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CN109038192A - 一种上转换单频蓝绿光光纤激光器 - Google Patents

一种上转换单频蓝绿光光纤激光器 Download PDF

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CN109038192A
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China
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laser
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green
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杨昌盛
徐善辉
冯洲明
甘久林
黄振鹏
杨中民
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

本发明公开了一种上转换单频蓝绿光光纤激光器，其包括：宽带光纤布拉格光栅、高掺杂氟化物光纤、窄带光纤布拉格光栅、谐振腔温度控制模块、波分复用器、泵浦源和光隔离器。高掺杂氟化物光纤作为激光增益介质，分别与宽带光纤布拉格光栅、窄带光纤布拉格光栅相连接构成单频激光短腔，结合高掺杂氟化物光纤的上转换发光过程，从谐振腔中实现的单频蓝绿光光纤激光输出。与传统半导体蓝绿光激光器和经过非线性频率转换方式获得的蓝绿光激光器相比，本发明具有全光纤化连接、结构简单、易于维护、成本低、稳定性高等优点，可用于激光显示、水下通信、光数据存储，在原子探测、激光光谱学及生物医疗等领域有重要的应用价值。

Description

一种上转换单频蓝绿光光纤激光器
技术领域
本发明属于光纤激光器技术领域，具体涉及一种短线形腔结构的单频蓝绿光光纤激光器。
背景技术
可见光激光器，尤其是单频蓝绿光激光器在相干光探测、光数据存储、激光显示、生物及医学诊断等领域有着重要的应用价值。目前有三种较为常用的方式用于获得蓝绿光激光：（1）将红外波段激光作为基频光源，通过非线性频率转换过程获得蓝绿光激光；（2）采用氮化镓和硒化锌等蓝绿光半导体激光器经过光束整形后，输出蓝绿光激光；（3）使用氟化物光纤或晶体作为激光上转换增益介质，在泵浦源的抽运下直接输出蓝绿光激光。
然而对于非线性频率转换过程，其要求各个参与相互作用的光波满足相位匹配条件，这不仅对非线性光学晶体有一定的要求，而且对基频光源的性能（光束质量、线宽、功率等）也有极为严苛的要求。此外，由于非线性晶体的引入，会导致整个系统较为复杂、转换效率低、不利于系统的小型化与集成化。对于能够直接发射蓝绿光激光的半导体激光器来说，虽然近几年有了显著的进展，然而其本身仍存在较多缺陷，如：光束质量较差、寿命较短、量子效率较低和价格较高等，这些因素限制了它的进一步应用。而通过上转换发光过程，如掺杂稀土离子的氟化物光纤或晶体材料可以将长波辐射直接转换成短波辐射；将其作为激光增益介质，同时结合短线形腔结构和光纤布拉格光栅的选模机制，可以实现性能优异的单频蓝绿光激光输出。并且整个装置结构更紧凑、全光纤化、稳定性高，成本低，能够便于广泛应用。
相关的专利有：（1）2014年，合肥恒锐光电科技有限公司申请了倍频绿光光纤激光器的专利[公开号：CN 104242039A]，利用半导体可饱和吸收镜SESAM、掺镱双包层光纤、铌酸锂晶体和宽带光纤光栅一起构成激光谐振腔，实现了倍频绿光激光输出。（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。但是上述专利所要求的蓝绿光激光并未具有单纵模（单频）运转和全光纤化等典型特征。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种上转换单频蓝绿光光纤激光器。本发明采用分布式布拉格（DBR）短腔结构，由厘米量级高掺杂氟化物光纤作为激光增益介质，并结合一对光纤布拉格光栅一起构建DBR短线形腔。利用光纤光栅的选频作用，合理控制整个谐振腔腔长以增加腔内相邻纵模间隔，并通过温度控制模块对谐振腔进行精确温度控制。在外界泵浦源的泵浦作用下，高掺杂氟化物光纤实现上转换发光过程，进而激光在谐振腔内形成振荡，可以直接从谐振腔中输出高性能的单频蓝绿光光纤激光。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种上转换单频蓝绿光光纤激光器，其包括宽带光纤布拉格光栅、高掺杂氟化物光纤、窄带光纤布拉格光栅、谐振腔温度控制模块、波分复用器、泵浦源和光隔离器。各部件之间的结构关系是：高掺杂氟化物光纤的一端与宽带光纤布拉格光栅的一端连接，高掺杂氟化物光纤的另一端与窄带光纤布拉格光栅的一端连接，三者一起构成DBR单频激光短腔，并将谐振腔置于温度控制模块中进行精确温度控制。波分复用器的泵浦端与泵浦源的尾纤连接，波分复用器的公共端与窄带光纤布拉格光栅的另一端连接，波分复用器的信号端与光隔离器的输入端连接。最终谐振腔所产生的单频蓝绿光光纤激光经由光隔离器的输出端口输出。
进一步地，所述的宽带光纤布拉格光栅、高掺杂氟化物光纤和窄带光纤布拉格光栅之间是通过研磨抛光各自的光纤端面后直接对接耦合，或者通过光纤熔接机进行熔接耦合。
进一步地，所述的宽带光纤布拉格光栅的中心波长范围为350～550nm，3dB反射带宽小于1nm；其对泵浦光波长的透射率大于70%，对激光信号光波长的反射率大于85%。
进一步地，所述的高掺杂氟化物光纤为氟化物玻璃基质，其稀土掺杂离子为Er3+、Tm3+、Ho3+、Nd3+单掺或Pr3+/Yb3+共掺。
进一步地，所述的窄带光纤布拉格光栅的中心波长范围为350～550nm，3dB反射带宽小于0.2nm；其对激光信号光波长的反射率大于10%。
进一步地，所述的泵浦源为带尾纤的半导体激光器、固体激光器或光纤激光器。
进一步地，所述的泵浦源为一个或多个激光，采用单一波长泵浦或多个波长混合泵浦的方式，泵浦波长范围为600～1200nm。
进一步地，所述的高掺杂氟化物光纤为厘米级高掺杂氟化物光纤。
进一步地，所述的高掺杂氟化物光纤掺杂离子浓度范围为大于1mol%，且在纤芯内均匀掺杂。
与现有技术相比，本发明的技术效果是：短长度（使用长度0.5-3厘米）的高掺杂氟化物光纤作为激光工作介质，宽带光纤布拉格光栅和窄带光纤布拉格光栅分别作为前后腔镜，三者一起构成DBR结构形式的单频蓝绿光谐振短腔。在红外波段泵浦源的持续泵浦作用下，通过上转换发光过程直接获得蓝绿光激光输出；同时由于谐振腔腔长较短（只有几厘米，腔内的相邻纵模间隔可达GHz量级），当窄带光纤布拉格光栅的3dB反射谱窄至一定程度时，即可实现谐振短腔内只存在一个单纵模（单频）运转并输出。此外，结合谐振腔温度控制模块对谐振腔的工作温度进行精确控制，便可以实现高效、稳定的单频蓝绿光光纤激光输出。该发明获得的单频蓝绿光光纤激光器可以实现全光纤化，其结构简单、工作性能稳定、易于维护、成本低，在激光显示、水下探测、光数据存储、原子探测、激光光谱学及生物医疗等领域有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明提供的一种上转换单频蓝绿光光纤激光器的结构示意图。
图中：1—宽带光纤布拉格光栅，2—高掺杂氟化物光纤，3—窄带光纤布拉格光栅，4—谐振腔温度控制模块，5—波分复用器，6—泵浦源，7—光隔离器。
具体实施方式
以下结合附图，通过具体实施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表述的范围。
如图1，本发明提供的一种上转换单频蓝绿光光纤激光器，其包括宽带光纤布拉格光栅、高掺杂氟化物光纤、窄带光纤布拉格光栅、谐振腔温度控制模块、波分复用器、泵浦源和光隔离器。各部件之间的结构关系是：其中高掺杂氟化物光纤的一端与宽带光纤布拉格光栅的一端连接，高掺杂氟化物光纤的另一端与窄带光纤布拉格光栅的一端连接，三者一起构成DBR单频激光短腔，并将谐振腔置于温度控制模块中进行精确温度控制。波分复用器的泵浦端与泵浦源的尾纤连接，波分复用器的公共端与窄带光纤布拉格光栅的另一端连接，波分复用器的信号端与光隔离器的输入端连接。最终谐振腔所产生的单频蓝绿光光纤激光经由光隔离器的输出端口输出。
本例中所使用的激光工作介质高掺杂氟化物光纤（2）为掺杂高浓度稀土离子Tm3+，其离子浓度为4mol%，使用长度为2.5cm。宽带光纤布拉格光栅（1）的工作中心波长为450nm，3dB反射带宽为0.35nm；对泵浦光波长的透射率为99.9%，对激光信号光波长的反射率为99.5%。窄带光纤布拉格光栅（3）的工作中心波长为450nm，其3dB反射带宽为0.08nm；其对激光信号波长的反射率为70%。由氟化物光纤和一对光纤布拉格光栅通过研磨各自端面对接耦合，一起组成DBR单频激光谐振短腔。将谐振腔置于特殊定制的金属铜槽中，并用TEC制冷器构成的温度控制模块（4）对整个谐振腔进行精确温度控制，控制精度±0.1°C。同时选择工作波长为1120nm的掺Yb3+光纤激光器作为泵浦源（6），其泵浦输出功率为2W，带尾纤方式输出。泵浦源（6）通过一个450/1120nm的波分复用器（5）完成对DBR单频谐振短腔的泵浦抽运作用，最终谐振腔输出的单频蓝光经由一个工作中心波长为450nm的光隔离器输出。基于上述方式，最终可以实现单一纵模运转、蓝光波段（工作中心波长450nm）的光纤激光输出。

Claims (9)

1.一种上转换单频蓝绿光光纤激光器，其特征在于包括：宽带光纤布拉格光栅（1）、高掺杂氟化物光纤（2）、窄带光纤布拉格光栅（3）、谐振腔温度控制模块（4）、波分复用器（5）、泵浦源（6）和光隔离器（7）；各部件的结构关系是：高掺杂氟化物光纤（2）的一端与宽带光纤布拉格光栅（1）的一端连接，高掺杂氟化物光纤（2）的另一端与窄带光纤布拉格光栅（3）的一端连接，一起构成单频激光短腔，并将单频激光短腔置于谐振腔温度控制模块（4）中进行精确温度控制；波分复用器（5）的泵浦端与泵浦源（6）的尾纤连接，波分复用器（5）的公共端与窄带光纤布拉格光栅（3）的另一端连接，波分复用器（5）的信号端与光隔离器（7）的输入端连接；最终谐振腔所产生的单频蓝绿光光纤激光经光隔离器（7）的输出端口输出。
2.如权利要求1所述的一种上转换单频蓝绿光光纤激光器，其特征在于：所述的宽带光纤布拉格光栅（1）、高掺杂氟化物光纤（2）和窄带光纤布拉格光栅（3）之间是通过研磨抛光各自的光纤端面后直接对接耦合，或者通过光纤熔接机熔接耦合。
3.如权利要求1所述的一种上转换单频蓝绿光光纤激光器，其特征在于：所述的宽带光纤布拉格光栅（1）的中心波长范围为350～550nm，3dB反射带宽小于1nm；其对泵浦光波长的透射率大于70%，对激光信号光波长的反射率大于85%。
4.如权利要求1所述的一种上转换单频蓝绿光光纤激光器，其特征在于：所述的高掺杂氟化物光纤（2）为氟化物玻璃基质，其稀土掺杂离子为Er3+、Tm3+、Ho3+、Nd3+单掺或Pr3+/Yb3+共掺。
5.如权利要求1所述的一种上转换单频蓝绿光光纤激光器，其特征在于：所述的窄带光纤布拉格光栅（3）的中心波长范围为350～550nm，3dB反射带宽小于0.2nm；其对激光信号光波长的反射率大于10%。
6.如权利要求1所述的一种上转换单频蓝绿光光纤激光器，其特征在于：所述的泵浦源（6）为带尾纤的半导体激光器、固体激光器或光纤激光器。
7.如权利要求1所述的一种上转换单频蓝绿光光纤激光器，其特征在于：所述的泵浦源（6）为一个或多个激光器，采用单一波长泵浦或多个波长混合泵浦的方式，其泵浦波长范围为600～1200nm。
8.如权利要求1所述的一种上转换单频蓝绿光光纤激光器，其特征在于：所述的高掺杂氟化物光纤（2）为厘米级高掺杂氟化物光纤。
9.如权利要求1所述的一种上转换单频蓝绿光光纤激光器，其特征在于：所述的高掺杂氟化物光纤（2）掺杂离子浓度范围为大于1mol%，且在纤芯内均匀掺杂。
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