專利名稱：側(cè)面泵浦全光纖及基于該全光纖的激光器及放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光泵浦耦合技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光纖激光器，尤其涉及一種側(cè)面泵浦全光纖及基于該全光纖的激光器及放大器。
背景技術(shù)：
光纖激光是激光技術(shù)領(lǐng)域近年來最充滿激情、最具創(chuàng)新活力、發(fā)展最為迅速、最引人矚目的重要方向之一。從上個世紀(jì)60年代開始[Snitzer E, Optical maseraction of Nd3+ in a barium crown glass[J]. Physical Review Letters,1961,7(12) :444-446.],光纖激光器就已經(jīng)成為科技工作者競相開展研究的領(lǐng)域，取得了矚目的科技成果，從當(dāng)初的理論研究，發(fā)展到如今單模光纖激光萬瓦功率輸出。其中，眾多的光纖激光器研究成果中，最引人矚目、最有發(fā)展前景、功率輸出最高的光纖激光器技術(shù)方案中，有以下兩種方法第一種方法是空間耦合光纖激光器的方案，典型代表是光子晶體光纖激光器 [WADSW0RTH W J, KNIGHT J C, RUSSELL P J, et al. Large mode areaphotonic crystal fiber laser [J]. Conference on Lasers and Electro-Optics,2001，23(6) :319-322.]，如圖1所示；另外一種方法是基于上個世紀(jì)末雙包層泵浦耦合技術(shù)的樹杈結(jié)構(gòu)的大模場全光纖激光器技術(shù)方案[Snitzer, Po H, et al. Double-clad offset core Nd fiberlaser [C]. Proc Conf Optical Fiber Sensors, 1988, Post deadline paper PD5，41.]，如圖 2 所示。但是目前的兩種技術(shù)方案都存在較大的問題，限制了光纖激光器向更高功率方向發(fā)展。空間耦合光纖激光器技術(shù)方案，首先，雖然光子晶體光纖具有光束質(zhì)量好、大數(shù)值孔徑、大模場面積、低閾值、高效率、窄線寬和可調(diào)諧等優(yōu)點，但存在的最大的問題就是和固體激光器一樣，各個組成器件分散獨(dú)立，需要維護(hù)，不利于集成；其次，空間耦合光纖激光器泵浦功率的無限擴(kuò)展性較差，存在端面損傷、泵浦光束整形和光纖耦合的難題，無法實現(xiàn)數(shù)萬瓦功率的光泵浦，也就無法實現(xiàn)萬瓦級光纖激光器，國際最高功率于2007年止步于2. 5千瓦；再次，空間耦合光纖激光器本身也是通過光學(xué)鏡頭、光學(xué)系統(tǒng)輸出激光，無法實現(xiàn)柔性激光輸出。雙包層泵浦耦合技術(shù)的樹杈結(jié)構(gòu)的大模場全光纖激光器技術(shù)方案是基于端面泵浦合束器如圖2(c)所示，多路光纖(圖中6路)和傳輸光纖(圖中1路)被拉錐后，與大模場增益光纖的直徑相同，然后通過端面熔接的技術(shù)，將多路半導(dǎo)體激光注入增益光纖中， 實現(xiàn)對增益介質(zhì)的激勵，從而產(chǎn)生光纖激光。該技術(shù)方案徹底解決了空間耦合技術(shù)方案中集成不方便的問題和激光柔性輸出的問題，從激光的產(chǎn)生、放大、傳輸和輸出，均在纖細(xì)的光纖中進(jìn)行，是一種全光纖結(jié)構(gòu)，是未來光纖激光器發(fā)展的必然選擇。但是，該技術(shù)方案也存在一個較大缺陷，就是依然無法解決半導(dǎo)體激光器泵浦功率的無限擴(kuò)展問題。多路(圖中6路)泵浦激光通過一個1-2厘米的錐體傳輸后，再經(jīng)過一個熔點，將會產(chǎn)生較大的光功率損耗，而此處的包層需要通過千瓦的半導(dǎo)體泵浦光，光纖纖芯需要通過千瓦的光纖激光，從原理上，該技術(shù)無法承受數(shù)千瓦功率的泵浦，更無法實現(xiàn)萬瓦級光纖激光。目前，國際上最高水平的光纖合束器是ITF公司的端面泵浦光纖合束器[PCT專利W02007/090272，國內(nèi)專利20078000擬46]，單臂最高承載功率為200瓦，按照6路光纖來計算，每個光纖合束器的泵浦功率為1200瓦，嚴(yán)重限制了光纖激光器激光輸出功率向萬瓦級、十萬瓦級提高，這也成了制約光纖激光器發(fā)展的瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決背景技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種泵浦區(qū)段無光纖熔點、泵浦耦合效率高以及散熱效果好的側(cè)面泵浦全光纖及基于該全光纖的激光器及放大
ο本發(fā)明的技術(shù)解決方案是本發(fā)明提供了一種側(cè)面泵浦全光纖，包括增益光纖以及傳輸光纖，其特殊之處在于所述增益光纖與傳輸光纖是無熔點熔接。上述傳輸光纖呈D形；所述增益光纖至少包括一個沿增益光纖軸向方向的平面； 所述D形傳輸光纖裸光纖與增益光纖裸光纖的平面進(jìn)行側(cè)面熔接。上述增益光纖呈D型或多邊形。上述傳輸光纖是一根或多根。一種全光纖激光器，包括光纖，其特殊之處在于所述光纖是上述的側(cè)面泵浦全光纖。一種光纖激光放大器，包括光纖，其特殊之處在于所述光纖是上述的泵浦全光纖。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明所提供的側(cè)面泵浦全光纖，該側(cè)面泵浦全光纖的增益光纖的泵浦結(jié)構(gòu)是無熔點的，泵浦耦合的距離從傳統(tǒng)的端面泵浦技術(shù)方案中的1-2厘米，延長為數(shù)十米，承載泵浦激光的傳輸光纖被拉制為D形，增益光纖拉制為D形或者N邊形，然后將D形的傳輸光纖裸光纖與增益光纖裸光纖的某一個平面吻合，然后實現(xiàn)側(cè)面熔接，在泵浦區(qū)段沒有一個光纖熔點；由于泵浦長度很長，泵浦耦合效率非常高；散熱效果更好；本發(fā)明解決了如何將更多功率的泵浦光注入纖細(xì)的增益光纖，端面泵浦的方法已經(jīng)無能為力，本發(fā)明采用一種新型的側(cè)面泵浦的技術(shù)方案，實現(xiàn)萬瓦級，十萬瓦級光纖激光器功率輸出，本方法是未來光纖激光器向高功率發(fā)展的必然技術(shù)趨勢。滿足了激光加工市場對光纖激光輸出功率日益提高的需求，為超高功率光纖激光器的研制提供一種新型的技術(shù)方案，更好的服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)和社會。本發(fā)明還提供了基于側(cè)面泵浦全光纖的激光器及放大器，基于倏逝波耦合的原理， 實現(xiàn)了光纖激光器的側(cè)面泵浦，大大提高了光纖激光的泵浦功率，提高了泵浦效率，提高了光纖激光輸出功率，是一種新型的高能光纖激光器實現(xiàn)方案，是未來發(fā)展的必然趨勢。


圖1是傳統(tǒng)空間耦合光纖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是傳統(tǒng)基于雙包層泵浦耦合技術(shù)的端面泵浦技術(shù)方案示意圖；圖3是本發(fā)明所提供的無熔點并行耦合側(cè)面泵浦全光纖結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明所提供側(cè)面泵浦全光纖的第一實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明所提供側(cè)面泵浦全光纖的截面示意圖；圖6是本發(fā)明所提供的側(cè)面泵浦全光纖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明所提供的側(cè)面泵浦全光纖激光器和放大器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明所提供側(cè)面泵浦全光纖的第二實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本發(fā)明所提供側(cè)面泵浦全光纖的第三實施例結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式首先，本發(fā)明的實現(xiàn)方法中，光纖激光器對增益光纖的泵浦結(jié)構(gòu)是無熔點的，泵浦耦合的距離從傳統(tǒng)的端面泵浦技術(shù)方案中的1-2厘米，延長為數(shù)十米，承載泵浦激光的傳輸光纖被拉制為D形，增益光纖拉制為D形或者N邊形(本文將以6邊形為例)，然后將D 形的傳輸光纖裸光纖與增益光纖裸光纖的某一個平面吻合，然后實現(xiàn)側(cè)面熔接，最簡單的例子是D形增益光纖與D形泵浦傳輸光纖的側(cè)面熔接，實現(xiàn)無熔點并行耦合側(cè)面泵浦，如圖 3所示。本文以增益光纖為6邊形棱柱為例進(jìn)行說明，則此(6+1)根光纖的無熔點并行耦合側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，6根D形泵浦傳輸光纖與雙包層六邊形增益光纖側(cè)面熔接為一體的截面圖如圖5所示。D形泵浦光纖較端面泵浦的光纖具有更大的模場面積、數(shù)值孔徑，泵浦承載功率更高，在長達(dá)數(shù)十米的傳輸過程中，D形傳輸光纖中的泵浦激光基于倏逝波耦合的原理，通過數(shù)十米的焊接面將泵浦光耦合入6邊形增益光纖中，實現(xiàn)對增益介質(zhì)的激勵。其中D形泵浦光纖中傳輸?shù)目梢允前雽?dǎo)體激光，也可以是光纖激光，或者其他類型的泵浦光，如果采用波長較長的激光進(jìn)行泵浦的時候，可以降低量子虧損效應(yīng)，提高減少熱量的產(chǎn)生，從原理上改善熱管理技術(shù)，提高光纖激光輸出功率。然后，在增益光纖的兩端，與光纖光柵進(jìn)行熔接，這樣，就實現(xiàn)了光纖激光器中工作介質(zhì)、泵浦和諧振腔三個產(chǎn)生光纖激光的基本條件，就基于無熔點并行耦合側(cè)面泵浦技術(shù)方案，構(gòu)成了光纖激光振蕩器，或者說構(gòu)成了一臺光纖激光器，如圖6所示。如果在光纖激光器振蕩器的后端，即光纖激光器輸出端再連接一段D形或N邊形增益光纖，增益光纖的每一個側(cè)平面與D形的泵浦傳輸光纖仍進(jìn)行長達(dá)數(shù)十米的無縫焊接，D形的泵浦傳輸光纖中傳輸泵浦光，對增益光纖進(jìn)行泵浦激勵，這樣，就構(gòu)成了基于無熔點并行耦合側(cè)面泵浦技術(shù)的光纖激光器及光纖激光放大器(或放大級)，實現(xiàn)了對光纖激光振蕩器圖6進(jìn)行功率放大，如圖7所示，從而實現(xiàn)數(shù)千瓦級，甚至數(shù)萬瓦級光纖激光功率輸出。另外，放大級可以多級。本發(fā)明提供了一種基于雙包層泵浦技術(shù)原理的無熔點并行耦合側(cè)面泵浦全光纖激光器及放大器，該方法解決了傳統(tǒng)的端面泵浦耦合技術(shù)方案中損耗較大、泵浦功率較低的缺陷，將泵浦功率提高到數(shù)千瓦，甚至數(shù)萬瓦，使得萬瓦級全光纖激光器的實現(xiàn)成為了可能。本方法的實現(xiàn)方案中，以6路D形的泵浦光纖與雙包層六邊形增益光纖為例進(jìn)行介紹。首先，設(shè)計出D形的泵浦光纖與雙包層六邊形增益光纖的精細(xì)結(jié)構(gòu)，使得6根D形的泵浦光纖與雙包層六邊形增益光纖側(cè)面無縫焊接時尺寸吻合，保障高質(zhì)量的平面焊接， 實現(xiàn)高效率泵浦耦合。然后，依據(jù)設(shè)計方案，拉制出6組D形的泵浦傳輸光纖，用于傳輸泵浦激光。同時，拉制出雙包層六邊形增益光纖，摻雜組分可以根據(jù)波長、吸收系數(shù)等需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)計。6 組D形泵浦傳輸光纖與雙包層六邊形的增益光纖均為裸光纖，沒有涂敷層。然后，按照將6根D形泵浦傳輸光纖的側(cè)平面分別與雙包層六邊形的增益光纖的六個側(cè)面無縫焊接在一起，其截面示意圖如圖5所示。這樣就構(gòu)成了雙包層六邊形增益光纖在中心，六根D形泵浦傳輸光纖均勻分布在其側(cè)面的無熔點并行側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)，可以長達(dá)數(shù)十米，甚至上百米，實現(xiàn)了光纖激光的側(cè)面泵浦。然后在其外端加上涂敷層，保護(hù)起來。兩端的6根D形泵浦傳輸光纖與雙包層六邊形增益光纖沒有焊接在一起，以尾纖形式分布，方便泵浦激光更好的耦合入D形泵浦傳輸光纖；然后再將六邊形增益光纖兩端分別熔接上低反光纖光柵和高反光纖光柵，這樣， 就具備了激光器產(chǎn)生激光的三個必要條件增益介質(zhì)、泵浦、諧振腔，構(gòu)成了一臺基于無熔點并行耦合側(cè)面泵浦技術(shù)的全光纖激光器，或者激光振蕩器，如圖6所示。為了提高光纖激光器更高功率的激光輸出，僅僅靠激光振蕩器是無法完成高能激光輸出的，需要增加激光放大器。在圖6光纖激光器的基礎(chǔ)上，在其低反光纖光柵外端，再連接一段六邊形增益光纖，增益光纖的每一個側(cè)平面與D形的泵浦傳輸光纖仍進(jìn)行長達(dá)數(shù)十米的無縫焊接，D形的泵浦傳輸光纖中傳輸泵浦光，通過倏逝波耦合原理實現(xiàn)對增益光纖的泵浦激勵，這樣，就構(gòu)成了基于無熔點并行耦合側(cè)面泵浦技術(shù)的光纖激光器及光纖激光放大器(或放大級)，實現(xiàn)了對光纖激光振蕩器圖6進(jìn)行功率放大，如圖7所示。鑒于端面泵浦技術(shù)方案中泵浦功率的瓶頸問題，側(cè)面泵浦技術(shù)方案將是未來光纖激光器發(fā)展的必然趨勢。由于本方案的核心是無熔點并行耦合側(cè)面泵浦技術(shù)方案，還可以包含多種其它的替換方案，均在本專利權(quán)力范圍之內(nèi)。如下所示根據(jù)雙包層增益光纖的設(shè)計方案和具體形狀，D形泵浦傳輸光纖可以為1根至N根不等。比如，1根D形泵浦傳輸光纖與1根D形的雙包層增益光纖可以實現(xiàn)無縫側(cè)面焊接； 8根D形泵浦傳輸光纖與1根8邊形的雙包層增益光纖可以實現(xiàn)無縫側(cè)面焊接；除了 D形的泵浦傳輸光纖與N邊形增益光纖實現(xiàn)無熔點并行耦合側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)之外，還可以都是圓形的光纖，實現(xiàn)梅花狀的側(cè)面熔接，如圖8所示；中間的雙包層增益光纖可以替換為光子晶體光纖，如圖9所示。
權(quán)利要求
1.一種側(cè)面泵浦全光纖，包括增益光纖以及傳輸光纖，其特征在于所述增益光纖與傳輸光纖是無熔點熔接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的側(cè)面泵浦全光纖，其特征在于所述傳輸光纖呈D形；所述增益光纖至少包括一個沿增益光纖軸向方向的平面；所述D形傳輸光纖裸光纖與增益光纖裸光纖的平面進(jìn)行側(cè)面熔接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的側(cè)面泵浦全光纖，其特征在于所述增益光纖呈D型或多邊形。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的側(cè)面泵浦全光纖，其特征在于所述傳輸光纖是一根或多根。
5.一種全光纖激光器，包括光纖，其特征在于所述光纖是權(quán)利要求1-4任一權(quán)利要求所述的側(cè)面泵浦全光纖。
6.一種光纖激光放大器，包括光纖，其特征在于所述光纖是權(quán)利要求1-4任一權(quán)利要求所述的側(cè)面泵浦全光纖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種側(cè)面泵浦全光纖及基于該全光纖的激光器及放大器，該側(cè)面泵浦全光纖，包括增益光纖以及傳輸光纖，增益光纖與傳輸光纖是無熔點熔接。本發(fā)明提供了一種泵浦區(qū)段無光纖熔點、泵浦耦合效率高以及散熱效果好的側(cè)面泵浦全光纖及基于該全光纖的激光器及放大器。
文檔編號H01S3/067GK102520474SQ20111044388
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者張恩濤, 楊合寧, 段開椋, 趙保銀, 趙衛(wèi), 閆紅衛(wèi) 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所