可調(diào)諧增益調(diào)制中紅外脈沖光纖激光器及獲得激光的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種可調(diào)諧增益調(diào)制中紅外脈沖光纖激光器及獲得可調(diào)諧增益調(diào)制中紅外脈沖光纖激光的方法，激光器包括第一激光泵浦源、第一二色鏡、第二二色鏡、第一凸透鏡、雙包層摻Er3+氟化物光纖、第二凸透鏡、平面閃耀光柵、第二激光泵浦源，第一二色鏡和水平方向呈45度；本發(fā)明巧妙避開了傳統(tǒng)中紅外可調(diào)諧脈沖光纖激光產(chǎn)生過程中對主動調(diào)制器件或被動調(diào)制器件參數(shù)的苛刻要求；采用雙波長混合級聯(lián)泵浦的方式，將連續(xù)激光和脈沖激光相結(jié)合，雙波長混合級聯(lián)直接產(chǎn)生波長更長的中紅外增益調(diào)制脈沖激光，易于實(shí)現(xiàn)輸出脈沖光纖激光的高能量與高功率；將雙波長混合級聯(lián)方法與平面閃耀光柵相結(jié)合，易于實(shí)現(xiàn)中紅外波段波長可調(diào)諧的脈沖光纖激光輸出。
【專利說明】
可調(diào)諧増益調(diào)制中紅外脈沖光纖激光器及獲得激光的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于激光器技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種可調(diào)諧增益調(diào)制中紅外脈沖光纖激光器及利用該激光器獲得可調(diào)諧增益調(diào)制中紅外脈沖光纖激光的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]3?5μπι中紅外激光器因在生物醫(yī)療、材料加工、大氣通信、氣體檢測、紅外對抗等領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用前景受到人們的廣泛關(guān)注。光纖激光器作為一種新型的激光器類型，相比傳統(tǒng)激光器如:固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器等，具有轉(zhuǎn)化效率高、散熱良好、光束質(zhì)量好、易于集成等一系列優(yōu)勢，因此，發(fā)展高性能的中紅外光纖激光器具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。近年來，國際上已經(jīng)涌現(xiàn)出大量中紅外光纖激光器的相關(guān)報(bào)道，2007年新墨西哥大學(xué)朱秀山等人利用摻Er3+氟化物光纖作為增益介質(zhì)，率先實(shí)現(xiàn)了 10瓦量級的2.78μm光纖激光輸出；2009年，日本京都大學(xué)Shigeki Tokita等人在全水冷情況下，實(shí)現(xiàn)了功率高達(dá)24W的2.8μπι摻Er3+氟化物光纖激光輸出；2015年，加拿大拉瓦爾大學(xué)Vincent Fortin等人利用自制的氟化物光纖光柵作為諧振腔反饋，在全光纖結(jié)構(gòu)下實(shí)現(xiàn)了輸出功率為30W的2.94μπι摻Er3+氟化物光纖激光輸出，這也是該波段當(dāng)前國際最高的功率水平。然而，目前大部分光纖激光器的工作波長都還未真正進(jìn)入3?5μπι中紅外區(qū)間。2011年，電子科技大學(xué)李劍峰等人利用摻Ho3+氟化物光纖作為增益介質(zhì)，率先在室溫條件下實(shí)現(xiàn)了波長超過3μπι的瓦級光纖激光輸出，其工作波長為3.002μηι;隨后加拿大拉瓦爾大學(xué)Martin Bernier等人利用氟化物光纖光柵作為諧振腔，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)連續(xù)的3.005μπι摻Er3+氟化物光纖激光輸出，并將其作為基頻源，As2S3硫化物光纖作為增益介質(zhì)，結(jié)合硫化物光纖光柵，實(shí)現(xiàn)了 3.34μπι的一階拉曼光纖激光和3.77μπι的二階拉曼光纖激光輸出；相比傳統(tǒng)的稀土離子摻雜光纖激光器，拉曼光纖激光器通常需要額外引入多個(gè)光纖光柵對，提供諧振腔反饋，從而增加了光纖激光器的復(fù)雜程度，更重要的是，拉曼光纖激光器的效率會隨著級聯(lián)階數(shù)的增加大幅降低。2014年，澳大利亞阿德萊德大學(xué)Ori Henderson-Sapir等人采用985nm和1973nm雙波長級聯(lián)栗浦摻Er3+氟化物光纖，率先實(shí)現(xiàn)了3.604μπι的光纖激光輸出，大大拓展了中紅外光纖激光器的工作波長，隨后他們和加拿大拉瓦爾大學(xué)利用相同的方法分別實(shí)現(xiàn)了3.33?3.78μπι波長可調(diào)諧的光纖激光輸出和1.5W的3.44μπι光纖激光輸出。相比連續(xù)光纖激光器，3?5μπι的脈沖光纖激光器因具有更高的峰值功率和脈沖能量在特殊材料加工、生物組織切割、紅外對抗等領(lǐng)域具有更大的應(yīng)用前景。然而在該波長區(qū)域目前還鮮有脈沖光纖激光器的相關(guān)報(bào)道，2012年，電子科技大學(xué)李劍峰等人采用摻Ho3+氟化物光纖作為增益介質(zhì)，利用聲光調(diào)制器主動調(diào)Q的方法率先實(shí)現(xiàn)了波長超過3μι的脈沖光纖激光輸出，其工作波長為3.005μπι，隨后他們分別利用主動調(diào)Q和被動調(diào)Q的方法實(shí)現(xiàn)了波長超過3μπι的可調(diào)諧脈沖光纖激光，但是最長調(diào)諧波長也僅為3.031μπι，且調(diào)諧范圍都在幾十個(gè)nm的水平。在波長更長的中紅外區(qū)間，無論是采用主動調(diào)Q或鎖模方式還是被動調(diào)Q或鎖模方式產(chǎn)生中紅外脈沖光纖激光，都需要對腔內(nèi)的主動或被動調(diào)制器件參數(shù)(調(diào)制深度、飽和光強(qiáng)、非飽和損耗、工作帶寬等)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)高效的中紅外脈沖光纖激光產(chǎn)生，這對系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)具有較高的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種雙波長混合級聯(lián)的可調(diào)諧增益調(diào)制中紅外脈沖光纖激光器，采用連續(xù)激光和脈沖激光級聯(lián)栗浦摻Er3+氟化物光纖激光器，結(jié)合平面閃耀光柵，無需在腔內(nèi)引入任何額外調(diào)制器件，便可通過增益調(diào)制實(shí)現(xiàn)3.2?3.9μm波長可調(diào)諧的脈沖光纖激光輸出。
[0004]本發(fā)明還提供一種利用該激光器獲得3?5μπι波長區(qū)間調(diào)諧增益調(diào)制中紅外脈沖光纖激光的方法，從而避開傳統(tǒng)方法在該波段實(shí)現(xiàn)脈沖光纖激光輸出對調(diào)制器件參數(shù)的苛刻要求。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下:
[0006]—種可調(diào)諧增益調(diào)制中紅外脈沖光纖激光器，包括沿水平方向依次設(shè)置的第一激光栗浦源、第一二色鏡、第二二色鏡、第一凸透鏡、雙包層摻Er3+氟化物光纖、第二凸透鏡、平面閃耀光柵、位于第一激光栗浦源和第二二色鏡之間的豎直方向設(shè)置的第二激光栗浦源，所述第一二色鏡和水平方向呈45度，第一激光栗浦源用于產(chǎn)生976nm連續(xù)激光，第二激光栗浦源用于產(chǎn)生2μπι脈沖激光，第一二色鏡對976nm連續(xù)激光高透、對2μπι脈沖激光高反，第一二色鏡用于對976nm連續(xù)激光和2μπι脈沖激光合束，第二二色鏡對976nm連續(xù)激光和2μπι脈沖激光高透、對波長位于3.2?3.9μηι的脈沖激光高反，第二二色鏡用于將波長位于3.2?3.9μm的脈沖激光導(dǎo)引輸出，第一凸透鏡用于將976nm連續(xù)激光和2μπι脈沖激光耦合進(jìn)雙包層摻Er3+氟化物光纖中，雙包層摻Er3+氟化物光纖用于產(chǎn)生波長位于3.2?3.9μπι的脈沖激光;雙包層摻Er3+氟化物光纖左端切平角構(gòu)成諧振腔的一端，同時(shí)充當(dāng)輸出耦合，其右端切8°角；第二凸透鏡用于將雙包層摻Er3+氟化物光纖輸出的波長位于3.2?3.9μπι的脈沖激光準(zhǔn)直；平面閃耀光柵以Iittrow型結(jié)構(gòu)放置，用于對波長位于3.2?3.9μπι的脈沖激光進(jìn)行調(diào)諧、同時(shí)構(gòu)成諧振腔的另一端。
[0007]作為優(yōu)選方式，雙包層摻Er3+氟化物光纖中的能級變化過程為:976nm連續(xù)激光將4115/2能級的離子數(shù)栗浦到4In/2能級，為4In/2能級累積離子數(shù)，2μπι脈沖激光將4111/2能級栗浦到4F9/2能級，用于為4F9/2能級周期性地提供離子數(shù)，波長位于3.2?3.9μπι的脈沖激光在4Fsv2能級與419/2能級間產(chǎn)生，多聲子弛豫過程用于將419/2能級上的離子釋放到4Inz2能級上。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明還提供一種利用上述激光器獲得可調(diào)諧增益調(diào)制中紅外脈沖光纖激光的方法，包括如下步驟:(I)開啟第一激光栗浦源，產(chǎn)生的976nm連續(xù)激光經(jīng)第一二色鏡和第二二色鏡透射后，被第一凸透鏡耦合進(jìn)雙包層摻Er3+氟化物光纖中，雙包層摻Er3+氟化物光纖中4115/2能級上的離子被栗浦到4Inz2能級上；(2)同時(shí)開啟第二激光栗浦源，產(chǎn)生的2μπι脈沖激光經(jīng)第一二色鏡反射和第二二色鏡透射后，被第一凸透鏡耦合進(jìn)雙包層摻Er3+氟化物光纖中；(3)雙包層摻Er3+氟化物光纖中4Inz2能級上的離子被周期性地栗浦至l」4F9/2能級，從而實(shí)現(xiàn)對4F9/2能級上離子數(shù)周期性調(diào)制，進(jìn)而對4F9/2能級與419/2能級間的躍迀輻射形成增益調(diào)制，最終在4F9/2能級與419/2能級間產(chǎn)生波長位于3.2?3.9μπι的脈沖激光，419/2能級上的離子通過多聲子弛豫過程被釋放到4Ιη/2能級上，隨后再次重復(fù)上述循環(huán)過程(3); (4)雙包層摻Er3+氟化物光纖右端輸出的波長位于3.2?3.9μπι的脈沖激光經(jīng)第二凸透鏡后照射到以Iittrow型結(jié)構(gòu)放置的平面閃耀光柵上，水平轉(zhuǎn)動平面閃耀光柵，可對產(chǎn)生的脈沖激光波長進(jìn)行調(diào)諧，最終3.2?3.9μπι波長可調(diào)諧的脈沖激光從摻Er3+氟化物光纖左端輸出，并通過第一凸透鏡透射和第二二色鏡反射導(dǎo)引出系統(tǒng)。
[0009]本發(fā)明的有益效果為:(I)巧妙避開了傳統(tǒng)中紅外可調(diào)諧脈沖光纖激光產(chǎn)生過程中對主動調(diào)制器件或被動調(diào)制器件參數(shù)(工作帶寬、調(diào)制深度、損傷閾值等)的苛刻要求；
(2)本發(fā)明采用雙波長混合級聯(lián)栗浦的方式，將連續(xù)激光和脈沖激光相結(jié)合，雙波長混合級聯(lián)直接產(chǎn)生波長更長的中紅外增益調(diào)制脈沖激光，該方法易于實(shí)現(xiàn)輸出脈沖光纖激光的高能量與高功率；(3)裝置結(jié)構(gòu)簡單，無需在諧振腔內(nèi)加入額外的調(diào)制器便可實(shí)現(xiàn)中紅外脈沖光纖激光輸出，具有很強(qiáng)的可移植性；(4)將雙波長混合級聯(lián)方法與平面閃耀光柵相結(jié)合，易于實(shí)現(xiàn)中紅外波段波長可調(diào)諧的脈沖光纖激光輸出。
【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明的激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖2是本發(fā)明的激光器的雙包層摻Er3+氟化物光纖內(nèi)部的激光能級圖。
[0012]I為第一激光栗浦源，2為第二激光栗浦源，3為第一二色鏡，4為第二二色鏡，5為第一凸透鏡，6為雙包層摻Er3+氟化物光纖，7為第二凸透鏡，8為平面閃耀光柵，9為4F9/2能級，10為419/2能級，11為4Inz2能級，12為4113/2能級，13為4115/2能級，14為976nm連續(xù)激光，15為2μm脈沖激光，16為波長位于3.2?3.9μπι的脈沖激光，17為多聲子弛豫過程。
【具體實(shí)施方式】
[0013]以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0014]—種可調(diào)諧增益調(diào)制中紅外脈沖光纖激光器，包括沿水平方向依次設(shè)置的第一激光栗浦源1、第一二色鏡3、第二二色鏡4、第一凸透鏡5、雙包層摻Er3+氟化物光纖6、第二凸透鏡7、平面閃耀光柵8、位于第一激光栗浦源I和第二二色鏡4之間的豎直方向設(shè)置的第二激光栗浦源2，所述第一二色鏡3和水平方向呈45度，第一激光栗浦源I用于產(chǎn)生976nm連續(xù)激光，第二激光栗浦源2用于產(chǎn)生2μπι脈沖激光，第一二色鏡3對976nm連續(xù)激光高透、對2μπι脈沖激光高反，第一二色鏡3用于對976nm連續(xù)激光和2μπι脈沖激光合束，第二二色鏡4對976nm連續(xù)激光和2μηι脈沖激光高透、對波長位于3.2?3.9μηι的脈沖激光高反，第二二色鏡4用于將波長位于3.2?3.9μπι的脈沖激光導(dǎo)引輸出，第一凸透鏡5用于將976nm連續(xù)激光和2μπι脈沖激光耦合進(jìn)雙包層摻Er3+氟化物光纖6中，雙包層摻Er3+氟化物光纖6用于產(chǎn)生波長位于3.2?3.9μπι的脈沖激光;雙包層摻Er3+氟化物光纖6左端切平角構(gòu)成諧振腔的一端，同時(shí)充當(dāng)輸出耦合，其右端切8°角;第二凸透鏡7用于將雙包層摻Er3+氟化物光纖輸出的波長位于3.2?3.9μπι的脈沖激光準(zhǔn)直;平面閃耀光柵8以I i ttrow型結(jié)構(gòu)放置，用于對波長位于3.2?
3.9μπι的脈沖激光進(jìn)行調(diào)諧、同時(shí)構(gòu)成諧振腔的另一端。
[0015]雙包層摻Er3+氟化物光纖6中的能級變化過程為:976nm連續(xù)激光14將4115/2能級13的離子數(shù)栗浦到4Inz2能級11，為4Inz2能級11累積離子數(shù)，而4I1V2能級12是一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)能級，2μπι脈沖激光15將4Inz2能級11栗浦到4F9/2能級9，用于為4F9/2能級9周期性地提供離子數(shù)，波長位于3.2?3.9μπι的脈沖激光16在4F9/2能級9與419/2能級10間產(chǎn)生，多聲子弛豫過程17用于將419/2能級10上的離子釋放到4111/2能級11上。
[0016]利用上述激光器獲得可調(diào)諧增益調(diào)制中紅外脈沖光纖激光的方法，包括如下步驟:(I)開啟第一激光栗浦源I，產(chǎn)生的976nm連續(xù)激光經(jīng)第一二色鏡3和第二二色鏡4透射后，被第一凸透鏡5耦合進(jìn)雙包層摻Er3+氟化物光纖6中，雙包層摻Er3+氟化物光纖6中4115/2能級13上的離子被栗浦到4Inz2能級11上；(2)同時(shí)開啟第二激光栗浦源，產(chǎn)生的2μπι脈沖激光經(jīng)第一二色鏡3反射和第二二色鏡4透射后，被第一凸透鏡5耦合進(jìn)雙包層摻Er3+氟化物光纖6中；(3)雙包層摻Er3+氟化物光纖6中4Inz2能級11上的離子被周期性地栗浦到4F9/2能級9，從而實(shí)現(xiàn)對4F9/2能級9上離子數(shù)周期性調(diào)制，進(jìn)而對4F9/2能級9與419/2能級10間的躍迀輻射形成增益調(diào)制，最終在4F9/2能級9與419/2能級10間產(chǎn)生波長位于3.2?3.9μπι的脈沖激光，419/2能級10上的離子通過多聲子弛豫過程17被釋放到4Inz2能級11上，隨后再次重復(fù)上述循環(huán)過程(3); (4)雙包層摻Er3+氟化物光纖右端輸出的波長位于3.2?3.9μπι的脈沖激光經(jīng)第二凸透鏡7后照射到以Iittrow型結(jié)構(gòu)放置的平面閃耀光柵上，水平轉(zhuǎn)動平面閃耀光柵，可對產(chǎn)生的脈沖激光波長進(jìn)行調(diào)諧，最終3.2?3.9μπι波長可調(diào)諧的脈沖激光從摻Er3+氟化物光纖左端輸出，并通過第一凸透鏡5透射和第二二色鏡4反射導(dǎo)引出系統(tǒng)。
[0017]上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種可調(diào)諧增益調(diào)制中紅外脈沖光纖激光器，其特征在于:包括沿水平方向依次設(shè)置的第一激光栗浦源、第一二色鏡、第二二色鏡、第一凸透鏡、雙包層摻Er3+氟化物光纖、第二凸透鏡、平面閃耀光柵、位于第一激光栗浦源和第二二色鏡之間的豎直方向設(shè)置的第二激光栗浦源，所述第一二色鏡和水平方向呈45度，第一激光栗浦源用于產(chǎn)生976nm連續(xù)激光，第二激光栗浦源用于產(chǎn)生2μπι脈沖激光，第一二色鏡對976nm連續(xù)激光高透、對2μπι脈沖激光高反，第一二色鏡用于對976nm連續(xù)激光和2μπι脈沖激光合束，第二二色鏡對976nm連續(xù)激光和2μηι脈沖激光高透、對波長位于3.2?3.9μηι的脈沖激光高反，第二二色鏡用于將波長位于3.2?3.9μπι的脈沖激光導(dǎo)引輸出，第一凸透鏡用于將976nm連續(xù)激光和2μπι脈沖激光耦合進(jìn)雙包層摻Er3+氟化物光纖中，雙包層摻Er3+氟化物光纖用于產(chǎn)生波長位于3.2?3.9μπι的脈沖激光;雙包層摻Er3+氟化物光纖左端切平角構(gòu)成諧振腔的一端，同時(shí)充當(dāng)輸出耦合，其右端切8°角；第二凸透鏡用于將雙包層摻Er3+氟化物光纖輸出的波長位于3.2?3.9μπι的脈沖激光準(zhǔn)直;平面閃耀光柵以I ittrow型結(jié)構(gòu)放置，用于對波長位于3.2?3.9μπι的脈沖激光進(jìn)行調(diào)諧、同時(shí)構(gòu)成諧振腔的另一端。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)諧增益調(diào)制中紅外脈沖光纖激光器，其特征在于:雙包層摻Er3+氟化物光纖中的能級變化過程為:976nm連續(xù)激光將4115/2能級的離子數(shù)栗浦到4Ιη/2能級，為4In/2能級累積離子數(shù)，2μπι脈沖激光將4111/2能級栗浦到4F9/2能級，用于為4F9/2能級周期性地提供離子數(shù)，波長位于3.2?3.9μπι的脈沖激光在4F9/2能級與419/2能級間產(chǎn)生，多聲子弛豫過程用于將419/2能級上的離子釋放到4In/2能級上。3.利用權(quán)利要求1或2所述的激光器獲得可調(diào)諧增益調(diào)制中紅外脈沖光纖激光的方法，其特征在于包括如下步驟:(I)開啟第一激光栗浦源，產(chǎn)生的976nm連續(xù)激光經(jīng)第一二色鏡和第二二色鏡透射后，被第一凸透鏡耦合進(jìn)雙包層摻Er3+氟化物光纖中，雙包層摻Er3+氟化物光纖中4115/2能級上的離子被栗浦到4I1V2能級上；(2)同時(shí)開啟第二激光栗浦源，產(chǎn)生的2μπι脈沖激光經(jīng)第一二色鏡反射和第二二色鏡透射后，被第一凸透鏡耦合進(jìn)雙包層摻Er3+氟化物光纖中；(3)雙包層摻Er3+氟化物光纖中4Inz2能級上的離子被周期性地栗浦到午9/2能級，從而實(shí)現(xiàn)對4F9/2能級上離子數(shù)周期性調(diào)制，進(jìn)而對4F9/2能級與419/2能級間的躍迀輻射形成增益調(diào)制，最終在4Fg/2能級與419/2能級間產(chǎn)生波長位于3.2?3.9μηι的脈沖激光，419/2能級上的離子通過多聲子弛豫過程被釋放到4Ιη/2能級上，隨后再次重復(fù)上述循環(huán)過程(3); (4)雙包層摻Er3+氟化物光纖右端輸出的波長位于3.2?3.9μπι的脈沖激光經(jīng)第二凸透鏡后照射到以Iittrow型結(jié)構(gòu)放置的平面閃耀光柵上，水平轉(zhuǎn)動平面閃耀光柵，可對產(chǎn)生的脈沖激光波長進(jìn)行調(diào)諧，最終3.2?3.9μπι波長可調(diào)諧的脈沖激光從摻Er3+氟化物光纖左端輸出，并通過第一凸透鏡透射和第二二色鏡反射導(dǎo)引出系統(tǒng)。
【文檔編號】H01S3/08GK106058624SQ201610505930
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月29日
【發(fā)明人】韋晨, 羅鴻禹, 張晗, 謝記濤, 翟波, 劉永
【申請人】電子科技大學(xué)