[發明專利]全光纖結構980nm波段復合腔單模光纖激光器

有效

• 申請號: 201310749840.3
• 申請日: 2013-12-31
• 公開（公告）號: CN103682965A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 曹澗秋;郭少鋒;劉瑩;王睿星;徐夢榮;黃值河;冷進勇;許曉軍;陳金寶;陸啟生
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: H01S3/067
• 分類號: H01S3/067;H01S3/091;H01S3/101
• 代理公司: 國防科技大學專利服務中心 43202
• 代理人: 郭敏

技術領域

本發明涉及一種光纖激光器，尤其涉及一種工作波段在980nm附近（970nm～985nm）的全光纖結構的復合腔單模光纖激光器。

背景技術

光纖激光器以其優良的散熱特性、良好的光束質量以及制作成本低、結構緊湊等優點，已成為激光器家族的新寵，得到了人們的廣泛關注。隨著光纖激光器技術的發展，功率水平不斷提高，其應用領域已從早期的光纖通信、傳感、測量等領域，逐漸拓展到激光打印、工業加工、醫療、軍事等領域。不過，盡管近年來光纖激光器的功率水平有了較大的提高，但是，仍然無法充分滿足某些領域（如工業加工、醫療、軍事等領域）的需求。因此，光纖激光器的功率水平仍然是制約光纖激光器應用的關鍵瓶頸因素，如何提升光纖激光器的功率水平仍然是現階段光纖激光器領域的研究熱點。

制約光纖激光器功率提升的因素是比較多的，比如：熱效應、非線性效應等，不過，在眾多制約因素當中，最為重要的因素之一就是泵浦光亮度的提升。現階段，常用的泵浦方案是利用980nm波段半導體激光器泵浦摻鐿光纖激光器，以實現高功率的激光輸出。不過，半導體激光器的亮度極限已經成為光纖激光器功率提升的關鍵制約因素。為了突破半導體激光器的亮度極限，人們開始考慮利用同波段的光纖激光器作為泵浦光源，來提升泵浦光源的亮度，980nm波段光纖激光器也因此受到了人們的廣泛關注。此外，980nm波段光纖激光器的另一個重要應用就是通過倍頻實現高亮度的490nm波段的藍光輸出，替代沉重的氬離子激光器。正是由于其潛在的應用價值，980nm波段的光纖激光器已成為光纖激光器領域的研究熱點之一。

目前，可用于980nm光纖激光器的增益光纖是摻鐿光纖，摻鐿光纖也是現階段高功率光纖激光器的首選增益光纖；但是，要實現高亮度980nm光纖激光器并不是一件容易的事情，這是由鐿離子的能級特性決定的。鐿離子的能級結構決定了980nm摻鐿光纖激光器是一個三能級激光器，具有較高的泵浦閾值，放大自發輻射效應也非常嚴重，如果激光器參數設計不當，很難實現980nm波段的激光輸出。英國南安普頓大學J.Nilsson等人對980nm摻鐿光纖激光器的研究表明：如何抑制放大自發輻射效應是構建980nm摻鐿光纖激光器的關鍵，而抑制放大自發輻射的有效手段，就是增加摻鐿光纖的纖芯包層比。不過，這又帶來了新的矛盾：首先，要提高泵浦光的功率，就需要較大的內包層尺寸，為了得到足以抑制放大自發輻射的纖芯包層比，纖芯尺寸也需要增加，而纖芯尺寸的增加又意味著模式的增加，光束質量及光束亮度也會隨之下降；反之，要保證良好的光束質量，纖芯就不能太大，包層的尺寸也要隨之減小，這又影響了泵浦光的耦合，限制了激光器輸出功率的提升。

現階段，980nm波段光纖激光器的構建方案（技術方案一）如圖1所示。該方案是空間光耦合方案，由半導體激光器1，準直透鏡2，3個二色鏡，2個透鏡，摻鐿光纖5，兩個反射鏡組成。半導體激光器1作為泵浦源，產生915nm的泵浦光，泵浦光經過準直透鏡2、第一二色鏡31和第一透鏡41耦合進摻鐿光纖5中，摻鐿光纖5中的泵浦光被鐿離子吸收，未被吸收的泵浦光經過第二透鏡42、第二二色鏡32和第一反射鏡61再次反向耦合進摻鐿光纖5中，以提高泵浦光的利用效率。980nm波段的信號光場在摻鐿光纖5中產生，第二反射鏡62和摻鐿光纖5的光纖端面7構成激光諧振腔；第一二色鏡31和第二二色鏡32用于將915nm的泵浦光與信號光場分離，第三二色鏡33將放大自發輻射（Amplified?spontaneous?emission，縮寫為ASE）光場分離出激光諧振腔，從而抑制放大自發輻射光場的產生。

該方案需要把自由空間的激光束耦合到摻鐿光纖5中，所以該方案采用的是空間光耦合結構，該結構主要有以下幾個方面的缺點：首先，光路調整精度要求高，這是由于光纖纖芯和包層的尺寸較小（微米量級），因此，要想將空間光束（毫米量級）耦合到光纖中，需要高精度的光路調解，如果調解稍有偏差，就會導致耦合效率的下降和損耗的增加，這無疑增加了光路的調解難度，正是由于過高的精度要求，現階段空間光束與光纖之間的耦合損耗很難控制到1dB以下；同時，過高的調解精度使得整個系統的狀態對于器件位置的變化比較敏感，從而導致激光器系統的穩定性下降，抗干擾能力較差；此外，由于空間光耦合結構中引入了大量的非光纖器件，使得整個激光器系統的體積較為龐大。