掺钕光纤激光器泵浦的高功率掺镱光纤激光器的方法.pdf

摘要
申请专利号：	CN201210268624.2	申请日：	2012.07.30
公开号：	CN102769243A	公开日：	2012.11.07
当前法律状态：	撤回	有效性：	无权
法律详情：	发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):H01S 3/067申请公布日:20121107\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):H01S 3/067申请日:20120730\|\|\|公开
IPC分类号：	H01S3/067; H01S3/094	主分类号：	H01S3/067
申请人：	中国人民解放军国防科学技术大学
发明人：	周朴; 肖虎; 马鹏飞; 王小林; 马阎星; 粟荣涛; 吕海斌; 司磊; 许晓军; 陈金宝; 刘泽金
地址：	410073 湖南省长沙市砚瓦池正街47号
优先权：
专利代理机构：	湖南省国防科技工业局专利中心 43102	代理人：	冯青
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内容摘要

本发明涉及一种掺钕光纤激光器泵浦高功率掺镱光纤激光器的方法。该方法采用中心波长在808nm左右（正负10？nm）的半导体激光器泵浦掺钕光纤，输出中心波长在920-960？nm之间的光纤激光，再用上述掺钕光纤激光器产生的光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为1070nm左右的光纤激光。该方法不仅大大提高了泵浦源的亮度，成量级地提升了光纤激光器的最高输出功率；并且对掺杂光纤没有特殊要求，简化了系统设计，降低了系统成本。

权利要求书

1：掺钕光纤激光器泵浦的高功率掺镱光纤激光器的方法，其特征在于，采用中心波长在 808 nm 左右的半导体激光器泵浦掺钕光纤，输出中心波长在 920-960 nm 之间的光纤激光，所利用的是中心波长为 920-960 nm 之间的掺钕光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为 1070 nm 左右的掺钕光纤激光器；再用上述掺钕光纤激光器产生的光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为 1070 nm 左右的光纤激光，所利用的是中心波长为 920-960 nm 之间的掺钕光纤激光器产生的光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为 1070 nm 左右的光纤激光器，或者所里利用的是中心波长为 920-960 nm 之间的掺钕光纤激光器产生的光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为 1070 nm 左右的激光放大器。2：根据权利要求 1 所述的掺钕光纤激光器泵浦的高功率掺镱光纤激光器的方法，其特征在于，中心波长在 808 nm 左右的半导体激光器中的中心波长 808nm，正负 10nm。3：根据权利要求 1 所述的掺钕光纤激光器泵浦的高功率掺镱光纤激光器的方法，其特征在于，产生中心波长为 1070 nm 左右的光纤激光， 1070nm 左右，指 1030 nm 到 1120 nm。4：根据权利要求 1 所述的掺钕光纤激光器泵浦的高功率掺镱光纤激光器的方法，其特征在于，所述中心波长为 920-960 nm 之间的掺钕光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为 1070 nm 左右的掺钕光纤激光器结构为：在 N 台中心波长为 808 nm 左右的半导体激光器后面为 1 台中心波长在 808 nm 的 N×1 泵浦合束器Ⅰ， N×1 泵浦合束器Ⅰ连接光纤光栅Ⅰ，光纤光栅Ⅰ连接掺钕光纤，掺钕光纤连接光纤光栅Ⅱ， N 台半导体激光器与泵浦合束器Ⅰ之间、泵浦合束器Ⅰ与光纤光栅Ⅰ之间、光纤光栅Ⅰ与掺钕光纤之间、掺钕光纤与光纤光栅Ⅱ 之间均采用熔接的方式连接。5：根据权利要求 1 所述的掺钕光纤激光器泵浦的高功率掺镱光纤激光器的方法，其特征在于，所述中心波长为 920-960 nm 之间的掺钕光纤激光器产生的光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为 1070 nm 左右的光纤激光器结构为： N 台掺钕光纤激光器产生的中心波长为 920-960 nm 之间左右的掺钕光纤激光其后为中心波长在 940 nm 的 N×1 泵浦合束器Ⅱ，泵浦合束器Ⅱ之后为光纤光栅Ⅲ，光纤光栅Ⅲ之后为掺镱光纤，掺镱光纤后为光纤光栅Ⅳ，其中， N 个掺钕光纤激光器与泵浦合束器Ⅱ之间，泵浦合束器Ⅱ与光纤光栅Ⅲ之间，光纤光栅Ⅲ与掺镱光纤之间，掺镱光纤与光纤光栅Ⅳ之间均采用熔接的方式加以连接。6：根据权利要求 1 所述的掺钕光纤激光器泵浦的高功率掺镱光纤激光器的方法，其特征在于，所述中心波长为 920-960 nm 之间的掺钕光纤激光器产生的光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为 1070 nm 左右的激光放大器结构为：在 N 台掺钕光纤激光器产生的中心波长为 940 nm 左右的光纤激光，和 1 台中心波长为 1070 nm 左右的激光器（31）输出的激光之后为（N+1） ×1 泵浦合束器Ⅲ 33，泵浦合束器Ⅲ之后为掺镱光纤，掺镱光纤之后为光纤帽，其中， N 台掺钕光纤激光器与泵浦合束器Ⅲ之间，激光器（31）与泵浦合束器Ⅲ之间，掺镱光纤与光纤帽之间均采用熔接的方式加以连接。7：根据权利要求 6 所述的掺钕光纤激光器泵浦的高功率掺镱光纤激光器的方法，其特征在于，所述中心波长为 1070 nm 左右的激光器（31）结构为： N 台中心波长为 915 nm-975 nm 半导体激光器其后为中心波长与 N 台半导体激光器一致的 N×1 泵浦合束器Ⅳ （36），泵浦合束器Ⅳ之后为光纤光栅Ⅴ，光纤光栅Ⅴ之后为掺镱光纤，掺镱光纤之后为光纤光栅Ⅵ，其中 N 台半导体激光器与泵浦合束器Ⅳ之间，泵浦合束器Ⅳ与光纤光栅Ⅴ之间，光纤光栅 Ⅴ与掺镱光纤之间，掺镱光纤与光纤光栅Ⅵ之间均采用熔接的方式加以连接。

说明书

掺钕光纤激光器泵浦的高功率掺镱光纤激光器的方法
    技术领域本发明属于光纤激光器技术领域，涉及高功率掺镱光纤激光器，特指一种利用掺钕光纤激光器泵浦掺镱光纤产生高功率激光的方法。
     背景技术光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、热管理方便、结构紧凑等优点，能够获得高功率和高光束质量的激光输出。早期的光纤激光主要应用于通信和传感领域，并没有展现出高功率输出的能力。近年来，随着大模场双包层掺杂光纤制造工艺与和高亮度激光二极管泵浦技术的发展，单根光纤激光器的输出功率以惊人的速度迅速提高。由于半导体泵浦源技术成熟、量子亏损小等优势，高功率掺镱光纤激光器成为光纤激光器领域重点研究内容。1999 年，掺镱光纤激光器的单模输出功率达到 110 瓦，彻底改变了光纤激光器只是小功率器件的历史。近 10 年来，单根掺镱光纤激光器的单模输出功率几乎每隔两年就翻一番，不断地给人们带来惊喜。光纤激光器具有的独特优势使其在远程焊接、三维切割、激光打标等工业领域得到了广泛的应用。在国防领域，光纤激光器的独特优势也使其成为战术高能激光系统的重要光源。
     在光纤激光器的设计研究过程中，通过选择发射波长和光纤吸收特性相匹配的半导体激光器为泵浦源，可以实现比较高的激光转换效率。对于掺镱双包层光纤，一般选择输出中心波长为 915nm 或 975nm 的高功率半导体激光器作为泵浦源，目前千瓦级高功率光纤激光器大都基于此实现。然而进一步深入研究不难发现，自从 2004 年南安普顿大学首次报道了 1.36 千瓦高功率光纤激光输出的结果后，近 7 年来，大多数研究单位的掺镱光纤激光器的输出功率并没有得到显著提升（国内情况亦是如此），目前国际上采用半导体激光器泵浦掺镱双包层光纤获得的最大输出功率为 2.1 千瓦（国内目前最大功率 1.75 千瓦），国际上唯独有美国 IPG 光子技术公司实现了 3 千瓦及更高功率光纤激光输出。由于半导体激光器亮度有限，其他单位采用 973 至 976nm 半导体激光器泵浦的常规光纤激光器功率一直限制在千瓦水平； IPG 光子技术公司能够研发最高功率光纤激光器的关键在于使用了光纤激光泵浦光纤激光（通常称之为二次泵浦）的方式，其泵浦光波长与发射波长更加接近。以该公司的单模万瓦级光纤激光器为例，其泵浦光波长为 1018 nm，发射波长为 1070nm（注：掺镱光纤的发射谱较宽，一般从 1030 nm 到 1120 nm，出射激光中心波长与选频器件的性能有关，此处仅以 1070 nm 为例），量子损耗仅为 5%，约为半导体激光器直接泵浦时的 1/2，极大降低了光纤内的热载荷密度。1018 nm 泵浦光由半导体激光器泵浦掺镱光纤产生，其亮度为常规半导体激光器亮度的 1000 倍以上。二次泵浦在热效应和泵浦光亮度的优势促使了 IPG 光子技术公司光纤激光器的飞速发展。
     值得指出的是， IPG 光子技术公司的二次泵浦技术采用半导体激光器泵浦产生 1018nm 光纤激光器，然后用 1018nm 泵浦产生 1070nm 光纤激光器。然而常规掺镱光纤的发射谱峰值通常在 1030nm 附近，吸收谱峰值通常在 915nm 或 975nm 附近。1018nm 波长的发射截面远小于 1030nm 左右的发射截面，而吸收截面又远小于 915nm 或 975nm 附近的吸收截
     面，因此对构建激光器的掺镱光纤有较高的要求，需要对掺镱光纤进行特殊设计和拉制，对系统成本提出了较高要求。发明内容
     为了解决当前二次泵浦技术对掺镱光纤的严格要求这一不足之处，本发明提出一种新型二次泵浦技术。其解决方案是：采用掺钕光纤激光器来泵浦掺镱光纤激光器。如图 1 所示，掺镱光纤在 915 nm 和 975 nm 附近有两个较强的吸收峰，因此目前大都采用中心波长在 915 nm 或者 975 nm 的半导体激光器来泵浦掺镱光纤。与 1018 nm 相比，掺镱光纤在 920-960 nm 附近的吸收系数要大的多，因此如果采用此波段的激光来泵浦掺镱光纤，对掺镱光纤的要求要比采用 1018 nm 激光泵浦的情形要低的多。如图 2 所示，掺钕光纤在 920-960 nm 附近有较强的发射截面。
     本发明的技术方案为：采用中心波长在 808 nm 左右（正负 10 nm）的半导体激光器泵浦掺钕光纤（如图 4 所示），输出中心波长在 920-960 nm 之间的光纤激光，所利用的是中心波长为 808 nm 左右的半导体激光器泵浦掺钕光纤产生中心波长为 920-960 nm 之间的掺钕光纤激光器；再用上述掺钕光纤激光器产生的光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为 1070 nm 左右的光纤激光（掺镱光纤出射激光中心波长与选频器件的性能有关，此处仅以 1070 nm 为例， 1070nm 左右，一般指 1030 nm 到 1120 nm），所利用的是利用中心波长为 920-960 nm 之间的掺钕光纤激光器产生的光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为 1070 nm 左右的光纤激光器。
     本发明不仅大大提高了泵浦源的亮度，成量级地提升了光纤激光器的最高输出功率；并且对掺杂光纤没有特殊要求，简化了系统设计，降低了系统成本。附图说明图 1 为掺镱光纤的吸收截面和发射截面曲线；图 2 为掺钕光纤的发射截面曲线；图 3 为掺钕光纤的吸收截面曲线；图 4 为利用中心波长为 920-960 nm 之间的掺钕光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为 1070 nm 左右的掺钕光纤激光器结构原理图；图 5 为利用中心波长为 920-960 nm 之间的掺钕光纤激光器产生的光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为 1070 nm 左右的激光放大器结构原理图；图 6 为利用中心波长为 808 nm 左右（正负 10 nm）的半导体激光器泵浦掺钕光纤产生中心波长为 920-960 nm 之间的掺钕光纤激光器结构原理图；图 7 为利用半导体激光器泵浦掺镱光纤产生中心波长为 1070 nm 左右的激光器结构原理图。
     具体实施方式
     下面结合图示对本发明进行进一步说明。图 4 所示为中心波长为 808 nm 左右的半导体激光器泵浦掺钕光纤产生中心波长为 920-960 nm 之间的掺钕光纤激光器 1 结构原理图。其中 1 为一台中心波长为 920-960 nm 之间的掺钕光纤激光器，掺钕光纤激光器的内部结构为，设有 N 台（N 为大于 1 的整数）中心波长为 808 nm 左右的半导体激光器，在半导体激光器后面为 1 台中心波长在 808 nm 的 N×1 泵浦合束器Ⅰ， N×1 泵浦合束器Ⅰ之后为光纤光栅Ⅰ 131，光纤光栅Ⅰ之后为掺钕光纤 14，掺钕光纤之后为光纤光栅Ⅱ 132。其中， N 台半导体激光器与泵浦合束器Ⅰ之间、泵浦合束器Ⅰ与光纤光栅Ⅰ之间、光纤光栅Ⅰ与掺钕光纤之间、掺钕光纤与光纤光栅Ⅱ之间均采用熔接的方式连接。泵浦合束器Ⅰ将 N 台中心波长为 808 nm 左右的半导体激光器输出的激光合进一根光纤。光纤光栅Ⅰ和光纤光栅Ⅱ 的中心波长一致，可以为 920-960 nm 之间的任意一个数值。其中光纤光栅Ⅰ对激光高反，反射率大于 95% ；光纤光栅Ⅱ对激光低反，反射率在 5% 到 50% 之间。通过图 1 所示的结构，可以产生中心波长为 920-960 nm 之间的掺钕光纤激光。
     图 5 所示为利用中心波长为 920-960 nm 之间的掺钕光纤激光器产生的光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为 1070 nm 左右的光纤激光器 2 结构原理图。N 台图 4 所示掺钕光纤激光器产生的中心波长为 920-960 nm 之间（此处以 940 nm 为例）左右的掺钕光纤激光，分别命名为 11、 12、… 1N，在其后为中心波长在 940 nm 的 N×1 泵浦合束器Ⅱ 22，将N 台中心波长为 940 nm 的掺钕光纤激光器输出的光纤激光通过泵浦合束器Ⅱ合进一根光纤；泵浦合束器Ⅱ之后为光纤光栅Ⅲ 231，光纤光栅Ⅲ之后为掺镱光纤 24，掺镱光纤 24 后为光纤光栅Ⅳ 232。其中， N 个掺钕光纤激光器与泵浦合束器Ⅱ之间，泵浦合束器Ⅱ与光纤光栅 Ⅲ之间，光纤光栅Ⅲ与掺镱光纤之间，掺镱光纤与光纤光栅Ⅳ之间均采用熔接的方式加以连接。光纤光栅Ⅲ和光纤光栅Ⅲ的中心波长一致，可以为 1030 nm 到 1120 nm 的任意一个数值（此处以 1070 nm 为例）。其中光纤光栅Ⅲ对激光高反，反射率大于 95% ；光纤光栅Ⅳ对激光低反，反射率在 5% 到 50% 之间。通过图 5 所示的结构，可以产生中心波长为 1070 nm 的光纤激光。
     图 6 所示为利用中心波长为 920-960 nm 之间的掺钕光纤激光器产生的光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为 1070 nm 左右的激光放大器 3 结构原理图。在 N 台图 4 所示掺钕光纤激光器产生的中心波长为 940 nm 左右的光纤激光，分别命名为 321、 322、… 32N，和图 7 所示的 1 台中心波长为 1070 nm 左右的激光器 31 输出的激光之后为（N+1） ×1 泵浦合束器Ⅲ 33，泵浦合束器Ⅲ之后为掺镱光纤 24，掺镱光纤之后为光纤帽 35。其中， N 台掺钕光纤激光器 1 与泵浦合束器Ⅲ 33 之间，激光器 31 与泵浦合束器Ⅲ 33 之间，掺镱光纤与光纤帽之间均采用熔接的方式加以连接。将图 4 所示的 N 台中心波长为 940 nm 左右的掺钕光纤激光器 1 和图 7 所示的 1 台中心波长为 1070 nm 左右的激光器 31 输出的激光通过泵浦合束器Ⅲ合进一根光纤。中心波长为 1070 nm 的激光经由光纤帽 35 输出，并可以防止激光沿原路返回。通过图 6 所示的结构，可以将利用半导体激光器泵浦掺镱光纤产生中心波长为 1070 nm 左右的激光器 31 输出的中心波长为 1070 nm 左右的光纤激光进行功率放大。
     图 7 为利用半导体激光器泵浦掺镱光纤产生中心波长为 1070 nm 左右的激光器 31 结构原理图。共采用 N 台半导体激光器，分别命名为 311、 312、 … 31N。311、 312、 … 31N 的中心波长一致，为 915 nm 左右 -975 nm 左右，在其后为中心波长与 N 台半导体激光器一致的 N×1 泵浦合束器Ⅳ 36，泵浦合束器Ⅳ之后为光纤光栅Ⅴ 371，光纤光栅Ⅴ 371 之后为掺镱光纤 24，掺镱光纤 24 之后为光纤光栅Ⅵ 372，其中 N 台半导体激光器与泵浦合束器Ⅳ 36 之间，泵浦合束器Ⅳ 36 与光纤光栅Ⅴ之间，光纤光栅Ⅴ与掺镱光纤之间，掺镱光纤与光纤光栅Ⅵ之间均采用熔接的方式加以连接。将 311、 312、… 31N 的输出激光通过泵浦合束器Ⅳ合进一根光纤。光纤光栅Ⅴ 371 和光纤光栅Ⅵ 372 的中心波长一致，可以为 1030 nm 到 1120 nm 的任意一个数值。其中光纤光栅Ⅴ 371 对激光高反，反射率大于 95% ；光纤光栅Ⅵ 372 对激光低反，反射率在 5% 到 50% 之间。通过图 7 所示的结构，可以产生中心波长为 1070 nm 左右的光纤激光。

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1、(10)申请公布号 CN 102769243 A (43)申请公布日 2012.11.07 C N 1 0 2 7 6 9 2 4 3 A *CN102769243A* (21)申请号 201210268624.2 (22)申请日 2012.07.30 H01S 3/067(2006.01) H01S 3/094(2006.01) (71)申请人中国人民解放军国防科学技术大学地址 410073 湖南省长沙市砚瓦池正街47 号 (72)发明人周朴肖虎马鹏飞王小林马阎星粟荣涛吕海斌司磊许晓军陈金宝刘泽金 (74)专利代理机构湖南省国防科技工业局专利中心 43102 代理人冯。

2、青 (54) 发明名称掺钕光纤激光器泵浦的高功率掺镱光纤激光器的方法 (57) 摘要本发明涉及一种掺钕光纤激光器泵浦高功率掺镱光纤激光器的方法。该方法采用中心波长在 808nm左右（正负10 nm）的半导体激光器泵浦掺钕光纤，输出中心波长在920-960 nm之间的光纤激光，再用上述掺钕光纤激光器产生的光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为1070nm左右的光纤激光。该方法不仅大大提高了泵浦源的亮度，成量级地提升了光纤激光器的最高输出功率；并且对掺杂光纤没有特殊要求，简化了系统设计，降低了系统成本。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页说明书4页附图4页 (19)中华人。

3、民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书 1 页说明书 4 页附图 4 页 1/1页 2 1.掺钕光纤激光器泵浦的高功率掺镱光纤激光器的方法，其特征在于，采用中心波长在808 nm左右的半导体激光器泵浦掺钕光纤，输出中心波长在920-960 nm之间的光纤激光，所利用的是中心波长为920-960 nm之间的掺钕光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为 1070 nm左右的掺钕光纤激光器；再用上述掺钕光纤激光器产生的光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为1070 nm左右的光纤激光，所利用的是中心波长为920-960 nm之间的掺钕光纤激光器产生的光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波。

4、长为1070 nm左右的光纤激光器，或者所里利用的是中心波长为920-960 nm之间的掺钕光纤激光器产生的光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为1070 nm左右的激光放大器。 2.根据权利要求1所述的掺钕光纤激光器泵浦的高功率掺镱光纤激光器的方法，其特征在于，中心波长在808 nm左右的半导体激光器中的中心波长808nm，正负10nm。 3.根据权利要求1所述的掺钕光纤激光器泵浦的高功率掺镱光纤激光器的方法，其特征在于，产生中心波长为1070 nm左右的光纤激光，1070nm左右，指1030 nm 到1120 nm。 4.根据权利要求1所述的掺钕光纤激光器泵浦的高功率掺镱光纤激光器的方。

5、法，其特征在于，所述中心波长为920-960 nm之间的掺钕光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为 1070 nm左右的掺钕光纤激光器结构为：在N台中心波长为808 nm左右的半导体激光器后面为1台中心波长在808 nm的N1泵浦合束器，N1泵浦合束器连接光纤光栅，光纤光栅连接掺钕光纤，掺钕光纤连接光纤光栅，N台半导体激光器与泵浦合束器之间、泵浦合束器与光纤光栅之间、光纤光栅与掺钕光纤之间、掺钕光纤与光纤光栅之间均采用熔接的方式连接。 5.根据权利要求1所述的掺钕光纤激光器泵浦的高功率掺镱光纤激光器的方法，其特征在于，所述中心波长为920-960 nm之间的掺钕光纤激光器产生的光纤激光。

6、泵浦掺镱光纤产生中心波长为1070 nm左右的光纤激光器结构为：N台掺钕光纤激光器产生的中心波长为920-960 nm之间左右的掺钕光纤激光其后为中心波长在940 nm的N1泵浦合束器，泵浦合束器之后为光纤光栅，光纤光栅之后为掺镱光纤，掺镱光纤后为光纤光栅，其中，N个掺钕光纤激光器与泵浦合束器之间，泵浦合束器与光纤光栅之间，光纤光栅与掺镱光纤之间，掺镱光纤与光纤光栅之间均采用熔接的方式加以连接。 6.根据权利要求1所述的掺钕光纤激光器泵浦的高功率掺镱光纤激光器的方法，其特征在于，所述中心波长为920-960 nm之间的掺钕光纤激光器产生的光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为1070。

7、 nm左右的激光放大器结构为：在N台掺钕光纤激光器产生的中心波长为940 nm左右的光纤激光，和1台中心波长为1070 nm左右的激光器（31）输出的激光之后为（N+1）1泵浦合束器33，泵浦合束器之后为掺镱光纤，掺镱光纤之后为光纤帽，其中，N台掺钕光纤激光器与泵浦合束器之间，激光器（31）与泵浦合束器之间，掺镱光纤与光纤帽之间均采用熔接的方式加以连接。 7.根据权利要求6所述的掺钕光纤激光器泵浦的高功率掺镱光纤激光器的方法，其特征在于，所述中心波长为1070 nm左右的激光器（31）结构为：N台中心波长为915 nm-975 nm半导体激光器其后为中心波长与N台半导体激光器一致的N。

8、1泵浦合束器（36），泵浦合束器之后为光纤光栅，光纤光栅之后为掺镱光纤，掺镱光纤之后为光纤光栅，其中N台半导体激光器与泵浦合束器之间，泵浦合束器与光纤光栅之间，光纤光栅与掺镱光纤之间，掺镱光纤与光纤光栅之间均采用熔接的方式加以连接。权利要求书CN 102769243 A 1/4页 3 掺钕光纤激光器泵浦的高功率掺镱光纤激光器的方法技术领域 0001 本发明属于光纤激光器技术领域，涉及高功率掺镱光纤激光器，特指一种利用掺钕光纤激光器泵浦掺镱光纤产生高功率激光的方法。背景技术 0002 光纤激光器具有转换效率高、光束质量好、热管理方便、结构紧凑等优点，能够获得高功率和高光束。

9、质量的激光输出。早期的光纤激光主要应用于通信和传感领域，并没有展现出高功率输出的能力。近年来，随着大模场双包层掺杂光纤制造工艺与和高亮度激光二极管泵浦技术的发展，单根光纤激光器的输出功率以惊人的速度迅速提高。由于半导体泵浦源技术成熟、量子亏损小等优势，高功率掺镱光纤激光器成为光纤激光器领域重点研究内容。1999年，掺镱光纤激光器的单模输出功率达到110 瓦，彻底改变了光纤激光器只是小功率器件的历史。近10 年来，单根掺镱光纤激光器的单模输出功率几乎每隔两年就翻一番，不断地给人们带来惊喜。光纤激光器具有的独特优势使其在远程焊接、三维切割、激光打标等工业领域得到了广泛的应用。在国防领。

10、域，光纤激光器的独特优势也使其成为战术高能激光系统的重要光源。 0003 在光纤激光器的设计研究过程中，通过选择发射波长和光纤吸收特性相匹配的半导体激光器为泵浦源，可以实现比较高的激光转换效率。对于掺镱双包层光纤，一般选择输出中心波长为915nm或975nm的高功率半导体激光器作为泵浦源，目前千瓦级高功率光纤激光器大都基于此实现。然而进一步深入研究不难发现，自从2004 年南安普顿大学首次报道了1.36 千瓦高功率光纤激光输出的结果后，近7 年来，大多数研究单位的掺镱光纤激光器的输出功率并没有得到显著提升（国内情况亦是如此），目前国际上采用半导体激光器泵浦掺镱双包层光纤获得的最大。

11、输出功率为2.1千瓦（国内目前最大功率1.75千瓦），国际上唯独有美国IPG 光子技术公司实现了3 千瓦及更高功率光纤激光输出。由于半导体激光器亮度有限，其他单位采用973至976nm半导体激光器泵浦的常规光纤激光器功率一直限制在千瓦水平；IPG光子技术公司能够研发最高功率光纤激光器的关键在于使用了光纤激光泵浦光纤激光（通常称之为二次泵浦）的方式，其泵浦光波长与发射波长更加接近。以该公司的单模万瓦级光纤激光器为例，其泵浦光波长为1018 nm，发射波长为1070nm（注：掺镱光纤的发射谱较宽，一般从1030 nm 到1120 nm，出射激光中心波长与选频器件的性能有关，此处仅以1。

12、070 nm 为例），量子损耗仅为5%，约为半导体激光器直接泵浦时的1/2，极大降低了光纤内的热载荷密度。1018 nm 泵浦光由半导体激光器泵浦掺镱光纤产生，其亮度为常规半导体激光器亮度的1000 倍以上。二次泵浦在热效应和泵浦光亮度的优势促使了IPG光子技术公司光纤激光器的飞速发展。 0004 值得指出的是，IPG光子技术公司的二次泵浦技术采用半导体激光器泵浦产生 1018nm 光纤激光器，然后用1018nm 泵浦产生1070nm光纤激光器。然而常规掺镱光纤的发射谱峰值通常在1030nm 附近，吸收谱峰值通常在915nm或975nm附近。1018nm波长的发射截面远小于1030n。

13、m左右的发射截面，而吸收截面又远小于915nm或975nm附近的吸收截说明书CN 102769243 A 2/4页 4 面，因此对构建激光器的掺镱光纤有较高的要求，需要对掺镱光纤进行特殊设计和拉制，对系统成本提出了较高要求。发明内容 0005 为了解决当前二次泵浦技术对掺镱光纤的严格要求这一不足之处，本发明提出一种新型二次泵浦技术。其解决方案是：采用掺钕光纤激光器来泵浦掺镱光纤激光器。如图1所示，掺镱光纤在915 nm和975 nm附近有两个较强的吸收峰，因此目前大都采用中心波长在915 nm或者975 nm的半导体激光器来泵浦掺镱光纤。与1018 nm相比，掺镱光纤在920。

14、-960 nm附近的吸收系数要大的多，因此如果采用此波段的激光来泵浦掺镱光纤，对掺镱光纤的要求要比采用1018 nm激光泵浦的情形要低的多。如图2所示，掺钕光纤在 920-960 nm附近有较强的发射截面。 0006 本发明的技术方案为：采用中心波长在808 nm左右（正负10 nm）的半导体激光器泵浦掺钕光纤（如图4所示），输出中心波长在920-960 nm之间的光纤激光，所利用的是中心波长为808 nm左右的半导体激光器泵浦掺钕光纤产生中心波长为920-960 nm之间的掺钕光纤激光器；再用上述掺钕光纤激光器产生的光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为1070 nm左右的光纤激光（掺。

15、镱光纤出射激光中心波长与选频器件的性能有关，此处仅以1070 nm为例，1070nm左右，一般指1030 nm 到1120 nm），所利用的是利用中心波长为 920-960 nm之间的掺钕光纤激光器产生的光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为1070 nm 左右的光纤激光器。 0007 本发明不仅大大提高了泵浦源的亮度，成量级地提升了光纤激光器的最高输出功率；并且对掺杂光纤没有特殊要求，简化了系统设计，降低了系统成本。附图说明 0008 图 1为掺镱光纤的吸收截面和发射截面曲线；图2为掺钕光纤的发射截面曲线；图3为掺钕光纤的吸收截面曲线；图4为利用中心波长为920-960 nm之间的掺。

16、钕光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为1070 nm左右的掺钕光纤激光器结构原理图；图5为利用中心波长为920-960 nm之间的掺钕光纤激光器产生的光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为1070 nm左右的激光放大器结构原理图；图6为利用中心波长为808 nm左右（正负10 nm）的半导体激光器泵浦掺钕光纤产生中心波长为920-960 nm之间的掺钕光纤激光器结构原理图；图7 为利用半导体激光器泵浦掺镱光纤产生中心波长为1070 nm左右的激光器结构原理图。具体实施方式 0009 下面结合图示对本发明进行进一步说明。图4所示为中心波长为808 nm左右的半导体激光器泵浦掺钕光纤产。

17、生中心波长为920-960 nm之间的掺钕光纤激光器1结构原理图。其中1为一台中心波长为920-960 nm之间的掺钕光纤激光器，掺钕光纤激光器的内说明书CN 102769243 A 3/4页 5 部结构为，设有N台（N为大于1的整数）中心波长为808 nm左右的半导体激光器，在半导体激光器后面为1台中心波长在808 nm的N1泵浦合束器，N1泵浦合束器之后为光纤光栅131，光纤光栅之后为掺钕光纤14，掺钕光纤之后为光纤光栅132。其中， N台半导体激光器与泵浦合束器之间、泵浦合束器与光纤光栅之间、光纤光栅与掺钕光纤之间、掺钕光纤与光纤光栅之间均采用熔接的方式连接。泵浦合束器将N。

18、台中心波长为808 nm左右的半导体激光器输出的激光合进一根光纤。光纤光栅和光纤光栅的中心波长一致，可以为920-960 nm之间的任意一个数值。其中光纤光栅对激光高反，反射率大于95%；光纤光栅对激光低反，反射率在5%到50%之间。通过图1所示的结构，可以产生中心波长为920-960 nm之间的掺钕光纤激光。 0010 图5所示为利用中心波长为920-960 nm之间的掺钕光纤激光器产生的光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为1070 nm左右的光纤激光器2结构原理图。N台图4所示掺钕光纤激光器产生的中心波长为920-960 nm之间（此处以940 nm为例）左右的掺钕光纤激光，分。

19、别命名为11、12、1N，在其后为中心波长在940 nm的N1泵浦合束器22，将N 台中心波长为940 nm的掺钕光纤激光器输出的光纤激光通过泵浦合束器合进一根光纤；泵浦合束器之后为光纤光栅231，光纤光栅之后为掺镱光纤24，掺镱光纤24后为光纤光栅232。其中，N个掺钕光纤激光器与泵浦合束器之间，泵浦合束器与光纤光栅之间，光纤光栅与掺镱光纤之间，掺镱光纤与光纤光栅之间均采用熔接的方式加以连接。光纤光栅和光纤光栅的中心波长一致，可以为1030 nm到1120 nm的任意一个数值（此处以1070 nm为例）。其中光纤光栅对激光高反，反射率大于95%；光纤光栅对激光低反，反射率在5%到。

20、50%之间。通过图5所示的结构，可以产生中心波长为1070 nm 的光纤激光。 0011 图6所示为利用中心波长为920-960 nm之间的掺钕光纤激光器产生的光纤激光泵浦掺镱光纤产生中心波长为1070 nm左右的激光放大器3结构原理图。在N台图4所示掺钕光纤激光器产生的中心波长为940 nm左右的光纤激光，分别命名为321、322、32N，和图7所示的1台中心波长为1070 nm左右的激光器31输出的激光之后为（N+1）1泵浦合束器33，泵浦合束器之后为掺镱光纤24，掺镱光纤之后为光纤帽35。其中，N台掺钕光纤激光器1与泵浦合束器33之间，激光器31与泵浦合束器33之间，掺镱光纤与。

21、光纤帽之间均采用熔接的方式加以连接。将图4所示的N台中心波长为940 nm左右的掺钕光纤激光器1和图7所示的1台中心波长为1070 nm左右的激光器31输出的激光通过泵浦合束器合进一根光纤。中心波长为1070 nm的激光经由光纤帽35输出，并可以防止激光沿原路返回。通过图6所示的结构，可以将利用半导体激光器泵浦掺镱光纤产生中心波长为1070 nm左右的激光器31输出的中心波长为1070 nm左右的光纤激光进行功率放大。 0012 图7 为利用半导体激光器泵浦掺镱光纤产生中心波长为1070 nm左右的激光器 31结构原理图。共采用N台半导体激光器，分别命名为311、312、31N。31。

22、1、312、 31N的中心波长一致，为915 nm左右-975 nm左右，在其后为中心波长与N台半导体激光器一致的N1泵浦合束器36，泵浦合束器之后为光纤光栅371，光纤光栅371之后为掺镱光纤24，掺镱光纤24之后为光纤光栅372，其中N台半导体激光器与泵浦合束器36之间，泵浦合束器36与光纤光栅之间，光纤光栅与掺镱光纤之间，掺镱光纤与光纤光栅之间均采用熔接的方式加以连接。将311、312、31N的输出激光通过泵浦说明书CN 102769243 A 4/4页 6 合束器合进一根光纤。光纤光栅371和光纤光栅372的中心波长一致，可以为1030 nm到1120 nm的任意一个数值。其中光纤光栅371对激光高反，反射率大于95%；光纤光栅372对激光低反，反射率在5%到50%之间。通过图7所示的结构，可以产生中心波长为1070 nm左右的光纤激光。说明书CN 102769243 A 1/4页 7 图1 图2 说明书附图CN 102769243 A 2/4页 8 图3 图4 说明书附图CN 102769243 A 3/4页 9 图5 图6 说明书附图CN 102769243 A 4/4页 10 图7 说明书附图CN 102769243 A 10 。

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