钕钬镱三掺碲酸盐光纤的2.0μm波段低阈值单频光纤激光器制造技术

本发明专利技术公开钕钬镱三掺碲酸盐光纤的2.0μm波段低阈值单频光纤激光器。其包括单或双808 nm半导体激光泵浦源、宽带光纤布拉格光栅、窄带光纤布拉格光栅、增益光纤、毛细管封装材料、波分复用器、光隔离器、自动温度控制系统、光纤合束器。本发明专利技术利用钕钬镱三掺碲酸盐单模光纤中离子的高掺杂浓度，以及镱离子的能量传递桥梁作用，大大提高了钕离子向钬离子的能量传递效率，进而增加钬离子的发光强度，改善目前碲酸盐单模光纤激光器高激光阈值、低输出功率，结构复杂等问题；同时采用1‑9 cm短直腔结构，通过选择窄带光纤布拉格光栅的3 dB反射谱宽，确保在数厘米长的激光腔内只存在一个单纵模，实现2.0μm波段低阈值单频激光输出。

Nd: ytterbium three doped tellurite fiber 2 mo M band low threshold single frequency fiber laser

The invention discloses a Nd: YAG ytterbium three doped tellurite fiber 2 - M band low threshold single frequency fiber laser. It includes single or double 808 nm semiconductor laser pumping source, broadband fiber Bragg grating, narrowband fiber Bragg grating, gain fiber, capillary packaging material, wavelength division multiplexer, optical isolator, automatic temperature control system and fiber bundler. By using the high doping concentration of ions in Nd-Ho-Yb tri-doped tellurite single-mode fiber and the energy transfer bridge function of Yb ions, the energy transfer efficiency of Nd ions to Hol ions is greatly improved, the luminous intensity of Hol ions is increased, and the high laser threshold and low output power of current single-mode tellurite fiber laser are improved. By choosing the 3 dB reflection spectrum width of narrow-band fiber Bragg grating, we can ensure that only one single longitudinal mode exists in the laser cavity several centimeters long, and realize the output of 2.0 um-band low threshold single frequency laser with 1_9 cm short straight cavity structure.

【技术实现步骤摘要】
钕钬镱三掺碲酸盐光纤的2.0μm波段低阈值单频光纤激光器
本专利技术属于光纤及光纤激光器领域，尤其涉及一种钕钬镱三掺碲酸盐光纤的2.0μm波段低阈值单频光纤激光器。
技术介绍
光纤激光器属于一类新型的固体激光器，光纤充当其增益介质，具有好的光束品质、极高的可靠性，稳定性以及优异的散热性、小的体积等优点，被誉为第三代激光技术的典型代表。目前光纤激光器已经在制造、航空航天、化工、军事等众多领域中得到了广泛的应用。美国权威的市场调查公司StrategiesUnlimited预测，到2017年全球激光器的年度总收入将有望突破110亿美元大关。近年来CO2激光器年收入变化不大，而光纤激光器年收入则以10％以上的增长率增加，并且2015年的年收入要远高于其它种类的激光器。由此可见，光纤激光器在激光器领域中占据着主导地位。2.0μm波段光纤激光器在生物医疗、材料加工、人眼安全激光雷达、中红外激光泵浦源和中红外超连续谱产生等领域都有重要的应用，已成为国际上研究的热点。碲酸盐玻璃作为重金属氧化物玻璃的一种，相比其他常用玻璃基质，具有很多优势：①比石英玻璃、锗酸盐玻璃最大声子能量要低；②比氟化物玻璃化学稳定性和机械性能要好；③具有高的稀土离子溶解能力以及大的吸收和发射截面等。由此，采取碲酸盐玻璃作为2.0μm光纤激光器的基质材料越来越获得高度重视。稀土离子掺杂光纤激光器是一种典型的光纤激光器，被科研人员广泛进行研究。常用于稀土掺杂的离子有Nd3+、Yb3+、Tm3+、Ho3+、Er3+和Pr3+等离子。Tm3+和Ho3+离子可用于产生2.0μm波段的激光，激活离子Tm3+:3F4→3H6和Ho3+:5I7→5I8跃迁的受激发射可以产生2.0μm波段激光。如何在碲酸盐玻璃基质中获得低阈值、高功率、结构紧凑、体积小且结构简单的2.0μm波段激光输出成为当前研究的重点与难点。与Tm3+离子相比，Ho3+离子能实现更长波长的激光输出，同时，其激光上能级寿命要长于Tm3+离子，有利于降低激光阈值。然而，Ho3+离子缺少与商用高功率的808nm或976nm等半导体激光器激光波长相匹配的吸收带，因此不能利用其直接泵浦Ho3+离子实现2.0μm波段激光。为解决这个问题，在808nm或976nm波长附近具有强吸收带的稀土离子，如Yb3+、Tm3+和Er3+离子通常被用来充当Ho3+离子的敏化剂，从而实现2.0μm波段激光。然而，采取这些常用敏化离子所得到的2.0μm波段激光的阈值功率偏高，达260mW，斜率效率仅为3％，且单频激光最高输出功率偏小，仅为5mW，斜率效率也仅仅为3％(参见Li.K.etal.In-bandpumpingofTmdopedsinglemodetelluritecompositefibers.8982，89821M-1-89821-6(2014).(李科峰等，包层泵浦掺铥单纵模光纤激光器，国际光学工程学会会议，2014年第8982卷))，不利于形成低阈值、高功率、结构紧凑小体积的光纤激光器。因此，采取能量转换效率高的其他掺杂离子如Nd3+，以及Nd3+和Ho3+的能量传递桥梁Yb3+，以提高Nd3+向Ho3+的能量传递效率，从而降低激光阈值功率、缩短激光腔长度、提高2.0μm波段单频激光输出功率具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术中2.0μm波段碲酸盐单频光纤激光器存在的阈值高、功率低等不足，利用钕钬镱三掺碲酸盐单模光纤中离子的高掺杂浓度(掺杂浓度>1.5*1020ions/cm3)，以及镱离子的能量传递桥梁作用，大大提高了钕离子向钬离子的能量传递效率，进而增加钬离子的发光强度；此外，采用短直腔结构或窄线宽光纤光栅的选频作用，在泵浦光源的持续抽运下，可实现2.0μm波段低阈值窄线宽的单频激光输出。本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现。钕钬镱三掺碲酸盐光纤的2.0μm波段低阈值单频光纤激光器，其包括半导体激光泵浦源(1)、宽带光纤布拉格光栅(2)、窄带光纤布拉格光栅(3)、增益光纤(4)、毛细管封装材料(5)、波分复用器(6)、光隔离器(7)和自动温度控制系统(8)；其中波分复用器(6)的一端与窄带光纤布拉格光栅(3)的一端连接，窄带光纤布拉格光栅(3)的另一端经增益光纤(4)与宽带光纤布拉格光栅(2)的一端连接，波分复用器(6)的另一端与光纤隔离器(7)连接，增益光纤(4)、窄带光纤布拉格光栅(3)以及宽带光纤布拉格光栅(2)固定封装在自动温度控制系统中，增益光纤(4)固定于毛细管封装材料(5)内；半导体激光泵浦源(1)采用正向泵浦方式、反向泵浦方式或双向泵浦方式。进一步的，所述正向泵浦方式中，当为单个半导体激光泵浦源时，所述半导体激光泵浦源的泵浦光直接通过宽带光纤布拉格光栅(5)耦合进增益光纤(4)；当为双半导体激光泵浦源时，两个半导体激光泵浦源的泵浦光通过光纤合束器(9)合束后通过宽带光纤布拉格光栅(2)耦合进增益光纤(4)。进一步的，所述反向泵浦方式中，当为单个半导体激光泵浦源时，所述半导体激光泵浦源的尾纤连接波分复用器(6)的一端；当为双半导体激光泵浦源时，两个半导体激光泵浦源通过光纤合束器(9)合束后连接波分复用器(6)的一端。进一步的，所述双向泵浦方式中，一个半导体激光泵浦源的泵浦光直接通过宽带布拉格光栅(2)进入到增益光纤(4)中进行泵浦；另一个半导体激光泵浦源则通过波分复用器(6)和窄带光纤布拉格光栅(3)进入增益光纤(4)进行泵浦。进一步的，所述单频光纤激光器的谐振腔由宽带光纤布拉格光栅(2)、窄带光纤布拉格光栅(3)及增益光纤(4)构成；所述增益光纤(4)和窄带光纤布拉格光栅(3)以及宽带光纤布拉格光栅(2)之间是通过研磨抛光各自的光纤端面后直接对接耦合，或者通过光纤熔接机熔接耦合。进一步的，所述窄带光纤布拉格光栅(3)的中心反射波长为激光输出波长，反射谱宽小于0.1nm，中心波长反射率为15％-99％。进一步的，所述宽带光纤布拉格光栅(2)的反射谱宽大于0.1nm，对激光信号波长反射率大于90％，对泵浦光波长808nm透射率大于90％。进一步的，所述增益光纤(4)为1-9cm长的钕钬镱三掺碲酸盐单模光纤。进一步的，半导体激光泵浦源采用808nm半导体激光泵浦源。进一步的，所述钕钬镱三掺碲酸盐光纤的2.0μm波段低阈值单频光纤激光器的增益光纤为1-9cm长的钕钬镱三掺碲酸盐单模光纤，其纤芯组分为：60TeO2-30WO3-3ZnO–(7-x-y-z)La2O3-xNd2O3-yHo2O3-zYb2O3(mol％)，其中0.2≤x≤3，0.2≤y≤3，0.5≤z≤6，包层组分为：59TeO2-30WO3-3ZnO-(8-a)La2O3–aNa2O，0≤a≤2，纤芯直径为≤10μm。所述钕钬镱三掺碲酸盐光纤的2.0μm波段低阈值单频光纤激光器中采用的滤波片为长通滤波片，允许波长>1400nm或者波长>1200nm的光强通过。与现有的2.0μm碲酸盐光纤激光器相比，本专利技术具有如下优点和有益效果：本专利技术采用钕钬镱三掺的碲酸盐基质玻璃光纤，由于高浓度钕离子的掺入(掺杂浓度≥1.5*1020ions/cm3)以及镱离子的能量传递桥梁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.钕钬镱三掺碲酸盐光纤的2.0 μm波段低阈值单频光纤激光器，其特征在于包括半导体激光泵浦源（1）、宽带光纤布拉格光栅（2）、窄带光纤布拉格光栅（3）、增益光纤（4）、毛细管封装材料（5）、波分复用器（6）、光隔离器（7）和自动温度控制系统（8）；其中波分复用器（6）的一端与窄带光纤布拉格光栅（3）的一端连接，窄带光纤布拉格光栅（3）的另一端经增益光纤（4）与宽带光纤布拉格光栅（2）的一端连接，波分复用器（6）的另一端与光纤隔离器（7）连接，增益光纤（4）、窄带光纤布拉格光栅（3）以及宽带光纤布拉格光栅（2）固定封装在自动温度控制系统中， 增益光纤（4）固定于毛细管封装材料（5）内；半导体激光泵浦源（1）采用正向泵浦方式、反向泵浦方式或双向泵浦方式。

【技术特征摘要】
1.钕钬镱三掺碲酸盐光纤的2.0μm波段低阈值单频光纤激光器，其特征在于包括半导体激光泵浦源（1）、宽带光纤布拉格光栅（2）、窄带光纤布拉格光栅（3）、增益光纤（4）、毛细管封装材料（5）、波分复用器（6）、光隔离器（7）和自动温度控制系统（8）；其中波分复用器（6）的一端与窄带光纤布拉格光栅（3）的一端连接，窄带光纤布拉格光栅（3）的另一端经增益光纤（4）与宽带光纤布拉格光栅（2）的一端连接，波分复用器（6）的另一端与光纤隔离器（7）连接，增益光纤（4）、窄带光纤布拉格光栅（3）以及宽带光纤布拉格光栅（2）固定封装在自动温度控制系统中，增益光纤（4）固定于毛细管封装材料（5）内；半导体激光泵浦源（1）采用正向泵浦方式、反向泵浦方式或双向泵浦方式。2.根据权利要求1所述的钕钬镱三掺碲酸盐光纤的2.0μm波段低阈值单频光纤激光器，其特征在于所述正向泵浦方式中，当为单个半导体激光泵浦源时，所述半导体激光泵浦源的泵浦光直接通过宽带光纤布拉格光栅（5）耦合进增益光纤（4）；当为双半导体激光泵浦源时，两个半导体激光泵浦源的泵浦光通过光纤合束器（9）合束后通过宽带光纤布拉格光栅（2）耦合进增益光纤（4）。3.根据权利要求1所述的钕钬镱三掺碲酸盐光纤的2.0μm波段低阈值单频光纤激光器，其特征在于：所述反向泵浦方式中，当为单个半导体激光泵浦源时，所述半导体激光泵浦源的尾纤连接波分复用器（6）的一端；当为双半导体激光泵浦源时，两个半导体激光泵浦源通过光纤合束器（9）合束后连接波分复用器（6）的一端。4.根据权利要求1所述的钕钬镱三掺碲酸盐光纤的2.0μm波段低阈值单频光纤激光器，其特征在于：所述双向泵浦方式中，一个半导体激光泵浦源的泵浦光直接通过宽带布拉格光栅（2）进入到增益光纤（4）中进行泵浦；另一个半导体激光泵浦源则通过波分复用器（6）...

【专利技术属性】
技术研发人员：李丽秀，张勤远，王伟超，袁健，杨中民，徐善辉，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44