本發(fā)明涉及光纖激光領(lǐng)域，特別是一種帶有Yb波段輔助諧振腔的鉺鐿共摻光纖激光器。

背景技術(shù)：

高功率泵浦下鉺鐿共摻光纖中的鐿離子輻射波段(1微米波段)的自發(fā)輻射(Yb-ASE)及其引發(fā)的自激振蕩，是限制鉺鐿共摻光纖放大器和激光器輸出功率提高和穩(wěn)定性的主要因素。鉺鐿共摻光纖中同時摻雜有鉺(Er)、鐿(Yb)兩種稀土離子。鐿離子的摻入可以有效降低鉺離子的濃度淬滅效應(yīng)，提高其摻雜濃度，拓展泵浦波長的選擇范圍。但由于泵浦光子首先主要被光纖中的鐿離子吸收，將之從基態(tài)抽運到上能級，然后處于激發(fā)態(tài)的鐿離子再通過交叉馳豫將能量轉(zhuǎn)移給周圍的鉺離子，將之從基態(tài)抽運到上能級。這是一種間接泵浦方式。由于鐿離子向鉺離子通過交叉馳豫傳遞能量的速率有限，當(dāng)抽運速率大于二者之間的能量傳遞速率時，能量轉(zhuǎn)移就會出現(xiàn)瓶頸效應(yīng)，導(dǎo)致增益介質(zhì)中處于上能級的鐿離子數(shù)密度上升。由于不能及時將能量傳遞給周圍的鉺離子，這些處于激發(fā)態(tài)鐿離子在向基態(tài)躍遷時會產(chǎn)生Yb-ASE。這一方面會造成能量的浪費，降低了泵浦轉(zhuǎn)換效率。另一方面，隨著泵浦不斷增強，最終會產(chǎn)生自激振蕩或自脈動，嚴重影響鉺鐿共摻放大器或激光器的穩(wěn)定性，甚至還會造成器件的永久性破壞。

為解決鉺鐿共摻光纖放大器中的Yb-ASE問題，我們在專利[1]、[2]、[3]中分別提出通過在泵浦端添加一個合適波長的Yb波段的信號或Yb波段光纖光柵或一對Yb波段光纖光柵構(gòu)成的諧振腔來抑制放大器中的Yb-ASE，從而提高泵浦轉(zhuǎn)換效率的方法。

與鉺鐿共摻光纖放大器不同，鉺鐿共摻光纖激光器沒有輸入信號，而是通過增益介質(zhì)中的受激振蕩，產(chǎn)生特定波長的激光。高功率泵浦下，鉺鐿共摻光纖激光器中也會產(chǎn)生Yb-ASE及其導(dǎo)致的寄生振蕩或自脈動等問題，使泵浦轉(zhuǎn)換效率降低、穩(wěn)定性和可靠性惡化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在解決高功率泵浦下鉺鐿共摻光纖激光器中的Yb-ASE及其導(dǎo)致的自激振蕩和自脈動對激光器的穩(wěn)定性和效率的影響，提出一種輔腔泵浦鉺鐿共摻光纖激光器，實現(xiàn)抑制Yb-ASE并提高泵浦轉(zhuǎn)換效率的目的。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，輔腔泵浦鉺鐿共摻光纖激光器，包括泵浦源、泵浦合束器、前向反射Yb波段光纖光柵、前向反射Er波段高反光纖光柵、鉺鐿共摻增益光纖、后向反射Er波段低反光纖光柵、后向反射Yb波段光纖光柵、輸出端；泵浦源輸出的激光依序經(jīng)由泵浦信號合束器、前向反射Yb波段光纖光柵、前向反射Er波段高反光纖光柵，被送入鉺鐿共摻增益光纖，對其進行抽運；前向反射Yb波段光纖光柵與后向反射Yb波段光纖光柵形成輔腔，起輔助泵浦作用；前向反射Er波段高反光纖光柵與后向反射Er波段低反光纖光柵形成主諧振腔，產(chǎn)生所需波長的激光；所述激光器產(chǎn)生的激光最后經(jīng)由輸出端輸出。

前向反射Er波段高反光纖光柵和后向反射Er波段低反光纖光柵的反射波長位于鉺離子的發(fā)射波段，即1.5微米波段，二者構(gòu)成主諧振腔，產(chǎn)生所需波長的激光振蕩。

前向反射Yb波段光纖光柵和后向反射Yb波段光纖光柵的反射波長均位于鐿離子的發(fā)射波段，即1微米波段，二者構(gòu)成輔腔，對激光器起抑制Yb-ASE和輔助泵浦作用。

前向反射Yb波段光纖光柵、前向反射Er波段高反光纖光柵的前后順序可以互換；后向反射Er波段低反光纖光柵、后向反射Yb波段光纖光柵的前后順序也可以互換。

采用后向泵浦：所述泵浦源、泵浦合束器設(shè)置在后向反射Yb波段光纖光柵、輸出端之間。

采用雙向泵浦：在后向反射Yb波段光纖光柵、輸出端之間增加一個泵浦源、泵浦合束器，泵浦源輸出的激光經(jīng)由泵浦信號合束器輸入。

本發(fā)明的特點及有益效果是：

本發(fā)明通過在鉺鐿共摻增益光纖兩端引入兩對合適波長的光纖光柵，其中一對光纖光柵構(gòu)成主諧振腔，通過受激振蕩產(chǎn)生1.5微米波段特定波長的高功率激光；另一對光纖光柵構(gòu)成Yb波段輔助諧振腔，其諧振波長位于1微米波段，通過輔腔中的受激振蕩和重吸收，實現(xiàn)抑制Yb-ASE并提高泵浦轉(zhuǎn)換效率的目的。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以有效地抑制高功率泵浦時增益光纖中的Yb-ASE，提高高功率鉺鐿共摻光纖激光器的泵浦轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。

附圖說明：

圖1是輔腔泵浦鉺鐿共摻光纖激光器示意圖；其中(a)為前向泵浦方式；(b)為后向泵浦方式；(c)為雙向泵浦方式。

圖2是增益光纖中各光譜成分的功率演化曲線。(a)有輔腔時，增益光纖中泵浦、前/后向Er波段光纖光柵反射、前/后向Yb光纖光柵反射的功率演化；(b)無輔腔時，增益光纖中泵浦、前/后向Er波段光纖光柵反射的功率演化

圖3是引入輔腔前后Yb-ASE譜對比圖；

圖4為后向反射Er波段低反光纖光柵反射率對輸出功率的影響曲線。

附圖標記：1、泵浦源，2、泵浦合束器，3、前向反射Yb波段光纖光柵，4、前向反射Er波段高反光纖光柵，5、鉺鐿共摻增益光纖、6、后向反射Er波段低反光纖光柵，7、后向反射Yb波段光纖光柵，8、輸出端。

具體實施方式

為了解決高功率泵浦下鉺鐿共摻光纖激光器中的Yb-ASE及其導(dǎo)致的自激振蕩和自脈動對激光器的穩(wěn)定性和效率的影響，本發(fā)明提出了一種輔腔泵浦鉺鐿共摻光纖激光器。通過在鉺鐿共摻增益光纖兩端引入兩對合適波長的光纖光柵，其中一對光纖光柵構(gòu)成主諧振腔，通過受激振蕩產(chǎn)生1.5微米波段特定波長的高功率激光；另一對光纖光柵構(gòu)成Yb波段輔助諧振腔，其諧振波長位于1微米波段，通過輔腔中的受激振蕩和重吸收，實現(xiàn)抑制Yb-ASE并提高泵浦轉(zhuǎn)換效率的目的。

本發(fā)明提出了一種輔腔泵浦鉺鐿共摻光纖激光器，包括泵浦源1、泵浦合束器2、前向反射Yb波段光纖光柵3、前向反射Er波段高反光纖光柵4、鉺鐿共摻增益光纖5、后向反射Er波段低反光纖光柵6、后向反射Yb波段光纖光柵7、輸出端8。

泵浦源1輸出的激光依序經(jīng)由泵浦信號合束器2、前向反射Yb波段光纖光柵3、前向反射Er波段高反光纖光柵4，被送入鉺鐿共摻增益光纖5，對其進行抽運；前向反射Yb波段光纖光柵3與后向反射Yb波段光纖光柵7形成輔腔，起輔助泵浦作用；前向反射Er波段高反光纖光柵4與后向反射Er波段低反光纖光柵6形成主諧振腔，產(chǎn)生所需波長的激光；所述激光器產(chǎn)生的激光最后經(jīng)由輸出端8輸出。3與4的前后順序可以互換，6與7的前后順序也可以互換，不影響實際效果。

所述輸出端8尾纖拋磨成具有角度，通常為8度。

上述為前向泵浦情況，根據(jù)實際需要還可以采取附圖所示的后向泵浦或雙向泵浦方案。

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步說明。

本發(fā)明所提出的輔腔泵浦鉺鐿共摻光纖放大器可采用前向泵浦、后向泵浦或雙向泵浦方式。其原理圖分別如圖1(a)、(b)、(c)所示。我們以前向泵浦為例對本發(fā)明的實施方式和效果做進一步說明。

本例中所用泵源中心波長為976nm，功率為15W；增益光纖為加拿大CorActive公司生產(chǎn)的DCF-EY-10/128型雙包層鉺鐿共摻光纖，優(yōu)化得到的最佳光纖長度為4.05米；Yb波段光纖光柵對的反射率均為99.9％，中心波長為1028nm；Er波段光柵對的中心波長為1550nm，前向高反光纖光柵反射率為99.9％，后向低反射光纖光柵的反射率為15％。工作原理為：在泵浦作用下，Er波段高反光柵與低反光柵形成主諧振腔，產(chǎn)生1550nm的激光振蕩，透過低反光柵的部分激光經(jīng)輸出端形成激光輸出。高功率泵浦下，諧振腔中因瓶頸效應(yīng)積累的Yb反轉(zhuǎn)粒子，會在一對Yb波段高反光柵形成的輔腔中形成受激振蕩，從而很好的避免了Yb-ASE的產(chǎn)生。輔腔中的激光在諧振過程中會被增益光纖重新吸收并將能量轉(zhuǎn)移給在主諧振腔中的1550nm激光，從而可以提高相同泵浦功率下輸出信號的功率，即提高泵浦轉(zhuǎn)化效率。

如圖2所示為有輔腔和無輔腔兩種情況下，激光器中各光譜成分的功率演化的對比。(a)圖所示為有輔腔情況；(b)圖所示為去掉輔腔的情況。從圖2(a)可以看出，Yb波段輔腔中形成了穩(wěn)定的1028nm的激光振蕩。主諧振腔中也形成了1550nm的穩(wěn)定激光振蕩。前向傳播的激光振蕩經(jīng)反射率為15％的后向反射Er波段低反光纖光柵反射后剩余85％形成激光輸出。從圖中數(shù)據(jù)可以得出，加輔腔后輸出功率為6.84W，而無輔腔時的輸出功率只有5.48W，即加輔腔后輸出功率提高了約24.8％，效果非常明顯。

如圖3所示為，有輔腔和無輔腔兩種情況下，激光器中Yb-ASE譜的對比圖。從圖3可以看出，引入Yb波段輔腔后，原來占主導(dǎo)地位的后向Yb-ASE得到了明顯的抑制，雖然前向Yb-ASE有所增強，但Yb-ASE總功率明顯下降。由于輔腔中的Yb波段激光振蕩消耗了反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，Yb-ASE及其導(dǎo)致的自激振蕩和自脈動等不穩(wěn)定現(xiàn)象也可以得到有效的避免。

圖4所示為后向反射Er波段低反光纖光柵反射率對輸出功率的影響。對本實例而言，該光柵反射率在10％-15％之間可以得到較好的效果。反射率太低或太高，輸出功率會發(fā)生下降，

通過上述應(yīng)用例可以看出，引入合適波長的Yb波段輔腔后可以明顯提高鉺鐿共摻光纖激光器的泵浦轉(zhuǎn)化效率，輔腔中的Yb波段激光振蕩也可以有效的抑制高功率泵浦下普通鉺鐿共摻光纖激光器中的Yb-ASE及其導(dǎo)致的自激振蕩或自脈動，可以提高其穩(wěn)定性。

【引證文獻】

[1]韓群，寧繼平，周雷，張偉毅，張蔚青，“提高高功率泵浦鉺鐿共摻光纖放大器泵浦轉(zhuǎn)化效率的方法，”國家發(fā)明專利，ZL200910228944.3，天津大學(xué)，2011-06-15。(狀態(tài)：授權(quán))

[2]韓群，姚蘊秩，劉芳超，陳耀飛，劉鐵根，“帶有1微米波段光纖光柵的高功率鉺鐿共摻光纖放大器，”國家發(fā)明專利，申請CN2015100634726,天津大學(xué)2015-02-06.(狀態(tài)：申請)

[3]韓群，姚蘊秩，劉芳超，陳耀飛，劉鐵根，“帶有1微米波段光纖光柵的高功率鉺鐿共摻光纖放大器，”國家發(fā)明專利，CN2015100634726,天津大學(xué)2015-02-06.(狀態(tài)：申請)。