[发明专利]掺钕光纤激光器泵浦的高功率掺镱光纤激光器的方法

说明书

技术领域

本发明属于光纤激光器技术领域，涉及高功率掺镱光纤激光器，特指一种利用掺钕光纤激光器泵浦掺镱光纤产生高功率激光的方法。 

背景技术

光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、热管理方便、结构紧凑等优点，能够获得高功率和高光束质量的激光输出。早期的光纤激光主要应用于通信和传感领域，并没有展现出高功率输出的能力。近年来，随着大模场双包层掺杂光纤制造工艺与和高亮度激光二极管泵浦技术的发展，单根光纤激光器的输出功率以惊人的速度迅速提高。由于半导体泵浦源技术成熟、量子亏损小等优势，高功率掺镱光纤激光器成为光纤激光器领域重点研究内容。1999年，掺镱光纤激光器的单模输出功率达到110 瓦，彻底改变了光纤激光器只是小功率器件的历史。近10 年来，单根掺镱光纤激光器的单模输出功率几乎每隔两年就翻一番，不断地给人们带来惊喜。光纤激光器具有的独特优势使其在远程焊接、三维切割、激光打标等工业领域得到了广泛的应用。在国防领域，光纤激光器的独特优势也使其成为战术高能激光系统的重要光源。 

在光纤激光器的设计研究过程中，通过选择发射波长和光纤吸收特性相匹配的半导体激光器为泵浦源，可以实现比较高的激光转换效率。对于掺镱双包层光纤，一般选择输出中心波长为915nm或975nm的高功率半导体激光器作为泵浦源，目前千瓦级高功率光纤激光器大都基于此实现。然而进一步深入研究不难发现，自从2004 年南安普顿大学首次报道了1.36 千瓦高功率光纤激光输出的结果后，近7 年来，大多数研究单位的掺镱光纤激光器的输出功率并没有得到显著提升（国内情况亦是如此），目前国际上采用半导体激光器泵浦掺镱双包层光纤获得的最大输出功率为2.1千瓦（国内目前最大功率1.75千瓦），国际上唯独有美国IPG 光子技术公司实现了3 千瓦及更高功率光纤激光输出。由于半导体激光器亮度有限，其他单位采用973至976nm半导体激光器泵浦的常规光纤激光器功率一直限制在千瓦水平；IPG光子技术公司能够研发最高功率光纤激光器的关键在于使用了光纤激光泵浦光纤激光（通常称之为二次泵浦）的方式，其泵浦光波长与发射波长更加接近。以该公司的单模万瓦级光纤激光器为例，其泵浦光波长为1018 nm，发射波长为1070nm（注：掺镱光纤的发射谱较宽，一般从1030 nm 到1120 nm，出射激光中心波长与选频器件的性能有关，此处仅以1070 nm 为例），量子损耗仅为5%，约为半导体激光器直接泵浦时的1/2，极大降低了光纤内的热载荷密度。1018 nm 泵浦光由半导体激光器泵浦掺镱光纤产生，其亮度为常规半导体激光器亮度的1000 倍以上。二次泵浦在热效应和泵浦光亮度的优势促使了IPG光子技术公司光纤激光器的飞速发展。 

值得指出的是，IPG光子技术公司的二次泵浦技术采用半导体激光器泵浦产生1018nm 光纤激光器，然后用1018nm 泵浦产生1070nm光纤激光器。然而常规掺镱光纤的发射谱峰值通常在1030nm 附近，吸收谱峰值通常在915nm或975nm附近。1018nm波长的发射截面远小于1030nm左右的发射截面，而吸收截面又远小于915nm或975nm附近的吸收截面，因此对构建激光器的掺镱光纤有较高的要求，需要对掺镱光纤进行特殊设计和拉制，对系统成本提出了较高要求。 

发明内容

为了解决当前二次泵浦技术对掺镱光纤的严格要求这一不足之处，本发明提出一种新型二次泵浦技术。其解决方案是：采用掺钕光纤激光器来泵浦掺镱光纤激光器。如图1所示，掺镱光纤在915 nm和975 nm附近有两个较强的吸收峰，因此目前大都采用中心波长在915 nm或者975 nm的半导体激光器来泵浦掺镱光纤。与1018 nm相比，掺镱光纤在920-960 nm附近的吸收系数要大的多，因此如果采用此波段的激光来泵浦掺镱光纤，对掺镱光纤的要求要比采用1018 nm激光泵浦的情形要低的多。如图2所示，掺钕光纤在920-960 nm附近有较强的发射截面。