一种高功率的1.7μm全光纤激光器

摘要

本发明涉及光纤激光器领域，具体涉及一种高功率的1.7μm全光纤激光器，其采用双向泵浦结构，第一泵浦源提供前向泵浦光，第二泵浦源提供后向泵浦光，激光器谐振腔由第一高反布拉格光纤光栅和第二高反布拉格光纤光栅之间的直线腔构成；前后向泵浦光经由隔离器和波分复用器通入增益光纤中，在谐振腔中形成激光震荡，再经过滤波器，最后经过耦合器输出。本发明能实现高功率的1.7μm光纤激光输出，结构简单、紧凑性极好、激光输出稳定性良好，非常适合后期封装和集成化开发。

权利要求

1.一种高功率的1.7μm全光纤激光器，其特征在于：包括第一泵浦源(1)、第一隔离器(2)、第一布拉格光纤光栅(3)、增益光纤(4)、第二布拉格光纤光栅(5)、波分复用器(6)、带通滤波器(7)、耦合器(8)、第二泵浦源(10)和第二隔离器(9)；其中增益光纤(4)采用Tm/Tb共掺石英光纤；

所述第一泵浦源(1)提供前向泵浦光，第一泵浦源(1)、第一隔离器(2)、第一布拉格光纤光栅(3)、增益光纤(4)依次熔接；所述第二泵浦源(10)提供后向泵浦光，第二泵浦源(10)、第二隔离器(9)、波分复用器(6)、第二布拉格光纤光栅(5)、增益光纤(4)依次熔接；其中波分复用器(6)的合束端与第二布拉格光纤光栅(5)熔接，波分复用器(6)的泵浦端与第二隔离器(9)熔接，波分复用器(6)的信号注入端与带通滤波器(7)一端熔接，带通滤波器(7)另一端与耦合器(8)熔接，经耦合器(8)输出高功率1.7μm激光；

3+

所述增益光纤(4)采用Tm/Tb共掺石英光纤，包括芯层和包层，芯层中Tm 的掺杂浓度为

3+

3000ppm，包层中Tb 掺杂浓度为500ppm。

2.根据权利要求1所述的高功率的1.7μm全光纤激光器，其特征在于：所述第一泵浦源(1)和第二泵浦源(10)均为掺铒光纤激光器，其输出波长为1556nm，输出功率为0～50W。

3.根据权利要求1所述的高功率的1.7μm全光纤激光器，其特征在于：所述第一隔离器(2)和第二隔离器(9)工作波段为1550nm，隔离度50dB。

4.根据权利要求1所述的高功率的1.7μm全光纤激光器，其特征在于：所述第一布拉格光纤光栅(3)工作波长为1710nm，半高宽为0.1nm，中心波长处反射率大于99.9％，损伤阈值大于50W；所述第二布拉格光纤光栅(5)工作波长为1710nm，半高宽为0.1nm，中心波长处反射率为10％～30％之间，损伤阈值大于50W。

5.根据权利要求1所述的高功率的1.7μm全光纤激光器，其特征在于：按质量百分比计，所述芯层配方组分为：Tm(thd)3：0.3％、SiCl4：30～50％、GeCl4：5～20％、SiF4：10～20％、POCl3：10～20％、AlCl3：5～10％，所述包层配方组分为：Tb(thd)3：0.05％、SiCl4：30～

50％、GeCl4：5～20％、SiF4：10～20％、POCl3：10～20％、AlCl3：5～10％。

6.根据权利要求1所述的高功率的1.7μm全光纤激光器，其特征在于：所述增益光纤(4)的芯包结构为：包层～125μm、芯层～9μm，长度为1～10m，光纤传输损耗：20dB/km@1556nm、

25dB/km@1710nm。

7.根据权利要求1所述的高功率的1.7μm全光纤激光器，其特征在于：所述带通滤波器(7)的工作波段为1700～1720nm，隔离度大于25dB。

说明书

一种高功率的1.7μm全光纤激光器

技术领域

[0001] 本发明涉及光纤激光器领域，具体涉及一种高功率的1.7μm全光纤激光器。

背景技术

[0002] 1.7μm具有特殊的光谱性质和光谱位置，CH键在该波段处具有很强的吸收峰而水在此处吸收极少，此外相比于传统的1550nm通信，该波段处于更偏中红外波段的位置。因
此，该波段光纤激光器在光学相干层析成像(OCT)、激光医疗、飞秒光子显微成像、激光加
工、飞秒光频梳等领域均有极好的应用前景和广阔的市场价值。

[0003] 近些年随着该波段光纤激光光源应用潜力被大家所认识，它逐渐成为特种波长激光器的研究重点之一。国际上许多著名的光电子研究机构，如英国南安普顿大学、美国亚利
桑那大学、俄罗斯科学院等以及国内厦门大学、西安光机所、国防科大、长春理工大学等都
对1.7μm光纤激光器进行了研究。2017年，西安光机所基于掺铥石英光纤，实现了1.7μm连续
光纤激光输出，输出功率为3W，这是目前该波段光纤激光输出报道的最高功率值。然而，该
功率值尚无法满足该波段光纤激光器在上述应激光加工、激光医疗等领域的应用需求。

[0004] 目前，掺铥石英光纤是最为常用的1.7μm光纤激光器用增益光纤材料。但由于石英3+
光纤Tm 离子荧光中心波长一般位于1860nm附近，而1.7μm一般位于荧光光谱的尾部，这就
导致基于掺铥石英光纤实现1.7μm短波长操作过程极易出现两大问题：信号光被再吸收和
信号光增益饱和现象。此外，当前1.7μm波段的光纤光栅器件的承受功率较低。这些都极大
地限制了掺铥石英光纤激光器中1.7μm波段连续光纤激光的输出功率。随着业界对1.7μm波
段连续激光和应用需求迫切性的不断加大，如何提升该波段光纤激光输出功率势必成为该
领域的亟待解决的问题之一

发明内容

[0005] 本发明提出了一种高功率的1.7μm全光纤激光器，其能有效地解决信号光被再吸收和信号光增益饱和问题以及1.7μm波段的光纤光栅器件的承受功率较低等问题，极大地
提升1.7μm波段全光纤连续激光输出功率。

[0006] 本发明采用的技术方案：

[0007] 该高功率的1.7μm全光纤激光器，包括第一泵浦源、第一隔离器、第一布拉格光纤光栅、增益光纤、第二布拉格光纤光栅、波分复用器、带通滤波器、耦合器、第二泵浦源和第
二隔离器；其中增益光纤采用Tm/Tb共掺石英光纤；

[0008] 所述第一泵浦源提供前向泵浦光，第一泵浦源、第一隔离器、第一布拉格光纤光栅、增益光纤依次熔接；所述第二泵浦源提供后向泵浦光，第二泵浦源、第二隔离器、波分复
用器、第二布拉格光纤光栅、增益光纤依次熔接；其中波分复用器的合束端与第二布拉格光
纤光栅熔接，波分复用器的泵浦端与第二隔离器熔接，波分复用器的信号注入端与带通滤
波器一端熔接，带通滤波器另一端与耦合器熔接，经耦合器输出高功率1.7μm激光。

[0009] 基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化：

[0010] 可选地，所述第一泵浦源和第二泵浦源均为掺铒光纤激光器，其输出波长为1556nm，输出功率为0～50W。

[0011] 可选地，所述第一隔离器和第二隔离器工作波段为1550nm，隔离度50dB。

[0012] 可选地，所述第一布拉格光纤光栅工作波长为1710nm，半高宽为0.1nm，中心波长处反射率大于99.9％，损伤阈值大于50W；所述第二布拉格光纤光栅工作波长为1710nm，半
高宽为0.1nm，中心波长处反射率为10％～30％之间，损伤阈值大于50W。

[0013] 可选地，所述增益光纤采用Tm/Tb共掺石英光纤，包括芯层和包层，芯层中Tm3+的掺3+
杂浓度为3000ppm，包层中Tb 掺杂浓度为500ppm。

[0014] 进一步优选地，按质量百分比计，所述芯层配方组分为：Tm(thd)3：0.3％、SiCl4：30～50％、GeCl4：5～20％、SiF4：10～20％、POCl3：10～20％、AlCl3：5～10％，所述包层配方组
分为：Tb(thd)3：0.05％、SiCl4：30～50％、GeCl4：5～20％、SiF4：10～20％、POCl3：10～20％、
AlCl3：5～10％。

[0015] 可选地，所述增益光纤的芯包结构为：包层～125μm、芯层～9μm，长度为1～10m，光纤传输损耗：20dB/km@1556nm、25dB/km@1710nm。

[0016] 可选地，所述带通滤波器的工作波段为1700～1720nm，隔离度大于25dB。

[0017] 本发明采用双向泵浦结构，第一泵浦源提供前向泵浦光，第二泵浦源提供后向泵浦光，激光器谐振腔由第一高反布拉格光纤光栅和第二高反布拉格光纤光栅之间的直线腔
构成；前后向泵浦光经由隔离器和波分复用器通入增益光纤中，在谐振腔中形成激光震荡，
再经过滤波器，最后经过耦合器输出。其中两个隔离器的作用是防止泵浦源被反射回的泵
浦光打坏；带通滤波器的作用是将未被增益光纤吸收完全的前后向泵浦光以及激光信号中
的ASE给过滤掉。

[0018] 本发明具有以下有益效果：

[0019] 1、本发明采用输出波长为1556nm泵浦源进行同带泵浦，并采用双向泵浦结构，基于新型的Tm/Tb共掺石英光纤实现了高功率的20W级1.7μm连续光纤激光输出，激光斜率效
率高，信噪比高。

[0020] 2、本发明采用增益光纤材料为Tm/Tb共掺石英光纤，其荧光中心波长在信号激光波长1710nm附近，可有效地解决利用传统掺Tm石英光纤实现短波长1.7μm激光操作过程中
极易出现的信号光被再吸收和信号光增益饱和现象；同时进行了重要的优化，从而取得了
光纤增益与荧光中心波长的最佳平衡点，实现最佳的激光输出效果。

[0021] 3、本发明提出的光纤激光器为全光纤结构，结构简单、紧凑性极好、激光输出稳定性良好，非常适合后期封装和集成化开发。

[0022] 4、本发明所采用的布拉格光纤光栅损伤阈值很高，非常适合用作高功率的1.7μm光纤激光输出。
附图说明：

[0023] 图1为本发明的高功率1.7μm全光纤激光器结构图。

[0024] 图2为本发明实现的输出激光光谱图。

[0025] 图3为激光斜率效率图。

具体实施方式

[0026] 下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细说明。

[0027] 参见图1，本发明所提供的一种高功率的1.7μm全光纤激光器，其具体结构主要由泵浦源1、隔离器2、布拉格光纤光栅3、增益光纤4、布拉格光纤光栅5、波分复用器6、滤波器
7、耦合器8、隔离器9、泵浦源10组成。所述的泵浦源1与隔离器2的一端进行熔接，布拉格光
纤光栅3一端与隔离器2另一端熔接；另一端与增益光纤4熔接，布拉格光纤光栅5一端与增
益光纤4另一端熔接；布拉格光纤光栅5另一端与波分复用器6合束端进行熔接；波分复用器
6泵浦端与隔离器9一端进行熔接，隔离器9另一端与泵浦源10进行熔接；波分复用器6信号
注入端与滤波器7一端进行熔接，滤波器7另一端与耦合器8进行熔接。

[0028] 泵浦源1和泵浦源10可以采用IPG公司生产的掺铒光纤激光器，其输出波长为1556nm，输出功率为0～50W；隔离器2和隔离器9工作波段为1550nm，隔离度50dB；布拉格光
纤光栅3工作波长为1710nm，半高宽为0.1nm，中心波长处反射率大于99.9％，损伤阈值大于
50W；布拉格光纤光栅5工作波长为1710nm，半高宽为0.1nm，中心波长处反射率位20％之间，
损伤阈值大于50W；增益光纤4为实验室自制的Tm/Tb共掺石英光纤，芯包结构为：包层～125
μm、芯层～9μm，长度为5m，光纤传输损耗：20dB/km@1556nm、25dB/km@1710nm；芯层中掺杂
3+ 3+ 3+ 3+
Tm ，包层中掺杂Tb ，除了分别掺杂的Tm 、Tb 外，按质量百分比计，所述芯层配方的其他
组分为：SiCl4：30～50％、GeCl4：5～20％、SiF4：10～20％、POCl3：10～20％、AlCl3：5～10％，
所述包层配方的其他组分为：SiCl4：30～50％、GeCl4：5～20％、SiF4：10～20％、POCl3：10～
20％、AlCl3：5～10％。滤波器7为带通滤波器，带通工作波段为1700～1720nm，隔离度大于
25dB。

[0029] 采用双向泵浦结构，泵浦源1提供前向泵浦光，泵浦源10提供后向泵浦光，激光器谐振腔由布拉格光纤光栅3和布拉格光纤光栅5之间的直线腔构成；前、后向泵浦光经由隔
离器2、9和波分复用器6通入增益光纤4中，在谐振腔中形成1710nm光纤激光震荡，再经过滤
波器7，最后经过耦合器8输出。其中隔离器2、9的作用是防止泵浦源被反射回的泵浦光打
坏；带通滤波器的作用是将未被增益光纤吸收完全的前后向泵浦光以及激光信号中的ASE
给过滤掉。

[0030] 表1 Tm/Tb共掺石英光纤掺杂浓度试验

[0031] 光纤序号 Tm3+掺杂浓度(ppm) Tb3+掺杂浓度(ppm) 最大输出功率(W) 最大激光斜率效率1 1000 500 10.3 30.2％
2 1000 1000 8.7 24.6％
3 2000 500 15.2 45.7％
4 2000 1000 12.4 35.6％
5 3000 500 24.7 60.1％
6 3000 1000 14.8 42.2％
7 4000 500 18.1 50.4％
8 4000 1000 13.1 38.7％

[0032] 本实施例采用的增益光纤材料为新型的Tm/Tb共掺石英光纤，相比于传统的掺Tm石英光纤，其荧光中心波长在信号激光波长1710nm附近，可有效地解决利用传统掺Tm石英
光纤实现短波长1.7μm激光操作过程中极易出现的信号光被再吸收和信号光增益饱和现
象。本发明所采用的布拉格光纤光栅损伤阈值很高，非常适合用作高功率的1.7μm光纤激光
输出。如表1所示，实施例中采用了不同掺杂浓度比的Tm/Tb共掺石英光纤进行激光输出实
3+ 3+
验，获得了不同的实验结果。经过反复的实验优化以及相应的理论分析，当Tm 和Tb 掺杂
浓度分别为3000ppm和500ppm(折算为质量百分比为Tm(thd)3：0.3％、Tb(thd)3：0.05％)时，
该Tm/Tb共掺石英光纤获得了光纤增益与荧光中心波长的最佳平衡点，实验中也获得了最
佳的激光输出结果。

[0033] 如图2所示，本实施例采用输出波长为1556nm泵浦源进行同带泵浦，并采用双向泵浦结构，基于长度为5m的新型Tm/Tb共掺石英光纤实现了高功率的20W级1.7μm连续光纤激
光输出，输出功率为24.7W，激光斜率效率为60.1％(见图3)，信噪比到50dB。本实施例中的
光纤激光器为全光纤结构，结构简单、紧凑性极好、激光输出稳定性良好，非常适合后期封
装和集成化开发。