專利名稱：一種發(fā)熱抑制的光纖激光器及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種雙包層有源光纖及光纖激光器，特別涉及發(fā)熱抑制的雙包層有源光纖和光纖激光器。
背景技術：
由于光纖材料本身表面積對體積的比值較大,輸出的光束質量好，體積小等優(yōu)點，光纖激光器近年來經歷了快速的發(fā)展，目前稀土摻雜光纖激光器能夠得到的輸出光功率不斷提高。但是，隨著光功率的提高，有源摻雜光纖的發(fā)熱量也越來越多。有源光纖的散熱問題成為大功率光纖激光器的瓶頸問題之一。該光纖發(fā)熱會對光纖激光器產生很多負面影響，比如光纖模式改變、熱透鏡效應、光纖熔絲效應、光纖損傷等。盡管通過風冷、水冷等方式能夠在一定程度上緩解有源光纖的發(fā)熱問題，但是均不能從根本上解決問題。本專利提出了一項新的技術，有效地對光纖激光器中有源光纖的發(fā)熱進行吸收，從整體上來看，有源光纖的發(fā)熱量明顯減小，從根本上抑制了有源光纖的發(fā)熱，為更大光功率的光纖激光器的研制拓展了空間。

發(fā)明內容
針對現有技術的不足，本發(fā)明提出一種新型的有源光纖發(fā)熱抑制的光纖激光器的方法，該方法有效地從光纖內部減小了有源光纖的發(fā)熱，緩解了光纖激光器的發(fā)熱問題。本發(fā)明采用的技術方案是:一種光纖激光器，由光功率吸收器、光纖光柵1、前向光纖泵浦光合束器、雙包層有源光纖、反向光纖泵浦光合束器、光纖光柵I1、信號泵浦激光器、制冷泵浦激光器、輸出準直隔離器，其特征在于:所述的雙包層有源光纖的左端和前向光纖泵浦光合束器連接、右端和反向光纖泵浦光合束器連接；信號泵浦激光器與前向光纖泵浦光合束器連接，信號泵浦激光器與反向光纖泵浦光合束器連接，光纖光柵I的右端與前向光纖泵浦光合束器連接、左端與光功率吸收器連接；光纖光柵II左端與反向光纖泵浦光合束器連接，右端與輸出·準直隔離器的輸入端連接。所述的雙包層有源光纖，由纖芯、內包層、外包層和涂覆層組成，所述的纖芯與涂覆層之間設有內包層和外包層，其纖芯芯徑為8 20微米，內包層直徑為10(Γ400微米。一種制作光纖激光器方法，包括以下步驟:
I)、雙包層有源光纖制作:以氟化物玻璃作為基質，摻雜兩種稀土元素制作雙包層有源光纖的預制棒；在纖芯中摻入第一雜質釹(Nd)和第二雜質鐿(Yb)，在光纖拉絲塔上將上述預制棒拉制成雙包層光纖，并在裸光纖外部涂上涂覆層；
所述的在纖芯中摻入第一雜質釹和第二雜質鐿，摻雜濃度為1018 102°cm_3。2)、搭建光纖激光器光學系統(tǒng):將前向光纖泵浦光合束器與第一波長的信號泵浦激光器的激光耦合至雙包層有源光纖中，反向光纖泵浦光合束器將第二波長的制冷泵浦激光器的激光耦合至雙包層有源光纖中；光纖光柵I右端與前向光纖泵浦光合束器連接、其左端與光功率吸收器連接；光纖光柵II左端與反向光纖泵浦光合束器連接，其右端與輸出準直隔離器的輸入端連接。3)、搭建光纖激光器電路系統(tǒng):將光纖激光器的驅動源與各個信號泵浦激光器、制冷泵浦激光器連接，控制電路與各個驅動源電路和監(jiān)控電路連接，接口電路與激光器控制電路和外部計算機連接。4)、運行調試:啟動制冷泵浦激光器，使得光纖處于制冷狀態(tài)，啟動信號泵浦激光器，使得光纖處于激光輸出狀態(tài)，依次地增大制冷泵浦激光器的功率和信號泵浦激光器的功率，逐漸讓兩個泵浦激光器的功率到達目標值，此時光纖激光器的發(fā)熱和制冷基本處于平衡狀態(tài)，在不影響輸出激光的狀態(tài)下，有源光纖的發(fā)熱受到抑制。本發(fā)明，1、光纖激光器中有源增益光纖的發(fā)熱量得到顯著減小。2、降低了光纖激光器中制冷系統(tǒng)的要求。3、避免了熱透鏡效應引起的光束畸變。4、用拉曼光散射的方式進行制冷，過程是全固態(tài)的，可靠性高，性能穩(wěn)定。5、除有源摻雜光纖需要有額外摻雜和制冷泵浦的波長改變以 外，對于其它部件都是可以和通常的光纖激光器兼容的。


圖1是本發(fā)明的雙包層有源光纖的結構示意圖。圖2是本發(fā)明光纖激光器結構示意圖。圖3是摻雜光纖激射過程中離子和光子相互作用示意圖。圖4是摻雜光纖中的反斯托克斯拉曼散射過程的光子和聲子相互作用。圖中:201光功率吸收器、202光纖光柵1、203前向光纖泵浦光合束器、204雙包層有源光纖、2041纖芯、2042內包層、2043外包層、2044涂覆層，205反向光纖泵浦光合束器、206光纖光柵I1、207信號泵浦激光器、208制冷泵浦激光器、209輸出準直隔離器、301#1摻雜離子的基態(tài)能級，302 #1摻雜離子的亞穩(wěn)態(tài)能級，303 #1摻雜離子的激發(fā)態(tài)能級，401 #2摻雜離子的第一基態(tài)能級，402 #2摻雜離子的第二基態(tài)能級，403#2摻雜離子的第一激發(fā)態(tài)能級，404#2摻雜離子的第二激發(fā)態(tài)能級。
具體實施例方式一種光纖激光器，由光功率吸收器201、光纖光柵I 202、前向光纖泵浦光合束器203、雙包層有源光纖204、反向光纖泵浦光合束器205、光纖光柵II 206、信號泵浦激光器207、制冷泵浦激光器208、輸出準直隔離器209，雙包層有源光纖204的左端和前向光纖泵浦光合束器203連接、右端和反向光纖泵浦光合束器205連接；信號泵浦激光器207與前向光纖泵浦光合束器203連接，制冷泵浦激光器208與反向光纖泵浦光合束器205連接。所述的雙包層有源光纖204，由纖芯2041、內包層2042、外包層2043和涂覆層2044組成，纖芯2041與涂覆層2044之間設有內包層2042和外包層2043，其纖芯芯徑為8^20微米，內包層直徑為10(Γ400微米。一種制備光纖激光器方法，包括以下步驟:
1、雙包層有源光纖制作:以氟化物玻璃作為基質，摻雜兩種稀土元素制作雙包層有源光纖的預制棒；在纖芯2041中摻入第一雜質釹和第二雜質鐿,2042是光纖的內包層，2043是光纖外包層，在光纖拉絲塔上將上述預制棒拉制成雙包層光纖，并在裸光纖外部涂上涂覆層2044 ;其纖芯2041中摻入有第一雜質釹(Nb)和第二雜質鐿(Yb)，摻雜濃度為IO18 1020cnT3。在有源摻雜的雙包層光纖中，第一種雜質離子在第一個波長泵浦激光的作用下，形成粒子數反轉，通過受激輻射產生光放大而發(fā)出激光；第二種雜質離子，在第二個波長激光泵浦下，通過反斯托克斯散射吸收聲子，產生制冷效果。使用氟化物玻璃光纖，適當選擇氟化物的種類，使得上述的反斯托克斯效應能夠有效地進行。一種優(yōu)化的選擇是采用鋯(Zr)、硼(B)、鑭(La)、鋁(Al)、鈉(Na)、鉛(Pb)的重金屬氟化物作為光纖基質材料；有源雙包層光纖中的其它雜質和缺陷要盡量減小，降低發(fā)生非輻射復合的幾率；制冷摻雜元素的下能級寬度要小于平均聲子能量，制冷泵浦激光的光子能量要與制冷摻雜雜質的較低躍遷能量相當，以促進光纖中的反斯托克斯拉曼散射，抑制光纖中的斯托克斯拉曼散射。2、搭建光纖激光器光學系統(tǒng):將前向光纖泵浦光合束器203與第一波長的信號泵浦激光器207耦合至雙包層有源光纖204中，反向光纖泵浦光合束器205將第二波長的制冷泵浦激光器208耦合至雙包層有源光纖204中；光纖光柵I 202右端與前向光纖泵浦光合束器203連接、其左端與光功率吸收器201連接；光纖光柵II 206左端與反向光纖泵浦光合束器205連接，其右端與輸出準直隔離器209的輸入端連接。3)、搭建光纖激光器電路系統(tǒng):將光纖激光器的驅動源與各個信號泵浦激光器207、制冷泵浦激光器208連接，控制電路與各個驅動源電路和監(jiān)控電路連接，接口電路與激光器控制電路和外部計算機連接。4)、運行調試:啟動制冷泵浦激光器208，使得光纖處于制冷狀態(tài)，啟動信號泵浦激光器207，使得光纖處于激光輸出狀態(tài)，依次地增大制冷泵浦激光器的功率和信號泵浦激光器的功率，逐漸讓兩個泵浦激光器的功率到達目標值，此時光纖激光器的發(fā)熱和制冷基本處于平衡狀態(tài)，在不影響輸出激光的狀態(tài)下，有源光纖的發(fā)熱受到抑制。實施例1:
一種制備大功率連續(xù)光纖激光器方法，其步驟:
步驟一:氟玻璃光纖制作。以氟化物玻璃作為基質，摻雜兩種稀土元素制作有源雙包層氟玻璃光纖的預制棒。在纖芯2041中摻入第一雜質釹和第二雜質鐿,2042是光纖的內包層，2043是光纖外包層，2044是涂覆層。在光纖拉絲塔上將上述預制棒拉制成雙包層光纖，并在裸光纖外部涂上涂覆層。此雙包層有源光纖的結構如圖1所示。步驟二:搭建光纖激光器光學系統(tǒng)。利用上述有源雙包層氟玻璃光纖制作大功率連續(xù)光纖激光器。連續(xù)大功率光纖激光器的結構如圖2所示。步驟三:搭建光纖激光器電路系統(tǒng)。將半導體激光器的驅動源與各個信號泵浦激光器207、制冷泵浦激光器208連接，將控制電路與各個驅動源電路和監(jiān)控電路連接，將接口電路與激光器控制電路和外部計算機連接。步驟四:運行調試。啟動制冷泵浦激光器208，使得光纖處于被冷卻狀態(tài)，但開始該制冷泵浦調節(jié)到較低水平。啟動信號泵浦激光器207，使得光纖處于激光輸出狀態(tài)，但開始該泵浦調節(jié)到較低水平，使其發(fā)熱量不是太大。然后依次地增大制冷泵浦激光器的功率和信號泵浦激光器的功率，逐漸讓兩個泵浦激光器的功率到達目標值。此時光纖激光器的發(fā)熱和制冷基本處于平衡狀態(tài)，在不影響輸出激光的狀態(tài)下，有源光纖的發(fā)熱受到抑制。本發(fā)明與 傳統(tǒng)激光器不同的是:本發(fā)明采用了雙元素摻雜的氟玻璃光纖，取代了傳統(tǒng)的二氧化硅單元素摻雜光纖；本發(fā)明采用了兩個不同的泵浦，分別是第一泵浦用于光纖激光器的激射，第二泵浦用于有源光纖的制冷降溫。原理說明如下:在第一波長泵浦激光的激勵下，有源雙包層氟玻璃光纖中#1摻雜離子產生光增益區(qū)，增益區(qū)和左右兩個有相同中心反射波長的光纖光柵I 202和光纖光柵II 206組成光學諧振腔，并產生激光。在第二波長泵浦激光的激勵下，有源雙包層氟玻璃光纖中#2摻雜離子產生反斯托克斯拉曼散射，吸收聲子，發(fā)出一個能量更大的拉曼散射光子。聲子會帶走有源光纖中的熱量，散射光子向外輻射離開了雙包層有源光纖。有源雙包層氟玻璃光纖中的激光發(fā)生過程如圖3所示。在激射過程中，#1波長的泵浦激光將#1摻雜離子從基態(tài)301躍遷到激發(fā)態(tài)303，然后通過非輻射轉移到亞穩(wěn)態(tài)302上，再通過受激輻射，躍遷到基態(tài)301，同時產生了信號激光。這個過程中，光子的量子虧損轉化為熱量，使光纖發(fā)熱。有源雙包層氟玻璃光纖中的制冷過程如圖4所示。在制冷過程中，#2波長的泵浦激光將摻雜離子#2中的離子從基態(tài)402躍遷到激發(fā)態(tài)403，聲學聲子促使激發(fā)態(tài)401和402之間發(fā)生粒子數轉移，離子從激發(fā)態(tài)404輻射躍遷至401，發(fā)出一個拉曼散射光子，并且吸收一個能量等于401和402之間能級差的光學聲子。這種反斯托克斯拉曼散射過程，通過帶走一個光學聲子吸收了有源光纖的熱量，達到制冷的效果。

本實施例的核心是采用雙摻雜雙包層氟玻璃光纖，通過雙波長泵浦，在產生受激輻射的同時，用反斯托克斯拉曼散射帶走熱量的方法來部分或全部抵消光纖激光器激射過程中的發(fā)熱。緩解了大功率光纖激光器的散熱問題。摻雜元素可以在多種稀土元素中進行選擇，以配合信號泵浦波長和制冷泵浦波長。在某些情況下，如果第一摻雜離子在第一泵浦光作用下，產生的激光光子能量正好等于所需的第二泵浦光的光子能量，則可以省去第二泵浦，而直接用信號激光的一部分來泵浦第二種離子產生反斯托克斯拉曼熒光，從而制冷光纖激光器的有源光纖，簡化了光纖激光器的結構。上述實施例只為說明本發(fā)明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發(fā)明的內容并據以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍，凡根據本發(fā)明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種發(fā)熱抑制的光纖激光器，由光功率吸收器(201)、光纖光柵I (202)、前向光纖泵浦光合束器(203)、雙包層有源光纖(204)、反向光纖泵浦光合束器(205)、光纖光柵II(206)、信號泵浦激光器(207)、制冷泵浦激光器(208)、輸出準直隔離器(209)，其特征在于:所述的雙包層有源光纖(204)的左端和前向光纖泵浦光合束器(203)連接、右端和反向光纖泵浦光合束器(205)連接；信號泵浦激光器(207)與前向光纖泵浦光合束器(203)連接，制冷泵浦激光器(208)與反向光纖泵浦光合束器(205)連接，光纖光柵I (202)的右端與前向光纖泵浦光合束器(203)連接、左端與光功率吸收器(201)連接；光纖光柵II (206)左端與反向光纖泵浦光合束器(205)連接，右端與輸出準直隔離器(209)的輸入端連接。
2.根據權利要求1 所述的一種發(fā)熱抑制的光纖激光器，其特征在于:所述的雙包層有源光纖204，由纖芯(2041 )、內包層(2042 )、外包層(2043 )和涂覆層(2044)組成，所述的纖芯(2041)與涂覆層(2044 )之間設有內包層(2042 )和外包層(2043 )，其纖芯芯徑為8 20微米，內包層(2042)直徑為10(Γ400微米。
3.一種制作權利要求1所述的光纖激光器的方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)、雙包層有源光纖制作:以氟化物玻璃作為基質，摻雜兩種稀土元素制作雙包層有源光纖的預制棒；在纖芯(2041)中摻入第一雜質釹(Nd)和第二雜質鐿(Yb),在光纖拉絲塔上將上述預制棒拉制成雙包層光纖，并在裸光纖外部涂上涂覆層(2044)； 2)、搭建光纖激光器光學系統(tǒng):將前向光纖泵浦光合束器(203)與第一波長的信號泵浦激光器(207 )的激光耦合至雙包層有源光纖(204 )中，反向光纖泵浦光合束器(205 )將第二波長的制冷泵浦激光器(208)的激光耦合至雙包層有源光纖(204)中；光纖光柵I (202)右端與前向光纖泵浦光合束器(203)連接、其左端與光功率吸收器(201)連接；光纖光柵II(206)左端與反向光纖泵浦光合束器(205)連接，其右端與輸出準直隔離器(209)的輸入端連接； 3)、搭建光纖激光器電路系統(tǒng):將光纖激光器的驅動源與各個信號泵浦激光器(207)、制冷泵浦激光器(208 )連接，控制電路與各個驅動源電路和監(jiān)控電路連接，接口電路與激光器控制電路和外部計算機連接； 4)、運行調試:啟動制冷泵浦激光器(208)，使得光纖處于制冷狀態(tài)，啟動信號泵浦激光器(207)，使得光纖處于激光輸出狀態(tài)，依次增大制冷泵浦激光器的功率和信號泵浦激光器的功率，逐漸讓兩個泵浦激光器的功率到達目標值，此時光纖激光器的發(fā)熱和制冷處于基本平衡狀態(tài)，在不影響輸出激光的狀態(tài)下，有源光纖的發(fā)熱受到抑制。
4.根據權利要求1所述的制備光纖激光器的方法，其特征在于:所述的步驟I)中的雙包層有源光纖(204)在纖芯(2041)中摻入第一雜質釹和第二雜質鐿，其摻雜濃度為IO18 1020cnT3。
全文摘要
一種發(fā)熱抑制的光纖激光器及其制作方法，其特征在于所述的抑制發(fā)熱的雙包層有源光纖(204)的左端和前向光纖泵浦光合束器(203)連接、右端和反向光纖泵浦光合束器(205)連接；信號泵浦激光器(207)與前向光纖泵浦光合束器(203)連接，制冷泵浦激光器(208)與反向光纖泵浦光合束器(205)連接。本發(fā)明通過兩個泵浦波長的激光，分別產生信號激光和制冷效應，緩解了大功率光纖激光器的散熱壓力，提高了光纖激光器的可靠性和工作穩(wěn)定性。同時該光纖激光器在結構上與傳統(tǒng)的光纖激光器系統(tǒng)兼容，具有工藝可行性。
文檔編號H01S3/16GK103236628SQ201310135119
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月18日 優(yōu)先權日2013年4月18日
發(fā)明者周勝, 李豐, 談根林 申請人:江蘇天元激光科技有限公司, 丹陽聚辰光電科技有限公司