[發明專利]基于光纖光柵反饋的半導體光纖耦合單模激光器

有效

• 申請號: 202011245690.9
• 申請日: 2020-11-10
• 公開（公告）號: CN112332206B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 張維;王洋洋;周勇;馬曉輝;方文壇;高偉清;趙晨陽;王飛梅;金嘉盛;王玲
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: H01S3/067
• 分類號: H01S3/067;H01S3/082
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 盧敏

本發明公開了基于光纖光柵反饋的半導體光纖耦合單模激光器，其具體裝置結構包括電流泵浦源、多模半導體激光芯片、準直耦合系統及少模光纖，在多模半導體激光芯片的前端面設置有減反膜，在少模光纖上刻寫有布拉格光纖光柵，多模半導體激光芯片在電流泵浦源的激勵下產生基模和高階模式光束，經過減反膜和準直耦合系統進入少模光纖，其中的高階模式經過布拉格光纖光柵反射回多模半導體激光芯片繼續參與運轉諧振，而基模光束透過布拉格光纖光柵輸出。本發明制作的激光器可以實現高功率的基模光束輸出，在激光加工、光放大、光通信等應用領域有顯著優勢。

技術領域

本發明涉及激光器的技術領域，特別涉及光纖耦合半導體激光器的實現方法。

背景技術

隨著光纖激光器技術的飛速發展，主流的光纖激光器產品中，單基模光纖耦合半導體激光器大都為中小功率，而高功率產品多為多模激光器。單基模激光能量集中，光束質量大大優于多模激光。例如激光焊接中的深熔焊，單模激光得到的小孔更小、更深，孔內壓力更大更穩定，相同功率的單模激光焊接更有優勢，而且合理利用單模激光，可以有效地提高加工能力或效率。再例如激光放大領域，多模泵浦需要配合雙包層光纖才可以實現有效泵浦，信號光模式純度下降，光纖熱管理結構復雜。因此應對市場的需求，近些年來也在不斷提高單基模光纖耦合半導體激光功率，但是由于半導體解理面積較小，電流耐受較小，輸出功率受限。而基于多模激光腔外轉換為單基模激光的技術方案則由于模式間相位隨機性及模式不匹配等因素導致耦合效率下降，激光輸出功率不穩定。

發明內容

基于上述現有技術所存在的不足之處，本發明提供一種基于光纖光柵反饋的半導體光纖耦合單模激光器，旨在利用布拉格光纖光柵將高階模式激光反射回半導體激光芯片繼續參與諧振，選擇性透過基模光束，從而實現光纖中高功率的單基模激光輸出。

本發明為實現發明目的，采用如下技術方案：

所述激光器的裝置由電流泵浦源(Pump Current)、多模半導體激光芯片(Multi-mode Semiconductor Laser Chip)、準直耦合系統及少模光纖(Few Mode Fiber)組成；在所述多模半導體激光芯片的前端面(Front Facet)設置有減反膜(AR Film)；在所述少模光纖上刻寫有布拉格光纖光柵(Bragg Grating)。

所述激光器的運轉過程為：所述電流泵浦源為多模半導體激光芯片提供增益，產生基模激光信號和高階模式激光信號，經由多模半導體激光芯片前端面的減反膜和準直耦合系統進入到少模光纖中；少模光纖上刻寫的特定周期的布拉格光纖光柵將其中的高階模式激光反射回多模半導體激光芯片繼續參與運轉諧振，基模激光則直接透過布拉格光纖光柵輸出。

由于多模半導體激光芯片增益介質較長，半導體解理面積較大，可以耐受較大泵浦電流，因此可以實現在大電流泵浦下的高功率基模激光直接輸出。該儀器裝置設計充分利用了布拉格光柵的選模特性，充分利用了泵浦源輸出的各種高階模，得到更高功率的基模激光。

進一步的，激光器的諧振波長由多模半導體激光芯片后端面刻蝕形成的半導體布拉格反射光柵決定。

進一步的，針對激光器諧振波長λ的高階模式激光反射，對應的布拉格光纖光柵的周期Λ＝λ/2n_eff，其中n_eff為該高階模式激光在少模光纖中的有效折射率。

進一步的，準直耦合系統由透鏡L1和透鏡L2組成，為滿足最大耦合效率，兩透鏡焦距和數值孔徑應與多模半導體激光芯片及少模光纖匹配：透鏡L1數值孔徑應大于多模半導體激光芯片數值孔徑，透鏡L2數值孔徑應大于少模光纖數值孔徑，透鏡L1和透鏡L2的焦距比值應滿足f₁/f₂＝d₁/d₂，其中d₁和d₂分別為多模半導體激光器芯片和少模光纖中的激光光斑直徑。