[发明专利]全光纤结构980nm波段复合腔单模光纤激光器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤激光器，尤其涉及一种工作波段在980nm附近（970nm～985nm）的全光纤结构的复合腔单模光纤激光器。

背景技术

光纤激光器以其优良的散热特性、良好的光束质量以及制作成本低、结构紧凑等优点，已成为激光器家族的新宠，得到了人们的广泛关注。随着光纤激光器技术的发展，功率水平不断提高，其应用领域已从早期的光纤通信、传感、测量等领域，逐渐拓展到激光打印、工业加工、医疗、军事等领域。不过，尽管近年来光纤激光器的功率水平有了较大的提高，但是，仍然无法充分满足某些领域（如工业加工、医疗、军事等领域）的需求。因此，光纤激光器的功率水平仍然是制约光纤激光器应用的关键瓶颈因素，如何提升光纤激光器的功率水平仍然是现阶段光纤激光器领域的研究热点。

制约光纤激光器功率提升的因素是比较多的，比如：热效应、非线性效应等，不过，在众多制约因素当中，最为重要的因素之一就是泵浦光亮度的提升。现阶段，常用的泵浦方案是利用980nm波段半导体激光器泵浦掺镱光纤激光器，以实现高功率的激光输出。不过，半导体激光器的亮度极限已经成为光纤激光器功率提升的关键制约因素。为了突破半导体激光器的亮度极限，人们开始考虑利用同波段的光纤激光器作为泵浦光源，来提升泵浦光源的亮度，980nm波段光纤激光器也因此受到了人们的广泛关注。此外，980nm波段光纤激光器的另一个重要应用就是通过倍频实现高亮度的490nm波段的蓝光输出，替代沉重的氩离子激光器。正是由于其潜在的应用价值，980nm波段的光纤激光器已成为光纤激光器领域的研究热点之一。

目前，可用于980nm光纤激光器的增益光纤是掺镱光纤，掺镱光纤也是现阶段高功率光纤激光器的首选增益光纤；但是，要实现高亮度980nm光纤激光器并不是一件容易的事情，这是由镱离子的能级特性决定的。镱离子的能级结构决定了980nm掺镱光纤激光器是一个三能级激光器，具有较高的泵浦阈值，放大自发辐射效应也非常严重，如果激光器参数设计不当，很难实现980nm波段的激光输出。英国南安普顿大学J.Nilsson等人对980nm掺镱光纤激光器的研究表明：如何抑制放大自发辐射效应是构建980nm掺镱光纤激光器的关键，而抑制放大自发辐射的有效手段，就是增加掺镱光纤的纤芯包层比。不过，这又带来了新的矛盾：首先，要提高泵浦光的功率，就需要较大的内包层尺寸，为了得到足以抑制放大自发辐射的纤芯包层比，纤芯尺寸也需要增加，而纤芯尺寸的增加又意味着模式的增加，光束质量及光束亮度也会随之下降；反之，要保证良好的光束质量，纤芯就不能太大，包层的尺寸也要随之减小，这又影响了泵浦光的耦合，限制了激光器输出功率的提升。

现阶段，980nm波段光纤激光器的构建方案（技术方案一）如图1所示。该方案是空间光耦合方案，由半导体激光器1，准直透镜2，3个二色镜，2个透镜，掺镱光纤5，两个反射镜组成。半导体激光器1作为泵浦源，产生915nm的泵浦光，泵浦光经过准直透镜2、第一二色镜31和第一透镜41耦合进掺镱光纤5中，掺镱光纤5中的泵浦光被镱离子吸收，未被吸收的泵浦光经过第二透镜42、第二二色镜32和第一反射镜61再次反向耦合进掺镱光纤5中，以提高泵浦光的利用效率。980nm波段的信号光场在掺镱光纤5中产生，第二反射镜62和掺镱光纤5的光纤端面7构成激光谐振腔；第一二色镜31和第二二色镜32用于将915nm的泵浦光与信号光场分离，第三二色镜33将放大自发辐射（Amplified spontaneous emission，缩写为ASE）光场分离出激光谐振腔，从而抑制放大自发辐射光场的产生。

该方案需要把自由空间的激光束耦合到掺镱光纤5中，所以该方案采用的是空间光耦合结构，该结构主要有以下几个方面的缺点：首先，光路调整精度要求高，这是由于光纤纤芯和包层的尺寸较小（微米量级），因此，要想将空间光束（毫米量级）耦合到光纤中，需要高精度的光路调解，如果调解稍有偏差，就会导致耦合效率的下降和损耗的增加，这无疑增加了光路的调解难度，正是由于过高的精度要求，现阶段空间光束与光纤之间的耦合损耗很难控制到1dB以下；同时，过高的调解精度使得整个系统的状态对于器件位置的变化比较敏感，从而导致激光器系统的稳定性下降，抗干扰能力较差；此外，由于空间光耦合结构中引入了大量的非光纤器件，使得整个激光器系统的体积较为庞大。