一种高亮度高功率拉曼光子晶体光纤激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种高亮度高功率拉曼光子晶体光纤激光器，包括：泵浦源以及与所述泵浦源相连的拉曼增益介质；所述拉曼增益介质为全实心光子晶体光纤，呈长锥状，全实心长锥光子晶体光纤在整个锥区内连续等比例缩小、且在工作波长范围恒定满足双模运行条件，且粗端为输入端，细端为输出端；所述全实心光子晶体光纤由内向外依次包括：纤芯与包层，所述包层微结构包括高折射率基质材料与低折射率填充材料，所述填充材料填充在所述基质材料中并以二维最紧密正三角形晶格周期性排列；所述填充材料的微结构以所述纤芯的中心沿径向作同心圈排布，所述微结构的圈数为3

【技术实现步骤摘要】
一种高亮度高功率拉曼光子晶体光纤激光器


[0001]本专利技术涉及光纤激光器
，更具体涉及一种高亮度高功率拉曼光子晶体光纤激光器。

技术介绍

[0002]石英光纤具有可弯曲特性、极大的比表面积、近衍射极限光束质量的波导模式等特性，基于石英玻璃光纤的稀土掺杂光纤在近红外1
‑
2微米已经实现了千瓦乃至万瓦功率续运行的近单模激光输出。
[0003]在激光输出波长方面，由于稀土能级电子跃迁的特点，稀土掺杂光纤激光器的输出波长是离散且其增益带宽是有限的，即使在石英光纤损耗最低的1
‑
2微米波段内，也仅仅覆盖了1
‑
1.1微米、1.3
‑
1.4微米、1.5
‑
1.6微米、1.7
‑
2.1微米等几个区域。与此相反的，拉曼石英光纤激光器不依赖稀土元素掺杂，理论上可以在石英光纤的低损耗波段内实现任意波长的激光输出，因此是稀土掺杂光纤激光器不可替代的一种高功率光纤激光器。采用高功率稀土掺杂石英光纤激光器或高功率半导体激光器作为泵浦源，结合石英光纤的拉曼频移(约为440cm
‑1)，可以实现1.1
‑
1.3μm、1.6
‑
1.7μm和2.1
‑
2.5μm等特殊波长的石英光纤激光输出。
[0004]采用纤芯泵浦渐变折射率大芯径(典型芯径：50
‑
100微米)多模无源光纤的方法是在纯拉曼增益无源光纤中实现千瓦级高功率、高亮度、高光束质量拉曼光纤激光输出的重要途径之一。
[0005]根据光波导理论，在渐变折射率大芯径多模拉曼增益光纤中，泵浦光场的不同横模和产生的拉曼激光光场的不同横模在空间上的重合度存在显著的不同，导致不同横模获得泵浦能量分配存在较大差异，这种模式竞争的结果是拉曼激光光场中的基模比其他高阶横模获得显著较大的增益。具体的，Terry等的模拟仿真结果(Nathan B.Terry,Thomas G.Alley,and Timothy H.Russell,"An explanation of SRS beam cleanup in graded
‑
index fibers and the absence of SRS beam cleanup in step
‑
index fibers,"Opt.Express 15,17509
‑
17519(2007))表明：在随机耦合条件下，在渐变折射率大芯径多模拉曼增益光纤中，基模LP
01
的相对增益系数比其他高阶横模都要高；对应地，在阶跃型折射率大芯径多模拉曼增益光纤中，基模LP
01
的相对增益系数仅比几个最低的高阶横模高，而相对于更高阶的横模，这种竞争优势则是不确定的。根据这种“模式清洗”的作用，在渐变折射率大芯径多模拉曼增益光纤中，拉曼激光能量更多地集中于基模和其他低阶模式，从而有效地提升激光输出光束质量。
[0006]目前采用该方法实现千瓦级高功率拉曼激光输出的工作中，其激光输出光束质量因子M2不低于1.5，未达到理想的近衍射极限单模高光束质量(即M2≤1.1)。
[0007]要在大芯径非单模光纤中实现可控的高功率高亮度近衍射极限单模拉曼激光输出，需要在光纤谐振腔中引入一种横模模式的稳定机制，即确保在可预见的几个横模之间的竞争中，基模始终能够占据主导的优势地位，这种稳定机制能够确保模式清洗作用在千
瓦以上的高激光功率的条件下能够稳定起作用。
[0008]对于纤芯泵浦渐变折射率大芯径多模无源拉曼增益光纤这一技术手段，采用横模数较少、且其模式数可以稳定控制的少模无源拉曼增益光纤可以解决这个问题；优选的，双模无源拉曼增益光纤是一个可以接受的选择。但是，传统结构的多模无源光纤中，各个模式都存在特有的截止波长和临界芯径，无法同时既保持较大芯径来接收更大功率的泵浦激光、又保持较少的模式数；因此，提升拉曼激光输出功率和大幅度增加泵浦激光和拉曼激光的亮度差这两个目的是相互矛盾的；这束缚了基于传统结构的双模无源拉曼增益光纤的拉曼光纤激光器在高功率水平(尤其是千瓦级以上高功率水平上)功率的提升和亮度的提升的同时实现。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于公开一种高亮度高功率拉曼光子晶体光纤激光器，已解决上述技术问题，利用双模光纤支持的基模LP
01
和最低阶高阶模LP
11
的拉曼增益的差异，而导致发生主动模式清洗作用，最终实现高功率、高亮度、近衍射极限单模激光输出。
[0010]为实现上述目的，本专利技术提供了一种高亮度高功率拉曼光子晶体光纤激光器，包括：泵浦源以及与所述泵浦源相连的拉曼增益介质；
[0011]所述拉曼增益介质为全实心光子晶体光纤，呈长锥状，且粗端为输入端，细端为输出端，所述全实心光子晶体光纤由内向外依次包括：纤芯与位于纤芯外部的包层，所述包层的微结构包括高折射率基质材料与低折射率填充材料，所述填充材料填充在所述基质材料中并以二维最紧密正三角形晶格周期性排列；所述填充材料的微结构以所述纤芯的中心沿径向作同心圈排布，所述填充材料的微结构的圈数为3
‑
5圈；
[0012]所述填充材料与所述基质材料的折射率差为0.5％
‑
5.0％；
[0013]所述填充材料的微结构横截面直径d和相邻微结构的间距Λ之比为0.50
‑
0.60；
[0014]所述光纤激光器的工作波长λ范围为0.4
‑
2.5μm，所述全实心光子晶体光纤在所述工作波长内仅支持双横模运作；
[0015]所述长锥全实心光子晶体光纤从输入端至所述输出端的微结构参数满足D
core
＝2Λ
‑
d，且Λ、d以及D
core
等比例连续缩小，缩小比范围为1.05
‑
10.0；
[0016]所述输入端纤芯的芯径D
core
为20
‑
200μm；
[0017]所述输出端纤芯的芯径D
core
’
为7
‑
150μm；
[0018]所述全实心光子晶体光纤的锥度小于光纤纤芯的数值孔径，理想的，锥度范围为10
‑7‑
10
‑5/米；
[0019]通过对所述全实心微结构光子晶体光纤进行拉长锥，在锥区变化范围内光纤始终位于满足恒定双模运作的微结构参数区域内，利用仅支持双横模运作的所述全实心光子晶体光纤作为拉曼增益带来的主动模式清洗作用，将所述全实心光子晶体光纤中的拉曼激光能量最终完全集中于基模上，以实现单模激光输出。
[0020]作为本专利技术的进一步改进，所述拉曼增益介质的两端分别布置有第一谐振腔镜与第二谐振腔镜，所述第一谐振腔镜为低反射率布拉格光纤光栅，其反射率小于50％，且布置在所述输出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高亮度高功率拉曼光子晶体光纤激光器，其特征在于，包括：泵浦源以及与所述泵浦源相连的拉曼增益介质；所述拉曼增益介质为全实心光子晶体光纤，呈长锥状，且粗端为输入端，细端为输出端，所述全实心光子晶体光纤由内向外依次包括：纤芯与位于纤芯外部的包层，所述包层的微结构包括高折射率基质材料与低折射率填充材料，所述填充材料填充在所述基质材料中并以二维最紧密正三角形晶格周期性排列；所述填充材料的微结构以所述纤芯的中心沿径向作同心圈排布，所述填充材料的微结构圈数为3
‑
5圈；所述填充材料与所述基质材料的折射率差为0.5％
‑
5.0％；所述填充材料的微结构横截面直径d和相邻微结构的间距Λ之比为0.50
‑
0.60；所述光纤激光器的工作波长λ范围为0.4
‑
2.5μm，所述全实心光子晶体光纤在所述工作波长内仅支持双横模运作；所述长锥全实心光子晶体光纤从输入端至所述输出端的微结构参数满足D
core
＝2Λ
‑
d，且Λ、d以及D
core
等比例连续缩小，缩小比范围为1.05
‑
10.0；所述输入端纤芯的芯径D
core
为20
‑
200μm；所述输出端纤芯的芯径D
core
’
为7
‑
150μm；所述全实心光子晶体光纤的锥度小于光纤纤芯的数值孔径，锥度范围为10
‑7‑
10
‑5/米；通过对所述全实心微结构光子晶体光纤进行拉长锥，在锥区变化范围内，光纤始终位于满足恒定双模运作的微结...

【专利技术属性】
技术研发人员：施进丹，冯宪，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：