專利名稱：波長(zhǎng)穩(wěn)定的高功率半導(dǎo)體泵浦源及泵浦方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖激光系統(tǒng)，特別是一種用于高功率光纖激光系統(tǒng)的波長(zhǎng)穩(wěn)定的高功率半導(dǎo)體泵浦源及泵浦方法。
背景技術(shù)：
光纖激光器是目前激光技術(shù)領(lǐng)域最為活躍的研究方向之一。由于其具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性好、轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好等一系列優(yōu)點(diǎn)，在激光先進(jìn)制造、激光醫(yī)療、國(guó)防軍事等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。對(duì)于摻稀土離子的光纖激光器，通過選擇發(fā)射波長(zhǎng)和光纖吸收特性相匹配的半導(dǎo)體激光器為抽運(yùn)源，可以實(shí)現(xiàn)比較高的激光轉(zhuǎn)化效率。由于Yb3+離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單， 不存在上轉(zhuǎn)換、激發(fā)態(tài)吸收和濃度淬滅效應(yīng)，故而可以獲得很高的量子效率和能量轉(zhuǎn)換效率，而Yb3+離子上能級(jí)的熒光壽命比較長(zhǎng)，能夠有效的儲(chǔ)存能量以實(shí)現(xiàn)高功率的運(yùn)作。對(duì)于摻鐿的雙包層光纖，一般選擇915 nm或976 nm的高功率半導(dǎo)體激光器。Yb3+離子在915 nm附近的吸收帶寬較寬，所以對(duì)泵浦源的波長(zhǎng)穩(wěn)定性和溫控要求相對(duì)較弱。而976 nm波長(zhǎng)泵浦時(shí)Yb3+離子具有較高的吸收系數(shù)進(jìn)而輸出功率和效率都優(yōu)于915 nm波長(zhǎng)泵浦，所以一般采用976 nm的高功率半導(dǎo)體激光器泵浦摻Y(jié)b3+的雙包層光纖。對(duì)于摻稀土離子的光纖激光器，作為泵浦源的大功率半導(dǎo)體激光器的光譜性質(zhì)對(duì)激光器的性能影響比較大。對(duì)于半導(dǎo)體激光器而言，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流增大，輸出功率增加時(shí)，PN結(jié)的溫度就會(huì)升高，從而使得激光器的輸出中心波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向紅移。隨著半導(dǎo)體激光器工作電流和功率的不斷提高，導(dǎo)致在從閾值電流上升到滿功率電流的過程中產(chǎn)生了更大的波長(zhǎng)漂移。為了確保在整個(gè)工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、有效的泵浦，需要控制泵浦半導(dǎo)體激光器的光譜，使其光譜帶寬始終與激活激光介質(zhì)的吸收帶寬相匹配。鐿離子對(duì)976 nm波長(zhǎng)附近的吸收譜寬較窄，只有幾個(gè) nm (參見 “Ytterbium-Doped Fiber Amplifiers”，QUANTUMELECTRONICS, VOL. 33，NO. 7，1997，1049 1056)，為保證LD的發(fā)射波長(zhǎng)在工作條件變化過程中始終是976nm，可以對(duì)LD進(jìn)行自動(dòng)恒溫控制，但一般來說，溫度調(diào)制速度較慢，而且這樣的激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。鎖定LD的發(fā)射波長(zhǎng)可以有效降低激光器系統(tǒng)的熱負(fù)載和重量負(fù)載，是推動(dòng)光纖激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、體積和重量大幅度降低、可靠性明顯提高的關(guān)鍵技術(shù)。為了鎖定LD的發(fā)射波長(zhǎng)，研究人員探討了一些不同的方法。包括激光器內(nèi)部解決方案和外部解決方案。內(nèi)部解決方案將波長(zhǎng)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)集成到半導(dǎo)體激光器芯片內(nèi)部的方法，分布式反饋半導(dǎo)體激光器(DFB)是采用內(nèi)部波長(zhǎng)穩(wěn)定解決方案的一個(gè)典型例子。一般來說這種DFB半導(dǎo)體激光器的制造過程更為復(fù)雜，導(dǎo)致成本增加。這種激光器的另一個(gè)缺點(diǎn)是效率低。外部解決方案，VBG (體布拉格光柵)被廣泛用于大功率LD波長(zhǎng)鎖定系統(tǒng)，并取得了很好的效果。既可鎖定在VBG的布拉格波長(zhǎng)處，又可把光譜線寬壓窄。但是外部波長(zhǎng)穩(wěn)定方案的缺點(diǎn)是需要敏感和高度對(duì)準(zhǔn)的VBG，而且若激光器發(fā)射波長(zhǎng)與VBG的布拉格波長(zhǎng)相差較大時(shí)，往往達(dá)不到穩(wěn)定波長(zhǎng)的目的。當(dāng)然，與沒有采用波長(zhǎng)穩(wěn)定方案的半導(dǎo)體激光器相比，采用波長(zhǎng)穩(wěn)定方案的激光器因?yàn)椴迦肓送獠吭瑢?huì)導(dǎo)致輸出功率有所下降，對(duì)激光器本身的散熱處理也增加了難度，波長(zhǎng)穩(wěn)定的優(yōu)化始終需要在鎖定范圍和功率損耗間進(jìn)行權(quán)衡。目前市面上無論是單芯結(jié)式還是bar式高功率半導(dǎo)體激光器工作時(shí)均是系統(tǒng)內(nèi)部所有LD同時(shí)工作，低功率到滿功率的過程中，隨著功率的提高波長(zhǎng)進(jìn)行向長(zhǎng)波方向進(jìn)行漂移。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種波長(zhǎng)穩(wěn)定的高功率半導(dǎo)體泵浦源及泵浦方法。，該半導(dǎo)體泵浦源具有波長(zhǎng)穩(wěn)定、泵浦效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種波長(zhǎng)穩(wěn)定的高功率半導(dǎo)體泵浦源，其特點(diǎn)是該泵浦源包括由泵浦塊、電源、控制器、電腦和NX I光纖合束器組成，其中N ^ 2，所述的泵浦塊由N個(gè)泵浦單元組成，每個(gè)泵浦單元由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)開關(guān)和一個(gè)激光二極管組成，激光二極管的兩極與所述的驅(qū)動(dòng)器的正負(fù)極相連，該驅(qū)動(dòng)器的輸入端經(jīng)所述的開關(guān)的接所述的電源，所述的開關(guān)的控制端接所述的控制器的輸出端，該控制器的輸入端接電腦，所述的激光二極管的激光輸出端通過光纖與所述的NX I光纖合束器的一個(gè)輸入端相連,該NX I光纖合束器的輸出端為泵浦源的輸出端。利用上述波長(zhǎng)穩(wěn)定的高功率半導(dǎo)體泵浦源對(duì)高功率光纖激光系統(tǒng)進(jìn)行泵浦的方法，其特點(diǎn)在于該方法包括下列步驟
①將所需的泵浦光功率值輸入所述的電腦，該電腦計(jì)算應(yīng)參與工作的激光二極管數(shù)量Q (Q ^ N)
Q=所需的泵浦光功率值/單個(gè)激光二極管激光功率值；
②通過電腦控制控制器連通Q個(gè)開關(guān)，相應(yīng)的Q個(gè)驅(qū)動(dòng)器對(duì)各自的激光二極管按滿功率的額定電流驅(qū)動(dòng)激光二極管工作，然后Q個(gè)激光二極管輸出的激光經(jīng)所述的NX I光纖合束器的輸出尾纖輸出，對(duì)光纖激光系統(tǒng)進(jìn)行空間泵浦或全光纖泵浦。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
I、本發(fā)明處于工作狀態(tài)的激光二極管皆處于滿功率狀態(tài)，輸出波長(zhǎng)均在激光二極管的中心波長(zhǎng)，未工作的激光二極管處于短路保護(hù)狀態(tài)。可以使高功率半導(dǎo)體泵浦源更好地穩(wěn)定中心波長(zhǎng)，可以使高功率光纖激光系統(tǒng)一直高效率運(yùn)轉(zhuǎn)。2、本發(fā)明不需要改變半導(dǎo)體泵浦源芯片結(jié)構(gòu)，也不需要插入外部器件，使泵浦源光學(xué)結(jié)構(gòu)大大被簡(jiǎn)化，泵浦源電光轉(zhuǎn)化效率可以得到進(jìn)一步提高?！?br>

圖I為波長(zhǎng)穩(wěn)定的高功率泵浦源示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖與實(shí)施對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。先請(qǐng)參閱圖1，圖I為本發(fā)明波長(zhǎng)穩(wěn)定的高功率泵浦源示意圖。泵浦源包括泵浦塊I、電源2、控制器3、電腦4和NX I光纖合束器5，其中N彡2。所述的泵浦塊I由N個(gè)泵浦單元Ii組成，其中i=l，2，…，N，每個(gè)泵浦單元Ii由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器lil、一個(gè)開關(guān)li2和一個(gè)激光二極管li3組成，激光二極管li3的兩極與所述的驅(qū)動(dòng)器Iil的正負(fù)極相連，該驅(qū)動(dòng)器Iil的輸入端經(jīng)所述的開關(guān)li2的接所述的電源2，所述的開關(guān)li2的控制端接所述的控制器3的輸出端，該控制器3的輸入端接電腦4，所述的激光二極管li3的激光輸出端通過光纖與所述的NX I光纖合束器5的一個(gè)輸入端相連，該NX I光纖合束器5的輸出端為泵浦源的輸出端。激光二極管li3的正負(fù)極均在圖中標(biāo)出。將所需的泵浦光功率值輸入所述的電腦4，該電腦4計(jì)算應(yīng)參與工作的激光二極管li3數(shù)量Q(Q ^ N)
Q=所需的泵浦光功率值/單個(gè)激光二極管激光功率值。
所述的電腦4控制控制器3連通Q個(gè)開關(guān)li2，相應(yīng)的Q個(gè)驅(qū)動(dòng)器Iil對(duì)激光二極管Π3按滿功率的額定電流驅(qū)動(dòng)激光二極管li3工作，處于工作狀態(tài)的激光二極管li3皆處于滿功率狀態(tài)，輸出波長(zhǎng)均在976nm中心波長(zhǎng)，未工作的激光二極管li3處于短路保護(hù)狀態(tài)。然后Q個(gè)激光二極管Π3輸出的激光經(jīng)所述的NX I光纖合束器5的輸出尾纖輸出，對(duì)摻Y(jié)b3+光纖激光系統(tǒng)進(jìn)行空間泵浦或全光纖泵浦。通過控制工作激光二極管Π3數(shù)目的增加或減少，可以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體泵浦源輸出功率的增加或減少。此高功率半導(dǎo)體泵浦源的輸出波長(zhǎng)可始終在976nm中心波長(zhǎng)不漂移，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)，能夠使摻Y(jié)b3+光纖激光系統(tǒng)始終處于高功率高效率運(yùn)作狀態(tài)，大大提高了能量的利用率。
權(quán)利要求
1.一種波長(zhǎng)穩(wěn)定的高功率半導(dǎo)體泵浦源，其特征是該泵浦源包括泵浦塊、電源、控制器、電腦和NX I光纖合束器，其中N ^ 2，所述的泵浦塊由N個(gè)泵浦單元組成，每個(gè)泵浦單元由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)開關(guān)和一個(gè)激光二極管組成，所述的激光二極管的兩極與所述的驅(qū)動(dòng)器的正負(fù)極相連，該驅(qū)動(dòng)器的輸入端經(jīng)所述的開關(guān)接所述的電源，所述的開關(guān)的控制端接所述的控制器的輸出端，該控制器的輸入端接電腦，所述的激光二極管的激光輸出端通過光纖與所述的NXl光纖合束器的一個(gè)輸入端相連,該NX I光纖合束器的輸出端為泵浦源的輸出端。
2.利用權(quán)利要求I所述的波長(zhǎng)穩(wěn)定的高功率半導(dǎo)體泵浦源對(duì)高功率光纖激光系統(tǒng)進(jìn)行泵浦的方法，其特征在于該方法包括下列步驟 ①將所需的泵浦光功率值輸入所述的電腦，該電腦計(jì)算應(yīng)參與工作的激光二極管的數(shù)量Q，其中Q≤N: Q=所需的泵浦光功率值/單個(gè)激光二極管的激光功率值； ②所述的電腦控制所述的控制器連通Q個(gè)開關(guān)，相應(yīng)的Q個(gè)驅(qū)動(dòng)器對(duì)激光二極管按滿功率的額定電流驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的激光二極管工作，然后Q個(gè)激光二極管輸出的激光經(jīng)所述的NX I光纖合束器的輸出尾纖輸出，對(duì)光纖激光系統(tǒng)進(jìn)行空間泵浦或全光纖泵浦。
全文摘要
一種波長(zhǎng)穩(wěn)定的高功率半導(dǎo)體泵浦源，該泵浦源包括泵浦塊、電源、控制器、電腦和N×1光纖合束器，所述的泵浦塊由N個(gè)泵浦單元組成，每個(gè)泵浦單元由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)開關(guān)和一個(gè)激光二極管組成。該半導(dǎo)體泵浦源根據(jù)需要的功率值，通過控制工作激光二極管的數(shù)目的增加或減少，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體泵浦源輸出功率的增加或減少。所有參與工作的激光二極管都處于滿功率輸出，以保證輸出波長(zhǎng)始終穩(wěn)定在中心波長(zhǎng)。本發(fā)明具有波長(zhǎng)穩(wěn)定、泵浦效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01S3/0941GK102931575SQ20121044945
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月12日
發(fā)明者何兵, 代守軍, 周軍, 趙純, 臧華國(guó) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所