[发明专利]基于光纤光栅反馈的半导体光纤耦合单模激光器

说明书

本发明公开了基于光纤光栅反馈的半导体光纤耦合单模激光器，其具体装置结构包括电流泵浦源、多模半导体激光芯片、准直耦合系统及少模光纤，在多模半导体激光芯片的前端面设置有减反膜，在少模光纤上刻写有布拉格光纤光栅，多模半导体激光芯片在电流泵浦源的激励下产生基模和高阶模式光束，经过减反膜和准直耦合系统进入少模光纤，其中的高阶模式经过布拉格光纤光栅反射回多模半导体激光芯片继续参与运转谐振，而基模光束透过布拉格光纤光栅输出。本发明制作的激光器可以实现高功率的基模光束输出，在激光加工、光放大、光通信等应用领域有显著优势。

技术领域

本发明涉及激光器的技术领域，特别涉及光纤耦合半导体激光器的实现方法。

背景技术

随着光纤激光器技术的飞速发展，主流的光纤激光器产品中，单基模光纤耦合半导体激光器大都为中小功率，而高功率产品多为多模激光器。单基模激光能量集中，光束质量大大优于多模激光。例如激光焊接中的深熔焊，单模激光得到的小孔更小、更深，孔内压力更大更稳定，相同功率的单模激光焊接更有优势，而且合理利用单模激光，可以有效地提高加工能力或效率。再例如激光放大领域，多模泵浦需要配合双包层光纤才可以实现有效泵浦，信号光模式纯度下降，光纤热管理结构复杂。因此应对市场的需求，近些年来也在不断提高单基模光纤耦合半导体激光功率，但是由于半导体解理面积较小，电流耐受较小，输出功率受限。而基于多模激光腔外转换为单基模激光的技术方案则由于模式间相位随机性及模式不匹配等因素导致耦合效率下降，激光输出功率不稳定。

发明内容

基于上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供一种基于光纤光栅反馈的半导体光纤耦合单模激光器，旨在利用布拉格光纤光栅将高阶模式激光反射回半导体激光芯片继续参与谐振，选择性透过基模光束，从而实现光纤中高功率的单基模激光输出。

本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：

所述激光器的装置由电流泵浦源(Pump Current)、多模半导体激光芯片(Multi-mode Semiconductor Laser Chip)、准直耦合系统及少模光纤(Few Mode Fiber)组成；在所述多模半导体激光芯片的前端面(Front Facet)设置有减反膜(AR Film)；在所述少模光纤上刻写有布拉格光纤光栅(Bragg Grating)。

所述激光器的运转过程为：所述电流泵浦源为多模半导体激光芯片提供增益，产生基模激光信号和高阶模式激光信号，经由多模半导体激光芯片前端面的减反膜和准直耦合系统进入到少模光纤中；少模光纤上刻写的特定周期的布拉格光纤光栅将其中的高阶模式激光反射回多模半导体激光芯片继续参与运转谐振，基模激光则直接透过布拉格光纤光栅输出。

由于多模半导体激光芯片增益介质较长，半导体解理面积较大，可以耐受较大泵浦电流，因此可以实现在大电流泵浦下的高功率基模激光直接输出。该仪器装置设计充分利用了布拉格光栅的选模特性，充分利用了泵浦源输出的各种高阶模，得到更高功率的基模激光。

进一步的，激光器的谐振波长由多模半导体激光芯片后端面刻蚀形成的半导体布拉格反射光栅决定。

进一步的，针对激光器谐振波长λ的高阶模式激光反射，对应的布拉格光纤光栅的周期Λ＝λ/2n_eff，其中n_eff为该高阶模式激光在少模光纤中的有效折射率。

进一步的，准直耦合系统由透镜L1和透镜L2组成，为满足最大耦合效率，两透镜焦距和数值孔径应与多模半导体激光芯片及少模光纤匹配：透镜L1数值孔径应大于多模半导体激光芯片数值孔径，透镜L2数值孔径应大于少模光纤数值孔径，透镜L1和透镜L2的焦距比值应满足f₁/f₂＝d₁/d₂，其中d₁和d₂分别为多模半导体激光器芯片和少模光纤中的激光光斑直径。