1465 nm與732.5 nm雙波長光纖激光器的研究

王 濤,姚建銓,張浩源,高 超,趙東哲,趙新潮,朱金龍

(1.河北工業大學機械學院,天津 300230;2.無錫津天陽激光電子有限公司,江蘇 無錫 214192;3.天津大學精儀學院,天津 300072)

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·激光器技術·

1465 nm與732.5 nm雙波長光纖激光器的研究

王 濤1,2,姚建銓3,張浩源1,2,高 超1,趙東哲1,2,趙新潮1,朱金龍1

(1.河北工業大學機械學院,天津 300230;2.無錫津天陽激光電子有限公司,江蘇 無錫 214192;3.天津大學精儀學院,天津 300072)

為物聯網用的光纖傳感器的測試提供光源,介紹了一種準連續輸出 1465 nm與732.5 nm 雙波長光纖激光器,對于摻鐠的激光光纖,研究分析了波長1465 nm光子能級的輻射躍遷,研究了使1040 nm激光衰減,而使1465 nm激光增益輸出的關鍵技術,實驗研究了輸出鏡的鍍膜數據與激光諧振腔的形式,實驗輸出1465 nm激光33 W,基頻為1465 nm激光,設置外腔倍頻KTP,通過聲光Q調制器調制,實驗獲得準連續輸出732.5 nm激光2 W,取得了1465 nm與732.5 nm雙波長輸出。

光纖激光器;摻鐠光纖;1465 nm激光;732.5 nm激光;雙波長輸出

1 引 言

1465 nm與732.5 nm雙波長光子纖激光器,主要應用于激光風速儀與光學傳感器的研究分析中以及物聯網傳感、激光全息等物理實驗研究中；但是,關于1465 nm與732.5 nm雙波長光子纖激光器的報道[1-5]較少,本文研究分析了光纖中1465 nm波長光子的輻射能級,推導了對應的能級輻射速率方程。研究分析了波長1465 nm光子能級的輻射躍遷,研究了使1040 nm激光衰減,而使1465 nm激光增益輸出的關鍵技術,實驗研究了輸出鏡的鍍膜數據與激光諧振腔的形式,實驗輸出1465 nm激光33 W,基頻為1465 nm激光,設置外腔倍頻KTP,通過聲光Q調制器調制,實驗獲得準連續輸出732.5 nm激光 2 W,取得了1465 nm與732.5 nm雙波長輸出,于是組成了1465 nm與732.5 nm雙波長輸出激光器。

2 1465 nm波長激光器

2.1 能級分析

本文的激光光纖材料為雙包層摻鐠ZrF4氟化物玻璃基質,稱為摻鐠光纖,這種光纖材料特點是： 熱導率高,散熱快,熱畸變小,損傷閾值高、工藝性好[1],適用于激光器連續運轉。摻鐠光纖的Pr3+的能級圖[6-7]如圖1所示。

圖1 摻鐠光纖的Pr3+的能級圖

它是準四能級系統,它以三價鐠離子作為激活粒子,抽運光子能量抽運基態3H4鐠離子,使其躍遷到高能級1G4,之后,躍遷到高能級1G4鐠離子的一部份發生無輻射躍遷,降落到的亞穩態能級4F3,另一部分1G4鐠離子發生輻射躍遷到3H5,這個輻射躍遷輻射1465 nm波長光子,另有一部分1G4鐠離子發生輻射躍遷到3H4輻射1040 nm波長光子,1G4到3H4的躍遷輻射1040 nm波長光子的發生幾率較大,1G4到3H5的躍遷輻射1465 nm波長光子的發生幾率次之,3F4到3H4的輻射光子躍遷的發生幾率最小,還另有一部分1G4鐠離子發生激發態吸收躍遷到1D2、3PO能級上；其中,1040 nm波長光子的躍遷,將使1G4到3H5的躍遷發生幾率降低,阻礙了1465 nm 波長輻射的發生,因此,應該使1040 nm光子躍遷衰減,使1465 nm波長輻射增益。

2.2 波長1465 nm光子的振蕩速率方程

(1)

(2)

nF=nF1+nF2

(3)

對于一定的nF來說,nF1越大,則nF2越小,摻鐠光纖輻射1040 nm光子的優勢競爭直接削弱了輻射1465 nm光子的躍遷,故減小nF1的份額,是增加nF2的份額,即增大1465 nm波長光子輸出的關鍵,結合式(1)、(2)分析得知,應盡量衰減 1040 nm波長光子起振,以利于1465 nm輸出。

2.3 諧振腔的研究

對于諧振腔,提高激光輸出功率的有效方法之一是腔長的合理設計[8]，圖2為環形摻鐠光纖結構示意圖,把它等效化為平平激光腔,這個腔長的關系式[9]如式(4),其中,腔長為L,混合模在光纖兩端鏡面上的光斑半徑分別為ωm.01,ωm.02,屬于對稱腔,因此有,d1=d2=L/2 ,同時諧振腔內光束的自洽,得出ωm.01=ωm.02=ωm.0,為獲得有效地功率輸出,需要獲得較大的模體積,對于抽運條件：f1為一常數,在ωm.0/k取得一個極大值時,諧振腔臨近基模運轉狀態,基模運轉狀態匹配有最佳腔長[10],受f1與d1的影響,實驗得出30～35 mm為最佳腔長范圍,在這個最佳腔長范圍,可以使模體積最大,可以使光束質量明顯提高,為此采用環形摻鐠光纖的平-平腔結構。

(4)

圖2 光纖激光腔示意圖

2.4 波長1465 nm激光器的實驗研究

2.4.1 1465 nm與732.5 nm雙波長光子纖激光器的光路

1465 nm與732.5 nm雙波長光子纖激光器的光路如圖3,等效平-平腔結構,環形摻鐠光纖,其尺寸為Φ2×30 mm(其他分別為：1-左路輸出1465 nm激光;2-左聚焦鏡;3-左擴束鏡;4-左光纖輸出端;5-雙包層摻鐠的ZrF4氟化物玻璃基質的光纖;6-光纖耦合器;7-多模抽運二極管模塊組;8-右光纖輸出端;9-二極管模塊組電源;10-右擴束鏡;11-右聚焦鏡;12-右路輸出732.5 nm激光;13-右路輸出鏡片;14-右路磷酸鈦氧鉀晶體;15-光學軌道及光機具;16-風扇)。

圖3 1465 nm與732.5 nm雙波長光纖激光器光路圖

2.4.2 摻鐠光纖及鏡片的鍍膜

采取措施衰減 1040 nm波長光子的起振,同時減小1465 nm光的腔內損耗,為此,在摻鐠光纖的兩端面鍍增透膜,增透膜波長為1040 nm,以此作為全反鏡,它使1040 nm光子漏出諧振腔,從而完全衰減1465 nm光子的振蕩,光纖輸出鏡端鍍對1465 nm光半反射率膜,雙端輸出,左路光纖輸出鏡鍍1465 nm 3.6%透射率膜,右路光纖輸出端鍍1465 nm 5.7%透射率膜,右路輸出鏡鍍732.5 nm高透射率膜。透射率為T=2.6%～8.2%為最佳范圍,可以說：對于1465 nm波長光子的輸出影響較大的因素,就是光纖輸出端鍍膜參數,超出這個范圍后,過大的T,因1465 nm 光子“漏出”過多而被衰減;過小的T,則輸出光子過少而造成功率衰減,光纖輸出端鍍1040 nm波長光子增透膜,使1040 nm波長光有效地衰減了。

2.4.3 半導體抽運源

摻鐠光纖采用中間LD耦合抽運的環形結構[11],額定電壓52 V,最高電流29 A,激光驅動電源額定電流22 A。

2.4.4 實驗研究

實驗結果如圖4所示,由于光纖激光晶體的熱效應,使電流超過29.1 A時,輸出功率開始下降。在電流為28 A時,1465 nm輸出功率為33 W,得知輻射1465 nm波長光子的輻射過程強,輻射1040 nm 波長光子輻射過程衰弱[6],使1040 nm波長光子得到了有效衰減,印證了前面的研究,實驗結果如圖5所示,由圖可知,在最佳腔長范圍外，腔長加長,將使輸出功率降低,可以提高激光輸出的功率有效方法是縮短腔長,這符合理論計算結果。

圖4 1465 nm波長激光輸出曲線

圖5 不同腔長的1465 mm波長激光輸出曲線

2.5 1465 nm波長激光器研究結論

1040 nm波長光子的輻射衰減是使1465 nm波長激光提高輸出功率的有效方法,研究確定的光學鏡片的鍍膜參數與腔型結構,有效地衰減了1040 nm 波長光子的發生,合理的縮短腔長,提高了激光輸出功率,實現了1465 nm 連續激光輸出 33 W,效果良好。

3 準連續光纖倍頻輸出732.5 nm激光器研究

采用1465 nm波長激光器,右路腔外設置KTP倍頻晶體、Q調制器、諧波腔鏡,732.5 nm輸出鏡,即構成732.5 nm激光輸出,左路直接輸出1465 nm激光,雙端輸出,732.5 nm激光輸出2W,1465 nm輸出2.5W。

倍頻晶體選用KTP倍頻晶體,它具有大的非線性系數及大的允許角、允許溫度及小的走離角[10],還具有破壞閾值較高、不潮解,易于獲得大尺寸,商品化程度高,成本相對較低等優點,為盡可能獲得大的模體積并與光纖模式匹配,并充分利用晶體材料和系統能量,系統選用6 mm×3 mm×3 mm的KTP倍頻晶體。

為有效地發揮Q調制器的作用等綜合因素,選用光纖環形的等效平-平腔結構,同樣要衰減1040 nm 的生成,光纖兩端鏡面均鍍 1040 nm高透射率膜,輸出鏡鍍對732.5 nm高透射率、對 1465 nm 高反射率膜。腔內設置鍍1465 nm高透射率、732.5 nm 高反射率膜諧波腔鏡。

Q調制器,工作中心頻率為27 MHz,衍射效率為21%,調制頻率為0.1～45 kHz,連續可調,最高調制功率輸出為115 W。

3.1 激光(732.5 nm)準連續Nd∶YAG外腔倍頻激光器實驗研究

激光器系統光路圖如圖3所示,右路732.5 nm輸出鏡。Q調制器輸出功率值為47 W、重復頻率為9 kHz,實驗結果如圖6所示,供電電壓56 V,電流28.5 A,等效腔長為30 mm,此時,激光732.5 nm輸出功率2 W,1465 nm激光在距輸出鏡處光束直徑為 0.96 mm,Q調制器可以有效提高基頻光的峰值功率密度,有效提高倍頻效率[10],從而提高激光輸出功率,在重復頻率為7.6 kHz時激光輸出功率為峰值,當抽運電流加大到26.9 A時,輸出功率 2.1 W,倍頻晶體具有熱效應,電流超過一定數值后,輸出功率開始下降,外腔倍頻Q調制器準連續輸出的諧振腔內光束功率密度很高,當光束功率密度加大到一定數值后,晶體內部與外部冷卻的溫度梯度大,晶體內部溫度急劇上升,使相位匹配角度發生變化,形成相位失配,降低了倍頻轉換率,倍頻光輸出功率隨之下降。

圖6 732.5 nm激光輸出曲線

3.2 雙端輸出實驗結果及分析

實驗結果如圖7所示,由左右兩端雙端輸出,雙端總輸出2.5W；得知,雙端輸出波長732.5nm激光總功率高于單端輸出,雙端輸出結構的KTP熱效應影響要低于單端輸出[10]。

圖7 雙端輸出732.5 nm與1465 nm激光功率曲線

3.3 激光(732.5 nm) 激光器研究結論

準連續激光(732.5 nm) 光纖外腔倍頻激光器,系統方案合理可行,輸出功率2.1 W,系統工作穩定。實踐證明,衰減 1040 nm的生成,有效地提高了1465 nm 激光輸出功率,有利于倍頻光732.5 nm的產生,聲光調Q對倍頻轉換效率影響較大,在重復頻率為9.9 kHz時激光(732.5 nm) 輸出功率為最高。

4 結 論

提供了一種準連續輸出 1465 nm與732.5 nm雙波長光子纖激光器,利用了波長1465 nm光子能級的輻射躍遷的特點,使1040 nm激光衰減,實現了1465 nm 激光增益輸出,確定了輸出鏡的鍍膜數據與激光諧振腔的形式,實驗輸出1465 nm激光33 W,基頻為1465 nm激光,實驗獲得準連續輸出732.5 nm激光2 W,取得了1465 nm與732.5 nm雙波長輸出,為物聯網用的光纖傳感器的測試提供了光源。

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Study on CW fiber laser at 1465 nm and 732.5 nm

WANG Tao1,2,YAO Jian-quan3,ZHANG Hao-yuan1,2,GAO Chao1,ZHAO Dong-zhe1,2,ZHAO Xin-chao1,ZHU Jin-long1

(1.Faculty of Mechanical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300230,China;2.Jin Tian Yang Laser Electronic Co.,LTD,Wuxi 214192,China;3.College of Precision Instrument Tianjin University,Tianjin 300072,China)

A dual-wave quasi-CW fiber laser has been demonstrated at the wavelengths of 1465 nm and 732.5 nm.The radiative transition of the 1465 nm energy level was analyzed for Pr-doped fiber.The critical technologies were studied,and these technologies can make 1040 nm laser attenuate and heighten the output of 1465 nm laser.Optical coating of output mirror and resonant cavity structure were studied through the experiments.And a maximum CW output power of 33 W at 1465 nm was acquired.Based on 1465 nm laser,an intracavity frequency-doubling laser of 732.5 nm was also demonstrated by using KTP crystal and acousto-optic Q-switch.A quasi-CW red light output power of 2 W at 732.5 nm was acquired,and dual-wave output was realized.

fiber laser;Pr-doped fiber;1465 nm laser;732.5 nm laser;dual-wave output

1001-5078(2015)11-1335-05

王 濤(1963-)，男，博士后,教授，主要從事高功率激光器及物聯網技術研究。E-mail：wtao_1@163.com

2015-03-09

TN248

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.11.010