一种大功率光纤基单频脉冲激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种大功率光纤基单频脉冲激光器，包括泵浦源、合束器、宽带光纤光栅、热电制冷器TEC、输入准直器、非线性晶体、温控炉、输出准直器、高增益掺镱光纤、窄带保偏光纤光栅、PZT压电陶瓷、二色镜。本发明专利技术基于短线性腔调Q方式和内腔倍频结构，可以实现波长960~980nm、单一纵模（单频）基频激光。通过两个热电制冷器TEC进行分段温度调节，以及PZT压电陶瓷进行伸缩来精确操控光纤光栅对的波长匹配状态，可以调制谐振腔内损耗，继而实现调Q单频脉冲基频激光输出；再者，通过将厘米长度非线性晶体和内腔倍频结构，提高倍频蓝光的谐波转换效率与输出功率，最终实现基于光纤形式的单频脉冲激光输出。

High power fiber base single frequency pulse laser

The invention discloses a high power fiber based single frequency pulse laser pumping source, beam combiner, broadband fiber grating, thermoelectric cooler TEC, input collimator, nonlinear crystal, furnace temperature control, output collimator, high gain narrowband ytterbium doped fiber, polarization maintaining fiber grating, PZT piezoelectric ceramics, two color mirror. Based on the Q mode and the intracavity frequency doubling structure, the invention can realize the wavelength 960~980nm, single longitudinal mode (single frequency) fundamental frequency laser. Section temperature regulation through two thermoelectric cooler TEC, and expansion of PZT piezoelectric ceramics to precisely control the wavelength of optical fiber grating on the matching state, the cavity loss can be modulated, and then realize the Q single frequency laser output pulse frequency; furthermore, the length of the cm and the intracavity frequency doubling of nonlinear crystal structure, improve the frequency doubling blue the conversion efficiency and output power, finally realizes the single frequency pulse laser output based on fiber form.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤激光器，尤其是基于厘米量级短线性腔和内腔倍频结构，用PZT压电陶瓷电致伸缩和热电制冷器TEC分段温控进行调Q的单频蓝光脉冲激光器。
技术介绍
单频光纤激光器可以运转在单一纵模状态，不仅具有一般光纤激光器的散热好、效率高、结构紧凑等特征，而且具有输出光谱线宽窄、噪声低、阈值低等优点。然而，在短波段（< 0.8µm）缺乏增益介质能够直接产生激光的情况下，二次谐波产生（SHG）倍频是获得短波段激光光源的有效手段。尤其是倍频980nm单模激光可以获得光数据存储、彩色显示、海底成像、水下通信等诸多领域亟需的490nm蓝光。通常对于倍频过程而言，采用脉冲基频光（即增加基频光峰值功率）或者将非线性晶体置于基频激光谐振腔内进行倍频转换，可以提高其谐波转换效率与输出功率。当前研究蓝光激光主要基于外腔倍频结构，采用谱宽相对较宽（GHz量级）传统固体激光器或者光纤激光器作为基频光源进行倍频，但系统结构较复杂、稳定性较差、谐波转换效率较低。如Zou等人采用946nm掺Nd:YAG晶体激光器泵浦掺镱光纤来获得1.32W、980nm基频光，然后利用硼酸铋（BIBO）晶体和外腔倍频结构，实现了15mW、490nm连续蓝光输出[Appl.Phys.B,2009,95:685]。此外，Creeden等人采用1946nm脉冲光纤激光器和两块周期极化铌酸锂（PPLN）晶体，利用外腔倍频结构，实现了2W脉冲蓝光输出[Proc. of SPIE,2015,9728:972829]，其转换效率约16%。相关的专利有：（1）2013年，山东海富光子科技股份有限公司申请了单频脉冲蓝光光源的专利[公开号：CN 103545702A]，利用压电元件周期性按压增益光纤调制978nm基频光的偏振方向进行调Q，将非线性晶体置于谐振腔外，实现了外腔倍频单频脉冲蓝光激光输出，但其所要求的蓝光激光器并未具有全光纤化特性，且结构较复杂。（2）2015年，中国科学院半导体研究所申请了可调谐蓝光激光装置的专利[公开号：CN 105428986A]，利用808nm半导体激光器倍频扇形极化周期晶体，实现了可调谐的倍频蓝光激光输出，但是其所要求的蓝光激光器并未具有单频和脉冲输出特性。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术的缺点，提供一种基于光纤形式、以及在谐振腔内产生高效率的大功率光纤基单频脉冲激光器。本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。一种大功率光纤基单频脉冲激光器，包括泵浦源、合束器、宽带光纤光栅、第一热电制冷器TEC、输入准直器、非线性晶体、温控炉（如微型精密温控炉）、输出准直器、高增益掺镱光纤、窄带保偏光纤光栅、PZT压电陶瓷、第二热电制冷器TEC、二色镜。各部件之间的结构关系是：其中所述的泵浦源的尾纤与合束器的泵浦输入端连接，合束器的信号输出端与宽带光纤光栅连接，宽带光纤光栅经输入准直器与非线性晶体的一端连接，非线性晶体的另一端经输出准直器与高增益掺镱光纤的一端连接，高增益掺镱光纤的另一端与窄带保偏光纤光栅的一端连接，窄带保偏光纤光栅的另一端与二色镜连接。其中第一热电制冷器TEC和TEC 2分别固定在宽带光纤光栅、窄带保偏光纤光栅的侧面；PZT压电陶瓷固定在窄带保偏光纤光栅的侧面。所述的泵浦源是波长范围为900~930nm的半导体激光器、光纤激光器或者其它固态激光器，为单横模或者多横模输出，其具体泵浦波长根据掺杂稀土离子类型和能级结构进行相应的选择。所述的宽带光纤光栅对泵浦光900~930nm波长高透，透射率在70％~99.9%之间；对基频激光960~980nm和蓝光波长两者都是高反，反射率在70~99.9%之间，其3dB反射谱宽为0.01~20nm。所述的输入准直器和输出准直器为超短焦距类型，焦距为0.5~5cm，对基频、蓝光激光起到准直、耦合的作用。所述的非线性晶体为周期极化铌酸锂（LiNbO3）或钽酸锂（LiTaO3）晶体，其形状为块体或波导型结构，使用长度为0.5~5cm。所述的高增益掺镱光纤为双包层结构，其在960~980nm波长处的增益大于1dB/cm；其具体使用长度根据激光输出功率、单纵模状态、窄带保偏光纤光栅的反射谱等进行选择，一般使用长度为0.2~20cm。所述的窄带保偏光纤光栅对基频激光960~980nm和蓝光波长两者都是部分反射，两者中心波长处的反射率在10~80%之间，其3dB反射谱宽为0.01~1nm。所述的PZT压电陶瓷固定在窄带保偏光纤光栅的侧面，对PZT压电陶瓷施加偏置电压信号实现伸缩，继而对窄带保偏光纤光栅的中心波长进行调节与控制。所述的二色镜对脉冲蓝光波长高透，透射率大于90%，对基频激光960~980nm和泵浦光900~930nm波段都是高反，反射率大于90%。本专利技术采用短直腔和内腔倍频结构，由宽带光纤光栅、厘米长度高增益掺镱光纤和窄带保偏光纤光栅构成激光谐振腔。其中使用高掺杂和高增益特性的掺镱双包层光纤作为激光介质材料，利用宽带光纤光栅和窄带保偏光纤光栅的选频作用，通过设计窄带保偏光纤光栅的反射谱宽和控制谐振腔的腔长，在泵浦源的持续抽运下，能在激光谐振腔中产生受激单频960~980nm基频激光。由于光纤光栅对的中心波长受到温度、应力的影响，因此利用置于光纤光栅上面的热电制冷器TEC和PZT压电陶瓷元件来精确操控光纤光栅对的波长匹配状态，进而对激光谐振腔内的损耗进行调制。首先第二热电制冷器TEC对窄带保偏光纤光栅进行温度调节，改变窄带保偏光纤光栅的中心波长，使其与宽带光纤光栅的反射谱产生不匹配状态。其次当PZT压电陶瓷上面没有加载信号，以及通过第一热电制冷器TEC对宽带光纤光栅进行温度调节，改变宽带光纤光栅的波长范围和漂移方向，进一步加剧窄带保偏光纤光栅中心波长跟宽带光栅反射谱的不匹配程度，从而不会产生基频激光激射。再次当PZT压电陶瓷上面加载了适当信号之后，使得窄带保偏光纤光栅的中心波长与宽带光纤光栅的反射谱出现相应的匹配，因而在谐振腔内形成激光振荡。当加载一个周期性信号在PZT压电陶瓷上面，就可以得到调Q脉冲基频激光输出。特别是将非线性晶体置于基频激光谐振腔内来进行倍频，腔内同时存在单频基频脉冲激光、非线性二次谐波产生过程，可以实现结构紧凑、高转换效率的单频蓝光脉冲激光输出。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和技术效果：本专利技术分别将厘米量级高增益掺镱光纤、非线性晶体用作激光工作介质和内腔倍频介质。单频基频激光谐振腔由高增益掺镱光纤、宽带光纤光栅、窄带保偏光纤光栅一起组成，其中宽带光纤光栅和窄带保偏光纤光栅作为前后腔镜。在泵浦源的连续激励下，纤芯中的掺镱发光离子发生粒子数反转，产生受激辐射；通过设计与制作窄带保偏光纤光栅的反射谱宽，以及控制整个谐振腔的腔长，可以产生波长960~980nm单频基频激光。一方面利用光纤光栅的中心波长受到温度、应力影响的特点，首先通过第二热电制冷器TEC对窄带保偏光纤光栅进行温度调节，改变窄带保偏光纤光栅的中心波长，使其与宽带光纤光栅的反射谱出现不匹配状态；然后通过第一热电制冷器TEC对宽带光纤光栅进行温度调节，改变宽带光纤光栅的波长范围和漂移方向，进一步增加窄带保偏光纤光栅中心波长与宽带光纤光栅反射谱产生不匹配的程度，从而不会起振输出基频激光。另一方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大功率光纤基单频脉冲激光器，包括泵浦源（1），其特征在于还包括合束器（2）、宽带光纤光栅（3）、第一热电制冷器TEC（4）、输入准直器（5）、非线性晶体（6）、温控炉（7）、输出准直器（8）、高增益掺镱光纤（9）、窄带保偏光纤光栅（10）、PZT压电陶瓷（11）、第二热电制冷器TEC（12）、二色镜（13）；其中泵浦源（1）的尾纤与合束器（2）的泵浦输入端连接，合束器（2）的信号输出端与宽带光纤光栅（3）连接，宽带光纤光栅（3）经输入准直器（5）与非线性晶体（6）的一端连接，非线性晶体（6）的另一端经输出准直器（8）与高增益掺镱光纤（9）的一端连接，高增益掺镱光纤（9）的另一端与窄带保偏光纤光栅（10）的一端连接，窄带保偏光纤光栅（10）的另一端与二色镜（13）连接；其中第一热电制冷器TEC（4）、第二热电制冷器TEC（12）分别固定在宽带光纤光栅（3）和窄带保偏光纤光栅（10）上，非线性晶体（6）固定在温控炉（7）上，PZT压电陶瓷（11）固定在窄带保偏光纤光栅（10）上；所述的输入准直器（5）和输出准直器（8）为超短焦距，焦距为0.5~5cm；所述的非线性晶体（6）为周期极化铌酸锂（LiNbO3）或钽酸锂（LiTaO3）晶体，其形状为块体或波导型结构，使用长度为0.5~5cm；所述的高增益掺镱光纤（9）为双包层结构，其在960~980nm波长处的增益系数大于1dB/cm，使用长度为0.2~20cm；所述的二色镜（13）对脉冲蓝光波长高透，透射率大于90%，对基频激光960~980nm和泵浦光900~930nm波段都是高反，反射率大于90%。...

【技术特征摘要】
1.一种大功率光纤基单频脉冲激光器，包括泵浦源（1），其特征在于还包括合束器（2）、宽带光纤光栅（3）、第一热电制冷器TEC（4）、输入准直器（5）、非线性晶体（6）、温控炉（7）、输出准直器（8）、高增益掺镱光纤（9）、窄带保偏光纤光栅（10）、PZT压电陶瓷（11）、第二热电制冷器TEC（12）、二色镜（13）；其中泵浦源（1）的尾纤与合束器（2）的泵浦输入端连接，合束器（2）的信号输出端与宽带光纤光栅（3）连接，宽带光纤光栅（3）经输入准直器（5）与非线性晶体（6）的一端连接，非线性晶体（6）的另一端经输出准直器（8）与高增益掺镱光纤（9）的一端连接，高增益掺镱光纤（9）的另一端与窄带保偏光纤光栅（10）的一端连接，窄带保偏光纤光栅（10）的另一端与二色镜（13）连接；其中第一热电制冷器TEC（4）、第二热电制冷器TEC（12）分别固定在宽带光纤光栅（3）和窄带保偏光纤光栅（10）上，非线性晶体（6）固定在温控炉（7）上，PZT压电陶瓷（11）固定在窄带保偏光纤光栅（10）上；所述的输入准直器（5）和输出准直器（8）为超短焦距，焦距为0.5~5cm；所述的非线性晶体（6）为周期极化铌酸锂（LiNbO3）或钽酸锂（LiTaO3）晶体，其形状为块体或波导型结构，使用长度为0.5~5cm；所述的高...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨海林，
申请(专利权)人：杨海林，
类型：发明
国别省市：广东;44