專利名稱：采用多波長等間距泵浦光源的光纖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用多波長泵浦激光源的低溫度敏感性的光纖激光器和光纖放大器，尤其涉及波長近似等間距分布的976nm附近的多波長激光泵浦光源結(jié)構(gòu)光纖激光器。
背景技術(shù)：
我們知道，光纖激光器在近年來得到了迅速的發(fā)展。其類型包括光纖脈沖激光器、 光纖大功率連續(xù)激光器和光纖大功率準(zhǔn)連續(xù)激光器。這些光纖激光器有各種不同的泵浦結(jié)構(gòu)，比如前向泵浦、后向泵浦、雙向泵浦及分布式多點泵浦。泵浦光源通常為半導(dǎo)體單管光源或者半導(dǎo)體多管模塊。泵浦波長廣泛地采用915nm，940nm，和976nm這三個波長區(qū)間。
在大功率光纖激光器中，特別是在976nm泵浦的光纖激光器中，當(dāng)工作溫度發(fā)生變化，就會導(dǎo)致泵浦半導(dǎo)體激光器的管芯溫度發(fā)生變化，從而引起泵浦激光器的中心波長發(fā)生偏移。摻鐿有源光纖在976nm附近的效率較高，但是光譜吸收峰較窄，這樣有源光纖的實際增益就會敏感地受泵浦激光器中心激射波長的影響，從而敏感地受溫度的影響。但是工作溫度是隨著光纖激光器工作狀態(tài)和工作時間長短而變化的。目前通行的做法是用外部制冷器對泵浦激光器進行主動控溫，使其大致保持在相同的溫度下。但是這個方法的缺點是1需要額外的半導(dǎo)體制冷器單元和制冷器控制電路；2這種制冷器的制冷能力是有限的，這樣就限制了總的泵浦激光器的數(shù)量和功耗；3這種制冷器本身在制冷的同時會發(fā)出更大的熱量，這些熱量需要及時散到光纖激光器機殼外部去，沒有散出去的部分會回流到激光器內(nèi)部，反而會引起更大的溫升；4在工作溫度較高的時候，這種制冷器的制冷效率明顯降低，甚至?xí)l(fā)生失效。發(fā)明內(nèi)容
針對以上問題，本發(fā)明的目的在于提供一種采用多波長等間距泵浦光源的光纖激光器，是采用同時用多個分布在976nm附近的近似等間距的多波長的泵浦激光來進行泵浦，使得光纖激光器中的有源光纖增益在976nm附近對工作溫度的變化不十分敏感。不需要使用外部制冷器，明顯改善了有源光纖對外部溫度的敏感性。
本發(fā)明的技術(shù)方案是通過以下方式實現(xiàn)的采用多波長等間距泵浦光源的光纖激光器，該光纖激光器或光纖放大器采用了近似等間距的多波長泵浦激光器作為泵浦激光源，其特征在于所述的泵浦激光源由多個波長近似、等間距的獨立的半導(dǎo)體泵浦激光器構(gòu)成。
所述的半導(dǎo)體泵浦激光源的波長在976nm附近。
所述的半導(dǎo)體泵浦激光源的波長為976nm、976nm、974nm、973nm、972nm、971nm組成，其波長間隔在l-3nm之間。
所述的泵浦激光源由一個波長近似等間距的多波長半導(dǎo)體泵浦激光器模塊構(gòu)成， 該模塊是基于波長合束原理進行的多波長合束。
所述的泵浦激光源在常溫下的大部分波長或全部波長位于摻雜光纖975nm吸收峰的附近，根據(jù)光纖激光器工作溫度范圍的不同，這些波長更多地分布在976nm的短波長一側(cè)、或者長波長一側(cè)、或者對稱分布于兩側(cè)。
所述的泵浦激光源的多個波長的波長間隔在l_3nm之間，優(yōu)化地可以選擇2nm ;泵浦激光器的總波長數(shù)目在3-10之間，優(yōu)化地可以選擇6。
所述的多波長泵浦的溫度不敏感光纖激光器由光纖光柵、聲光調(diào)制器(近適用于脈沖光纖激光器)、慘雜有源光纖、光纖合束器、半導(dǎo)體泵浦激光器、電子驅(qū)動和控制系統(tǒng)。
所述的多波長泵浦的溫度不敏感光纖激光器由種子激光器、慘雜有源光纖、光纖合束器、半導(dǎo)體泵浦激光器、電子驅(qū)動和控制系統(tǒng)。
所述的多波長泵浦的溫度不敏感光纖放大器包括慘雜有源光纖、光纖合束器、半導(dǎo)體泵浦激光器、電子驅(qū)動和控制系統(tǒng)。
本發(fā)明，徹底拋棄了傳統(tǒng)的用外部制冷器對所有976nm的泵浦激光器進行制冷的手段。這些波長有針對性地分布在976nm的低波長的一側(cè)，省去了外部制冷器，從而節(jié)省了耗電，不需要考慮制冷器帶來的附加散熱，以及散熱器本身對環(huán)境的依耐性。同時也降低了外部制冷器及其電子控制電路的成本。實現(xiàn)了在一定工作溫度變化范圍內(nèi)，慘雜有源光纖對溫度的不敏感性。使得光纖激光器的輸出功率穩(wěn)定性和整體工作穩(wěn)定性得到提高。


圖I是本發(fā)明用于激光諧振級的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明用于光纖放大級的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是典型的摻鐿光纖的吸收截面和發(fā)射截面。
圖4是本發(fā)明多波長泵浦在常溫下的波長分布、散射截面圖。
圖5是現(xiàn)有技術(shù)的單波長泵浦在常溫下的波長位置、散射截面圖。
圖6兩種方案對于溫度敏感性的比較。
圖中101光纖端面光功率吸收器、102光纖光柵、103前向光纖泵浦激光合束器(N+l X I型)、104雙包層有源光纖和無源光纖的熔接點、105泵浦光纖激光器， a, b, c, d, e, f分別為本發(fā)明描述的幾個不同泵浦波長、106反向光纖泵浦激光合束器(N+1 X I型)、107雙包層Yb+摻雜有源光纖、108后級光纖放大單元、109后級光纖放大器、110 聲光調(diào)制器、111種子激光器光源，或者前級光纖放大器、120主激光器激光輸出端。
具體實施方式
實施例I :如圖I所示，采用多波長等間距泵浦光源的光纖激光器，也就是通過光纖光柵和有源光纖構(gòu)成一個大功率的光學(xué)諧振腔，實現(xiàn)大功率的光纖激射。由光功率吸收器101、光纖光柵102、前向光纖泵浦激光合束器(N+l X I型)103、雙包層有源光纖和無源光纖的熔接點 104、泵浦光纖激光器105、反向光纖泵浦激光合束器(N+l X I型)106、雙包層Yb+摻雜有源光纖107、光纖輸出端帽108、110聲光調(diào)制器(可選，僅用于脈沖光纖激光器；連續(xù)工作的光纖激光器不需要)和主激光器激光輸出端120組成，前向光纖泵浦激光合束器(N+l X I 型)103和反向光纖泵浦激光合束器(N+l X I型)106將泵浦光纖激光器105的泵浦激光通過雙包層有源光纖和無源光纖的熔接點104，輸送到雙包層Yb+摻雜有源光纖107的內(nèi)包層中；在泵浦激光的激勵下，雙包層Yb+摻雜有源光纖107中產(chǎn)生光增益區(qū)，增益區(qū)和左右兩個中心反射波長相同的光纖光柵102組合形成激光諧振腔，并產(chǎn)生大功率激光，在光纖的大功率輸出端120設(shè)置了一個光纖輸出端帽108輸出激光。在光纖非輸出的另外一側(cè)， 不需要有激光輸出，也不希望產(chǎn)生激光的端面反射，因此設(shè)置一個光纖端面光功率吸收器 101。
實施例2 如圖2所示，多波長泵浦的溫度不敏感光纖放大器，也就是通過有源光纖構(gòu)成一個功率放大單元，將前一級輸出的光功率放大為更高的輸出光功率。由前向光纖泵浦激光合束器(N+l X I型)103、雙包層有源光纖和無源光纖的熔接點104、泵浦光纖激光器105、反向光纖泵浦激光合束器(N+l X I型)106、雙包層Yb+摻雜有源光纖107、光纖輸出端帽108、 后級光纖放大器109、種子激光器光源110和主激光器激光輸出端120組成，前向光纖泵浦激光合束器(N+l X I型)103和反向光纖泵浦激光合束器(N+l X I型)106將泵浦光纖激光器105的較小功率的泵浦激光通過雙包層有源光纖和無源光纖的熔接點104，輸送到雙包層Yb+摻雜有源光纖107的內(nèi)包層中，形成大功率光纖放大器，較小功率的激光輸入到有增益的雙包層Yb+摻雜有源光纖107中，被放大到較高的水平然后通過后級光纖放大器109 和輸出端帽108輸出激光。功率放大級是由有源光纖和泵浦激光器組成的增益光纖，它起到了一個光纖放大器的作用。通過這級的光纖功率放大，最后讓輸出光功率達到了較高的水平。這個光纖放大器可以單獨使用，也可以作為光纖激光器的末級功率放大級。
采用多波長等間距泵浦光源的光纖激光器，該光纖激光器采用了近似等間距的多波長泵浦激光器作為泵浦激光源，所述的泵浦激光源由多個波長近似、等間距的獨立的半導(dǎo)體泵浦激光器構(gòu)成；半導(dǎo)體泵浦激光源的波長在976nm附近；半導(dǎo)體泵浦激光源的波長為976nm、976nm、974nm、973nm、972nm、971nm 組成，其波長間隔在 l_3nm 之間。
泵浦激光源由一個波長近似等間距的多波長半導(dǎo)體泵浦激光器模塊構(gòu)成，該模塊是基于波長合束原理進行的多波長合束；泵浦光纖激光器105在常溫下的大部分波長或全部波長位于摻雜光纖975nm吸收峰的附近，根據(jù)光纖激光器工作溫度范圍的不同，這些波長更多地分布在976nm的短波長一側(cè)、或者長波長一側(cè)、或者對稱分布于兩側(cè)；泵浦光纖激光器105的多個波長的波長間隔在l_3nm之間,優(yōu)化地可以選擇2nm ;泵浦光纖激光器105 的總波長數(shù)目在3-10之間，優(yōu)化地可以選擇6。
我們用一個優(yōu)化方案進行舉例說明。我們選擇常溫下中心波長分別為976nm、 976nm、974nm、973nm、972nm、971nm的6個半導(dǎo)體泵浦激光器聯(lián)合作為光纖激光器的泵浦源。由于半導(dǎo)體激光器的中心波長隨溫度發(fā)生0.2-0. 3nm/° C的波長漂移。當(dāng)半導(dǎo)體周圍的溫度上升10° C的時候，各個激光器的波長均向上漂移了 2-3nm。在慘雜有源光纖的光譜吸收曲線上可以看到，6個波長仍然分布在976nm中心吸收峰的周圍。從計算可以得到本發(fā)明的結(jié)構(gòu)對溫度的敏感性大大降低。
另一個優(yōu)化方案的舉例說明是利用波長合束的方法得到的6波長近似等間距的多管芯半導(dǎo)體激光器模塊，代替上面的6只分立的半導(dǎo)體激光器。通過光纖合束器進入雙包層光纖，對有源光纖進行泵浦，實現(xiàn)光學(xué)增益。
本發(fā)明的激光器方案結(jié)構(gòu)和過去的最大不同是以往的976nm泵浦光纖激光器中，如果不使用外部的制冷器單元，有源光纖的增益將敏感地受外部溫度的影響。如果使用外部的制冷器，又會帶來很多上述的負(fù)面的影響。而本發(fā)明的光纖激光器中，采用多個波長近似等間隔的泵浦激光器聯(lián)合進行泵浦，不需要使用外部制冷器，明顯改善了有源光纖對外部溫度的敏感性。
本發(fā)明同時適用于連續(xù)光纖激光器和脈沖光纖激光器。
我們進行了如下的數(shù)值計算，將一個典型的摻鐿光纖的吸收和發(fā)射光譜，通過6 個976nm附近的等間距波長，在溫度變化的情況下進行了計算。得到下列結(jié)果。這里，我們選取了波長間隔為2nm，25° C常溫下的6個波長對稱地分布在976nm波長的兩側(cè)。溫度從0-45° C范圍內(nèi)變化，波長的溫度系數(shù)選為O. 2nm/° C。圖3為摻鐿光纖的吸收光譜(虛線)和發(fā)射光譜(實線)，這里我們采用其吸收光譜，也就是虛線部分。圖5為傳統(tǒng)的單波長激光器泵浦的情況；圖4為本發(fā)明提出的多波長泵浦的情況。從圖6，我們可以看到，本發(fā)明提出的多波長泵浦方案，在溫度變化的時候，有源光纖增益的變化明顯小于傳統(tǒng)單波長泵浦的方案。本發(fā)明在溫度敏感性方面帶來了明顯的優(yōu)勢。
由于摻鐿光纖在976nm附近的吸收峰比較窄，當(dāng)泵浦波長偏離吸收峰的中心波長的時候，泵浦效率發(fā)生大幅度的變化，表現(xiàn)在光纖激光器或者放大器上就是增益和輸出功率不穩(wěn)定，隨工作溫度的變化而變化。
由圖4知，是本發(fā)明多波長泵浦在常溫下的波長分布、散射截面圖。每個泵浦激光器的中心波長都隨工作溫度的變化而發(fā)生漂移。但是，不同的一點是，這些多個波長在常溫下分布在摻鐿光纖吸收中心波長的兩側(cè)。不論溫度升高，還是溫度降低，都會有一部分泵浦波長遠(yuǎn)離光纖的中心吸收波長，而另一部分泵浦波長靠近了光纖的中心吸收波長。這兩種相反的效果在一定程度上發(fā)生抵消，從而使得整體上光纖的吸收效率隨溫度的敏感度得到緩解。
如圖5所示，是現(xiàn)有技術(shù)的單波長泵浦在常溫下的波長位置、散射截面圖。
這個單一的泵浦波長有一定的溫度漂移，當(dāng)工作溫度發(fā)生改變時，泵浦激光器的中心波長將發(fā)生移動。從而導(dǎo)致?lián)借O光纖的吸收率降低。
由圖6知，兩種方案對于溫度敏感性的比較。虛線給出了我們在典型值況下的計算結(jié)果，可以看出該傳統(tǒng)方案在工作溫度變化的時候引起了較大的吸收截面，也就是吸收效率的變化。
圖6中的實線給出了在典型值情況下的計算結(jié)果。比較圖6中的實線和虛線，我們可以看到，本發(fā)明的方案在光纖總體吸收率對溫度敏感性方面得到了明顯的改善。
本發(fā)明的多波長泵浦方案的波長數(shù)目通常在3-10個的范圍內(nèi)，這里我們優(yōu)化地選擇6個波長。波長間隔通常在l_3nm的范圍內(nèi)，這里我們優(yōu)化地選擇2nm。
權(quán)利要求
1.采用多波長等間距泵浦光源的光纖激光器，其特征在于該光纖激光器采用等間距的多波長泵浦激光器作為泵浦激光源，該泵浦激光源的波長在976nm附近。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用多波長等間距泵浦光源的光纖激光器，其特征在于所述的泵浦激光源由多個波長近似等間距的獨立的半導(dǎo)體泵浦激光器構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用多波長等間距泵浦光源的光纖激光器，其特征在于所述的泵浦激光源由一個波長近似等間距的多波長半導(dǎo)體泵浦激光器模塊構(gòu)成，該模塊是基于波長合束原理進行的多波長合束。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用多波長等間距泵浦光源的光纖激光器，其特征在于所述的泵浦激光源在常溫下的大部分波長或全部波長位于摻雜光纖975nm吸收峰的附近，根據(jù)光纖激光器工作溫度范圍的不同，這些波長更多地分布在976nm的短波長一側(cè)、或者長波長一側(cè)、或者對稱分布于兩側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用多波長等間距泵浦光源的光纖激光器，其特征在于所述的泵浦激光源的多個波長的波長間隔在l_3nm之間，優(yōu)化地可以選擇2nm ;泵浦激光器的總波長數(shù)目在3-10之間，優(yōu)化地可以選擇6。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用多波長等間距泵浦光源的光纖激光器，其特征在于所述的光纖激光器包括光纖光柵、聲光調(diào)制器、摻雜有源光纖、光纖合束器、半導(dǎo)體泵浦激光器、電子驅(qū)動和控制系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用多波長等間距泵浦光源的光纖激光器，其特征在于所述的光纖激光器包括光纖光柵、摻雜有源光纖、光纖合束器、半導(dǎo)體泵浦激光器、電子驅(qū)動和控制系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用多波長等間距泵浦光源的光纖激光器，其特征在于所述的光纖激光器包括種子激光器、摻雜有源光纖、光纖合束器、半導(dǎo)體泵浦激光器、電子驅(qū)動和控制系統(tǒng)。
全文摘要
采用多波長等間距泵浦光源的光纖激光器，其特征在于該光纖激光器采用等間距的多波長泵浦激光器作為泵浦激光源，該泵浦激光源的波長在976nm附近。本發(fā)明，徹底拋棄了傳統(tǒng)的用外部制冷器對所有976nm的泵浦激光器進行制冷的手段。這些波長有針對性地分布在976nm的低波長的一側(cè)，省去了外部制冷器，實現(xiàn)了在一定工作溫度變化范圍內(nèi)，慘雜有源光纖對溫度的不敏感性。使得光纖激光器的輸出功率穩(wěn)定性和整體工作穩(wěn)定性得到提高。
文檔編號H01S3/067GK102983482SQ201210517458
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月6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