環(huán)狀激光 增益介質(zhì)層的多包層光纖；其至少包含由內(nèi)至外順序排列的熒光材料的纖芯 層(1031)、環(huán)狀的激光增益介質(zhì)層(101)、環(huán)狀的外包層(102)。
6. 如權(quán)利要求5所述的光纖激光器，其特征在于所述的環(huán)狀激光增益介質(zhì)層 的多包層光纖還包括環(huán)狀的隔離內(nèi)包層(1041)，所述的隔離內(nèi)包層(1041) 處于激光增益介質(zhì)層(101)和外包層(102)之間。
7. 如權(quán)利要求6所述的光纖激光器，其特征在于所述的環(huán)狀激光增益介質(zhì)層 的多包層光纖還包括環(huán)狀的緩沖層(105 ),所述的緩沖層(105 )處于萸光材 料的纖芯層(1031)和激光增益介質(zhì)層(101)之間。
8. 如權(quán)利要求5或6所述的光纖激光器，其特征在于所述的環(huán)狀激光增益介 .質(zhì)層的多包層光纖還包括環(huán)狀的第二熒光材料的層(1032 )，所述的第二熒光 材料的層(1032 )緊靠于激光增益介質(zhì)層(101)夕卜。
9. 如權(quán)利要求7任一所述的光纖激光器，其特征在于所述的環(huán)狀激光增益介質(zhì)層的多包層光纖還包括環(huán)狀的第二熒光材料的層(1032 )，所述的第二熒光 -材料的層(1032 )緊靠于激光增益介質(zhì)層(101)夕卜。
10. 如權(quán)利要求9所述的光纖激光器，其特征在于所述的環(huán)狀激光增益介 質(zhì)層的多包層光纖還包括環(huán)狀的第二隔離層(1042 ),所述的第二隔離層(1042 )處于熒光材料的纖芯層(1031)和環(huán)狀的激光增益介質(zhì)層(101)之間。
11. 如權(quán)利要求1所述的光纖激光器，其特4正在于所述的包層光纖是芯狀 激光增益介質(zhì)層的雙包層光纖；其至少包含由內(nèi)至外順序排列的激光增益介 '質(zhì)的纖芯層(201)、環(huán)狀的熒光材料層(202 )和環(huán)狀的外包層(203 )。
12. 如權(quán)利要求ll所述的光纖激光器，其特征在于所述的芯狀激光增益介 質(zhì)層的雙包層光纖還包括環(huán)狀的隔離層(204 )，所述的隔離層(204 )處于激 光增益介質(zhì)的纖芯層(201)和熒光材料層(202 )之間。
13. 如權(quán)利要求5所述的光纖激光器，其特征在于所述的環(huán)狀激光增益介 質(zhì)層的多包層光纖組成光纖線圈。
14. 如權(quán)利要求11所述的光纖激光器，其特征在于所述的環(huán)狀激光增益介 質(zhì)層的多包層光纖組成光纖線圈。
15. 如權(quán)利要求13或14所述的光纖激光器，其特征在于復(fù)數(shù)層權(quán)利要求 13所述的光纖線圏和復(fù)數(shù)層權(quán)利要求14所述的光纖線圈組成混合光纖線圈。
16. 如權(quán)利要求13或14所述的光纖激光器，其特征在于所述的光纖線圈 置于有高反射率反射腔中。
17. 如權(quán)利要求15所述的光纖激光器，其特征在于所述的光纖線圏置于有 -高反射率反射腔中。
18. 如權(quán)利要求16所述的光纖激光器，其特征在于所述的反射腔內(nèi)放置熒光材料。
19. 如權(quán)利要求l7所述的光纖激光器，其特征在于所述的反射腔內(nèi)放置熒光材料。
20. 如權(quán)利要求1所述的光纖激光器，其特征在于所述的激光增益介質(zhì)摻 入而3+、 Cr3+、 Er3+、 Yb3+等離子。
21. 如權(quán)利要求1或18或19所述的光纖激光器，其特征在于所述的熒光 材料摻入Cr3+、 Ti3+、 Yb3+、 Er3+等離子。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光領(lǐng)域，尤其涉及光纖激光器。本發(fā)明發(fā)明環(huán)狀激光增益層的多包層光纖，以增大從光纖側(cè)面泵浦光吸收面積，環(huán)狀增益介質(zhì)的薄環(huán)內(nèi)外可以是普通光學(xué)材料，亦可以是可產(chǎn)生熒光并為增益介質(zhì)所吸收的熒光材料，同時本發(fā)明發(fā)明中心為激光增益介質(zhì)，雙包層中熒光材料光纖，本發(fā)明所發(fā)明的光纖可用半導(dǎo)體激光器陣列作為泵浦源，亦可應(yīng)用于泵浦功率密度較低的光泵浦源或連續(xù)光譜泵浦的光纖激光器，特別是以太陽光作泵浦源的激光器。本發(fā)明的兩種光纖可單獨(dú)使用，亦可以混合使用。因此，本發(fā)明是一種新型的光纖激光器結(jié)構(gòu)，能滿足泵浦功率密度較低的光泵浦源或連續(xù)光譜泵浦時，特別是以太陽光作泵浦源時能夠產(chǎn)生激光輸出。
文檔編號H01S3/06GK101404377SQ20081007207
公開日2009年4月8日 申請日期2008年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月31日
發(fā)明者凌吉武, 盧秀愛, 礪 吳, 陳燕平 申請人:福州高意通訊有限公司