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1、10申请公布号CN104134927A43申请公布日20141105CN104134927A21申请号201410359275422申请日20140725H01S3/067200601H01S3/11520060171申请人上海交通大学地址200240上海市闵行区东川路800号72发明人唐玉龙徐剑秋张帅一74专利代理机构上海新天专利代理有限公司31213代理人张宁展54发明名称非线性效应调Q光纤激光器57摘要本发明公开了一种全光谱范围的非线性效应调Q光纤激光器，包括高数值孔径非掺杂光纤、泵浦源、光纤合束器、双包层增益光纤和单模光纤。本发明通过非线性受激布里渊散射效应的弛豫振荡与增益光纤中激光放。
2、大过程的动态相互作用来周期性调制光纤谐振腔中激光的放大和衰减，自动实现Q因子的周期性变化，从而得到稳定的脉冲输出，是一种全光谱范围的脉冲激光技术，覆盖了紫外、可见光、1微米、15微米通信波段、2微米、35微米及5微米以上的中红外波段，具有功率高、结构简洁全光纤、全光谱范围适用等特点。51INTCL权利要求书1页说明书4页附图2页19中华人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2页10申请公布号CN104134927ACN104134927A1/1页21一种全光谱范围的非线性效应调Q光纤激光器，其特征在于，包括高数值孔径非掺杂光纤2、泵浦源5、光纤合束器6、双包层增益。
3、光纤7和单模光纤9；所述的光纤合束器6的泵浦输入光纤熔接所述的泵浦源，该光纤合束器6信号光纤第一端口熔接所述的高数值孔径非掺杂光纤2的一端，该光纤合束器6信号光纤第二端口熔接所述的双包层增益光纤7的一端，所述的高数值孔径非掺杂光纤2的另一端切割成光纤斜角1，所述的双包层增益光纤7的另一端熔接所述的单模光纤9的一端，该单模光纤9的另一端切割成直角；所述的泵浦源5发射的泵浦光中心波长与所述的双包层增益光纤7的纤芯材料的中心吸收波长匹配。2根据权利要求1所述的非线性效应调Q光纤激光器，其特征在于，所述的泵浦源5为高功率激光二极管阵列光纤耦合模块，中心波长根据所采用的双包层增益光纤7纤芯材料的吸收波长。
4、来选取，波长包括790NM、808NM、880NM、915NM、940NM、976NM、12M、15M、19M。3根据权利要求1所述的非线性效应调Q光纤激光器，其特征在于，所述的双包层增益光纤7为掺YB3光纤、掺ND3光纤、掺ER3光纤、ER3YB3共掺光纤、掺TM3光纤、掺HO3光纤、或掺TM3HO3共掺光纤的各种稀土离子掺杂的特种光纤。4根据权利要求3所述的非线性效应调Q光纤激光器，其特征在于，所述的双包层增益光纤7中的稀土离子的掺杂浓度可变，根据掺杂浓度来选取增益光纤的长度。5根据权利要求1所述的非线性效应调Q光纤激光器，其特征在于，所述的高数值孔径非掺杂光纤2的结构参数与光纤合束器6尾。
5、纤的结构参数以及双包层增益光纤7的结构参数匹配，双包层增益光纤7的结构参数与普通单模光纤9的结构参数匹配。6根据权利要求1所述的非线性效应调Q光纤激光器，其特征在于，所述的高数值孔径非掺杂光纤2为一种数值孔径高而纤芯小的特种非增益光纤，利于激发非线性效应。7根据权利要求1所述的非线性效应调Q光纤激光器，其特征在于，所述的双包层增益光纤7的一端熔接1米长的单模光纤9滤除残余泵浦光，得到的调Q脉冲从单模光纤9输出端输出。8根据权利要求1所述的非线性效应调Q光纤激光器，其特征在于，所述的单模光纤9为普通单模光纤。9根据权利要求1至9任一项所述的非线性效应调Q光纤激光器，其特征在于，所述的高数值孔径非。
6、掺杂光纤2还连接第一温控装置3，所述的双包层增益光纤7还连接第二温控装置8。10根据权利要求9所述的非线性效应调Q光纤激光器，其特征在于，所述的第二温控装置8是一个外立面上刻有螺纹的圆形铜制热沉。权利要求书CN104134927A1/4页3非线性效应调Q光纤激光器技术领域0001本发明涉及高功率脉冲光纤激光器领域，特别是涉及一种任意波长范围的非线性效应调Q光纤激光器。背景技术0002近年来，包层泵浦的高功率稀土离子掺杂的脉冲光纤激光器已经成为国际上光纤激光器领域的研究热点，因为这种激光器在工业生产和生活领域具有广泛的应用前景。其中1微米波段的光纤激光器已经在工业加工领域占据了很大市场，而15微。
7、米的光纤激光器是通信领域不可或缺的关键部件，而“人眼安全”的2微米光纤激光因为处在水的强吸收峰将成为主要的生物医学及医疗工具，而35微米的中红外光纤激光器在传感、探测及国防领域具有重要的应用价值。因为光纤的表面体积大，所以光纤激光器易于散热，能够提供更高的输出功率和更好的光束质量。相比于连续光纤激光器，脉冲光纤激光器因为具有更高的峰值功率，在加工、探测等领域具备更快的工作速度和更高的精度，因此脉冲光纤激光器特别是高平均功率的脉冲光纤激光器已经逐渐成为光纤激光器领域的发展主流。0003获取光纤激光脉冲的主要技术手段是调Q和锁模，其中调Q需要用到声光Q开关或电光Q开关，而锁模主要是借助于半导体可饱。
8、和吸收镜SESAM等锁模器件。在传统领域，不管是调Q还是锁模都具有损失阈值低、工作线宽窄只能工作在一个有限的波长范围等缺点，而且对于不同的波段需要采用不同的调Q或锁模器件。石墨烯GRAPHENE具有宽光谱可饱和吸收的特点，但损失阈值低且集成起来操作繁杂，稳定性也较差。因此，发明一种对整个电磁波长范围从紫外到可见到红外都适用的脉冲光纤激光技术将是该领域中的重大突破，将极大地推动高功率光纤激光器的发展并具有广泛而重要的实际应用价值。发明内容0004本发明为了克服在先技术的不足，采用在高非线性光纤中激发非线性效应主要是SBS效应，也可以采用RAMAN效应来周期性调制光纤谐振腔中的Q值，通过该非线性效。
9、应与增益光纤的相互作用周期性放大和衰减，从而实现稳定的激光脉冲序列输出。通过改变泵浦功率可以得到不同重复率、不同激光平均功率的激光脉冲，并保持激光脉冲宽度基本不变。这种新型的光纤激光调Q技术所实现的脉冲光纤激光器结构非常简洁不需要专门的块体调制器件，损失阈值极高相当于光纤本身的破损阈值，能够直接获得高平均功率的脉冲激光输出，同时具有较高的斜率效率。0005本发明技术解决方案是0006一种全光谱范围的非线性效应调Q光纤激光器，其特点在于，包括高数值孔径非掺杂光纤、泵浦源、光纤合束器、双包层增益光纤和单模光纤；0007所述的光纤合束器的泵浦输入光纤熔接所述的泵浦源，该光纤合束器信号光纤第一端口熔接。
10、所述的高数值孔径非掺杂光纤的一端，该光纤合束器信号光纤第二端口熔接所说明书CN104134927A2/4页4述的双包层增益光纤的一端，所述的高数值孔径非掺杂光纤的另一端切割成光纤斜角，所述的双包层增益光纤的另一端熔接所述的单模光纤的一端，该单模光纤的另一端切割成直角；0008所述的泵浦源发射的泵浦光中心波长与所述的双包层增益光纤的纤芯材料的中心吸收波长匹配。0009所述的泵浦源为高功率激光二极管阵列光纤耦合模块，中心波长根据所采用的双包层增益光纤纤芯材料的吸收波长来选取，波长包括790NM、808NM、880NM、915NM、940NM、976NM、12M、15M、19M。0010所述的双包层。
11、增益光纤为掺YB3光纤、掺ND3光纤、掺ER3光纤、ER3YB3共掺光纤、掺TM3光纤、掺HO3光纤、或掺TM3HO3共掺光纤的各种稀土离子掺杂的特种光纤。0011所述的双包层增益光纤中的稀土离子的掺杂浓度可变，根据掺杂浓度来选取增益光纤的长度。0012所述的高数值孔径非掺杂光纤的结构参数与光纤合束器尾纤的结构参数以及双包层增益光纤的结构参数匹配，双包层增益光纤的结构参数与普通单模光纤的结构参数匹配。0013所述的高数值孔径非掺杂光纤为一种数值孔径高而纤芯小的特种非增益光纤，利于激发非线性效应。0014所述的双包层增益光纤的一端熔接1米长的单模光纤滤除残余泵浦光，得到的调Q脉冲从单模光纤输出端。
12、输出。0015所述的高数值孔径非掺杂光纤还连接第一温控装置，所述的双包层增益光纤还连接第二温控装置。0016所述的第二温控装置是一个外立面上刻有螺纹的圆形铜制热沉。0017所述的光纤合束器尾纤与泵浦源的输出尾纤参数相匹配。0018所述的光纤合束器的信号光纤与双包层增益光纤参数光纤直径及数值孔径相匹配。0019所述的光纤合束器的信号光纤与高数值孔径非掺杂光纤参数相匹配。0020所述的单模光纤为任意参数结构的单模光纤。0021泵浦源的工作温度通过调节循环水温度进行控制，使泵浦源的发射中心波长与双包层光纤的纤芯吸收波长相同；泵浦光通过光纤合束器耦合进双包层增益光纤，泵浦源的输出尾纤与合束器的尾纤结构。
13、参数匹配，合束器的信号光纤与双包层增益光纤的结构参数匹配；合束器的信号光纤一端与双包层增益光纤熔接；泵浦源通过泵浦增益光纤产生粒子数反转来提供激光的增益，增益光纤中产生的自发辐射得到放大形成放大的自发辐射ASE，合束器信号光纤的另一端与一段高数值孔径非掺杂光纤相熔接；双包层增益光纤的输出端与单模光纤的一端相熔接；单模光纤的另一端的直角端面提供的4的FRESNEL反射与高数值孔径非掺杂光纤中的微小的折射率不均匀性带来的分布式瑞利散射一起形成一个随机RANDOM谐振腔，该谐振腔增强了某些ASE的光强，直至在高数值孔径非掺杂光纤中激发出受激布里渊散射波。该受激布里渊散射波以弛豫脉冲的形式输入到增益光。
14、纤中得到放大，消耗掉粒子数反转，对整个谐振腔的Q值实现调制，得到一个高能量的激光脉冲输出。脉冲输出后，粒子数反转需要时间重新建立，此时没有脉冲输出，直至谐振腔中的激说明书CN104134927A3/4页5光强度达到下一次激发受激布里渊散射波。这样就通过非线性效应实现了周期性的Q开关效应，得到了周期性的激光脉冲输出。该种非线性效应的调Q激光方式可以应用于所有波长的光纤或波导结构中。0022与现有技术相比，本发明具有以下优点00231由于采用尾纤输出的高功率半导体激光二极管泵浦源，降低了泵浦光耦合进光纤的难度，同时通过调节泵浦源的工作温度使泵浦光波长与掺铥光纤的吸收波长相同，提高了泵浦效率。002。
15、42保证光学器件泵浦源、合束器与光纤的参数数值孔径与光纤直径相匹配，从而减小了损耗、提高了工作效率。00253可以采用掺杂任意稀土离子需要与泵浦源波长相匹配的光纤得到各种波长的脉冲激光输出。00264采用非线性效应对谐振腔进行Q调制，不需要额外的块体调制器件，器件结构简洁。00275不受调制器件损失阈值的限制，损失阈值只与光纤的损伤或熔接点的损伤相关，通过有效散热，激光输出功率平均功率可以达到几十瓦以及数百瓦量级，峰值功率为数千瓦到10千瓦量级。00286采用双包层增益光纤有利于直接从一级振荡器中得到高平均功率的脉冲激光输出。附图说明0029图1是本发明非线性效应调Q光纤激光器的结构示意图。0。
16、030图2是增益光纤中铥离子TM3的简化能级示意图。0031图3是输出的激光脉冲序列图。具体实施方式0032以下结合附图与实施例对本发明做进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。0033本发明的非线性效应调Q光纤激光器的结构如图1所示，包括高数值孔径非掺杂光纤2、泵浦源5、光纤合束器6、双包层增益光纤7和单模光纤9；所述的光纤合束器6的泵浦输入光纤熔接所述的泵浦源，该光纤合束器6信号光纤第一端口熔接所述的高数值孔径非掺杂光纤2的一端，该光纤合束器6信号光纤第二端口熔接所述的双包层增益光纤7的一端，所述的高数值孔径非掺杂光纤2的另一端切割成光纤斜角1，所述的双包层增益光纤7的另一端熔接所述。
17、的单模光纤9的一端，该单模光纤9的另一端切割成直角；所述的高数值孔径非掺杂光纤2还连接第一温控装置3，所述的双包层增益光纤7还连接第二温控装置8。所述的泵浦源5发射的泵浦光中心波长与所述的双包层增益光纤7的纤芯材料的中心吸收波长匹配。0034泵浦源5是高功率激光二极管阵列光纤耦合模块。本实施例采用一个可以温控的水冷装置来调节泵浦源的工作温度，使泵浦源5的发射波长与双包层增益光纤7的吸收峰很好的重合。泵浦功率可选择为60瓦。说明书CN104134927A4/4页60035光纤合束器6的尾纤及信号光纤的直径和数值孔径NA可以根据双包层增益光纤7和高数值孔径非掺杂光纤2的参数进行选择，在本实施例中，。
18、双包层增益光纤7为10/130微米双包层光纤，数值孔径为015/046；高数值孔径非掺杂光纤2的参数为35微米数值孔径为041。0036双包层增益光纤7的吸收峰为790纳米，纤芯直径为10微米、数值孔径为015，内包层横截面为六边形，内包层横截面形状还可以选择为圆形、方形、D形或梅花瓣形等。双包层增益光纤7纤芯中铥离子的掺杂浓度约为25重量比，同时还掺入了少量的AL3离子。0037泵浦源5发射出的泵浦光，通过光纤合束器6耦合进双包层掺铥增益光纤7。当泵浦源5对双包层增益光纤7进行纵向泵浦时，双包层增益光纤7中将产生自发辐射荧光。该自发辐射荧光传输到右端的普通单模光纤9的输出端面时受到4菲涅尔反。
19、射形成反馈，而传输到左端的高数值孔径非掺杂光纤2中时因为材料的折射率不均匀性会产生反向的瑞利散射RAYLEIGHSCATTERING形成随机反馈。这两种反馈在光纤中形成变化的激光谐振腔，当泵浦光增强到一定值时达到阈值就会在光纤中形成2微米左右的连续激光振荡。某些振荡的激光模式获得了较高的增益，导致激光强度放大到超过受激布里渊散射的阈值从而激发受激布里渊散射STIMULATEDBRILLOUINSCATTERING。受激布里渊散射波一般以弛豫脉冲的形式RELAXATIONOSCILLATION产生，这种布里渊散射波的弛豫脉冲向右传输到双包层增益光纤7时受到放大，从而形成强激光脉冲并通过普通单模光。
20、纤9从右端输出。0038为了有效散热，双包层增益光纤7的缠绕在水冷的铜制热沉中温控装置8，光纤的工作温度可以通过改变循环水的温度进行控制。0039图2所示为增益光纤中铥离子TM3的简化能级示意图。当泵浦源5泵浦双包层增益光纤7时，电子从基态3H6被泵浦到较高的激发态3H4，然后通过非辐射驰豫到准稳态3F4，即激光上能级。电子从激光上能级3F4跃迁到激光下能级3H6时，就会辐射出波长为2微米的光子。当激光二极管泵浦源1对该激光器进行连续泵浦时，上述辐射光子的过程也就连续发生，从而使得上激光能级3F4和下激光能级3H6之间产生连续激光辐射。采用其他种类光纤时增益离子的能级图相应的会改变。0040图。
21、3所示是一个典型的激光脉冲序列，显示了该激光脉冲具有较高的稳定性。0041该发明展示了，用激光二极管阵列5泵浦高浓度的双包层增益光纤7，同时利用高数值孔径非掺杂光纤2中的随机反馈形成的谐振腔来增强自发辐射，从而得到受激布里渊散射波，该布里渊散射波通过增益光纤的放大可以实现高功率的脉冲激光输出。0042因此，本发明所展示的是激光二极管泵浦的、高功率、适用于任何波长的通过非线性效应来进行调制的脉冲光纤激光器，这种无需体块调制器件的全光纤结构的激光器在激光加工、探测、传感、生物医学等领域具有广阔的应用前景。0043最为关键的是，通过选用不同类型的增益光纤及相应的泵浦源，该发明可以实现任意波段的全光纤脉冲光纤激光器，使其性能和用途不仅仅局限于该声明的范畴。说明书CN104134927A1/2页7图1图2说明书附图CN104134927A2/2页8图3说明书附图CN104134927A。