[发明专利]具有1.02-1.06μm包层泵浦方案的大功率镱：铒（Yb:Er）光纤激光器系统

说明书

一种光纤激光器，配置有：双包层光纤，其具有掺杂铒(Er⁺³)和镱(Yb⁺³)的离子的纤芯。至少两个间隔开的高反射镜和低反射镜，位于纤芯的侧面并在它们之间限定谐振腔。光纤激光器还包括泵浦激光器，该泵浦激光器输出波长范围在1.02‑1.06μm内的光并耦合到掺Yb:Er的双包层光纤中。一种光纤放大器包括：双包层光纤，其纤芯掺杂有铒(Er⁺³)和镱(Yb⁺³)的离子；以及泵浦激光器，生成在1.02‑1.06μm波长范围内的泵浦波长的辐射；泵浦激光器，输出在1.02‑1.06μm波长范围内的光且所述光被耦合到掺Yb:Er的双包层光纤中。所公开的光纤激光器和光纤放大器在1μm波长范围内的激光阈值均比在9xxnm泵浦波长进行操作的已知原理的阈值高得多。

技术领域

本公开涉及一种大功率Yb:Er光纤激光器系统，其抑制在1微米 (nm)的波长范围内的Yb激光的发生。特别地，本发明涉及 1020-1060nm的波长范围内的基于Yb:Er掺杂光纤的大功率光纤振荡器和放大器，其中该Yb:Er掺杂光纤被包层泵浦。

背景技术

对在1.5-1.6μm波长范围内进行操作的大功率、实用且低成本的掺铒(Er)的双包层光纤激光器系统存在需求。该波长范围内的激光操作是有吸引力的，原因如下：它非常适合用于对铥(Tm)激光器系统、中红外参数放大器和振荡器进行泵浦；此外，它具有低光纤损耗，使得大功率Er激光器在许多科学和工程应用中具有极大的优势。

Er中最常见的激光跃迁集中在1550nm附近。基于Er的激光器系统的绝大多数泵浦装置在980nm泵浦波长附近进行操作，并且在 Er光纤系统中得到了广泛利用。然而，在9xxnm波长范围进行泵浦的Er光纤器件可能没有足够的功率来满足日益增长的工业需求。限制Er光纤器件的功率缩放的主要原因是缺少大功率单模(SM)能量源。通常，已知的SM能量源是基于功率不超过2-3W的二极管激光器的。另一限制源于Er离子掺杂浓度由于如下原因而相对较低的事实。首先，在高Er浓度下，发光可能会通过由于Er离子与OH-之间的相互作用而引起的能量转移过程猝灭。其次，众所周知的“浓度猝灭”过程，在该过程中，通过静电的偶极-偶极相互作用而使Er离子去激励。这种现象导致效率降低和增益减小。此外，如果施加较大的泵浦功率，则会发生另一协作上转换过程，这会导致非常不期望的光暗化而使光纤劣化。

共掺杂的Er⁺³与Yb⁺³(其中Yb⁺³作为敏化剂)已被用于规避Er 光纤中的相对较低的泵浦吸收，从而增大了Er激光器和Er放大器的功率缩放。如图2中所示，对于石英光纤，Yb离子具有简单的电子结构，其仅具有高于基态的一个亚稳态、宽吸收光谱、以及较大的吸收和发射截面。与Er不同，Yb可以以高掺杂浓度使用且通常以高掺杂浓度使用，从而允许大功率MM二极管激光器利用包层泵浦方案。原则上，泵浦可以在910nm至1064nm的宽波长范围内进行。大吸收截面(特别是在976nm下的大吸收截面)可以实现高泵浦吸收，从而导致较短的光纤长度。

图3示出了配置有Er激光器10的大功率光纤系统的典型示意图， Er激光器具有Yb:Er共掺的双包层(DC)光纤12，该Yb:Er共掺的双包层光纤被置于在高反射镜与低反射镜15之间限定的光学谐振器内。基于二极管激光器的泵浦源14在9xx nm波长处对Yb:Er激光器进行双向侧向泵浦。在操作中，泵浦光被发射并被限制在内包层中，并且在空间上与光纤12的纤芯重叠。Yb⁺³离子在光纤12的整个长度上吸收泵浦光子，同时将其能量谐振地转移到Er⁺³离子。光纤12是磷硅酸盐玻璃，磷硅酸盐玻璃由于其较大的发射截面而被认为是 Yb³⁺Er³⁺共掺系统的优良基质。磷酸盐基质中的较大光子能量增加了用于期望弛豫的跃迁概率，这阻止了能量从Er⁺³转移回到Yb⁺³。而且， Yb发射光谱与Er吸收光谱之间的光谱重叠很大，在磷硅酸盐光纤中的从Yb³⁺到Er³⁺的能量转换效率可以达到95％。