CN106229803A

CN106229803A - 一种光纤基单频蓝光脉冲激光器

Info

Publication number: CN106229803A
Application number: CN201610813580.5A
Authority: CN
Inventors: 杨昌盛; 徐善辉; 杨中民; 张勤远; 冯洲明
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2016-09-12
Filing date: 2016-09-12
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2036-09-12
Also published as: CN106229803B

Abstract

本发明公开了一种光纤基单频蓝光脉冲激光器，包括泵浦源、合束器、宽带光纤光栅、热电制冷器TEC、输入准直器、非线性晶体、温控炉、输出准直器、高增益掺镱光纤、窄带保偏光纤光栅、PZT压电陶瓷、二色镜。本发明基于短线性腔调Q方式和内腔倍频结构，可以实现波长960~980nm、单一纵模（单频）基频激光。通过两个热电制冷器TEC进行分段温度调节，以及PZT压电陶瓷进行伸缩来精确操控光纤光栅对的波长匹配状态，可以调制谐振腔内损耗，继而实现调Q单频脉冲基频激光输出；再者，通过将厘米长度非线性晶体和内腔倍频结构，提高倍频蓝光的谐波转换效率与输出功率，最终实现基于光纤形式的单频蓝光脉冲激光输出。

Description

一种光纤基单频蓝光脉冲激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器，尤其是基于厘米量级短线性腔和内腔倍频结构，用PZT压电陶瓷电致伸缩和热电制冷器TEC分段温控进行调Q的单频蓝光脉冲激光器。

背景技术

单频光纤激光器可以运转在单一纵模状态，不仅具有一般光纤激光器的散热好、效率高、结构紧凑等特征，而且具有输出光谱线宽窄、噪声低、阈值低等优点。然而，在短波段（< 0.8µm）缺乏增益介质能够直接产生激光的情况下，二次谐波产生（SHG）倍频是获得短波段激光光源的有效手段。尤其是倍频980nm单模激光可以获得光数据存储、彩色显示、海底成像、水下通信等诸多领域亟需的490nm蓝光。通常对于倍频过程而言，采用脉冲基频光（即增加基频光峰值功率）或者将非线性晶体置于基频激光谐振腔内进行倍频转换，可以提高其谐波转换效率与输出功率。

当前研究蓝光激光主要基于外腔倍频结构，采用谱宽相对较宽（GHz量级）传统固体激光器或者光纤激光器作为基频光源进行倍频，但系统结构较复杂、稳定性较差、谐波转换效率较低。如Zou等人采用946nm掺Nd:YAG晶体激光器泵浦掺镱光纤来获得1.32W、980nm基频光，然后利用硼酸铋（BIBO）晶体和外腔倍频结构，实现了15mW、490nm连续蓝光输出[Appl.Phys.B,2009,95:685]。此外，Creeden等人采用1946nm脉冲光纤激光器和两块周期极化铌酸锂（PPLN）晶体，利用外腔倍频结构，实现了2W脉冲蓝光输出[Proc. of SPIE,2015,9728:972829]，其转换效率约16%。

相关的专利有：（1）2013年，山东海富光子科技股份有限公司申请了单频脉冲蓝光光源的专利[公开号：CN 103545702A]，利用压电元件周期性按压增益光纤调制978nm基频光的偏振方向进行调Q，将非线性晶体置于谐振腔外，实现了外腔倍频单频脉冲蓝光激光输出，但其所要求的蓝光激光器并未具有全光纤化特性，且结构较复杂。（2）2015年，中国科学院半导体研究所申请了可调谐蓝光激光装置的专利[公开号：CN 105428986A]，利用808nm半导体激光器倍频扇形极化周期晶体，实现了可调谐的倍频蓝光激光输出，但是其所要求的蓝光激光器并未具有单频和脉冲输出特性。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺点，提供一种基于光纤形式、以及在谐振腔内产生大功率、高效率的光纤基单频蓝光脉冲激光器。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种光纤基单频蓝光脉冲激光器，包括泵浦源、合束器、宽带光纤光栅、第一热电制冷器TEC、输入准直器、非线性晶体、温控炉（如微型精密温控炉）、输出准直器、高增益掺镱光纤、窄带保偏光纤光栅、PZT压电陶瓷、第二热电制冷器TEC、二色镜。各部件之间的结构关系是：其中所述的泵浦源的尾纤与合束器的泵浦输入端连接，合束器的信号输出端与宽带光纤光栅连接，宽带光纤光栅经输入准直器与非线性晶体的一端连接，非线性晶体的另一端经输出准直器与高增益掺镱光纤的一端连接，高增益掺镱光纤的另一端与窄带保偏光纤光栅的一端连接，窄带保偏光纤光栅的另一端与二色镜连接。其中第一热电制冷器TEC和TEC 2分别固定在宽带光纤光栅、窄带保偏光纤光栅的侧面；PZT压电陶瓷固定在窄带保偏光纤光栅的侧面。

进一步优化的，所述的泵浦源是波长范围为900~930nm的半导体激光器、光纤激光器或者其它固态激光器，为单横模或者多横模输出，其具体泵浦波长根据掺杂稀土离子类型和能级结构进行相应的选择。

进一步优化的，所述的宽带光纤光栅对泵浦光900~930nm波长高透，透射率在70％~99.9%之间；对基频激光960~980nm和蓝光波长两者都是高反，反射率在70~99.9%之间，其3dB反射谱宽为0.01~20nm。

进一步优化的，所述的输入准直器和输出准直器为超短焦距类型，焦距为0.5~10cm，对基频、蓝光激光起到准直、耦合的作用。

进一步优化的，所述的非线性晶体为周期极化铌酸锂（LiNbO₃）或钽酸锂（LiTaO₃）晶体，其形状为块体或波导型结构，使用长度为0.5~10cm。

进一步优化的，所述的高增益掺镱光纤为双包层结构，其在960~980nm波长处的增益大于1dB/cm；其具体使用长度根据激光输出功率、单纵模状态、窄带保偏光纤光栅的反射谱等进行选择，一般使用长度为0.2~20cm。

进一步优化的，所述的窄带保偏光纤光栅对基频激光960~980nm和蓝光波长两者都是部分反射，两者中心波长处的反射率在10~80%之间，其3dB反射谱宽为0.01~1nm。

进一步优化的，所述的PZT压电陶瓷固定在窄带保偏光纤光栅的侧面，对PZT压电陶瓷施加偏置电压信号实现伸缩，继而对窄带保偏光纤光栅的中心波长进行调节与控制。

进一步优化的，所述的二色镜对脉冲蓝光波长高透，透射率大于90%，对基频激光960~980nm和泵浦光900~930nm波段都是高反，反射率大于90%。

本发明采用短直腔和内腔倍频结构，由宽带光纤光栅、厘米长度高增益掺镱光纤和窄带保偏光纤光栅构成激光谐振腔。其中使用高掺杂和高增益特性的掺镱双包层光纤作为激光介质材料，利用宽带光纤光栅和窄带保偏光纤光栅的选频作用，通过设计窄带保偏光纤光栅的反射谱宽和控制谐振腔的腔长，在泵浦源的持续抽运下，能在激光谐振腔中产生受激单频960~980nm基频激光。由于光纤光栅对的中心波长受到温度、应力的影响，因此利用置于光纤光栅上面的热电制冷器TEC和PZT压电陶瓷元件来精确操控光纤光栅对的波长匹配状态，进而对激光谐振腔内的损耗进行调制。首先第二热电制冷器TEC对窄带保偏光纤光栅进行温度调节，改变窄带保偏光纤光栅的中心波长，使其与宽带光纤光栅的反射谱产生不匹配状态。其次当PZT压电陶瓷上面没有加载信号，以及通过第一热电制冷器TEC对宽带光纤光栅进行温度调节，改变宽带光纤光栅的波长范围和漂移方向，进一步加剧窄带保偏光纤光栅中心波长跟宽带光栅反射谱的不匹配程度，从而不会产生基频激光激射。再次当PZT压电陶瓷上面加载了适当信号之后，使得窄带保偏光纤光栅的中心波长与宽带光纤光栅的反射谱出现相应的匹配，因而在谐振腔内形成激光振荡。当加载一个周期性信号在PZT压电陶瓷上面，就可以得到调Q脉冲基频激光输出。特别是将非线性晶体置于基频激光谐振腔内来进行倍频，腔内同时存在单频基频脉冲激光、非线性二次谐波产生过程，可以实现结构紧凑、高转换效率的单频蓝光脉冲激光输出。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明分别将厘米量级高增益掺镱光纤、非线性晶体用作激光工作介质和内腔倍频介质。单频基频激光谐振腔由高增益掺镱光纤、宽带光纤光栅、窄带保偏光纤光栅一起组成，其中宽带光纤光栅和窄带保偏光纤光栅作为前后腔镜。在泵浦源的连续激励下，纤芯中的掺镱发光离子发生粒子数反转，产生受激辐射；通过设计与制作窄带保偏光纤光栅的反射谱宽，以及控制整个谐振腔的腔长，可以产生波长960~980nm单频基频激光。一方面利用光纤光栅的中心波长受到温度、应力影响的特点，首先通过第二热电制冷器TEC对窄带保偏光纤光栅进行温度调节，改变窄带保偏光纤光栅的中心波长，使其与宽带光纤光栅的反射谱出现不匹配状态；然后通过第一热电制冷器TEC对宽带光纤光栅进行温度调节，改变宽带光纤光栅的波长范围和漂移方向，进一步增加窄带保偏光纤光栅中心波长与宽带光纤光栅反射谱产生不匹配的程度，从而不会起振输出基频激光。另一方面利用PZT压电陶瓷的体积受到加载信号影响的特点，通过加载信号到PZT压电陶瓷产生伸缩来改变窄带保偏光纤光栅的长度，从而改变其中心波长，使得窄带保偏光纤光栅中心波长跟宽带光纤光栅反射谱产生相应的匹配，形成基频激光振荡。由于加载一个周期性信号在PZT压电陶瓷上面，能够调制谐振腔内的损耗（即调Q作用），就可以得到脉冲单频基频激光输出。最后通过将非线性晶体置于高功率密度运转下的脉冲激光谐振腔内，在腔镜的作用下基频激光和蓝光多次通过晶体，可以获得较高的谐波转换效率和输出功率效果，最终实现结构紧凑、光纤形式的单频蓝光脉冲激光输出。

附图说明

图1为本发明实施例中光纤基单频蓝光脉冲激光器原理示意图。

图中：1—泵浦源，2—合束器，3—宽带光纤光栅，4—第一热电制冷器TEC，5—输入准直器，6—非线性晶体，7—微型精密温控炉，8—输出准直器，9—高增益掺镱光纤，10—窄带保偏光纤光栅，11—PZT压电陶瓷，12—第二热电制冷器TEC，13—二色镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体例子对本发明作进一步描述，需要说明的是本发明要求保护的范围并不局限于实施例所表述的范围，以下若有未特别详细说明之处，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。

如图1所示，光纤基单频蓝光脉冲激光器包括泵浦源、合束器、宽带光纤光栅、第一热电制冷器TEC、输入准直器、非线性晶体、温控炉（可采用微型精密温控炉）、输出准直器、高增益掺镱光纤、窄带保偏光纤光栅、PZT压电陶瓷、第二热电制冷器TEC、二色镜。各部件之间的结构关系是：其中所述的泵浦源的尾纤与合束器的泵浦输入端连接，合束器的信号输出端与宽带光纤光栅连接，宽带光纤光栅经输入准直器与非线性晶体的一端连接，非线性晶体的另一端经输出准直器与高增益掺镱光纤的一端连接，高增益掺镱光纤的另一端与窄带保偏光纤光栅的一端连接，窄带保偏光纤光栅的另一端与二色镜连接。其中第一热电制冷器TEC和TEC 2分别固定在宽带光纤光栅、窄带保偏光纤光栅的侧面；PZT压电陶瓷固定在窄带保偏光纤光栅的侧面。

其中泵浦源1是多模半导体激光器，其输出状态为连续输出，采用前向泵浦方式。本例中泵浦波长为915nm，泵浦功率为10W。其中合束器2是（2+1）×1形式，即2个泵浦端口，直接将泵浦输入光纤拉锥熔合于双包层光纤内包层上面进行泵浦功率的耦合。其中宽带光纤光栅3对泵浦光915nm波长高透，本例中透射率大于99.9%；对基频激光976nm波长和488nm蓝光波长两者都是高反，本例中反射率均大于99.5%，其3dB反射谱宽小于0.5nm。其中输入准直器5和输出准直器8为超短焦距，本例中焦距为0.5cm。其中非线性晶体6为周期极化铌酸锂（LiNbO₃）或钽酸锂（LiTaO₃）晶体，其形状为块体或波导型结构，本例中非线性晶体是波导型周期极化铌酸锂晶体（LiNbO₃），使用长度为1cm。其中高增益掺镱光纤9在960~980nm波长处的增益大于1dB/cm与使用长度为0.2~20cm，本例中在976nm波长处的增益为10dB/cm，使用长度为0.5cm。其中窄带保偏光纤光栅10对基频激光976nm波长和488nm蓝光波长两者都是部分反射，本例中反射率分别大于10%和50%，对基频激光976nm波长的3dB反射谱宽为0.1nm。其中PZT压电陶瓷11固定在窄带保偏光纤光栅10的侧面，对PZT压电陶瓷施加偏置电压信号实现伸缩，调节与控制窄带保偏光纤光栅的中心波长。其中二色镜13对脉冲488nm蓝光波长高透，本例中透射率大于99%；对基频激光976nm波长和泵浦光915nm波长都是高反，反射率均大于99.9%。

将高增益掺镱光纤9作为激光的工作介质，由宽带光纤光栅3和窄带保偏光纤光栅10组成短F-P谐振腔的前后腔镜。多模半导体激光器1输出的泵浦光经合束器2的泵浦端输入，再经宽带光纤光栅3、非线性晶体6耦合到高增益掺镱光纤9的内包层中，并以折射方式反复穿越纤芯，被镱掺杂离子吸收之后形成粒子数反转，进而产生受激辐射光，通过控制谐振腔长以增加腔内相邻纵模间隔，能够获得单频976nm基频激光振荡与运转。利用光纤光栅的中心波长受到温度、应力影响的特点，通过第二热电制冷器TEC12对窄带保偏光纤光栅10的温度进行调节，改变窄带保偏光纤光栅10的中心波长，使其与宽带光纤光栅3的反射谱产生不匹配状态；以及进一步通过第一热电制冷器TEC4对宽带光纤光栅3进行温度调节，改变其波长范围和漂移方向，进而使得窄带保偏光纤光栅10的中心波长跟宽带光纤光栅3的反射谱出现不匹配的程度加剧，最终不能起振激射基频激光。再利用PZT压电陶瓷11的体积受到加载信号影响的特点，通过加载信号到PZT压电陶瓷11，改变紧紧固定在PZT压电陶瓷11上面的窄带保偏光纤光栅10的长度，从而改变其中心波长，使得窄带保偏光纤光栅10的中心波长跟宽带光纤光栅3的反射谱出现相应的匹配状态，从宽带光纤光栅3反射的激光可以在窄带保偏光纤光栅10处出现反射，形成基频激光振荡。由于加载一个周期性信号在PZT压电陶瓷11上面能够调制谐振腔内的损耗，从而可以得到调Q单频脉冲基频激光输出。

然后通过将非线性晶体6置于高功率密度运转下的谐振腔内，谐振腔内同时存在基频脉冲激光、非线性二次谐波产生过程，在腔镜的作用下单频基频激光和单频蓝光多次通过晶体形成共振增强倍频，可以获得结构紧凑、高转换效率的的488nm单频蓝光脉冲激光输出。基于上述方式，最终可以实现基于光纤形式的大功率、窄线宽单频蓝光脉冲激光器，且装置结构非常紧凑、简单易行。

Claims

1.一种光纤基单频蓝光脉冲激光器，包括泵浦源（1），其特征在于还包括合束器（2）、宽带光纤光栅（3）、第一热电制冷器TEC（4）、输入准直器（5）、非线性晶体（6）、温控炉（7）、输出准直器（8）、高增益掺镱光纤（9）、窄带保偏光纤光栅（10）、PZT压电陶瓷（11）、第二热电制冷器TEC（12）、二色镜（13）；其中泵浦源（1）的尾纤与合束器（2）的泵浦输入端连接，合束器（2）的信号输出端与宽带光纤光栅（3）连接，宽带光纤光栅（3）经输入准直器（5）与非线性晶体（6）的一端连接，非线性晶体（6）的另一端经输出准直器（8）与高增益掺镱光纤（9）的一端连接，高增益掺镱光纤（9）的另一端与窄带保偏光纤光栅（10）的一端连接，窄带保偏光纤光栅（10）的另一端与二色镜（13）连接；其中第一热电制冷器TEC（4）、第二热电制冷器TEC（12）分别固定在宽带光纤光栅（3）和窄带保偏光纤光栅（10）上，非线性晶体（6）固定在温控炉（7）上，PZT压电陶瓷（11）固定在窄带保偏光纤光栅（10）上。

2.如权利要求1所述的光纤基单频蓝光脉冲激光器，其特征在于：所述泵浦源（1）为波长900~930nm的半导体激光器、光纤激光器或者其它固态激光器，且为单横模或者多横模输出。

3.如权利要求1所述的光纤基单频蓝光脉冲激光器，其特征在于：所述的宽带光纤光栅（3）对泵浦光900~930nm波长高透，透射率为70％~99.9%；宽带光纤光栅（3）对960~980nm基频激光和蓝光波长两者都是高反，反射率为70~99.9%，其3dB反射谱宽为0.01~20nm。

4.如权利要求1所述的光纤基单频蓝光脉冲激光器，其特征在于：所述的输入准直器（5）和输出准直器（8）为超短焦距，焦距为0.5~10cm。

5.如权利要求1所述的光纤基单频蓝光脉冲激光器，其特征在于：所述的非线性晶体（6）为周期极化铌酸锂（LiNbO₃）或钽酸锂（LiTaO₃）晶体，其形状为块体或波导型结构，使用长度为0.5~10cm。

6.如权利要求1所述的光纤基单频蓝光脉冲激光器，其特征在于：所述的高增益掺镱光纤（9）为双包层结构，其在960~980nm波长处的增益系数大于1dB/cm，使用长度为0.2~20cm。

7. 如权利要求1所述的光纤基单频蓝光脉冲激光器，其特征在于：所述的窄带保偏光纤光栅（10）对基频激光960~980nm和蓝光波长两者都是部分反射，两者中心波长处的反射率为10~80%， 3dB反射谱宽为0.01~1nm。

8.如权利要求1所述的光纤基单频蓝光脉冲激光器，其特征在于：所述的PZT压电陶瓷（11）固定在窄带保偏光纤光栅（10）的侧面，对PZT压电陶瓷（11）施加偏置电压信号实现伸缩，继而对窄带保偏光纤光栅（10）的中心波长进行调节与控制。

9.如权利要求1所述的光纤基单频蓝光脉冲激光器，其特征在于：所述的二色镜（13）对脉冲蓝光波长高透，透射率大于90%，对基频激光960~980nm和泵浦光900~930nm波段都是高反，反射率大于90%。

10.如权利要求1~9任一项所述的光纤基单频蓝光脉冲激光器，其特征在于：激光器能产生波长960~980nm单频基频激光。