本發(fā)明主要涉及到高功率光纖激光，尤其是一種低溫運行的光纖激光器。

背景技術：

1、光纖激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、光束質(zhì)量好等優(yōu)點，在工業(yè)加工、醫(yī)療、傳感、科研等方面具有廣泛的用途，傳統(tǒng)光纖激光器的工作溫度通常在室溫附近，無法適應較寬的溫度范圍，特別是低溫環(huán)境。而隨著光纖激光器應用的拓展，激光器的應用環(huán)境也越來越復雜，亟需能夠適應各種溫度環(huán)境的激光器方案。然而，目前幾乎所有高功率光纖激光器均無法直接適應低溫環(huán)境，這里有諸多機理問題需要解決，例如溫度導致泵浦波長移動，從而極大地改變吸收特性；溫度導致光纖涂覆層材料變化，從而增加包層傳輸光的損耗；溫度導致高摻雜纖芯的損耗增大等。目前已有文獻報道了光纖激光器在低溫環(huán)境下效率存在下降的情況，該情況不利于高功率光纖激光器的低溫應用和系統(tǒng)安全。

技術實現(xiàn)思路

1、針對目前高功率光纖激光器無法直接應用于低溫環(huán)境的問題，本發(fā)明提出一種低溫運行的光纖激光器。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下：

3、一方面，本發(fā)明提供一種低溫運行的光纖激光器，泵浦模塊和增益光纖，所述泵浦模塊中各泵浦源為非波長鎖定的半導體激光器，各泵浦源在常溫下的中心波長均位于增益光纖吸收峰右側(cè)谷底區(qū)域，當溫度向零度或零度以下下降時，各泵浦源的中心波長向短波移動，從而保證溫度向零度或零度以下下降時，泵浦源的中心波長漂移的結(jié)果是使增益光纖的泵浦吸收加強。

4、進一步地，所述增益光纖至少包括纖芯、第一內(nèi)包層、第二內(nèi)包層以及外包層等部分，所述纖芯是摻雜有鐿離子的有源區(qū)域，所述第一內(nèi)包層是折射率低于纖芯的石英材料，且為了便于包層光吸收，橫截面形狀可以是八角形、d形等；所述第二內(nèi)包層緊挨第一內(nèi)包層之外，是溫度低敏感的低折射率材料層，材料的折射率略低于第一內(nèi)包層，例如摻氟石英材料等；所述外包層是光纖的保護層，可以是低折射率的樹脂材料也可以是金屬涂層。

5、進一步地，所述增益光纖中的纖芯中還通過摻雜磷或/和鋁元素使其吸收譜的峰谷之間變得更平坦，其中如同時摻雜磷和鋁元素，則摻雜磷元素與摻鋁元素的比例為0~1.2之內(nèi)。

6、進一步地，所述泵浦模塊中各泵浦源在常溫下的中心波長位于930nm~950nm或者1000nm~1020nm。

7、進一步地，所述低溫運行的光纖激光器包括泵浦耦合器，各泵浦源通過泵浦耦合器將泵浦源輸出的泵浦光耦合到增益光纖的包層中。

8、進一步地，所述增益光纖的一端接有高反射率光柵，增益光纖的另一端接有低反射率光柵，高反射率光柵、低反射率光柵構(gòu)成諧振腔的兩個端面。

9、進一步地，所述高反射率光柵、低反射率光柵的中心波長一致，用于選擇目標波長的激光進行放大，高反射率光柵的反射率≥90%，低反射率光柵的反射率≤20%。

10、進一步地，所述增益光纖在峰值波長處的包層泵浦吸收系數(shù)為0.2db/m～2.5db/m。如果吸收系數(shù)過大，光纖低溫損耗也會增大。

11、進一步地，所述增益光纖的長度與所述泵浦模塊中泵浦源在常溫下的中心波長相匹配，使得總吸收系數(shù)達到10db~30db。

12、進一步地，所述低溫運行的光纖激光器包括包層光濾除器以及光纖輸出端帽，用于將包層光從光纖中濾除，將經(jīng)纖芯中傳輸?shù)墓庾鳛楣饫w激光器的輸出激光導出至光纖輸出端帽，光纖輸出端帽將輸出激光輸出到空間。

13、相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明的技術效果：

14、本發(fā)明泵浦模塊中各泵浦源為非波長鎖定的半導體激光器，各泵浦源在常溫下的中心波長均位于增益光纖吸收峰右側(cè)谷底區(qū)域，且當溫度向零度或零度以下下降時，各泵浦源的中心波長向短波移動（即向976nm或915nm兩個吸收峰移動），從而保證溫度向零度或零度以下下降時，泵浦源的中心波長漂移的結(jié)果是使增益光纖的泵浦吸收加強。

15、進一步地，增益光纖是溫度低敏感、纖芯中摻鐿離子的摻雜光纖。對于增益光纖避免在傳統(tǒng)的雙包層結(jié)構(gòu)中使用丙烯酸酯等溫度敏感材料作為涂覆層與第一內(nèi)包層接觸，本發(fā)明中的增益光纖優(yōu)選摻氟石英等低折射率材料作為第二內(nèi)包層，使得低溫下第一內(nèi)包層傳光特性不會顯著改變，降低光纖在低溫下的泵浦光傳輸損耗，從而保證包層傳輸效率不會隨溫度下降。

16、本發(fā)明使光纖激光器在低溫環(huán)境中效率保持穩(wěn)定，便于開展后續(xù)應用和科學研究。

技術特征：

1.低溫運行的光纖激光器，包括泵浦模塊和增益光纖，其特征在于，所述泵浦模塊中各泵浦源為非波長鎖定的半導體激光器，各泵浦源在常溫下的中心波長均位于增益光纖吸收峰右側(cè)谷底區(qū)域，且當溫度向零度或零度以下下降時，各泵浦源的中心波長向短波移動，從而保證溫度向零度或零度以下下降時，泵浦源的中心波長漂移的結(jié)果是使增益光纖的泵浦吸收加強。

2.根據(jù)權利要求1所述的低溫運行的光纖激光器，其特征在于，所述增益光纖至少包括纖芯、第一內(nèi)包層、第二內(nèi)包層以及外包層，所述纖芯是摻雜有鐿離子的有源區(qū)域，所述第一內(nèi)包層是折射率低于纖芯的石英材料；所述第二內(nèi)包層緊挨第一內(nèi)包層之外，是溫度低敏感的低折射率材料層，材料的折射率低于第一內(nèi)包層；所述外包層是光纖的保護層，是低折射率的樹脂材料或者是金屬涂層。

3.根據(jù)權利要求2所述的低溫運行的光纖激光器，其特征在于，所述增益光纖中的纖芯中還通過摻雜磷或/和鋁元素使其吸收譜的峰谷之間變得更平坦。

4.根據(jù)權利要求1或2或3所述的低溫運行的光纖激光器，其特征在于，所述泵浦模塊中各泵浦源在常溫下的中心波長位于930nm~950nm或者1000nm~1020nm。

5.根據(jù)權利要求4所述的低溫運行的光纖激光器，其特征在于，還包括泵浦耦合器，各泵浦源通過泵浦耦合器將泵浦源輸出的泵浦光耦合到增益光纖的包層中。

6.根據(jù)權利要求5所述的低溫運行的光纖激光器，其特征在于，所述增益光纖的一端接有高反射率光柵，增益光纖的另一端接有低反射率光柵，高反射率光柵、低反射率光柵構(gòu)成諧振腔的兩個端面。

7.根據(jù)權利要求6所述的低溫運行的光纖激光器，其特征在于，高反射率光柵、低反射率光柵的中心波長一致，用于選擇目標波長的激光進行放大，高反射率光柵的反射率≥90%，低反射率光柵的反射率≤20%。

8.根據(jù)權利要求5或6或7所述的低溫運行的光纖激光器，其特征在于，所述增益光纖在峰值波長處的包層泵浦吸收系數(shù)為0.2db/m～2.5db/m。

9.根據(jù)權利要求1或2或3或5或6或7所述的低溫運行的光纖激光器，其特征在于，所述增益光纖的長度與所述泵浦模塊中泵浦源在常溫下的中心波長相匹配，使得總吸收系數(shù)達到10db~30db。

10.根據(jù)權利要求9所述的低溫運行的光纖激光器，其特征在于，還包括包層光濾除器以及光纖輸出端帽，用于將包層光從光纖中濾除，將經(jīng)纖芯中傳輸?shù)墓庾鳛楣饫w激光器的輸出激光導出至光纖輸出端帽，光纖輸出端帽將輸出激光輸出到空間。

技術總結(jié)
本發(fā)明公開了一種低溫運行的光纖激光器，包括泵浦模塊和增益光纖，所述泵浦模塊中各泵浦源為非波長鎖定的半導體激光器，各泵浦源在常溫下的中心波長均位于增益光纖吸收峰右側(cè)谷底區(qū)域，當溫度向零度或零度以下下降時，各泵浦源的中心波長向短波移動，從而保證溫度向零度或零度以下下降時，泵浦源的中心波長漂移的結(jié)果是使增益光纖的泵浦吸收加強。進一步地，所述增益光纖在傳輸泵浦光的內(nèi)包層之外包覆的是溫度不敏感的低折射率材料層，該設計使得泵浦光的傳輸損耗不會受到溫度變化的影響。本發(fā)明的光纖激光器通過器件針對性設計，使其能夠在低溫環(huán)境下高效地產(chǎn)生激光，可以應用于特殊的溫度環(huán)境。

技術研發(fā)人員：陳金寶,張漢偉,吳金明,王小林,潘志勇,王鵬,奚小明,吳函爍,劉文廣,韓凱,許曉軍
受保護的技術使用者：中國人民解放軍國防科技大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/5/15