具有对称曲面反射镜的包层泵浦光纤激光器和光纤放大器制造技术

本发明专利技术提供一种具有对称曲面反射镜的包层泵浦光纤激光器和光纤放大器，在双包层光纤两端有对称曲面反射镜，其表面镀全反射金膜或介质膜、或对泵浦光增反和对信号光增透的双色介质膜。对称曲面反射镜为球面反射镜、双球面反射镜、抛物线形曲面反射镜或同时包含有内球面和外环上的抛物面。本发明专利技术可以改变泵浦光线的传输模式，促进螺旋光线转变成子午光线而被纤芯吸收，有效地提高泵浦效率，减小双包层光纤长度，消除寄生激光波长的产生，提高激光器和放大器的稳定性。同时，使输出光束在输出端面上的光斑直径增加一个数量级，从而降低输出端面上的能量密度达两个数量级，保护输出端面不会被烧坏。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种具有对称曲面反射镜的包层泵浦光纤激光器和光纤放大器，该类激光器和放大器可被用于激光工业加工、光纤通信、测试仪器、医疗设备和科学研究等领域。
技术介绍
双包层光纤是一种具有一个纤芯，两个包层(内包层和外包层)的特殊光纤；其纤芯很细(通常5-10微米)，其中掺有有源介质，如Er、Yb、Pr、Nd或其它稀土元素；内包层是直径较大(通常＞100微米)的多模光纤；外包层对光纤起保护作用，并对内包层中的光能量进行有效地限制，但其本身不传输光能量。在双包层光纤激光器和放大器中，信号光(激光或放大的光信号)在纤芯中以单模方式传输，而泵浦光在内包层中以多模方式传输。采用双包层有源光纤的激光器和放大器能够产生较大的功率(或能量)输出，这是因为泵浦光源(通常是大功率多模半导体激光器或半导体激光器阵列)的功率可以相对容易地耦合进较大芯径的内包层。然而，能够高效率地产生较大输出功率(或能量)的先决条件是这些耦合进内包层的泵浦光功率能有效地被有源纤芯吸收。在内包层中以多模方式传输的泵浦光包含有相当大数量的光传输模式，每一个模式沿着一特定的光线轨迹传输。这些光线分为子午光线和螺旋光线，子午光线与光纤轴相交或平行；而螺旋光线既不与光纤轴相交，也不于光纤轴平行，呈螺旋状绕着光纤轴前进。当某一特定的泵浦光线在其传输过程中与有源纤芯相交时，其功率就能够被有源纤芯部分吸收；如果光纤的长度足够长，多次相交的结果就使得该泵浦光线所携带的泵浦光功率逐渐转移到有源纤芯。但是，只有子午光线所携带的能量才能被吸收，螺旋光线所携带的能量不能被吸收。这些螺旋光线代表着内包层中的局部传输模式，相当一部分局部模式的存在，大大限制了光纤激光器和光纤放大器的光-光转换效率。为了使有源纤芯能够有效地吸收内包层中的泵浦光功率，解决的办法是制造各种特殊的双包层光纤，早期的办法是将有源纤芯置于偏离中心的位置(见美国专利#4815079)；近年来出现的办法是使得内包层截面具有各种不同的形状，如星状(见美国专利#5966491)，D形状(见美国专利#5864645)等。这些特殊形状的双包层光纤的共同特点就是内包层界面的对称性被打破，使其能够转变相当一部分的螺旋光线成为子午光线而被有源纤芯吸收。只要光纤具有足够的长度，泵浦光功率的吸收率可达90％。但存在的问题是这些光纤的制造程序较为复杂，需要较长的有源光纤才能有效地吸收泵浦光功率，而且即使有源光纤足够长，通常仍有10％左右的泵浦光功率不能被有源纤芯吸收。此外，在现行的包层泵浦光纤激光器和放大器中，输入端面经过解理或研磨、抛光制成后通常直接暴露于空气中、或者光纤端面上直接镀有透射激光波长或放大信号波长的增透膜、或者端面上利用胶粘工艺加上平面双色片。因为该类激光器或放大器通常有几瓦甚至近百瓦的功率输出，而输出端面上的纤芯仅有几微米的直径，端面上的功率密度(或能量密度)非常高，任何加工缺陷或杂物都会造成端面被高温烧坏，使得光纤激光器或放大器报废。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过在双包层光纤的两端加对称曲面镜，其表面镀有全反射金膜或全反射介质膜、或镀有对泵浦光增反和对信号光增透的双色介质膜。对称曲面镜能反射泵浦光功率而将其完全限制在内包层内，使其回到双包层光纤被重复利用，因而较短的有源光纤也能充分地吸收泵浦光功率；更重要的是对称曲面镜能够通过反射改变泵浦光线的传输模式，促进螺旋光线转变成子午光线而被有源纤芯吸收，所以有效地提高泵浦效率。本专利技术的另一目的是通过在双包层光纤的端面融接上对称曲面反射镜，使得输出光束在输出端面上的光斑直径增加一个数量级，从而相应地降低输出端面上的能量密度达两个数量级，保护输出端面不会被烧坏。本专利技术的另一目的是通过在双包层光纤的两端加对称曲面镜，提供一个附加的改善光纤激光器和放大器性能(如功率稳定性、效率等)的有效途经。例如，对称曲面反射镜的使用能有效地提高泵浦效率，因而缩短所需有源光纤的长度，有助于消除寄生激光波长的产生。本专利技术的技术方案本专利技术的具有对称曲面反射镜的包层泵浦光纤激光器和光纤放大器主要包括泵浦源、双包层光纤及其输入、输出端，在双包层光纤两端有对称曲面反射镜，曲面反射镜表面镀全反射金膜或全反射介质膜、或对泵浦光增反和对信号光增透的双色介质膜。所述的光纤激光器和光纤放大器，其对称曲面反射镜为球面反射镜。所述的光纤激光器和光纤放大器，其双包层有源光纤的端面离球面镜顶点的距离为R/2，这里球面镜半径R＝2b/tgα，其中2b为内包层直径，α为内包层最大发散角。所述的光纤激光器和光纤放大器，其对称曲面反射镜为双球面反射镜，双球面反射镜由内球面和外环球面组合而成，双包层有源光纤端面离外环球面镜半径顶点的距离为B/2，这里外环球面的半径B＝2b/tgα，内球面的半径A＝B/2，即纤芯正好位于内球面的球心。所述的光纤激光器和光纤放大器，其对称曲面反射镜为抛物线形曲面反射镜，双包层有源光纤端面位于抛物线形曲面反射镜的焦点处。所述的光纤激光器和光纤放大器，该曲面反射镜同时包含有内球面和外环上的抛物面，镀有对泵浦光增反和对信号光增透的双色介质膜，选择光纤端面位于内球面的球心与该曲面反射镜的顶点的位置0之中间。所述的光纤激光器，采用侧向泵浦，以光纤耦合输出的半导体激光二极管或二极管阵列为泵浦源，激光腔由双包层光纤和两端纤芯中的布拉格光栅、位于双包层光纤两端的球面反射镜构成，输出端的球面反射镜镀有双色介质膜，而另一端的球面反射镜镀有双色介质膜、全反射金膜或全反射介质膜。所述的光纤激光器，采用侧向泵浦，以光纤耦合输出的半导体激光二极管或二极管阵列为泵浦源，激光腔包括双包层光纤、输入端纤芯中的光纤布拉格光栅、输出端的双球面反射镜和输入端的球面反射镜构成，输出端的双球面反射镜是镀有双色介质膜的双球面反射镜，输入端的球面反射镜镀有双色介质膜、全反射金膜或全反射介质膜。所述的光纤放大器，采用侧向泵浦，以光纤耦合输出的半导体激光二极管或二极管阵列为泵浦源，放大区域由双包层光纤、双包层光纤两端的球面反射镜构成，球面反射镜均镀有对泵浦光增反和对信号光增透的双色介质膜，两端有耦合信号光的光学组件。本专利技术的优点 1.本专利技术通过在双包层光纤的两端加对称曲面镜，其表面镀全反射金膜或全反射介质膜、或对泵浦光增反和对信号光增透的双色介质膜。对称曲面镜能反射泵浦光功率而将其完全限制在内包层内，使其回到双包层光纤被重复利用，因而较短的有源光纤也能充分地吸收泵浦光功率；更重要的是对称曲面镜能够通过反射改变泵浦光线的传输模式，促进螺旋光线转变成子午光线而被有源纤芯吸收，所以有效地提高泵浦效率。2.本专利技术是通过在双包层光纤的端面融接上对称曲面反射镜，使得输出光束在球面上的直径增加一个数量级，从而相应地降低输出端面上的能量密度达两个数量级，保护输出端面不会被烧坏。3.本专利技术通过在双包层光纤的两端加对称曲面镜，提供一个附加的改善光纤激光器和放大器性能(如功率稳定性、效率等)的有效途经。例如，对称曲面反射镜的使用能有效地提高泵浦效率，因而缩短所需有源光纤的长度，有助于消除寄生激光波长的产生。4.双球面反射镜外环球面镜的功能与单球面完全相同，用于反射泵浦光和改变泵浦光模式。对于内球面而言，由纤芯从端面发射出的信号光经内球面反射后，能高效本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有对称曲面反射镜的包层泵浦光纤激光器和光纤放大器，主要包括泵浦源、双包层光纤及其输入、输出端，其特征是在双包层光纤两端有对称曲面反射镜，曲面反射镜表面镀全反射金膜或全反射介质膜、或对泵浦光增反和对信号光增透的双色介质膜。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：樊承钧，向清，
申请(专利权)人：樊承钧，向清，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]