1465 nm与732.5 nm双波长光纤激光器的研究

王 涛,姚建铨,张浩源,高 超,赵东哲,赵新潮,朱金龙

(1.河北工业大学机械学院,天津 300230;2.无锡津天阳激光电子有限公司,江苏 无锡 214192;3.天津大学精仪学院,天津 300072)



·激光器技术·

1465 nm与732.5 nm双波长光纤激光器的研究

王 涛1,2,姚建铨3,张浩源1,2,高 超1,赵东哲1,2,赵新潮1,朱金龙1

(1.河北工业大学机械学院,天津 300230;2.无锡津天阳激光电子有限公司,江苏 无锡 214192;3.天津大学精仪学院,天津 300072)

为物联网用的光纤传感器的测试提供光源,介绍了一种准连续输出 1465 nm与732.5 nm 双波长光纤激光器,对于掺镨的激光光纤,研究分析了波长1465 nm光子能级的辐射跃迁,研究了使1040 nm激光衰减,而使1465 nm激光增益输出的关键技术,实验研究了输出镜的镀膜数据与激光谐振腔的形式,实验输出1465 nm激光33 W,基频为1465 nm激光,设置外腔倍频KTP,通过声光Q调制器调制,实验获得准连续输出732.5 nm激光2 W,取得了1465 nm与732.5 nm双波长输出。

光纤激光器;掺镨光纤;1465 nm激光;732.5 nm激光;双波长输出

1 引 言

1465 nm与732.5 nm双波长光子纤激光器,主要应用于激光风速仪与光学传感器的研究分析中以及物联网传感、激光全息等物理实验研究中；但是,关于1465 nm与732.5 nm双波长光子纤激光器的报道[1-5]较少,本文研究分析了光纤中1465 nm波长光子的辐射能级,推导了对应的能级辐射速率方程。研究分析了波长1465 nm光子能级的辐射跃迁,研究了使1040 nm激光衰减,而使1465 nm激光增益输出的关键技术,实验研究了输出镜的镀膜数据与激光谐振腔的形式,实验输出1465 nm激光33 W,基频为1465 nm激光,设置外腔倍频KTP,通过声光Q调制器调制,实验获得准连续输出732.5 nm激光 2 W,取得了1465 nm与732.5 nm双波长输出,于是组成了1465 nm与732.5 nm双波长输出激光器。

2 1465 nm波长激光器

2.1 能级分析

本文的激光光纤材料为双包层掺镨ZrF4氟化物玻璃基质,称为掺镨光纤,这种光纤材料特点是： 热导率高,散热快,热畸变小,损伤阈值高、工艺性好[1],适用于激光器连续运转。掺镨光纤的Pr3+的能级图[6-7]如图1所示。

图1 掺镨光纤的Pr3+的能级图

它是准四能级系统,它以三价镨离子作为激活粒子,抽运光子能量抽运基态3H4镨离子,使其跃迁到高能级1G4,之后,跃迁到高能级1G4镨离子的一部份发生无辐射跃迁,降落到的亚稳态能级4F3,另一部分1G4镨离子发生辐射跃迁到3H5,这个辐射跃迁辐射1465 nm波长光子,另有一部分1G4镨离子发生辐射跃迁到3H4辐射1040 nm波长光子,1G4到3H4的跃迁辐射1040 nm波长光子的发生几率较大,1G4到3H5的跃迁辐射1465 nm波长光子的发生几率次之,3F4到3H4的辐射光子跃迁的发生几率最小,还另有一部分1G4镨离子发生激发态吸收跃迁到1D2、3PO能级上；其中,1040 nm波长光子的跃迁,将使1G4到3H5的跃迁发生几率降低,阻碍了1465 nm 波长辐射的发生,因此,应该使1040 nm光子跃迁衰减,使1465 nm波长辐射增益。

2.2 波长1465 nm光子的振荡速率方程

(1)

(2)

nF=nF1+nF2

(3)

对于一定的nF来说,nF1越大,则nF2越小,掺镨光纤辐射1040 nm光子的优势竞争直接削弱了辐射1465 nm光子的跃迁,故减小nF1的份额,是增加nF2的份额,即增大1465 nm波长光子输出的关键,结合式(1)、(2)分析得知,应尽量衰减 1040 nm波长光子起振,以利于1465 nm输出。

2.3 谐振腔的研究

对于谐振腔,提高激光输出功率的有效方法之一是腔长的合理设计[8]，图2为环形掺镨光纤结构示意图,把它等效化为平平激光腔,这个腔长的关系式[9]如式(4),其中,腔长为L,混合模在光纤两端镜面上的光斑半径分别为ωm.01,ωm.02,属于对称腔,因此有,d1=d2=L/2 ,同时谐振腔内光束的自洽,得出ωm.01=ωm.02=ωm.0,为获得有效地功率输出,需要获得较大的模体积,对于抽运条件：f1为一常数,在ωm.0/k取得一个极大值时,谐振腔临近基模运转状态,基模运转状态匹配有最佳腔长[10],受f1与d1的影响,实验得出30～35 mm为最佳腔长范围,在这个最佳腔长范围,可以使模体积最大,可以使光束质量明显提高,为此采用环形掺镨光纤的平-平腔结构。

(4)

图2 光纤激光腔示意图

2.4 波长1465 nm激光器的实验研究

2.4.1 1465 nm与732.5 nm双波长光子纤激光器的光路

1465 nm与732.5 nm双波长光子纤激光器的光路如图3,等效平-平腔结构,环形掺镨光纤,其尺寸为Φ2×30 mm(其他分别为：1-左路输出1465 nm激光;2-左聚焦镜;3-左扩束镜;4-左光纤输出端;5-双包层掺镨的ZrF4氟化物玻璃基质的光纤;6-光纤耦合器;7-多模抽运二极管模块组;8-右光纤输出端;9-二极管模块组电源;10-右扩束镜;11-右聚焦镜;12-右路输出732.5 nm激光;13-右路输出镜片;14-右路磷酸钛氧钾晶体;15-光学轨道及光机具;16-风扇)。

图3 1465 nm与732.5 nm双波长光纤激光器光路图

2.4.2 掺镨光纤及镜片的镀膜

采取措施衰减 1040 nm波长光子的起振,同时减小1465 nm光的腔内损耗,为此,在掺镨光纤的两端面镀增透膜,增透膜波长为1040 nm,以此作为全反镜,它使1040 nm光子漏出谐振腔,从而完全衰减1465 nm光子的振荡,光纤输出镜端镀对1465 nm光半反射率膜,双端输出,左路光纤输出镜镀1465 nm 3.6%透射率膜,右路光纤输出端镀1465 nm 5.7%透射率膜,右路输出镜镀732.5 nm高透射率膜。透射率为T=2.6%～8.2%为最佳范围,可以说：对于1465 nm波长光子的输出影响较大的因素,就是光纤输出端镀膜参数,超出这个范围后,过大的T,因1465 nm 光子“漏出”过多而被衰减;过小的T,则输出光子过少而造成功率衰减,光纤输出端镀1040 nm波长光子增透膜,使1040 nm波长光有效地衰减了。

2.4.3 半导体抽运源

掺镨光纤采用中间LD耦合抽运的环形结构[11],额定电压52 V,最高电流29 A,激光驱动电源额定电流22 A。

2.4.4 实验研究

实验结果如图4所示,由于光纤激光晶体的热效应,使电流超过29.1 A时,输出功率开始下降。在电流为28 A时,1465 nm输出功率为33 W,得知辐射1465 nm波长光子的辐射过程强,辐射1040 nm 波长光子辐射过程衰弱[6],使1040 nm波长光子得到了有效衰减,印证了前面的研究,实验结果如图5所示,由图可知,在最佳腔长范围外，腔长加长,将使输出功率降低,可以提高激光输出的功率有效方法是缩短腔长,这符合理论计算结果。

图4 1465 nm波长激光输出曲线

图5 不同腔长的1465 mm波长激光输出曲线

2.5 1465 nm波长激光器研究结论

1040 nm波长光子的辐射衰减是使1465 nm波长激光提高输出功率的有效方法,研究确定的光学镜片的镀膜参数与腔型结构,有效地衰减了1040 nm 波长光子的发生,合理的缩短腔长,提高了激光输出功率,实现了1465 nm 连续激光输出 33 W,效果良好。

3 准连续光纤倍频输出732.5 nm激光器研究

采用1465 nm波长激光器,右路腔外设置KTP倍频晶体、Q调制器、谐波腔镜,732.5 nm输出镜,即构成732.5 nm激光输出,左路直接输出1465 nm激光,双端输出,732.5 nm激光输出2W,1465 nm输出2.5W。

倍频晶体选用KTP倍频晶体,它具有大的非线性系数及大的允许角、允许温度及小的走离角[10],还具有破坏阈值较高、不潮解,易于获得大尺寸,商品化程度高,成本相对较低等优点,为尽可能获得大的模体积并与光纤模式匹配,并充分利用晶体材料和系统能量,系统选用6 mm×3 mm×3 mm的KTP倍频晶体。

为有效地发挥Q调制器的作用等综合因素,选用光纤环形的等效平-平腔结构,同样要衰减1040 nm 的生成,光纤两端镜面均镀 1040 nm高透射率膜,输出镜镀对732.5 nm高透射率、对 1465 nm 高反射率膜。腔内设置镀1465 nm高透射率、732.5 nm 高反射率膜谐波腔镜。

Q调制器,工作中心频率为27 MHz,衍射效率为21%,调制频率为0.1～45 kHz,连续可调,最高调制功率输出为115 W。

3.1 激光(732.5 nm)准连续Nd∶YAG外腔倍频激光器实验研究

激光器系统光路图如图3所示,右路732.5 nm输出镜。Q调制器输出功率值为47 W、重复频率为9 kHz,实验结果如图6所示,供电电压56 V,电流28.5 A,等效腔长为30 mm,此时,激光732.5 nm输出功率2 W,1465 nm激光在距输出镜处光束直径为 0.96 mm,Q调制器可以有效提高基频光的峰值功率密度,有效提高倍频效率[10],从而提高激光输出功率,在重复频率为7.6 kHz时激光输出功率为峰值,当抽运电流加大到26.9 A时,输出功率 2.1 W,倍频晶体具有热效应,电流超过一定数值后,输出功率开始下降,外腔倍频Q调制器准连续输出的谐振腔内光束功率密度很高,当光束功率密度加大到一定数值后,晶体内部与外部冷却的温度梯度大,晶体内部温度急剧上升,使相位匹配角度发生变化,形成相位失配,降低了倍频转换率,倍频光输出功率随之下降。

图6 732.5 nm激光输出曲线

3.2 双端输出实验结果及分析

实验结果如图7所示,由左右两端双端输出,双端总输出2.5W；得知,双端输出波长732.5nm激光总功率高于单端输出,双端输出结构的KTP热效应影响要低于单端输出[10]。

图7 双端输出732.5 nm与1465 nm激光功率曲线

3.3 激光(732.5 nm) 激光器研究结论

准连续激光(732.5 nm) 光纤外腔倍频激光器,系统方案合理可行,输出功率2.1 W,系统工作稳定。实践证明,衰减 1040 nm的生成,有效地提高了1465 nm 激光输出功率,有利于倍频光732.5 nm的产生,声光调Q对倍频转换效率影响较大,在重复频率为9.9 kHz时激光(732.5 nm) 输出功率为最高。

4 结 论

提供了一种准连续输出 1465 nm与732.5 nm双波长光子纤激光器,利用了波长1465 nm光子能级的辐射跃迁的特点,使1040 nm激光衰减,实现了1465 nm 激光增益输出,确定了输出镜的镀膜数据与激光谐振腔的形式,实验输出1465 nm激光33 W,基频为1465 nm激光,实验获得准连续输出732.5 nm激光2 W,取得了1465 nm与732.5 nm双波长输出,为物联网用的光纤传感器的测试提供了光源。

[1] WANG Tao,YAO Jianquan,LI Xifu,et al.Study on CW Nd∶YAG Laser at 1319 nm[J].Chinese Journal of Lasers,2003,30(10):881-884.(in Chinese)

王涛,姚建铨,李喜福,等.波长为1319nm的连续输出Nd∶YAG激光器的研究[J].中国激光，2003,30(10):881-884.

[2] ZHANG Dongyan,WANG Rongrui.Progress of mid-infrared laser technology[J].Laser & Infrared,2011,41(5):487-491.(in Chinese)

张冬燕,王戎瑞.高功率中红外激光器的进展[J].激光与红外,2011,41(5):487-491.

[3] LIN Hongxi,LI Linxin,XU Yinglang.Influence of output mirror transmissivity on the output characteristics of Cr ∶YAG passively Q-switched laser[J].Laser & Infrared,2015,45(1)：37-40.(in Chinese)林洪沂,李霖钦,许英朝.输出镜透过率对Cr∶YAG被动调Q激光器的影响[J].激光与红外,2015,45(1)：37-40.[4] ZHANG Liming,ZHOU Shouhuan,ZHAO Hong.Introduction of Fe2+doped mid-infrared solid state laser[J].Laser & Infrared,2012，42(4)：360-364.(in Chinese)

张利明,周寿桓,赵鸿.Fe2+掺杂中红外固体激光器技术综述[J].激光与红外,2012,42(4)：360-364.

[5] YAN Lianshan,ZHANG Shiwen.Polarized combination of high power laser beams[J].Laser & Infrared,2000,30(2)：81-83.(in Chinese)

闫连山,张世文.高功率激光偏振合成特性研究[J].激光与红外,2000,30(2)：81-83.

[6] WANG Tao,YAO Jianquan,FU Lixi.The study on qusai-CW Nd∶YAG intracvity frequncy-doubled green[J].Journal of Optoelectronics Laser,2002，13(6):575-577.(in Chinese)

王涛,姚建铨,李喜福,等.连续Nd∶YAG倍频高功率绿光激光器的研究[J].光电子·激光,2002,13(6):575-577.

[7] YUE Congjian.The energy diagram of fiber laser[J].Joumal of Jindongnan Teahers College,2004,21(5):29-30.(in Chinese)

岳丛建.光纤激光器中掺杂离子的能级结构[J].晋东南师范专科学校学报,2004,21(5):29-30.

[8] ZHANG Yudie,WANG Gang,WANG Wentao.Research on one-dimensional beam shaping system simulation and experiment[J].Laser & Infrared,2014，44(11)：1248-1252.(in Chinese)张宇碟,王刚,王文涛.一维光束整形系统仿真及实验技术研究[J].激光与红外,2014，44(11)：1248-1252.

[9] WANG Tao,YAO Jianquan,YU Daoyin.Study on CW Nd∶YAG Laser at 1319nm and 660nm[J].Journal of Tianjin University,2004，37(5)：377-381.(in Chinese)

王涛,姚建铨,郁道银.1319nm与660nm双波长Nd∶YAG激光器的研究[J].天津大学学报,2004,37(5)：377-381.

[10]WANG Tao,YAO Jianquan,LI Xifu，et al.Study on CW Nd∶YAG laser at 1319 nm[J].Laser Journal,2003,29(4):20-22.(in Chinese)

王涛,姚建铨,李喜福,等.波长1319nm连续Nd∶YAG激光器的研究[J].激光杂志,2003,29(4):20-22.

[11]WANG Tao,LI Yuxiang,YAO Jianquan.The double- ended 750 nm and 532 nm laser from[J].PPLN-FWM,CHIN.PHYS.LETT,2013,30(6):064203.

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 涛(1963-)，男，博士后,教授，主要从事高功率激光器及物联网技术研究。E-mail：wtao_1@163.com

2015-03-09

TN248

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.11.010