光纤激光泵浦方法和结构及太阳光泵浦3微米光纤激光器

技术领域

本发明属于光纤激光器领域，具体涉及一种光纤激光泵浦方法，另外，本发明还涉及一种光纤激光泵浦结构，此外，本发明还涉及一种太阳光泵浦3微米光纤激光器。

背景技术

太阳光是一种连续宽光谱光源，其辐射谱中含有许多常用的激光泵浦吸收带，将聚焦高能量密度的太阳光耦合到激光介质中，对激光介质进行泵浦以实现激光输出，这类激光器即为太阳光泵浦激光器。

目前，太阳光泵浦的光纤激光器一般采用太阳光直接泵浦方式，需要大尺寸的太阳光聚焦透镜或凹面反射镜系统，同时为了把太阳光聚焦耦合进小芯径光纤，还必须采用高精度的太阳光跟踪系统来保持聚焦光斑与光纤端面的重合，因而导致太阳光泵浦的光纤激光器不仅系统结构复杂、体积庞大而且造价昂贵，不利于推广应用。

虽然有的太阳光泵浦光纤激光器也会采用太阳光侧面泵浦方式，但是这种方式又因为太阳光谱与光纤吸收谱重叠程度低、吸收效率极低，而难以实现高效的能量转换。

因此，面对太阳光的宽光谱、大发散角、低光束质量等特性，要实现较高能量转换效率的太阳光泵浦光纤激光器，同时又需要降低系统的复杂程度和造价、使输出激光具备高光束质量和高稳定性仍然具有技术挑战性。

发明内容

基于上述背景问题，本发明旨在提供一种光纤激光泵浦方法，能够提高太阳光的吸收率，进而提升能量转换效率；本发明的另一目的是提供一种光纤激光泵浦结构和太阳光泵浦3微米光纤激光器，具有结构精简，能量转换效率高的优势。

为实现上述目的，一方面，本发明实施例提供的技术方案是：

光纤激光泵浦方法，包括以下步骤：

通过无色量子点薄膜吸收太阳光并并辐射出970-990nm的窄带辐射光，970-990nm的窄带辐射光被掺铒光纤吸收；

未被吸收的970-990nm的窄带辐射光被反射共振增强和散射，以增加与掺铒光纤的接触面积；未被吸收的太阳光被散射，以增加被无色量子点薄膜吸收并辐射970-990nm的窄带辐射光的效率。

另一方面，本发明实施例提供一种光纤激光泵浦结构，包括：

无色量子点薄膜，用于吸收太阳光并辐射出970-990nm的窄带辐射光；

掺铒光纤，设置在所述无色量子点薄膜的下方，用于吸收970-990nm的窄带辐射光；

玻璃微球，设置在所述掺铒光纤的下方，用于散射未被吸收的970-990nm的窄带辐射光和未被吸收的太阳光；

反射腔，用于对未被吸收的970-990nm的窄带辐射光进行反射共振增强。

在一个实施例中，所述反射腔由顶面双色镜、底面全反镜以及侧面反射器合围而成，所述反射腔内设有所述无色量子点薄膜、掺铒光纤以及玻璃微球。

进一步地，所述顶面双色镜为平面介质镜，所述顶面双色镜的上表面设有增透膜，以对小于800nm波长的光进行增透，所述顶面双色镜的下表面还设有高反膜，以对大于800nm波长的光进行反射。

进一步地，所述底面全反镜为宽带反射镜，且所述底面全反镜对波长400-1100nm的光的反射率大于97％。

进一步地，所述侧面反射器设有漫反射表面，所述漫反射表面可采用磨毛的铜或铝形成。

在一个实施例中，所述无色量子点薄膜由量子点和聚合物融合而成；所述量子点为核壳结构的CuInSeS/ZnS量子点，所述聚合物为聚甲基丙烯酸月桂酯。

进一步地，所述量子点的质量百分比为0.2-0.5％，所述量子点的粒径为4-6nm。

在一个实施例中，所述掺铒光纤盘绕设置在玻璃板上，且所述掺铒光纤为双包层氟化物光纤。

第三方面，本发明实施例提供一种太阳光泵浦3微米光纤激光器，包括前腔镜、后腔镜以及上述的光纤激光泵浦结构；

所述前腔镜设置在所述反射腔的外侧，且与所述掺铒光纤连接，所述前腔镜为反射率大于70％的介质镜，用于作为光纤激光器的耦合输出镜；

所述后腔镜设置在所述反射腔的外侧，且与所述掺铒光纤连接，所述后腔镜为反射率大于98％的介质镜，用于作为光纤激光器的激光反馈镜。

与现有技术相比，本发明实施例至少具有以下效果：

1、本发明的光纤激光泵浦方法采用无色量子点薄膜对太阳光进行吸收，无色量子点薄膜辐射出的窄带辐射光与掺铒光纤的吸收峰高度重合，有利于提高泵浦光的吸收效率；未被吸收的窄带辐射光被反射共振增强和散射，可以增加与光纤的接触面积，进一步提高泵浦光的吸收效率，同时未被吸收的太阳光被散射后被无色量子点薄膜进一步吸收并辐射出窄带辐射光，从而增强了量子点辐射出光的效率，进而提升能量转换效率。

2、本发明的光纤激光泵浦结构包括无色量子点薄膜、掺铒光纤、玻璃微球以及反射腔，无需设置大型的太阳光聚光系统和高精度的太阳光跟踪系统，具有结构精简，能够降低成本的优势。

3、本发明的无色量子点薄膜由量子点和聚合物融合而成，量子点为核壳结构的CuInSeS/ZnS量子点，聚合物膜为聚甲基丙烯酸月桂酯，该量子点对小于800nm波段的太阳光高吸收，同时辐射出970-990nm的窄带辐射光。

4、本发明的掺铒光纤盘绕固定在玻璃板上，可以提高吸收率；本发明通过玻璃微球的设置，可以对量子点辐射的窄带辐射光形成随机散射，从而增强辐射光与掺铒光纤的重叠面积，提高光纤对辐射光的吸收；同时玻璃微球还可以对未吸收的太阳光进行散射，也增强量子点对太阳光的吸收效率。

5、本发明的太阳光泵浦3微米光纤激光器包括前腔镜、后腔镜和光纤激光泵浦结构，前腔镜和后腔镜均为高反腔镜，能够提升谐振腔的品质因子，增益光纤在获取足够增益的条件下产生受激辐射光放大，从而实现3μm中红外激光输出；激光输出功率和效率可以通过量子点浓度、量子点尺寸、掺铒光纤长度、铒掺杂浓度以及玻璃微球的尺寸和分布等参数进行调节。

6、本发明的太阳光泵浦3微米光纤激光器可以输出3μm中红外光纤激光，在空间通信、中红外激光干扰和对抗等领域具有重要应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例1中光纤激光泵浦结构的结构示意图；

图2为本发明实施例1中光纤激光泵浦结构的主视剖视图；

图3为本发明实施例2中太阳光泵浦3微米光纤激光器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了解决现有太阳光直接泵浦方式存在的结构复杂、体积庞大，以及太阳光侧面泵浦方式存在的能量转换效率低等问题，本发明实施例提供一种光纤泵浦方法，通过无色量子点薄膜对太阳光进行吸收并辐射出970-990nm的窄带辐射光，970-990nm的窄带辐射光被掺铒光纤吸收；未被吸收的970-990nm的窄带辐射光被反射共振增强和散射，以增加与掺铒光纤的接触面积；未被吸收的太阳光被散射，以增加被无色量子点薄膜吸收并辐射970-990nm的窄带辐射光的效率。

本发明实施例通过无色量子点薄膜对太阳光进行吸收，无色量子点薄膜辐射出的窄带辐射光与掺铒光纤的吸收峰高度重合，有利于提高泵浦光的吸收效率；未被吸收的窄带辐射光被散射和共振增强，增加与光纤的接触面积，从而增强了泵浦光的吸收效率；未被吸收的太阳光被散射后经无色量子点薄膜吸收，提高了辐射出光的效率，进而提升能量转换效率。

接下来将通过具体实施例对本发明的技术方案进行描述。

实施例1

光纤激光泵浦结构，如图1所示，包括：反射腔1、无色量子点薄膜2、掺铒光纤3以及玻璃微球4。

在本实施例中，如图2所示，所述反射腔1由顶面双色镜1-1、底面全反镜1-2以及侧面反射器1-3合围而成，且本实施例的反射腔1示例性地设置为圆柱形腔体，所述反射腔1内设有所述无色量子点薄膜2、掺铒光纤3以及玻璃微球4。

具体的，所述顶面双色镜1-1为平面介质镜，所述顶面双色镜1-1的上表面设有增透膜，以对小于800nm波长的光进行增透，所述顶面双色镜1-1的下表面还设有高反膜，以对大于800nm波长的光进行反射。

所述顶面双色镜1-1用于供太阳光垂直入射到所述无色量子点薄膜2上。顶面双色镜1-1的材质可以根据太阳光波长选择光学级玻璃或熔石英，为可见和近红外光提供高透过率，顶面双色镜1-1的尺寸可以示例性地设置为直径30cm、厚度3mm。

所述底面全反镜1-2用于与所述顶面双色镜1-1配合，以对后述的未被吸收的970-990nm的窄带辐射光进行共振增强。底面全反镜1-2为宽带反射镜，且所述底面全反镜1-2对波长400-1100nm的光的反射率大于97％。所述底面全反镜1-2的尺寸可以示例性地设置为直径30cm、厚度5mm。

所述侧面反射器1-3设有漫反射表面，用于把后述的未被吸收的970-990nm的窄带辐射光和未被吸收的太阳光漫反射回反射腔1内。所述漫反射表面可采用磨毛的铜或铝形成。所述侧面反射器1-3的尺寸可以示例性地设置为直径30.5cm，高15mm。

在本实施例中，所述无色量子点薄膜2用于对太阳光进行吸收并辐射出970-990nm的窄带辐射光。如图1和2所示，所述无色量子点薄膜2贴附固定在所述顶面双色镜1-1的下表面，具体可采用光学胶将无色量子点薄膜2与顶面双色镜1-1固定，在实际应用中，无色量子点薄膜2作为独立的元件可以进行更换。

具体的，所述无色量子点薄膜2由量子点和聚合物融合而成，其厚度可以示例性地设置为500μm。

本实施例的量子点为核壳结构的CuInSeS/ZnS量子点，其中CuInSe为核，ZnS为壳层，该量子点可以对小于800nm波段的太阳光高吸收，同时辐射出970-990nm的窄带辐射光，该窄带辐射光与掺铒光纤3的吸收谱重合，用于泵浦掺铒光纤产生3μm辐射增益；所述聚合物膜为聚甲基丙烯酸月桂酯(PLMA)。

示例性地，所述量子点的质量百分比为0.2-0.5％，量子点的质量百分比为量子点在无色量子点薄膜中的质量占比，所述量子点的粒径为4-6nm。

在本实施例中，所述掺铒光纤3用于对970-990nm的窄带辐射光进行吸收，如图1和2所示，所述掺铒光纤3设置在无色量子点薄膜2的下方，且固定在玻璃板上，以图1为例，掺铒光纤3盘绕设置，可以提高吸收效率。

具体的，所述掺铒光纤3中铒离子的掺杂浓度为70000ppm，掺铒光纤3为双包层氟化物光纤，掺铒光纤3的纤芯直径示例性地设置为15μm(数值孔径NA＝0.12)，包层直径示例性地为240×260μm(数值孔径NA＝0.4)，具体尺寸可以根据激光器结构和光纤长度进行调整。

在本实施例中，所述玻璃微球4用于对未被吸收的970-990nm的窄带辐射光和太阳光进行散射，如图1和2所示，所述玻璃微球4随机布设在掺铒光纤3的下方，玻璃微球4的尺寸≥0.5μm，通过玻璃微球4的散射，可以增强970-990nm的窄带辐射光与掺铒光纤3的重叠因子，进而提高光纤对辐射光的吸收，还可以提高无色量子点薄膜2对太阳光的吸收。

本实施例的光纤激光泵浦结构的工作原理为：

太阳光入射到顶面双色镜1-1上，通过顶面双色镜1-1的太阳光垂直入射到无色量子点薄膜2中被量子点吸收，量子点吸收太阳光后辐射出970-990nm的窄带辐射光，该970-990nm的窄带辐射光被掺铒光纤吸收。

未被吸收的970-990nm的窄带辐射光在顶面双色镜1-1和底面全反镜1-2之间形成共振增强，未被吸收的970-990nm的窄带辐射光还受到玻璃微球4的散射，增加了与掺铒光纤3的接触面积，从而提高了太阳光的吸收效率；同时未被吸收的太阳光经过玻璃微球4的散射进一步被无色量子点薄膜2吸收，提高了辐射出光的效率；侧面反射器1-3把未被吸收的970-990nm的窄带辐射光和未被吸收的太阳光漫反射回反射腔1中，而吸收足够泵浦光后的掺铒光纤3中产生3μm波段的辐射光。

本实施例的光纤激光泵浦结构可以提升能量转换效率，且无需设置大型的太阳光聚光系统和高精度的太阳光跟踪系统，具有结构精简，能够降低成本的优势。

实施例2

太阳光泵浦3微米光纤激光器，如图3所示，包括前腔镜5、后腔镜6以及实施例1中的光纤激光泵浦结构。

在本实施例中，所述前腔镜5和后腔镜6相对分设在反射腔1的两侧，且均与所述掺铒光纤3连接，以图3为例，所述前腔镜5设置在反射腔1的右侧，所述后腔镜6设置在反射腔1的左侧。

具体的，所述前腔镜5作为光纤激光器的耦合输出镜，设置为介质镜，其上镀有2.8-3.1μm波段的高反射膜，高反射膜的反射率大于70％，反射率设定为70％到99％之间的任一值，可根据谐振腔的增益系数和损耗进行设定。

所述后腔镜6用于提供激光反馈，同样设置为介质镜，其上镀有2.8-3.1μm波段的的高反射膜，高反射膜的反射率大于98％。

本实施例的前腔镜5和后腔镜6均为高反腔镜，能够提升谐振腔的品质因子，增益光纤在获取足够增益的条件下产生受激辐射光放大，从而实现3μm中红外激光的输出(波长处在2800nm到3100nm之间，随光纤长度和增益强度而改变)，在空间通信、中红外激光干扰和对抗等领域具有重要应用价值。

应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。